老姜更辣：自供电电流回路解决IoT节点电源问题

物联网(IoT)连结性是一个热门话题，但除了在互联网方面，它并不是一个新概念；几十年来，工业以及某些商业应用就会将各个种类的传感器以及换能器(transducer)链接到以计算机为基础的数据捕获设备与控制系统，物联网只是扩大了那些终端节点的范围与数量。

要以物理方法传输信号与数据有许多技术选项，有的方案仅需要最低程度的信号调节(signal conditioning)，有的则是更适合需要完全调节与数字化的信号。在众多选项中，包括利用RS-432/485接口的有线链接方案，还有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等等专有无线通信方案。

所有物联网节点都有一个共通性：需要电源来运作。这可以透过能量采集(如太阳能、振动、RF等等方法)，或是较长续航力的电池；使用以低占空比(low duty cycle)、低休眠电流以及恰当电池的系统，很容易可以达到10年的电池寿命。

其实有一种较旧的、有线的解决方案可以解决这个电源的问题──也就是自供电20mA电流回路(current-loop)界面(如图1)。我们很容易可以假设这个简单、古老的接口已经几乎过时，也不被推荐应用于新设计，但情况并非如此；事实上，IC供货商们仍持续推出采用这种回路的、功能更强大的新产品。

在今年稍早Maxim针对发表的MAX12900超低功耗、高度整合4~20mA传感器发射器模拟前端(AFE)就是一个例子(图2)；该组件包括许多额外功能，但核心功能是可透过双线4~20mA电流回路接收电源并传输数据。其主要限制在于传感器与其调节功能功耗不超过3~4mA，而这种情况可能会需要外接传感器电源或是更多的线路，这会削弱自供电优势。

为何电流回路接口这种旧技术还被运用于新组件的设计？以下简单介绍其背景，会对理解原因有帮助。

随着控制系统在1930年代与1950年代从气动式(pneumatic)演变为电气式，最常见的接口就是0~20mA电流回路，也被称为4~20mA回路。其概念相当简单有效：目标信号──无论是来自传感器或是传输至作用换能器──最低信号值为4mA，最高则为20mA。

虽然这种回路最初是为模拟信号设计，却没有任何控制协议，因此也可以被用于呈现数字信号而非模拟信号，其格式结构(format structure)可以最小化。而在几十年前，随着信号调节电路以及其ADC/DAC大幅降低功耗，以数mA的“免费”电源来让该类电路运作变得实际可行。

无论能不能自供电，电流回路在工业化应用上都能带来一些显著优势；不同于诸如RS-423/485等电压接口，这种低阻抗回路对EMI相对免疫，这在工业应用环境中是一大优势。此外，该回路具有一种整体性的、不花费成本的方法能让系统知道线路损坏(最常见的故障模式)，因为电流会下降至容易识别的0mA。最后，做为一种单回路涵盖每个端点(one-loop-per-endpoint)的互连，它相当容易安装、标记、追踪以及除错。

而其缺点是，随着工业回路的数量增加，线路成本与安装工作负担也会增加，此外需要提供每个回路一个从几V到大约24VDC的电流源；如果是跨不同位置的多个回路，可能还需要电气隔离以避免接地回路(ground-loop)问题。

毫无疑问，老牌自供电电流回路仍有它的一席之地；与大多数的工程决策一样，没有简单、唯一的“正确选项”，只有针对不同应用的“最佳解决方案”，而这当然需要经过权衡与妥协。无论如何，在一些较旧的、由来已久的技术仍是好选择时，不要太快奔向那些最新、最厉害的解决方案。

你在换能器设计上使用过20mA自供电回路吗？你是否尝试使用过更复杂的接口，像是ZigBee、Wi-Fi或是经典的RS-422/485，只为了达到电流回路就可以达到的效果吗？欢迎分享你的看法！

编译：Judith Cheng

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