基于GP8102S芯片的電流輸出設計方案

1. 原理

4~20ma 電流輸出的目的不用多說，今天就簡單聊一下 4~20ma 電流輸出是怎么設計出來的，并介紹一種國產(chǎn)集成芯片解決方案。

一般用分離器件搭建的實現(xiàn)原理都是通過單片機控制一個三極管，使其工作在放大區(qū)，因為放大區(qū)放大并不是線性的，因此需要在串接一個電阻，通過檢測電阻電壓，單片機來反饋調節(jié)三極管的輸入，然后從而實現(xiàn) 4~20ma 電流輸出。今天我們介紹通過 GP8102S 芯片來實現(xiàn) 4~20ma 電流輸出設計，還有另外一款芯片 GP8212S，兩者區(qū)別是一個是 pwm 轉 4~20ma 電流輸出，另外一個是 I2C 轉 4~20ma 電流輸出，同時精度略有區(qū)別，本文主要講解 GP8102S 芯片。

GP8102S 它的實現(xiàn)原理通過控制 PWM 的占空比，控制三極管工作在放大區(qū)，在三極管上串聯(lián)一個采樣電阻，通過 VFB 反饋給芯片內(nèi)部，從而控制輸出，調節(jié)三極管。這只是一個簡單的設計原理，下面我們看一下具體的設計。

2. 使用 GP8102S 或 GP8212S 進行設計

和平時我們使用 GPIO 輸出有兩種模式開漏和推完類似，4~20ma 電流輸出分為共地型和共源型，其主要表現(xiàn)為通信的電由哪一方提供。

2.1 共地型設計

共地型設計 LM321 的作用是生成反饋電壓，輸入到 IOUT2，來調節(jié) IOUT 的輸出。對于 GP8102S 中，Rs 一般采用 250Ω，GP8212S 中，Rs 一般采用 100Ω。相對采用 1M 的電阻，下面這種設計方案能夠提高更高的精度。

提高精度說明：

是 0/4-20mA 輸出（共地型三線制）， Q1 選擇 TO252/SOT223 等封裝的 NPN，作為功率管承受 4-20mA 所產(chǎn)生發(fā)熱。

Rs 的精度至關重要，建議采用 0.1%精度，同時因為其要流過 4-20mA 電流，因此要根據(jù)功率選擇合理的封裝。

2.2 共源型設計

共源型設計說明：

0/4-20mA 輸出（共源型三線制），MOS 管選擇 TO252/SOT223 等封裝的 NMOS，作為功率管承受 4-20mA 所產(chǎn)生發(fā)熱。

同樣 Rs 的精度至關重要，建議采用 0.1%精度，同時因為其要流過 4-20mA 電流，因此要根據(jù)功率選擇合理的封裝。

對于這種電是由外部提供的端口處，一定要添加一個 TVS 來保護芯片。

2.3 其它電流需求

有的時候我們可能因為設備特殊 0/4-20mA 輸出滿足不了需求，可能需要 4-35mA 輸出，這里提供一種思路。根據(jù)電流輸出公式 IOUT=5V * DPWM /Rs(DPWM 為 PWM 信號的占空比) 可知，IOUT 輸出的上線跟電阻 Rs 有一定的關系，因此通過減小 Rs 電阻，可以提高 IOUT 輸出范圍。但是一定要考慮好三極管的選型，完美配合才能出現(xiàn)最佳效果，當然對于我們平時來講，不需要把范圍設計過大，因為過大的范圍會降低輸出的精度。

3. 隔離光耦電源連接方案

有的時候我們設計需要隔離，可以采用下面方法，在選擇光耦的時候，頻率的選擇要格外注意。在隔離應用中光耦電源有兩種接法：

V5V 為光耦電源；

V5V 經(jīng)過 NPN 管 9013 后作為電源。前者電路簡單，后者光耦引入誤差小 .

隔離方案下面是一個完整的隔離方案：

利用 APC 芯片 GP9303 將模擬信號 4-20mA 轉換成 PWM。

PWM 信號通過光耦隔離。TLP1488 為低速光耦，適合應用在 PWM 頻率低于 500Hz 的場合， TLP1788 為高速光耦，適合應用在 PWM 頻率低于 25Khz 的場合。

隔離后的 PWM 信號送給 PAC 芯片 GP8102S 后還原成電流輸出。

完整隔離方案

4. 利用 GP8102S 實現(xiàn) 0-40V 的可編程電壓輸出

GP8102S 除了能實現(xiàn)模擬電流的輸出，其實還可以實現(xiàn)模擬電壓的輸出，如下就是一個 PWM 控制的線性穩(wěn)壓方案：基于 GP8102S+2SD882 ，利用 GP8102S 與外接擴流三極管實現(xiàn)閉環(huán)控制，輸出電壓為 VOUT。VOUT=5V _ DPWM _ (R1+R2)/R2， DPWM 為 PWM 信號的占空比，通過此電路可以實現(xiàn) 0-40V 的可編程電壓輸出。