CN103380556B - 用于无线通信设备的电源管理电路及使用其的处理控制系统 - Google Patents

Abstract

电源管理电路包括能量泵、控制电路以及电源管理电路。电源管理电路与现场设备的串联连接至的电流回路串联，从而使串联连接两端的调节压降为插入电压并且输出源于插入电压的电功率。能量泵输入插入电压的至少一部分和反馈感测值并基于反馈感测值输出充电电压。充电电压作为由电源管理电路输出的电功率的源。控制电路通过调制到达能量泵的反馈感测值来调节插入电压，并且响应于电流回路中的电变化调制反馈感测值。电源消耗电路从电源管理电路接收电功率。

Description

用于无线通信设备的电源管理电路及使用其的处理控制系统

相关申请的交叉参考

本申请要求于2010年3月24日提交的美国临时申请第60/317,031号的优先权。本申请涉及于2010年3月18日提交的美国临时申请第60/315,387号、于2007年6月26日提交的美国临时申请第60/937,396号、于2007年6月26日提交的美国临时申请第60/937,397号、于2007年12月7日提交的美国临时申请第61/012,262号以及于2008年6月26日提交的美国专利申请第12/147,469号，并且其于2009年6月11日被公开为美国专利公开第US2009/0146502号。

技术领域

系统和方法总体上涉及处理控制系统领域。更具体地，本公开的系统和方法涉及用于通过利用处理控制回路的现场设备发送和接收遥测数据的设备、系统和方法。

背景技术

传统的处理控制系统一般包括多个基本部件来用于感测、测量、评估以及调节或控制多个处理变量。此外，一般的系统包括提供用于在感测、测量或者调节部件和评估部件之间传输关于处理控制变量的信息的装置。一种用于传输信息的这种系统是双缆系统，其创建将感测、测量、评估或调节设备物理连接至控制器的回路。

工业生产环境中的感测、测量、评估和/或调节设备通常称为现场设备。现场设备一般用于感测或监控一个或多个处理控制变量，诸如温度、压力、或流体流速等。这些现场设备中有很多可以通过调节双缆系统上的电流来将关于所感测或监控的变量传输至处理控制器。这种环境中的控制器可以例如通过使用电流感测电阻器来感测电流，并将感测的电流幅值以及任何感测的电流变化转换为关于所感测或监控的控制变量的信息。许多一般的现场设备可以接收来自控制器的信息，并影响对感测或监控的控制的变化或调节。

两种使用双缆回路系统传输信息的方法包括：模拟信令方法，诸如通过模拟电流信号传输信息；以及数字信令方法，其可以传输作为频移键控载波信号的信息，其可以在多缆回路上与模拟信令方法叠加和共存。一种数字信令方法是来自通信基金会的可寻址远程传感器高速通道(“HART”)通信协议。如本文所述，HART是指任何过去或现存版本的HART协议，包括无线HART、这种版本的变化以及可创建的任何未来的版本(只要这些未来版本可与本文所述的系统和方法兼容或者可以通过修改而与本文所述的系统和方法兼容)。

发明内容

一种系统包括电源管理电路和电源消耗电路。电源管理电路可以被配置成与现场设备的串联连接中的电流回路串联，电源管理电路可以被配置成使串联连接两端的调节压降为插入电压，并且电源管理电路可以进一步被配置成输出源于插入电压的电功率。电源管理电路包括能量泵和控制电路。能量泵可以被配置成输入插入电压的至少一部分，能量泵被可以被配置成输入反馈感测值，能量泵可以进一步被配置成至少部分地基于反馈感测值输出充电电压。充电电压可以被配置为由电源管理电路输出的电功率的源。控制电路可以被配置成通过调制到达能量泵的反馈感测值来调节插入电压，控制电路还可以被配置成至少部分地响应于电流回路的电变化而调制反馈感测值。电源消耗电路可以被配置成从电源管理电路接收电功率。

该系统的电源消耗电路可以从由无线通信设备、被配置成根据HART协议与现场设备通信的可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口以及处理器所组成的组的中进行选择。

该系统的电源管理电路可以进一步包括：电存存储元件，与能量泵电通信，并且电存储元件可以被配置成存储充电电压作为存储功率。电存储元件包括电容器和电池中的至少一种。电源管理电路可以进一步包括与电存储元件电通信电压调节器，电压调节器被配置成调节存储功率并输出电源管理电路的电功率。电源管理电路可以进一步包括与电存储元件电通信分压电路，分压电路被配置成防止电存储元件的过电压条件。

该系统的控制电路进一步包括反馈放大器。反馈放大器可以被配置成向能量泵输出反馈感测值，其可以包括：第一输入端，被配置成接收参考电压；第二输入端，被配置成接收具有插入电压的倍数相关的值的反馈电压；以及输出端，与能量泵电通信。控制电路可以进一步包括定标器，被配置成输入插入电压的至少一部分并且将作为插入电压的可选倍数的反馈电压输出至放大器的第二输入端。系统可以进一步包括被配置成控制定标器的处理器。系统的电源管理电路可以进一步包括：回路感测电阻器，被配置成提供电源管理电路中的电流的回路电流感测值；以及回路电流读出放大器，被配置成接收回路电流感测值并输出回路电流感测信号。系统的回路电流放大器可以与能量泵电通信，并且回路电流感测信号可以进一步调制反馈感测值，从而当电源管理电路的电流超过过电流阈值时，停用能量泵。系统的回路电流读出放大器被配置成提供与电流回路中的回路电流对应的回路电流感测信号，并且可以进一步包括与回路电流读出放大器电通信的处理器。处理器可以被配置成接收回路电流感测信号。处理器还可以被配置成当回路电流感测信号的值超出阈值时，通过控制定标器并增加插入电压来以快速部署模式进行操作。

该系统可具有被配置成将插入电压调节到大约0.5伏直流电和大约2.5伏直流电之间的控制电路。

该系统可以进一步包括：可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口，被配置成根据HART协议与现场设备通信，HART接口被配置成与电流回路电容耦合。

该系统可具有被配置成从电池接收DC电压的现场设备，并且系统可以进一步包括：电压转换器，被配置成输入来自电池的DC电压并向电源管理电路输出充电电压。在该系统中，电压转换器和现场设备的第一端与电池的第一端电通信，并且电源管理电路进一步包括：与电池的第二端电通信回路感测电阻器，电阻器被配置成提供电源管理电路中的电流的回路电流感测值；以及被配置成接收回路电流感测值并输出回路电流感测信号的回路电流读出放大器。系统可以进一步包括：电流感测电阻器，与现场设备的第二端电通信；以及处理器，与回路电流读出放大器电通信，处理器被配置成接收回路电流感测信号。处理器还可以被配置成停用电压转换器，使得电源管理电路中的电流大致为与现场设备、回路感测电阻器以及电流感测电阻器串联的电池的回路电流。系统进一步包括：现场设备开关，被配置成选择性地创建用于电流感测电阻器的开路条件；以及处理器被配置成控制现场设备开关以选择性地创建用于电流感测电阻器的开路条件。

一种处理控制装置包括现场设备、电源、电源管理电路以及无线通信设备。电源可以与现场设备电通信，电源被配置成向现场设备传送回路电流并且现场设备被配置成调节回路电流。电源管理电路被配置位于电源和现场设备之间的串联连接中，电源管理电路可以被配置成使串联连接两端的调节压降为插入电压。电源管理电路可以进一步被配置成输出源于插入电压的电功率。电源管理电路可以包括：能量泵，被配置成输出插入电压的至少一部分，能量泵被配置成输入反馈感测值，能量泵被配置成至少部分地基于反馈感测值输出充电电压，充电电压为通过电源管理电路输出的电功率的源；以及控制电路，被配置成通过调制到达能量泵的反馈感测值调节插入电压，控制电路被配置成至少部分地响应于回路电流的改变来调节反馈感测值。无线通信设备可以与电源管理电路电通信并且可以被配置成接收来自电源管理电路的电功率。

处理控制装置的现场设备包括电压传感器。

处理控制装置可以进一步包括与能量泵电通信的电存储元件，电存储元件被配置成存储充电电压作为存储功率。处理控制装置的电存储元件包括电容器和电池中的至少一种。处理控制装置可以进一步包括与电存储元件电通信的电压调节器，电压调节器被配置成调节存储功率并输出电源管理电路的电功率。处理控制装置可以进一步包括与电存储元件电通信的分压电路，分压电路被配置成防止电存储元件的过电压条件。

处理控制装置的控制电路可以进一步包括反馈放大器，被配置成输出到达能量泵的反馈感测值。反馈放大器可以包括：第一输入端，被配置成接收参考电压；第二输入端，被配置成接收具有与插入电压的倍数相关的值的反馈电压；以及输出端，与能量泵电通信。处理控制装置可以进一步包括：定标器，被配置成输入插入电压的至少一部分并且将作为插入电压的可选倍数的反馈电压输出至放大器的第二输入端。处理控制装置可以进一步包括被配置成控制定标器的处理器。处理器被配置成以快速部署模式进行操作，并且可以进一步被配置成当检测到回路电流到达阈值时，通过控制定标器来提高插入电压。

处理控制装置可以进一步包括过电流保护电路，被配置成如果回路电流超过过电流阈值，则停用电源调节器。

处理控制装置可以进一步包括：被配置成根据HART协议与现场设备通信的可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口。HART接口可以被配置成与电流回路电容耦合。HART接口可以与无线通信设备相关联以促进根据HART协议的通信。

处理控制装置可以具有被配置成将插入电压调节到大约0.5伏直流电和大约2.5伏直流电之间的控制电路。

处理控制装置可以包括诸如电池的电源，并且可以进一步包括被配置成输入来自电池的DC电压并将充电电压输出至电源管理电路的电压转换器。电压转换器和现场设备的第一端与电池的第一端电通信。电源管理电路可以进一步包括：回路感测电阻器，与电池的第二端电通信，电阻器被配置成提供电源管理电路中的电流的回路电流感测值；以及回路电流读出放大器，被配置成接收回路电流感测值并输出回路电流感测信号。处理控制装置可以进一步包括与现场设备的第二端电通信的电流感测电阻器以及与回路电流读出放大器电通信的处理器。处理器可以被配置成接收回路电流感测信号。处理器可以被配置成停用电压转换器，使得电源管理电路中的电流大致为与现场设备、回路感测电阻器以及电流感测电阻器串联的电池的回路电流。处理控制装置可以进一步包括：现场设备开关，被配置成选择性地创建用于电流感测电阻器的开路条件；以及处理器被配置成控制现场设备开关以选择性地创建用于电流感测电阻器的开路条件。

一种用于管理现场设备和无线通信设备的电源的方法可以包括：接收来自电池的DC电压，电池被配置成为现场设备提供回路电流；将DC电压转换为充电电压，其中在测量现场设备的回路电流的操作期间选择性地停止这种转换；将充电电压传送至电存储元件；以及存储充电电压作为用于传送至无线通信设备的电存储元件的存储功率。

该方法可以进一步包括：停止回路电流以将现场设备设置为休眠状态；以及使电流能够唤醒现场设备。该方法可以进一步包括：测量回路电流；以及当回路电流超过阈值时，停止回路电流。该方法可以进一步包括：调节从电存储元件传送至无线通信设备的存储功率。该方法可以进一步包括：使用可寻址远程传感器高速通道(“HART”)协议通过现场设备传送控制处理数据。该方法可以进一步包括：使用无线通信设备通过网关传送处理控制数据。

附图说明

尽管说明书以具体说明并且直接要求发明的权利要求作为结束，但是应该相信，通过结合以下附图所进行的描述将更好地理解该说明书：

图1是处理控制回路的系统框图；

图2是处理控制回路的系统框图；

图3是电源管理电路的系统框图；以及

图4是电源管理电路的系统框图。

具体实施方式

参考附图描述了所公开的大部分部件和方法。在所有附图中，类似的参考标号用于表示类似的元件。在以下描述中，为了有助于解释，提供了具体细节的数字来促进对所公开主题的理解。然而，很明显，在具体实施方式中，某些具体细节可以忽略或者与其他具体细节结合。在其他实例中，为了便于描述，可以通过框图的形式来示出某些结构和器件。另外，应该注意，尽管所提供的具体实例包括或者参考了具体部件，但是所公开和描述的这些部件和方法并不限于这些具体实例，并且还可以在其他上下文中使用这些部件和方法。本领域普通技术人员很容易了解，所公开和描述的部件和方法可以通过各种各样的方式用于创建其他部件和实施其他方法。

图1是处理控制系统100的系统框图。如图所示，现场设备102可以包括连接端104、106，可以将控制回路导线108、110连接至连接端104、106。控制器112可以包括电源114，该电源用于将电流(例如，回路电流)和电压提供给控制回路导线108、110。具体地，电源114的正极端可以与控制回路导线108电通信，而电源114的负极端可以与控制回路导线110电通信。在一个实施例中，电源114在正常运行期间可以产生幅度水平在大约3.5mA至大约20mA的回路电流，其中在最大故障条件下，最大电流值高达约130mA。然而，可以由电源提供各种其他电流和电压范围，例如，可以与特定现场设备的电压和电流参数相符。

在一个实施例中，如图1所示，现场设备102可以包括用于改变通过控制回路导线108、110提供的回路电流量的电流调节器116。使用电流调节器116，现场设备102可以调节电流量以将控制处理变量传送至控制器112。例如，如果将现场设备102被配置成感测温度，则电流调节器116可以调节通过控制回路导线108、110提供的电流量，以表示监控到的温度。应该了解，各种适当的可选实施例可以指示诸如分流器、分压器等的现场设备中的控制处理变量。

在一个实施例中，为了将电流量传送至控制器112，控制器112可以包括可用于感测通过控制回路导线108、110提供的回路电流的电流感测电阻器118。然而，应该了解，在各种适当可选配置方式中，控制器112可以感测回路电流或者其他变量。附加或可选地，处理控制系统100可以包括数字信号部件(未示出)，以便于作为控制回路导线108、110上的载波信号的信息传输。在一个实施例中，现场设备102可以包括可寻址远程传感器高速通道(“HART”)通信部件，诸如无线HART通信部件。然而，处理控制系统可以包括用于各种适当的可选通信协议的部件，诸如ISASP100和现场总线等等。

应该了解，处理控制系统100可以与相关网络通信以将信息提供给主机控制器。通常，控制器112经由有线通信与相关网络通信。然而，在一些实施例中，控制器112可以不支持与网络的有线通信(例如，当控制器112上不存在数字信号设备时或者在特定数字信号设备故障期间)。因此，在一个实施例中，如图2所示，可以包括无线适配器设备220。如以下更详细描述的，无线适配器设备220可以包括被配置成提供与可以与控制器212或其他适当控制器通信的设备中的基于RF的网络的无线射频(“RF”)通信的部件和电路。无线适配器设备220可以用作可为现场设备202提供数字信号的部件和设备中的无线通信网络(未示出)之间的网关。控制器212可以是图1中的控制器112或者另一适当控制器。现场设备202可以是图1中示出和描述的现场设备102或者另一适当现场设备。

传统地，无线适配器设备220可以由专用电源供电，诸如单独的有线电源电路、电池或者太阳能电池等等。然而，由这些专用电源供电的无线适配器设备220的安装和维护可能成本较高并且浪费时间。因此，如图2所示，无线适配器设备220可以与控制回路导线208a、208b、210a、210b电通信，使得该无线适配器设备220可以由通过控制回路导线208a、208b、210a、210b的回路电流供电。在这种实施例中，无线适配器设备220可以包括设置在节点L1P和L1N之间并且可与控制回路导线208a和208b串联的电源管理电路222。如以下更详细描述的，可以为电源管理电路222提供插入电源(insertionpower)，以在基本不会干扰回路电流的情况下为无线适配器设备220供电。由此，可以在不妨碍现场设备202将控制处理变量传送至控制器212(例如，经由回路导线208a、208b、210a、210b上的电流)的情况下，通过处理控制系统200对无线适配器设备220供电。

图3是电源管理电路222的一个实施例的系统框图。应该了解，电源管理电路222可以用在诸如图1和图2所示系统等的各种处理控制系统中。电源管理电路222可以电连接在节点L1P和L1N之间，以当节点L1P和L1N与回路导线208a和208b串联时促进回路电流流过电源管理电路222。回路电流流过电源管理电路222并且可以在节点L1P和L1N之间感应产生插入电压。通常，该插入电压不足以为无线适配器设备220供电。因此，电源管理电路222可以包括输入端230与插入电压连接的电压转换器228。电压转换器228的输出端232可以与无线适配器设备220的特定电子部件(诸如放大器234、电流回路放大器250、HART接口逻辑器件225和微控制器247)连接。电压转换器228可以将插入电压转换为适当的用于为无线适配器设备220的每个电子部件供电的源电压。

电源管理电路222可以包括无线通信设备224。无线通信设备224可被配置成提供无线RF通信，以在无线适配器设备220和设备中基于RF的网络之间传送信息(例如，处理变量信息)。在特定实施例中，无线通信设备224可以包括支持各种无线平台(诸如IEEE802.11、蓝牙、微波、红外线等)的收发器。另外，电源管理电路222还可以包括与无线通信设备224相关联的HART接口逻辑225以促进根据HART协议的通信。

再次参考图1并继续参考图2，有线HART协议使用频移键控(FSK)在诸如现场设备102的设备和控制器112之间传送数字数据。FSK为叠加在低频模拟控制信号上的调制，即，通常被工业测量装置使用的4-20ma信号。这允许设备102、112之间的数字通信，而不干扰主模拟控制信号。HART接口逻辑225可以使用有线HART协议与现场设备102和控制器112通信，而相关的无线通信设备224可以与无线HART网络通信。

应该了解，用于为无线通信设备224供电的可源于回路电流的功率(例如，插入功率)通常是回路电流和插入电压的乘积。通常，无线通信设备224消耗的瞬时功率高于可用插入功率。电源管理电路222可以包括电存储元件226，其被配置成存储插入功率并且根据需要将所存储的插入功率传送至无线通信设备224。尽管电存储器件226在图3中示为包括超级电容器，但应该了解，可以提供各种可选的适当电存储器件，诸如通用能量储存电容器或者电池。

电存储器件226可通过第二电压转换器244充电。如图3所示，电存储器件226可以与第二电压转换器244的输出端OUT电通信。第二电压转换器244可以转换基本上所有可用的插入功率(小于第一电压调节器232所消耗的功率)来为电存储器件226充电。可以由电存储器件226提供符合无线通信设备224所需的瞬时功率和长期功率需求的电能。

应该了解，电存储器件226的存储电容可以比插入功率大许多倍，使得电存储器件226的充电可耗费相对较长的时间周期(可能从大约一分钟至数小时)。当电存储器件226中所存储的插入功率耗尽时，电存储器件226的电压(例如，无线电压(radiovoltage))也耗尽。为了将电存储器件226所存储的插入功率优化为以基本恒定的电压传送，电源管理电路222可以包括第三电压转换器252，其与电存储器件226和无线通信设备224均电通信。第三电压转换器252可以生成恒定的调节无线电压，而无论电存储器件226是被充电至最大容量还是几乎耗尽。

传统地，通过设置为与电源管理电路222并联的分流器将插入电压调节至期望的设定点。在这种布置方式中，回路电流被分流至电源管理电路222和分流器(例如，分流器电路)。如果回路电流变化(例如，由于处理变量变化)，则通过分流器的电流相应地发生变化以在分流器和电源管理电路之间保持平衡，从而保持恒定的插入压降。然而，应该了解，流过分流器的电流不能用于为无线适配器设备供电并且被浪费掉。

第二电压转换器244可被配置成在不需要传统类型的分流器的情况下调节插入电压。在一些传统配置中，电压转换器通过改变从其输入端传送的功率而在其输出端保持恒定的电压电平。通常，该传统电压调节器的配置适合于在输入端提供充足功率的情况(例如，为了满足电连接至电压调节器的输出端的电路的功率需求)。然而，当输入端提供的电流和功率(例如，输入功率)有限时(如回路电流进入电源管理电路222的情况)以及输出端所需高于输入功率时(如具有电存储器件226的情况)，传统电压转换器配置可将过多功率传送至输出端，从而降低了输入端的电压。

因此，第二电压转换器244可被配置为功率转换器，以感测和控制输入端230处的插入电压，并且利用传送至电存储器件226的功率来平衡插入功率。在一个实施例中，可以将插入电压与参考电压238相比较来调节插入电压。例如，如图3所示，放大器234可以与第二电压转换器的反馈输入端FB通信。如图所示，参考电压被示为连接至放大器234的正输入端238。可变定标器(variablescaler)242可连接至放大器234的负输入端。可通过可变定标器242将插入电压提供至放大器234，并且放大器234可以将该插入电压与参考电压相比较。放大器234可以将控制信号提供给反馈输入端FB，以将插入电压调节至参考电压。然而，应该了解，可以在各种适当可选布置中提供功率转换器来将插入压降保持在特定电平。

因此，电源管理电路222被配置成控制插入电压，同时允许全回路电流(小于被其他电路消耗的小电流)流至电存储器件226(即，为无线适配器设备220供电)。因此，第二电压适配器244可以克服使用传统分流器调节插入电压的缺点。例如，由插入电压和回路电流生成的插入功率(小于被其他电路消耗的小功率)可以传送给电存储器件226。当回路电流改变时(即，当控制处理变量改变时)，功率变化通过第二电压转换器244传递至电存储器件226(例如，电源管理电路222可以实时跟踪和适配)。

应该理解，电源管理电路222可被配置为“能量泵(energypump)”电路，其将插入电压变换为更高的电压并且还可以将电存储装置226充电至更高电压。由于能量转换的精确量被监控并与参考电压进行比较(例如通过放大器234)，所以插入电压可以在现场设备202的操作期间是准确(DC电压)且稳定的(AC噪声)。还应该理解，可以调节从插入电压提取的功率，以将回路插入电压维持为恒定值。

可变定标器242可以改变提供给放大器234的负输入端236的电压以促进插入电压的选择控制。通过控制插入电压，当回流电流发生改变时(例如，当处理变量改变时)，可以改变提供给电存储器件226的功率。例如，当回路电流增加时，可以增加插入电压以增加提供给电存储器件226的插入功率。通过增加插入功率，可以对电存储器件226快速充电，从而增加可用于操作无线通信设备224的来自电存储器件226的可用功率。

因此，可以控制可变定标器242，以最大化提供给电存储器件226的插入功率。在一个实例中，对于被配置为以1伏DC(“VDC”)插入电压和3.5mA的最小值工作的现场设备(例如，202)，与来自传统电流分路系统(例如，3.5mW)相比较，电源管理电路222可以为电存储器件226提供更大的功率。如果回路电流增加至20mA，则电源管理电路222可以生成20mW的插入功率，而无需可变定标器242改变1VDC插入电压。然而，如果可变定标器将插入电压改变为大约2.5VDC，则电源管理电路222可以生成大约50mW的插入功率，在一些情况下，该插入功率足以直接对无线通信设备224供电(例如，不需要首先对电存储器件226充电)。应该理解，可以将电源管理电路配置为处理各种插入电压(例如，0.5VDC，高于2.5VDC)。

在一个实施例中，如图3所示，电源管理电路222可包括与可变定标器242耦合的微控制器247。在一个实施例中，微控制器247可基于预定设定点控制可变定标器242。在其他实施例中，微控制器247可以动态控制可变定标器242(例如，根据算法)。应该理解，微控制器247可以包括微处理器、算术逻辑单元或者各种其他合适的电子部件。然而，各种附加或可选部件可促进控制可变定标器242。应该理解，可以在安装时配置设定点，或者可以根据需求或期望通过诸如微控制器247或者通过主机系统在无线通信网络上动态配置该设定点。

应该理解，通过流经电源管理电路222的电流感应的插入压降可以将附加压降提供给处理控制系统200。当无线适配器设备220连接在节点LIP和LIN之间时，插入压降的幅值应该为使得当插入压降与处理控制系统200中的其他电压损耗相结合时没有超过电源214的电压。例如，回路导线208a、208b、210a、210b、无线适配器设备220、现场设备202以及电流感测电阻器218两端的组合电压损耗应该保持为电源214电压或低于电源214电压。

应该理解，电源214的电压和相应的电压损失对于不同的处理控制系统配置可以改变。传统地，为了确保与各种处理控制系统配置的兼容性，电源管理电路222上的插入压降不变地设置为低电平(例如，约1VDC)。然而，如果传统电源管理电路222设置在具有低累积电压损耗的处理控制系统上时，可能失去插入功率。例如，如果电源214可提供大约5VDC电压并且处理控制系统(忽略插入压降)的组合电压损耗合计为大约2VDC，则处理控制系统可以接受可达大约3VDC的插入压降。然而，如果将传统电源管理电路的插入压降设置为大约1VDC，则插入功率相对低于具有大约3VDC的插入压降的传统管理电路。因此，电源管理电路222可配置成控制插入压降(例如，稳定、调节)以最大化用于各种处理控制系统配置的插入功率。

应该理解，当电存储器件226达到最大容量时，电存储器件226两端的电压可以升至适当的工作限值。除远离电源管理电路222(例如，通过分流器)的分路电流和功率以外，分压电路(voltageshuntingcircuit)可设置为与电存储器件226通信。分压电路可被配置成防止电存储器件226中的过电压条件。在一个实施例中，如图3所示，分压器246可设置为与电存储器件226并联，使得当电存储器件226达到容量时，分压器246可以旁路电流和功率以防止电存储器件226两端的电压进一步增加。在这种实施例中，从第二电压转换器244的输出端提供的功率(小于被其他电路消耗的小功率)可以被分压器246分路以平衡功率并调节电存储器件26两端的电压。当功率从电存储器件226提供给无线通信设备224时，分压器246可以停止分压直到电存储器件再次达到容量为止。

应该理解，为了对电源管理电路222的各个部件供电，可以由插入压降提供稳定电压。在一个实施例中，如图3所示，提供第三电压转换器252，以生成为图3的特定电子功率部件供电的恒定可调控制电压。

电源管理电路222可以提供允许回路电流的应用超过回路电流标称工作范围(例如，大约3.5mA至20mA，高达大约130mA)的快速部署。这种快速部署可以允许用户安装无线适配器设备220以快速对电存储器件充电，从而在安装之后提供最小延迟来为无线通信装置224供电。为了促进该快速部署，电源管理电路222包括被配置成感测回路电流的幅值的快速部署电路，并且当回路电流的幅值达到阈值时，将输入端的电压电平保持为升高电平以促进提供给电存储器件226的充电功率的大幅增加。在一个实施例中，电源管理电路222可以包括感测电阻器248和回路电流放大器250。微控制器247可以监控感测电阻器248两端的回路电流并将其与阈值相比较。当回路电流的幅值超过阈值时，微控制器247可以通过使用可变定标器242限定最大插入电压的设定点，然后，电源管理电路222可以接收最大插入功率。在一个实施例中，微控制器247可以将回路电流与25mA的阈值相比较。当回路电流在一定时间段内超过25mA时，可变定标器242可以进行设置以提供最大插入压降。

电源管理电路222可以包括过电流保护。当过量的回路电流提供给电源管理电路222时，过电流保护可以限制插入功率的量。为了促进过电流保护，电源管理电路222可包括被配置成感测回路电流幅值的过电流保护电路，并且当回路电流的幅值达到过电流阈值时，断开第二电压转换器244。在一个实施例中，过电流保护电路可包括感测电阻器248和回路电流放大器250。回路电流放大器250的正输入端和负输入端可以电连接在感测电阻器248的相对两端，以监控回路电流的幅值。如果回路电流超过最大阈值，则回路电流放大器的输出端可以提供信号以关闭第二电压转换器244，从而限制提供给电源管理电路222的插入功率。在一个实施例中，回路电流放大器可以将回路电流与130mA阈值相比较。当回路电流超过130mA时，回路电流放大器250可以提供关闭第二电压转换器244的信号。

电源管理电路222可以包括节能性能。电源管理电路222可以监控回路电流(例如，通过感测电阻器248)。如果回流电流的幅值减小至可忽略的值，则电源管理电路222可以降低所有大电源消耗电路，以保存存储在电存储器件226中的功率。当回路电流重新获得特定幅值(例如，大于可忽略的量)时，电源管理电路222可以恢复对先前关闭的电路的供电。如果处理控制系统具有功率输出，则当功率恢复时，该功能可以帮助确保无线适配器设备220立即可以使用电存储器件226的容量。如果用户对无线适配器设备220(例如，在实验室中)进行预充电，则当无线适配器设备220被安装在处理控制系统上时，该特征可以确保无线适配器设备220会被充分供电并立即可用于开始无线电通信。

电源管理电路222可包括瞬间启动功能，从而建立辅助电源以在电存储器件226充完电之前为内部控制电路供电。

电源管理电路222可包括动态无线电占空比管理。具体地，电源管理电路222可以通知可用于为无线通信设备224供电的插入功率的无线通信网络。因此，无线通信网络可以动态地配置最大无线电占空比，从而匹配可用于为无线通信设备224供电的插入功率。当插入功率升高时，可以增加占空比，以获得用于改变处理变量的更快的更新速率。然而，当插入功率耗尽时，可以减小占空比以确保无线通信网络需要的功率没有耗尽电存储器件226的存储容量，从而使得最终损耗无线电通信，直到可以对电存储器件226重新充电为止。

现在，参考图4并继续参考图1和图2，示出了电源管理系统400。电源管理系统400包括许多图3所示并且上文描述的电源管理电路222所示和所述的元件。因此，为了清楚地说明，下文描述了图3和图4的元件之间的不同。

电源管理系统400的电源管理电路402包括能量泵404，其具有与L1P422连接器电通信的输入端405、用于接收来自控制电路的反馈感测的反馈输入端403以及为能量存储元件226和电压调节器252提供充电电压的输出端406。能量泵404可以为接收第一电压并将其转换为更高(或更低)电压的电压转换器。通过调节反馈感测的控制电路410来选择性地控制能量泵404。控制电路410包括反馈放大器407，该反馈放大器具有连接至参考电压237和定标器408的输出端的两个输入端236、238。控制电路410至少部分基于控制回路中的回路电流调节反馈感测值，以调节LIP422和LIN422之间的插入电压。

定标器408促进通过微控制器247控制插入电压。这允许通过电源管理电路402动态控制电源管理。可以通过平衡从控制回路所提取的能量与控制回路中可用的能量来调节回路插入电压。因为电流调节器116调节控制回路中的电流，例如4mA和20mA之间，所以控制回路中可用的能量可以动态改变。通过将参考电压237与插入电压进行比较并保持插入电压精确(DC电压)和稳定(AC噪声)的反馈放大器407来监控通过能量泵404转换的能量的精确量。没有浪费来自控制回路的功率，直到存储在能量存储元件246中的功率达到最大值，从而使得有效利用控制回路中的可用功率。

可以通过微控制器动态控制定标器408。在一些应用中，例如，如果控制回路中没有IS势垒，则插入电压可以设置为高于额定电压(例如，2.5伏)。将插入电压设置为更高能够启用快速部署模式，从而能量存储元件226可以快速充电为全容量。将插入电压设置为更高能够使能量泵404传送来自控制回路的更多功率。更多的能量可来自能量泵404和能量存储元件226，并且微控制器247可以增大无线电224传送参数，从而提高传输速率并通过无线电链路进行更频繁的通信。功率增加量可以允许微控制器247以第二工作模式(诸如高功率模式)运行。定标器408可以是阶梯式电压定标器，使插入电压在约0.5伏和约2.5伏之间以0.5伏的增量的递增。定标器408可以为数字定标器或者模拟定标器，能够以各种范围和增量实现插入电压。

电源管理电路402可以与控制器112、212和现场设备102、202(在图1和图3中示出)的控制回路串联。在该配置中，电源管理电路402可以使用例如如图2所示的LIP422和LIN424连接器与控制回路导线108、110、208、210中的一个串联。

电源管理电路402还可以与直接为现场设备102、202供电的电池(未示出)连接。在该配置中，不存在控制器112、212。相反地，电池的第一端(例如，正极端)连接至直流电源输入端420。电池的第二端(例如，负极端)连接至LIN424连接器。电池的第一端还连接至现场设备102的一个连接端104。另一连接端106与HART连接器426电通信。用于控制回路的电流从电池的第一端流过现场设备102，通过电流调节器116(还可以为电压或电源调节器)调节该电流，并且通过HART连接器426、通过内部电流感测电阻器418以及现场设备开关416返回电源管理电路402，然后，通过感测电阻器248到达电池的第二端。

感测电阻器248是提供产生控制回路或电流回路中的回路电流的测量量的方法的回路感测电阻器。为了最小化感测电阻器248两端的压降，感测电阻器248可以为低值电阻器，例如，电阻为1欧姆且功率额定值为1/4瓦的电阻器。回路电流读出放大器409连接至感测电阻器248并根据感测电阻器248两端的压降或回路电流感测值生成回路电流感测信号。回路电流感测信号可以提供给微控制器247。回路电流读出放大器409可通过隔离二极管413(blockingdiode)连接至能量泵404的反馈输入端403，以进一步调节反馈感测值。在该配置中，回路电流感测信号的高值指示电源管理电流402的不安全或者过流条件。回流电流感测信号的高值可以配置为具有阈值，当其超过阈值时，关闭能量泵以防止损坏电源管理电路402。

当电源管理电路402与控制回路串联时，感测电阻器248两端的压降提供与流过LIN424连接器和LIP422连接器之间的电源管理电路402的控制回路电流直接相关的回路电流感测值。当电源管理电路402利用电池时，流过感测电阻器248的电流包括控制回路中的电流和通过电源管理电路402取自电池的电流。微控制器247可以选择性地接通或关闭电压转换器414。注意，微控制器247可以为处理器、CPU、ASIC或者处理逻辑和模数转换器中的任一中或者组合电路。当电压转换器414接通时，电压转换器414直接为能量存储元件226和电压调节器252提供充电电流。例如，当能量泵404接通时，隔离二极管413防止功率反馈到电压转换器414中。通过电压转换器414获取的电流和功率的量取决于电源消耗电路225、247、224的电流消耗。例如，如果无线电224传送和接收无线数据，则无线电224可以通过电压调节器252提取来自能量存储元件226中的存储功率的电能。作为响应，电压转换器414可以提取来自电池的功率以对能量存储元件226再次充电或者将充电电压直接提供给电压调节器252。通过电源管理电路402和电源消耗电路225、247、224提取的电流通过感测电阻器248返回电池。因此，当微控制器247选择性地接通电压转换器414时，感测电阻器提供电源管理系统400和现场设备的总功耗的测量结果。

当电压转换器414关闭时，能量存储元件226为电源管理电路402和电源消耗电路225、247、224的电功率源。当电压调节器252关闭时，电源管理电路402和电源消耗电路225、247、224与控制回路和感测电阻器248电隔离。流过感测电阻器248的电流为控制回路中的电流。控制器247可以选择性地接通和关闭电压转换器414，测量流过感测电阻器248的电流，并且获得电源管理系统400中的功率使用的诊断指示。控制器247监控流过感测电阻器248的回路电流并且选择性地关闭部件以减少或断开回路电流。例如，控制器247可以关闭无线电224、HART通信接口225和电压转换器414，并且控制器247还可以建立现场设备开关416的开路条件。

通过打开或者电开路，去除为现场设备102、202供电的现场设备开关416。如果控制回路中存在电故障或者如果电源管理电路402不正确地连接至电池或现场设备102、202，则控制器247可以打开现场设备开关416。在电池反向连接或者过电压的情况下，控制器可以打开现场设备开关416，以防止损坏电源管理系统400，从而显著减少了由于不正确安装而损坏的部件的返回现场故障。现场设备开关416可以默认为打开，从而允许在为控制器247供电之前进行安装。一旦供电，控制器247就可以立即闭合现场设备开关416以测试错误连接或者电压，而不使电源管理电路402的剩余部件经受大量电流。

现场设备开关416通过内部电流感测电阻器418或者电流感测电阻器提供控制回路的电流返回路径。内部电流感测电阻器418可以为250欧姆。电阻为250欧姆的内部电流感测电阻器418提供用于在HART通信接口逻辑225和现场设备102、202之间传送和接收HART通信的适当阻抗特征。HART通信接口逻辑225电容连接至控制回路。在HART协议的FSK信号经过的同时，电容器412阻挡DC分量。注意，电容器412可以连接至控制回路中的任意点。

控制器247可以打开现场设备开关416以取消为现场设备102、202供电，从而将现场设备102、202设置为休眠模式。当控制器247要求来自现场设备102、202的信息时，控制器247可以闭合现场设备开关416并唤醒现场设备102、202以取回所需要的信息。选择性地取消为现场设备102、202供电可以充分延长电池的使用寿命。在软件或通过无线电224远程无线控制的情况下，电源管理系统400可以通过现场设备开关416间歇地和暂时为现场设备102、202供电，与现场设备102、202通信以获取控制处理数据，停止为现场设备102、202供电，然后通过无线网络发送数据或者信息。

上面的描述包括一些部件和方法的示例性实例。当然，描述每个可想到的部件和方法的组合是不可能的，但是本领域普通技术人员将意识到许多其他的组合和排列也是可能的。

尤其地，通过上面描述的部件、设备、电路、系统等执行相关的各种功能。除非另有其他指示，用于描述这些部件的术语(包括提及的手段)旨在与执行所描述的部件的特定功能的任何部件相对应(例如，功能等效)，即使在结构上与所公开的结构(其用于执行实例中提供的功能)不同。此外，当可能仅针对几种实施方式中的一种公开一个特定的部件时，这种部件可以与其他实施方式中的一个或多个其他部件结合，因为对于任何给定或特定的应用可以是期望的或者有利的。

为了举例说明和描述的目的提供上面实施例或者实例的描述。不旨在详尽或者限于所描述的形式。根据上面的教导许多修改是可能的。已讨论了这些修改中的一些，其他修改则是本领域技术人员会理解的。为了举例说明各种实施例选择和描述了这些实施例。当然，保护范围不限于在此提出的实例或者实施例，而且本领域普通技术人员可采用许多应用和等效设备。本发明的保护范围旨在通过所附的权利要求进行限定。

Claims (34)

1.一种电源管理系统，包括：

电源管理电路，被配置成与现场设备的串联连接中的电流回路串联，所述电源管理电路被配置成使所述串联连接两端的调节压降为插入电压，所述电源管理电路被配置成输出源于所述插入电压的电功率，所述电源管理电路包括：

能量泵，被配置输入所述插入电压的至少一部分，所述能量泵被配置成输入反馈感测值，所述能量泵被配置成至少部分地基于所述反馈感测值输出充电电压，所述充电电压被配置为由所述电源管理电路输出的电功率的源；

控制电路，被配置成通过调制到达所述能量泵的反馈感测值来调节所述插入电压，所述控制电路被配置成至少部分地响应于所述电流回路的电变化来调制所述反馈感测值；

回路感测电阻器，与直流电源的第二端电通信，所述电阻器被配置成提供所述电源管理电路中的电流的回路电流感测值；和

回路电流读出放大器，被配置成接收所述回路电流感测值并输出回路电流感测信号；以及

电源消耗电路，被配置成从所述电源管理电路接收所述电功率，

其中，所述电源管理系统还包括：

电压转换器，被配置成输入来自所述直流电源的DC电压并向所述电源管理电路输出所述充电电压，其中，所述电压转换器、所述现场设备的第一端与所述直流电源的第一端电通信；

电流感测电阻器，与所述现场设备的第二端电通信；

现场设备开关，被配置成选择性地创建用于所述电流感测电阻器的开路条件；

其中，所述电源消耗电路包括：

处理器，与所述回路电流读出放大器电通信，所述处理器被配置成接收所述回路电流感测信号，所述处理器被配置成停用所述电压转换器，使得所述电源管理电路中的电流大致为与所述现场设备、所述回路感测电阻器以及所述电流感测电阻器串联的所述直流电源的回路电流，并且所述处理器被配置成控制所述现场设备开关以选择性地创建用于所述电流感测电阻器的开路条件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，从由无线通信设备、被配置成根据HART协议与所述现场设备通信的可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口以及所述处理器所组成的组中选择所述电源消耗电路。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电源管理电路进一步包括：

电存储元件，与所述能量泵电通信，所述电存储元件被配置成存储所述充电电压作为存储功率。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电存储元件包括电容器和电池中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电源管理电路进一步包括：

电压调节器，与所述电存储元件电通信，所述电压调节器被配置成调节所述存储功率并输出所述电源管理电路的所述电功率。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电源管理电路进一步包括：

分压电路，与所述电存储元件电通信，所述分压电路被配置成防止所述电存储元件的过电压条件。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制电路进一步包括：

反馈放大器，被配置成向所述能量泵输出所述反馈感测值，并且包括：

第一输入端，被配置成接收参考电压；

第二输入端，被配置成接收具有与所述插入电压的倍数相关的值的反馈电压；以及

输出端，与所述能量泵电通信。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制电路进一步包括：

定标器，被配置成输入所述插入电压的至少一部分并且将作为所述插入电压的可选倍数的反馈电压输出至所述放大器的所述第二输入端。

9.根据权利要求8所述的系统，所述处理器被配置成控制所述定标器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述回路电流读出放大器与所述能量泵电通信，并且所述回路电流感测信号进一步调制所述反馈感测值，从而当所述电源管理电路中的电流超过过电流阈值时停用所述能量泵。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述处理器与所述回路电流读出放大器电通信，所述处理器被配置成接收所述回路电流感测信号。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述处理器被配置成当所述回路电流感测信号的值超出阈值时，通过控制定标器并增加所述插入电压而以快速部署模式进行操作。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制电路被配置成将所述插入电压调节到大约0.5伏直流电和大约2.5伏直流电之间。

14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口，被配置成根据可寻址远程传感器高速通道协议与所述现场设备通信，所述可寻址远程传感器高速通道接口被配置成与所述电流回路电容耦合。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述现场设备被配置成从电池接收DC电压。

16.一种处理控制装置，包括：

现场设备；

电源，与所述现场设备电通信，所述电源被配置成向所述现场设备传送回路电流并且所述现场设备被配置成调节所述回路电流；

电源管理电路，被配置位于所述电源和所述现场设备之间的串联连接中，所述电源管理电路被配置成使所述串联连接两端的调节压降为插入电压，所述电源管理电路被配置成输出源于所述插入电压的电功率，所述电源管理电路包括：

能量泵，被配置成输入所述插入电压的至少一部分，所述能量泵被配置成输入反馈感测值，所述能量泵被配置成至少部分地基于所述反馈感测值输出充电电压，所述充电电压是通过所述电源管理电路输出的所述电功率的源；

控制电路，被配置成通过调制到达所述能量泵的所述反馈感测值调节所述插入电压，所述控制电路被配置成至少部分地响应于所述回路电流的变化来调制所述反馈感测值；

回路感测电阻器，与直流电源的第二端电通信，所述电阻器被配置成提供所述电源管理电路中的电流的回路电流感测值；和

回路电流读出放大器，被配置成接收所述回路电流感测值并输出回路电流感测信号；以及

无线通信设备，与所述电源管理电路电通信并且被配置成接收来自所述电源管理电路的电功率；

所述处理控制装置进一步包括：

电压转换器，被配置成输入来自所述直流电源的DC电压并将所述充电电压输出至所述电源管理电路，其中，所述电压转换器、所述现场设备的第一端与所述直流电源的第一端电通信；

电流感测电阻器，与所述现场设备的所述第二端电通信；以及

处理器，与所述回路电流读出放大器电通信，所述处理器被配置成接收所述回路电流感测信号，所述处理器被配置成停用所述电压转换器，使得所述电源管理电路中的电流大致为与所述现场设备、所述回路感测电阻器以及电流感测电阻器串联的所述直流电源的回路电流；

现场设备开关，被配置成选择性地创建用于所述电流感测电阻器的开路条件，其中，所述处理器被配置成控制所述现场设备开关以选择性地创建用于所述电流感测电阻器的所述开路条件。

17.根据权利要求16所述的处理控制装置，其中，所述现场设备包括电压传感器。

18.根据权利要求16所述的处理控制装置，其中，进一步包括与所述能量泵电通信的电存储元件，所述电存储元件被配置成存储所述充电电压作为存储功率。

19.根据权利要求18所述的处理控制装置，其中，所述电存储元件包括电容器和电池中的至少一种。

20.根据权利要求18所述的处理控制装置，进一步包括与所述电存储元件电通信的电压调节器，所述电压调节器被配置成调节所述存储功率并输出所述电源管理电路的所述电功率。

21.根据权利要求18所述的处理控制装置，进一步包括：与所述电存储元件电通信的分压电路，所述分压电路被配置成防止所述电存储元件的过电压条件。

22.根据权利要求16所述的处理控制装置，其中，所述控制电路进一步包括反馈放大器，被配置成向所述能量泵输出所述反馈感测值，并且所述反馈放大器包括：

第一输入端，被配置成接收参考电压；

第二输入端，被配置成接收具有与所述插入电压的倍数相关的值的反馈电压；以及

输出端，与所述能量泵电通信。

23.根据权利要求22所述的处理控制装置，进一步包括：定标器，被配置成输入所述插入电压的至少一部分并且将作为所述插入电压的可选倍数的反馈电压输出至所述放大器的所述第二输入端。

24.根据权利要求23所述的处理控制装置，所述处理器被配置为控制所述定标器。

25.根据权利要求24所述的处理控制装置，其中，所述处理器被配置成以快速部署模式进行操作，并且进一步被配置成当检测到所述回路电流达到阈值时通过控制所述定标器提高所述插入电压。

26.根据权利要求16所述的处理控制装置，进一步包括过电流保护电路，被配置成如果所述回路电流超过过电流阈值，则停用所述电源调节器。

27.根据权利要求16所述的处理控制装置，进一步包括：

可寻址远程传感器高速通道(“HART”)接口，被配置成根据HART协议与所述现场设备通信，所述可寻址远程传感器高速通道接口被配置成与所述电流回路电容耦合，所述可寻址远程传感器高速通道接口与所述无线通信设备相关联以促进根据HART协议的通信。

28.根据权利要求16所述的处理控制装置，其中，所述控制电路被配置成将所述插入电压调节到大约0.5伏直流电和大约2.5伏直流电之间。

29.根据权利要求16所述的处理控制装置，其中，所述电源为电池。

30.一种用于管理现场设备和无线通信设备的电源的方法，所述方法包括：

接收来自电池的DC电压，所述电池被配置成为所述现场设备提供回路电流；

将所述DC电压转换为充电电压，在测量所述现场设备的回路电流的操作期间选择性地停止这种转换；

将所述充电电压传送至电存储元件；以及

存储所述充电电压作为用于传送至所述无线通信设备的所述电存储元件中的存储功率；

所述方法进一步包括：

通过由处理器所控制的现场设备开关，停止所述回路电流以将所述现场设备设置为休眠模式；以及

使所述电流能够唤醒所述现场设备。

31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：

测量所述回路电流；以及

当所述回路电流超过阈值时，停止所述回路电流。

32.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：调节从所述电存储元件传送至所述无线通信设备的所述存储功率。

33.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：

使用可寻址远程传感器高速通道(“HART”)协议通过所述现场设备传送处理控制数据。

34.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：

使用无线通信设备通过网关传送所述处理控制数据。