所公開(kāi)的實(shí)施例涉及諸如用于為蜂窩調(diào)制解調(diào)器供電的本質(zhì)上安全的功率調(diào)節(jié)電路和電源。

背景技術(shù)：

蜂窩調(diào)制解調(diào)器需要高峰值功率（例如，6w或7w）以用于通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)地傳送數(shù)據(jù)。為了在諸如石油化工工業(yè)、石油和天然氣管道以及某些自動(dòng)化工廠(chǎng)環(huán)境之類(lèi)的危險(xiǎn)位置中操作，蜂窩調(diào)制解調(diào)器設(shè)備中耗散的故障功率、電流、電壓和能量需要被限制在危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)火能量極限內(nèi)，并且另外在故障狀況下的蜂窩調(diào)制解調(diào)器設(shè)備的表面溫度需要被限制在危險(xiǎn)氣體的點(diǎn)火溫度極限內(nèi)。一種簡(jiǎn)單的已知方法是將可靠的電阻器（其失效模式僅為開(kāi)路的薄膜型電阻器）用于功率和電流限制，并且將可靠的齊納二極管用于限制電壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容來(lái)以簡(jiǎn)化形式介紹對(duì)所公開(kāi)概念的簡(jiǎn)要選擇，所公開(kāi)的概念在下面在包括所提供的附圖的具體實(shí)施方式中被進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不意圖限制要求保護(hù)的主題的范圍。

所公開(kāi)的實(shí)施例認(rèn)識(shí)到作為蜂窩調(diào)制解調(diào)器需要高峰值功率（例如，6w或7w）以用于通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)地傳送數(shù)據(jù)，使用常規(guī)的電阻器和齊納二極管實(shí)現(xiàn)本質(zhì)上的安全將使調(diào)制解調(diào)器電源顯著損耗并且還使得難以滿(mǎn)足所要求的電池壽命（例如，5年）和尺寸約束，因?yàn)楦吖β数R納二極管一般在尺寸上太大。所公開(kāi)的本質(zhì)上安全（is）的功率調(diào)節(jié)電路通過(guò)包括諸如超級(jí)電容器或電池之類(lèi)的功率存儲(chǔ)設(shè)備、（多個(gè)）有源電流限制（acl）電路、dc至dc轉(zhuǎn)換器和（多個(gè)）消弧電路來(lái)提供高效率電源。

放置在功率存儲(chǔ)設(shè)備和dc至dc轉(zhuǎn)換器之間的（多個(gè)）acl電路有助于向蜂窩調(diào)制解調(diào)器供給低波紋和被調(diào)整的功率。acl電路限制到蜂窩調(diào)制解調(diào)器和其它電子組件的故障電流、功率。acl電路還像保險(xiǎn)絲一樣起作用，以用于在故障狀況下保護(hù)（多個(gè)）消弧電路，消除為（多個(gè)）消弧電路放置額外的保險(xiǎn)絲的需要。

一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例包括功率調(diào)節(jié)電路，其包括具有被耦接以用于從dc功率源接收功率的電極的至少一個(gè)功率存儲(chǔ)設(shè)備（例如，超級(jí)電容器/電池）。至少一個(gè)acl電路被耦接到功率存儲(chǔ)設(shè)備的電極，以用于限制在故障狀況下從功率存儲(chǔ)設(shè)備輸出的最大功率。dc至dc轉(zhuǎn)換器使其輸入耦接到acl電路。至少一個(gè)消弧電路具有第一端子和第二端子以及耦接到dc至dc轉(zhuǎn)換器的輸出以用于為功率調(diào)節(jié)電路提供輸出端子的短路設(shè)備。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的包括被示出為從電源接收功率并向蜂窩調(diào)制解調(diào)器提供功率的示例is功率調(diào)節(jié)電路的蜂窩調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)的框圖。

圖2是根據(jù)示例實(shí)施例的示例acl電路的框圖。

圖3是根據(jù)示例實(shí)施例的示例消弧電路的示意圖。

具體實(shí)施方式

參照所附各圖描述所公開(kāi)的實(shí)施例，其中貫穿于各圖使用同樣的附圖標(biāo)記來(lái)表示類(lèi)似或等同的元件。各圖不是按比例繪制的，并且它們僅被提供以圖示某些所公開(kāi)的方面。以下參照示例應(yīng)用來(lái)描述若干所公開(kāi)的方面以用于說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，闡述了許多具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法以提供對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的完全理解。

然而，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，在此所公開(kāi)的主題可以在沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下或者利用其它方法來(lái)實(shí)踐。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)示出周知的結(jié)構(gòu)或操作以避免模糊某些方面。本公開(kāi)不受所圖示的動(dòng)作或事件的排序限制，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同的次序發(fā)生和/或與其它動(dòng)作或事件同時(shí)發(fā)生。更進(jìn)一步地，并非要求所有圖示的動(dòng)作或事件來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)在此公開(kāi)的實(shí)施例的方法。

另外，如在此在沒(méi)有進(jìn)一步限制的情況下使用的術(shù)語(yǔ)“耦接到”或“與…耦接”（等等）意圖描述間接或直接的電連接。因此，如果第一設(shè)備“耦接”到第二設(shè)備，則該連接可以通過(guò)其中在路徑中僅存在寄生的直接電連接，或者通過(guò)經(jīng)由包括其它設(shè)備和連接的中間項(xiàng)的間接電連接。對(duì)于間接耦接而言，中間項(xiàng)一般不修改信號(hào)的信息，而是可以調(diào)整其電流水平、電壓水平和/或功率水平。

圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的包括示例is功率調(diào)節(jié)電路105的蜂窩調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)100的框圖，所述示例is功率調(diào)節(jié)電路105被示出為從dc功率源160（被示出為dc源160）接收功率并向蜂窩調(diào)制解調(diào)器140提供功率。dc功率源160可以包括單個(gè)電池、電池組（多個(gè)電池）、燃料電池或太陽(yáng)能電池。dc功率源160總是具有在其兩個(gè)端子之間在相同方向上流動(dòng)的電流。功率調(diào)節(jié)電路105包括至少一個(gè)功率存儲(chǔ)設(shè)備110，所述至少一個(gè)功率存儲(chǔ)設(shè)備110具有用于從dc功率源160接收功率的電極110a、110b。功率存儲(chǔ)設(shè)備110可以包括超級(jí)電容器、可再充電電池、混合層電容器或鋰離子電容器。

如在此所使用那樣，“超級(jí)電容器”（有時(shí)也稱(chēng)為超電容器，之前是電雙層電容器（edlc））是高容量電化學(xué)電容器，其不是如在常規(guī)電容器的情況下那樣直接在電介質(zhì)材料中存儲(chǔ)電荷，而是使用在電雙層中創(chuàng)建電荷存儲(chǔ)的電解質(zhì)離子。超級(jí)電容器提供如下的高容量：該高容量具有與其它電容器（但是一般更低的電壓限制）相比更高得多的電容值，該高容量與電解電容器相比典型地每單位體積或質(zhì)量存儲(chǔ)10倍至100倍的更多的能量。超級(jí)電容器是商業(yè)上可獲得的，諸如來(lái)自tadiranbatteriesnorthnewhydepark，ny的hlc-1550。

超級(jí)電容器使用靜電雙層電容或電化學(xué)偽電容或這兩者的組合。靜電雙層電容器一般地使用與電化學(xué)偽電容相比具有更高得多的靜電雙層電容的碳電極或衍生物，實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)電電極的表面和電解質(zhì)之間的界面處的亥姆霍茲雙層中的電荷的分離。電荷的分離為幾個(gè)埃的量級(jí)，與在常規(guī)的電容器中相比更小得多。

功率調(diào)節(jié)電路105還包括至少一個(gè)acl電路，其被示出為耦接到功率存儲(chǔ)設(shè)備110的電極110a、110b的彼此串聯(lián)的acl115a、acl115b、acl115c。如在此所使用的那樣，“acl”是通過(guò)連同充當(dāng)導(dǎo)通（on）和斷開(kāi)（off）開(kāi)關(guān)的晶體管和放大器（例如，運(yùn)算放大器）一起使用感測(cè)電阻器來(lái)設(shè)置最大負(fù)載電流的電路。示出為放置在功率存儲(chǔ)設(shè)備110和dc至dc轉(zhuǎn)換器120之間的（多個(gè)）acl電路115a、115b、115c有助于向蜂窩調(diào)制解調(diào)器140供給低波紋和被調(diào)整的功率。（多個(gè)）acl電路115a、115b、115c還像保險(xiǎn)絲一樣起作用，以用于在故障狀況下保護(hù)（多個(gè)）消弧電路130a、130b，消除了放置用于保護(hù)（多個(gè)）消弧電路130a、130b的附加保險(xiǎn)絲的需要。

（多個(gè)）acl電路115a、115b、115c限制對(duì)于蜂窩調(diào)制解調(diào)器和其它電子組件的故障電流、功率。acl電路被示出為利用acl電路115a、115b、115c進(jìn)行三重化，acl電路115a、115b、115c被示出用于滿(mǎn)足按照國(guó)際電工委員會(huì)（iec）60079-11的zone-0內(nèi)在安全要求。（多個(gè)）acl電路在正常操作期間提供＜0.5歐姆（例如，＜0.1歐姆）的低值串聯(lián)電阻（即，acl未觸發(fā)），其可以與用于已知/常規(guī)的功率限制的相對(duì)高的電阻（例如，1歐姆）進(jìn)行比較。（多個(gè)）acl電路115a、115b、115c因此顯著地降低功率調(diào)節(jié)電路105的i²r損耗，這延長(zhǎng)了dc功率源160的壽命。

圖2是示例acl200的框圖。rsense205是用于感測(cè)從功率存儲(chǔ)設(shè)備110接收的電流的薄膜型低歐姆可靠電阻器（例如，0.11ω1％）。如上面指明那樣，可靠電阻器是薄膜型電阻器，其失效模式僅為開(kāi)路?？珉娏鞲袦y(cè)電阻器205的電壓降由差分放大器210放大。差分放大器210的輸出被作為輸入通過(guò)延遲電路220饋送到比較器215，延遲電路220可以包括可編程延遲電路。延遲電路220有助于對(duì)噪聲進(jìn)行過(guò)濾，從而acl200在短持續(xù)時(shí)間的峰值電流（＜5msec）內(nèi)將不會(huì)跳閘。比較器215將差分放大器210的輸出電壓與精確的分流電壓基準(zhǔn)（示出為vref）進(jìn)行比較，并且當(dāng)差分放大器210的輸出電壓超過(guò)vref時(shí)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器225使串聯(lián)傳輸晶體管（或開(kāi)關(guān)）230跳閘（打開(kāi)）。

功率調(diào)節(jié)電路105還包括具有耦接到acl電路115a、115b、115c的輸入的dc至dc轉(zhuǎn)換器120。dc至dc轉(zhuǎn)換器120可以包括降壓和/或升壓（還已知為遞升）轉(zhuǎn)換器。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器為如下的dc至dc轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型，該dc至dc轉(zhuǎn)換器具有大于或小于輸入電壓幅值的輸出電壓幅值，其等同于使用單個(gè)電感器而不是變壓器的反激轉(zhuǎn)換器?？梢允褂玫钠渌{(diào)節(jié)器類(lèi)型包括單端初級(jí)電感器轉(zhuǎn)換器（sepic）轉(zhuǎn)換器。dc至dc轉(zhuǎn)換器120在用于蜂窩調(diào)制解調(diào)器140的輸出端子131、132處維持恒定/被調(diào)整的電壓水平。

功率調(diào)節(jié)電路105還包括被示出為具有第一端子和第二端子的消弧電路130a、130b的至少一個(gè)消弧電路，消弧電路130a、130b包括耦接到dc至dc120轉(zhuǎn)換器的輸出以用于為功率調(diào)節(jié)電路105提供輸出端子131、132的短路設(shè)備。如在此所使用的那樣，“消弧電路”是包括被用于防止電源單元的過(guò)電壓狀況損壞附接到電源的電路的短路設(shè)備的電路，短路設(shè)備通過(guò)放置跨電壓輸出（vo）的短路或低電阻路徑來(lái)進(jìn)行操作。

可以使用晶閘管、三極管晶閘管（triac）、硅控整流器（scr）、撬棍二極管（trisil）或閘流管作為短路設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)消弧電路。一旦被觸發(fā)，消弧電路將電壓拉低，通常接近于接地。鉗位防止電壓超過(guò)預(yù)設(shè)水平。因此，當(dāng)過(guò)電壓狀況被去除時(shí)，消弧電路將不會(huì)自動(dòng)地返回到正常操作；功率需要完全通過(guò)電源的電流限制線(xiàn)路去除，或者如電流限制線(xiàn)路失效，則熔斷線(xiàn)路保險(xiǎn)絲以停止其傳導(dǎo)。在圖1中重復(fù)示出了消弧電路，其中提供第一和第二消弧電路130a、130b以滿(mǎn)足zone-0is要求。

圖3是根據(jù)示例實(shí)施例的示例消弧電路300的示意圖。消弧電路300包括控制triac310的柵極處的電壓的齊納二極管305。示出為r1的電阻器限制通過(guò)triac310的柵極的電流，并且示出為r2的電阻器限制通過(guò)齊納二極管305的電流。齊納二極管305的鉗位電壓被設(shè)定從而在正常操作狀況期間，跨齊納二極管305的電壓（vz）低于vz的鉗位電壓。由于該電壓低于齊納鉗位電壓，所以齊納二極管305保持?jǐn)嚅_(kāi)并且非常少的電流（＜0.1ma）被傳導(dǎo)通過(guò)齊納二極管305的陰極。r2將使該電流旁路，從而triac310的柵極將保持在接地電位處，保持triac310斷開(kāi)。

如果從dc至dc轉(zhuǎn)換器120接收的供給電壓增加，則跨齊納二極管305的電壓將超過(guò)vz的齊納二極管305鉗位電壓。然后齊納二極管305將開(kāi)始抽取更多的通過(guò)它的電流，并且使通過(guò)triac310的柵極端子的電流超過(guò)triac310的柵極觸發(fā)電流。一旦被觸發(fā)（導(dǎo)通），提供有效短路的triac310鎖存接近于接地的電壓。即使在去除了過(guò)電壓狀況時(shí)消弧電路也將不會(huì)自動(dòng)地返回到正常操作，從而功率一般必須被完全去除以停止其傳導(dǎo)。如果流過(guò)acl115的電流跨過(guò)跳閘電流限制，則在dc至dc轉(zhuǎn)換器120的輸入處的acl115可以使通過(guò)消弧電路300的電流跳閘。

蜂窩調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)100被進(jìn)一步示出為包括控制器部分150，其包括處理器151和dc至dc轉(zhuǎn)換器156，處理器151可以包括微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）或微控制器單元（mcu），dc至dc轉(zhuǎn)換器156可以包括升壓調(diào)節(jié)器、降壓/升壓、sepic或反激電容電壓倍增器/乘法器電路。dc至dc轉(zhuǎn)換器156利用被示出為r2（例如，約5歐姆）的至少一個(gè)可靠電阻器（其失效模式僅為開(kāi)路的薄膜型電阻器）電阻地耦接到功率存儲(chǔ)設(shè)備110，以用于從功率存儲(chǔ)設(shè)備110獲得功率。

控制器部分150還被示出為包括用于在故障狀況下限制電壓的齊納二極管z1、z2，以及在dc至dc轉(zhuǎn)換器156的輸入和輸出處的作為濾波電容器的電容器c1和c2。所示出的acl115a、115b和115c有助于蜂窩調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)100滿(mǎn)足給定的熱點(diǎn)火等級(jí)（例如，t4）?？刂破鞑糠?50用于運(yùn)行調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)100的通信堆棧/固件（未示出），包括執(zhí)行對(duì)于蜂窩通信而言所需要的諸如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本6（ipv6）之類(lèi)的通信堆棧。

蜂窩調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)100還被示出為包括在dc功率源160和功率調(diào)節(jié)電路105之間的可靠電阻器r1（例如，4歐姆）。r1用于把來(lái)自功率存儲(chǔ)設(shè)備110的故障電流限制到安全值，如果輸入/電池連接器短路的話(huà)。

所公開(kāi)的實(shí)施例一般可以應(yīng)用于蜂窩調(diào)制解調(diào)器。所公開(kāi)的實(shí)施例還可以更一般地應(yīng)用于具有用于其操作的is保護(hù)的需要高效的更高功率的任何設(shè)備。

雖然上面已經(jīng)描述了各種公開(kāi)的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，它們僅僅是已經(jīng)通過(guò)示例方式被呈現(xiàn)而不是進(jìn)行限制。在不脫離本公開(kāi)的精神或范圍的情況下，可以根據(jù)本公開(kāi)對(duì)在此公開(kāi)的主題作出許多改變。另外，雖然可能已經(jīng)關(guān)于若干實(shí)現(xiàn)中的僅一個(gè)公開(kāi)了特定特征，但是這樣的特征可以與其它實(shí)現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)其它特征組合，如對(duì)于任何給定或特定的應(yīng)用而言可能想要和有利的那樣。