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(4～20) mA电流环路是工业和楼宇自动化应用中主流的过程控制方法。它既可用于传输来自传感器的信息，也可用于向执行器发送信息。即使在无线及其它更复杂数字解决方案（如IO-Link）问世之后，其凭借固有的故障保护机制、简易性和低成本，仍然是一种具有吸引力的解决方案。

(4～20) mA标准来自较早的基于压力的控制标准。在机械时代，蒸汽是主要的驱动和控制动力。那时，基于压力的通信方法便被引入，其中管道压力为3～15 PSI（磅/平方英尺，1 PSI≈6.895 kPa），以控制和传播信号。(4～20) mA标准作为早期的标准，具备很多功能和优势。例如，每当通信通道断开时，压力或电流自然归0，从根本上保证安全。该标准的另一个优点是，它具有很小的压力或电流范围，分别为0～3 PSI或0～4 mA，可为发射器供电。

本文概述了(4～20) mA环路的要求，提出了一种非常优秀的环路接收器设计方案，并提供数据图表以说明其性能。电流环路最简单的形式包括发射器、电池、回路和接收器。发射器连接到压力或温度等传感器，接收器（RX）通常连接到显示器或可编程逻辑控制器（PLC）。您也可在本文中找到发射器（TX）连接到PLC，或RX连接到某种形式的执行器的示例。所有部件均通过导线在1个回路中连接，回路中的电流由TX改变，并由RX测量。电池通常为9～20 V，并为环路供电，有时还为整个系统供电，包括RX、TX、传感器和其它电路。

图1 (4～20) mA电流环路的最简单形式

1   (4～20) mA接收器设计要求

在构建(4～20) mA接收器时，设计人员必须注意2个关键要求：高共模电流测量能力和高精度电流测量能力。电池电压决定了共模电压的要求（通常为12 V）。如果共模电压在5 V左右，你会发现有很多设备可供选择，那么设计要求就会变得容易得多。然而，共模电压通常高于5 V，以补偿环路导线电阻引起的RC下降。这些电阻面临一个事实：环路可能会长距离运行，距离达到数千米甚至更长，从而可能会导致环路中的电压显著下降。

测量精度的第2个要求来自传感器的精度和发射器的精度。若传感器精度为0.1%，则在所有条件下都需要1 000个绝对精度的无噪声位，这意味着需要具有高有效位数（ENOB）的13～14位ADC。更高的精度等级将需要更多的无噪声比特位声位。

此外，还有许多其它需求或特性可构成最佳解决方案。例如，解决方案的尺寸，特别是将(4～20) mA接收器电路放在空间有限的PLC模拟I/O卡上时。集成可以帮助减少电路总面积和复杂性，同时由于较少的组件和较低的偏差提高了解决方案的可靠性。还有一些附加功能，如检测过流和过压/欠压故障状况等，使该解决方案更加强大。

作者简介：Sohail Mirza，市场与产品定义高级经理。他为工业和医疗产品定义了先进的精密模拟前端设备并将其推向市场，并在精密信号处理方面拥有广泛的专业背景。他拥有伊利诺伊大学香槟分校电子工程学士学位、州立圣何塞大学电子工程硕士学位以及斯坦福大学管理科学工程学位。

2   采用ISL28025的(4~20) mA接收器设计

尽管ISL28025^[1]数字电源监测器（DPM）并非专门为此应用而设计，但它具备的许多特性使其成为(4～20) mA接收器的理想选择。它的关键优势在于其高达60 V的高共模（CM）输入范围，这是许多其它AFE（模拟前端）没有的。另一个主要优势是可用于电流感测，输入范围为±80 mV。与使用0~5 V输入ADC感测电流相比，显著降低了对分流电阻的要求，不仅可以节省大量功耗，而且由于分流电阻的发热和偏移较低，读数也更为准确。

此外，ISL28025支持双向电流，允许用户在(4～20) mA或(-20～-4) mA上进行通信。低的10-6偏移的集成基准电压和16位ADC使得该器件备受瞩目。

当连接到高敏感度传感器时，可在环路中进行精确测量。DPM设备还可以在-40~125 ℃范围内运行，这对于工业应用是必需的。其集成的温度传感器可检测过热和故障前状况，并且该器件为过压、欠压和过流情况提供了可编程触发器。

图2 DPM可在(4~20) mA环路中的任何位置准确测量电流和系统电压

3   结果：测量电流环路的电流和系统电压

图2中所示电路演示了ISL28025集成电路在(4～20) mA环路中任何位置精确测量电流及系统电压的能力。在VINP和VINM之间连接分流电阻测量环路电流，VBUS连接至24 V电源的正极端子上监测电源电压。SIM-ALP2模拟仿真器作为PLC工具被用作变送器和(4～20) mA的信号源。

尽管使用仿真器工具设置了环路中的各种电流，但仅保证±1%的输出精度，所以仍需要利用数字万用表（DMM）来测量环路中的精确电流（标记为“Actual/实际值”的数据集）。首先使用ISL28025测量分流电阻（RShunt）两端电压，然后除以分流电阻的测量值3.329 6Ω，得出环路中的电流（标记为“Observed/测量值”的数据集）。此处要注意，分流电阻使用3.3Ω的Vishay SMD(贴片)电阻器，其额定公差为±1%，温度系数为1×10-4 /K，耗散额定值为1 W。为减少由于电阻公差引起的误差，电阻值通过DMM测量。基于“实际值”和“测量值”，使用以下公式计算两者之间的百分比误差。

图3显示了2次测量之间的误差结果，其中电流设置在(4～20) mA之间，环境温度变化为-40～125 ℃（工业范围）。我们看到在电流和温度范围内，测量的电流百分比误差小于±1%。在(8～18) mA范围内，误差更低，小于±0.2%。

除电流外，DPM还用于测量电池或分流电阻处的共模电压。然后将这些测量值与万用表读数进行比较，并使用相同的公式计算百分比误差，结果如图4所示。其表明，在相同温度和电流范围内，共模电压百分比误差范围在0.25%～-0.15%之间。若忽略-40 ℃的温度数据，则误差为±0.15%。

除电流外，DPM还用于测量电池或分流电阻处的共模电压。然后将这些测量值与万用表读数进行比较，并使用相同的公式计算百分比误差，结果如图4所示。其表明，在相同温度和电流范围内，共模电压百分比误差范围在0.25%～-0.15%之间。若忽略-40 ℃的温度数据，则误差为±0.15%。

图3 测得的电流百分比误差与共模电压百分比误差

4   设计注意事项：分流电阻的选择

当使用分流电阻测量(4～20) mA环路内电流时，设计要求使用较小的分流器值以节省因分流器发热而导致的功率损耗。如果我们使用1个简单的0～5 V输入ADC来测量电流，由于电池电压的原因，它不仅需要支持高CM（共模），而且还需要250 Ω的分流电阻值，以允许使用整个ADC范围。如此将导致环路中产生100 mW功耗。另外，DPM的最大电压测量范围为±80 mV。由此，能够最大限度地利用输入范围的分流电阻值为：80 mV / 20 mA = 4 Ω。在我们的示例中，通过将最大电流设置为25 mA，又增加了25%的余量，从而得出3.2 Ω的值。鉴于3.2 Ω的电阻不是很普遍，因此我们决定使用选择3.3 Ω的电阻，该阻值在4 mA的低电流下在分流电阻上会产生13.2 mV压降，而在20 mA的峰值电流下会产生66 mV压降。因此，在1.32 mW峰值功率下，可节省98%的功率。

除分流电阻值外，还必须考虑其容差和偏移，因为这将直接影响绝对电流的测量。请注意，可以通过预测量电阻器或校准系统内偏移误差来补偿公差。偏移不易校准，尽管限制自发热能够缓解这一状况，即通过较小的分流值实现。测量分流器温度还可通过对偏移曲线进行数学校正来补偿偏移误差。

图4 共模电压测量误差百分比

5   结论

综上所述，(4～20) mA电流环路是工业控制系统中常用的通信方式。基于对设计要求的充分理解，ISL28025作为一款出色的数字电源监测器，不仅满足(4～20) mA接收器的设计需求，而且降低了功耗、复杂性及成本。

参考文献：

[ 1 ] ISL28025[R/OL] .www.renesas.com/products/ISL28025.

关键词： 202008 (4～20) mA 接收器 环路 发射器