ИНТЕРФЕЙС И СПОСОБ ПИТАНИЯ КОНТУРА ШИНЫ Российский патент 2010 года по МПК H04L25/02 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к интерфейсу питания контура шины и, более конкретно, к интерфейсу и способу питания контура шины для шины подключения контрольно-измерительных приборов (инструментальная шина).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Расходомеры используются для измерения расхода массы, плотности и других характеристик текучих материалов. Текучие материалы могут содержать жидкости, газы, комбинированные жидкости и газы, твердые тела, взвешенные в жидкостях, и жидкости, включающие в себя газы и взвешенные твердые тела. Например, расходомеры широко используются в добыче при помощи скважин и очистке нефти и нефтепродуктов. Расходомер может использоваться для определения производительности скважины путем измерения расхода (т.е. путем измерения расхода массы через расходомер) и может даже использоваться для определения относительных пропорций газовых и жидких компонентов потока.

Во многих установках управления процессами или промышленной автоматизации процессов контур шины (или измерительная шина) используется для подключения к различным устройствам, таким как датчики и другие измерительные устройства. Контур шины обычно используется для доставки электрической энергии к различным присоединенным измерительным устройствам или датчикам. Кроме того, контур шины также обычно используется для передачи данных как к датчику или измерительному устройству, так и от них. Поэтому контур шины подключен к ведущему устройству, которое может обеспечивать регулируемую электрическую энергию по шине и которое может осуществлять передачу по шине. Ведущее устройство может программировать и/или посылать команды, данные, калибровки и другие установки, например, к датчику и измерительным устройствам. Ведущее устройство может также принимать данные от датчика и измерительных устройств, включающие идентификационные данные, данные калибровки, данные измерения, рабочие данные и т.д.

Фиг. 1 показывает контур 1 двухпроводной шины согласно известному уровню техники. Контур 1 шины может включать в себя ведущее устройство 2, которое управляет контуром 1 шины, множественные датчики или измерительные устройства 3-5 и терминаторы 6. Ведущее устройство 2 может пропускать цифровые сигналы связи к внешним устройствам, таким как, например, станции мониторинга и управления. Ведущее устройство 2 подключено к источникам электропитания и обеспечивает электрическую энергию по контуру 1 двухпроводной шины. Ведущее устройство 2 обычно обеспечивает электроэнергию, которая ограничена по току, ограничена по напряжению и ограничена по мощности.

Контур 1 шины может содержать, например, контур шины FIELDBUS. Термин FIELDBUS относится к стандарту двухпроводной шины для подключения измерительных устройств, который обычно используется для соединения вместе множественных измерительных устройств и далее может использоваться для обеспечения цифровых связей между измерительными устройствами. Альтернативно, контур 1 шины может содержать другие шины, такие как PROFIBUS, HART, контур шины 4-20 мА и т.д.

Фиг. 2 показывает схему регулирования мощности известного уровня техники для устройства 3 шины известного уровня техники, подключенного к контуру 1 шины. Устройство 3 шины известного уровня техники включает в себя регулятор 8 напряжения и нагрузку 9, подключенную последовательно к регулятору 8 напряжения. Регулятор 8 напряжения поддерживает постоянный уровень напряжения для нагрузки 9.

Однако эта регулировка мощности известного уровня техники имеет недостатки. Максимальная электрическая мощность (P), обеспечиваемая в этой компоновке известного уровня техники, содержит выходное напряжение последовательного регулятора (V), умноженное на ток контура (I). Интерфейс контура, который использует этот вид линейной регулировки, имеет низкую передачу мощности, так как параметр V мощности в уравнении доступной мощности (P=V×I) по существу фиксирован. Кроме того, напряжение шины снижается, когда ток контура возрастает, из-за относительно высокого импеданса контура.

Одним возможным решением могло бы быть использование источника питания с режимом переключения (SMPS). SMPS также называется источником питания с переключаемым режимом или переключаемым источником питания. SMPS генерирует изменяющийся во времени сигнал из постоянного напряжения на шине, выполняет пошаговое увеличение напряжения и преобразует результирующий изменяющийся во времени сигнал обратно в постоянное напряжение, которое может иметь более высокий уровень напряжения, чем первоначальное постоянное напряжение шины. В результате, член V в уравнении для мощности может быть увеличен.

Однако недостаток SMPS устройства состоит в том, что SMPS устройство обычно имеет низкую характеристику входного импеданса. Это не совместимо с устройством, питаемым от контура 1 шины, где импеданс контура поддерживается высоким для того, чтобы дать возможность сигналам связи проходить по контуру 1 шины.

СУЩНОСТЬ РЕШЕНИЯ

Интерфейс питания контура шины представлен согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Интерфейс питания контура шины содержит модуль регулировки напряжения, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY, модуль регулировки импеданса, связанный с модулем регулировки напряжения, причем модуль регулировки импеданса принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY, и обратную связь между модулем регулировки напряжения и модулем регулировки импеданса. Обратная связь обеспечивает сигнал обратной связи для модуля регулировки напряжения, что дает возможность модулю регулировки напряжения по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

Интерфейс питания контура шины представлен согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Интерфейс питания контура шины содержит источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY. Интерфейс питания контура шины дополнительно содержит измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP, операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁, и транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁. Транзистор Q₁ принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY. Выход операционного усилителя U₁ регулирует характеристику импеданса транзистора Q₁ и заданный ток питания I_SUPPLY. Интерфейс питания контура шины дополнительно содержит транзистор Q₂, связанный с SMPS U₂. Транзистор Q₂ смещается напряжением контура V_LOOP. Интерфейс питания контура шины дополнительно содержит резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и заземлением. Резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F в цепи обратной связи от транзистора Q₂. Напряжение V_FB в цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимается входом FB цепи обратной связи SMPS U₂. Транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи дают возможность SMPS U₂ по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

Способ регулировки электрической мощности в интерфейсе питания контура шины представлен согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Этот способ предусматривает принятие электрической мощности от измерительной шины при напряжении контура V_LOOP и при токе контура I_LOOP, генерацию заданного напряжения питания V_SUPPLY из напряжения контура V_LOOP и генерацию заданного тока питания I_SUPPLY с заданным током питания I_SUPPLY, связанным с заданной характеристикой импеданса интерфейса питания контура шины.

АСПЕКТЫ

В одном аспекте интерфейса питания контура шины заданный ток питания I_SUPPLY по существу фиксирован.

В другом аспекте интерфейса питания контура шины заданный ток питания I_SUPPLY изменяется.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины модуль регулировки импеданса регулирует электрический импеданс в интерфейсе питания контура шины.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины модуль регулировки импеданса дополнительно содержит линию регулировки импеданса, причем линия регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки заданного тока питания I_SUPPLY и регулировки электрического импеданса модуля регулировки импеданса.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины интерфейс питания контура шины дополнительно содержит пару входных контактов и пару выходных контактов, где модуль регулировки импеданса принимает ток контура I_LOOP от входных контактов и где модуль регулировки напряжения подключен к паре выходных контактов.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины модуль регулировки напряжения дополнительно содержит источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины модуль регулировки импеданса дополнительно содержит измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP, операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁, и транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁ и принимающий ток контура I_LOOP, причем выход операционного усилителя U₁ регулирует характеристику импеданса транзистора Q₁ и заданный ток питания I_SUPPLY.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины обратная связь содержит транзистор Q₂, который смещается напряжением контура V_LOOP, и резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и землей, причем резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F в цепи обратной связи от транзистора Q₂, где напряжение V_FB в цепи обратной связи на резисторе R₂ принимается входом FB цепи обратной связи SMPS U₂.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины SMPS U₂ содержит модуль регулировки напряжения.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины измеряющий ток резистор R₁, операционный усилитель U₁ и транзистор Q₁ входят в состав модуля регулировки импеданса.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи входят в состав обратной связи.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины измеряющий ток резистор R₁, операционный усилитель U₁ и транзистор Q₁ регулируют электрический импеданс в интерфейсе питания контура шины.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины интерфейс питания контура шины дополнительно содержит линию регулировки импеданса, выполненную с возможностью регулировки заданного тока питания I_SUPPLY и регулировки электрического импеданса модуля регулировки импеданса.

В еще одном аспекте интерфейса питания контура шины интерфейс питания контура шины дополнительно содержит линию регулировки импеданса, связанную с операционным усилителем U₁, причем линия регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки напряжения смещения транзистора Q₁.

В одном аспекте способа способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины.

В другом аспекте способа способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины при поддержании по существу высокого импеданса.

В еще одном аспекте способа способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины посредством максимизации заданного напряжения питания V_SUPPLY и заданного тока питания I_SUPPLY.

В еще одном аспекте способа способ дополнительно предусматривает регулировку заданного тока питания I_SUPPLY для генерации сигнала связи.

В еще одном аспекте способа способ дополнительно предусматривает принятие входа регулировки импеданса и генерацию заданного тока питания I_SUPPLY на основе входа регулировки импеданса.

В еще одном аспекте способа интерфейс питания контура шины содержит модуль регулировки напряжения, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY, модуль регулировки импеданса, связанный с модулем регулировки напряжения, причем модуль регулировки импеданса принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY, и обратную связь, связанную между модулем регулировки напряжения и модулем регулировки импеданса, причем обратная связь обеспечивает сигнал обратной связи для модуля регулировки напряжения, что дает возможность модулю регулировки напряжения по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

В еще одном аспекте способа заданный ток питания I_SUPPLY по существу фиксирован.

В еще одном аспекте способа заданный ток питания I_SUPPLY изменяется.

В еще одном аспекте способа модуль регулировки импеданса дополнительно содержит линию регулировки импеданса, причем линия регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки заданного тока питания I_SUPPLY и регулировки электрического импеданса модуля регулировки импеданса.

В еще одном аспекте способа модуль регулировки напряжения дополнительно содержит источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂.

В еще одном аспекте способа модуль регулировки импеданса дополнительно содержит измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP, операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁, и транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁ и принимающий ток контура I_LOOP, причем выход операционного усилителя U₁ регулирует характеристику импеданса транзистора Q₁ и заданный ток питания I_SUPPLY.

В еще одном аспекте способа обратная связь дополнительно содержит транзистор Q₂, который смещается напряжением контура V_LOOP, и резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и землей, причем резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F в цепи обратной связи от транзистора Q₂, где напряжение V_FB в цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимается входом FB SMPS U₂.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает контур двухпроводной шины согласно известному уровню техники.

Фиг. 2 показывает схему регулировки мощности известного уровня техники для устройства шины известного уровня техники, подключенного к контуру шины.

Фиг. 3 показывает интерфейс питания контура шины согласно некоторому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 4 показывает интерфейс питания контура шины согласно некоторому варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 3-4 и следующее описание показывают конкретные примеры для изучения специалистами в данной области техники того, как создать и использовать лучший вариант осуществления изобретения. С целью изучения принципов изобретения некоторые стандартные аспекты были упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники будут ясны вариации из этих примеров, которые попадают в пределы объема изобретения. Специалистам в данной области техники будет ясно, что особенности, описываемые ниже, могут быть скомбинированы различными способами для образования множественных вариаций изобретения. В результате, изобретение не ограничено конкретными примерами, описанными ниже, а ограничено лишь формулой изобретения и ее эквивалентами.

Фиг. 3 показывает интерфейс 100 питания контура шины согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Интерфейс 100 питания контура шины обеспечивает электрическую мощность для устройства шины, присоединенного к контуру 1 измерительной шины (не показано). Интерфейс 100 питания контура шины может быть единственным устройством, присоединенным к контуру 1 шины, или одним из многих измерительных устройств шины.

Устройство шины в одном варианте осуществления содержит расходомер, такой как расходомер Кориолиса или колебательный денсиметр, например. Однако и другие устройства шины рассматриваются и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.

Интерфейс 100 питания контура шины включает в себя модуль 110 регулировки напряжения, модуль 120 регулировки импеданса и обратную связь 115, связанную между модулем 110 регулировки напряжения и модулем 120 регулировки импеданса. Интерфейс 100 питания контура шины включает в себя пару входных контактов 101, выполненных с возможностью соединения с контуром 1 шины, и пару выходных контактов 102, выполненных с возможностью соединения с датчиком или измерительным устройством (также не показано). Модуль 120 регулировки импеданса принимает ток контура I_LOOP от входных контактов 101, и модуль 110 регулировки напряжения подключен к паре выходных контактов 102. Интерфейс 100 питания контура шины принимает напряжение контура V_LOOP от шины и обеспечивает заданное напряжение питания V_SUPPLY на выходных контактах 102. Кроме того, интерфейс 100 питания контура шины принимает ток контура I_LOOP от шины и обеспечивает заданный ток питания I_SUPPLY на выходных контактах 102.

Модуль 110 регулировки напряжения обеспечивает заданное напряжение питания V_SUPPLY из напряжения контура V_LOOP. Модуль 110 регулировки напряжения включает в себя источник питания с режимом переключения (SMPS) в некоторых вариантах осуществления. Напряжение питания V_SUPPLY модуля 110 регулировки напряжения (и интерфейса 100 питания контура шины) может содержать постоянное (DC) напряжение в некоторых вариантах осуществления. Альтернативно, напряжение питания V_SUPPLY может содержать DC напряжение, включающее в себя наложенный цифровой сигнал связи.

Напряжение питания V_SUPPLY может быть меньше, чем напряжение контура V_LOOP. Напряжение питания V_SUPPLY может быть больше или равно напряжению контура V_LOOP. Напряжение питания V_SUPPLY может быть на фиксированном или изменяющемся уровне.

Модуль 120 регулировки импеданса регулирует электрический импеданс в интерфейсе 100 питания контура шины. Модуль 120 регулировки импеданса обеспечивает заданный ток питания I_SUPPLY из тока контура I_LOOP. Ток питания I_SUPPLY генерируется посредством изменения импеданса, обеспечиваемого модулем 120 регулировки импеданса. В результате, импеданс интерфейса 100 питания контура шины может поддерживаться на относительно высоком уровне импеданса.

В некоторых вариантах осуществления заданный ток питания I_SUPPLY, создаваемый модулем 120 регулировки импеданса, является по существу фиксированным. Альтернативно, в других вариантах осуществления заданный ток питания I_SUPPLY изменяется, как, например, в вариантах осуществления, где изменяющийся ток используется для генерации сигнала связи.

В некоторых вариантах осуществления модуль 120 регулировки импеданса включает в себя линию 106 регулировки импеданса. Линия 106 регулировки импеданса выполнена с возможностью регулировки заданного тока питания I_SUPPLY и электрического импеданса модуля 120 регулировки импеданса.

Линия 106 регулировки импеданса может использоваться в некоторых вариантах осуществления для изменения тока питания I_SUPPLY, как, например, в вариантах осуществления, которые используют электрический ток для генерации сигнала связи. Альтернативно, в других вариантах осуществления линия 106 регулировки импеданса может содержать фиксированное значение, которое генерирует по существу фиксированное значение импеданса (и, следовательно, по существу фиксированный ток питания I_SUPPLY).

Обратная связь 115 генерирует обратную связь от модуля 120 регулировки импеданса к модулю 110 регулировки напряжения. Обратная связь 115 обеспечивает сигнал обратной связи для модуля 110 регулировки напряжения, что дает возможность модулю 110 регулировки напряжения по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY. Обратная связь 115 может включать в себя обратную связь уровня напряжения, например, где модуль 110 регулировки напряжения использует обратную связь уровня напряжения для поддержания напряжения питания V_SUPPLY. Кроме того или альтернативно, обратная связь 115 может передавать ток ошибки в модуль 110 регулировки напряжения, где ток ошибки генерирует напряжение в цепи обратной связи, которое используется модулем 110 для поддержания напряжения питания V_SUPPLY (см. фиг. 4 и сопутствующий текст).

Обратная связь 115 используется для генерации и поддержания регулируемого напряжения питания V_SUPPLY. Кроме того, обратная связь 115 также используется для максимизации электрической мощности, выдаваемой интерфейсом 100 питания контура шины, и, следовательно, для достижения максимальной передачи мощности. Обратная связь 115 может гарантировать, что интерфейс 100 питания контура шины отслеживает конкретную рабочую точку электрической мощности. Даже когда напряжение питания V_SUPPLY изменяется, интерфейс 100 максимизирует доступную мощность. Устройство шины, связанное с парой входных контактов 101, возможно, должно работать при конкретном токе питания I_SUPPLY, который определяется значением процесса. В этом случае интерфейс 100 питания контура шины все еще может максимизировать доступную мощность.

Интерфейс 100 питания контура шины может использоваться с любыми шинами для подключения измерительных устройств, такими как FIELDBUS, PROFIBUS или HART шина, например. В этих приложениях цифровой сигнал связи может быть наложен на подаваемую электрическую мощность. Альтернативно, интерфейс 100 питания контура шины может использоваться для контура шины 4-20 мА, например, где выход электрического тока модулируется для генерации наложенного сигнала связи.

В некоторых вариантах осуществления интерфейс 100 питания контура шины может использоваться в средствах с требованиями по искробезопасности (IS). IS среда может содержать пары, газы, жидкости, пыль и т.д., что представляет опасность возгорания или взрыва. Следовательно, совместимая с IS шина ограничена по доступному току и/или напряжению, которое она может подавать.

Выгодно, что интерфейс 100 питания контура шины может максимизировать подаваемую электрическую мощность посредством максимизации как доступного напряжения, так и доступного тока. Это достигается при поддержании высокого входного импеданса. Интерфейс 100 питания контура шины будет по существу поддерживать напряжение питания V_SUPPLY над различными уровнями тока. Интерфейс 100 питания контура шины, следовательно, облегчает связь при доставке максимальной электрической мощности.

Интерфейс 100 питания контура шины реализует способ регулировки электрической мощности согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Интерфейс 100 питания контура шины принимает электрическую мощность от измерительной шины при напряжении контура V_LOOP и при токе контура I_LOOP, генерирует заданное напряжение питания V_SUPPLY из напряжения контура V_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY. Заданный ток питания I_SUPPLY связан с заданной характеристикой импеданса интерфейса питания контура шины.

Данный способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса 100 питания контура шины. Способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса 100 питания контура шины при поддержании по существу высокого импеданса. Способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса 100 питания контура шины путем максимизации заданного напряжения питания V_SUPPLY и заданного тока питания I_SUPPLY. Это достигается даже тогда, когда напряжение питания V_SUPPLY или ток питания I_SUPPLY могут быть ограничены значением процесса соответствующего устройства шины.

Способ может регулировать заданный ток питания I_SUPPLY для генерации сигнала связи. Способ может принимать вход регулировки импеданса и может генерировать заданный ток питания I_SUPPLY на основе этого входа регулировки импеданса.

Фиг. 4 показывает интерфейс 100 питания контура шины согласно некоторому варианту осуществления изобретения. Интерфейс 100 питания контура шины в этом варианте осуществления включает в себя модуль 110 регулировки напряжения, модуль 120 регулировки импеданса и обратную связь 115, как обсуждалось выше.

Модуль 110 регулировки напряжения в этом варианте осуществления включает в себя источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂, катушку индуктивности L₁, конденсаторы С₁ и С₂, диод D₁ и диод Зенера Z₁. Как обсуждалось ранее, заданное напряжение питания V_SUPPLY может содержать DC напряжение, которое выше, равно или меньше, чем DC напряжение контура V_LOOP. Компоненты конденсаторов, катушки индуктивности и диодов могут быть выбраны для достижения заданного напряжения питания V_SUPPLY.

Модуль 120 регулировки импеданса в этом варианте осуществления включает в себя операционный усилитель U₁, резистор R₁, вход напряжения V_I_set и транзистор Q₁. Операционный усилитель U₁ включает в себя входные контакты на резисторе R₁. Транзистор Q₁ смещается операционным усилителем U₁. Резистор R₁ принимает ток контура I_LOOP, и транзистор Q₁ принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY. Операционный усилитель U₁ выполнен с возможностью измерения напряжения на резисторе R₁, где напряжение генерируется электрическим током (т.е. I_LOOP), текущим через резистор R₁. Измеренный ток используется для регулировки напряжения затвора (G) транзистора Q₁. Изменение смещения напряжения затвора транзистора Q₁ изменяет импеданс сток-исток транзистора Q₁.

Вход напряжения V_I_set в некоторых вариантах осуществления содержит вход 106 регулировки импеданса фиг. 3. Линия 106 регулировки импеданса подключена к операционному усилителю U₁ и, следовательно, может регулировать напряжение смещения транзистора Q₁.

Транзистор Q₁ может содержать мощный транзистор. В показанном варианте осуществления транзистор Q₁ содержит полевой (FET) транзистор или полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET), такой как BSP 149 транзистор, доступный от Infineon Technologies AG. Однако любой подходящий транзистор может использоваться и находится в пределах объема описания и формулы изобретения.

Обратная связь 115 в этом варианте осуществления включает в себя транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи. Транзистор Q₂ смещается напряжением контура V_LOOP. Резистор R₂ цепи обратной связи подключен между транзистором Q₂ и землей. Резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F в цепи обратной связи от транзистора Q₂. Напряжение V_FB в цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимается входом FB обратной связи SMPS U₂. Когда фактическое напряжение питания V_SUPPLY увеличивается до значения выше целевого напряжения питания, напряжение смещения на базе транзистора Q₂ будет увеличиваться. Если напряжение на коллекторном переходе транзистора Q₂ (т.е. V_BC Q₂) становится выше чем 0,7 вольт, то ток I_FB положительной обратной связи будет течь через резистор R₂ цепи обратной связи на землю. Это в свою очередь вызывает увеличение напряжения на резисторе R₂ цепи обратной связи и последующее помещение более высокого напряжения в цепи обратной связи на штырек обратной связи (FB) SMPS U₂. В результате, напряжение питания V_SUPPLY будет уменьшено SMPS U₂. Наоборот, если фактическое напряжение питания V_SUPPLY падает ниже заданного напряжения питания, то напряжение в цепи обратной связи на FB штырьке уменьшится, и SMPS U₂ повысит фактическое напряжение питания V_SUPPLY по существу вплоть до того же самого уровня, что и заданное целевое напряжение питания V_SUPPLY. Транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи дают возможность SMPS U₂ по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

Изобретение может выгодно максимизировать доступную мощность в паре выходных контактов 102. Мощность может быть представлена следующим образом:

P=[V_LOOP-(V_BE Q₂)]·I_LOOP·(Е U₂) (1)

где (V_BE Q₂) - напряжение на эмиттерном переходе транзистора Q₂ и где (Е U₂) - эффективность переключения SMPS U₂. Член [V_LOOP-(V_BE Q₂)] содержит напряжение V_C1 на конденсаторе С₁ и равно напряжению питания V_SUPPLY.

В одном варианте осуществления транзистор Q₂ содержит биполярный плоскостной транзистор (BJT), такой как BC 859 транзистор, доступный от Fairchild Semiconductor Corporation. Однако следует понимать, что и другие транзисторы рассматриваются и находятся в пределах объема описания и формулы изобретения.

Интерфейс и способ питания контура шины согласно изобретению могут применяться согласно любому из вариантов осуществления для обеспечения нескольких преимуществ, если это желательно. Изобретение обеспечивает регулируемое электрическое напряжение. Изобретение обеспечивает регулируемый электрический ток. Изобретение обеспечивает высокий входной импеданс. Изобретение обеспечивает возможность регулировки тока. Изобретение обеспечивает возможность регулировки импеданса. Изобретение обеспечивает максимизируемую электрическую мощность.

Изобретение относится к интерфейсу и способу питания контура для шины подключения контрольно-измерительных приборов. Интерфейс (100) питания контура шины содержит модуль (110) регулировки напряжения, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY, модуль (120) регулировки импеданса, подключенный к модулю (110) регулировки напряжения, причем модуль (120) регулировки импеданса принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY, и обратную связь (115), связанную между модулем (110) регулировки напряжения и модулем (120) регулировки импеданса. Обратная связь (115) обеспечивает сигнал обратной связи для модуля (110) регулировки напряжения, что дает возможность модулю (110) регулировки напряжения по существу поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY. Технический результат - повышение стабильности электрических параметров. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерфейс (100) питания контура шины, содержащий
модуль (110) управления напряжением, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY;
модуль (120) управления импедансом, связанный с модулем (110) управления напряжением, причем модуль (120) управления импедансом принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY; и обратную связь (115), связанную между модулем (110) управления напряжением и модулем (120) управления импедансом, причем обратная связь (115) обеспечивает сигнал обратной связи для модуля (110) управления напряжением, что дает возможность модулю (110) управления напряжением, по существу, поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

2. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, в котором заданный ток питания I_SUPPLY, по существу, является фиксированным.

3. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, в котором заданный ток питания I_SUPPLY изменяют.

4. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, причем модуль (120) управления импедансом регулирует электрический импеданс в интерфейсе (100) питания контура шины.

5. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, причем модуль (120) управления импедансом дополнительно содержит линию (106) управления импедансом, причем линия (106) управления импедансом выполнена с возможностью управления заданным током питания I_SUPPLY и электрическим импедансом модуля (120) управления импедансом.

6. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, причем интерфейс (100) питания контура шины дополнительно содержит
пару входных контактов (101); и
пару выходных контактов (102);
где модуль (120) управления импедансом принимает ток контура I_LOOP от входных контактов (101), и где модуль (110) управления напряжением подключен к паре выходных контактов (102).

7. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, причем модуль (110) управления напряжением дополнительно содержит источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂.

8. Интерфейс (100) питания контура шины по п.1, причем модуль (120) управления импедансом дополнительно содержит
измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP;
операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁;
транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁ и принимающий ток контура I_LOOP, причем выход операционного усилителя U₁ управляет характеристикой импеданса транзистора Q₁ и управляет заданным током питания I_SUPPLY.

9. Интерфейс (100) питания контура шины по п.7, причем обратная связь (115) содержит
транзистор Q₂, который смещают напряжением контура V_LOOP; и
резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и землей, причем резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F цепи обратной связи от транзистора Q₂, где напряжение V_FB цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимают входом FB обратной связи SMPS U₂.

10. Интерфейс (100) питания контура шины, содержащий
источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY;
измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP;
операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁;
транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁, причем транзистор Q₁ принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY, причем выход операционного усилителя U₁ управляет характеристикой импеданса транзистора Q₁ и управляет заданным током питания I_SUPPLY;
транзистор Q₂, связанный с SMPS U₂, причем транзистор Q₂ смещают напряжением контура V_LOOP; и
резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и землей, причем резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F цепи обратной связи от транзистора Q₂, где напряжение V_FB цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимают входом FB обратной связи SMPS U₂, и где транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи дают возможность SMPS U₂, по существу, поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

11. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, в котором заданный ток питания I_SUPPLY является, по существу, фиксированным.

12. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, в котором заданный ток питания I_SUPPLY изменяют.

13. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, причем SMPS U₂ содержит модуль (110) управления напряжением.

14. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, причем измеряющий ток резистор R₁, операционный усилитель U₁ и транзистор Q₁ входят в состав модуля (120) управления импедансом.

15. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, причем транзистор Q₂ и резистор R₂ цепи обратной связи входят в состав обратной связи (115).

16. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, причем измеряющий ток резистор R₁, операционный усилитель U₁ и транзистор Q₁ регулируют электрический импеданс в интерфейсе (100) питания контура шины.

17. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, дополнительно содержащий линию (106) управления импедансом, выполненную с возможностью управления заданным током питания I_SUPPLY и электрического импеданса модуля (120) управления импедансом.

18. Интерфейс (100) питания контура шины по п.10, дополнительно содержащий линию (106) управления импедансом, связанную с операционным усилителем U₁, причем линия (106) управления импедансом выполнена с возможностью управления напряжением смещения транзистора Q₁.

19. Способ управления электрической мощности в интерфейсе питания контура шины, содержащий
прием модулем управления напряжением электрической мощности от инструментальной шины при напряжении контура V_LOOP и токе контура I_LOOP;
генерирование модулем управления напряжением заданного напряжения питания V_SUPPLY из напряжения контура V_LOOP; и
генерирование модулем управления импедансом заданного тока питания I_SUPPLY, причем заданный ток питания I_SUPPLY связан с заданной характеристикой импеданса интерфейса питания контура шины; и
обеспечение модулем управления импедансом сигнала обратной связи для модуля управления напряжением, что дает возможность модулю управления напряжением, по существу, поддерживать заданное напряжение питания V_SUPPLY.

20. Способ по п.19, причем это способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины.

21. Способ по п.19, причем этот способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины при поддержании, по существу, высокого импеданса.

22. Способ по п.19, причем этот способ максимизирует электрическую мощность, доступную для интерфейса питания контура шины посредством максимизации заданного напряжения питания V_SUPPLY и заданного тока питания I_SUPPLY.

23. Способ по п.19, дополнительно содержащий регулировку заданного тока питания I_SUPPLY для генерации сигнала связи.

24. Способ по п.19, дополнительно содержащий
прием модулем управления входного сигнала управления импедансом; и генерирование модулем управления напряжением заданного тока питания I_SUPPLY на основе этого входного сигнала управления импедансом.

25. Способ по п.19, причем интерфейс питания контура шины содержит
модуль управления напряжением, принимающий напряжение контура V_LOOP и генерирующий заданное напряжение питания V_SUPPLY;
модуль управления импедансом, связанный с модулем управления напряжением, причем модуль управления импедансом принимает ток контура I_LOOP и генерирует заданный ток питания I_SUPPLY.

26. Способ по п.25, в котором заданный ток питания I_SUPPLY является, по существу, фиксированным.

27. Способ по п.25, в котором заданный ток питания I_SUPPLY изменяют.

28. Способ по п.25, причем модуль управления импедансом дополнительно содержит линию управления импедансом, причем линия управления импедансом выполнена с возможностью управления заданным током питания I_SUPPLY и электрического импеданса модуля управления импедансом.

29. Способ по п.25, причем модуль управления напряжением дополнительно содержит источник питания с режимом переключения (SMPS) U₂.

30. Способ по п.25, причем модуль управления импедансом дополнительно содержит
измеряющий ток резистор R₁, принимающий ток контура I_LOOP;
операционный усилитель U₁, включающий в себя входные контакты на измеряющем ток резисторе R₁;
транзистор Q₁, смещаемый операционным усилителем U₁ и принимающий ток контура I_LOOP, причем выход операционного усилителя U₁ управляет характеристикой импеданса транзистора Q₁ и управляет заданным током питания I_SUPPLY.

31. Способ по п.25, причем обратная связь содержит
транзистор Q₂, который смещают напряжением контура V_LOOP; и
резистор R₂ цепи обратной связи, подключенный между транзистором Q₂ и землей, причем резистор R₂ цепи обратной связи принимает ток I_F цепи обратной связи от транзистора Q₂, где напряжение V_FB цепи обратной связи на резисторе R₂ цепи обратной связи принимают входом FB обратной связи SMPS U₂.