电池供电的 4 ～20mA 电流源 童有为 20150513.

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1 电池供电的 4 ～20mA 电流源 童有为

2 电池供电的 4 ～20mA 电流源 由题目可知，该系统是一个升压可控恒流源系统。输入2.5V~4.5V，输出最高28V。 DC/DC
升压开关电源 电流检测与控制 负载RL 控制系统 直流输入 Vin Vo1 Io 由题目可知，该系统是一个升压可控恒流源系统。输入2.5V~4.5V，输出最高28V。

3 4~20mA相关知识 在工业现场，常用电流信号远距离传送模拟信号。使用电流环路传输信号有利于抗干扰以及去除长的导线电阻对信号的压降，使得远距离测量或控制更加精确。

4 4~20mA相关知识 工业上厂用4～20mA的电流环传输信号；用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。 4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。 当现场无供电条件或电路功耗比较大时使用三线制。当现场有供电条件或电路功耗很小时使用二线制。二线制使用一对导线，比三线制少一根导线，有利于节省成本。 二线制4～20mA电流环一般由接收端供电，现场端从电流信号中获得功率，以维持电路工作，并根据传感器信号大小去调整输入（也是输出）电流。一般使用24V供电（也有大于或小于24V电压的），这就要去电路功耗要小于96mW；（实际更低）。或者说，电路要保证静态输入电流小于4mA。

5 4~20mA相关知识 电流源的“饱和” 接收端常用250欧精密电阻将4~20mA电流转换为1V~5V信号。
因此，需要控制线路电阻。可通过减小Rs、用更粗的导线减小导线电阻、或提高供电电压来解决电流源饱和的问题。 电流源的“饱和”

6 恒流源特性 恒流源输出恒定电流，该电流值应与负载阻值无关（前提是电流源未饱和）。 但实际恒流源电路输出电流会随负载阻值变化而有微小的变化。
电流源的负载调整率表示负载变化时，电流源的稳定程度。 该题中负载调整率定义为：（0欧负载时输出电流-500欧负载时输出电流）÷设定电流）。 例如：设定输出10mA，负载短路时实际输出电流10.1mA，负载接500欧电阻是实际输出10mA ；则负载调整率为（ ）/10=0.1/10=0.01 (也可能电阻越大电流越大，计算出的负载调整率应取绝对值)

7 开关电源基础知识 直流电压不能通过线性稳压电路升压。 提升电压可使用开关电容电路、Boost升压电路、Flyback电路等实现。
开关电容电路一般用于小电流（小功率）电压提升倍数不是很大的场合。例如TI公司的电荷泵LM2765电路，可将低至1.8V的电压升为11V，最大输出电流20mA。

8 开关电源基础知识 非隔离开关电源基本电路有降压型Buck电路、升压型Boost电路、极性反转型（也叫升降压型）Buck-Boost电路。

9 开关电源基础知识 BUCK电路：降压型，将高的输入变为低的输出电压 VOUT≈D*VIN 调整占空比可以 调节输出电压 D为PWM的占空比
新型号的DC/DC中越来越多使用NMOS管作为开关管。 其开关频率高，驱动电流小，导通和截止特性更接近理想开关。

10 Buck电路分析 当开关导通时，电源给电感充电，电感电压Von≈Vin-Vo；电感电流IL从左到右，
且线性增加；到开关关闭前，电感电流达到IPK（峰值电流）。二极管D1截止。 开关截止后，由于电感电流不能突变，仍以IPK起始值流动，电流方向仍为从左到右且电流值线性下降；但此时电感处于放电状态，相当于一个电源，电压极性为左负右正。（电源内部电流是从低电位流向高电位的。）Voff=Vo+VD ≈Vo 开关电源中开关状态发生变化时，电感电压极性都会发生翻转。

11 Boost电路分析 Boost电路：升压型，将低的输入变为高的输出电压 D=ton÷T VOUT≈ VIN/(1-D）
D≈（Vo-VIN）/Vo D=ton÷T

12 Boost电路分析 当开关导通时，电源给电感充电，电感电压Von≈Vin；电感电流IL从左到右，
且线性增加；到开关关闭前，电感电流达到IPK（峰值电流）。二极管D1截止。 开关截止后，由于电感电流不能突变，仍以IPK起始值流动，电流方向仍为从左到右且电流值线性下降；但此时电感处于放电状态，相当于一个电源，电压极性为左负右正Voff=Vo-Vin-VD ≈Vo-Vin；Vo ≈Vin+Voff＞Vin；实现升压。

13 Buck-Boost电路分析 BUCK-BOOST升降压电路：（也称极性反转电路） 将正的输入电压转换为负电压输出。 VOUT是电压绝对值
例如可以将+12V输入转换为-5V、-12V、-24V输出。

14 Buck-Boost电路分析 当开关导通时，电源给电感充电，电感电压Von≈Vin；电感电流IL从上到下，
且线性增加；到开关关闭前，电感电流达到IPK（峰值电流）。二极管D1截止。 开关截止后，由于电感电流不能突变，仍以IPK起始值流动，电流方向仍为从上到下且电流值线性下降；但此时电感处于放电状态，相当于一个电源，电压极性为上负下正Voff=Vo-VD ≈Vo ；实现正电压转负电压。

15 电感电流波形 三种拓扑电路，无论开关导通时还是截止时，电感两端电压都恒定（其实有微小变化，电容容量越大，电压变化越小），因此，电感电流上升斜率为一常数，下降斜率也是一常数。也就是说，在开关周期性导通和关闭时，电感电流波形是一锯齿波（或三角波）。 电路达到稳定后，电感电流纹波

16 电感电流三种导电模式 r越小，说明电流纹波相对也较小，则输出电压纹波相应也较小。 一般，电流纹波率r取0.4左右为最佳①。
见参考资料《精通开关电源设计》[美]Sanjaya Manikala著，王志强等译， 人民邮电出版，2008年10月第1版

17 伏秒法则 电路达到稳定后（即输出电压稳定后）电感每个周期内充电能量等于释放能量，每个周期电感电流起始值都相等，充满电后的电流峰值也相等。 由
得 单位：V·uS 伏微秒 定义：伏秒积 则： 对于给定的输入输出电压，其Uon、ton为常数， 即Et为常数，说明电感量大小与电流纹波成反比。 电感量越大，电流纹波越小。

18 电流纹波率 定义电流纹波率，则： 电感量计算公式 电流纹波率是电感电流交流分量与直流分量的比值。

19 开关电源的占空比 占空比D=ton/T=ton/(ton+toff) 由Et=Von×ton=Voff×toff 得 buck boost
（适用于所有拓扑） 表1.三种变换器的传递函数 buck boost Buck-boost Von Vin-Vo Vin Vin Voff Vo Vo-Vin Vo 占空比D 电感平均电流IL 负载电流

20 电感量的计算 可用公式 或 计算 其中，r取0.4计算电感量，实际取值可以大于等于计算值。 f为工作频率，由驱动开关管的控制器决定。
可用公式 或 计算 其中，r取0.4计算电感量，实际取值可以大于等于计算值。 f为工作频率，由驱动开关管的控制器决定。 电感电流IL由负载电流IO决定。 Von由输入电压和输出电压确定。

21 升压型DC/DC电感计算实例 例如，输入最低2.5V，输出28V，输出电流25mA，开关频率100kHz，求电感值。 解：
(1)对于Boost变换器，应在输入电压最低时计算电感。 (2)占空比D=（Vo-Vin）/Vo=25.5/28=0.91 (3)周期T=1/f=1/100KHz=10uS (4)导通时间ton=D*T=0.91*10=9.1uS (5)伏秒数Et=Von*ton=Vin*ton=2.5*9.1=22.75VuS (6)电感平均电流IL=Io/(1-D)=25mA/0.09=278mA=0.278A (7)L=Et/(r*IL)=22.75/(0.4*0.278)=204uH;取L=200uH (8)电感电流峰值：Ipk=(1+r/2)IL=1.2IL=0.336A 总之，需要200uH，饱和电流在0.336A以上的电感。

22 电感的参数 如淘宝网上，正规厂家的电感器都标有电感量和电感电流两个参数

23 线性恒流源电路

24 线性恒流源电路

25 电池供电4~20mA电流源 电源系统方案 方案一

26 电池供电4~20mA电流源 电源系统方案 方案2

27 电池供电4~20mA电流源 电源系统方案 方案三

28 电池供电4~20mA电流源 电源系统方案 方案四

29 由单片机调节的升压开关电源 现在有许多单片机具有PWM输出端口，可利用AD转换端口测量输出电压，根据输出与设定的误差调整PWM占空比，可调节输出电压。 这种方式成为软件闭环负反馈方法，要求单片机速度要足够快，否则由于运算延时过大，容易造成过调节，使输出产生振荡。 可用于输入电压相对稳定，负载电流变化小或变化慢的场合。

30 升压电路的单片机控制

31 Buck电路取样点电流注入方式调压 通过给取样点注入直流电流，从而改变输出电压。
这种方式仍属于硬件负反馈，对单片机和DA速度没有要求，稳压效果较好。 缺点：不能从0V调起，只能从芯片Vref调起。 但本题DCDC后还有一级线性稳压，因此，从1.23V起调没有问题。

32 外接基准和误差放大器方式 由于反馈环路中加了一级比较器，使得反馈时延增大，输出纹波会比分压点电流注入方式大。

33 输出电流测量 输出电流测量是电源中经常要求包含的内容。主要用于显示电流或进行过流保护。 电流检测有介入测量和非介入测量。
介入测量是在电流通路上串联一个小的精密电阻，通过测量电阻两端电压换算出电流值。 非介入测量通过检测电流通路磁场的变化间接测量电流大小。

34 输出电流测量 非介入测量:利用霍尔器件检测导线周围磁场，通过预先标定，换算出导体内电流。有点：电磁隔离，信号输出与被测通路隔离。缺点：受磁场影响大。

35 输出电流测量 介入测量：在电压输出通路或地线回路中串联小阻值电阻，通过电阻电压换算电流。
分为高边检流（或高端检流）：检流电阻串联在高电压端。 低边检流：检流电阻串联在地线回路中。 为了减小检流电阻对输出电压的影响，一般使用阻值很小的低值电阻进行检流，阻值小，电阻上电压就小，还要通过运放或专用检流放大器对电阻上电压进行放大才能测量或识别。

36 低边检流 为了能放大很接近0V的信号，运放需要负电源供电， 以使电压输入在运放放大区域内。

37 高边检流 高边检流面临的挑战： 在检流电阻两端有几伏至 几十付的共模电压，而只 有几十毫伏的差模电压。 要放大该信号就需要抑制 共模电压。
可使用具有高的共模抑制 比的仪表放大器或专用高 边检流放大器。

38 高边检流 例如使用LT6106高边检流放大器，Rsense取0.01欧，Rin取100欧，
Rout取10K就可实现1.0V/A的电流/电压转换。

39 高边检流

40 高边检流

41 高边检流

42 谢谢！

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