CN101730968B - 用于功率收集的输入调节式dc-dc转换器 - Google Patents
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Abstract
一种收集具有生成电流的电源的电路中的功率的方法，包括：将具有输入端子对和输出端子对的功率收集设备通过所述输入端子对连接到所述电路；动态调节所述功率收集设备的输入端子对之间的电压降。从流经所述功率收集设备的第一输入端子对的电流，获取在调节电压降处的可用电能；并且在所述功率收集设备的输出端子对处提供所获取的电能。
Description
对相关申请的交叉引用
本申请要求以下于2007年6月15日提交的题目为“Input Regulated DCto DC Converter for Power Scavenging(用于功率收集的输入调节式DC-DC转换器)”的美国临时申请No.60/944,454(代理机构案号No.06005/561853P)的权益，该申请的公开内容特地通过引用合并于此。
技术领域
本申请总体涉及电压和功率转换电路，更具体地说，涉及用于调节DC-DC转换器的输入电压的方法和装置。
背景技术
在多种应用中使用DC-DC转换器产生调节电压。以增压转换器或升压转换器为人所知的某些转换器在输出端子处生成比输入端子处可得的电压高的电压。反之，减压转换器在输出端子处生成较低的电压。本领域已知的DC-DC转换器通常通过专用开关电路对流经电感器的电流的时序和方向进行控制而操作。具体来说，这些转换器响应于由转换器输出端子处的反馈电路所检测到的电压而循环地改变电感器累积电能然后释放电能的时间段。由于典型的DC-DC转换器仅根据输出电压而操作，因此转换器按照需要从输入端子汲取尽量多的功率，以便在输出端子处产生调节电压。例如，为了给负载提供恒定的电压，典型的DC-DC转换器会根据负载的需求而从输入端子汲取较多或较少的功率。这种特点使得可用DC-DC转换器不适宜于一些需要电压转换的应用，
具体来说，在收集电路中可能需要电压转换。在诸多工业和家庭应用中，由电源和一个以上用电设备组成的电流回路包括用于将电流回路的一部分功率导向次级负载的附加电路。从主电路获取功率的过程经常被称作“收集(scavenging)”，因此执行该操作所需的电路被称作“功率收集设备”。在某些情况下，收集设备甚至可从除了电路系统之外的其它源，例如阳光，获取功率。在其它情况下，收集设备以主电路的多余的或未使用的电能为目标，以便给较小的负载供电。
例如，收集设备可以用在过程控制工业中广泛使用的4-20mA电流回路中，以在现场设备与分布式控制系统即DCS之间传播模拟信号。一般而言，诸如阀、阀定位器或开关之类的现场设备通过检测4-20mA范围内的DC电流来处理控制信号。类似地，用于测量过程参数的诸如压力传感器、流量传感器或温度传感器之类的现场设备生成4-20mA范围内的信号，并通过专用线路对将这些信号传播到DCS。在某些情况下，期望使用4-20mA回路的功率中的一些功率给诸如无线收发机之类的附加设备供电。同时，期望对用于从4-20mA回路中汲取功率的收集电路两端的电压降进行限制，从而使收集电路不对电流回路有所干扰，更具体地说，不对DCS与现场设备之间的信号传输产生干扰。
不幸的是，可用DC-DC转换器并不对它们的输入端子之间的电压进行调节。为了输出恒定的电压，这些转换器在输入端子处消耗必需的功率，这有时可能导致输入端子之间产生多余电压降。因此，为了在4-20mA电路中或在以改变回路电流为特征的任意其它环境中调节输入电压和安全地收集功率，本领域已知的DC-DC转换器需要附加线路。例如，专用模拟电路可限制转换器的输入端子处的电压。然而，该限制电路可能只会浪费有用功率。类似地，并联的分路电路能够控制极限电压，但是也会通过电阻器耗散功率。另一方面，反馈电路可用于打开或关闭收集电路，或者换句话说，对电路进行“脉冲”操作，但是这种方法会生成可能干扰电流回路中的信号传输的低频噪声。
进一步，本领域已知的转换器并未提供一种获取输入处可用的附加功率的有效手段。例如，消耗相对较小功率的收集器负载将致使收集设备在输入端子处汲取必需量的功率，而不考虑电流回路的实际能力。就像输出端子处的功耗可能多余并可能扰乱电流回路一样，消耗过少的功率是不被期望的，这是因为这种方法不能有效地利用电流回路。此外，可能存在供应电流显著下降并且收集器负载无法接收到足够功率的情况。在这些情况下，显然期望获取在输入处可用的额外功率，并通过使用诸如超电容器之类的传统装置对其进行保存，以在到收集器电路的输入功率不充足时使用所保存的功率。
更进一步，可用的DC-DC转换器不能控制流经转换器的电流的变化率，因此无法提供一种控制AC阻抗的方式。同时，在某些应用中，期望提供串联阻抗，以便信号能够在电流回路中被有效调制。例如，HART通信协议可通过将信号调制在4-20mA电流上而在遗留布线上通信。由于调制需要一定的最小阻抗以有效地工作，因此低阻抗电流回路上的调制浪费大量的电能。
最后，在可变电流环境下的收集设备中使用已知的DC-DC转换器不能提供期望水平的操作安全性。具体来说，收集设备可以将所收集的功率送到诸如电容器之类的储存设备。在故障状况下，电容器可能将功率释放回输入端子，从而在该电流回路中制造安全威胁。在易爆炸的环境中，由储存设备释放的能量可能会触发爆炸。尽管通过放置若干个串联的二极管来代替转换器中通常使用的一个二极管使安全性得到改善，但是这种方法会大大恶化电路的操作。此外，DC-DC控制器内部的短路也会造成这种问题，进而提供将能量转移回输入端子的另一条通道。
发明内容
一种收集电流回路中的功率的方法，包括：与电源和功耗设备串联地插入收集设备，调节该收集设备的输入端子之间的电压降，并在输出端子处提供来自受控电压降和回路电流的可用功率。具体来说，收集设备两端的电压降可借助于生成输入电压信号的反馈电路和使用输入电压信号来控制电感器充电和放电的时序的调节器电路来调节。该调节器电路可以是传统的DC-DC转换器，也可以是具有若干个诸如比较器之类的离散部件的电路。
一方面，电源是可变电流或电压源。另一方面，收集设备是使用反馈电路系统调节输入电压的DC-DC转换器。在一个实施例中，输入调节式DC-DC转换器维持输入端子之间的基本恒定的电压。在另一实施例中，输入调节式DC-DC转换器进一步包括在输出端处的用于阻止能量在故障状况下被转移回输入端子的隔离变压器。在这个方面，隔离变压的使用提高了收集设备的本质安全。在又一实施例中，输入调节式DC-DC转换器进一步提供线性滤波功能，从而增加电流回路中的阻抗，进而允许在回路两端进行调制。
附图说明
图1是用作功率收集设备的输入调节式DC-DC转换器可被用来获取多余功率的电路的示意图。
图2是输入调节式DC-DC转换器的示意图。
图3是示出一种可能的电路配置中的输入调节式DC-DC转换器的电气图。
图4是具有与电流反相关的电压降的输入调节式DC-DC转换器的电气图。
图5是由符合实施例之一的转换器调节的示例性输入电流和电压波形的图示。
图6是具有用于本质安全(IS)能量限制的隔离转换器的输入调节式DC-DC转换器的电气图。
图7是具有积分滤波特性的输入调节式DC-DC转换器的示意性表示。
图8是包括HART通信电路的具有积分滤波特性的输入调节式DC-DC转换器的电气图。
具体实施方式
图1是其中输入调节式功率收集设备可用于从电流回路中获取多余功率，并将多余功率送往负载、存储设备或这两者的系统的示意图。如图1所示，电流回路或电路10包括分布式控制系统(DCS)12、现场设备14以及与现场设备14串联连接的功率收集设备16。图1中示出的这些及其它电路元件以有线方式相连接。
在操作中，DCS 12和现场设备14以不可预知的方式向实现为输入调节式DC-DC转换器的收集设备16发送或从收集设备16接收4-20mA的模拟信号。换句话说，从收集设备16的角度来看，回路10中的电流可以在4-20mA的范围内不可控地随时间变化。功率收集设备通过输入端子对18串联连接到回路10，该对18中的一个触点直接连接到DCS 12的正端子，另一触点直接连接到现场设备14的正输入端。然而，收集设备16可改为连接到DCS12和现场设备14的相应负端子。在操作中，功率收集设备16产生输入端子18之间的调节电压降。收集设备16可将该电压维持在恒定水平，从而随着流经收集设备16的电流线性地改变输入端子18处的功耗。然后收集设备16可将从输入端子18获取的功率转移到连接到收集设备16的输出端处的一个或多个设备或电路。在另一实施例中，收集设备16可根据流经收集设备16的电流调节输入电压。具体来说，当通过收集设备16的电流减少时，收集设备16可增加输入端子18之间的电压降。
由收集器供电的负载20可通过输出端子对22连接到功率收集设备16。收集器负载20可以是消耗恒定功率或可变功率的任何类型的设备。例如，收集器负载20可以是以恒定功耗为特性的简单电元件，例如发光二极管(LED)，也可以是具有变化的功率需求的复杂设备，例如无线电收发机。还应当理解，尽管图1中仅示出一个由收集器供电的负载，但是功率收集设备16可向多个具有不同功耗特性的负载供电。
收集设备16还可连接到功率储存器24。功率储存器24可以是例如单个超电容器、包括若干个并联连接的电容器的相对复杂的电路或本领域已知的存储功率的其它装置。本领域技术人员将意识到，因为电容器两端的电压将随着电流到达该电容器而增加，因此电容器可用作功率储存设备。高密度电容器或超电容器能够存储大量电荷，因此可优选作为功率储存设备。
另外，可调分路调节器26可连接在输出端子22对之间，与由收集器供电的负载20以及功率储存器24并联。分路调节器22可用于在由收集器供电的负载20未消耗在输出端子22处可用的所有功率时耗散掉不必要的功率。如果没有提供功率储存器24，则分路调节器26可能是必需的。在其它实施例中，可以优选在回路10中根本不使用分路调节器，而是将来自输出端子22的所有多余功率保存到功率储存器24中。可调分路调节器26可采用本领域已知的任何方式来实现，例如利用齐纳二极管和电阻器来实现。
作为又一选择，电容器28可连接在输出端子22之间，以滤出输出电压。由于功率收集设备16的输出不被调节，因此电容器28可用于特别是在电路10中存在由收集器供电的负载20时平滑输出电压。在这个意义上，电容器28可以是后调节电路的一部分。然而，如果功率收集设备16将功率主要供应给功率储存设备24，则电容器28可能不是必需的。事实上，如果输出端子22处的功率被转移到功率储存器24，则端子22的输出处的未调节的方面可能是实际期望的。
同时，利用连接在输入端子18之间的输入滤波电容器30，功率收集设备16可用于滤除输入噪声。本领域技术人员将意识到，在任何DC-DC电路的输入处都需要输入滤波电容器。输入滤波电容器30的电容是在功率收集设备16中使用的DC-DC转换器的工作频率的函数。另外，输入端子18之间的电压可以被箝位，以防止收集设备16的故障中断回路10中的电流流动。例如，齐纳二极管32可用于确保在输入端子18之间的电压上升到特定极限之上时，二极管会击穿，并且电流会向4-20mA现场设备14的方向流动。本领域普通技术人员将意识到，所述极限由所选二极管的物理特性确定。
电容器28和30、分路调节器26和齐纳二极管32可包括在功率收集设备16中。根据试图应用的领域，功率收集设备可适于借助于分路电路26调节输出电压或将所有可用的功率引到功率储存设备24。预期到，具有根据期望应用省略了图1所示的某些部件和添加了某些附加部件的若干种配置可放入特定用途集成电路(ASIC)。可替代地，收集设备26可作为分立的ASIC被提供，其可用在这里讨论的任何结构中。作为又一替代，功率收集设备的电路中的某些部分可制造成与传统的DC-DC转换器协同工作的独立芯片。
图2更详细地示出功率收集设备16。根据图1中示出的线路图，电流在输入端子对18的正端子40处进入功率收集设备16，并通过负端子42离开。在经由正端子40进入之后，电流流向电感器44的正端子。另外，电流的相对较小的部分流向输入调节电路46。通过正端子40进入和通过负端子42离开的电流的量相同或基本相同。同时，根据本公开内容的教导实现的且在下面详细讨论的电路系统在端子40和42之间维持调节的压降。例如，在4-20mA电流回路中使用的收集设备的端子40和42之间的电压降可以维持在恒定的1V。
再次参见图2，升压DC-DC控制器50调节电感器44累积电流的时间量。控制器50可以是诸如On Semiconductor NCP 1421之类的成品芯片，或者是从若干分散的IC元件组装的能够执行高频开关功能并根据反馈信号调节开关电路的占空比的电路。具体而言，控制器可以使用一个或多个例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来快速打开和关闭电连接。控制器根据控制器中所使用的振荡电路元件的参数并根据诸如电流或电压之类的反馈信号来调节打开连接和关闭连接之间的时序。就这一点来说，控制器50可以向功率收集设备16的电路系统提供具有受控占空比的脉宽调制(PWM)。应当理解，开关功能还可以通过使用分散半导体、OTS集成电路或本领域中已知的其它元件和材料来实现。
如图2所示，控制器50配备有开关管脚52、反馈管脚54、输出管脚56和接地管脚58。应当认识到，控制器50可具有另外的输入，而不限于以上列出的四个管脚。如图2所示，开关管脚52电连接到电感器44的负端子，输出管脚连接到输出端子22中的一个端子，接地管脚52电连接到端子对22的另一端子和负输入端子42。此外，反馈管脚54连接到输入调节电路46的输出端。
在操作的各个周期期间，控制器50首先将输入引到开关管脚52至接地管脚58。当管脚52和58相连时，电感器44中形成电流。接下来，控制器50将管脚52和58断开。电感器44中磁场的衰落将电流从电感器44推向输出端子对22的正极侧。再次参见图2，电感器44的负端子可连接到开关管脚52，并经反激式(flyback)二极管60连接到输出端子对22的正极侧。反激式二极管60优选是肖特基二极管，但也可以是其它类型的二极管。反激式二极管60为电感器44的输出提供同步整流。然而，如果控制器50已经能够进行同步整流，则可不需要反激式二极管。
再次参见图2，在端子40处进入收集设备16的电流的一些电流被引到输入电压调节电路46。该电路46可生成表示输入端子40处的电流的强度的电压信号。控制器50使用由调节电路46生成的信号，从而选择性地增加或减少在输出端子对22处产生的功率。例如，控制器50可响应于由电路46检测到的电压电平而增加脉冲的占空比，从而降低端子对18之间的输入电压。下面更详细的讨论电路46的实现。
图3示出功率收集设备70的一个可能的实施例的电气图。在该配置中，功率收集设备70合并了将电压箝位在期望电平的二极管32以及输入滤波器30。重要的是，在图3描绘的配置中，输出电压由分路26控制。如以上所指示的，若输入调节式DC-DC转换器用于为需要恒定电压的负载供电，那么这种配置可能是有用的。分路26将消耗掉多余功率，并确保功率负载不会接收到比所需要的功率更多的功率。
输入电压调节电路46包括运算放大器72以及电阻器74和76。放大器72可在同相输入端处使用基准电压78，在其反相输入端处使用可变电压，以控制端子40和42之间的输入电压与供给反馈管脚54的电压之间的关系。本领域技术人员将认识到，电阻器74和76的值可根据期望的电压降来选择。如以上所讨论的，在典型的4-20mA回路中，例如在过程控制工业中使用的4-20mA回路中，收集单元16或72两端的1V的电压降通常是可容许的。类似地，分路26中使用的电阻器78和80可根据期望的电压输出来选择。
图4示出可用于功率收集的输入调节式DC-DC转换器的另一预期实施例。功率收集电路90可包括以上讨论的功率收集设备70的大多数元件。另外，功率收集电路90可以以比收集设备70更有效和更实用的方式来调节输入电压。具体来说，当回路10中的电流较低时，控制回路10可能会经历诸如现场设备14之类的各种电路元件两端的较低的电压降。例如，在为过程控制工业中使用4-20mA电路的情况下，DCS 12将在其生成4mA信号时“看到”回路两端的较低的电压降，相反，当模拟信号更接近或处于20mA的水平时，DCS 12将看到较高的电压降，类似地，当现场设备生成而非接收4-20mA信号时，诸如设备14之类的现场设备通常将看到DCS 12两端的较低或较高的电压降。因此，在较低的回路电流下，回路10可容许收集电路16、70或90两端的较大的电压降。
图4中所示的功率收集设备90在较低的输入电流通过端子40进入收集设备90时从输入端子对18汲取比例如收集设备70更多的功率，原因在于，设备90使端子对18之间的电压下降更多。很明显，在由收集器供电的负载20具有高的功率需求时，可能期望该特征。具体而言，包括放大器72、增益限制元件或电阻器92和电阻器94-100的调节电路91对端子对18之间的电压进行调节，从而使输入电压随着电路91所检测到的输入电压成反比而变化。元件92-100以及基准电压102以在输入电流较大时生成较大的从调节电路91到反馈管脚54的反馈信号的方式来选择和连接。就这一点来说，收集设备90利用了调节电路91的负性阻抗。因此，响应于反馈管脚54处的较大的信号，控制器50会减小PWM的占空比，从而减小泵浦到输出端子22的功率量。与功率收集设备16和70类似，收集设备90在不考虑收集设备90的输出的情况下对输入电压进行调节。
应当进一步理解的是，供给反馈管脚54的输入电流电压之间的反比关系可以通过本领域中已知的其它手段来实现。例如在图4所示的实施例中，由于从收集设备90返回到输出端子42的电流必然流经电阻器100，因此电阻器100可以充当输出电流传感器。然而，检测电流的任意已知手段均可以类似地用于调节控制器50的反馈管脚53，从而改变收集设备90所汲取的功率量。
一般而言，期望考虑最大容许电压降来选择电路元件参数。例如，如果计划在过程控制工业中使用收集设备90，则应谨慎地根据20mA处的容许电压降来选择电阻器92-100的阻值。图5示出连接在4-20mA回路中的功率收集设备90输入端处的作为时间的函数的示例性输入和电压。具体来说，波形110可以是流经输入端子40的电流，而波形120可以是输入端子对18之间的电压。两个波形都是针对例如秒的相对较长的时间范围示出。如图5中所示，输入电压与输入电流之间的反比关系确保波形20看起来像是波形110的镜面反射。还应当理解，波形120可以看起来相对于波形110有微秒或甚至是纳秒数量级的延迟。收集单元90将电压降仅作为输入电流的函数维持在1-2V的范围内，而与输出端子22处的电压或功率需求无关。
任意收集设备的操作的另一期望方面是安全，具体来说是很多产业中接受的本质安全(I.S.)标准。一般来说，与设备相关联的鉴定会给出该设备的具体能量极限。例如，手持HART通信装置被限制在Voc＜＝2V且Isc＜＝32mA，其中Voc是通信装置两端的最大电压，而Isc是允许通过通信装置的最大电流。由于向HART通信电路提供功率是功率收集应用的高可能领域，因此与HART通信装置相关联的I.S.标准可以用作设计在4-20mA中使用的安全收集设备的指导方针。
如以上所讨论的，本领域中已知的升压DC-DC转换器可能从输入端子汲取过多的功率，进而干扰从其收集功率的电路的操作。这种类型的干扰可能妨碍设备接收功率或接收通过该电路传播的信号。一方面，传统的DC-DC转换器在故障状况下还可能无法容纳收集的功率，并通过将能量释放回电路中而损坏电路，在由收集器供电的负载是电容器或是类型的功率储存设备的情况下尤其如此。这种类型的故障比从电路汲取过多的功率更危险。如果在例如过程控制工业中使用，则至少由于4-20mA回路可能连接爆炸性或其它危险的设备，因此传统的升压DC-DC转换器会伴随高的操作风险。这样，回路电流中的突然的尖峰会引起火花，从而触发爆炸。然而，通过任意传统手段来符合以上所讨论的安全标准会不可避免地降低升压DC-DC转换器的功率效率。
由于与这里所公开的实施例一致的输入调节式变压器极适合于为功率储存设备获取功率，因此符合本质安全(I.S.)限制就清楚地成为这种变压器的实施中的关注点。图6示出在电流回路10中用于功率收集的隔离的输入调节式DC-DC变压器150。DC-DC变压器或功率收集设备150借助于隔离变压器155提供故障能量限制。重要的是，隔离变压器155可以在保证操作完全性之外有效地替代电感器44。同时，诸如与反馈调节器46协作的控制器50之类的开关电路可以以与图3的实施例相同的方式来生成PWM脉冲，而不管是给电感器44还是给隔离变压器155供电。布到收集设备150电路侧157的变压器线圈可以用于在开关管脚52切换到接地管脚58时来累积电流，同时在连接至负载侧159的线圈中感应相反的电流。换句话说，隔离变压器155可以被当作具有附加的静电屏蔽功能的电感器。
返回参见图3，在由反激式二极管60引起故障状况时，存在从输出端22返回到输入端18的直接放电路径。另外，控制器50的内部电路可以类似地在输出端22与输入端18之间建立实质上无阻值的路径。比较而言，图6中所示实施例的隔离变压器155阻止能量被转移回输入端18。本领域技术人员应当理解，隔离变压器可以被认为对于所有的实际目的都是无故障的，只要选择了具有相应铁芯饱和特性的合适的变压器。
进一步地，可以选择隔离变压器155的线圈比率来额外地提供特定应用中期望的电压变换。因此，隔离变压器155可以提供控制输出电压的有效手段，而不是使用附加的电路来调节供应给功率负载的电压。此外，如果在具体应用中需要的话，还可以将变压器构建为具有多个绕组，以便提供多个输出。
应当进一步理解，不一定要在供应电路侧157与负载侧159维持绝对的隔离。具体来说，反馈电压或功率信号可以从负载侧159供应到供应侧157，用于参考或附加调节的目的，只要跨隔离边界的连接包括足够大小的可靠电阻器。而且，限制前向方向上，或者从供应侧157到负载侧159的方向上，通过变压器转移的功率可能还是必需的。这些限制可以帮助实现对反方向上转移的功率的期望限制。尽管在图6中没有示出实现这些功能的元件，这里也应当注意到，这些前向限制可以通过在供应侧157上连接至变压器输入端处的分路调节器来实现。
继续参考图6，可以附加地在输入端子18之间连接箝位二极管162，以限制功率收集设备150的输入端处的电压，从而为了I.S.目的而建立在故障状况下的最大电压。本领域技术人员应当理解，箝位二极管162在收集设备150的正常操作模式下不会对设备150产生影响。
图7示出使用输入调节式DC-DC转换器的功率收集设备的另一实施例。这里，除参考图1所讨论的DCS 12和现场设备14之外，电流回路200还包括HART通信装置202。HART调制器202跨现场设备14并与现场设备14并联连接，以便对跨现场设备的电压进行调制。正如本领域中所已知的，对电路的电压进行调制的能力依赖于该电路的阻抗。具体来说，低阻抗的电路需要调制电路消耗较大的能量。同时，DCS 12可以是具有极低阻抗的电池，因而典型的4-20mA电流回路不会对HART通信有益。因此，期望增加回路200的阻抗。此外，期望在不使用诸如电感器之类的传统装置的情况下符合该目标，原因在于电感器会对有用的功率也进行分路。因此，尽管可以使用电感器增大回路200的阻抗，但是无法从回路200收集足够的功率对HART通信电路202进行供电。
根据以下所示的实施例，功率收集设备16除了给负载20提供功率之外，还呈现为与现场设备14串联连接的虚拟电感器204。虚拟电感器204并不是与功率收集设备16分离的物理设备。相反，收集设备14的特定实施例将设备14对于电路200呈现为电感器，从而使HART通信电路202可以对电路200的线路上的信号进行调制。另外，电容器206提供滤波功能，以便平滑电流中可能会对HART通信造成干扰的突变。
图8中示意性示出的功率收集设备250以控制流经功率收集设备250的电流的变化率的方式操作，从而建立AC阻抗。另外，功率收集设备250减小噪声水平，并且确保电路200对于电压调制有是利的，具体来说是对HART通信有利。如图8中所示，功率收集设备可以对HART通信电路252进行供电，并且在该特定的实施例中，可以包括作为集成元件的HART通信电路252。
如图8所示，电容器206与现场设备14并联连接，以便滤出回路噪声。然而，电容器206不必需是收集设备250的一部分，而是可以如图7中所示那样单独提供。另外，输入噪声滤波器254与DCS 12和现场设备14并联连接。与这里所讨论的其它实施例类似，输入噪声滤波器254的选择是控制器50的操作频率以及输入端子18处可允许噪声幅度的函数。例如，在具有～1V可允许电压降和～3V的向收集器负载的电压输出的4-20mA电路回路中，可以用1μF的电容器作为输入滤波器254。然而，本领域技术人员应当理解，在该实施例和其它实施例中，输入滤波器254还可以相当大。
反馈电路255以与图3中所示的反馈电路46极其相似的方式工作。然而，反馈电路255另外还包括电容器256，电容器256有效地将表示进入收集设备250的电流的信号耦接到放大器72的反相输入端。该配置提供对通过收集设备250并进入现场设备14的电流258的变化率进行限制的动态特性。另外，电容器206中的能量储存与通过收集设备250的受限的电流变化率结合，来提供可以将HART通信电路252的通信隔离的过滤功能。通过收集设备250的受限的电流258的变化率另外还针对回路电流充当串联阻抗。
功率收集设备250还可以借助于例如击穿二极管通过对设备250输入端子处的电压进行箝位而得到进一步改进。此外，与图6中所示的变压器155类似的隔离变压器也可以代替电感器44来提供I.S.能量限制。代替电感器44使用的隔离变压器可以进一步包括适于调节输出电压的线圈配置。本领域技术人员应当理解，图1-图8中所示实施例的各个方面可以结合在一起实现各种应用目标。
另外，收集设备250可以提供多个输出，并且可以通过使用例如分路调节器将各个输出电压维持在不同的水平。图8示出分路调节器26的典型配置，其中分路调节器26可以耗散向连接至输出端子对260的功率负载提供的多余功率。由于输入调节式DC-DC转换器在给定的输入端处以调节的电压降获取可用功率，因此需要附加的电压调节器给由收集器供电的负载提供调节电压。可以预期，图8中所示的实施例可以给无线收发机以及HART通信电路提供功率。另外，多余功率可以储存在例如设备24的功率储存设备中，而不由分路调节器耗散。
可以进一步预期，收集设备250的滤波功能是可选的。通过在不需要滤波功能的时候关闭滤波功能，设备的用户可以找到这里所讨论的收集设备的附加应用。
通常对于这里讨论的实施例，所有的相关电路系统都可集成在ASIC中，以减少电路面积，并允许对电路参数进行更好的控制。另外，尽管可使用现有的升压DC-DC控制器，但是也可使用离散部件或本领域已知的任何方式构造控制器。类似地，这里讨论的实施例中使用的电感器或变压器可被提供在具有控制电路系统的整体封装中。还预期到，为电路提供调节功能的电阻器及其它部件可采用可调形式提供。可替代地，可将封装设计为便于拆除和替换诸如电流传感器、反馈电压调节器以及具有特定应用值的其它部件之类的部件。应当进一步注意到，尽管这里讨论的实施例很大程度上与4-20mA电流回路和HART通信相关，但是相同的概念可被应用以类似地使能诸如Fieldbus之类的其它通信方案。
尽管已经参照仅仅意在例示而不在限制本发明的特定示例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可对所公开的实施例作出改变、增加和/或删除，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (35)
1.一种收集包括(i)电源和(ii)功耗设备的电路中的功率的方法，其中所述电源生成在4-20mA内变化的电流，以限定用于控制所述功耗设备执行过程控制功能的信号传输，该方法包括：
将具有输入端子对和输出端子对的功率收集设备通过所述输入端子对连接到所述电路；
通过利用所述功率收集设备的电压调节器来动态调节所述功率收集设备的输入端子对之间的电压降；
从流经所述功率收集设备的输入端子对的检测电流，获取在调节电压降处的可用电能，包括基于所述检测电流来控制所获取的电能的量，以便对所述电源和所述功耗设备之间的、用于控制所述过程控制功能的信号传输不产生干扰；以及
在所述功率收集设备的输出端子对处提供所获取的电能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中动态调节所述输入端子对之间的电压降包括：当所述电路中的检测电流随时间变化时，在所述输入端子对之间维持恒定的电压降。
3.根据权利要求1所述的方法，其中进一步包括将由收集器供电的负载连接到所述输出端子对。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述输出端子对处提供所获取的电能包括：使用可调分路调节器调节所述功率收集设备的输出端子对之间的电压降。
5.根据权利要求1所述的方法，其中获取电能包括：将所述电能存储在功率储存设备中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述功率储存设备是超电容器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述功率收集设备连接到所述电路包括：将所述功率收集设备与所述电源串联连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述功耗设备具有时变功率需求；并且其中
将所述收集设备连接到所述电路进一步包括：将所述功率收集设备与所述功耗设备串联连接；并且其中动态调节所述输入端子对之间的电压降包括：根据所述功耗设备的功率需求调节所述电压降。
9.根据权利要求1所述的方法，其中动态调节电压降包括检测流经所述功率收集设备的输入端子对的电流，利用输入电压调节电路基于所述检测电流生成电压控制信号，以及使用电感器累积电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使用电感器包括：基于所述电压控制信号调节所述电感器在一个操作周期中累积电流的时段。
11.根据权利要求1所述的方法，其中流经所述功率收集设备的输入端子对的所述检测电流包括通过所述功率收集设备的输入端子对中的一个输入端子进入的检测输入电流，并且其中动态调节所述功率收集设备的输入端之间的电压降包括：根据通过所述功率收集设备的输入端子对中的所述一个输入端子进入的检测输入电流与所述功率收集设备的输入端子对之间的电压降之间的反比关系来动态调节所述电压降。
12.根据权利要求11所述的方法，其中动态调节所述功率收集设备的输入端之间的电压降进一步包括：将所述电压降维持在最小容许值和最大容许值之间的范围内。
13.根据权利要求11所述的方法，
其中动态调节所述功率收集设备的输入端之间的电压降进一步包括：使用包括在所述电压调节器中的电流传感器和反相放大器来动态调节所述电压降，
其中所述反相放大器生成控制电感器在一个操作周期中累积电流的时段的反馈信号，并且
其中所述电感器向所述功率收集设备的输出端子对供应电流。
14.根据权利要求1所述的方法，其中从电流获取可用电能包括：限制在故障状况下能够从所述功率收集设备转移到所述电路的能量的量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中限制在故障状况下能够从所述功率收集设备转移到所述电路的能量的量包括：循环累积和释放流经隔离变压器的电流；其中所述隔离变压器的第一绕组连接到所述功率收集设备的输入端子对的正端子，并且所述隔离变压器的第二绕组是所述功率收集设备的输出端。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
限制能够转移到所述隔离变压器两端的所述功率收集设备的输出端的功率的量。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
向所述隔离变压器提供至少第三绕组，其中所述第二绕组和所述第三绕组提供所述功率收集设备的分立的输出端。
18.根据权利要求15所述的方法，其中限制在故障状况下能够从所述功率收集设备转移到所述电路的能量的量包括：满足由收集器供电的负载的本质安全能量限制，其中所述由收集器供电的负载连接到所述功率收集设备的输出端。
19.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述功率收集设备的输入端之间的电压降进一步包括：在所述功率收集设备中提供线性滤波器特性，其中所述线性滤波器特性允许所述电路两端的电压调制。
20.根据权利要求19所述的方法，其中提供线性滤波器特性包括：调节流经所述功率收集设备的电流的变化率。
21.一种用于从源电路获取多余功率的收集电路，包括：
输入端子对，用于将所述收集电路连接到源电路，其中所述源电路包括电源和功耗设备，所述电源和所述功耗设备通过在4-20mA内改变所述源电路中的电流而传送用于控制所述功耗设备执行过程控制功能的信息；
电压调节电路，用于基于(i)所述输入端子对之间的电压降和(ii)在所述输入端子对处检测的电流生成电压调节信号，以便对所述电源和所述功耗设备之间的信号传输不产生干扰；
累积元件，用于暂时累积从所述源电路获取的电能；
升压DC-DC控制器，用于基于来自所述电压调节电路的所述电压调节信号控制所述累积元件；以及
输出端子对，用于输出由所述累积元件累积的电能；其中所述收集电路维持所述输入端子对之间的受控电压。
22.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述累积元件是电感器。
23.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述源电路传播随时间变化的DC电流，以传送信息。
24.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述升压DC-DC控制器包括：
开关管脚，连接到所述累积元件的端子之一；以及
接地管脚，接地；其中
所述收集电路在第一操作模式下将所述开关管脚电连接到所述接地管脚，以使所述累积元件形成电流，并且其中所述收集电路在第二操作模式下将所述开关管脚与所述接地管脚断开，以使所述累积元件将所形成的电流引到所述输出端子对中的一个输出端子。
25.根据权利要求24所述的收集电路，其中所述升压DC-DC控制器进一步包括反馈管脚，所述升压DC-DC控制器通过该反馈管脚接收由所述电压调节电路生成的电压调节信号；其中所述升压DC-DC控制器基于通过所述反馈管脚接收的电压调节信号确定所述升压DC-DC控制器在所述第一操作模式下操作的时间量和所述升压DC-DC控制器在所述第二操作模式下操作的时间量。
26.根据权利要求21所述的收集电路，进一步包括，连接在所述输出端子对之间、对所述输出端子对处的输出电压进行滤波的电容器。
27.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述电压调节电路包括反相放大器和可操作地耦接到所述反相放大器的电流传感器。
28.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述电压调节电路包括当电流较弱时生成较强电压调节信号的增益限制电阻器。
29.根据权利要求21所述的收集电路，其中所述累积元件是提供故障能量限制的隔离变压器。
30.根据权利要求29所述的收集电路，其中所述隔离变压器包括：
第一线圈，与所述输入端子对电通信；以及
第二线圈，与所述输出端子对电通信，并通过芯元件与所述第一线圈分离；其中所述第一线圈在所述收集电路的操作期间感应所述第二线圈中的电流。
31.根据权利要求29所述的收集电路，其中所述隔离变压器包括向相应的多个输出端提供电压的多个绕组。
32.一种用于在过程控制环境中传送信息的电路，包括：
第一设备，生成随时间变化的DC电流信号并通过所述电路传播该信号；
第二设备，接收该信号并根据该信号执行所述过程控制环境中的功能；和
功率收集设备，与所述第一设备和所述第二设备串联连接，其中所述功率收集设备基于在所述功率收集设备的输入端处检测的电流来动态调节所述功率收集设备两端的电压降，以获取所述功率收集设备两端的调节电压降处的多余电能，所述功率收集设备包括：
连接到所述电路的输入端子对；以及
连接到耗电电路的输出端子对。
33.根据权利要求32所述的电路，进一步包括适于调节所述功率收集设备的输出端子对之间的输出电压的可调分路调节器。
34.根据权利要求32所述的电路，其中所述第一设备是与分布式控制系统相关的控制器，所述第二设备是在过程控制环境中执行功能的现场设备，并且其中所述DC电流信号在4mA至20mA的范围内。
35.根据权利要求32所述的电路，其中所述耗电电路包括耦接到所述功率收集设备的输出端子对的超电容器。
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