CN113849028A - 一种电流输出型ao电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电流输出型AO电路，该电流输出型AO电路涉及电路技术领域。该电流输出型AO电路包括：DC‑DC电路、电压跟随电路。电压跟随电路的输入端与V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，电压跟随电路的输出端与DC‑DC电路的第二端连接，电压跟随电路的输入端采集V/I转换电路中的MOS管的漏极电压，将MOS管的漏极电压反馈给DC‑DC电路调节MOS管的漏极与源极之间的电压。该装置通过设置DC‑DC电路和电压跟随电路，在外部负载为小负载的情况下，能够将MOS管的漏极电压反馈给DC‑DC电路，进而调节MOS管的漏极与源极之间的电压，从而实现了在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗。

Description

一种电流输出型AO电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，特别是涉及一种电流输出型AO电路。

背景技术

目前工业上用来控制调节阀的导通程度的模拟输出(Analog output，AO)电路一般分为两种，分别为电流输出型AO电路和电压输出型AO电路。但大多数时候会采用电流输出型AO电路，该电流输出型AO电路包括了微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)、数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)、电压电流转换电路(V/I转换电路)。

现有的V/I转换电路采用恒压供电，意味着在输出电流不变的情况下，整个系统产生的功耗是定值因此当外接负载很小时，在负载处产生的功耗也很小，进一步导致V/I转换电路产生的功耗很大。当电路中的电流改变时，整个系统的总功耗会发生改变，同时，外接负载产生的功耗和V/I转换电路产生的功耗也会改变。

鉴于上述存在的问题，寻求如何在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗是本领域技术人员竭力解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种电流输出型AO电路，用于在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗。

为解决上述技术问题，本申请提供一种电流输出型AO电路，包括数模转换器和V/I转换电路，其特征在于，还包括：DC-DC电路、电压跟随电路；

电压跟随电路的输入端与V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，用于采集V/I转换电路中的MOS管的漏极电压，其中，MOS管的个数为1个，电压跟随电路的输出端与DC-DC电路的第二端连接，用于将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路，以便DC-DC电路调节MOS管的漏极和源极之间的电压；DC-DC电路的第一端与MOS管的源极连接，DC-DC电路的第三端与供电电源连接。

优选地电压跟随电路包括：电压跟随器、第一差模放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；

电压跟随电路的输入端与MOS管的漏极连接，其中第一电阻的第一端为电压跟随电路的输入端，第一电阻的第二端与电压跟随器的同相端连接，电压跟随器的反相端与第四电阻的第一端连接，第四电阻的第二端与电压跟随器的输出端连接，电压跟随器的输出端与第二电阻的第一端和第一差模放大器的同相端均连接，第一差模放大器的反相端与第二电阻的第二端和第三电阻的第一端均连接，第三电阻的第二端接地，第一差模放大器的输出端与DC-DC电路的第二端连接，其中第一差模放大器的输出端为电压跟随电路的输出端。

优选地DC-DC电路包括：PWM比较器、第二差模放大器、调压器、第五电阻、第六电阻；

第五电阻的第一端和调压器的输入端连接，其中第五电阻的第一端和调压器的输入端连接的公共端为DC-DC电路的第一端，调压器的输出端与PWM比较器的输出端连接，PWM比较器的同相端与电压跟随电路的输出端连接，其中PWM比较器的同相端为DC-DC电路的第二端，PWM比较器的反相端与第二差模放大器的输出端连接，第二差模放大器的同相端与第五电阻的第一端和调压器的输入端连接，第二差模放大器的反相端与第五电阻的第二端和第六电阻的第一端均连接，第六电阻的第二端接地。

优选地MOS管工作在可变电阻区。

优选地DC-DC电路比较MOS管的漏极电压与反馈参考电压的大小关系，其中，反馈参考电压为第五电阻通过第二差模放大器后反馈到PWM比较器的反相端得到的电压值。

优选地当MOS管的源极电压与反馈参考电压相等时，调压器结束调节电压。

优选地数模转换器输出初始电压，其中初始电压的最大值不超过5V。

优选地一种降低功耗系统，应用于上述电流输出型AO电路。

本申请所提供的电流输出型AO电路包括：DC-DC电路、电压跟随电路。电压跟随电路的输入端与V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，电压跟随电路的输出端与DC-DC电路的第二端连接，电压跟随电路的输入端采集V/I转换电路中的MOS管的漏极电压，将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路调节MOS管的漏极与源极之间的电压。该装置通过设置DC-DC电路和电压跟随电路，在外部负载为小负载的情况下，能够将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路，进而调节MOS管的漏极与源极之间的电压，从而实现了在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电流输出型AO电路图；

图2为本申请实施例提供的另一种电流输出型AO电路图；

图3为本申请实施例提供的电压跟随电路图；

图4为本申请实施例提供的DC-DC电路图。

其中，1为DC-DC电路，2为电压跟随电路，3为调压器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种电流输出型AO电路，其能够在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

图1为本申请实施例提供的一种电流输出型AO电路图。如图1所示，该电流输出型AO电路包括除数模转换器和V/I转换电路之外还包括：DC-DC电路1、电压跟随电路2。电压跟随电路2的输入端与V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，用于采集V/I转换电路中的MOS管的漏极电压，其中，MOS管的个数为1个，电压跟随电路2的输出端与DC-DC电路1的第二端连接，用于将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路1，以便DC-DC电路1调节MOS管的漏极和源极之间的电压；DC-DC电路1的第一端与MOS管的源极连接，DC-DC电路1的第三端与供电电源连接。

在实际工业的应用中，使用AO电路来对电路中的调节阀门进行控制。目前工业上存在电流输出型AO电路和电压输出型AO电路的两种AO电路。考虑到电压输出型AO电路，当电路中的电流发生变化时，线路阻抗两端的电压和调节阀负载两端的电压会相应的发生变化，起到分压作用，若此时，线路阻抗和调节阀负载分掉了较多的电压，可能会出现调节阀处的驱动电压无法达到该调节阀的驱动电压，导致该调节阀不能开启且与此同时不能正常工作。因此，在本申请中选用电流输出型AO电路，电流输出型AO电路能在电路中直接产生电流，只要保证电路中的电流最小值能够使得电路中的器件均正常工作即可，不用考虑线路电阻和调节阀负载分压无法达到调节阀驱动电压，甚至无法正常工作的问题。目前工业上用来控制调节阀的导通程度的电流输出型AO电路大多数其电路中的电流范围都为4-20mA，采用数模转换器和V/I转换电路实现。其中V/I转换电路起到将电压转换为电流的功能，且该V/I转换电路采用恒压源供电，该恒压源的值一般为24V，这样的恒压源几乎均能应用于现有的电流输出型AO电路。但不排除有特殊情况，因此在本申请中，V/I转换电路中的恒压源的值可以根据具体实施情况调节，对于其具体值不做限定，上述提及的恒压源的值为24V只是众多实施例中一种优选的情况。由于供电电压的值是固定的，通过P＝UI的公式可以得出整个电路产生的功耗也是固定的，当电路中接入的线路阻抗和调节阀负载很小时，在线路阻抗和调节阀负载上产生的功耗也很小，此时V/I转换电路就会产生很大的功耗，致使V/I转换电路严重发热，损坏电路。当在整个系统中应用多个电流输出型AO电路时，在每个电流输出型AO电路上的V/I转换电路都会产生很大的功耗，以此导致系统整体的功耗过大。图2为本申请实施例提供的另一种电流输出型AO电路图。如图2所示，MCU通过与数模转换器之间的数字接口进行数字通信，配置数模转换器内部的寄存器，将形如0000_1110的数据串与相应的要输入的电压值对应起来，并将其作用在运算放大器U1上，在本实施例中，对于数模转换器内部的寄存器的数据位数不作要求，可以为4位，也可以为8位和16位，上述提及的形如0000_1110的数据串只是众多实施例中的一种情况，且0000_1110的数据串可以对应3V的电压，也可以对应5V的电压，数据串对应的电压值可根据具体实施方式进行调整，同时对于数据串对应电压的对应方式可根据具体实施方式进行设置，在本申请中均不作要求。需要说明的是，该数模转换器输出的初始电压的最大值不超过5V，在实际生产应用中，对于数模转换器提供给运算放大器U1的电压只需要能使其正常工作即可，无需使用过大的电压，而运算放大器U1正常工作的电压在一般情况下不超过5V，因此，在本实施例中，对于数模转换器输出的初始电压进行限定为不超过5V。

在本实施例中，电流输出型AO电路包括：DC-DC电路1、电压跟随电路2。电压跟随电路2的输入端与V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，电压跟随电路2的输出端与DC-DC电路1的第二端连接，电压跟随电路2的输入端采集V/I转换电路中的MOS管的漏极电压，将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路1调节MOS管的漏极与源极之间的电压。该装置通过设置DC-DC电路1和电压跟随电路2，在外部负载为小负载的情况下，能够将MOS管的漏极电压反馈给DC-DC电路1，进而调节MOS管的漏极与源极之间的电压，从而实现了在小负载条件下降低V/I转换电路产生的功耗。

图3为本申请实施例提供的电压跟随电路图。在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，如图3所示，电压跟随电路2包括：电压跟随器U2、第一差模放大器U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4。电压跟随电路2的输入端与MOS管的漏极连接，其中第一电阻R1的第一端为电压跟随电路2的输入端，第一电阻R1的第二端与电压跟随器U2的同相端连接，电压跟随器U2的反相端与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端与电压跟随器U2的输出端连接，电压跟随器U2的输出端与第二电阻R2的第一端和第一差模放大器U3的同相端均连接，第一差模放大器U3的反相端与第二电阻R2的第二端和第三电阻R3的第一端均连接，第三电阻R3的第二端接地，第一差模放大器U3的输出端与DC-DC电路1的第二端连接，其中第一差模放大器U3的输出端为电压跟随电路2的输出端。

在本实施例中，电压跟随电路2的输入端的电压经过电压跟随器U2后，在该电压跟随器U2的输出端得到该电压跟随电路2的输入端的电压，该电压通过第二电阻R2和第三电阻R3分压后，在第一差模放大器U3的输出端得到当电路中的全部器件正常工作时产生的反馈参考电压。但需要说明的是，在本实施例中提及的电压跟随电路2在工作过程中会产生漏电流，该漏电流会影响V/I转换电路得到的电流，因此需要在电压跟随电路2的电压跟随器U2的同相端输入高阻抗，在本实施例中提及的第一电阻R1即为在电压跟随电路2的电压跟随器U2的同相端输入的高阻抗，以此来控制该漏电流输出值很小，同时，设置该电压跟随电路2很大程度上减小了电流的分流，同时减小了对精度要求的影响，使得V/I转换电路得到的电流满足精度要求。需要说明的是，该精度要求的计算公式为：(当前电路中的电流值-理论电路中的电流值)/满量程时的电流值。另外，在本实施例中分别对于上述提及的第二电阻R2和第三电阻R3的阻值、型号、横截面积等均不作要求，只要能起到分压作用即可，具体实施方式可根据具体应用场景进行调整。

在本实施例中设置电压跟随电路2，得到反馈电压，同时，在连接线路时，由于在实际应用时使用的线路长短不同，因此会产生不同大小的线路阻抗，该线路越长其线路阻抗越大。上述实施例中的V/I转换电路会产生电流，此时根据该电流和外接线路阻抗以及调节阀负载能够计算出电压跟随电路2的输入端的电压。

图4为本申请实施例提供的DC-DC电路图。在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，如图4所示，DC-DC电路1包括：PWM比较器U4、第二差模放大器U5、调压器3、第五电阻R5、第六电阻R6；

第五电阻R5的第一端和调压器3的输入端连接，其中第五电阻R5的第一端和调压器3的输入端连接的公共端为DC-DC电路1的第一端，调压器3的输出端与PWM比较器U4的输出端连接，PWM比较器U4的同相端与电压跟随电路2的输出端连接，其中PWM比较器U4的同相端为DC-DC电路1的第二端，PWM比较器U4的反相端与第二差模放大器U5的输出端连接，第二差模放大器U5的同相端与第五电阻R5的第一端和调压器3的输入端连接，第二差模放大器U5的反相端与第五电阻R5的第二端和第六电阻R6的第一端均连接，第六电阻R6的第二端接地。

在本实施例中，将上述实施例中提及的反馈电压与得到的反馈参考电压输入至PWM比较器U4中，在其输出端得到PWM波形，得到的波形有高电平输出和低电平输出，将该高电平输出或低电平输出递送至调压器3中进行MOS管漏极与源极之间电压的调节。对于该调压器3可以设置为当有低电平输出时进行电压的调节功能也可以设置为当有高电平输出时进行电压的调节功能，且该调压器3是Buck-Boost电路，该Buck-Boost电路可以进行电压的升高也可以进行电压的降低，在本实施例中，一般来说不会出现供电电压小于MOS管漏极与源极之间电压的情况，因此在本实施例中该调压器3一般作为降压器使用，将供电电压降低至与MOS管漏极与源极之间电压相等，但不排除会出现该调压器3作为升压器使用，该调压器3在本实施例中作为降压器还是升压器可根据具体实施场景确定，在本实施例中不作限定。第二差模放大器U5采集第五电阻R5两端的电压，通过第二差模放大器U5后在其输出端得到反馈参考电压。在本实施例中，分别对于第五电阻R5和第六电阻R6的阻值、型号、横截面积等均不作要求，具体实施方式可根据具体应用场景进行调整。此外，在本实施例中对于DC-DC电路1的响应时间也不作要求，由于在实际应用场景中，电流输出型AO电路中的电流变化不会快速变化，因此可以将DC-DC电路1的响应时间设置为在线路阻抗和调节阀负载处的电压变化的1ms内，也可以设置为更短的时间，例如：0.5ms甚至于20ns、1ns等等，可以根据具体应用场景中的实施方式确定DC-DC电路1的响应时间。

在本实施例中设置DC-DC电路1，得到反馈参考电压，将上述实施例中提及的反馈电压与得到的反馈参考电压通过PWM比较器U4，得到PWM比较器U4输出的波形，进一步根据PWM比较器U4输出的波形控制调压器3调整此时电路中的电压，以此实现MOS管漏极与源极之间电压的动态调节。

在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，MOS管工作在可变电阻区。在本实施例中，调节阀负载的阻值一般在120Ω-180Ω范围内，当电流输出型AO电路与调节阀的距离很近时，线路阻抗很小，电路中的大部分功耗都产生在V/I转换电路上，从而导致整个系统产生很大功耗。在本实施例中，MOS管工作在可变电阻区，此时产生在V/I转换电路上的功耗大部分都为MOS管产生的热量。也就是说，只要V/I转换电路中的MOS管产生的功耗变小，就能实现电流输出型AO电路低功耗和整个系统低功耗。此时MOS管上的热耗降低，MOS管能承受更高的电压和支持更高的温度规格。需要说明的是，在本实施例中对于该MOS管可以是NMOS也可以是PMOS，对于其类型不作限定要求，可根据具体的实现方式选择其类型。

在本实施例中，设置MOS管工作在可变电阻区是为了将产生的功耗都集中在MOS管上，以便于实现降低电流输出型AO电路低功耗和整个系统低功耗。

在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，DC-DC电路1比较MOS管的漏极电压与反馈参考电压的大小关系，其中，反馈参考电压为第五电阻R5通过第二差模放大器U5后反馈到PWM比较器U4的反相端得到的电压值。在本实施例中，将DC-DC电路1用于比较MOS管的漏极电压与反馈参考电压的大小关系，当MOS管的漏极电压不等于反馈参考电压时，DC-DC电路1会调节MOS管的漏极电压等于反馈参考电压，才将调节后的电压提供给后续电路。在本实施例中，调节电压的功能是调压器3实现的，当MOS管的漏极电压等于反馈参考电压时才将调节后的电压提供给后面的电路也达到了降低功耗的作用，避免产生不必要的功耗。

在上述实施例的基础上，作为一种更优的实施例，一种降低功耗系统，应用于上述电流输出型AO电路。在整个降低功耗的系统中，一般不会只有一个电流输出型AO电路，可以在整个系统中设置数十个电流输出型AO电路。需要说明的是，一个电流输出型AO电路可能存在多个电流输出型AO电路通道，如图2所示的，含有运算放大器U1和MOS管的电路结构即可称为电流输出型AO电路的通道。由此可见，若是一个电流输出型AO电路产生的功耗较大时，整个系统中全部电流输出型AO电路产生的功耗会更大。因此，该电流输出型AO电路应用于降低系统功耗，由此实现了通道上的电压跟随且对通道输出的电流影响较小，实现了V/I转换电路供电电压的动态调节以及整个系统的功耗的降低，解决了MOS管发热的问题，当系统内含有多个电流输出型AO电路时，在最大程度上降低了整个系统的功耗。以输出电流20mA、供电电压24V、线路电阻为50Ω、调节阀负载为100Ω、MOS管饱和压降0.8V、DC-DC电路的转换效率为90％、8通道输出、一个系统内10个电流输出型AO电路为例，计算改进前后整个系统产生的功耗。改进前，总功耗＝MOS管饱和压降*输出电流-输出电流*(线路电阻+调节阀负载)＝24*0.02-0.02*(50+100)＝0.42W，由于整体的功耗几乎都产生在MOS管上，MOS管此时会严重发热，对于封装小、散热差的MOS会出现直接烧毁的情况，此时，整个系统的功耗＝总功耗*通道数*电流输出型AO电路的数量＝0.42*8*10＝33.6W。改进后，总功耗＝供电电压*输出电流+[(供电电压*输出电流)+[输出电流*输出电流*(线路电阻+调节阀负载)]/DC-DC电路的转换效率

＝0.8*0.02+[(0.8*0.02)+[0.02*0.02(50+100)]/0.9＝0.1W。此时，整个系统的功耗＝总功耗*通道数*电流输出型AO电路的数量＝0.1*10＝1W。由此可见MOS管产生的功耗由0.42W降低至0.016W，解决了MOS管发热甚至被烧毁的问题，整个系统的功耗也由33.6W降低至1W，实现了系统功耗的大幅度降低。

以上对本申请所提供的电流输出型AO电路进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种电流输出型AO电路，包括数模转换器和V/I转换电路，其特征在于，还包括：DC-DC电路(1)、电压跟随电路(2)；

所述电压跟随电路(2)的输入端与所述V/I转换电路中的MOS管的漏极连接，用于采集所述V/I转换电路中的所述MOS管的漏极电压，其中，所述MOS管的个数为1个，所述电压跟随电路(2)的输出端与所述DC-DC电路(1)的第二端连接，用于将所述MOS管的漏极电压反馈给所述DC-DC电路(1)，以便所述DC-DC电路(1)调节所述MOS管的所述漏极和所述源极之间的电压；所述DC-DC电路(1)的第一端与所述MOS管的源极连接，所述DC-DC电路(1)的第三端与供电电源连接。

2.根据权利要求1所述的电流输出型AO电路，其特征在于，所述电压跟随电路(2)包括：电压跟随器、第一差模放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；

所述电压跟随电路(2)的输入端与所述MOS管的漏极连接，其中所述第一电阻的第一端为所述电压跟随电路(2)的输入端，所述第一电阻的第二端与所述电压跟随器的同相端连接，所述电压跟随器的反相端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述电压跟随器的输出端连接，所述电压跟随器的输出端与所述第二电阻的第一端和所述第一差模放大器的同相端均连接，所述第一差模放大器的反相端与所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端均连接，所述第三电阻的第二端接地，所述第一差模放大器的输出端与所述DC-DC电路(1)的第二端连接，其中所述第一差模放大器的输出端为所述电压跟随电路(2)的输出端。

3.根据权利要求1所述的电流输出型AO电路，其特征在于，所述DC-DC电路(1)包括：PWM比较器、第二差模放大器、调压器(3)、第五电阻、第六电阻；

所述第五电阻的第一端和所述调压器(3)的输入端连接，其中所述第五电阻的第一端和所述调压器(3)的输入端连接的公共端为所述DC-DC电路(1)的第一端，所述调压器(3)的输出端与所述PWM比较器的输出端连接，所述PWM比较器的同相端与所述电压跟随电路(2)的输出端连接，其中所述PWM比较器的所述同相端为所述DC-DC电路(1)的第二端，所述PWM比较器的反相端与所述第二差模放大器的输出端连接，所述第二差模放大器的同相端与所述第五电阻的第一端和所述调压器(3)的输入端连接，所述第二差模放大器的反相端与所述第五电阻的第二端和所述第六电阻的第一端均连接，所述第六电阻的第二端接地。

4.根据权利要求1所述的电流输出型AO电路，其特征在于，所述MOS管工作在可变电阻区。

5.根据权利要求3所述电流输出型AO电路，其特征在于，所述DC-DC电路(1)比较所述MOS管的漏极电压与反馈参考电压的大小关系，其中，所述反馈参考电压为所述第五电阻通过所述第二差模放大器后反馈到所述PWM比较器的反相端得到的电压值。

6.根据权利要求3所述电流输出型AO电路，其特征在于，当所述MOS管的源极电压与所述反馈参考电压相等时，所述调压器(3)结束调节电压。

7.根据权利要求1所述电流输出型AO电路，其特征在于，所述数模转换器输出初始电压，其中所述初始电压的最大值不超过5V。

8.一种降低功耗系统，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项的电流输出型AO电路。

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