[發明專利]低功耗輸入電路

有效

• 申請號: 201610211132.8
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN106054999B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 約瑟夫·瓦扎奇;特里·德洛里亞
• 申請（專利權）人: 洛克威爾自動控制技術股份有限公司
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 王萍,李春暉

對相關申請的交叉引用

本申請要求美國臨時申請62/143,286的權益，該美國臨時申請在2015年4月6日提交，并通過引用合并于此。

技術領域

本發明涉及工業控制系統，并且特別地涉及用于工業控制系統的I/O模塊，這些I/O模塊提供降低的功耗以及更緊湊的形狀系數。

背景技術

工業控制系統初始被開發為用于對工廠中的設備提供控制邏輯，這些設備進行操作以在裝配線上或在批處理中生產產品。早期的工業控制系統利用對繼電器進行模擬但使用編程語言的專用電路來代替繼電器機架。

目前的工業控制系統使用現代的電子計算機處理器和電路來繼續這一進展，但與標準計算機的區別可能在于下述架構：該架構提出了對于高穩定性、安全性和對環境破壞和普通污染的抵抗性的要求。后者的關注一般意味著工業控制系統部件被設計成不具有冷卻風扇或用于與外界空氣連通的端口，從而使得低散熱非常重要。

工業控制系統必須在高度多樣化的制造應用中工作。出于這一原因，工業控制系統通常使用模塊化構造形式，其中，一個或多個模塊化控制器與本地或遠程的I/O模塊以及在控制器與驅動工業處理的制動器和傳感器的硬件之間提供實際接口的其他控制裝置進行協作。

一種類型的輸入I/O模塊作為接口進行操作，以從傳感器等接收輸入信號，該傳感器提供指示低狀態的第一電壓范圍內輸出電壓以及指示高狀態的第二電壓范圍內的輸出電壓。通常，可以通過0伏與10伏之間的輸入電壓代表低狀態，并且可以通過10伏至32伏之間的輸入電壓代表高狀態。

防止源于所控制的設備或處理中的高電壓損壞工業控制系統是很重要的。出于這一原因，I/O模塊通常包括隔離器。一種可能的隔離器是光隔離器(光隔離器/光耦合器)，其提供與光電檢測器(例如光電二極管)絕緣并且電隔離的電致動的光源(LED)，其中該光電檢測器與工業控制系統的剩余部分通信。光隔離器提供良好的共模抑制(即，取消出現在I/O模塊的輸入側和地面二者之上的噪音)，并且保護工業控制系統免于可能意外地施加到該I/O模塊的輸入的極大電壓輸入。

附接到I/O模塊的不同裝置可能具有不同的輸出電壓范圍，其中高狀態電壓具有從低如5伏到30伏或更高的范圍。適應于該電壓范圍而不超出光隔離器的電流容量的一種方法是使用串聯限流電阻器。這種方法可能對于不同的輸入電壓范圍需要不同的限流電阻器，并且因此對于不同的應用需要制造多個I/O模塊。

一個替選方式在被授予Bavol的美國專利6,043,703中公開，該專利轉讓給本發明的受讓人并且通過引用合并于此。在該專利中，在I/O模塊的一個輸入和光耦合器的光源之間布置有基于晶體管的串聯限流器，以在寬輸入電壓范圍上限制到光耦合器的電流。串聯電流的這一激活調節允許單個I/O模塊在寬輸入電壓范圍上工作。

重要的是，光隔離器不被來自串聯限流器的泄露電流所激活。為了確保這一結果，通常使用特別選擇的或指定的光隔離器以具有相對更大的激活電流。

發明內容

本發明人認識到，可以通過提供“更平的”電流調節來獲得散熱的明顯下降，其中可經由使用高增益比較器類型的調節器系統來提供上述“更平的”電流調節。通過降低隨著輸入電壓上升的電流上升，功耗的增長與電壓(電壓降乘以電流)的平方關系可被降低為功耗的成比例增長，從而實質上降低典型功耗。

本發明人還認識到，指定或選擇具有高電流激活的光隔離器的需要不利地增加了產品中耗散的功率，例如可能趨向于抵消由改進的電流調節所提供的下降的功耗。因此，本發明還提供光隔離器旁路電路，其使泄漏電流繞過光隔離器而分流(否則該泄露電流將通過串聯電流調節器)，從而允許使用低功耗光隔離器并對于光隔離器的選擇提供更高的靈活性。

因此，在一個實施例中，本發明提供了一種用于工業控制器的輸入電路，其具有輸入端子，所述輸入端子用于接收感測電壓以及提供所述輸入端子之間的電流路徑；并且該輸入電路也具有隔離器，所述隔離器具有沿著所述輸入端子之間的電流路徑串聯連接的隔離器輸入，以使得所述輸入端子之間的第一方向上的電流激活所述隔離器。激活限流器沿著所述電流路徑而與所述隔離器輸入串聯布置，以限制通過所述隔離器輸入的電流；并且，所述激活限流器提供比較器，所述比較器將與所述隔離器輸入串聯的感測電阻器的電壓降與固定的電壓基準相比較，以用于控制晶體管，該晶體管控制通過所述隔離器輸入的串聯電流。

因此，本發明的至少一個實施例的特征是在I/O電路中提供高度穩定的限流以實質上降低功耗。