CN108701985A - 用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的系统和方法 - Google Patents

用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的系统和方法 Download PDF

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Abstract

装置（103b、208、400）包括被配置成接收用于一个或多个设备（102b、212）的供应电流的电流感测电阻器（402a‑402d）。该装置还包括被配置成放大电流感测电阻器两端的电压的电流感测放大器（404a‑404d）。装置进一步包括被配置成将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较的比较器（406）。此外，装置包括被配置成接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出的八角驱动器（408a‑408d）。装置还可以包括被配置成接收来自比较器的输出并且基于该输出来控制八角驱动器的输出使能引脚的光耦合器（410a‑410d）。可能有多个电阻器、放大器、比较器、驱动器和光耦合器被布置在多个电路支路中，所述多个电路支路可以被配置成控制与不同设备组相关联的多个设备输出。

Description

用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的系统 和方法
技术领域
本公开一般涉及电子电路。更具体地，本公开涉及用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的系统和方法。
背景技术
工业过程控制及自动化系统常常用于使大且复杂的工业过程自动化。这些类型的系统常规包括各种组件，其包括传感器、致动器和控制器。控制器通常从传感器接收测量结果并生成用于致动器的控制信号。随着时间的过去，这些组件中的一些可能会变得过时并且需要用较新的组件来替换。
发明内容
本公开提供了一种用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的系统和方法。
在第一实施例中，一种装置包括电流感测电阻器，其被配置成接收用于一个或多个设备的供应电流（supply current）。该装置还包括电流感测放大器，其被配置成放大电流感测电阻器两端的电压。该装置进一步包括比较器，其被配置成将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较。此外，该装置包括八角（octal）驱动器，其被配置成接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
在第二实施例中，一种输入/输出（I/O）设备包括应用板。应用板包括电流感测电阻器，其被配置成接收用于一个或多个设备的供应电流。应用板还包括电流感测放大器，其被配置成放大电流感测电阻器两端的电压。应用板进一步包括比较器，其被配置成将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较。此外，应用板包括八角驱动器，其被配置成接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
在第三实施例中，一种方法包括在电流感测电阻器处接收用于一个或多个设备的供应电流。该方法还包括使用电流感测放大器放大电流感测电阻器两端的电压。该方法进一步包括使用比较器将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较。此外，该方法包括在八角驱动器处接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
根据以下各图、描述和权利要求书，其它技术特征对本领域技术人员而言可以是容易地显而易见的。
附图说明
为了更完全地理解本公开，现在参考结合随附各图采取的以下描述，其中：
图1图示了根据本公开的示例工业过程控制及自动化系统；
图2图示了根据本公开的可以与图1的系统结合使用的示例控制器输入/输出（I/O）系统的一部分；
图3图示了根据本公开的具有一个或多个过时零部件的现有I/O模块的组件；以及
图4A和4B图示了根据本公开的改进的I/O模块的组件。
具体实施方式
以下讨论的图1到4B以及本专利文档中用于描述本发明的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应当以任何方式解释成限制本发明的范围。本领域技术人员将理解，可以在任何类型的合适地布置的设备或系统中实现本发明的原理。
图1图示了根据本公开的示例工业过程控制与自动化系统100。如图1中所示，系统100包括促进至少一个产品或其它材料的生产或处理的各种组件。例如，系统100在此用于促进对一个或多个工厂（plant）101a-101n中的组件的控制。每一个工厂101a-101n表示一个或多个处理设施（或其一个或多个部分），诸如用于生产至少一个产品或其它材料的一个或多个制造设施。一般地，每一个工厂101a-101n可以实现一个或多个过程，并且可以单独地或共同地被称为过程系统。过程系统一般表示被配置成以某一方式处理一个或多个产品或其它材料的任何系统或其部分。
在图1中，使用过程控制的普渡模型来实现系统100。在普渡模型中，“级别0”可以包括一个或多个传感器102a和一个或多个致动器102b。传感器102a和致动器102b表示可以执行多种多样的功能中的任何功能的过程系统中的组件。例如，传感器102a可以测量诸如温度、压力或流速之类的过程系统中的多种多样的特性。并且，致动器102b可以更改过程系统中的多种多样的特性。传感器102a和致动器102b可以表示任何合适的过程系统中的任何其它的或附加的组件。传感器102a中的每一个包括用于测量过程系统中的一个或多个特性的任何合适的结构。致动器102b中的每一个包括用于对过程系统中的一个或多个状况起作用或影响过程系统中的一个或多个状况的任何合适的结构。
至少一个网络104耦合到传感器102a和致动器102b。网络104促进与传感器102a和致动器102b的交互。例如，网络104可以输送来自传感器102a的测量数据并且向致动器102b提供控制信号。网络104可以表示任何合适的网络或网络的组合。作为特定示例，网络104可以表示以太网网络、电信号网络（诸如HART或FOUNDATION FIELDBUS网络）、气动控制信号网络或任何其它的或附加的（多个）类型的（多个）网络。
在普渡模型中，“级别1”可以包括一个或多个控制器106，所述一个或多个控制器106耦合到网络104。除了别的之外，每一个控制器106还可以使用来自一个或多个传感器102a的测量结果来控制一个或多个致动器102b的操作。例如，控制器106可以从一个或多个传感器102a接收测量数据并且使用测量数据生成用于一个或多个致动器102b的控制信号。在一些实施例中，控制器106可以通过一个或多个I/O模块103a-103b与传感器102a和致动器102b传送指令和数据。也就是说，控制器106可以通过一个或多个输入I/O模块103a从一个或多个传感器102a接收测量结果，并且可以通过一个或多个输出I/O模块103b控制一个或多个致动器102b的操作。多个控制器106还可以在冗余配置中操作，诸如当一个控制器106作为主控制器操作同时另一个控制器106作为备用控制器（其与主控制器同步并且如果发生关于主控制器的故障则可以取代主控制器）操作时。每一个控制器106包括用于与一个或多个传感器102a交互并控制一个或多个致动器102b的任何合适的结构。每一个控制器106可以例如表示多变量控制器，诸如鲁棒的多变量预测控制技术（RMPCT）控制器，或者实现模型预测控制（MPC）或其它先进的预测控制（APC）的其它类型的控制器。作为特定示例，每一个控制器106可以表示运行实时操作系统的计算设备。
两个网络108耦合到控制器106。网络108诸如通过向控制器106输送数据以及输送来自控制器106的数据而促进与控制器106的交互。网络108可以表示任何合适的网络或网络的组合。作为特定示例，网络108可以表示以太网网络对或以太网网络的冗余对，诸如来自霍尼韦尔国际公司的容错以太网（FTE）网络。
至少一个交换机/防火墙110将网络108耦合到两个网络112。交换机/防火墙110可以从一个网络向另一个输送业务。交换机/防火墙110还可以阻止一个网络上的业务到达另一网络。交换机/防火墙110包括用于提供网络之间的通信的任何合适的结构，诸如霍尼韦尔控制防火墙（CF9）设备。网络112可以表示诸如以太网网络对或FTE网络之类的任何合适的网络。
在普渡模型中，“级别2”可以包括耦合到网络112的一个或多个机器级控制器114。机器级控制器114执行各种功能以支持控制器106、传感器102a和致动器102b的操作和控制，其可能与一件特定的工业装备（诸如锅炉或其它机器）相关联。例如，机器级控制器114可以日志记录（log）由控制器106收集或生成的信息，诸如来自传感器102a的测量数据或用于致动器102b的控制信号。机器级控制器114还可以执行控制控制器106的操作的应用，从而控制致动器102b的操作。此外，机器级控制器114可以提供对控制器106的安全访问。机器级控制器114中的每一个包括用于提供对机器或其它单件装备的访问、控制或者与机器或其它单件装备相关的操作的任何合适的结构。机器级控制器114中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的服务器计算设备。尽管未示出，但是不同的机器级控制器114可以用于控制过程系统中的不同件装备（其中每一件装备与一个或多个控制器106、传感器102a和致动器102b相关联）。
一个或多个操作员站116耦合到网络112。操作员站116表示提供对机器级控制器114的用户访问的计算或通信设备，其然后可以提供对控制器106（并且可能提供对传感器102a和致动器102b）的用户访问。作为特定示例，操作员站116可以允许用户使用由控制器106和/或机器级控制器114所收集的信息来审阅传感器102a和致动器102b的操作历史。操作员站116还可以允许用户调整传感器102a、致动器102b、控制器106或机器级控制器114的操作。此外，操作员站116可以接收和显示由控制器106或机器级控制器114生成的警告、警报或其它消息或显示。操作员站116中的每一个包括用于支持对系统100中的一个或多个组件的用户访问和控制的任何合适的结构。操作员站116中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的计算设备。
至少一个路由器/防火墙118将网络112耦合到两个网络120。路由器/防火墙118包括用于提供网络之间的通信的任何合适的结构，诸如安全路由器或组合路由器/防火墙。网络120可以表示诸如以太网网络对或FTE网络之类的任何合适的网络。
在普渡模型中，“级别3”可以包括耦合到网络120的一个或多个单元级控制器122。每一个单元级控制器122通常与过程系统中的单元相关联，所述单元表示一起操作以实现过程的至少部分的不同机器的集合。单元级控制器122执行各种功能以支持较低级别中的组件的操作和控制。例如，单元级控制器122可以日志记录由较低级别中的组件收集或生成的信息，执行控制较低级别中的组件的应用，并且提供对较低级别中的组件的安全访问。单元级控制器122中的每一个包括用于提供对过程单元中的一个或多个机器或其它件装备的访问、控制或者与过程单元中的一个或多个机器或其它件装备相关的操作的任何合适的结构。单元级控制器122中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的服务器计算设备。尽管未示出，但是不同的单元级控制器122可以用于控制过程系统中的不同单元（其中每一个单元与一个或多个机器级控制器114、控制器106、传感器102a和致动器102b相关联）。
可以通过一个或多个操作员站124提供对单元级控制器122的访问。操作员站124中的每一个包括用于支持对系统100中的一个或多个组件的用户访问和控制的任何合适的结构。操作员站124中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的计算设备。
至少一个路由器/防火墙126将网络120耦合到两个网络128。路由器/防火墙126包括用于提供网络之间的通信的任何合适的结构，诸如安全路由器或组合路由器/防火墙。网络128可以表示诸如以太网网络对或FTE网络之类的任何合适的网络。
在普渡模型中，“级别4”可以包括耦合到网络128的一个或多个工厂级控制器130。每一个工厂级控制器130通常与工厂101a-101n中的一个相关联，所述工厂101a-101n可以包括实现相同的、类似的或不同的过程的一个或多个过程单元。工厂级控制器130执行各种功能以支持较低级别中的组件的操作和控制。作为特定示例，工厂级控制器130可以执行一个或多个制造执行系统（MES）应用、调度应用或者其它的或附加的工厂或过程控制应用。工厂级控制器130中的每一个包括用于提供对过程工厂中的一个或多个过程单元的访问、控制或与过程工厂中的一个或多个过程单元相关的操作的任何合适的结构。工厂级控制器130中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的服务器计算设备。
可以通过一个或多个操作员站132提供对工厂级控制器130的访问。操作员站132中的每一个包括用于支持对系统100中的一个或多个组件的用户访问和控制的任何合适的结构。操作员站132中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的计算设备。
至少一个路由器/防火墙134将网络128耦合到一个或多个网络136。路由器/防火墙134包括用于提供网络之间的通信的任何合适的结构，诸如安全路由器或组合路由器/防火墙。网络136可以表示诸如企业范围的以太网或其它网络或者更大网络（诸如因特网）的全部或一部分之类的任何合适的网络。
在普渡模型中，“级别5”可以包括耦合到网络136的一个或多个企业级控制器138。每一个企业级控制器138通常能够执行用于多个工厂101a-101n的规划操作并且能够控制工厂101a-101n的各种方面。企业级控制器138还可以执行各种功能以支持工厂101a-101n中的组件的操作和控制。作为特定示例，企业级控制器138可以执行一个或多个订单（order）处理应用、企业资源规划（ERP）应用、先进的规划和调度（APS）应用或任何其它的或附加的企业控制应用。企业级控制器138中的每一个包括用于提供对一个或多个工厂的访问、控制或者与对所述一个或多个工厂的控制相关的操作的任何合适的结构。企业级控制器138中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的服务器计算设备。在本文档中，术语“企业”是指具有要管理的一个或多个工厂或者其它处理设施的组织。注意，如果要管理单个工厂101a，则可以将企业级控制器138的功能性结合到工厂级控制器130中。
可以通过一个或多个操作员站140提供对企业级控制器138的访问。操作员站140中的每一个包括用于支持对系统100中的一个或多个组件的用户访问和控制的任何合适的结构。操作员站140中的每一个可以例如表示运行微软WINDOWS操作系统的计算设备。
普渡模型的各种级别可以包括其它组件，诸如一个或多个数据库。与每一个级别相关联的（多个）数据库可以存储与系统100的该级别或一个或多个其它级别相关联的任何合适的信息。例如，历史记录器（historian）141可以耦合到网络136。历史记录器141可以表示存储关于系统100的各种信息的组件。历史记录器141可以例如存储在生产调度和优化期间使用的信息。历史记录器141表示用于存储信息并促进对信息的检索的任何合适的结构。尽管被示出为耦合到网络136的单个集中式组件，但是历史记录器141可以位于系统100中的其它地方，或者多个历史记录器可以分布在系统100中的不同位置中。
在特定实施例中，图1中的各种控制器和操作员站可以表示计算设备。例如，控制器和操作员站中的每一个可以包括一个或多个处理设备以及用于存储由（多个）处理设备使用、生成或收集的指令和数据的一个或多个存储器。控制器和操作员站中的每一个还可以包括至少一个网络接口，诸如一个或多个以太网接口或者无线收发器。
如下面更详细地描述的，可以设计或修改系统100中的各种组件以支持使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护。例如，输入/输出（I/O）设备可以包括应用板，其中应用板包括多个电流感测电阻器、多个电流感测放大器、至少一个比较器和多个八角驱动器。电流感测电阻器被配置成接收用于一个或多个设备的供应电流，所述一个或多个设备诸如是一个或多个现场设备（比如传感器102a或致动器102b）。电流感测放大器中的每一个被配置成放大电流感测电阻器中的一个两端的电压。所述至少一个比较器被配置成将来自每一个电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较。八角驱动器中的每一个被配置成接收从电流感测电阻器中的一个输出的供应电流，并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个输出。以该方式，可以使用电流感测和温度感测向系统100的各种组件（诸如控制器106）提供改进的保护。
尽管图1图示了工业过程控制与自动化系统100的一个示例，但是可以对图1做出各种改变。例如，系统100可以包括任何数目的传感器、致动器、控制器、服务器、操作员站、网络和其它组件。并且，图1中的系统100的组成和布置仅用于说明。根据特定需要，组件可以被添加、省略、组合或者放置在任何其它合适的配置中。此外，已经将特定功能描述为由系统100的特定组件执行。这仅用于说明。一般地，控制及自动化系统是高度可配置的，并且可以根据特定需要以任何合适的方式进行配置。此外，图1图示了一个示例操作环境，其中可以支持使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护。 该功能性可以用在任何其它合适的系统中，并且该系统不需要与工业过程控制及自动化相关。
图2图示了根据本公开的可以与图1的系统100结合使用的示例控制器输入/输出（I/O）系统200的一部分。如图2中所示，控制器202可以通过I/O链路接口204将指令和数据传送到一个或多个I/O模块206-208。I/O模块206-208与一个或多个现场设备210-212（也称为“受控设备”）交互，用于控制一个或多个工业过程。控制器202可以表示图1中的控制器106中的一个，并且现场设备210-212可以表示图1中的传感器102a或致动器102b中的一个或多个。在特定实施例中，控制器202可以表示霍尼韦尔国际公司的EXPERION 系列C 控制器。
该示例中的I/O模块206表示输入模块，意味着模块206从现场设备接收数据或其它信号以用于输入到控制器。该示例中的I/O模块208表示输出模块，意味着模块208从控制器向现场设备提供数据或其它信号。I/O模块206和208一起可以包括或表示任何数目的模拟输入（AI）、模拟输出（AO）、数字输入（DI）、数字输出（DO）、脉冲累加器（pulseaccumulator）（PI）输入或其它（多个）类型的（多个）输入或（多个）输出（或其任何组合）。控制器202被配置成控制各种设备206-212。在一些实例中，单个控制器202可以传输和接收由控制器应用操纵以执行预定义的动作的数百个相关联的信号，所述动作诸如是打开和关闭现场设备210-212。
在正常操作中，控制器202接收与现场设备210的操作相关联的输入数据，诸如通过周期性地扫描来自I/O模块206的数据来接收与现场设备210的操作相关联的输入数据。控制器202对输入数据执行处理，并且基于经处理的数据、通过将数据或信号传输到I/O模块208来控制现场设备212。I/O模块208继而可以将适当的电压、电流或其它信号驱动到现场设备212。
在某些情况下，诸如随着数月或数年的产品或系统使用，过程控制及自动化系统或控制器I/O系统的一个或多个组件可能变得过时。例如，I/O模块208的一个或多个硬件组件可能停止使用或不再被制造商支持。过时或不受支持的组件可能向系统利益相关者呈现重大问题，尤其在多个工厂站点处存在大的安装基础时。
为了解决这些和其它问题，可以重新设计控制器I/O系统200以包括用于一个或多个过时组件的替换零部件，所述一个或多个过时诸如是与I/O模块208相关联的一个或多个组件。替换设计支持对使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的使用。还可以通过标识应当在长时间段内（诸如在至少8-10年内）可用的组件来选择替换设计。该方法有助于增加生命周期支持并减少总体系统成本。在一些实例中，替换设计可能不需要对形状拟合（form fit）或系统200的模块功能和特征的实质性改变。
尽管图2图示了可以与图1的系统100结合使用的控制器I/O系统200的一部分的一个示例，但是可以对图2做出各种改变。例如，图2中示出的布置仅用于说明。根据特定需要，组件可以被添加、省略、组合或者放置在任何其它合适的配置中。并且，图2图示了一个示例环境，其中可以支持使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护。该功能性可以用在任何其它合适的设备或系统中，并且该设备或系统不需要与工业过程控制及自动化相关。
图3图示了根据本公开的具有一个或多个过时零部件的现有I/O模块300的组件。I/O模块300可以与工业过程控制及自动化系统（诸如系统100）中的控制器结合使用，并且可以表示图2的I/O模块208。
图3中示出的I/O模块300表示霍尼韦尔系列C 24V数字输出模块，其通过到霍尼韦尔C300控制器的增强的I/O链路来提供对32个24V数字输出和接口的控制。I/O模块300包括（未示出的）具有微处理器的内核处理器板和应用板301。应用板301包括电力供应302、高侧驱动器304、四个八角高侧开关器件306（图3中仅示出了其中的一个），以及多个光耦合器308。光耦合器308包括输入侧光耦合器308a和回读侧光耦合器308b。应用板301还包括32个光隔离的24V拉电流（current sourcing）输出310（图3中示出了其中的8个）。每一个拉电流输出310表示用于验证现场输出（field output）状态的光隔离反馈路径。数字输出24V输入/输出端接组装件（IOTA）312为I/O模块300提供所有外部连接。应用板301进一步包括互锁电路314。
高侧驱动器304用于驱动所述四个八角高侧开关器件306，其继而驱动三十二个拉电流输出310。在正常操作中，拉电流输出310被约束到每输出0.5A最大值。高侧驱动器304包括四个输出，其中的每一个耦合到八角高侧开关器件306中的一个。高侧驱动器304的每一个输出向其对应的八角高侧开关器件306提供24V供电，通常为7.5A。
I/O模块300以与热关断相结合的有源电流限制为特征。通过配置，每八角高侧开关器件306允许的最大输出电流是4A（80.5A）。因此，高侧驱动器304可以提供最少超过每一个输出设备所需的最大值1A。如果八角高侧开关器件306中的一个的输出310平均在0.625A和1.25A之间并且输出处的电流限制没有跳闸，则供应该组八个输出310的高侧驱动器304的通道的电流限制功能可以跳闸，从而从该输出设备移除电力。
八角高侧开关器件306的每一个通道被独立地限流到0.7A和1.7A之间。针对过电流和短路电流事件，高侧驱动器304和八角高侧开关器件306使用基于结点温度的保护。有源电流限制中定义了两级保护。第一级保护基于通道的结点温度。过电流状况导致与该通道相关联的器件的结点升到高温阈值（通常为175°C）之上。在这发生时，输出被关闭，直到结点降至低温阈值（通常为135°C）之下。当设备的壳体温度达到第二高温阈值（通常为130°C）时，激活第二级保护。在这发生时，输出被关闭，直到外壳温度降至第二低温阈值（110°C）。第二级保护由高侧驱动器304提供。
应用板301监视由内核处理器提供的三十二个软件控制的输出信号的状态。来自内核处理器的每一个输出信号用于驱动应用板301上的光隔离器电路。信号由光耦合器308电流隔离，并由所述四个八角高侧开关器件306转换到24V DC电平。
在一些实施例中，高侧驱动器304是来自意法半导体公司的VNQ05XSP16四高侧驱动器，并且每一个八角高侧开关器件306是来自意法半导体公司的VN808八角高侧开关器件。这些零部件二者是老一代零部件，并且已经或可能停止使用。随着这些零部件逐步淘汰，I/O模块300的维护和支持将变得更加困难和昂贵。出于这些原因，本公开的实施例提供了改进的I/O模块，其包括用于VNQ05XSP16四高侧驱动器和VN808八角高侧开关器件的替换物。
尽管图3图示了具有一个或多个过时零部件的现有I/O模块300的组件的一个示例，但是可以对图3做出各种改变。例如，虽然可以将用于使用电流感测和温度感测的组合的多级电子保护的方法描述为被实现成帮助替换I/O模块300，但是本专利文档中描述的多级电子保护方法可以在大量设备和系统中找到使用，并且不限于I/O模块或用于图3中的特定I/O模块的替换物。
图4A和4B图示了根据本公开的改进的I/O模块400的组件。I/O模块400可以与工业过程控制及自动化系统（诸如系统100）中的控制器结合使用，并且可以表示图2的I/O模块208。I/O模块400也可以用在任何其它合适的系统中。I/O模块400包括上面关于图3的I/O模块300描述的各种组件。然而，I/O模块400包括I/O模块300中未找到的许多有利特征。
如上面所描述的，针对过电流和短路电流事件，I/O模块300中的高侧驱动器304和八角高侧开关器件306使用基于结点温度的保护。八角高侧开关器件306提供第一级保护，并且高侧驱动器304提供第二级保护。在I/O模块400中，较新的八角驱动器被用于使用基于结点温度的保护方法的第一级保护，以切断到I/O模块的输出的电力供应。针对第二级保护，新方法使用具有分立组件的电路而不是现成的设备。新电路基于电流感测技术，并且与I/O模块300相比更准确。在I/O模块400中，第二级保护使用来自第一级保护设备的使能信号来切断I/O模块输出，如果发生过电流状况的话。
如图4A和4B中所示，I/O模块400包括四个电流感测电阻器402a-402d、四个电流感测放大器404a-404d、至少一个比较器406、四个八角驱动器408a-408d、四个光耦合器410a-410d、两个齐纳二极管412-414和现场设备电力供应416。一个电流感测电阻器、一个电流感测放大器、一个八角驱动器和一个光耦合器的组合形成与八个现场输出的组相关联的功能组或电路支路。由于这些组件中的每一个都有四个，I/O模块400支持三十二个现场输出。然而，请注意，每一个组件的数目和现场输出的总数目可以根据需要或期望而变化。
每一个电流感测电阻器402a-402d从现场设备电力供应416接收负载电流，并将电流输出到对应的八角驱动器408a-408d。当电流通过每一个电流感测电阻器402a-402d时，产生可由对应的电流感测放大器404a-404d感测的电压。每一个电流感测电阻器402a-402d表示具有任何合适电阻的任何合适的电阻结构，诸如来自伯恩斯的CRF2512FXR010电流感测电阻器（其是精确的10mΩ电阻器）。
每一个电流感测放大器404a-404d感测流过对应的电流感测电阻器402a-402d的来自现场设备电力供应416的电流和电流感测电阻器402a-402d处的对应电压。电流感测放大器404a-404d接收电阻器电压并通过增益因子来放大电压，从而导致放大的电压输出。在一些实施例中，增益因子近似为六十，但增益因子可以更高或更低。由电流感测放大器404a-404d生成的放大电压被输出到比较器406。每一个电流感测放大器404a-404d包括用于生成电流感测信号的任何合适的结构，诸如来自模拟器件（ANALOG DEVICES）的AD8219电流传感器放大器。
所述至少一个比较器406包括输入端子，其被配置成从齐纳二极管412接收来自电流感测放大器404a-404d的放大电压和参考电压Vz（诸如大约3.9V）。所述至少一个比较器406将来自电流感测放大器404a-404d的放大电压的值与参考电压进行比较，并依靠比较将其输出设置高或低。在正常操作中，比较器406的输出可以设置成低，并且然后每当流过相关联的八角驱动器408a-408d的电流增加到超过其限制时可以变高。比较器406的输出连接到光耦合器410a-410d。比较器406包括用于比较电压的任何合适的结构，诸如来自德州仪器的LM2901四差分比较器（其包括四个独立的电压比较器）。当然，也可以使用单独的比较器406或比较器406的组。
每一个八角驱动器408a-408d接收来自现场设备电力供应416的电流并驱动八个输出的组。每一个八角驱动器408a-408d包括用于驱动设备输出的任何合适的结构，诸如来自意法半导体公司的ISO8200B电流八角驱动器。ISO8200B电流八角驱动器类似于现有的VN808驱动器（图3的八角高侧开关器件306）。例如，ISO8200B驱动器使用与VN808驱动器类似的基于结点温度的保护方法提供第一级保护，以切断到设备输出的电力供应。此外，ISO8200B驱动器包括将逻辑输入侧与设备输出侧隔离的特征，从而消除对于逻辑输入侧上的三十二个光耦合器的需要。
光耦合器410a-410d接收来自比较器406的输出并驱动八角驱动器408a-408d的输出使能（OE）引脚以打开或关闭设备输出。每一个OE引脚可用于控制到八个输出的组的电力供应，从而同时使能或禁用输出。在一些实施例中，每一个OE引脚以短延迟（诸如大约10ms）操作以用于恰当的操作。
齐纳二极管412为比较器406提供参考电压。在一些实施例中，参考电压标称大约为3.9V，并且由于容差和温度变化而可以在大约3.6V和大约3.9V之间变化。当然，参考电压可以更高或更低。齐纳二极管414为比较器406提供未经调节的电力供应电压。在一些实施例中，电力供应电压可以是大约6.8V，但电力供应电压可以更高或更低。
在操作的一个方面，来自电力供应416的电流被分成四个分支，以为对应的八角驱动器408a-408d提供单独的供电，所述对应的八角驱动器408a-408d共同驱动三十二个设备输出。提供给八角驱动器408a-408d的电流流过电流感测电阻器402a-402d。电压在电流感测电阻器402a-402d两端产生并且由电流感测放大器404a-404d感测和放大。
比较器406将电流感测放大器404a-404d的输出与参考电压Vz进行比较。在正常操作期间，电流感测放大器404a-404d的输入两端的电压小于阈值。例如，当I/O模块400的负载电流小于约6.5A时，电流感测放大器404a-404d的输入两端的电压可小于大约65mV。利用具有诸如六十的值的增益因子，每一个电流感测放大器404a-404d的输出小于比较器406的参考电压，其可以是大约3.9V。比较器406感测到电流感测放大器404a-404d的输出在正常范围内，并且比较器406的输出维持在特定值处，诸如逻辑低值。
在过剩电流情况下，诸如当负载电流增加到超过大约6.5A时，电流感测放大器404a-404d的一个或多个输出超过参考电压Vz。因此，比较器406感测到其输入中的一个或多个高于参考电压，并将其输出中的一个或多个设置成合适的值，诸如高逻辑值。这使得光耦合器410a-410d中的至少一个将八角驱动器408a-408d中的至少一个的其OE引脚设置成指定值，诸如逻辑低值。这禁用八角驱动器408a-408d中的至少一个，并且电流快速开始减小。当电流减小到合适的电平时，比较器406感测到较低的电压并输出使光耦合器410a-410d在延迟（诸如大约10ms）之后将其OE引脚设置到指定电平（诸如逻辑高）的值。可以重复该过程，直到负载电流恢复到正常水平（诸如大约6.5A或更低）。
如上面所描述的，I/O模块400可以用作用于图3的I/O模块300的替换物。特别地，图3的高侧驱动器304可以由图4A的框A中示出的I/O模块400的组件替换。同样地，图3的八角高侧开关器件306中的每一个可以由八角驱动器408a-408d中的一个替换。
由于I/O模块400的架构和操作，I/O模块400中不需要图3的输入侧光耦合器308a和互锁电路314。在一些实施例中，I/O模块400的回读电路可以与用于I/O模块300的现有回读电路相同，因此可能不存在改变针对I/O模块400的任何固件的需要。
在图3的I/O模块300中，限制电流范围近似为5-10A，这是宽的5A范围。相反，I/O模块400可以在较窄的电流范围中成功地操作，诸如从大约5.8A到大约6.4A（仅近似600mA的范围）。这是一个更准确的操作环境，并且由于电流的增加的准确度而导致减少的功耗。
尽管图4A和4B图示了改进的I/O模块400的组件的一个示例，但是可以对图4A和4B做出各种改变。例如，虽然在I/O模块400中示出了四个一般并行的路径，但是I/O模块400中的每一个组件的数目可以根据需要或期望而变化。并且，I/O模块400可以支持与任何数目的设备输出的交互。此外，根据特定需要，组件可以被添加、省略、组合或者放置在任何其它配置中。此外，虽然已经提供了某些制造商和产品号码作为示例，但是可以使用任何其它合适的组件。
在一些实施例中，在本专利文档中描述的各种功能由计算机程序实现或支持，所述计算机程序由计算机可读程序代码形成并且体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、硬盘驱动器、压缩盘（CD）、数字视频盘（DVD）或任何其它类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质排除输送暂时性电信号或其它信号的有线的、无线的、光学的或其它的通信链路。非暂时性计算机可读介质包括可以永久地存储数据的介质和可以存储数据并且后来覆写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器设备。
阐述贯穿本专利文档所使用的某些词和短语的定义可以是有利的。术语“应用”和“程序”是指被适配用于以合适的计算机代码（包括源代码、目标代码或可执行代码）实现的一个或多个计算机程序、软件组件、指令集、过程、函数、对象、类、实例、相关数据或其一部分。术语“通信”及其派生词包含直接和间接通信二者。术语“包括”和“包含”及其派生词意味着包括而没有限制。术语“或”是包括性的，意味着和/或。短语“与……相关联”及其派生词可以意味着包括、被包括在……内、与……互连、包含、被包含在……内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、可与……通信、与……协作、交错、并列、接近、绑定到或与……绑定、具有、具有……的性质、和……或与……有关系等。在与项目列表一起使用时，短语“……中的至少一个”意味着可以使用所列出的项目中的一个或多个的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任何组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。
本申请中的描述不应当被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须被包括在权利要求范围中的基本或关键元素。有专利权的主题的范围仅由所允许的权利要求限定。此外，没有权利要求意图关于随附权利要求或权利要求元素中的任何随附权利要求或权利要求元素而调用35 U.S.C. § 112(f)，除非在特定权利要求中明确地使用准确的词“用于…的部件”或者“用于…的步骤”，之后是标识功能的分词短语。权利要求内的诸如（但不限于）“机构”、“模块”、“设备”、“单元”、“组件”、“元件”、“构件”、“装置”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”之类的术语的使用被理解成且意图是指为相关领域中的技术人员已知的结构，如通过权利要求本身的特征进一步修改或增强的，并且不意图调用35 U.S.C. §112(f)。
虽然本公开已经描述了某些实施例和一般相关联的方法，但是这些实施例和方法的更改和置换对本领域技术人员将是显而易见的。因此，示例实施例的以上描述不限定或约束本公开。在不脱离如由以下权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，其它改变、替换和更改也是可能的。

Claims (10)

1.一种装置（103b、208、400），包括：
电流感测电阻器（402a-402d），其被配置成接收用于一个或多个设备（102b、212）的供应电流；
电流感测放大器（404a-404d），其被配置成放大电流感测电阻器两端的电压；
比较器（406），其被配置成将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较；以及
八角驱动器（408a-408d），其被配置成接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光耦合器（410a-410d），其被配置成接收来自比较器的输出并且基于所述输出来控制八角驱动器的输出使能引脚。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：
比较器被配置成基于来自电流感测放大器的放大电压与参考电压的比较来提供高或低输出；
光耦合器被配置成基于来自比较器的输出来控制输出使能引脚；以及
输出使能引脚被配置成控制到所述一个或多个设备输出的电力供应。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第一齐纳二极管（412、414），其被配置成将参考电压供应给比较器；以及
第二齐纳二极管（412、414），其被配置成向比较器供应电力。
5.根据权利要求1所述的装置，其中八角驱动器被配置成通过在结点温度超过参考温度时切断到所述一个或多个设备输出的电力供应（416）来提供基于温度的保护。
6.根据权利要求2所述的装置，其中：
电流感测电阻器包括多个电流感测电阻器中的一个；
电流感测放大器包括多个电流感测放大器中的一个；
比较器包括多个比较器中的一个；
八角驱动器包括多个八角驱动器中的一个；
光耦合器包括多个光耦合器中的一个；
电流感测电阻器、电流感测放大器、比较器、八角驱动器和光耦合器被布置在多个电路支路中；以及，
所述多个电路支路被配置成控制与不同设备组相关联的多个设备输出。
7.一种输入/输出（I/O）设备（103b、208），包括：
应用板（400），其包括：
电流感测电阻器（402a-402d），其被配置成接收用于一个或多个设备（102b、212）的供应电流；
电流感测放大器（404a-404d），其被配置成放大电流感测电阻器两端的电压；
比较器（406），其被配置成将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较；以及
八角驱动器（408a-408d），其被配置成接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
8.根据权利要求7所述的I/O设备，进一步包括：
光耦合器（410a-410d），其被配置成接收来自比较器的输出并且基于所述输出来控制八角驱动器的输出使能引脚。
9.根据权利要求8所述的I/O设备，其中：
比较器被配置成基于来自电流感测放大器的放大电压与参考电压的比较来提供高或低输出；
光耦合器被配置成基于来自比较器的输出来控制输出使能引脚；以及
输出使能引脚被配置成控制到所述一个或多个设备输出的电力供应。
10.一种方法，包括：
在电流感测电阻器（402a-402d）处接收用于一个或多个设备（102b、212）的供应电流；
使用电流感测放大器（404a-404d）放大电流感测电阻器两端的电压；
使用比较器（406）将来自电流感测放大器的放大电压与参考电压进行比较；以及
在八角驱动器（408a-408d）处接收来自电流感测电阻器的供应电流并控制与所述一个或多个设备相关联的一个或多个设备输出。
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