CN103733498A - 通用电压离散输入电路 - Google Patents
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Abstract
通用电压离散输入电路将高电压耗尽型场效应晶体管与低电压可调节精密并联稳压器和隔离电路组合使用，从而将低电压数字逻辑电路连接到开关外部电压，其电压范围为从大约7伏至大约1000伏AC或+/-DC，电流为固定低值。除了在始终如一的低电流值时接受宽范围输入电压之外，还在外部电压和低电压数字逻辑电路之间提供极高电压隔离，消除了接地回路和共模噪声。
Description
相关的专利申请
本申请要求由Daniel Rian Kletti和Timothy Mark Kromrey于2010年9月27日提交的名称为“Universal-Voltage Discrete Input Circuit”的共同拥有的美国临时专利申请系列号61/386,834的优先权，并且由此通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及用于耦接到数字逻辑电路的电压输入电路，具体地，涉及通用电压离散输入电路，其能够接受宽范围的输入电压，而引起小电流值。
背景技术
用于离散电压输入电路的在先设计仅能够接受特定窄范围内的电压水平内的输入，并且在期望的操作温度范围内既不准确也不可靠。对于每个特定窄范围的电压水平来说，需要不同的电路配置，并且/或者需要跳线、开关、固件等设备来重新配置输入电路，从而满足应用电压需求。
参考图1，其示出了现有技术的用于耦接到数字逻辑电路的电压输入电路的示意图。图1中示出的电路允许窄范围的输入电压，从而安全地驱动数字电路的逻辑输入。输入电压施加到串联连接的第一限流电阻102和齐纳二极管104。齐纳二极管104被选择用于将第二电压限制到串联连接的第二限流电阻106和光耦合器108的输入发光二极管(LED)上。
例如，如果齐纳二极管104的导通电压选定为5.7V并且期望5毫安(ma)的电流流过隔离电路108的LED部分，则可以按下式计算第二限流电阻106的电阻值：R106＝(5.7V-0.7V)/5ma，计算而得的第二限流电阻106的阻值为1000欧姆。对于齐纳二极管来说，输入电压必须大约5.7V以将全部5.7V电压提供给第二限流电阻106，比其小的输入电压将降低流过光耦合器108的LED的电流。当流过隔离电路108的LED的电流明显降低时，光耦合器108在将存在的输入电压转移给逻辑电路时变得不可靠。
由于输入电压增加，流过第一限流电阻102和齐纳二极管104的电流将相应地增加。由于齐纳二极管104和第一限流电阻102的瓦特数必须设计为满足最坏情况下的最大输入电压，因此这种情况不是期望的。此外，输入电压源的电流负载也增加了。例如，在输入电压为10.7V并且流过第一限流电阻102的电流为10ma时，第一限流电阻所需的电阻值将为500欧姆。如果输入电压为105.7V，则流过第一限流电阻102的电流将为200ma，并且流过齐纳二极管104的电流将为195ma。在该电流值时，第一限流电阻102和齐纳二极管104必须是额定的以具有至少20W的功率耗散。此外，输入电压源必须能够提供20W的负载。这是极其不期望的，因此，限制了可以在不改变第一限流电阻102的值的情况下安全处理的输入电压的范围。
工作温度变化也将影响上述组件的特性，从而低的端电压时的正常运行将随着温度变化。此外，较高的输入电压和工作温度可能导致上述的一个或多个组件发生故障或失效。
发明内容
因此，需要一种接受更宽范围输入电压的电压输入电路，而不会增加来自输入电压源的电流，其还在期望的温度范围内以及整个输入电压范围内具有稳定的热运行特性。
根据本公开文本的一种特定示例性实施方式，公开了一种用于控制具有电压源的低电压数字电路的装置，该电压源具有宽范围的电压值，该装置包括：具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到电压源；具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；用于为可调节并联稳压器的参考输入提供参考电压的电阻网络，其中，参考电压代表通过电阻网络的电流；及具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；其中，隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间，可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极，可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到电压源的公共节点；由此，可调节并联稳压器使得耗尽型FET在电压源的宽输入电压范围内维持来自电压源的大体上恒定的电流。
根据本公开文本的另一种特定示例性实施方式，公开了一种用于控制具有电压源的低电压数字电路的装置，该电压源具有宽范围的电压值，该装置包括：耦接到电压源的全波桥式整流器；具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到全波桥式整流器；具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；用于为可调节并联稳压器的参考输入提供参考电压的电阻网络，其中，参考电压代表通过电阻网络的电流；及具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；其中，隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间，可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极，可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到全波桥式整流器；由此，可调节并联稳压器使得耗尽型FET在电压源的宽输入电压范围内维持来自电压源的大体上恒定的电流。
根据本公开文本的又一种特定示例性实施方式，公开了一种控制具有电压源的低电压数字电路的方法，该电压源具有宽范围的电压值，所述方法包括下述步骤：提供具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到电压源；提供具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；从电阻网络为可调节并联稳压器的参考输入提供参考电压，其中，参考电压表示通过电阻网络的电流；提供具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；将隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间；将可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极；将可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到电压源的公共节点；及通过利用可调节并联稳压器控制耗尽型FET的栅极电压而使来自源电压的电流在电压源的宽范围的输入电压内大体上维持恒定。
附图说明
为了更加完整地理解本发明及其优点，现在结合以下简要描述的附图，参照后续的说明。
图1示出了现有技术的用于耦接到数字逻辑电路的电压输入电路的示意图；
图2根据本公开文本的特定示例性实施方式示出了通用电压离散输入电路的示意图；
图3根据本公开文本的另一特定示例性实施方式示出了图2的添加了输入状态指示器的通用电压离散输入电路的示意图；及
图4根据本公开文本的特定示例性实施方式示出了图2的通用电压离散输入电路的更详细的示意图，其示出了输入和输出辅助电路以及旁路和信号平滑电容器。
尽管本公开文本能够承受各种修改和替换形式，但是在附图中示出了特定示例性实施方式并且在本文中详细描述了特定示例性实施方式。然而，应该理解，本文中特定示例性实施方式的描述并不旨在将公开文本限制于本文公开的特别形式，相反，该公开文本覆盖所附权利要求限定的所有修改和等效物。
具体实施方式
现在参照附图，示意性图示了本发明的示例性实施方式的细节。附图中相同的元件将由相同的数字表示，并且相似的元件将由不同小写字母后缀的相同数字表示。
参考图2，其示出了根据本公开文本的特定示例性实施方式的通用电压离散输入电路的示意图。大体上由标号200表示的通用电压离散输入电路包括耗尽型场效应晶体管(FET)210、隔离电路108(出于展示的目的，示为光耦合器)、偏置电阻212、214和216以及低电压可调节精密并联稳压器218。耗尽型FET210设计用于即使在不存在栅极电压时也允许电流流过，因此，电流将从漏极流向源极，而栅极上没有电压，但是，参考其源极(类似于三极真空管)，可以利用施加到FET210的栅极的负电压来控制电流。
隔离电路108具有隔离输入和隔离输出，并且举例来说，可以是但不限于是具有用于隔离输入的发光二极管(LED)和用于隔离输出的光电晶体管的光耦合器，例如，Omron G3VM MOS FET继电器、具有用于隔离输入的线圈和用于隔离输出的触点的机电继电器、变压器耦合的数字隔离器(例如：Analog Devices公司的ADUM1402)，等等。当足够的电流流过隔离电路108的隔离输入(例如：LED部分)时，例如，大约1ma-大约50ma的电流，其隔离输出(例如：晶体管部分)打开并可以驱动数字逻辑输入电路或其他负载以与转换的输入电压源隔离。隔离电路108的隔离输入(例如：LED部分)和隔离输出(例如：晶体管部分)之间的隔离十分高，例如，可以大于5000V的直流电。
串联连接的电阻214和216耦接在隔离电路的输入回路和通用电压离散输入电路200的公共节点之间，并且形成分压器，该分压器其间的节点耦接到可调节精密并联稳压器218的参考输入220。当电流流过串联连接的电阻214和216时，电压施加到可调节精密并联稳压器218的参考输入220。可以通过改变串联连接的电阻214和216中的一个或两个的电阻值来调节该电压。可调节精密并联稳压器218试图通过调节FET210的栅极电压而在检测电阻214两端保持恒定的电压。随着FET210的栅极电压被调节，流过FET210的电流(从漏极至源极)发生变化，并且流过检测电阻214的电流也发生变化。可调节精密并联稳压器218的这种作用提供了流过隔离电路108的大体上恒定的电流，保证了足够的电流(但电流并未过大)可用于打开隔离电路108的晶体管部分，而与输入电压或环境温度无关。此外，并且作为额外的好处，来自输入电压源的需要的输入电流仍然与流过隔离电路108的电流大体上相同。电阻212是高阻值电阻，其用做从FET210的栅极至源极的电路回路(类似于真空管三极管放大器的栅极和阴极之间的栅极偏置电阻)。
举例来说，可调节精密并联稳压器218可以是但不限于是NationalSemiconductor公司的LMV431低电压(1.24V)可调节精密并联稳压器，并且，举例来说，耗尽型FET210可以是但不限于是IXYS公司的高电压MOSFET IXTP01N100D，其最大Vdss为1000V直流，并且漏极至源极的最大电流为100ma。用于运行通用电压离散输入电路200的输入电压范围可以从低于7V至耗尽型FET210的最大额定电压(例如，对MOSFET IXTP01N100D来说1000V直流)。源自输入电压源的电流仍然保持在恒定的低值(大体上，与流过隔离电路108的隔离输入的电流的值相同)。举例来说，电阻值可以为但不限于为：电阻212＝10000欧姆，电阻214＝1000欧姆，电阻216＝430-910欧姆。
参考图3，其根据本公开文本的另一特定示例性实施方式示出了图2的添加了输入状态指示器的通用电压离散输入电路的示意图。大体上由标号200a表示的通用电压离散输入电路以与上文中全面描述的图2的通用电压离散输入电路200大体上相同的方式运行，但添加了输入状态指示器319，举例来说，其是LED、继电器线圈、听觉警报，等等。无论何时施加至少7V(仅为示例而且不限于7V)的电压输入，输入状态指示器319将启动(例如，发光)，指示存在输入电压。当大体上不存在输入电压时，输入状态指示器319将关闭(例如，熄灭)，并且隔离电路108的隔离输出将关闭(例如，其晶体管发射极和集电极或继电器触点之间的开放高电阻)。无论耦接到隔离电路的隔离输出侧的逻辑电路是否处于激活状态，输入状态指示器319都是可操作的。这使得图3中示出的装置可以在安装和启动活动期间也起作用，而与逻辑电路的控制/仪表侧是否上电或甚至是否安装无关。电阻326可以可选地用于分流状态指示器附近的电流，从而更多的电流可以流过隔离电路108的隔离输入，而不会超出状态指示器319的额定电流。
参考图4，其根据本公开文本的特定示例性实施方式示出了图2的通用电压离散输入电路的更详细的示意图，其示出了输入和输出辅助电路以及旁路和信号平滑电容器。大体上由标号200b表示的通用电压离散输入电路以与上文中全面描述的图2的通用电压离散输入电路200大体上相同的方式运行，但添加了下述装置：允许电压输入为AC或+/-DC的全波桥式整流器420、浪涌/瞬态抑制器422、上拉电阻426以及电流旁路(并联)电阻424。电容C遍布于整个电路实施中，并且电容C可以用于噪声/瞬态抑制、开关稳定性和AC波形平滑。具有模拟电子电路设计领域内的基本技能并且受益于本公开文本的技术人员将轻易地理解到图4中示出的电容的目的及其适当值。
隔离电路108的隔离输出上的上拉电阻426用于生成离散数字逻辑信号(开或关)。当电流流过隔离电路108的隔离输出时，其隔离输出导通(开)并且生成逻辑低电平。当没有电流流过隔离电路108的隔离输出时，其隔离输出不导通(关)并且通过上拉电阻426对Vcc生成逻辑高电平。如图4中所示，可以利用隔离电路108的隔离输出两端的适当的电容过滤掉低幅AC信号的过零干扰。数字逻辑电路输入与高至隔离电路108的额定隔离电压(例如，5000V直流)的输入电压信号相隔离。可以选择分流电阻424以允许更大的电流通过耗尽型FET210，然后通过隔离电路108的隔离输入。
虽然以上已经详细描述了本发明的特定示例性实施方式，但是所述描述仅出于说明目的。因此，应该理解，以上仅仅通过例子描述本发明的很多方面，除非清楚说明，否则并不旨在作为本发明需要或必须的元素。除了以上描述，本领域技术人员可以进行与示例性实施方式公开的方面对应的具有本公开文本的益处的各种修改和等效步骤，而不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围，该范围被给予最宽的解释说明，以便包围这些修改和等效结构。
Claims (20)
1.一种用于控制具有电压源的低电压数字电路的装置，该电压源具有宽范围的电压值，所述装置包括：
具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到电压源；
具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；
用于为可调节并联稳压器的参考输入提供参考电压的电阻网络，其中，参考电压代表通过电阻网络的电流；及
具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；
其中，
隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间，
可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极，及
可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到电压源的公共节点；
由此，可调节并联稳压器使得耗尽型FET在电压源的宽输入电压范围内维持来自电压源的大体上恒定的电流。
2.如权利要求1所述的装置，还包括全波桥式整流器，处于电压源和耗尽型FET的漏极以及可调节并联稳压器的阳极之间，其中，电压源的输入电压可以是交流(AC)、正的直流(DC)和负的DC。
3.如权利要求1所述的装置，其中，电压源的宽输入电压范围是从小于大约七(7)伏至大约1000伏。
4.如权利要求1所述的装置，还包括指示设备，用于当电压源的电压存在于耗尽型FET的漏极时发出指示。
5.如权利要求4所述的装置，其中，指示设备是发光二极管(LED)。
6.如权利要求1所述的装置，其中，隔离电路是光耦合器，其具有用于隔离的输入的发光二极管(LED)和用于隔离的输出的光电晶体管。
7.如权利要求6所述的装置，还包括从隔离电路的隔离的输出至数字电路电压的上拉电阻，其中，当光电晶体管关闭时，上拉电阻提供逻辑高电平。
8.如权利要求1所述的装置，其中，隔离电路是机电继电器，其具有用于隔离的输入的线圈和用于隔离的输出的触点。
9.如权利要求1所述的装置，其中，隔离电路是变压器耦合的数字隔离器。
10.如权利要求1所述的装置，其中，当电压源的输入电压为足够大的值时，隔离电路的隔离的输出打开，否则隔离的输出关闭。
11.一种用于控制具有电压源的低电压数字电路的装置，该电压源具有宽范围的电压值，所述装置包括：
耦接到电压源的全波桥式整流器；
具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到全波桥式整流器；
具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；
用于为可调节并联稳压器的参考输入提供参考电压的电阻网络，其中，参考电压代表通过电阻网络的电流；及
具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；
其中，
隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间，
可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极，及
可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到全波桥式整流器；
由此，可调节并联稳压器使得耗尽型FET在电压源的宽输入电压范围内维持来自电压源的大体上恒定的电流。
12.如权利要求11所述的装置，其中，电压源的宽输入电压范围是从小于大约七(7)伏至大约1000伏。
13.如权利要求11所述的装置，还包括指示设备，用于当全波桥式整流器的电压存在于耗尽型FET的漏极时发出指示。
14.如权利要求13所述的装置，其中，指示设备是发光二极管(LED)。
15.如权利要求11所述的装置，其中，隔离电路是光耦合器，其具有用于隔离的输入的发光二极管(LED)和用于隔离的输出的光电晶体管。
16.如权利要求15所述的装置，还包括从隔离电路的隔离的输出至数字电路电压的上拉电阻，其中，当光电晶体管关闭时，上拉电阻提供逻辑高电平。
17.如权利要求11所述的装置，其中，隔离电路是机电继电器，其具有用于隔离的输入的线圈和用于隔离的输出的触点。
18.如权利要求11所述的装置，其中，隔离电路是变压器耦合的数字隔离器。
19.如权利要求11所述的装置，其中，当电压源的输入电压为足够大的值时，隔离电路的隔离的输出打开，否则隔离的输出关闭。
20.一种控制具有电压源的低电压数字电路的方法，该电压源具有宽范围的电压值，所述方法包括下述步骤：
提供具有漏极、栅极和源极的耗尽型场效应晶体管(FET)，其中，其漏极适于耦接到电压源；
提供具有阳极、阴极和参考输入的可调节并联稳压器；
提供从电阻网络至可调节并联稳压器的参考输入的参考电压，其中，参考电压表示通过电阻网络的电流；
提供具有隔离的输入和隔离的输出的隔离电路；
将隔离电路的隔离的输入耦接在耗尽型FET的源极和电阻网络之间；
将可调节并联稳压器的阴极耦接到耗尽型FET的栅极；
将可调节并联稳压器的阳极和电阻网络耦接到电压源的公共节点；及
通过利用可调节并联稳压器控制耗尽型FET的栅极电压，使来自源电压的电流在电压源的宽范围的输入电压内大体上维持恒定。
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