降压稳压器克服了 LDO 的功率和散热缺陷

设计人员通常默认使用低压差稳压器 (LDO) 为采用 4-20 mA 电流环路设计的工业传感和物联网系统供电。但是，对于注重功耗和空间有限的应用而言，LDO 是越来越不堪大用。此时设计人员应考虑改用降压稳压器（也称为降压转换器），尤其是对能效、散热性能和延长电池寿命要求较高的应用而言。

4-20 mA 电流环路是一种稳健可靠的方法，可将测量结果从传感器传送到可编程逻辑控制器 (PLC)，并将 PLC 的控制输出传送到过程调制设备。该系统可确保使用双绞线进行精确、抗噪的长距离信号传输，是各种工业环境的理想之选。无论导线长短，电流始终如一，因此成为工厂、实验室和远程监控应用的标准配置。

评估 LDO 和开关稳压器在电流环路中的权衡可能有助于实现更智能、更可持续的设计。

LDO 在一些特殊情况下仍有用武之地，在此类情况下，LDO 可提供超低噪声、简化材料清单或具有调节电压余量极小等优势。不过，它们因为会将输入和输出电压之间的差值作为热量耗散掉，所以固有效率较低。这些浪费的能量会导致应用中的热负荷增加，并大大缩短便携式或远程应用中的电池寿命。

当效率、散热性能或电池运行时间非常重要时，同步降压可能是更优的选择。即使在毫安级负载条件下，现代同步降压技术也能提供 85% 至 95% 的效率，大幅降低了发热量，而且现在还能提供低微安范围的静态电流。LDO 会将多余的电压作为热量散失，而降压稳压器则能有效地将额外的电压转换为可用的电流，从而在不过热或不浪费能量的情况下实现更多需要耗电的功能。

这些特性使得降压稳压器成为任何输入余量超过几伏、需要热效率或必须在有限功率下长时间工作的 4-20 mA 环路（如电池供电的传感器）的首选解决方案。

如果设计的供电电压比电流环路发送器所需的电压高出 6 V 左右，并且电路板上有空间容纳小型电感器和输出电容器，那么高效的同步降压稳压器通常就是最佳选择。它能有效降压，最大限度地减少热量浪费，并确保有足够的电流为 4-20 mA 环路中的其他功能供电。因此使之成为工业环境中既需要可靠性又需要节能的现代发送器的理想选择。

降压稳压器的散热优势大大降低了大电流、高温工业模块对散热器的要求。即使是 5 µA 的降压电路，其效率也要高于 LDO，因为后者会将相当一部分电池电压转化为热量。

驱动环路

4-20 mA 电流环路是在现场传感器和使用其数据的控制系统之间发送信息的最常见方式之一。信号可以代表温度、压力、流量，甚至是移动阀门的指令。它简单、可靠，远距离使用效果也很好。

电流环路（图 1）可传输来自仪器（如温度或压力传感器）的测量信号，或将控制信号传输到移动或调节机构（如阀门定位器）的设备。

图 1：4-20 mA 电流环路示意图说明了在工业自动化、传感器系统和过程控制应用中如何使用电流而不是电压来传输模拟信号。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

电流环路包含四个主要元件：

• 直流电源：根据设置的不同，可能是 9 V、12 V、24 V 或更高。电源提供的电压必须高一些——至少高 10%，这也是在电流流动时环路中所有元件（发送器、接收器、布线）“降低”的电压量。然后，本地调节器将其降压，为传感器和电子设备供电。
• 传感器一侧的发送器传递代表物理世界的电信号：传感器产生有关温度、压力、距离或其他物理测量值的原始信号。如果是模拟电压，发送器的电压电流转换器会将其转换为 4 mA 至 20 mA 的比例电流。如果是数字传感器，输出则通过 DAC 转换成模拟电流。发送器有自己的电源，如 LDO 或降压稳压器。
• 控制端的接收器：接收器读取 4-20 mA 信号，并将其转换为控制系统可以测量、显示或执行的电压。
• 环路布线将电源、发送器和接收器串联起来：环路可长达数千英尺。在双线系统中，相同的两条导线同时传输电源和信号电流。4 线制系统则使用不同的线对来传输电源和信号。

即使是在温度从 -40°C 到 +105°C 的恶劣工业环境中，电流环路的零件也必须精确、节能、可靠。除此之外，它们还必须支持必要的安全和系统级功能，以确保环路的安全和可靠。

克服 LDO 限制

线性稳压器使用方便、噪声低，但会将多余的能量转化为热量从而造成浪费，且可用电流上限较低。随着设计人员为发送器增加更多的功能，如诊断、数字接口或本地智能，对电源的需求也随之增加，可能会超过一个简单的 LDO 所能提供的功率。更好的选择是使用效率更高的开关稳压器，如 Analog Devices, Inc. 的 LT8618 系列。

LT8618 是一款小巧但功能强大的降压转换器，专为恶劣环境而设计，包括工业、汽车和其他需要不可预测电源的应用。它尤其适合用于 4-20 mA 电流环路系统，具有超低静态电流、高效率、宽输入范围（3.4 V 至 60 V，连续工作）和最高 65 V 的瞬态电压条件。

LT8618 系列为各种工业和环路供电应用提供多功能降压稳压器。例如：

• LT8618EDDB-3.3#TRPBF（见图 2 原理图）提供固定的 3.3 V 输出，非常适合需要稳定、定义明确的电压来处理工业和现场环境中常见的不可预测电压轨的设计。其峰值输出电流为 100 mA，适合为传感器、发送器和其他辅助电路供电。超低静态电流最大限度地减少了低活动期间的功率损耗，有助于延长系统效率和电池寿命。

图 2：使用 LT8618-3.3 的降压稳压器配置，可输出固定的 3.3 V 电压（图片来源：Analog Devices, Inc.）

• LT8618EDDB#WTRMPBF 提供相同的宽输入范围和 100 mA 输出，但输出电压可调，范围为 0.778 V 至 40 V。因此，它适合为发送器内部的模拟、数字或基准电路供电，尤其是在需要多个电源轨的情况下。与同类固定输出产品一样，它将快速瞬态响应与强大的短路保护和热关断功能相结合，可确保在整个 -40°C 至 +125°C 工业温度范围内可靠运行。

这种灵活性能够让设计人员选择合适的稳压器，以满足 4-20 mA 电流环路系统的电压和电流需求，在确保可靠运行的同时，最大限度地减少热量和功率浪费。

在 Burst Mode® 工作模式下，LT8618 的静态电流低至 2.5 µA，不会耗尽环路功率，从而为传感器、转换器和通信留出更多可用空间。这种高效率和低待机功耗的组合，直接解决了在不超出现有预算的情况下增加更多功能的难题。

在 4-20 mA 电流环路发送器中，会印刷电路板上的 LT8618 附近放置一个小型电感器和输出电容器，以形成一个输出滤波器，从而平滑电压并为传感器和支持电路提供稳定的电力。合适的输入电压（如 24 VDC）可为发送器的工作电压提供充足的余量，并提供精确的调节和瞬态响应，即使环路电流随传感器负载的变化而变化，也能确保功率稳定。

LT8618 能够扩展发送器的功能，以支持高级传感器、数字逻辑和安全功能，而不会超出电流环路的 4-20 mA 限制。

集成的保护功能包括过压、热关断和短路保护，可在恶劣的现场环境中提供强大的功能。LT8618 封装紧凑，外部元件极少，简化了电路板布局，这对于空间有限的发送器尤为重要。

结语

通过使用像 ADI LT8618 这样紧凑、高效的开关稳压器取代低效的线性稳压器，设计人员可以克服 LDO 的局限性并释放新功能，同时还能满足现代工业应用对精度、可靠性和温度的要求。