スマート・センサ・トランスミッタ製品はファクトリ・オートメーション、 プロセス計測や制御機器で、温度、圧力、流量、レベルやその他のプロセス用パラメータの測定に、幅広く使われています。図 1 では、RTD（測温抵抗体）、サーミスタや熱電対を使って温度を計測するためのフィールド・トランスミッタ のブロック図を示しています。
図1: プロセス制御アプリケーション向けの温度計測用トランスミッタのブロック図
図1のシグナルチェーンは、センサ用のアナログ・フロントエンド、マイコン、高精度A/Dコンバータで構成されています。
4-20mAカレント・ループを電源としてスマートセンサを動作させる
基本的なセンサ・トランスミッタ回路のマイコンやデータ・コンバータは、通常、低い消費電流での動作に対して最適化されていますが、高性能スマート・センサ・アプリケーションの追加機能は、より大きな消費電流を要求します。例えば、絶縁、較正や診断、液晶ディスプレイ・インターフェイスのほか、Bluetooth® Low Energy や ワイヤレスHARTâなどのワイヤレス・コネクティビティをはじめとした様々なオプションによって消費電流が増加します。
このようなインテリジェントな機能を備えたセンサ・システムにおいて、4～20mA電流ループで使用されるゼロスケール・レベル時の4mAやアンダースケール時のしきい値電流の標準値では、動作電流条件を満足できないことがあります。例えばTIの 『DAC161S997』 では、電流ループの電流が3.375mA未満や 21.75mAを超える値となった場合にエラーと判断します。NAMUR NE43 の仕様でも、同様のしきい値電流を規定しています。『LM5165』高効率同期整流降圧型コンバータは、電流ループからの3.375mA未満の電流を元に、ロードロップアウト・レギュレータ製品よりも高い出力電流をセンサ回路に供給できます。
広入力電圧範囲VIN、低無信号時電流IQ の同期整流降圧型コンバータ製品
TIの 『LM5165』 同期整流降圧型電源ソリューションは、センサ製品の電源向けに、高効率と非常に低い静止時電流 (IQ = 10.5mA)を提供します。さらに、20:1 と広い入力電圧範囲 (VIN) と、65Vの過渡電圧の繰り返しに耐える『LM5165』は、入力に発生する高電圧や大きな雑音振幅に対する出力電圧の耐久性を提供します。このような過渡電圧への耐久性能は、高い信頼性を要求されるセンサ・アプリケーションでは重要です。
図 2 では、5V、25mA出力に設定された電源コンバータ回路を示しています。逆極性電圧や過渡電圧保護のために追加された入力フィルタは、電磁両立性(EMC) の実現にも役立ちます。
図 2: 入力にEMCフィルタと保護回路を追加したパルス周波数変調(PFM) 方式同期整流降圧型コンバータ回路
『LM5165』 に内蔵されたスマート・センサ・アプリケーション向けの機能には、ソリューション・サイズの最適化に役立つ簡素な制御アーキテクチャ、入出力電位差を小さくする100パーセントのデューティ・サイクル機能、電源レールのシーケンス動作やフォールト・リポートのためのオープン・ドレインのパワーグッド出力、内部固定または外部調整可能なソフト・スタート(SS)、プログラマブルのライン電圧低下ロックアウト（UVLO）を可能にする、カスタマイズ可能なヒステリシス付きの高精度イネーブル機能などがあります。また、サイクルごとの電流制限機能は調整が可能で、インダクタの選択やサイズの最適化に役立ちます。図3 では、0.1mA ～ 30mAの負荷電流時のコンバータの効率と電力損失を示しています。
図3: 『LM5165』降圧型コンバータの代表的な電力変換効率（定格出力5V、25mA時)
広入力電圧範囲 VIN、静止時電流IQ の降圧型コンバータの利点
『LM5165』 をはじめとした広入力電圧範囲 VIN の降圧型コンバータ製品は、次のような豊富な機能を集積し、電源ソリューションに要求される特定の要件に対応します。
- 広負荷電流範囲に渡って高効率を提供する同期整流降圧型回路
- 諸特性は最高 150°Cの動作時接合部温度で規定され、信頼性を向上
- 広入力電圧範囲VIN が、入力の過渡波形に耐久するための十分な余裕を提供、より高電圧かつ、より小さな基板実装面積の過渡電圧サプレッサ・ダイオード（TVS）を使用可能
- 基板実装面積の制限を持つセンサ筐体に適合する、小型のソリューション・サイズ
- 入力容量要件が小さく、intrinsically safe (IS) アプリケーション環境の要件に適合
- スイッチング・モード電圧の能動的なスルーレート制御によって、高い周波数の伝導EMIや放射EMIの対策を緩和
低静止時電流IQ の同期整流降圧型コンバータは、電流ループを電源として動作する最新のセンサ・トランスミッタ製品の全機能を活用しながら、簡素な2線式制御アーキテクチャを保持、電流ループの仕様、ソリューション・サイズ、信頼性やEMCなどの要件を満足しながら、適切な負荷電流を供給します。
『LM5165』関連の情報
- TIの Precision Hub blogで2線式の4-20mA センサ・トランスミッタ製品 のブログ記事を参照
- 『LM5165』 同期整流降圧型コンバータを搭載したPFM や コンスタント・オンタイム の各評価モジュールを注文
- 『MSP430™』HARTプロトコル+モデムを搭載したワンチップ・トランスミッタのリファレンス・デザインで『MSP430』マイコン を使ったHART通信向けのスマート・センサ・トランスミッタの設計を参照
上記の記事は下記 URL より翻訳転載されました。
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