德州儀器作者: Timothy Hegarty
智慧感測發送器廣泛運用在工廠自動化、製程儀器與控制設備上，以測量溫度、壓力、流動、位準和其他製程變數。圖 1 是現場發送器的方塊圖，使用電阻溫度感測器 (RTD)、熱敏電阻或熱電偶，將溫度做為主要變數進行測量。
圖 1：製程控制應用的溫度發送器方塊圖
訊號鏈包含感測器類比前端、微控制器 (MCU) 及高精密類比轉數位和數位轉類比轉換器。
以 4-20 mA 迴路為智慧感測器提供電力
基本感測發送器電路的 MCU 與資料轉換器通常適合低操作電流，高效能智慧感測器用的新增功能則造成電流需求增加。舉例而言，當電路包含隔離、校準和診斷功能、液晶顯示器 (LCD) 介面，或是 Bluetooth® 低耗能或無線 HART® 等無線連線選項，耗電量就會比較高。
這類智慧感測器系統可能無法滿足傳統下階電流閾值，或是 4-20mA 電流迴路的 4mA 零刻度位準。舉例來說，為 TI DAC161S997 標定低和高誤差電流的預設迴路電流分別為 3.375 mA 與 21.75 mA。NAMUR NE43 規格也有類似的電流闕值。幸好，高效率同步降壓轉換器可自迴路採集低於 3.375mA 電流，並為感測器電子元件提供比低壓降穩壓器 (LDO) 要高的輸出電流。
寬 VIN、低 IQ 同步降壓轉換器
TI 的 LMR36501 同步降壓解決方案具備高效率與超低靜態電流 (IQ = 1.2 uA)，以為感測器供電。其可在 20:1 寬輸入電壓 (VIN) 範圍下運作，並能維持重複 65 V 突波，因此輸出電壓不受輸入的大幅雜訊電壓擺幅影響。在需要高度可靠性的感測器應用中，這樣的暫態抗擾性能十分重要。
圖 2 是專為 25 mA 下 5V 輸出配置的轉換器電路圖，配備反相極性與暫態/突波電壓保護功能，以幫助實現電磁相容性 (EMC)。
圖 2：5 V、100 mA 輸出，LMR36501 設計
LMR36501 整合各種適合智慧感測器應用的功能，其中包含擁有最少被動元件、最佳輕負載效率與靜態電流的小型 (2 mm x 2 mm) 轉換器設計、低雜訊封裝設計、適合電源軌排序與故障通報的電源良好旗標，以及透過可編程線路欠壓閉鎖 (UVLO) 自訂磁滯實現的內部固定式緩啟動與精密度。圖 3 說明 1 mA 至 100 mA 負載電流範圍下的轉換器效率。
圖 3：LMR36501 1 MHz，5 V 輸出效率
寬 VIN、低 IQ 降壓轉換器的價值主張
寬 VIN 降壓轉換器 (如 LMR36501) 的優點是擁有整合功能集，能夠滿足特定電力解決方案需求：
- 可在廣泛負載電流範圍下提供高效率的同步降壓設計。
- 透過最高 150°C 的操作接點溫度範圍提升可靠性。
- 具備充足裕度的寬 VIN 範圍，可承受輸入電壓暫態干擾，讓您能夠使用更高電壓 (且體積更小) 的瞬間電壓抑制器二極體 (TVS)。
- 適合感測器機殼空間有限的小型解決方案尺寸。
- 減少輸入電容以滿足應用 (安全) 要求。
- 低雜訊封裝設計，以達到 EMC 要求。
為充分運用現代迴路供電感測發送器的完整潛能，並維持簡單的雙線架構，LM5165 低 IQ 同步降壓轉換器可提供適當負載電流，同時滿足電流迴路、解決方案尺寸、可靠性與 EMC 要求。
其他資源
- 前往 TI Precision Hub 部落格，進一步了解雙線 4-20 mA 感測器發射器。
- 訂購 PFM 和固定導通時間 (COT) 評估模組，以供 LM5165 同步降壓轉換器使用。
- 使用 LM5165 快速入門設計工具加快設計，並檢視以輸出電流對數和線性尺度繪製的轉換器效率。
- 了解 TI 設計 MSP430
MCU HART 協定與採用單晶片發射器參考設計的數據機，此為採用 MSP430 微控制器以進行 HART 通訊的智慧感測器發射器設計。
