CN103609202A - 具有电隔离天线的负载控制装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制从电源传送到电力负载的功率的负载控制装置（120）包括天线（124）和通信电路（222），以经由射频（RF）信号接收和发送消息。通信电路（222）被耦合至电源，但是被电容性地耦合至天线（124）。电容性耦合（240）通过印刷电路板（PCB）的多个层来形成，其中，每层包括导电迹线，该导电迹线邻近相邻层上的另一条导电迹线。电容性耦合（240）提供天线（124）与通信电路（222）的电隔离，从而提供天线（124）与电源的电隔离。

Description

具有电隔离天线的负载控制装置

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年5月10日提交的名称为LOAD CONTROLDEVICE HAVING AN ISOLATED ANTENNA的美国专利申请US13/468,914的优先权，该美国专利申请要求于2011年5月13日提交的名称为LOAD CONTROL DEVICE HAVING AN ISOLATEDANTENNA的临时美国申请US61/485,962的优先权的权益。

技术领域

本发明涉及用于控制从交流（AC）电源传送到电力负载的功率的量的负载控制装置，并且更特别地，涉及具有接收RF消息的射频（RF）通信电路的负载控制装置，其中，通信电路包括与AC电源电隔离的天线。

背景技术

典型的负载控制装置在操作中控制从交流（AC）电源传送到诸如照明负载或电动机负载的电力负载的功率的量。这些负载控制装置中的很多都包括用于经由通信链路接收或发送数字消息的通信电路。这样的通信链路可以是有线的或者无线的（例如，射频、红外线等）。为了经由无线射频（RF）通信链路接收或发送数字消息，负载控制装置需要天线。一些天线可以完全存在于负载控制装置的外壳内，然而其他天线可以完全或部分地延伸到外壳外部。因为负载控制装置被耦合到AC电源，为了安全原因，延伸到负载控制装置的外壳外部的天线应该与AC电源电隔离。隔离变压器或光耦合器的使用是可以用于将AC电源与负载控制装置的其他元件电隔离的熟知技术，然而这样的现有隔离技术可能很昂贵。从而，存在对于具有与AC电源--以低成本方式--电隔离的天线的负载控制装置的需求。

发明内容

根据本发明的实施例，负载控制装置在操作中控制从AC电源传送到负载的功率的量。负载控制装置包括：印刷电路板，具有包括第一迹线的第一层和包括第二迹线的第二层。第一和第二迹线被设置成相互平行。负载控制装置还包括：天线，与第一迹线电隔离；以及通信电路，与第二迹线电隔离。第一迹线被定向为相对于第二迹线形成电容性耦合，使得天线电容性地耦合至通信电路。

根据本发明的另一个实施例，消息接收结构可以用在负载控制装置中。消息接收结构包括：印刷电路板，具有包括第一迹线的第一层、包括第二迹线的第二层、包括第三迹线的第三层、以及包括第四迹线的第四层。第一、第二、第三、和第四迹线被设置成相互平行。第二迹线位于第一和第三迹线之间，并且第三迹线位于第二和第四迹线之间。消息接收结构包括：天线，电耦合至第一和第三迹线；以及通信电路，电耦合至第二和第四迹线。第一和第三迹线被定向为相对于第二和第四迹线形成电容性耦合，使得天线被电耦合至通信电路。

本发明的其他特征和优点将从参考附图的本发明的以下说明变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的包括负载控制装置的射频（RF）照明控制系统的简化图；

图2A是图1的负载控制装置的透视图；

图2B是图1的负载控制装置的分解图；

图3是图1的负载控制装置的简化示意图；以及

图4是图1的负载控制装置的印刷电路板（PCB）的简化截面图。

具体实施方式

当结合附图阅读时，优选实施例的以上概括以及以下详细说明被更好地理解。出于说明本发明的目的，在图中示出当前优选的实施例，其中，在多个附图中，相同数字表示相同部件，然而，将理解，本发明不限于所公开的特定方法和手段。

图1是可以安装在诸如住处或商业空间的建筑物中的负载控制系统100的简化框图。负载控制系统100包括：负载控制装置120，经由火线（H）和零线（N）端子耦合至交流（AC）电源102，并且在操作中控制经由开关火线（SH）端子传送至照明负载104的功率。负载控制装置120被操作以切换（即，开启和关闭）传送至照明负载104的功率。可替换地，负载控制装置120可操作以使用相位控制调光技术来调节照明负载104的亮度。而且，负载控制装置120可以包括多个开关火线端子，使得其可以独立地控制多个照明负载。负载控制装置120可操作以至少经由例如射频（RF）信号106（即，RF通信链路）的无线信号来接收数字消息。特别是，负载控制装置120可操作以响应于经由RF信号106接收的数字消息来控制照明负载104。负载控制装置120还可操作以经由RF消息106发送数字消息。

负载控制系统100进一步包括无线占用传感器112、无线日光传感器114、以及遥控器116。无线占用传感器112可操作以检测安装有占用传感器的空间中的占用情况（存在占用）或空闲情况（不存在占用）。占用传感器112可操作以响应于检测空间中的占用情况或空闲情况，经由RF信号106将数字消息无线地发送至负载控制装置120。例如，响应于检测空间中的占用情况，占用传感器112可以将数字消息发送至负载控制装置120以使负载控制装置接通照明负载104，并且响应于检测空间中的空闲情况，将数字消息发送至负载控制装置以使负载控制装置关闭照明装置。

日光传感器114可操作以测量安装有日光传感器的空间中的环境光强度。日光传感器114经由RF信号106将数字消息无线地发送至负载控制装置120。例如，如果由日光传感器114检测的环境光强度小于设定点光强度，则日光传感器114可以将数字消息发送至负载控制装置120以使负载控制装置接通照明负载104，并且如果环境光强度大于设定点光强度，则关闭照明负载。

遥控器116包括多个执行器，以提供用于由遥远位置的用户对照明负载104的控制。响应于执行器之一的启动，遥控器116经由RF信号106将数字消息无线地发送至负载控制装置120。例如，遥控器116可以分别响应于用户按压或不按压执行器，将数字消息发送至负载控制装置120，以接通或关闭照明负载104。

RF照明控制系统100的操作在于2008年9月3日提交的名称为RADIO-FREQUENCY LIGHTING CONTROL SYSTEM WITHOCCUPANCY SENSING的美国专利申请US12/203,518和于2010年3月19日提交的名称为WIRELESS BATTERY-POWERED DAYLIGHTSENSOR的美国专利申请US12/727,956（其全部公开结合于此作为参考）中更详细地描述。可替换地，负载控制装置120可操作以响应于经由来自诸如其他调光器、键盘和/或控制器的其他RF装置106的RF信号106接收的数字消息来控制照明负载104，如在1999年5月18日授权公告的名称为METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLINGAND DETERMINING THE STATUS OF ELECTRICAL DEVICESFROM REMOTE LOCATIONS的美国专利US5,905,442（其全部公开结合于此作为参考）中描述的。

图2A是负载控制装置120的透视图，并且图2B是负载控制装置120的分解图。负载控制装置120被设计成被远程安装到例如电气接线盒或安装在电气柜中或任何其他合适的布线位置。负载控制装置120包括由包围印刷电路板（PCB）300的前外壳部分152A和后外壳部分152B形成的外壳152。负载控制装置120进一步包括前盖150（例如，标签），其附着到前外壳部分152A上。

负载控制装置120进一步包括执行器126和可视指示器128。执行器126形成在前外壳部分152A中并且通过前盖150可访问。可视指示器128可以例如包括安装在PCB300上的发光二极管（LED），其通过前外壳部分152A和前盖150可见。执行器126可操作以使负载控制装置120控制照明负载104，并且可视指示器128可操作以提供照明负载的状态的反馈（例如，确认在安装之后，负载控制装置120已被适当地布线）。另外，执行器126可以用于编程或命令负载控制装置120，并且可视指示器128可以在编程期间提供反馈。例如，执行器126可以用于将占用传感器112、日光传感器114、以及遥控器116分配给负载控制装置120，使得负载控制装置将会适当地响应由那些装置发送的RF信号106。

负载控制装置120进一步包括：线单极天线124，其被耦合至PCB300并且延伸通过前外壳部分152A中的开口154。天线124提供对于RF信号106的接收和发送。天线124可以容纳在前外壳部分152A中形成的机械通道156中，并且然后由前盖150部分地覆盖。在安装负载控制装置120期间，负载控制装置的前盖150可以从前外壳部分152A被移出，并且天线124可以可选地从机械通道156被移出，使得天线124可以从外壳自由地延伸。在特定实施例中，当天线124自由地延伸时，负载控制装置120能够从其他控制装置成功地接收RF信号106的范围可能改善。

图3是负载控制装置120的简化框图。负载控制装置120包括在经由火线（H）端子的AC电源102和经由开关火线（SH）端子的照明负载104之间串联电连接耦合的可控导电装置210，用于控制传送到照明负载的功率。可控导电装置210可以包括任何合适类型的双向半导体开关，诸如例如，继电器、三端双向可控硅开关、呈整流桥的场效应晶体管（FET）、或反串联连接的两个FET。可控导电装置210包括耦合至驱动电路212的控制输入。对控制输入的输入使得可控导电装置210导通或不导通，其依次控制提供给照明负载104的AC功率的量。

驱动电路212响应于来自控制器214的命令信号，将控制输入提供给可控导电装置210。控制器214优选被实现为微控制器，但是可以是任何处理装置，诸如，可编程逻辑器件（PLD）、微处理器、或专用集成电路（ASIC）。控制器214从执行器126接收输入，并且控制可视指示器128。控制器214还耦合至存储器216，用于存储照明负载104的当前状态和负载控制装置120被分配到的占用传感器112、日光传感器114、以及遥控器116的序列号。电源218生成直流（DC）电压V_CC，用于给负载控制装置120的控制器214、存储器216、以及其他低压电路供电。特别是，电源218经由火线（H）和零线（N）端子耦合至AC电源102，并且从AC电源获得DC电压V_CC。

过零检测器220确定来自AC电源102的输入AC波形的过零。过零被定义为，在每个半周期的开始，AC电源电压从正极过渡到负极或者从负极过渡到正极的时间。过零信息被提供为到控制器214的输入。控制器214将控制输入提供给驱动电路212，以在关于AC波形的过零点的预定时间操作可控导电装置210（即，将电压从AC电源102提供给照明负载204）。例如，如果可控导电装置210是继电器，则控制器214可以使继电器在AC波形的过零点附近导通，以最小化继电器的触点之间的任何可能电弧。

负载控制装置120进一步包括诸如RF收发器222的通信电路，其与天线124相结合地操作，用于RF信号106的接收和发送。可替换地，通信电路可以包括RF接收器，其与天线124相结合地操作，用于RF信号106的接收。RF收发器222由电源218供电，电源218从AC电源102获得DC电源电压V_CC。从而，RF收发器222通过电源218耦合至AC电源102。为了RF信号106的接收和发送，天线124必须耦合至RF收发器222。然而，因为天线124经由负载控制装置120的开口154延伸到外壳152外部，天线还必须与AC电源102电隔离。从而，RF收发器222不直接电耦合至天线124，而是RF收发器经由电容性耦合240耦合至天线。电容性耦合240进一步提供天线124和AC电源102之间的电隔离。

图4是负载控制装置120的PCB300的简化截面图，其进一步示出天线124和RF收发器222之间的电容性耦合240。PCB300是包括外层320、326和内层322和324的四层PCB。每层320-326都通过非导电层330（即，PCB基板部分）与邻近层分离，非导电层可以例如由FR-4材料制成。例如，外层320通过非导电层330与内层322分离。每层320-326的多个部分都用导电材料（例如，铜）电镀，以形成电耦合多个电气组件的迹线。RF收发器222电耦合至PCB300的外层320上的迹线304A。例如，RF收发器222可以是可操作以被焊接至PCB300的外层320上的迹线304A的表面安装组件。迹线304A还耦合至PCB过孔302A（即，导电电镀通过孔），并且该过孔被形成在延伸通过PCB300的多层320-326的开口（通常为圆形开口）中，其中，开口的周边也用导电材料电镀。过孔320A进一步耦合至内层322上的迹线306A。从而，RF收发器222、过孔302A和迹线304A、306A均被直接电耦合在一起。

天线124被电耦合至PCB过孔302B。例如，PCB过孔302B的直径可以足够大，以容纳形成天线124的电线的一端，使得天线可以被插入到过孔302B中并且焊接到那里。过孔302B被进一步耦合至内层322上的迹线306B和外层326上的迹线304B。从而，天线124、过孔302B、以及迹线306B、304B均被直接电耦合在一起。然而，天线124、过孔302B、以及迹线306B、304B不直接电耦合至（即，不直接电接触）收发器222、过孔302A和迹线304A、306A。从而，在（在外壳152外部延伸的）天线124和（经由电源218耦合至AC电源102的）RF收发器222之间提供电隔离。

然而，因为迹线304A、304B、306A和306B通过PCB300的层320-326相互邻近并且平行设置（即，堆叠）并且从而被定尺寸（dimensioned），所以在天线124和RF收发器222之间形成电容性耦合240。特别是，非导电层330的基板部分形成电容性耦合240的电介质。每条迹线304A、304B、306A和306B的面积都可以被缩放，例如，0.250英寸宽乘0.250英寸长（即，0.0625平方英寸）。PCB300的外层320、326上的迹线304A、304B的厚度可以例如约为0.0007英寸。内层322、324上的迹线306A、306B的厚度可以例如约为0.0014英寸，并且非导电层330的厚度可以在约0.0225英寸和0.014英寸之间的范围内。给定以上提供的说明性尺寸，电容性耦合240的电容可以约为25皮法拉（pF）。然而，电容性耦合240的电容可以在例如10-100皮法拉的范围内。

从而，天线124、RF收发器222、以及电容性耦合240一起形成消息接收结构。当RF信号106由天线124接收时，它们被导入内层322的迹线306B和外层324的迹线304B，并且然后通过非导电层330电容性地耦合至邻近迹线304A和306A，使得RF信号还可以由RF收发器222接收并且随后被处理。类似地，当负载控制装置120必须经由RF收发器222发送数字消息时，RF信号106可以被导入迹线306A和304A，并且然后被电容性地耦合至邻近迹线306B和306A，使得RF信号由天线124发送。

根据可选实施例，电容性耦合240可以通过使用具有多层（即，大于1的任何数量）的印刷电路板中的两层被形成。例如，印刷电路板可以包括四层印刷电路板，其中，仅两层用于形成电容性耦合。可替换地，可以使用两层印刷电路板，其中，仅印刷电路板的外层被用于形成电容性耦合。例如，如果使用两层印刷电路板，则用于形成电容性耦合的迹线的面积可以约为0.134平方英寸。而且，形成电容性耦合的每条迹线的区域不需要是完美的正方形，并且可以是非均匀形状。另外，虽然已经参考包括RF收发器222的负载控制装置120描述了本发明，但是本发明的概念可以被应用至仅具有RF接收器或仅具有RF发送器的负载控制装置。

虽然已经参考用于控制传送至所连接的照明负载的功率的量的负载控制装置120描述了本发明，但是本发明的概念可以应用至包括其他类型的负载控制装置的负载控制系统，诸如，例如，用于调节照明负载的亮度的减光开关、用于控制风扇电动机的风扇速度控制器、用于荧光负载的电子减光镇流器、以及用于发光二极管（LED）光源的驱动器。另外，根据可选实施例，负载控制装置120可以进一步可操作以在有线通信链路以及无线通信链路上通信。例如，负载控制装置120可以经由有线通信链路耦合至其他负载控制装置，使得负载控制装置120可以从其他负载控制装置发送和接收数字消息。

虽然关于特定实施例描述了本发明，但是很多其他变化和修改以及其他使用对于本领域技术人员将变得明显。从而，优选地，本发明不受这里的特定公开内容限制，而仅由权利要求来限制。

Claims (20)

1.一种负载控制装置，用于在操作中控制从AC电源传送至负载的功率的量，所述负载控制装置包括：

印刷电路板，该印刷电路板包括第一层和第二层，所述第一层包括第一迹线，所述第二层包括第二迹线，所述第一迹线和第二迹线被设置成相互平行；

天线，该天线电耦合至所述第一迹线；以及

通信电路，该通信电路电耦合至所述第二迹线；

其中，所述第一迹线被定向以使得相对于所述第二迹线形成电容性耦合，从而使所述天线电容性地耦合至所述通信电路。

2.根据权利要求1所述的负载控制装置，其中，所述电容性耦合提供所述天线和所述AC电源之间的电隔离。

3.根据权利要求2所述的负载控制装置，进一步包括：

电源，该电源在操作中提供DC电源电压以供电给所述通信电路，所述DC电源电压是从所述AC电源获得的；

其中，所述电容性耦合提供所述天线和所述电源之间的电隔离。

4.根据权利要求3所述的负载控制装置，其中，所述通信电路包括至少一个射频接收器。

5.根据权利要求4所述的负载控制装置，还包括：

外壳，用于收纳所述印刷电路板；

其中，所述天线至少部分地位于所述外壳外部。

6.根据权利要求5所述的负载控制装置，其中，所述天线包括线天线。

7.根据权利要求6所述的负载控制装置，其中，所述外壳还包括：适于容纳所述天线的机械通道。

8.根据权利要求7所述的负载控制装置，其中，所述天线从所述外壳的所述机械通道可移出，使得所述天线从所述外壳可自由延伸。

9.根据权利要求2所述的负载控制装置，还包括：

可控导电装置，在操作中控制被传送到所述负载的AC功率的量；

其中，所述天线与所述可控导电装置电隔离。

10.根据权利要求2所述的负载控制装置，其中，所述电容性耦合具有在约10皮法拉和100皮法拉之间的电容。

11.根据权利要求2所述的负载控制装置，其中，所述印刷电路板还包括非导电层，该非导电层设置在所述印刷电路板的所述第一层的迹线和所述第二层的迹线之间。

12.根据权利要求11所述的负载控制装置，其中，所述印刷电路板包括：

第三层，包括电耦合至所述第一迹线的第三迹线；以及

第四层，包括电耦合至所述第二迹线的第四迹线；

其中，所述第一迹线、第二迹线、第三迹线和第四迹线被设置成相互平行，并且所述第二迹线被设置在所述第一迹线和第三迹线之间，并且所述第三迹线被设置在所述第二迹线和所述第四迹线之间，使得所述第一迹线和所述第三迹线被电容性地耦合至所述第二迹线和所述第四迹线。

13.根据权利要求12所述的负载控制装置，其中，所述印刷电路板的所述第一迹线、第二迹线、第三迹线和第四迹线各包括约0.0625平方英寸的面积。

14.根据权利要求13所述的负载控制装置，其中，所述第一迹线、第二迹线、第三迹线和第四迹线的厚度在约0.0007和0.0014英寸之间。

15.根据权利要求14所述的负载控制装置，其中，所述第一迹线、第二迹线、第三迹线、和第四迹线中的每个之间的距离在约0.0225和0.014英寸之间。

16.根据权利要求11所述的负载控制装置，其中，所述印刷电路板是两层印刷电路板，其中，所述第一层和所述第二层形成所述印刷电路板的外层。

17.根据权利要求11所述的负载控制装置，其中，所述印刷电路板是四层印刷电路板。

18.一种在负载控制装置中使用的消息接收结构，所述消息接收结构包括：

印刷电路板，该印刷电路板具有包括第一迹线的第一层、包括第二迹线的第二层、包括第三迹线的第三层以及包括第四迹线的第四层，所述各迹线被设置成相互平行，并且所述第二迹线被设置于所述第一迹线和第三迹线之间，并且所述第三迹线被设置于所述第二迹线和第四迹线之间；

天线，该天线电耦合至所述第一迹线和第三迹线；以及

通信电路，该通信电路电耦合至所述第二迹线和第四迹线；

其中，所述第一迹线和第三迹线被定向以使得相对于所述第二迹线和第四迹线形成电容性耦合，从而使所述天线电容性地耦合至所述通信电路。

19.根据权利要求18所述的消息接收结构，其中，所述负载控制装置适于被耦合至AC电源，并且所述电容性耦合提供所述天线和所述AC电源之间的电隔离。

20.根据权利要求18所述的消息接收结构，其中，所述电容性耦合具有在约10皮法拉和100皮法拉之间的电容。

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