基于GP8102SL/GP8212SL的4-20mA两线制方案

zjqmyron · 发表于 2021-8-20 15:55:20

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本帖最后由 zjqmyron 于 2021-8-26 15:09 编辑

4-20mA两线制解决方案常作为信号输出接口，为了实现高精度（0.1%/0.01%）的4-20mA输出，本方案使用了DAC芯片（PAC）GP8102SL和GP8212SL，可以将PWM信号和I2C信号转换成4-20mA电流输出。

此方案有三部分电路组成，稳压电路、GP8102SL芯片、4-20mA电流采样反馈电路。稳压电路保证不同的输入电压（24V）条件下输出4-20mA电流保持稳定，输入的供电电源范围14V-32V；GP8102SL内置12BIT DAC可以将PWM信号转换成电流输出；电流采样反馈电路采集输出电流进行反馈，从而实现稳定的4-20mA电流两线制输出。

图一是传感器应用中，GP8102SL实现4-20mA输出，并且输出5V给前级MCU供电。保证整体静态功耗小于4mA。

方案特点：

l 供电电压范围宽：14V-32V

l 内置DAC高精度输出：0.1%

l 低温漂：50ppm/℃

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图一

图二是基于I2C接口DAC芯片GP8212SL的4-20mA两线制解决方案。由于其内置了15bit的DAC，其精度可以实现0.01%线性度。

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图二

图三是一般的设备使用的隔离型二线制4-20mA接口，前级只需要将PWM通过光耦隔离后送到后级，后级的电路直接实现4-20mA电流输出，此方案通过隔离的方式，可以确保主系统的安全，不受到后级电路所面临的各种干扰与损坏。

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图三

图四原理说明：

首先系统的输出总电流为I_total=I5+I6，由于R1=100Ω，R4=750KΩ，即I5是I6的7500倍，所以I6可以忽略。即输出电流就等于经过电阻R1的电流I5。而I5等于各路内部浮地电流的汇总，I5=I1+I2+I3+I4。在4-20mA调节过程中，I1、I3、I4电流基本不变，主要通过I2来调节。I2的电流最大时接近20mA，所以串接R0电阻330Ω进行散热，此电阻上最大承受的功率是0.132W，所以R0必须选择1206以上的封装，此电阻的精度要求±10%即可。

运放LM321的作用是将流过R1的电流所产生的压降放大2倍后反馈到GP8102SL的第六脚FB，进行反馈，保证闭环的稳定性。

稳压电路的作用是在内部浮地和VDD之间产生10V左右的电压，保证芯片工作在稳定的电压条件下。在24V供电条件下，作为驱动的NMOS Q1功率最大时会承受约0.24W，如果电压越高则功率越大，推荐选择SOT223以上的封装，并且NMOS的阈值选在2V~3V。

由于电阻、运放等参数上的误差，为了获得高精度的输出，一般需要单片机对PWM做4mA和20mA两点校准，经过校准后可以达到0.1%的精度。如果需要获得0.01%精度的产品，可以选择客益电子GP8212SL芯片实现，内置15bit DAC。

电容C0和C1为两个电容器，其中C0为瓷片电容，C1为电解电容。均选择22uF以上。