CN103782580B

CN103782580B - 用于二线制总线对讲系统供电的电子电感电路及其设备

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Publication number: CN103782580B
Application number: CN201280044146.5A
Authority: CN
Inventors: 周大林; 张仰鹏; 刘名元
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: RU2568945C2; AU2012377350A1; CA2849785A1; EP2745501A4; WO2013155669A1; IN2014CN02770A; CN103782580A; US20140232370A1; CA2849785C; EP2745501A1; RU2014115341A; AU2012377350B2; US9203379B2; EP2745501B1; ES2576196T3

Abstract

用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路及其设备。电子电感电路包括主电路通路、电阻器（R1）和续流二极管（D1）、以及次级电路通路；主电路通路沿所述电子电感电路的输入端子（AI）和输出端子（AO）之间的电感器（LI）以及FET（Q1）的源端子（S）和漏端子（D），其中，所述电感器连接到所述FET的所述源端子；电阻器（R1）和续流二极管（D1）分别并联连接到所述电感器；次级电路通路在所述输入端子和所述输出端子之间沿与第二电阻器（R2）串联连接的电容器（C1），次级电路通路并联连接到所述主电路通路。电子电感电路的解决方案实现了二线制对讲系统的更大的直流电流供电能力：获得稳定的交流阻抗的同时，获得更快速的直流响应。

Description

用于二线制总线对讲系统供电的电子电感电路及其设备

技术领域

本发明涉及对讲系统技术领域，更具体地，涉及用于二线制总线对讲系统供电的电子电感电路及其设备。

背景技术

为了实施二线制视频对讲系统，直流电源、视频载波信号、音频信号以及指令数据信号必须同时在公共二线制总线上传输。因此，系统供电的供电电路及其设备必须包括与公共总线串联连接的电感元件，电感元件允许直流电通过同时还抑制交流信号。然而，若电感线圈被用作电感元件则音频信号频率低至300Hz，这对于本领域技术人员来说属于常识。为了达到足够的阻抗以及供电能力，这种电感器的尺寸将变得非常大。通常，电子电感电路可以用来代替电感线圈以减小其尺寸。由于传统电感电路具有在主电流通路上串联的交流电反馈电阻器，直流电供电能力和交流阻抗受到限制，因此，二线制视频对讲系统的尺寸受到限制。

特别地，US6087823A公开了一种传统电子电感电路。图1和图2分别示出一种传统的电子电感电路。如图1所示，电子电感电路EL1包括P沟道FET Q1、电阻器R1、R2以及电容器C1，其中，端子AI作为输入端子并且端子AO作为输出端子。在端子AI和AO之间，沿P沟道FET Q1的漏端子D和源端子S以及串联连接的电阻器R1形成主电流通路。在端子AI和AO之间，电阻器R2和电容器C1串联连接，串联连接的电阻器R2和电容器C1并联连接到主通路。此外，电阻器R2和电容器C1之间的连接节点B1连接到FET Q1的栅极端子。

以图1为例，将AI连接到稳定的直流电供电并将AO连接到设备负载时，电容器C1两端的电压无法瞬变地发生变化，即U_C1＝0，U_GS＝0并且Q1仍然关断。通过设备负载U_AI-U_AO＝U_AI＝U_R2，AO的电压将降到参考GND，于是电阻器R2对C1充电。当C1两端的电压大于FET Q1的栅极阈值电压时，Q1开始导通。当电流I1达到设备负载所要求的电流值时，电容器C1的充电将停止并且U_GD＝0，因此，电子电感电路EL1的电压降由如下等式(1)表示：

U_EL1＝U_AI-U_AO＝U_R1+U_SG＝I₁*R₁+U_SG (1)

接下来，关于电子电感电路EL1的交流阻抗，如果在端子AO处产生波动电压ΔU，则C1两端的波动电压是ΔU_C1＝ΔU*Z_C1/(R2+Z_C1)。同时，ΔU_C1＝ΔU_SG+ΔU_R1＝ΔI1/gm+ΔI1*R1,于是ΔU*Z_C1/(R2+Z_C1)＝ΔI1/gm+ΔI1*R1。因此，端子AI和AO之间的交流阻抗Z_EL1由如下等式(2)表示：

Z_EL1＝(R1+Z_Q1)//(R2+Z_C1)＝{(1+R1*gm)/gm}*{(R2+Z_C1)/Z_C1}//(R2+Z_C1) (2)

其中，Z_C1＝1/(j*ω*C1)＝1/(j*2*π*f),“gm”表示FET Q1的跨导。

当电子电感电路EL1允许直流电通过时，优选的是使由等式(1)表示的电压降U_EL1很小并且直流电快速响应，电压降U_EL1由等式(1)表示。另一方面，由等式(2)表示的交流阻抗Z_EL1应比对讲系统的电缆环线电阻足够大，而且，其不随直流电的变化而变化。

图2示出与图1相似的电子电感电路EL2。主要区别在于：使用电子电感电路EL1中的N沟道FET代替图1中的P沟道FET Q1。相应地，图2中的电路的每个部分与图1中的每个部分相反地布置。按照这种方式，上文描述的等式(1)和(2)还可以分别适合于表示电子电感电路的端子AI和AO之间的电压降和交流阻抗。

根据上文的描述，对本领域技术人员来说，很显然，由上文的等式(1)所表示的电子电感电路EL1的端子AI和AO之间的电压降U_EL1是在电流是I1期间R1两端的电压降与U_SG的和。通常，可以选择具有合适的U_GS的FET，使得FET源端子和漏端子之间的电压降U_SD同样合适，因此，在总线传输的音频信号不会产生失真并且电压不会太大。但是R1两端的电压降线性成比例于R1和I1的值，当需要大型对讲系统并且许多视频对讲设备并联连接到公共总线时，直流电流I1将变得非常大；R1的电压降也变得非常大，这意味着R1的消耗将变得很大。

为了减小电压降和R1的消耗，R1必须非常小。但是根据等式(2)，如果R1不够大，则Z_EL1也成比例于R1的值。如果R1没有被充分的减小，则Z_EL1不足。根据等式(2)，如果R1不够大，则Z_EL1发生变化并且取决于FET Q1的跨导gm。由于gm受到穿过Q1的直流电I_L的影响，所以，Z_EL1随着直流电I_L的增大而减小。如果期望直流电流大于1A，则Z_EL1对于音频信号传输是不足的。

此外，对于以300Hz的低频传输的音频信号，Z_EL1必须是充足的，但是根据等式(2)，Z_EL1与频率具有一阶频响关系。因此，随着频率从300Hz到降低，Z_EL1慢慢减小，这意味着电子电感电路对于直流电供电响应非常慢。

总之，根据等式(2)，R1的电阻必须足够大以在具有用于交流电反馈的电阻元件的传统电子电感电路中实现充足的交流阻抗，同时，根据等式(1)，R1的电阻必须足够小以实现足够低的电压降和功率消耗。因此，包括上文提到的现有技术的现存解决方案无法同时提供大的直流电流和充足的交流阻抗。由于上述问题，本发明提出用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路及其设备。

发明内容

本发明的主要目的是提供用于电子电感电路的具有足够大的交流阻抗的大直流电流。因此，本发明提供用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路及其设备。

根据本发明的一个方面，本发明提供用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路。电子电感电路包括：主电路通路、电阻器和续流二极管、以及次级电路通路；主电路通路沿电子电感电路的输入端子和输出端子之间的电感器以及FET的源端子和漏端子，其中，电感器连接到FET的源端子；电阻器和续流二极管分别并联连接到电感器；次级电路通路在输入端子和输出端子之间沿与第二电阻器串联连接的电容器，次级电路通路并联连接到所述主电路通路；电容器和第二电阻器之间的节点与FET的栅极端子连接。

根据本发明另一个优选的实施例，电感器和FET串联连接。

根据本发明另一个优选的实施例，电子电感电路进一步包括第二二极管，第二二极管并联连接到FET的源端子和漏端子。

根据本发明另一个优选的实施例，FET是P沟道FET。

根据本发明另一个优选的实施例，P沟道FET的漏端子连接到输出端子。

根据本发明另一个优选的实施例，电感器连接在输入端子和P沟道FET的源端子之间。

根据本发明另一个优选的实施例，FET是N沟道FET。

根据本发明另一个优选的实施例，N沟道FET的漏端子连接到输入端子。

根据本发明另一个优选的实施例，电感器连接在N沟道FET的源端子和输出端子之间。

本发明的实施例提供用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路及其设备，实现了二线制对讲系统的更大的直流电流供电能力：获得稳定的交流阻抗的同时，获得快速直流供电响应。

附图说明

在下文的描述中，将参考附图中示出的优选示例性实施例对本发明的主题进行更加详细的说明，其中：

图1示出一种根据现有技术的具有P沟道FET的传统电子电感电路的电路图；

图2示出另一种根据现有技术的具有N沟道FET的电子电感电路的电路图；

图3示出一种根据本发明优选实施例的用于二线制总线对讲系统的供电的具有P沟道FET的电子电感电路的电路图；以及

图4示出一种根据本发明另一个实施例的用于二线制总线对讲系统的供电的具有N沟道FET的电子电感电路的电路图。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明示例性实施例进行描述。出于清楚和简洁的目的，说明书中不对实际实施的所有特征进行描述。

本发明提供具有低消耗功率的电子电感电路；同时，这种电子电感电路还实现稳定的交流阻抗，该稳定的交流阻抗不根据直流电变化而变化。因此，本发明提供用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路，其中，该电路包括：主电路通路、电阻器和续流二极管、以及次级电路通路；主电路通路沿所述电子电感电路的输入端子和输出端子之间的电感器以及FET的源端子和漏端子，其中，所述电感器连接到所述FET的所述源端子；电阻器和续流二极管分别并联连接到所述电感器；次级电路通路在所述输入端子和所述输出端子之间沿与第二电阻器串联连接的电容器，次级电路通路并联连接到所述主电路通路。

例如，图3示出一种根据本发明优选实施例的用于二线制总线对讲系统的供电的具有P沟道FET的电子电感电路的电路图。

如图3所示，电子电感电路EL2包括电容器C1、电阻器R1、电感线圈L1、续流二极管D1、第二电阻器R2、P沟道FET Q1以及第二二极管。详细地，电子电感电路的输入端子AI和输出端子AO之间的主电路通路沿电感器L1以及P沟道FET Q1的源端子和漏端子，电感器L1与FET Q1串联连接。此外，电感器L1连接在AI端子和FET Q1的源端子之间，电阻器R1和续流二极管D1分别并联连接到电感器L1，所述P沟道FET Q1的漏端子连接到输出端子，电容器C1和第二电阻器R2之间的连接节点B1连接到P沟道FET Q1的栅极端子。电子电感电路进一步包括第二二极管，第二二极管并联连接到所述FET的所述源端子和所述漏端子。这种第二二极管是嵌入MOSFET中的普通二极管，被配置成防止V_DS发生过电压。

以图3的实施例作为示例，R1是电路的交流阻抗的关键因素，并且可以被设置为大约4.7Ω。在实际的实施例中，电路的交流阻抗最大大约为2kΩ。关于电感器L1，应当选择电感器L1以使交流阻抗ZL＝2*π*f*L在300～3400Hz频率下远大于4.7Ω。对于电容器C1，该值应能确保大约300Hz的滤波器截止频率。将AI连接到稳定的直流电供电并将AO连接到设备负载(即电流负载)时，电容器C1两端的电压无法瞬变地发生变化。即U_C1＝0，U_GS＝0，并且Q1仍然关断。通过设备负载U_AI-U_AO＝U_AI＝U_R2，AO的电压降至参考GND，于是电容器C1由电阻器R2进行充电。当C1两端的电压大于FET Q1的栅极阈值电压时，Q1开始导通。当电流I1达到设备负载所需的电流值时，电容器C1的充电停止并且U_GD＝0，因此，电子电感EL2的电压降是U_EL2＝U_AI-U_AO＝U_Z1+U_SG。

由于电感线圈L1的直流电阻值远小于附加的电阻器R1，所以，Z1的交流阻抗主要由电感线圈L1决定，即Z1＝R_L1//R1≈R_L1；因此，电子电感EL2的电压降由如下的等式(3)表示：

U_EL2＝U_AI-U_AO＝I1*R_L1+U_SG (3)

其中，电感线圈的直流电阻值相比于电阻器R1的电阻值足够小，即Z1＝R_L1//R1≈R_L1。

接下来，关于电子电感EL2的交流阻抗，如果在端子AO处发生电压波动ΔU，则C1两端的电压波动是ΔU_C1＝ΔU*Z_C1/(R2+Z_C1)。同时，ΔU_C1＝ΔU_SG+ΔU_R1＝ΔI1/gm+ΔI1*Z1,于是ΔU*Z_C1/(R2+Z_C1)＝ΔI1/gm+ΔI1*Z1；因此R1+Z_Q1＝ΔU/ΔI1＝

(1+Z1*gm)*(R2+Z_C1)/(Z_C1*gm)＝{(1+Z1*gm)/gm}*{(R2+Z_C1)/Z_C1}

由于电感线圈L1的交流阻抗值比附加的电阻器大得多，因此，Z1的交流阻抗由附加的电阻器R1决定，即Z1＝R_L1//R1≈R1，于是R1+Z_Q1＝ΔU/ΔI1＝(1+Z1*gm)*(R2+Z_C1)/(Z_C1*gm)≈{(1+R1*gm)/gm}*{(R2+Z_C1)/Z_C1}

因此，端子AI和AO之间的交流阻抗Z_EL2由如下的等式(4)表示：

Z_EL2＝(R1+Z_Q1)//(R2+Z_C1)

＝{(1+Z1*gm)/gm}*{(R2+Z_C1)/Z_C1}//(R2+Z_C1)

≈{(1+R1*gm)/gm}*{(R2+Z_C1)/Z_C1}//(R2+Z_C1) (4)

其中，Z_C1＝1/(j*ω*C1)＝1/(j*2*π*f)，并且“gm”表示FET的跨导。

当电子电感电路EL2允许直流电通过时，优选的是使由等式(3)表示的电压降U_EL2很小并且直流电快速响应。另一方面，由等式(4)表示的交流阻抗Z_EL1应比对讲系统的电缆环路电阻足够大，而且，该交流阻抗Z_EL1不根据直流电的变化而变化。

对本领域技术人员来说，很显然，电子电感电路EL2可以使用N沟道FET代替P沟道FET构建相似的电路作为二线制总线对讲系统的供电。

如图4所示，电子电感电路的元件(除了N沟道FET Q1)与图3中的元件相似；因此，电子电感电路的输入端子AI和输出端子AO之间的主电路通路沿N沟道FET Q1的漏端子和源端子以及电感器L1，并且FETQ1和电感器L1串联连接。此外，电感器L1连接在FET Q1的源端子和AO端子之间，电阻器R1和续流二极管D1分别并联连接到电感器L1，所述N沟道FET Q1的漏端子连接到输入端子AI，电容器C1和第二电阻器R2之间的连接节点B1连接到N沟道FET Q1的栅极端子。电子电感电路进一步包括第二二极管，第二二极管并联连接到所述FET的所述源端子和所述漏端子。

总之，图4中所示的电路与图3中的电路对称。使用图4中所示的电路，端子AI和AO之间的电压降和交流阻抗也适用于分别由等式(3)和(4)所表示。

根据本发明的另一方面，其提供一种设备，该设备包括上文提到的电子电感电路。此外，其还提供一种对讲系统，该对讲系统实现用于二线制对讲系统的更大的直流电流供电，并且二线制对讲系统的容量可以更大。

相比于现存的现有技术，本发明提出的解决方案包括具有附加电阻器和续流二极管作为交流电反馈元件的电感线圈。根据等式(3)和(4)，根据本发明的电子电感电路的直流电压降和交流阻抗不会相互限制，因此，用于二线制总线对讲系统的供电的该电子电感电路及其设备可以实现具有充足的交流阻抗的大的直流电供电。

尽管已经根据一些优选的实施例对本发明进行了描述，但是，本领域技术人员应当理解这些实施例绝对不应限制本发明的范围。在不背离本发明精神和理念的情况下，对实施例做出的任何改变和修改都应在具有本领域普通知识和技术的人员的理解范围内，从而落入由所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims

1.用于二线制总线对讲系统的供电的电子电感电路，其中，所述电子电感电路包括：

主电路通路，所述主电路通路沿所述电子电感电路的输入端子和输出端子之间的电感器以及FET的源端子和漏端子，其中，所述电感器连接到所述FET的所述源端子；

分别并联连接到所述电感器的电阻器和续流二极管；以及

次级电路通路，所述次级电路通路在所述输入端子和所述输出端子之间沿与第二电阻器串联连接的电容器，所述次级电路通路并联连接到所述主电路通路；

所述电容器和所述第二电阻器之间的节点与所述FET的栅极端子连接。

2.根据权利要求1所述的电子电感电路，其中，所述电感器和所述FET串联连接。

3.根据权利要求1所述的电子电感电路，其中，所述电子电感电路进一步包括第二二极管，所述第二二极管并联连接到所述FET的所述源端子和所述漏端子。

4.根据权利要求1所述的电子电感电路，其中，所述FET是P沟道FET。

5.根据权利要求4所述的电子电感电路，其中，所述P沟道FET的漏端子连接到所述输出端子。

6.根据权利要求5所述的电子电感电路，其中，所述电感器连接在所述输入端子和所述P沟道FET的源端子之间。

7.根据权利要求1所述的电子电感电路，其中，所述FET是N沟道FET。

8.根据权利要求7所述的电子电感电路，其中，所述N沟道FET的漏端子连接到所述输入端子。

9.根据权利要求8所述的电子电感电路，其中，所述电感器连接在所述N沟道FET的源端子和所述输出端子之间。