电流环路变送器接口的基础知识

电流环路变送器接口的基础知识

为了让设计人员充分利用 4-20 mA 电流环路和 RS-485 变送器接口格式的特性，IC 供应商已设法拓宽这些传统接口的应用范围和多功能性。同时，为简化使用、提高性能和可靠性，供应商正不断增加功能和特性。

本文将回顾 RS-485 和 4-20 mA 电流环路变送器接口的基础知识。然后将介绍接口解决方案，解释其增强功能和性能特征，以及如何利用它们解决实际设计问题。

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为兼容多个潜在发射器，系统必须使用顺序轮询或通过控制请求实施排列，以确保没有数据冲突。虽然这可能会限制吞吐率，但通常问题不大，因为此类系统的总体数据负载相对适中。该标准可以支持数兆位每秒 (Mbps) 的原始数据速率和 4,000 英尺的传输距离（尽管无法同时实现，因为存在速度与距离的权衡），并可实现高效布线，因为只需一对线缆即可连接所有用户。

优化电流环路和 RS-485

电流环路和 RS-485 接口历史久远、成熟度高，并有很多支持组件，目前既用于新设计，也用于升级现有装置。在使用简便性、格式/协议灵活性、成本效益和低功耗具有重要意义的用例中，新设计更胜一筹。

低功耗运行：低功耗运行可使系统达到提升能效的目标，此外它还能降低组件的热负载和冷却需求，从而提升整体可靠性。

尽管具有上述诸多功能块，但 MAX12900AATJ+ 的电源电流低于 200 微安 (µA)，因此可通过“未使用”的 4 mA 环路电流轻松供电。作为一个侧重于工业应用的组件，设计人员需要用到其重要的诊断特性，例如供电源轨监视、输出电流回读以及开路和故障检测。此外，MAX12900AATJ+ 外形小巧，采用 5 mm x 5 mm 的 32 引脚 TQFN 封装，可安装在变送器上。

虽然 4-20 mA 环路的基本操作非常简单，但 MAX12900AATJ+ 并非一个简单 IC，其规格书提供了超过 90 幅静态和动态性能图、范围图片、工作特性图和应用设计导入原理图，由此可见一斑。此 IC 在温度和顺从电压方面都很稳定，而这两项均为工业环境中的重要特性（图 3）。

图 3：Maxim MAX12900AATJ+ 电流环路发射器的一个典型特征是其在供电电流相对于温度（左）和供电电流相对于供电电压（右）方面的稳定性。（图片来源：Maxim Integrated）

Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全双工驱动器/接收器是另一种低功耗设备。该 IC 由一个 3.3 伏电源供电运行，具有低电流待机模式，只需不到 1 μA（典型值）的电流，工作静态电流则低于 1 mA。收发器 IC 低电压运行的一个关键问题是其低噪声容限和抗噪性，但 SN65HVD37 结合了一个强大的差分驱动器和一个具有 60 毫伏高抗噪性的接收器（图 4）。

图 4：Texas Instruments 的 SN65HVD37 RS-485 全双工驱动器/接收器采用低电压轨，但具有优化的抗噪性（这是工业系统的一个考虑因素）。（图片来源：Texas Instruments）

无毛刺的上电和掉电设计为热插拔应用提供保护，因此当通用总线上有许多其他有源单元且其关断会带来很大麻烦时，这一特性成为一个日益重要的维修考虑因素。同时，该设备经过专门设计，在无效总线状态下接收器进入“故障保险”模式。

无效总线状态可能由以下原因导致：总线开路状况，例如连接器断开；总线短路状况，例如电缆损坏导致双绞线同时短路；或总线上无驱动器主动驱动时，总线进入待机状态。在这类情况下，差分接收器输出可保证处于逻辑高态，确保接收器的输出不会处于不定状态。

例如，Maxim Integrated MAX22502E 是一款适用于长距离电缆的 100 Mb/s 全双工 RS-485/RS-422 收发器。它通过对已发送波形进行用户可设置的预加重，来补偿线路引起的失真，进而降低码间干扰 (ISI) 和相关误码率 (BER)，借此达到高达 100 Mb/s 的速度（图 5）。所有这些均在一个 3 × 3 mm 的封装内完成。

图 5：Maxim Integrated MAX22502E RS-485 收发器包含驱动器预加重功能，可将长距离电缆造成的 ISI 降至最低，从而确保低 BER。（图片来源：Maxim Integrated）

不过，对长距离线路适用也意味着其很可能成为 ESD 和瞬态的“牺牲品”。为克服此问题，MAX22502E 集成了比此类 IC 3 至 5 千伏电平标准更高的额外 ESD 保护。此保护功能增强了稳健性，一方面表现为基本共模范围为 -15 伏至 +15 伏，另一方面表现为驱动器输出可防止短路。由此，MAX22502E 符合更多增强型 ESD 标准，包括 ±15 千伏 ESD 保护（人体模式，HBM）、±7 千伏 IEC61000-4-2 气隙 ESD 保护和 ±6 千伏 IEC61000-4-2 接触放电 ESD 保护。

虽然它是低速设备（最高 256 Kb/s），但总线上的低单位负载支持连接多达 256 个收发器，可用于大型网络。它可提供全面的保护，可应对 ±16 千伏 HBM ESD、±8 千伏 IEC 61000-4-2 接触放电、± 10 千伏 IEC 61000-4-2 气隙放电和 ±2 千伏 IEC 61000-4-4 快速瞬态脉冲。

电流隔离：有些情况下需要电流输入/输出隔离，这意味着输入和输出之间不存在电流传导路径，但数据必须穿过此隔离栅。需要采取隔离措施，保护系统及其用户免遭输入故障，其可能对节点输出端施加过电压。总线侧故障可能会损坏输入变送器，因此也需要进行保护。另外，将各种变送器接地彼此隔离，可消除接地环路及其引起的经常令人沮丧的敏感问题。

也许最重要的是，隔离也意味着接地或电源轨短路等输入端节点故障不会影响其余的总线及其节点。

ADM2795E 可应对各种 IEC 61000 ESD 要求，具有与主要关注 ESD 的设备相同或更高的额定值，除此之外，它还符合： IEC 61000-4-x 隔离栅抗扰度标准；IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 EFT、IEC 61000-4-5 浪涌标准；IEC 61000-4-6 传导射频抗扰度标准、IEC 61000-4-3 辐射抗扰度标准以及 IEC 61000-4-8 磁场抗扰度标准，并提供大于 75 kV/微秒 (µs) 的共模瞬态抗扰度。

ADM2795E 采用 16 引脚宽 SOIC 封装，工作电压范围为 1.7 V 至 5.5 V，可连接低压逻辑电源。内部隔离功能无需设计导入，且设备完全符合 TIA/EIA RS-485/RS-422 要求。

尽管电位隔离设备可能会带来额外的 BOM 成本和基底面，并需要隔离电源，但也能提供主要优势，即变送器端的故障不会令总线“关闭”。

总结

尽管已使用多年，但 RS-485 接口和 4-20 mA 电流环路仍广泛应用于工业环境。新型和升级系统在低功耗、范围、提高 ESD 抗扰度和电流隔离方面对接口组件提出了更高的性能要求。如文中所述，供应商正在应对这些需求，进而扩大这些传统接口标准的可用性。

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