CN107276401A - 本质上安全的功率调节电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种本质上安全的功率调节电路。功率调节电路（105）包括至少一个功率存储设备110，至少一个功率存储设备110具有被耦接以用于从DC功率源160接收功率的电极110a、110b。至少一个有源电流限制（ACL）电路115a、115b、115c耦接到功率存储设备的电极以用于在故障状况下限制从功率存储设备输出的最大功率。DC至DC转换器120使其输入耦接到ACL电路。至少一个消弧电路130a、130b具有第一端子和第二端子以及耦接到DC至DC 120转换器的输出以用于为功率调节电路（105）提供输出端子131、132的短路设备。

Description

本质上安全的功率调节电路

技术领域

所公开的实施例涉及诸如用于为蜂窝调制解调器供电的本质上安全的功率调节电路和电源。

背景技术

蜂窝调制解调器需要高峰值功率（例如，6W或7W）以用于通过蜂窝网络无线地传送数据。为了在诸如石油化工工业、石油和天然气管道以及某些自动化工厂环境之类的危险位置中操作，蜂窝调制解调器设备中耗散的故障功率、电流、电压和能量需要被限制在危险气体的点火能量极限内，并且另外在故障状况下的蜂窝调制解调器设备的表面温度需要被限制在危险气体的点火温度极限内。一种简单的已知方法是将可靠的电阻器（其失效模式仅为开路的薄膜型电阻器）用于功率和电流限制，并且将可靠的齐纳二极管用于限制电压。

发明内容

提供本发明内容来以简化形式介绍对所公开概念的简要选择，所公开的概念在下面在包括所提供的附图的具体实施方式中被进一步描述。本发明内容不意图限制要求保护的主题的范围。

所公开的实施例认识到作为蜂窝调制解调器需要高峰值功率（例如，6W或7W）以用于通过蜂窝网络无线地传送数据，使用常规的电阻器和齐纳二极管实现本质上的安全将使调制解调器电源显著损耗并且还使得难以满足所要求的电池寿命（例如，5年）和尺寸约束，因为高功率齐纳二极管一般在尺寸上太大。所公开的本质上安全（IS）的功率调节电路通过包括诸如超级电容器或电池之类的功率存储设备、（多个）有源电流限制（ACL）电路、DC至DC转换器和（多个）消弧电路来提供高效率电源。

放置在功率存储设备和DC至DC转换器之间的（多个）ACL电路有助于向蜂窝调制解调器供给低波纹和被调整的功率。ACL电路限制到蜂窝调制解调器和其它电子组件的故障电流、功率。ACL电路还像保险丝一样起作用，以用于在故障状况下保护（多个）消弧电路，消除为（多个）消弧电路放置额外的保险丝的需要。

一个公开的实施例包括功率调节电路，其包括具有被耦接以用于从DC功率源接收功率的电极的至少一个功率存储设备（例如，超级电容器/电池）。至少一个ACL电路被耦接到功率存储设备的电极，以用于限制在故障状况下从功率存储设备输出的最大功率。DC至DC转换器使其输入耦接到ACL电路。至少一个消弧电路具有第一端子和第二端子以及耦接到DC至DC转换器的输出以用于为功率调节电路提供输出端子的短路设备。

附图说明

图1是根据示例实施例的包括被示出为从电源接收功率并向蜂窝调制解调器提供功率的示例IS功率调节电路的蜂窝调制解调器系统的框图。

图2是根据示例实施例的示例ACL电路的框图。

图3是根据示例实施例的示例消弧电路的示意图。

具体实施方式

参照所附各图描述所公开的实施例，其中贯穿于各图使用同样的附图标记来表示类似或等同的元件。各图不是按比例绘制的，并且它们仅被提供以图示某些所公开的方面。以下参照示例应用来描述若干所公开的方面以用于说明。应当理解的是，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施例的完全理解。

然而，相关领域的普通技术人员将容易认识到，在此所公开的主题可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其它方法来实践。在其它实例中，未详细示出周知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不受所图示的动作或事件的排序限制，因为一些动作可以以不同的次序发生和/或与其它动作或事件同时发生。更进一步地，并非要求所有图示的动作或事件来实现根据在此公开的实施例的方法。

另外，如在此在没有进一步限制的情况下使用的术语“耦接到”或“与…耦接”（等等）意图描述间接或直接的电连接。因此，如果第一设备“耦接”到第二设备，则该连接可以通过其中在路径中仅存在寄生的直接电连接，或者通过经由包括其它设备和连接的中间项的间接电连接。对于间接耦接而言，中间项一般不修改信号的信息，而是可以调整其电流水平、电压水平和/或功率水平。

图1是根据示例实施例的包括示例IS功率调节电路105的蜂窝调制解调器系统100的框图，所述示例IS功率调节电路105被示出为从DC功率源160（被示出为DC源160）接收功率并向蜂窝调制解调器140提供功率。DC功率源160可以包括单个电池、电池组（多个电池）、燃料电池或太阳能电池。DC功率源160总是具有在其两个端子之间在相同方向上流动的电流。功率调节电路105包括至少一个功率存储设备110，所述至少一个功率存储设备110具有用于从DC功率源160接收功率的电极110a、110b。功率存储设备110可以包括超级电容器、可再充电电池、混合层电容器或锂离子电容器。

如在此所使用那样，“超级电容器”（有时也称为超电容器，之前是电双层电容器（EDLC））是高容量电化学电容器，其不是如在常规电容器的情况下那样直接在电介质材料中存储电荷，而是使用在电双层中创建电荷存储的电解质离子。超级电容器提供如下的高容量：该高容量具有与其它电容器（但是一般更低的电压限制）相比更高得多的电容值，该高容量与电解电容器相比典型地每单位体积或质量存储10倍至100倍的更多的能量。超级电容器是商业上可获得的，诸如来自Tadiran Batteries North New Hyde Park，NY的HLC-1550。

超级电容器使用静电双层电容或电化学伪电容或这两者的组合。静电双层电容器一般地使用与电化学伪电容相比具有更高得多的静电双层电容的碳电极或衍生物，实现在导电电极的表面和电解质之间的界面处的亥姆霍兹双层中的电荷的分离。电荷的分离为几个埃的量级，与在常规的电容器中相比更小得多。

功率调节电路105还包括至少一个ACL电路，其被示出为耦接到功率存储设备110的电极110a、110b的彼此串联的ACL 115a、ACL 115b、ACL 115c。如在此所使用的那样，“ACL”是通过连同充当导通（ON）和断开（OFF）开关的晶体管和放大器（例如，运算放大器）一起使用感测电阻器来设置最大负载电流的电路。示出为放置在功率存储设备110和DC至DC转换器120之间的（多个）ACL电路115a、115b、115c有助于向蜂窝调制解调器140供给低波纹和被调整的功率。（多个）ACL电路115a、115b、115c还像保险丝一样起作用，以用于在故障状况下保护（多个）消弧电路130a、130b，消除了放置用于保护（多个）消弧电路130a、130b的附加保险丝的需要。

（多个）ACL电路115a、115b、115c限制对于蜂窝调制解调器和其它电子组件的故障电流、功率。ACL电路被示出为利用ACL电路115a、115b、115c进行三重化，ACL电路115a、115b、115c被示出用于满足按照国际电工委员会（IEC）60079-11的Zone-0内在安全要求。（多个）ACL电路在正常操作期间提供＜0.5欧姆（例如，＜0.1欧姆）的低值串联电阻（即，ACL未触发），其可以与用于已知/常规的功率限制的相对高的电阻（例如，1欧姆）进行比较。（多个）ACL电路115a、115b、115c因此显著地降低功率调节电路105的I²R损耗，这延长了DC功率源160的寿命。

图2是示例ACL 200的框图。Rsense 205是用于感测从功率存储设备110接收的电流的薄膜型低欧姆可靠电阻器（例如，0.11Ω1％）。如上面指明那样，可靠电阻器是薄膜型电阻器，其失效模式仅为开路。跨电流感测电阻器205的电压降由差分放大器210放大。差分放大器210的输出被作为输入通过延迟电路220馈送到比较器215，延迟电路220可以包括可编程延迟电路。延迟电路220有助于对噪声进行过滤，从而ACL 200在短持续时间的峰值电流（＜5msec）内将不会跳闸。比较器215将差分放大器210的输出电压与精确的分流电压基准（示出为Vref）进行比较，并且当差分放大器210的输出电压超过Vref时，经由驱动器225使串联传输晶体管（或开关）230跳闸（打开）。

功率调节电路105还包括具有耦接到ACL电路115a、115b、115c的输入的DC至DC转换器120。DC至DC转换器120可以包括降压和/或升压（还已知为递升）转换器。降压-升压转换器为如下的DC至DC转换器的类型，该DC至DC转换器具有大于或小于输入电压幅值的输出电压幅值，其等同于使用单个电感器而不是变压器的反激转换器。可以使用的其它调节器类型包括单端初级电感器转换器（SEPIC）转换器。DC至DC转换器120在用于蜂窝调制解调器140的输出端子131、132处维持恒定/被调整的电压水平。

功率调节电路105还包括被示出为具有第一端子和第二端子的消弧电路130a、130b的至少一个消弧电路，消弧电路130a、130b包括耦接到DC至DC 120转换器的输出以用于为功率调节电路105提供输出端子131、132的短路设备。如在此所使用的那样，“消弧电路”是包括被用于防止电源单元的过电压状况损坏附接到电源的电路的短路设备的电路，短路设备通过放置跨电压输出（Vo）的短路或低电阻路径来进行操作。

可以使用晶闸管、三极管晶闸管（TRIAC）、硅控整流器（SCR）、撬棍二极管（trisil）或闸流管作为短路设备来实现消弧电路。一旦被触发，消弧电路将电压拉低，通常接近于接地。钳位防止电压超过预设水平。因此，当过电压状况被去除时，消弧电路将不会自动地返回到正常操作；功率需要完全通过电源的电流限制线路去除，或者如电流限制线路失效，则熔断线路保险丝以停止其传导。在图1中重复示出了消弧电路，其中提供第一和第二消弧电路130a、130b以满足Zone-0 IS要求。

图3是根据示例实施例的示例消弧电路300的示意图。消弧电路300包括控制TRIAC310的栅极处的电压的齐纳二极管305。示出为R1的电阻器限制通过TRIAC 310的栅极的电流，并且示出为R2的电阻器限制通过齐纳二极管305的电流。齐纳二极管305的钳位电压被设定从而在正常操作状况期间，跨齐纳二极管305的电压（Vz）低于Vz的钳位电压。由于该电压低于齐纳钳位电压，所以齐纳二极管305保持断开并且非常少的电流（＜0.1mA）被传导通过齐纳二极管305的阴极。R2将使该电流旁路，从而TRIAC 310的栅极将保持在接地电位处，保持TRIAC 310断开。

如果从DC至DC转换器120接收的供给电压增加，则跨齐纳二极管305的电压将超过Vz的齐纳二极管305钳位电压。然后齐纳二极管305将开始抽取更多的通过它的电流，并且使通过TRIAC 310的栅极端子的电流超过TRIAC 310的栅极触发电流。一旦被触发（导通），提供有效短路的TRIAC 310锁存接近于接地的电压。即使在去除了过电压状况时消弧电路也将不会自动地返回到正常操作，从而功率一般必须被完全去除以停止其传导。如果流过ACL 115的电流跨过跳闸电流限制，则在DC至DC转换器120的输入处的ACL 115可以使通过消弧电路300的电流跳闸。

蜂窝调制解调器系统100被进一步示出为包括控制器部分150，其包括处理器151和DC至DC转换器156，处理器151可以包括微处理器、数字信号处理器（DSP）或微控制器单元（MCU），DC至DC转换器156可以包括升压调节器、降压/升压、SEPIC或反激电容电压倍增器/乘法器电路。DC至DC转换器156利用被示出为R2（例如，约5欧姆）的至少一个可靠电阻器（其失效模式仅为开路的薄膜型电阻器）电阻地耦接到功率存储设备110，以用于从功率存储设备110获得功率。

控制器部分150还被示出为包括用于在故障状况下限制电压的齐纳二极管Z₁、Z₂，以及在DC至DC转换器156的输入和输出处的作为滤波电容器的电容器C1和C2。所示出的ACL115a、115b和115c有助于蜂窝调制解调器系统100满足给定的热点火等级（例如，T4）。控制器部分150用于运行调制解调器系统100的通信堆栈/固件（未示出），包括执行对于蜂窝通信而言所需要的诸如互联网协议版本6（IPv6）之类的通信堆栈。

蜂窝调制解调器系统100还被示出为包括在DC功率源160和功率调节电路105之间的可靠电阻器R1（例如，4欧姆）。R1用于把来自功率存储设备110的故障电流限制到安全值，如果输入/电池连接器短路的话。

所公开的实施例一般可以应用于蜂窝调制解调器。所公开的实施例还可以更一般地应用于具有用于其操作的IS保护的需要高效的更高功率的任何设备。

虽然上面已经描述了各种公开的实施例，但是应当理解的是，它们仅仅是已经通过示例方式被呈现而不是进行限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本公开对在此公开的主题作出许多改变。另外，虽然可能已经关于若干实现中的仅一个公开了特定特征，但是这样的特征可以与其它实现的一个或多个其它特征组合，如对于任何给定或特定的应用而言可能想要和有利的那样。

Claims (10)

1.一种功率调节电路（105），包括：

至少一个功率存储设备，其具有被耦接以用于从DC功率源160接收功率的电极110a、110b；

至少一个有源电流限制（ACL）电路115a、115b、115c，其耦接到所述功率存储设备的所述电极以用于在故障状况下限制从所述功率存储设备输出的最大功率；

DC至DC转换器120，其具有耦接到所述ACL电路的输入，以及

具有第一端子和第二端子的至少一个消弧电路130a、130b，其包括耦接到所述DC至DC120转换器的输出以用于为所述功率调节电路（105）提供输出端子131、132的短路设备。

2.根据权利要求1所述的功率调节电路，进一步包括微控制器部分150，所述微控制器部分150包括处理器151和DC至DC转换器156，所述处理器151和所述DC至DC转换器156是利用至少一个可靠电阻器电阻地耦接的以用于从所述功率存储设备110接收功率。

3.根据权利要求1所述的功率调节电路，其中所述功率存储设备110包括至少一个超级电容器。

4.根据权利要求1所述的功率调节电路，其中所述功率存储设备超级电容器包括可再充电电池、混合层电容器或锂离子电容器。

5.根据权利要求1所述的功率调节电路，其中所述消弧电路包括至少一个三极管晶闸管（TRIAC）。

6.一种电源，包括：

DC功率源160；

至少一个功率存储设备110，其具有被耦接以用于从所述DC功率源160接收功率的电极110a、110b；

至少一个有源电流/功率限制（ACL）电路115a、115b、115c，其耦接到所述功率存储设备的所述电极；

DC至DC转换器120，其具有耦接到所述ACL电路的输入；

具有第一端子和第二端子的至少一个消弧电路130a、130b，其包括耦接到所述DC至DC120转换器的输出以用于提供输出端子131、132的短路设备，以及

微控制器部分150，其包括DC至DC转换器156和处理器151，所述DC至DC转换器156和所述处理器151被电阻地耦接以用于从所述功率存储设备110接收功率。

7.根据权利要求6所述的电源，其中所述功率存储设备110包括至少一个超级电容器。

8.根据权利要求6所述的电源，其中所述微控制器部分150包括至少一个可靠电阻器和至少一个齐纳二极管。

9.根据权利要求6所述的电源，其中所述功率存储设备包括可再充电电池、混合层电容器或锂离子电容器。

10.根据权利要求6所述的电源，其中所述消弧电路包括至少一个三极管晶闸管（TRIAC）。