專利名稱：用于功率收集的輸入調(diào)節(jié)式dc-dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體涉及電壓和功率轉(zhuǎn)換電路，更具體地說，涉及用于調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器 的輸入電壓的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在多種應(yīng)用中使用DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓。以增壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器為人 所知的某些轉(zhuǎn)換器在輸出端子處生成比輸入端子處可得的電壓高的電壓。反之，減壓轉(zhuǎn)換 器在輸出端子處生成較低的電壓。本領(lǐng)域已知的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常通過專用開關(guān)電路對流 經(jīng)電感器的電流的時序和方向進(jìn)行控制而操作。具體來說，這些轉(zhuǎn)換器響應(yīng)于由轉(zhuǎn)換器輸 出端子處的反饋電路所檢測到的電壓而循環(huán)地改變電感器累積電能然后釋放電能的時間 段。由于典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器僅根據(jù)輸出電壓而操作，因此轉(zhuǎn)換器按照需要從輸入端子汲 取盡量多的功率，以便在輸出端子處產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓。例如，為了給負(fù)載提供恒定的電壓，典 型的DC-DC轉(zhuǎn)換器會根據(jù)負(fù)載的需求而從輸入端子汲取較多或較少的功率。這種特點使得 可用DC-DC轉(zhuǎn)換器不適宜于一些需要電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用， 具體來說，在收集電路中可能需要電壓轉(zhuǎn)換。在諸多工業(yè)和家庭應(yīng)用中，由電源和 一個以上用電設(shè)備組成的電流回路包括用于將電流回路的一部分功率導(dǎo)向次級負(fù)載的附 加電路。從主電路獲取功率的過程經(jīng)常被稱作"收集(scavenging)"，因此執(zhí)行該操作所需 的電路被稱作"功率收集設(shè)備"。在某些情況下，收集設(shè)備甚至可從除了電路系統(tǒng)之外的其 它源，例如陽光，獲取功率。在其它情況下，收集設(shè)備以主電路的多余的或未使用的電能為 目標(biāo)，以便給較小的負(fù)載供電。 例如，收集設(shè)備可以用在過程控制工業(yè)中廣泛使用的4-20mA電流回路中，以在現(xiàn) 場設(shè)備與分布式控制系統(tǒng)即DCS之間傳播模擬信號。 一般而言，諸如閥、閥定位器或開關(guān)之 類的現(xiàn)場設(shè)備通過檢測4-20mA范圍內(nèi)的DC電流來處理控制信號。類似地，用于測量過程 參數(shù)的諸如壓力傳感器、流量傳感器或溫度傳感器之類的現(xiàn)場設(shè)備生成4-20mA范圍內(nèi)的 信號，并通過專用線路對將這些信號傳播到DCS。在某些情況下，期望使用4-20mA回路的功 率中的一些功率給諸如無線收發(fā)機之類的附加設(shè)備供電。同時，期望對用于從4-20mA回路 中汲取功率的收集電路兩端的電壓降進(jìn)行限制，從而使收集電路不對電流回路有所干擾， 更具體地說，不對DCS與現(xiàn)場設(shè)備之間的信號傳輸產(chǎn)生干擾。 不幸的是，可用DC-DC轉(zhuǎn)換器并不對它們的輸入端子之間的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了 輸出恒定的電壓，這些轉(zhuǎn)換器在輸入端子處消耗必需的功率，這有時可能導(dǎo)致輸入端子之
5間產(chǎn)生多余電壓降。因此，為了在4-20mA電路中或在以改變回路電流為特征的任意其它環(huán) 境中調(diào)節(jié)輸入電壓和安全地收集功率，本領(lǐng)域已知的DC-DC轉(zhuǎn)換器需要附加線路。例如，專 用模擬電路可限制轉(zhuǎn)換器的輸入端子處的電壓。然而，該限制電路可能只會浪費有用功率。 類似地，并聯(lián)的分路電路能夠控制極限電壓，但是也會通過電阻器耗散功率。另一方面，反 饋電路可用于打開或關(guān)閉收集電路，或者換句話說，對電路進(jìn)行"脈沖"操作，但是這種方法 會生成可能干擾電流回路中的信號傳輸?shù)牡皖l噪聲。 進(jìn)一步，本領(lǐng)域已知的轉(zhuǎn)換器并未提供一種獲取輸入處可用的附加功率的有效手 段。例如，消耗相對較小功率的收集器負(fù)載將致使收集設(shè)備在輸入端子處汲取必需量的功 率，而不考慮電流回路的實際能力。就像輸出端子處的功耗可能多余并可能擾亂電流回路 一樣，消耗過少的功率是不被期望的，這是因為這種方法不能有效地利用電流回路。此外， 可能存在供應(yīng)電流顯著下降并且收集器負(fù)載無法接收到足夠功率的情況。在這些情況下， 顯然期望獲取在輸入處可用的額外功率，并通過使用諸如超電容器之類的傳統(tǒng)裝置對其進(jìn) 行保存，以在到收集器電路的輸入功率不充足時使用所保存的功率。 更進(jìn)一步，可用的DC-DC轉(zhuǎn)換器不能控制流經(jīng)轉(zhuǎn)換器的電流的變化率，因此無法 提供一種控制AC阻抗的方式。同時，在某些應(yīng)用中，期望提供串聯(lián)阻抗，以便信號能夠在電 流回路中被有效調(diào)制。例如，HART通信協(xié)議可通過將信號調(diào)制在4-20mA電流上而在遺留 布線上通信。由于調(diào)制需要一定的最小阻抗以有效地工作，因此低阻抗電流回路上的調(diào)制 浪費大量的電能。 最后，在可變電流環(huán)境下的收集設(shè)備中使用已知的DC-DC轉(zhuǎn)換器不能提供期望水 平的操作安全性。具體來說，收集設(shè)備可以將所收集的功率送到諸如電容器之類的儲存設(shè) 備。在故障狀況下，電容器可能將功率釋放回輸入端子，從而在該電流回路中制造安全威 脅。在易爆炸的環(huán)境中，由儲存設(shè)備釋放的能量可能會觸發(fā)爆炸。盡管通過放置若干個串 聯(lián)的二極管來代替轉(zhuǎn)換器中通常使用的一個二極管使安全性得到改善，但是這種方法會大 大惡化電路的操作。此外，DC-DC控制器內(nèi)部的短路也會造成這種問題，進(jìn)而提供將能量轉(zhuǎn) 移回輸入端子的另一條通道。

發(fā)明內(nèi)容
—種收集電流回路中的功率的方法，包括與電源和功耗設(shè)備串聯(lián)地插入收集設(shè) 備，調(diào)節(jié)該收集設(shè)備的輸入端子之間的電壓降，并在輸出端子處提供來自受控電壓降和回 路電流的可用功率。具體來說，收集設(shè)備兩端的電壓降可借助于生成輸入電壓信號的反饋 電路和使用輸入電壓信號來控制電感器充電和放電的時序的調(diào)節(jié)器電路來調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié) 器電路可以是傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，也可以是具有若干個諸如比較器之類的離散部件的電 路。 —方面，電源是可變電流或電壓源。另一方面，收集設(shè)備是使用反饋電路系統(tǒng)調(diào)節(jié) 輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。在一個實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器維持輸入端子之間 的基本恒定的電壓。在另一實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括在輸出端處的 用于阻止能量在故障狀況下被轉(zhuǎn)移回輸入端子的隔離變壓器。在這個方面，隔離變壓的使 用提高了收集設(shè)備的本質(zhì)安全。在又一實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步提供線 性濾波功能，從而增加電流回路中的阻抗，進(jìn)而允許在回路兩端進(jìn)行調(diào)制。


圖1是用作功率收集設(shè)備的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器可被用來獲取多余功率的電 路的示意圖。 圖2是輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。 圖3是示出一種可能的電路配置中的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
圖4是具有與電流反相關(guān)的電壓降的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
圖5是由符合實施例之一的轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)的示例性輸入電流和電壓波形的圖示。
圖6是具有用于本質(zhì)安全(IS)能量限制的隔離轉(zhuǎn)換器的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換 器的電氣圖。 圖7是具有積分濾波特性的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意性表示。 圖8是包括HART通信電路的具有積分濾波特性的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
具體實施例方式
圖1是其中輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備可用于從電流回路中獲取多余功率，并將多 余功率送往負(fù)載、存儲設(shè)備或這兩者的系統(tǒng)的示意圖。如圖i所示，電流回路或電路io包 括分布式控制系統(tǒng)(DCS) 12、現(xiàn)場設(shè)備14以及與現(xiàn)場設(shè)備14串聯(lián)連接的功率收集設(shè)備16。 圖1中示出的這些及其它電路元件以有線方式相連接。 在操作中，DCS 12和現(xiàn)場設(shè)備14以不可預(yù)知的方式向?qū)崿F(xiàn)為輸入調(diào)節(jié)式DC-DC 轉(zhuǎn)換器的收集設(shè)備16發(fā)送或從收集設(shè)備16接收4-20mA的模擬信號。換句話說，從收集設(shè) 備16的角度來看，回路10中的電流可以在4-20mA的范圍內(nèi)不可控地隨時間變化。功率收 集設(shè)備通過輸入端子對18串聯(lián)連接到回路IO，該對18中的一個觸點直接連接到DCS 12 的正端子，另一觸點直接連接到現(xiàn)場設(shè)備14的正輸入端。然而，收集設(shè)備16可改為連接到 DCS12和現(xiàn)場設(shè)備14的相應(yīng)負(fù)端子。在操作中，功率收集設(shè)備16產(chǎn)生輸入端子18之間的 調(diào)節(jié)電壓降。收集設(shè)備16可將該電壓維持在恒定水平，從而隨著流經(jīng)收集設(shè)備16的電流 線性地改變輸入端子18處的功耗。然后收集設(shè)備16可將從輸入端子18獲取的功率轉(zhuǎn)移 到連接到收集設(shè)備16的輸出端處的一個或多個設(shè)備或電路。在另一實施例中，收集設(shè)備16 可根據(jù)流經(jīng)收集設(shè)備16的電流調(diào)節(jié)輸入電壓。具體來說，當(dāng)通過收集設(shè)備16的電流減少 時，收集設(shè)備16可增加輸入端子18之間的電壓降。 由收集器供電的負(fù)載20可通過輸出端子對22連接到功率收集設(shè)備16。收集器負(fù) 載20可以是消耗恒定功率或可變功率的任何類型的設(shè)備。例如，收集器負(fù)載20可以是以 恒定功耗為特性的簡單電元件，例如發(fā)光二極管(LED)，也可以是具有變化的功率需求的復(fù) 雜設(shè)備，例如無線電收發(fā)機。還應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖1中僅示出一個由收集器供電的負(fù)載，但 是功率收集設(shè)備16可向多個具有不同功耗特性的負(fù)載供電。 收集設(shè)備16還可連接到功率儲存器24。功率儲存器24可以是例如單個超電容器、 包括若干個并聯(lián)連接的電容器的相對復(fù)雜的電路或本領(lǐng)域已知的存儲功率的其它裝置。本 領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，因為電容器兩端的電壓將隨著電流到達(dá)該電容器而增加，因此電 容器可用作功率儲存設(shè)備。高密度電容器或超電容器能夠存儲大量電荷，因此可優(yōu)選作為功率儲存設(shè)備。 另外，可調(diào)分路調(diào)節(jié)器26可連接在輸出端子22對之間，與由收集器供電的負(fù)載20 以及功率儲存器24并聯(lián)。分路調(diào)節(jié)器22可用于在由收集器供電的負(fù)載20未消耗在輸出 端子22處可用的所有功率時耗散掉不必要的功率。如果沒有提供功率儲存器24，則分路調(diào) 節(jié)器26可能是必需的。在其它實施例中，可以優(yōu)選在回路10中根本不使用分路調(diào)節(jié)器，而 是將來自輸出端子22的所有多余功率保存到功率儲存器24中?？烧{(diào)分路調(diào)節(jié)器26可采 用本領(lǐng)域已知的任何方式來實現(xiàn)，例如利用齊納二極管和電阻器來實現(xiàn)。
作為又一選擇，電容器28可連接在輸出端子22之間，以濾出輸出電壓。由于功率 收集設(shè)備16的輸出不被調(diào)節(jié)，因此電容器28可用于特別是在電路10中存在由收集器供電 的負(fù)載20時平滑輸出電壓。在這個意義上，電容器28可以是后調(diào)節(jié)電路的一部分。然而， 如果功率收集設(shè)備16將功率主要供應(yīng)給功率儲存設(shè)備24，則電容器28可能不是必需的。 事實上，如果輸出端子22處的功率被轉(zhuǎn)移到功率儲存器24，則端子22的輸出處的未調(diào)節(jié)的 方面可能是實際期望的。 同時，利用連接在輸入端子18之間的輸入濾波電容器30，功率收集設(shè)備16可用 于濾除輸入噪聲。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，在任何DC-DC電路的輸入處都需要輸入濾波 電容器。輸入濾波電容器30的電容是在功率收集設(shè)備16中使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻 率的函數(shù)。另外，輸入端子18之間的電壓可以被箝位，以防止收集設(shè)備16的故障中斷回路 10中的電流流動。例如，齊納二極管32可用于確保在輸入端子18之間的電壓上升到特定 極限之上時，二極管會擊穿，并且電流會向4-20mA現(xiàn)場設(shè)備14的方向流動。本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將意識到，所述極限由所選二極管的物理特性確定。 電容器28和30、分路調(diào)節(jié)器26和齊納二極管32可包括在功率收集設(shè)備16中。 根據(jù)試圖應(yīng)用的領(lǐng)域，功率收集設(shè)備可適于借助于分路電路26調(diào)節(jié)輸出電壓或?qū)⑺锌?用的功率引到功率儲存設(shè)備24。預(yù)期到，具有根據(jù)期望應(yīng)用省略了圖l所示的某些部件和 添加了某些附加部件的若干種配置可放入特定用途集成電路(ASIC)?？商娲?，收集設(shè)備 26可作為分立的ASIC被提供，其可用在這里討論的任何結(jié)構(gòu)中。作為又一替代，功率收集 設(shè)備的電路中的某些部分可制造成與傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作的獨立芯片。
圖2更詳細(xì)地示出功率收集設(shè)備16。根據(jù)圖1中示出的線路圖，電流在輸入端子 對18的正端子40處進(jìn)入功率收集設(shè)備16，并通過負(fù)端子42離開。在經(jīng)由正端子40進(jìn)入 之后，電流流向電感器44的正端子。另外，電流的相對較小的部分流向輸入調(diào)節(jié)電路46。 通過正端子40進(jìn)入和通過負(fù)端子42離開的電流的量相同或基本相同。同時，根據(jù)本公開 內(nèi)容的教導(dǎo)實現(xiàn)的且在下面詳細(xì)討論的電路系統(tǒng)在端子40和42之間維持調(diào)節(jié)的壓降。例 如，在4-20mA電流回路中使用的收集設(shè)備的端子40和42之間的電壓降可以維持在恒定的 IV。 再次參見圖2，升壓DC-DC控制器50調(diào)節(jié)電感器44累積電流的時間量?？刂破?50可以是諸如0n Semiconductor NCP 1421之類的成品芯片，或者是從若干分散的IC元件 組裝的能夠執(zhí)行高頻開關(guān)功能并根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)開關(guān)電路的占空比的電路。具體而言， 控制器可以使用一個或多個例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)來快速打開和 關(guān)閉電連接。控制器根據(jù)控制器中所使用的振蕩電路元件的參數(shù)并根據(jù)諸如電流或電壓之 類的反饋信號來調(diào)節(jié)打開連接和關(guān)閉連接之間的時序。就這一點來說，控制器50可以向功
8率收集設(shè)備16的電路系統(tǒng)提供具有受控占空比的脈寬調(diào)制(P麗)。應(yīng)當(dāng)理解，開關(guān)功能還 可以通過使用分散半導(dǎo)體、OTS集成電路或本領(lǐng)域中已知的其它元件和材料來實現(xiàn)。
如圖2所示，控制器50配備有開關(guān)管腳52、反饋管腳54、輸出管腳56和接地管腳 58。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，控制器50可具有另外的輸入，而不限于以上列出的四個管腳。如圖2所 示，開關(guān)管腳52電連接到電感器44的負(fù)端子，輸出管腳連接到輸出端子22中的一個端子， 接地管腳52電連接到端子對22的另一端子和負(fù)輸入端子42。此外，反饋管腳54連接到輸 入調(diào)節(jié)電路46的輸出端。 在操作的各個周期期間，控制器50首先將輸入引到開關(guān)管腳52至接地管腳58。 當(dāng)管腳52和58相連時，電感器44中形成電流。接下來，控制器50將管腳52和58斷開。 電感器44中磁場的衰落將電流從電感器44推向輸出端子對22的正極側(cè)。再次參見圖2， 電感器44的負(fù)端子可連接到開關(guān)管腳52，并經(jīng)反激式(flyback) 二極管60連接到輸出端 子對22的正極側(cè)。反激式二極管60優(yōu)選是肖特基二極管，但也可以是其它類型的二極管。 反激式二極管60為電感器44的輸出提供同步整流。然而，如果控制器50已經(jīng)能夠進(jìn)行同 步整流，則可不需要反激式二極管。 再次參見圖2，在端子40處進(jìn)入收集設(shè)備16的電流的一些電流被引到輸入電壓 調(diào)節(jié)電路46。該電路46可生成表示輸入端子40處的電流的強度的電壓信號。控制器50 使用由調(diào)節(jié)電路46生成的信號，從而選擇性地增加或減少在輸出端子對22處產(chǎn)生的功率。 例如，控制器50可響應(yīng)于由電路46檢測到的電壓電平而增加脈沖的占空比，從而降低端子 對18之間的輸入電壓。下面更詳細(xì)的討論電路46的實現(xiàn)。 圖3示出功率收集設(shè)備70的一個可能的實施例的電氣圖。在該配置中，功率收集 設(shè)備70合并了將電壓箝位在期望電平的二極管32以及輸入濾波器30。重要的是，在圖3 描繪的配置中，輸出電壓由分路26控制。如以上所指示的，若輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器用 于為需要恒定電壓的負(fù)載供電，那么這種配置可能是有用的。分路26將消耗掉多余功率， 并確保功率負(fù)載不會接收到比所需要的功率更多的功率。 輸入電壓調(diào)節(jié)電路46包括運算放大器72以及電阻器74和76。放大器72可在同 相輸入端處使用基準(zhǔn)電壓78，在其反相輸入端處使用可變電壓，以控制端子40和42之間的 輸入電壓與供給反饋管腳54的電壓之間的關(guān)系。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，電阻器74和 76的值可根據(jù)期望的電壓降來選擇。如以上所討論的，在典型的4-20mA回路中，例如在過 程控制工業(yè)中使用的4-20mA回路中，收集單元16或72兩端的IV的電壓降通常是可容許 的。類似地，分路26中使用的電阻器78和80可根據(jù)期望的電壓輸出來選擇。
圖4示出可用于功率收集的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一預(yù)期實施例。功率收 集電路90可包括以上討論的功率收集設(shè)備70的大多數(shù)元件。另外，功率收集電路90可以 以比收集設(shè)備70更有效和更實用的方式來調(diào)節(jié)輸入電壓。具體來說，當(dāng)回路10中的電流 較低時，控制回路10可能會經(jīng)歷諸如現(xiàn)場設(shè)備14之類的各種電路元件兩端的較低的電壓 降。例如，在為過程控制工業(yè)中使用4-20mA電路的情況下，DCS 12將在其生成4mA信號時 "看到"回路兩端的較低的電壓降，相反，當(dāng)模擬信號更接近或處于20mA的水平時，DCS 12 將看到較高的電壓降，類似地，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備生成而非接收4-20mA信號時，諸如設(shè)備14之類 的現(xiàn)場設(shè)備通常將看到DCS 12兩端的較低或較高的電壓降。因此，在較低的回路電流下， 回路10可容許收集電路16、70或90兩端的較大的電壓降。
圖4中所示的功率收集設(shè)備90在較低的輸入電流通過端子40進(jìn)入收集設(shè)備90時 從輸入端子對18汲取比例如收集設(shè)備70更多的功率，原因在于，設(shè)備90使端子對18之間 的電壓下降更多。很明顯，在由收集器供電的負(fù)載20具有高的功率需求時，可能期望該特 征。具體而言，包括放大器72、增益限制元件或電阻器92和電阻器94-100的調(diào)節(jié)電路91 對端子對18之間的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使輸入電壓隨著電路91所檢測到的輸入電壓成反 比而變化。元件92-100以及基準(zhǔn)電壓102以在輸入電流較大時生成較大的從調(diào)節(jié)電路91 到反饋管腳54的反饋信號的方式來選擇和連接。就這一點來說，收集設(shè)備90利用了調(diào)節(jié) 電路91的負(fù)性阻抗。因此，響應(yīng)于反饋管腳54處的較大的信號，控制器50會減小P麗的 占空比，從而減小泵浦到輸出端子22的功率量。與功率收集設(shè)備16和70類似，收集設(shè)備 90在不考慮收集設(shè)備90的輸出的情況下對輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，供給反饋管腳54的輸入電流電壓之間的反比關(guān)系可以通 過本領(lǐng)域中已知的其它手段來實現(xiàn)。例如在圖4所示的實施例中，由于從收集設(shè)備90返回 到輸出端子42的電流必然流經(jīng)電阻器100，因此電阻器100可以充當(dāng)輸出電流傳感器。然 而，檢測電流的任意已知手段均可以類似地用于調(diào)節(jié)控制器50的反饋管腳53，從而改變收 集設(shè)備90所汲取的功率量。 —般而言，期望考慮最大容許電壓降來選擇電路元件參數(shù)。例如，如果計劃在過程 控制工業(yè)中使用收集設(shè)備90，則應(yīng)謹(jǐn)慎地根據(jù)20mA處的容許電壓降來選擇電阻器92-100 的阻值。圖5示出連接在4-20mA回路中的功率收集設(shè)備90輸入端處的作為時間的函數(shù)的 示例性輸入和電壓。具體來說，波形110可以是流經(jīng)輸入端子40的電流，而波形120可以 是輸入端子對18之間的電壓。兩個波形都是針對例如秒的相對較長的時間范圍示出。如 圖5中所示，輸入電壓與輸入電流之間的反比關(guān)系確保波形20看起來像是波形110的鏡面 反射。還應(yīng)當(dāng)理解，波形120可以看起來相對于波形IIO有微秒或甚至是納秒數(shù)量級的延 遲。收集單元90將電壓降僅作為輸入電流的函數(shù)維持在l-2V的范圍內(nèi)，而與輸出端子22 處的電壓或功率需求無關(guān)。 任意收集設(shè)備的操作的另一期望方面是安全，具體來說是很多產(chǎn)業(yè)中接受的本質(zhì) 安全(I.S.)標(biāo)準(zhǔn)。 一般來說，與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的鑒定會給出該設(shè)備的具體能量極限。例如， 手持HART通信裝置被限制在V。e <= 2V且Ise <= 32mA，其中V。e是通信裝置兩端的最大 電壓，而Ise是允許通過通信裝置的最大電流。由于向HART通信電路提供功率是功率收集 應(yīng)用的高可能領(lǐng)域，因此與HART通信裝置相關(guān)聯(lián)的I. S.標(biāo)準(zhǔn)可以用作設(shè)計在4-20mA中使 用的安全收集設(shè)備的指導(dǎo)方針。 如以上所討論的，本領(lǐng)域中已知的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可能從輸入端子汲取過多的 功率，進(jìn)而干擾從其收集功率的電路的操作。這種類型的干擾可能妨礙設(shè)備接收功率或接 收通過該電路傳播的信號。 一方面，傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器在故障狀況下還可能無法容納收 集的功率，并通過將能量釋放回電路中而損壞電路，在由收集器供電的負(fù)載是電容器或是 類型的功率儲存設(shè)備的情況下尤其如此。這種類型的故障比從電路汲取過多的功率更危 險。如果在例如過程控制工業(yè)中使用，則至少由于4-20mA回路可能連接爆炸性或其它危險 的設(shè)備，因此傳統(tǒng)的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器會伴隨高的操作風(fēng)險。這樣，回路電流中的突然的尖 峰會引起火花，從而觸發(fā)爆炸。然而，通過任意傳統(tǒng)手段來符合以上所討論的安全標(biāo)準(zhǔn)會不 可避免地降低升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率效率。
10
由于與這里所公開的實施例一致的輸入調(diào)節(jié)式變壓器極適合于為功率儲存設(shè)備獲取功率，因此符合本質(zhì)安全(I.S.)限制就清楚地成為這種變壓器的實施中的關(guān)注點。圖6示出在電流回路10中用于功率收集的隔離的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC變壓器150。 DC-DC變壓器或功率收集設(shè)備150借助于隔離變壓器155提供故障能量限制。重要的是，隔離變壓器155可以在保證操作完全性之外有效地替代電感器44。同時，諸如與反饋調(diào)節(jié)器46協(xié)作的控制器50之類的開關(guān)電路可以以與圖3的實施例相同的方式來生成P麗脈沖，而不管是給電感器44還是給隔離變壓器155供電。布到收集設(shè)備150電路側(cè)157的變壓器線圈可以用于在開關(guān)管腳52切換到接地管腳58時來累積電流，同時在連接至負(fù)載側(cè)159的線圈中感應(yīng)相反的電流。換句話說，隔離變壓器155可以被當(dāng)作具有附加的靜電屏蔽功能的電感器。 返回參見圖3，在由反激式二極管60引起故障狀況時，存在從輸出端22返回到輸入端18的直接放電路徑。另外，控制器50的內(nèi)部電路可以類似地在輸出端22與輸入端18之間建立實質(zhì)上無阻值的路徑。比較而言，圖6中所示實施例的隔離變壓器155阻止能量被轉(zhuǎn)移回輸入端18。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，隔離變壓器可以被認(rèn)為對于所有的實際目的都是無故障的，只要選擇了具有相應(yīng)鐵芯飽和特性的合適的變壓器。
進(jìn)一步地，可以選擇隔離變壓器155的線圈比率來額外地提供特定應(yīng)用中期望的電壓變換。因此，隔離變壓器155可以提供控制輸出電壓的有效手段，而不是使用附加的電路來調(diào)節(jié)供應(yīng)給功率負(fù)載的電壓。此外，如果在具體應(yīng)用中需要的話，還可以將變壓器構(gòu)建為具有多個繞組，以便提供多個輸出。 應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，不一定要在供應(yīng)電路側(cè)157與負(fù)載側(cè)159維持絕對的隔離。具體來說，反饋電壓或功率信號可以從負(fù)載側(cè)159供應(yīng)到供應(yīng)側(cè)157，用于參考或附加調(diào)節(jié)的目的，只要跨隔離邊界的連接包括足夠大小的可靠電阻器。而且，限制前向方向上，或者從供應(yīng)側(cè)157到負(fù)載側(cè)159的方向上，通過變壓器轉(zhuǎn)移的功率可能還是必需的。這些限制可以幫助實現(xiàn)對反方向上轉(zhuǎn)移的功率的期望限制。盡管在圖6中沒有示出實現(xiàn)這些功能的元件，這里也應(yīng)當(dāng)注意到，這些前向限制可以通過在供應(yīng)側(cè)157上連接至變壓器輸入端處的分路調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。 繼續(xù)參考圖6，可以附加地在輸入端子18之間連接箝位二極管162，以限制功率收集設(shè)備150的輸入端處的電壓，從而為了 I. S.目的而建立在故障狀況下的最大電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，箝位二極管162在收集設(shè)備150的正常操作模式下不會對設(shè)備150產(chǎn)生影響。 圖7示出使用輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率收集設(shè)備的另一實施例。這里，除參考圖1所討論的DCS 12和現(xiàn)場設(shè)備14之外，電流回路200還包括HART通信裝置202。HART調(diào)制器202跨現(xiàn)場設(shè)備14并與現(xiàn)場設(shè)備14并聯(lián)連接，以便對跨現(xiàn)場設(shè)備的電壓進(jìn)行調(diào)制。正如本領(lǐng)域中所已知的，對電路的電壓進(jìn)行調(diào)制的能力依賴于該電路的阻抗。具體來說，低阻抗的電路需要調(diào)制電路消耗較大的能量。同時，DCS 12可以是具有極低阻抗的電池，因而典型的4-20mA電流回路不會對HART通信有益。因此，期望增加回路200的阻抗。此外，期望在不使用諸如電感器之類的傳統(tǒng)裝置的情況下符合該目標(biāo)，原因在于電感器會對有用的功率也進(jìn)行分路。因此，盡管可以使用電感器增大回路200的阻抗，但是無法從回路200收集足夠的功率對HART通信電路202進(jìn)行供電。
根據(jù)以下所示的實施例，功率收集設(shè)備16除了給負(fù)載20提供功率之外，還呈現(xiàn)為與現(xiàn)場設(shè)備14串聯(lián)連接的虛擬電感器204。虛擬電感器204并不是與功率收集設(shè)備16分離的物理設(shè)備。相反，收集設(shè)備14的特定實施例將設(shè)備14對于電路200呈現(xiàn)為電感器，從而使HART通信電路202可以對電路200的線路上的信號進(jìn)行調(diào)制。另外，電容器206提供濾波功能，以便平滑電流中可能會對HART通信造成干擾的突變。 圖8中示意性示出的功率收集設(shè)備250以控制流經(jīng)功率收集設(shè)備250的電流的變化率的方式操作，從而建立AC阻抗。另外，功率收集設(shè)備250減小噪聲水平，并且確保電路200對于電壓調(diào)制有是利的，具體來說是對HART通信有利。如圖8中所示，功率收集設(shè)備可以對HART通信電路252進(jìn)行供電，并且在該特定的實施例中，可以包括作為集成元件的應(yīng)T通信電路252。 如圖8所示，電容器206與現(xiàn)場設(shè)備14并聯(lián)連接，以便濾出回路噪聲。然而，電容器206不必需是收集設(shè)備250的一部分，而是可以如圖7中所示那樣單獨提供。另外，輸入噪聲濾波器254與DCS 12和現(xiàn)場設(shè)備14并聯(lián)連接。與這里所討論的其它實施例類似，輸入噪聲濾波器254的選擇是控制器50的操作頻率以及輸入端子18處可允許噪聲幅度的函數(shù)。例如，在具有 1V可允許電壓降和 3V的向收集器負(fù)載的電壓輸出的4-20mA電路回路中，可以用1PF的電容器作為輸入濾波器254。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在該實施例和其它實施例中，輸入濾波器254還可以相當(dāng)大。 反饋電路255以與圖3中所示的反饋電路46極其相似的方式工作。然而，反饋電路255另外還包括電容器256，電容器256有效地將表示進(jìn)入收集設(shè)備250的電流的信號耦接到放大器72的反相輸入端。該配置提供對通過收集設(shè)備250并進(jìn)入現(xiàn)場設(shè)備14的電流258的變化率進(jìn)行限制的動態(tài)特性。另外，電容器206中的能量儲存與通過收集設(shè)備250的受限的電流變化率結(jié)合，來提供可以將HART通信電路252的通信隔離的過濾功能。通過收集設(shè)備250的受限的電流258的變化率另外還針對回路電流充當(dāng)串聯(lián)阻抗。
功率收集設(shè)備250還可以借助于例如擊穿二極管通過對設(shè)備250輸入端子處的電壓進(jìn)行箝位而得到進(jìn)一步改進(jìn)。此外，與圖6中所示的變壓器155類似的隔離變壓器也可以代替電感器44來提供I.S.能量限制。代替電感器44使用的隔離變壓器可以進(jìn)一步包括適于調(diào)節(jié)輸出電壓的線圈配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖1-圖8中所示實施例的各個方面可以結(jié)合在一起實現(xiàn)各種應(yīng)用目標(biāo)。 另外，收集設(shè)備250可以提供多個輸出，并且可以通過使用例如分路調(diào)節(jié)器將各個輸出電壓維持在不同的水平。圖8示出分路調(diào)節(jié)器26的典型配置，其中分路調(diào)節(jié)器26可以耗散向連接至輸出端子對260的功率負(fù)載提供的多余功率。由于輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器在給定的輸入端處以調(diào)節(jié)的電壓降獲取可用功率，因此需要附加的電壓調(diào)節(jié)器給由收集器供電的負(fù)載提供調(diào)節(jié)電壓?？梢灶A(yù)期，圖8中所示的實施例可以給無線收發(fā)機以及HART通信電路提供功率。另外，多余功率可以儲存在例如設(shè)備24的功率儲存設(shè)備中，而不由分路調(diào)節(jié)器耗散。 可以進(jìn)一步預(yù)期，收集設(shè)備250的濾波功能是可選的。通過在不需要濾波功能的
時候關(guān)閉濾波功能，設(shè)備的用戶可以找到這里所討論的收集設(shè)備的附加應(yīng)用。 通常對于這里討論的實施例，所有的相關(guān)電路系統(tǒng)都可集成在ASIC中，以減少電
路面積，并允許對電路參數(shù)進(jìn)行更好的控制。另外，盡管可使用現(xiàn)有的升壓DC-DC控制器，但是也可使用離散部件或本領(lǐng)域已知的任何方式構(gòu)造控制器。類似地，這里討論的實施例中使用的電感器或變壓器可被提供在具有控制電路系統(tǒng)的整體封裝中。還預(yù)期到，為電路提供調(diào)節(jié)功能的電阻器及其它部件可采用可調(diào)形式提供?？商娲?，可將封裝設(shè)計為便于拆除和替換諸如電流傳感器、反饋電壓調(diào)節(jié)器以及具有特定應(yīng)用值的其它部件之類的部件。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步注意到，盡管這里討論的實施例很大程度上與4-20mA電流回路和HART通信相關(guān)，但是相同的概念可被應(yīng)用以類似地使能諸如Fieldbus之類的其它通信方案。
盡管已經(jīng)參照僅僅意在例示而不在限制本發(fā)明的特定示例描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可對所公開的實施例作出改變、增加和/或刪除，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種收集包括生成電流的電源的電路中的功率的方法，該方法包括將具有輸入端子對和輸出端子對的功率收集設(shè)備通過所述輸入端子對連接到所述電路；動態(tài)調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端子對之間的電壓降；從流經(jīng)所述功率收集設(shè)備的第一輸入端子對的電流，獲取在調(diào)節(jié)電壓降處的可用電能；以及在所述功率收集設(shè)備的輸出端子對處提供所獲取的電能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中動態(tài)調(diào)節(jié)所述輸入端子對之間的電壓降包括當(dāng) 所述電路中的電流隨時間變化時，在所述輸入端子對之間維持恒定的電壓降。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)一步包括將由收集器供電的負(fù)載連接到所述輸 出端子對。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述輸出端子對處提供所獲取的電能包括使 用可調(diào)分路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸出端子對之間的電壓降。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中獲取電能包括將所述電能存儲在功率儲存設(shè)備中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述功率儲存設(shè)備是超電容器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述功率收集設(shè)備連接到所述電路包括將所 述功率收集設(shè)備與所述電源串聯(lián)連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述電路進(jìn)一步包括具有時變功率需求的功耗設(shè) 備；并且其中將所述收集設(shè)備連接到所述電路進(jìn)一步包括將所述功率收集設(shè)備與所述功耗設(shè)備串 聯(lián)連接；并且其中動態(tài)調(diào)節(jié)所述輸入端子對之間的電壓降包括根據(jù)所述功耗設(shè)備的功率 需求調(diào)節(jié)所述電壓降。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中動態(tài)調(diào)節(jié)電壓降包括使用輸入電壓調(diào)節(jié)電路生 成電壓控制信號，并使用電感器累積電流。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中使用電感器包括基于所述電壓控制信號調(diào)節(jié)所 述電感器在一個操作周期中累積電流的時段。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端之間的電壓降 包括根據(jù)通過所述功率收集設(shè)備的輸入端子對中的一個輸入端子進(jìn)入的輸入電流與所述 功率收集設(shè)備的輸入端子對之間的電壓降之間的反比關(guān)系來調(diào)節(jié)所述電壓降。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端之間的電壓降 進(jìn)一步包括將所述電壓降維持在最小容許值和最大容許值之間的范圍內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端之間的電壓降 進(jìn)一步包括使用電流傳感器和反相放大器調(diào)節(jié)所述電壓降，其中所述反相放大器生成控 制電感器在一個操作周期中累積電流的時段的反饋信號，并且其中所述電感器向所述功率 收集設(shè)備的輸出端子對供應(yīng)電流。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從電流獲取可用電能包括限制在故障狀況下能 夠從所述功率收集設(shè)備轉(zhuǎn)移到所述電路的能量的量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中限制在故障狀況下能夠從所述功率收集設(shè)備轉(zhuǎn)移到所述電路的能量的量包括循環(huán)累積和釋放流經(jīng)隔離變壓器的電流；其中所述隔離變 壓器的第一繞組連接到所述功率收集設(shè)備的輸入端的正端子，并且所述隔離變壓器的第二 繞組是所述功率收集設(shè)備的輸出端。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括限制能夠轉(zhuǎn)移到所述隔離變壓器兩端的所述功率收集設(shè)備的輸出端的功率的量。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括向所述隔離變壓器提供至少第三繞組，其中所述第二繞組和所述第三繞組提供所述功 率收集設(shè)備的分立的輸出端。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中限制在故障狀況下能夠從所述功率收集設(shè)備轉(zhuǎn) 移到所述電路的能量的量包括滿足由收集器供電的負(fù)載的本質(zhì)安全能量限制，其中所述 由收集器供電的負(fù)載連接到所述功率收集設(shè)備的輸出端。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端之間的電壓降 進(jìn)一步包括在所述功率收集設(shè)備中提供線性濾波器特性，其中所述線性濾波器特性允許 所述電路兩端的電壓調(diào)制。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中提供線性濾波器特性包括調(diào)節(jié)流經(jīng)所述功率 收集設(shè)備的電流的變化率。
21. —種用于從源電路獲取多余功率的收集電路，包括 輸入端子對，用于將所述收集電路連接到源電路；電壓調(diào)節(jié)電路，用于基于所述輸入端子對之間的電壓降生成電壓調(diào)節(jié)信號； 累積元件，用于暫時累積從所述電路獲取的電能；升壓DC-DC控制器，用于基于來自所述電壓調(diào)節(jié)電路的信號控制所述累積元件；以及 輸出端子對，用于輸出由所述累積元件累積的電能；其中所述收集電路維持所述輸入 端子對之間的受控電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述電流累積電路元件是電感器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述源電路與隨時間變化的DC電流相關(guān)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述DC-DC控制器是升壓DC-DC控制器，該 升壓DC-DC控制器包括開關(guān)管腳，連接到所述累積元件的端子之一 ；以及 接地管腳，接地；其中所述收集電路在第一操作模式下將所述開關(guān)管腳電連接到所述接地管腳，以使所述累 積元件形成電流，并且其中所述收集電路在第二操作模式下將所述開關(guān)管腳與所述接地管 腳斷開，以使所述累積元件將所形成的電流引到所述輸出端子對中的一個輸出端子。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的收集電路，其中所述DC-DC控制器進(jìn)一步包括反饋管腳，所 述DC-DC控制器通過該反饋管腳接收由所述電壓調(diào)節(jié)電路生成的信號；其中所述DC-DC控 制器基于通過所述反饋管腳接收的信號確定所述DC-DC控制器在所述第一操作模式下操 作的時間量和所述DC-DC控制器在所述第二操作模式下操作的時間量。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，進(jìn)一步包括，連接在所述輸出端子對之間、對所 述輸出端子對處的輸出電壓進(jìn)行濾波的電容器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述電壓調(diào)節(jié)電路包括反相放大器和可操作地耦接到所述反相放大器的電流傳感器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述電壓調(diào)節(jié)電路進(jìn)一步基于流經(jīng)所述輸 入端子對的電流生成電壓調(diào)節(jié)信號。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的收集電路，其中所述電壓調(diào)節(jié)電路包括當(dāng)電流較弱時生成 較強電壓調(diào)節(jié)信號的增益限制電阻器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的收集電路，其中所述累積元件是提供故障能量限制的隔離 變壓器。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的收集電路，其中所述隔離變壓器包括 第一線圈，與所述輸入端子對電通信；以及第二線圈，與所述輸出端子對電通信，并通過芯元件與所述第一線圈分離；其中所述第 一線圈在所述收集電路的操作期間感應(yīng)所述第二線圈中的電流。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的收集電路，其中所述隔離變壓器包括向相應(yīng)的多個輸出端 提供電壓的多個繞組。
33. —種用于在過程控制環(huán)境中傳送信息的電路，包括 第一設(shè)備，生成DC電流信號并通過所述電路傳播該信號； 第二設(shè)備，接收該信號；功率收集設(shè)備，與所述第一設(shè)備和所述第二設(shè)備串聯(lián)連接，獲取所述收集器設(shè)備兩端 的調(diào)節(jié)電壓降處的多余電能，所述功率收集設(shè)備包括 連接到所述電路的輸入端子對；以及 連接到耗電電路的輸出端子對。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的電路，進(jìn)一步包括適于調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸出端子 對之間的輸出電壓的可調(diào)分路調(diào)節(jié)器。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的電路，其中所述第一設(shè)備是與分布式控制系統(tǒng)相關(guān)的控制 器，所述第二設(shè)備是在過程控制環(huán)境中執(zhí)行功能的現(xiàn)場設(shè)備，并且其中所述DC電流信號在 4mA至20mA的范圍內(nèi)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的電路，其中所述耗電電路包括耦接到所述功率收集設(shè)備的 輸出端子對的超電容器。
全文摘要
一種收集具有生成電流的電源的電路中的功率的方法，包括將具有輸入端子對和輸出端子對的功率收集設(shè)備通過所述輸入端子對連接到所述電路；動態(tài)調(diào)節(jié)所述功率收集設(shè)備的輸入端子對之間的電壓降。從流經(jīng)所述功率收集設(shè)備的第一輸入端子對的電流，獲取在調(diào)節(jié)電壓降處的可用電能；并且在所述功率收集設(shè)備的輸出端子對處提供所獲取的電能。
文檔編號H02J7/34GK101730968SQ200880020430
公開日2010年6月9日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
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