CN108541126B - 具有电容耦接的固有安全隔离 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通信装置。该装置包括具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板。第一对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料。第二对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料。调制器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号。解调器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。

Description

具有电容耦接的固有安全隔离
技术领域
本公开涉及安全隔离，更具体地涉及固有安全隔离的装置和方法。
背景技术
在工业设置中，控制系统用于监测和控制工业和化学过程的库存等。典型地，控制系统使用分布在工业过程中的关键位置的现场设备来执行这些功能，并且通过过程控制回路耦接至控制室中的控制电路。术语“现场设备”是指在分布式控制或过程监测系统中执行功能的任何设备，包括目前已知或尚未知道的用于工业过程的测量、控制和监测的所有设备。通常，这种现场设备具有现场硬化的外壳，使得它们可以在相对恶劣的环境中的户外安装，并能够承受温度、湿度、振动和机械冲击的气候极端情况。现场设备通常以相对较低的功率运行。例如，一些现场设备目前可用于从工作在相对较低电压(12-42VDC)的已知4-20mA回路接收其所有操作功率。
一些现场设备包括换能器。换能器被理解为是基于物理输入产生输出信号或基于输入信号产生物理输出的设备。通常，换能器将输入转换为具有不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变计、流量变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等。
通常，每个现场设备还包括用于通过过程控制回路与过程控制室进行通信的通信电路。在一些安装中，过程控制回路还用于向现场设备传送调节的电流和/或电压以为现场设备供电。过程控制回路还携带模拟或数字形式的数据。
传统地，模拟现场设备已经通过双线过程控制电流回路与控制室连接，每个设备连接以通过单个双线控制回路来控制。在针对模拟模式12-45V并且针对数字模式9-50V的电压范围内，两条线之间保持电压差。一些模拟现场设备通过将流经电流回路的电流调制成与感测到的过程变量成比例的电流来将信号发送给控制室。其他模拟现场设备可以基于通过控制室设置的回路的电流大小在控制室的控制下执行动作。此外或备选地，过程控制回路可以携带用于与现场设备通信的数字信号。
现场设备运行的环境常常因易燃或可燃材料的存在而变得危险。在这些区域中，组件的火花或高表面温度可能引起局部气体点燃和传播爆炸。这些地区被称为危险(级别的)地区。关于防止不必要的点火的方法，已经开发了固有安全规范作为确保在现场设备中有限的能量和温度的手段。符合固有安全要求有助于确保即使在故障条件下，电路或设备本身也不能自身点燃易失性环境。在下文中阐述固有安全要求的一个示例：1988年10月由工厂互助研究所颁布的APPROVAL STA NDARD INTRINSICALLY SAFE APARATUS ANDASSOCAITED APPARATUS FOR USE IN CLASS I,II AND III DIVISION 1HAZARDOUS(CLASSIFI ED)LOCATIONS,CLASS 3610。在例如加拿大标准协会(CSA)和欧洲Cenelec标准等行业标准中还阐述了附加的或备选的认证。
一种可用于服从固有安全标准的技术是将组件与物理屏障分开。分离的量取决于用于形成物理屏障的具体材料以及屏障必须承受的电压。已知如果光隔离器根据固有安全标准被分离，则光隔离器用于在屏障上发送数据。
光隔离器(也称为光隔离器或光耦合器)是使用电磁频谱的不同频率在两个隔离电路之间传送电信号的电气装置。电路之间的隔离防止在其中电路之一中感应或以其他方式存在的大电压或电流被传送或耦接至另一电路。典型地，光隔离器不能在电路之间传输可测量的功率，但可以在隔离电路之间传送信号。
发明内容
提供了一种通信装置。该装置包括具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板。第一对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料。第二对电容板布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料。调制器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号。解调器与所述第一和第二电容器耦接，并被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。
附图说明
图1是根据现有技术的固有安全要求的用于促进通信的光隔离器的示意图。
图2是根据本发明的实施例的用于使用电容耦接在物理屏障两端上传送电信号的电路部件的框图。
图3是根据本发明的实施例的可用于调制用于耦接电容器两端的低频通信信号的一个示例性的非稳态多谐振动器的电路图。
图4是示出根据本发明实施例的通信信号和调制器输出的时序图。
图5是根据本发明的实施例的可用于调制用于耦接电容器两端的低频通信信号的备选非稳态多谐振动器电路的电路图。
图6A是示出根据本发明的实施例的用作用于电容器板的电介质的绝缘电路板材料分离的铜焊盘的电路板的一部分的横截面图。
图6B是示出根据本发明的实施例的形成用于提供双向通信的三种不同的基于电路板的耦接电容器的示意图。
图7是根据本发明实施例的用于解调电容耦接信号以提供原始低频通信信号的解调器电路的电路图。
图8是根据本发明实施例的穿过基于电路板的电容器传送低频通信信号的方法的流程图。
具体实施方式
在包括上述各种现场设备在内的许多电子产品中，光耦合器用于提供能够满足在敏感环境中操作的固有安全要求的通信。使用这些光耦合器，因为它们通常是能够满足固有安全要求的市场上的两种产品之一。变压器(一种类型的产品)也可用于提供固有安全的电隔离，但通常被认为是空间不允许且成本过高的。另一方面，光耦合器或光隔离器使用与检测光的光电晶体管电气和物理隔离的发光二极管。两个部分彼此间隔开，以便满足固有安全间距要求，并通过使用光穿过空间传送信号。
图1是根据现有技术的固有安全要求的用于促进通信的光隔离器的示意图。通常，提供通信输入信号100作为光耦合器102的输入。该输入信号使得发光二极管104产生光106。光106传送或以其他方式穿过物理空间108并由光电晶体管110检测。来自光电晶体管110的信号通常与通信输入相关，尽管通常是反相的。因此，提供来自光电晶体管110的信号作为通信输出112。以这种方式，可以穿过隔离间隙108传送通信信号，以便符合固有安全要求，或以其他方式提供所需的隔离。可以理解的是，如果提供通信输入的电路存在电气问题，例如DC偏移、功率浪涌或其他问题，则这种电路状况将不会被传送给输出电路。相反，通信信号本身将穿过空间108，但是相当多的电能将不穿过空间108。
虽然光耦合器提供了低成本、相对有效的信号通信，同时促进了固有安全性合规，但它们并非不存在局限性。由于老化、环境条件和封装问题，光耦合器可能会劣化到它们不再工作的地步。例如，随着光耦合器老化，封装发光二极管104和光电晶体管110的凝胶变得透明度较低。一旦凝胶变得足够地晦暗，光电晶体晶体管接收的光量可能会降低到输出信号足够劣化以致导致通信故障的地步。
根据本发明的实施例，通过提供通过印刷电路板电容性地耦接通信信号的电路来满足电性隔离通信电路的固有安全要求。该通过印刷电路板的电容耦接是通过使用导电焊盘(在一个实施例中，由铜形成)作为电容器板在印刷电路板上的两层上创建电容器来提供的。通过使用印刷电路板中的硬绝缘作为电容器的电介质材料，同时保持铜焊盘之间所需的固有安全间距(60伏保护等级的峰值电平为0.5mm)，从而满足固有安全间距要求。形成的电容器具有相对较低的电容值。用于在现代现场设备中的隔离电路之间通信的信号的频率可能相对较低，例如28kHz。为了将低频通信信号传送穿过相对低值的基于印刷电路板的电容器，输入信号被调制为较高频率的信号。使用较高频率信号增加了通过基于低电容印刷电路板的电容器耦接的能量。
图2是根据本发明的实施例的用于提供符合固有安全要求的电容耦接通信的电路的方框示意图。最初，在框150处提供相对低频的通信信号，例如频率为28kHz的信号。然后，该信号被传送给产生较高频率信号的调制器152。在一些实施例中，以多谐振动器电路的形式提供调制器152。然而，本领域技术人员将理解，可以使用能够接收输入信号并且生成相应较高频率信号以便调制所述输入信号的任意电路装置。然后将调制的较高频率信号提供给基于印刷电路板的电容器154。如下面将相对于图6A和图6B更详细地描述的，该印刷电路板电容器通常设置成布置在印刷电路板的相对侧上的一对铜焊盘的形式，并且布置为使得印刷电路板的绝缘材料用作电容器的电介质材料。一旦信号穿过印刷电路板电容器，就将其提供给对信号进行解调并对其进行放大的解调器电路156。最后，如框158所示，再生的低频信号由解调器156提供。将在下面更详细地描述图2所示的每个块。
低频通信信号150通常是现代现场设备使用的通信信号。这种现场设备的一个示例是使用低频通信在两个电隔离的固有安全隔离电路之间通信的温度变送器。如上所述，信号的频率通常在28kHz数量级。然而，本领域技术人员将理解，根据本发明的实施例，可以提供低频信号的频率变化以及穿过印刷电路板电容器的适当调制。
调制器152是被配置为接收低频通信信号150并提供相关联的较高频率信号的电路装置。在一个实施例中，使用非稳态多谐振动器来调制低频通信信号150。图3是可以用于增加穿过低电容印刷电路板的电容器的能量传递的一个示例性的非稳态多谐振动器的电路图。在一个实施例中，非稳态多谐振动器仅当通信信号较低时振荡。这是因为当没有通信发生时通信信号保持为高，并且为了保持功率，优选的是，当不发生通信时，多谐振动器空闲。在一个实施例中，调制的目标是低频通信信号的频率的大约15-20倍。这提供了在低值印刷电路板的电容器两端耦接的能量的量与由非稳态多谐振动器消耗的功率之间的合理折中。如图3所示，低频通信信号150设置在接地端子160和输入信号端子162两端。大电阻电阻器164耦接在输入端子162和接地端子160之间。在一个实施例中，大电阻电阻器164具有大约1MΩ的电阻。如图3所示，使用一对NOR门166、168来产生非稳态多谐振动器。信号线162耦接至NOR门166的第一输入168，NOR门166具有与NOR门168的两个输入相耦接的输出170。NOR门168的输出172通过电容器176反馈到第一NOR门166的第二输入174。在一个实施例中，电容器176的值为27pF。附加地，电阻器178将输出170耦接至反馈线路180。在一个实施例中，电阻器178具有大约287kΩ的电阻。通过选择电阻器178和电容器176的值，可以选择非稳态多谐振动器的合适的振荡。如上所述，在一个实施例中，选择调制器以提供为输入信号的频率的15-20倍的频率。附加地，如图3所示，接地端子160耦接至印刷电路板上的接地焊盘182，而输出172耦接至印刷电路板上的信号焊盘184。如下面将更详细描述的那样，根据本发明的实施例，印刷电路板上的焊盘形成与经调制的通信信号相耦接的电容器。
图4是示出在多个时间处的通信信号和调制器输出的时序图。如线200所示，低频通信信号在时间t1从高态转变到低态。低频通信信号保持低态直到返回到高态的时刻t2为止。低频通信信号中从低到高之间的转换之间的该频率可以是28kHz数量级。如上所述，根据本发明的实施例，该频率可能太低而不能有效地耦接穿过符合固有安全间距要求的基于印刷电路板的电容器。因此，调制器152用于产生将有效地转换或穿过印刷电路板的电容器耦接高频信号。如图4所示，在低频通信信号200转变为低态的时刻t1，多谐振动器输出202开始在低态和高态之间振荡。可以看出，在时间t1和t2之间的时间段内，多谐振动器的输出在高低之间转换约32次。这提供了足够高频率的信号，以有效地通过印刷电路板的电容器。图4还示出了另一场景，其中可以看到通过低/高输入而开启和关闭的调制。同样，对于低频通信信号204转变为低态的每个时刻，非稳态多谐振动器输出206将在高态和低态之间开始振荡，并保持在这种振荡状态，直到低频通信信号返回到其高态为止。用这种方式，非稳态多谐振动器仅当通信输入信号为低时振动。这是由于当没有通信发生时低频通信信号保持为高，从而节省多谐振动器的功率。
如上所述，调制器可以以任意合适的电路来提供。图5是使用NAND调制器电路形成的非稳态多谐振动器的电路图。在该多谐振动器中，仅当通信输入信号保持为高时才发生振荡。对于在没有发生通信时保持为低的输入通信电路，该设计可能是最佳的或更有效的。可以看出，除图3的NOR门被替换为NAND门之外，电路152与图3所示的电路类似。
图6A和图6B示出了根据本发明的实施例的以固有安全隔离方式耦接通信信号的三个基于印刷电路板的电容器的结构和布局。如图6A和图6B所示，电容器由印刷电路板材料本身形成。虽然印刷电路板可以由任意合适的印刷电路板材料形成，但是一个具体示例使用FR-4印刷电路板材料。FR-4是由具有阻燃性的环氧树脂粘合剂的编织玻璃纤维布组成的复合材料。
印刷电路板材料具有设置在第一侧上的第一铜层300和设置在绝缘材料304的第二侧上的第二铜层302。在图6A所示的示例中，铜层由完成的(finished)1盎司铜形成。铜焊盘之间的绝缘材料304用作电容器的电介质。以这种方式，通过使用印刷电路板的硬绝缘304作为电介质并将铜焊盘放置在相对的材料层304上，在印刷电路板上创建电容器。根据可提供60伏保护等级的峰值电平的固有安全间距的需要，印刷电路板(电介质)的厚度必须为0.5mm。在一些固有安全规范(例如附录F)中，间距可以进一步降低，例如降至0.2mm。如图6B所示，使用三组铜焊盘创建三个电容器。前两个电容器306、308用于在任一方向上穿过隔离屏障耦接信号。第三电容器310用于耦接电路公共端以允许AC返回路径。使用下面的等式和参数，可以计算电容器的电容。据估计，通过使用0.20英寸×0.20英寸的焊盘和0.5mm的印刷电路板电介质厚度将创建1.93pF的电容。
Figure GDA0002878666790000071
其中：
k＝4.3(对于FR-4板材料的近似)
Figure GDA0002878666790000081
A＝铜焊盘面积
d＝焊盘之间的距离
Figure GDA0002878666790000082
指SI单位法拉/米，其中F＝法拉，m＝米。
一旦调制信号耦接穿过印刷电路板电容，就需要对其进行解调和放大。图7是可以用于这种解调和放大的一个示例电路装置的电路图。由于基于印刷电路板的电容器的电容非常低，所以解调器需要具有非常小的基极-发射极电容的晶体管，例如可从荷兰埃因霍温的NXP Semic onductors Netherlands BV获得以商品名称BFU550A RF销售的晶体管。该晶体管的发射极电容Ce为0.98pF。附图标记400处所示的基于印刷电路板的电容器和Q1的基极-发射极电容形成用于调制信号的分压器。基于印刷电路板的电容器相对于Q1基极-发射极电容越大，在Q1的基极上调制信号的幅度越大，则越容易解调。晶体管Q1的AC输入信号是由电阻器R1和R2(分别以附图标记402、404示出)移位的直流电平。提供这种电平移位以最佳地导通和截止Q1。集电极的输出406然后驱动施密特触发器非反相缓冲器，该缓冲器将幅度调整到设备的接收电路所需的电平。在节点410处提供输出，并且将是再生的低频通信信号158(如图2所示)。虽然在再生信号中可能存在小的时间延迟，但相对于消息的定时微不足道。
图8是根据本发明实施例的穿过基于印刷电路板的电容器传送低频通信信号、同时符合固有安全要求的方法的流程图。方法500开始于框502，在框502中接收相对低频的通信信号。如上所述，低频通信信号的示例包括在大约28kHz范围内的低频通信信号。接下来，在框504，将低频通信信号调制为相应高频通信信号。在一个示例中，该调制包括具有比相对低频输入信号高大约15-20倍的频率的调制信号。然后，如框506所示，将经调制的信号提供给并通过由印刷电路板材料本身形成的一个或多个电容器传递。如图6A和图6B所示，电容器通常使用形成在印刷电路板材料的绝缘材料的相对侧上的铜板来提供，其中绝缘材料被用作电容器的电介质。合适的印刷电路板材料的一个示例是以通用商品名FR4销售的印刷电路板。接下来，在框508，使用解调器和合适的放大器对调制信号进行解调和恢复。以这种方式，可以发送或传送符合固有安全物理间距要求的信号，而无需使用变压器或光隔离器。
虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。

Claims (16)

1.一种具有电容耦接的固有安全隔离的装置，包括：
具有符合固有安全物理分离规范的厚度的印刷电路板；
第一对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第一电容器，所述第一电容器以印刷电路板的绝缘层形成第一电容器的电介质材料；
第二对电容板，布置在印刷电路板的相对侧，并布置为形成第二电容器，所述第二电容器以印刷电路板的绝缘层形成第二电容器的电介质材料；
调制器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述调制器被配置为接收具有输入信号频率的输入信号，并提供具有高于所述输入信号的频率的调制信号，所述调制器包括振荡电路，所述振荡电路被配置为当所述输入信号处于低态时振荡；
解调器，与第一电容器和第二电容器耦接，所述解调器被配置为检测所述调制信号并提供具有所述输入信号频率的解调信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述调制器被配置为提供具有所述输入信号的至少10倍的频率的所述调制信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对电容板各自具有0.20英寸×0.20英寸的尺寸。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对电容板各自具有0.04平方英寸的面积。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述印刷电路板具有至少0.2mm的厚度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述印刷电路板的厚度为0.5mm。
7.根据权利要求6所述的装置，其中第一电容器具有2.0pF的电容。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述印刷电路板由FR-4印刷电路板材料形成。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述输入信号具有28kHz的频率。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述解调器包括驱动施密特触发器缓冲器的晶体管。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述解调器具有发射极电容小于1.0pF的晶体管。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括第三对电容板，所述第三对电容板设置在所述印刷电路板的相对侧上，并被布置为形成第三电容器，所述第三电容器以印刷电路板的绝缘层形成第三电容器的电介质材料。
13.一种传送通信信号穿过隔离屏障的方法，所述方法包括：
提供具有输入信号频率的输入信号；
将所述输入信号调制成具有高于所述输入信号频率的调制频率的调制信号，其中所述调制信号包括仅在所述输入信号处于单一状态时所述调制信号频率处的振荡；
将调制信号电容耦接通过提供隔离屏障的印刷电路板的绝缘层；以及
在信号通过印刷电路板的绝缘层之后，对调制信号进行解调。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述输入信号频率为28kHz。
15.根据权利要求13所述的方法，其中穿过隔离屏障的通信是双向通信。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述状态是低态。
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