在当今工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）的应用日益广泛，其 4 - 20mA 输出作为常见的信号方案，在控制系统中发挥着关键作用。然而，随着 PLC 模块通道数的不断增加，功耗问题逐渐成为制约其发展的重要因素。本期文章《如何使用自适应电源将 PLC 输出功耗降低一半》，聚焦 PLC 4 - 20mA 输出低功耗设计，从固定电源高损耗的痛点切入，为我们详细讲解了自适应电源降功耗方案，涵盖原理、DC/DC 转换器选型、三种反馈控制实现、典型电路设计以及动态稳定性优化等方面。
　　4 - 20mA 电流环路是控制系统中常用的信号方案，现场变送器将传感器读数以 4 - 20mA 信号发送，而 PLC 的 4 - 20mA 输出则用于控制许多执行器。但 PLC 模块通道数的增加给电流输出模块带来了功耗挑战。如图 1 所示，PLC 电流输出通道的输出级由电源电压 (VS) 供电，并连接到外部负载 (RL)。若指定 RL 为 800Ω，假设余量电压 (VH) 为 4V，为驱动 20mA，Vs 需要 ≥20V。当连接到小负载或短路状态时，通道内功率损耗为 VH × 20mA = 0.4W，这一功耗相当高。许多模块通过将负载限制在 600Ω 来降低总功耗，制造商还会对模块输出进行降额，根据环境温度决定用户可启用的通道数以及每个通道的电流。

　　

　　要实现自适应电源，选择合适的 DC/DC 转换器至关重要。由于存在诸多相互矛盾的要求，找到合适的转换器具有挑战性。例如，需要在低负载 (4 –20mA) 下具有高效率，通常在脉冲频率调制 (PFM) 模式下可实现，效率相比强制脉宽调制 (PWM) 模式预计可提高约 50%；需要相对较高的峰值电流 (>0.5A) 以实现快速稳定；VOUT 范围为 4V 至 24V，可通过降压或升压转换器实现；还需要使用相对较小的电感器以减小解决方案尺寸，采用小型封装等。满足这些要求的部分器件包括 LMR516xx、LMR544xx、LMR3650x 等。
　　非固定 DC/DC 转换器通过反馈节点和高增益放大器保持恒定参考电压电平，可通过连接电阻分压器控制输出电压。改变输出电压有可变拉电流、可变灌电流或使用可变电压源和电阻器三种方式。通过对 VREF 节点应用基尔霍夫电流定律，可得到不同方式下的传递函数，根据反馈引脚上的参考电压电平以及所选电阻值，通过简单计算就能找到控制变量的合适范围，以实现所需的 VS 范围。
　　文章还给出了使用拉电流和电压反馈的示例电路。使用拉电流的示例电路中，通过运算放大器、PMOS 晶体管 M1 和电阻器构建高侧电流源，也可移除运算放大器简化电路，但会因阈值电压 (Vth) 的变化导致电流存在一定不性。TI XTR200 是一款 4 - 20 mA 电流变送器，使用简单电路与非自适应情况相比，功耗可降低一半或更多。使用电压反馈的示例电路中，LMR51606 DC/DC 简化电路经过优化，可提供低纹波并实现快速电源斜升。差分放大器用于检测输出余量，反馈路径中的电容器对整个大环路的动态稳定性至关重要。
　　测量结果表明，自适应电源技术可节省 50% 以上的功耗，功率损耗从未超过 180mW，DC/DC 转换器的效率范围在 75% 至 90% 之间。同时，自适应电源技术不会影响输出级性能，可支持 16 位输出分辨率。通过对输出级输入进行简单阶梯化处理，可在 200?s 内得到稳定输出。随着 PLC 模块不断在更小的封装尺寸内集成更多通道，自适应电源技术已从优化策略转变为下一代工业自动化系统的实际必需品。