CN116301162A - 一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器 - Google Patents

Abstract

一种用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，属于工业仪表技术领域。并联稳压器电路为阀门定位器的控制电路提供稳定的电源电压；该电路包含两条支路，分别为负载恒流支路与采样支路，两条支路为并联连接。并联稳压器电路为阀门定位器的控制电路提供稳定的电源电压；通过设置的负载电路，能够旁路掉超过负载电路额定工作电流的额外电流，令负载恒流支路上的电流恒定为环路电流源的最小电流，通过设置的采样支路，将电流信号转换为电压信号被ADC采样；该电路能够提供精准的输出电压与最低87％的电源转换效率，同时满足环路电流源信号的采样功能，为阀门定位器的控制电路提供了优质的电源解决方案。

Description

一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器

技术领域

本发明属于工业仪表技术领域，具体涉及一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器。

背景技术

4-20mA环路电流源是目前工业领域中使用最广泛的信号之一，可用于传感器发送信号，也可作为执行器的控制信号，下文中简称为环路电流源。二线制4-20mA环路电流信号作为控制信号时，可在为接收设备发送控制信号的同时为设备供电，电源与信号使用同一线路传输。早期的执行器多为纯机械结构，通过线圈完成电能到动能的转换，由于线圈可直接由电流驱动，因此不需要任何控制电路或辅助电路即可工作；进入21世纪后，随着半导体技术的发展，出现了大量的民用级低功耗IC，以MSP430系列单片机为例，在工作频率为1MHz时，它的功耗往往低于200uA，因此市面上出现了大量使用二线制环路电流源的智能阀门定位器。

图3是一个常见的使用二线制供电的智能阀门定位器的电路原理图，通常包含模模数转换器ADC、降压整流稳压器LDO、微控制器MCU等IC。由于半导体的电压与电流特性，流经半导体器件的电流在工作频率固定时，与供电电压相关性很低，因此整个电路的工作电流往往保持恒定。

工业仪表所使用的环路电流源多通过V-I转换电路实现，图4是一个常见的V-I转换电路，它由一个运算放大器、一个CMOS管、一个反馈电阻组成，负载与反馈电阻成串联关系，CMOS管的栅极电流可忽略不计，因此反馈电阻上流经的电流即为负载电流，负载电阻与运算放大器形成了负反馈，当输出的电流大于目标电流，V-I转换电路的输出电压降低，反之亦然。因此V-I转换电路实际上是一个以电压为控制量，将电流作为被控量的电压源。

通过上述原理可知，使用V-I转换电路为半导体器件供电时，当V-I转换电路的输出电流出现误差时，V-I转换电路会降低或提高输出电压使得输出电流趋近目标值，但半导体负载的伏安特性会使电流钳位在一个固定值，令电路两端电压无法稳定。而半导体器件，尤其是低功耗的半导体器件对工作电压的要求较高，以最新的CMOS工艺IC为例，它们的工作电压范围多为6V-3V，当电源电压低于负载电路的工作电压时，电路不能工作；相反，电源电压超过负载器件最大的额定电压时，负载可能被击穿或烧毁。

为防止本发明提出的电源电路与变送器的电源电路混淆，这里需要指出，阀门定位器的电路属于挂载在环路电流源上的负载电路。而阀位变送器这类变送器的电路属于4-20mA电流信号的发送电路，它们使用12-36V的恒压源供电，属于挂载在恒压源上的负载电路，整个电路的工作电流随被测变量呈线性变化。因此阀门定位器的电源与变送器的电源完全不同。变送器的电路中，由于电源电压的变化很小，往往不会超过±1V，使用降压稳压器LDO即可稳定电源电压，而阀门定位器的供电电压可以从2V-24V大范围变化，且电压随电流变化，因此仅使用降压稳压器无法满足阀门定位器电路的电源需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于环路电流源的阀门定位器的稳压电源电路，用于为使用二线制环路电流源的阀门定位器提供优质的电源。

本发明提供如下技术方案：

一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，包括采样支路、负载恒流支路及基准电压源U4，所述采样支路与负载恒流支路并联，基准电压源U4挂载在负载恒流支路中；

旁环路电流源输出的最小信号电流超过负载电路工作电流的额外电流，并稳定负载电路两端的电压；旁路环路电流源输出电流大于负载恒流支路额定电流的额外电流，并与负载恒流支路共同调节整个电源电路两端的电压；

采样支路上的电流为环路电流源的信号电流，通过采样电路中设置的采样电阻Rs，完成对环路电流源的信号采样；

基准电压源U4，为采样支路及负载恒流支路提供作为目标值的电压信号。

进一步的，所述采样支路包括第一电压采样网络、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一JFET三极管Q1、第二JFET三极管Q2、电流采样电阻Rs及第一BJT三极管Q3。

进一步的，所述第一运算放大器U1的反相输入端与基准电压源U4相连，第一电压采样网络的输出端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，第一运输放大器U1的输出端与第一JFET三极管Q1及第二JEFT三极管Q2的栅极相连，第一运算放大器U1的电源正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连。

进一步的，所述第一JFET三极管Q1的漏极与第二JFET三极管Q2的漏极短接，并与环路电流源的正极相连；第一JFET三极管Q1的源极与第二JFET三极管Q2的源极短接，并与采样电阻Rs的正极相连，第一JFET三极管Q1与第二JFET三极管Q2的栅极短接；所述采样电阻Rs的负极与第一BJT三极管的发射极连接；采样电阻Rs的两端作为ADC差分输入端连接点，采样电阻Rs的正极作为正差分输入，采样电阻Rs的负极作为负差分输入。

进一步的，所述第一BJT三极管Q3的集电极与环路电流的负极连接，第一BJT三极管Q3的基极与第二运算放大器U2的输出端相连，其发射极与采样电阻Rs的负极相连；所述第二运算放大器U2的同相输入端与基准电压源U4相连，第二运算放大器U2的反相输入端通过第二电阻R2与第一BJT三极管Q3的发射极相连，并通过第三电阻R3接地。

进一步的，所述负载恒流支路包括第二电压采样网络、第三运算放大器U3、第二BJT三极管Q4、第五电阻R5及第六电阻R6。

进一步的，所述第三运算放大器U3的反相输入端与基准电压源U4相连，其同相输入端与第二电压采样网络相连，其输出端经过一个第四电阻R4与第二BJT三极管Q4的基极相连，第三运算放大器U3的电源正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连。

进一步的，所述第二BJT三极管Q4的集电极通过第五电阻R5与环路电流源的正极相连，第二BJT三极管Q4的射级与第六电阻R6的正极相连，第六电阻R6的负极与地相连；第二BJT三极管Q4的集电极节点为电源输出的电源正极，电路与环路电流源负极连接的节点为电源输出的负极。

进一步的，所述第一电压采样网络包括第一精密电阻Rh1及第二采样电阻Rh2，第一精密电阻Rh1与第二采样电阻Rh2串联连接，所述第一精密电阻Rh1的一端与电源正极连接，另一端与第二采样电阻Rh2的一端短接，第二采样电阻Rh2的另一端与环路电流源的负极相连，两电阻短接的端点作为电压采样网络的输出点。

进一步的，所述第二电压采样网络包括由第三精密电阻Rh3及第四精密电阻Rh4，第三精密电阻Rh3与第四精密电阻Rh4串联连接，所述第三精密电阻Rh3的一端与第二BJT三极管Q4的集电极相连，另一端与第四精密电阻Rh4的一端短接，第四精密电阻Rh4的另一端与环路电流源的负极相连，两电阻短接的端点作为电压采样网络的输出点。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明并联稳压器电路为阀门定位器的控制电路提供稳定的电源电压；通过设置的负载电路，能够旁路掉超过负载电路额定工作电流的额外电流，令负载恒流支路上的电流恒定为环路电流源的最小电流，通过设置的采样支路，将电流信号转换为电压信号被ADC采样；该电路能够提供精准的输出电压与最低87％的电源转换效率，同时满足环路电流源信号的采样功能，为阀门定位器的控制电路提供了优质的电源解决方案。

附图说明

图1为本发明的适用于二线制环路电流源的阀门定位器电源稳压电路示意图；

图2为本发明的适用于二线制环路电流源的阀门定位器电源稳压电路的扩展使用方法示意图；

图3为现有的一种V-I转换电路示意图；

图4为现有的一种阀门定位器控制电路设计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-4，一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，包括采样支路、负载恒流支路及基准电压源U4。

采样支路包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一JFET三极管Q1、第二JFET三极管Q2、第一BJT三极管Q3(PNP型)、第一精密电阻Rh1、第二精密电阻Rh2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、采样电阻Rs；

负载恒流支路包括第三运算放大器U3、第一BJT三极管Q3(PNP型)、第三精密电阻Rh3和第四精密电阻Rh4、第五电阻R5、第六电阻R6；

为方便理解，电源电路与环路电流源的连接点可认为是电路的电源正极，电源电路与环路电流源负极的连接点可认为是电路的地或电源负极。

负载恒流支路的一端及采样支路的一端与环路电流源的正极连接，两支路的另一端与环路电流源的负极相连；

负载恒流支路中，第三运算放大器U3的反相输入端与基准电压源U4相连，其同相输入端与第三精密电阻Rh3以及第四精密电阻Rh4组成的电压反馈网络的输出端相连，其输出端经过第四电阻R4与第二BJT三极管Q4的基极相连，第三运算放大器U3的电源正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连；

第二BJT三极管Q4的集电极通过第五电阻R5与环路电流源的正极相连，第二BJT三极管Q4的射级通过第六电阻R6与环路电流源的负极相连；

负载电路的正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，负载电路的负极与地相连，因此负载电压即为第二BJT三极管Q4集电极与环路电流源负极之间的电压。

第三精密电阻Rh3与第四精密电阻Rh4组成的电压采样网络，第三运算放大器U3以及第二BJT三极管Q4组成了一个具有负反馈的闭环系统，环路电流源正极与负极间的电压，即网络两端的电压通过第三精密电阻Rh3与第四精密电阻Rh4组成的电压采样网络输入至第三运算放大器U3，通过与基准电压源U4的目标电压进行差分运算，经过至少80dB的增益以后控制第二BJT三极管Q4的基极电流，通过控制第二BJT三极管Q4集电极与射极间的电导，控制支路上的电流。

当环路电流源的输出电流达到目标值，但网络两端的电压大于负载恒压支路的目标电压时，第三运算放大器U3的输出电压趋近电源正极的电压，导致第二BJT三极管Q4的基极电流提高，集电极与射极间电导提高，支路上的电流随之提高，环路电流源的输出电流进而大于目标值。环路电流源为使电流达到目标值，会降低输出电压。

当环路电流源的输出电流达到目标值，但网络两端电压低于负载恒流支路的目标值时，网络的动态调节规律与上一条相反。

上述的电压调节规律使得：

Vlb＝Vref*(1+Rh3/Rh4)

采样支路中，第一运算放大器U1的反相输入端与基准电压源相连，第一运算放大器U1的同相输入端与第一电阻R1、第二电阻R2组成的第一电压反馈网络连接，第一运算放大器U1的输出端与第一JFET三极管Q1、第二JEFT三极管Q2的栅极相连，第一运算放大器U1的电源正极与第一BJT三极管Q3(PNP型)的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连。

第一JFET三极管Q1的漏极与第二JFET三极管Q2为同型号的N沟道型JFET管，两JFET管的漏极短接，并与环路电流源的正极相连；第一JFET三极管Q1的源极与第二JFET三极管Q2的源极短接，并与采样电阻的正极相连；第一JFET三极管Q1的栅极与第二JFET三极管Q2的栅极短接；

由于两个JFET三极管的源极短接，漏极短接，栅极短接，实际上两个JFET三极管可视为并联，且同型号的JFET三极管的电气参数基本一致，因此两JFET三极管上的漏极-源极电流相等；

由于两JFET三极管是同一型号，具有一致的电器参数，第一JFET三极管Q1与第二JFET三极的并联电路可被视作一个JFET三极管模型，它具有两倍于第一JFET三极管Q1的跨导；

采样支路中的第一运算放大器U1、第一JFET三极管Q1与第二FJET三极管Q2以及第一电阻R1与第二电阻R2组成了与负载恒流支路中类似的具有负反馈的闭环系统，令采样支路两端的电压保持恒定，因此：

Vsam＝Vref*(1+Rh1/Rh2)。

第一JFET三极管Q1与第二JFET三极管Q2的漏极与采样电阻Rs相连，采样电阻Rs的另一端与第二BJT三极管Q3的集电极相连。由于JFET三极管属于压控流型器件，栅极上的电流IG极低，往往为漏极-源极电流的数千分之一，可忽略不计，因此：

Isam＝Iq1+Iq2＝2*Iq1

采样电阻Rs与第一JFET三极管Q1以及第二JFET三极管Q2呈串联关系，因此Irs＝Isam。

通过测量采样电阻Rs两端的电压，即可测得采样支路Isam上的电流，即环路电流源发送的信号电流。

第二运算放大器U2的同相输入端与基准电压源U4的输出端相连接，第二运算放大器U2的反相输入端与以及第一电阻R1的一端以及第二电阻R2的一端相连，第二运算放大器U2的输出端与第一BJT三极管Q3的基极相连，第二运算放大器U2的电源正极与第一BJT三极管Q3的集电极相连接，电源负极与环路电流源的负极相连接。

第一电阻R1的另一端与第一BJT三极管Q3的集电极连接，

第二电阻R2的另一端与环路电流源的负极相连接。

第二运算放大器U2、第一BJT三极管Q3、以及第一电阻R1、第二电阻R2组成了一个恒压负载。

当第一BJT三极管Q3两端的电压高于目标值Ve＝Vref*

(1+R1/R2)，第一电阻R1与第二电阻R2间的电压提高，即第二运算放大器U2的反相输入端电压提高，超过第二运算放大器的同相输入端电压，第二运算放大器U2的输出端电压趋近电源负极电压，电源的负极电压低于第一BJT三极管Q3的集电极电压，从而降低了第一BJT三极管Q3的基极电流，提高了第一BJT三

极管Q3的射极与集电极间的电导。由于第一BJT三极管Q3与采样电阻Rs以及第一JFET三极管Q1与第二JFET三极管Q2呈串联关系，第一BJT三极管Q3的电导提高，导致其集电极与射极上的电压降Vce降低。

当第一JFET三极管Q3两端的电压低于目标值Ve时，各元件的调节过程与上一条中描述的相反。因此：

Ve＝Vref*(1+R1/R2)

因为两支路两端的电压保持恒定，因此第5电阻R5两端的电压分别为Vsam与Vlb，因此第5电阻R5上的电流Ir5，即负载恒流支路上的电流Ilb恒定为：

Ir5＝Ilb＝(Vsam-Vlb)/R5

因为第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3的电源正极与电源正极均连接在第二BJT三极管Q4的集电极上，电源负极均与电源负极连接，因此三运算放大器均作为负载，挂载在负载恒流支路上。

在一可实施实例中，Vsam取5.3V，Vlb取5.12V，R5取50Ω，该实例中负载恒流支路上的电流被钳位在3.6mA，而采样支路上的电流Isam＝Isource-3.6。该实例中的负载电路可获得5.12V的稳定电压与最高3.6mA的电流，可满足包括单片机、ADC芯片等器件的供电需求。

具体的，运算放大器应使用静态电流尽可能低的微功耗轨至轨运算放大器，轨至轨放大器的宽输出摆幅可兼容较多不同Hfe参数的BJT三极管；运算放大器的静态电流(Iq)越低，提供给负载电路的电流余量就越大。上一条所述的实例中采用的运算放大器为TI公司的LMC646x系列CMOS输入级轨至轨放大器，每个运算放大器静态功约耗为20uA。

在该实例中，用于维持采样支路与负载恒流支路的电流包括：第一BJT三极管Q3的与第二BJT三极管Q4的基极电流，最大为260uA；第一精密电阻Rh1，第二精密电阻Rh2，第三精密电阻Rh3，第四精密电阻Rh4组成的两个电压采样网络上的电流，最大为100uA；三个运算放大器的静态电流，约为60uA；第一JFET三极管Q1与第二JFET三极管Q2的栅极电流，约为20uA。两支路的总工作电流最大为440uA，以上述实例中负载恒流支路上的3.6mA为例，用于维持两支路的工作电流仅为总电流的12％，当然，工作电流仍可以通过优化器件选型进一步降低。

具体的，本申请的另一个方面，给出了第一个方面采样-稳压电路的拓展使用方法。图2中的负载恒流支路1为一个带有负载的采样-稳压电路，负载恒流支路电路2为一个单独的负载恒流支路，第四运算放大器U4的电源正极与电路1中负载恒流支路电源正极相连，U4的负极与电路2的电源负极相连，因此第四运算放大器U4的输出摆幅可以覆盖负载恒流支路电路1与负载恒流支路电路2的电压范围。

负载恒流支路电路1与负载恒流支路电路2成串联关系，挂载在一个环路电流源上，由于负载恒流支路电路1与负载恒流支路电路2为串联关系，因此它们通过的电流相同；负载恒流支路电路1与负载恒流支路电路2两端的的电压各自独立，此时环路电流源的输出电压为V1+V2。在采样-稳压电路的正电源或负电源点串联额外的负载恒流支路或是采样-稳压电路，不会影响采样-稳压电路的上的电流与电路两端的电压，额外的额负载恒流支路上可以挂载额外的传感器。

由于负载恒流支路电路2中的传感器输出的电压信号完全在负载恒流支路电路1的电源电压范围外，因此挂载在负载恒流支路电路1中的ADC无法对处于负载恒流支路电路2电源电压范围内的信号进行转换，上述第四运算放大器U4的功能便是通过差分运算为负载恒流支路电路2中的传感器信号提供偏置电压，让处于电路一的电源电压范围中的ADC能够对其进行采样。

上述实例对比单一的稳压电路，具有两倍的电源功率容量，可满足更大工作电流的传感器的电源需求。

综上所述，本申请提出的适用于环路电流源的阀门定位源稳压电路，负载恒流支路与采样支路可为包含传感器、ADC、控制器以及执行器的完整控制电路提供稳定的工作电压，且具有较高的电源利用率，同时提供了电流的采样功能，满足了使用两线制环路电流源供电的智能仪表的电源需求，为其提供了有效的电源管理解决方案

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于：包括采样支路、负载恒流支路及基准电压源U4，所述采样支路与负载恒流支路并联，基准电压源U4挂载在负载恒流支路中；

旁环路电流源输出的最小信号电流超过负载电路工作电流的额外电流，并稳定负载电路两端的电压；旁路环路电流源输出电流大于负载恒流支路额定电流的额外电流，并与负载恒流支路共同调节整个电源电路两端的电压；

采样支路上的电流为环路电流源的信号电流，通过采样电路中设置的采样电阻Rs，完成对环路电流源的信号采样；

基准电压源U4，为采样支路及负载恒流支路提供作为目标值的电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述采样支路包括第一电压采样网络、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一JFET三极管Q1、第二JFET三极管Q2、电流采样电阻Rs及第一BJT三极管Q3。

3.根据权利要求2所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第一运算放大器U1的反相输入端与基准电压源U4相连，第一电压采样网络的输出端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，第一运输放大器U1的输出端与第一JFET三极管Q1及第二JEFT三极管Q2的栅极相连，第一运算放大器U1的电源正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连。

4.根据权利要求3所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第一JFET三极管Q1的漏极与第二JFET三极管Q2的漏极短接，并与环路电流源的正极相连；第一JFET三极管Q1的源极与第二JFET三极管Q2的源极短接，并与采样电阻Rs的正极相连，第一JFET三极管Q1与第二JFET三极管Q2的栅极短接；所述采样电阻Rs的负极与第一BJT三极管的发射极连接；采样电阻Rs的两端作为ADC差分输入端连接点，采样电阻Rs的正极作为正差分输入，采样电阻Rs的负极作为负差分输入。

5.根据权利要求4所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第一BJT三极管Q3的集电极与环路电流的负极连接，第一BJT三极管Q3的基极与第二运算放大器U2的输出端相连，其发射极与采样电阻Rs的负极相连；所述第二运算放大器U2的同相输入端与基准电压源U4相连，第二运算放大器U2的反相输入端通过第二电阻R2与第一BJT三极管Q3的发射极相连，并通过第三电阻R3接地。

6.根据权利要求5所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述负载恒流支路包括第二电压采样网络、第三运算放大器U3、第二BJT三极管Q4、第五电阻R5及第六电阻R6。

7.根据权利要求6所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第三运算放大器U3的反相输入端与基准电压源U4相连，其同相输入端与第二电压采样网络相连，其输出端经过一个第四电阻R4与第二BJT三极管Q4的基极相连，第三运算放大器U3的电源正极与第二BJT三极管Q4的集电极相连，其电源负极与环路电流源的负极相连。

8.根据权利要求7所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第二BJT三极管Q4的集电极通过第五电阻R5与环路电流源的正极相连，第二BJT三极管Q4的射级与第六电阻R6的正极相连，第六电阻R6的负极与地相连；第二BJT三极管Q4的集电极节点为电源输出的电源正极，电路与环路电流源负极连接的节点为电源输出的负极。

9.根据权利要求8所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第一电压采样网络包括第一精密电阻Rh1及第二采样电阻Rh2，第一精密电阻Rh1与第二采样电阻Rh2串联连接，所述第一精密电阻Rh1的一端与电源正极连接，另一端与第二采样电阻Rh2的一端短接，第二采样电阻Rh2的另一端与环路电流源的负极相连，两电阻短接的端点作为电压采样网络的输出点。

10.根据权利要求9所述的一种适用于环路电流源的兼容采样的并联稳压器，其特征在于所述第二电压采样网络包括由第三精密电阻Rh3及第四精密电阻Rh4，第三精密电阻Rh3与第四精密电阻Rh4串联连接，所述第三精密电阻Rh3的一端与第二BJT三极管Q4的集电极相连，另一端与第四精密电阻Rh4的一端短接，第四精密电阻Rh4的另一端与环路电流源的负极相连，两电阻短接的端点作为电压采样网络的输出点。

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