CN110915100A

CN110915100A - 具有到模块的近场耦合的背板

Info

Publication number: CN110915100A
Application number: CN201880047823.6A
Authority: CN
Inventors: M·W·摩根; S·桑卡兰; B·S·库克; A·蒂扎巴瑞; L·A·诺曼
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2038-07-18
Also published as: CN110915100B; US11159204B2; US20200235786A1; US10623063B2; WO2019018476A1; US20190028146A1

Abstract

可移除模块(301、302)包括电路(127、128)、向电路(127、128)提供数据信号的第一近场通信(NFC)耦合器(123)和向电路(127、128)供应工作电压的第二NFC耦合器(121)。

Description

具有到模块的近场耦合的背板

技术领域

这涉及具有到模块的近场耦合的背板。

背景技术

常规背板系统(诸如工业可编程逻辑控制器(PLC))具有向线卡传输功率的连接器。它们还具有昂贵的连接器，以菊花链类型的方式在卡之间传输数据。高速连接器价格昂贵，并且它们可具有与腐蚀、间歇性操作、流体污染和磨损相关联的可靠性问题。

近场通信(NFC)为一种无线技术，允许两个设备在大致10厘米或更短的短距离内进行通信。使用NFC的各种协议已在NFC论坛规范内进行国际标准化，并在例如国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)18092、欧洲电脑制造商协会(ECMA)-340和ISO 14443中进行定义。NFC允许移动设备与订户的即时环境进行交互。非接触式系统通常用作访问控制ID(例如，员工证章)，以及用作公共交通的支付系统等。而且，许多信用卡包括NFC功能。

发明内容

在所描述的示例中，可移除模块包括电路、向电路提供数据信号的第一近场通信(NFC)耦合器和向电路供应工作电压的第二NFC耦合器。

附图说明

图1为使用NFC代替接触以在模块和背板之间传递数据和功率的示例PLC系统的框图。

图2为使用NFC代替接触以在模块和背板之间传递数据和功率的另一示例PLC系统的框图。

图3为模块和背板的示例配置的视图。

图4为示例NFC耦合器结构的顶视图。

图5A至图5C为图4的示例NFC耦合器的更详细视图。

图6至图8为模块和背板的其他示例的视图。

图9为由图5A至图5C的NFC耦合器引起的插入损耗的曲线图。

图10为另一示例NFC耦合器的正交视图。

图11为图1的示例系统的图示说明。

图12为使用NFC向系统的模块非接触式传递数据和功率的流程图。

具体实施方式

在附图中，为了一致性，相似的元件由相似的附图标记表示。

近场通信(NFC)为一种短程无线连接技术，当设备彼此相邻时，诸如当设备彼此物理接触(触摸)或者当设备彼此定位在(位于)几厘米内时，该技术使用磁场感应来实现设备之间的通信。已标准化几种使用NFC的通信协议，例如ISO/IEC 18092，ECMA-340和ISO14443。各种标准指定设备建立对等(P2P)网络以交换数据的方式。

非接触式系统通常用作访问控制ID(例如，员工证章)，以及用作公共交通的支付系统等。此外，许多信用卡包括NFC功能。但是，开放空间中的波作为球形波在所有方向上传播。以此方式，在远场中，它们与距离平方成比例地失去其功率；因此，在距源的距离R处，功率为源功率除以R²。此类随机波传播还可对位于附近的其他系统造成干扰，并违反由标准主体(诸如联邦通信委员会(FCC))设定的发射限制。

利用紧密间隔的NFC耦合结构在各个模块之间分配信号，NFC耦合提供一种低成本的互连解决方案，并将电磁辐射最小化。类似地，利用紧密间隔的NFC耦合结构向各个模块分配功率，NFC耦合消除背板和可移除模块之间任何欧姆接触的需要。本文所述的示例提供在不使用物理/欧姆接触的情况下对接可移除系统模块的方式。

该解决方案有效地消除与源和数据传递相关联的连接器，并扩展数据传递的带宽。本示例支持大致10Gbps至30Gbps的范围。其他示例可通过使用适当大小的NFC耦合结构来支持更高的频率。这节省连接器的成本，并且避免相关联的可靠性问题，诸如腐蚀、污染和磨损的问题。

示例线卡包括功率芯片、高速数据芯片以及用于两者的耦合线圈结构。背板印刷电路板(PCB)包括一组匹配的耦合线圈。线卡和背板上的该对线圈串联工作，从而以非接触方式向线卡传递功率和数据。可将数据排序到每个线卡中，并通过背板耦合结构通过菊花链将其传输到下一个线卡。可替代地，可代替菊花链通过多点(multi-drop)配置将数据传送到每个卡，从而降低线卡的带宽要求。

通过使用NFC技术在背板接口处传输功率和数据，增加的好处为每个线卡之间的高压隔离。这消除在输入/输出(I/O)接口处单独隔离线卡的需要，从而允许增加每个线卡的有效采样率。

图1为使用NFC代替接触以在模块120、模块130、模块131和背板110之间传递数据和功率的示例PLC系统100的框图。可编程逻辑控制器(PLC)或可编程控制器为一种用于通常工业机电过程(诸如工厂装配线上的机械、游乐设施、灯具等的控制)自动化的数字计算机。PLC在许多行业的许多机器中使用。PLC设计用于数字和模拟输入和输出的多种布置、扩展的温度范围、对电气噪声的免疫力以及对振动和冲击的抵抗。控制机器运行的程序通常存储在电池备份(battery-backed-up)或非易失性存储器中。PLC为“硬”实时系统的一个示例，因为可能需要在有限的时间内响应于输入条件来产生输出结果。否则，可能会导致意外操作。PLC系统为已知的，因此在本文不再详细描述；例如参见：截至2015年12月1日，维基百科，“ProgrammableLogic Controller(可编程逻辑控制器)”，其通过引用并入本文。

该示例具有几个称为“线卡”的模块。各种类型的线卡可安装在机箱或机架中，并且可出于各种目的进行配置，诸如用于控制：制造过程、建筑物中的加热和冷却、医疗器材的操作等。因此，经常需要或期望电气隔离以防止被控制的各种器材之间的接地环路或其他相互作用。常规上，已使用各种类型的隔离设备，诸如：光隔离器、变压器等。

在该示例中，具有一个总线耦合器卡110和几个线卡120、线卡130、线卡131。图1示出四个线卡模块接口位置，但是机架可包括多个接口位置以容纳十个或更多模块。本文描述使用线卡的系统，但是示例实施例不限于线卡。各种类型的模块可使用本文所述的通信技术，以便在不使用欧姆接触的情况下在可移除模块之间提供可靠的通信。

在该示例中，总线耦合器模块110耦合到功率源，并进而产生经由总线141分配的一个或多个电压，该总线141经由非接触式电磁耦合耦合到每个线卡。如下文中更详细描述的，具有功率逆变器/功率变换器的非接触接口(CLIF)151耦合到电压总线141并生成高频信号，该高频信号被施加到电压线圈152上。线卡120上的相应电压线圈122位于电压线圈152附近，使得由电压线圈152产生的磁场耦合到电压线圈122中，以产生提供给CLIF 121内的逆变器/变换器的高频信号。CLIF逆变器121/CLIF变换器121将高频信号转换成电压源，该电压源向线卡120上的电路提供工作功率。通常，背板140包括(一个或多个)电压总线141。在该示例中，由逆变器151/变换器151产生的高频信号的频率为大致6MHz。其他示例可将较高或较低的频率用于功率传输。在该示例中，可以这种方式将一瓦特或更多的电能传递到每个线卡。

例如，总线耦合器模块110上的背板主逻辑111经由通信信道向远程主机或另一个机架或机箱发送和接收数据。各种类型的总线耦合器模块110可容纳无线或有线接口。例如，到局域网或广域网的因特网连接可由总线耦合器卡110提供。可替代地，到Wi-Fi网络或到蜂窝网络的无线连接可由总线耦合器模块110提供。

引导式NFC集成电路(IC)113从主逻辑111接收通信信道，并生成提供给NFC传输结构115的高频信号。在该示例中，通信信道通过串行菊花链(从引导式NFC路径147开始)传播到所有线卡，并经由引导式NFC路径148和NFC接收结构116返回到引导式NFC IC 113，并且然后返回到主逻辑111。

在背板140上，NFC接收结构145和NFC传输结构146定位于各自的NFC传输结构115和NFC接收结构116附近，因此便于在总线耦合器110和背板140之间进行通信信道的非接触式传输。引导式NFC IC 143被耦合以接收来自NFC接收器145的通信信号，并将返回的通信信号提供给NFC发射器146。

引导式NFC IC 143将通信信号驱动到引导式NFC路径147上。在该示例中，高频通信信号传递数据(以大致1.25Gbits/sec的速率)使用中心频率大致为16GHz的调制载波信号。可使用已知的或以后开发的调制技术将数字数据信号施加到载波信号上。在其他示例中，较高或较低的频率可与已知或以后开发的调制技术一起使用。引导式NFC路径147使用诸如导电波导或非导电波导的已知或以后开发的技术引导高频信号。

引导式NFC IC 153经由引导式NFC路径147接收串行通信信号，并生成提供给NFC传输结构155的高频信号。通信信道通过线卡120传播，并经由NFC接收结构156返回到NFCIC 153，然后该NFC IC 153经由引导式NFC路径157向相邻模块位置提供串行通信信道。

环回逻辑154检测线卡(诸如线卡120)何时定位于背板附近。当线卡120就位时，如上所述，由环回逻辑154断开开关159，以通过线卡120路由通信信号。当没有线卡就位时，由环回逻辑154闭合开关159，以将通信信号传播到下一个相邻的线卡位置。在该示例中，环回逻辑164未检测到线卡就位，并且因此开关169闭合，以将通信信号传播到下一个线卡位置。同样，在该示例中，环回逻辑154感测何时在NFL接收器结构156上正在接收信号，以自动确定线卡是否就位。在另一个示例中，其他已知的或以后开发的感测技术可用于感测线卡何时就位，诸如机械开关、接近传感器、光束检测器等。

在线卡120上，NFC接收结构125和NFC传输结构126定位于各自的NFC传输结构155和NFC接收结构156附近，使得便于线卡120和背板140之间的通信信道的非接触传输。引导式NFC IC 123被耦合以接收来自NFC接收器125的通信信号，并且将返回通信信号提供给NFC发射器126。

例如，线卡120包括前端模拟和/或数字接口逻辑128，以及专用集成电路(ASIC)127中的处理逻辑。前端接口逻辑128可向被控制的器材提供各种类型的互连，诸如：输入和输出信号、RS232/422/485兼容信号、数字信号、模拟信号等。前端接口逻辑128可包括各种类型的逻辑，诸如：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、继电器、接触等。处理逻辑127可包括各种类型的硬连线和可编程逻辑、微控制器、微处理器、存储器等。

线卡130、线卡131等可与线卡120相同，或者可具有不同类型的前端接口逻辑和/或处理逻辑。它们可包括适用于给定控制任务的处理和接口逻辑的各种类型和组合。

在该示例中，每个线卡被配置成经由菊花链通信信道在两侧与其最近的邻居进行通信。例如，线卡120可经由NFC传输结构126传输到具有NFC接收器结构135的线卡130。类似地，线卡120可经由NFC接收器结构125从总线耦合器110上的NFC发射器结构115接收。

以类似的方式，系统100中的每个线卡可以菊花链方式彼此通信。每个线卡包括引导式NFC IC(诸如线卡120上的引导式NFC IC 123)内的聚合器/解聚合器逻辑功能，这使每个线卡能够识别菊花链上的哪些通信去往此类线卡。聚合器/解聚合器功能还允许线卡发起通信数据包，该通信数据包然后被提供给菊花链，并且然后通过相邻的线卡传播到目标线卡上的最终目的地。在该示例中，菊花链以类似于互联网协议的方式操作，并且每个引导式NFC IC内的每个聚合器均用作互联网接口。在另一个示例中，可使用不同类型的已知的或以后开发的对等协议。

图2为使用NFC代替接触以在模块和背板之间传递数据和功率的另一示例PLC系统200的框图。该示例类似于PLC系统100(图1)并且使用相同的线卡。在该示例中，总线耦合器模块110耦合至功率源，并进而产生经由总线141分配的一个或多个电压。总线141经由非接触式电磁耦合耦合至每个线卡，如上文参考图1所述。

在该示例中，总线耦合器模块110上的背板主逻辑111经由通信信道向远程主机或另一机架或机箱发送和接收数据，诸如上文参考图1所述。

引导式NFC集成电路(IC)113从主逻辑111接收通信信道，并生成高频信号，该高频信号被提供给NFC传输结构115，传播到线卡中的所有线卡，并经由NFC接收结构116返回到引导式NFC IC 113，并且然后返回到主逻辑111。在该示例中，分路器160将通信信道分离为具有多个信号162的星形拓扑，该多个信号162以点对点的方式传播到各个线卡。

在背板240上，NFC接收结构145和NFC传输结构146定位于各自的NFC传输结构115和NFC接收结构116附近，因此便于在总线耦合器110和背板140之间的通信信道的非接触式传输。引导式NFC IC 143被耦合以接收来自NFC接收器145的通信信号，并将返回的通信信号提供给NFC发射器146。

引导式NFC IC 143连接到分路器160，该分路器160将点对点通信信号驱动到多个引导式NFC路径162上。以这种方式，可降低线卡的带宽需求，因为不是所有通信流量都需要通过所有线卡传播。在该示例中，高频通信信号传递数据(以大致1.25Gbits/sec的速率)使用中心频率大致为16GHz的调制载波信号。可使用已知的或以后开发的调制技术将数字数据信号施加到载波信号上。在其他示例中，较高或较低的频率可与已知或以后开发的调制技术一起使用。引导式NFC路径162使用诸如导电波导或非导电波导的已知或以后开发的技术来引导高频信号。

引导式NFC IC 153经由引导式NFC路径162中的一个从分路器160接收串行通信信号，并生成提供给NFC传输结构155的高频信号。通信信道通过线卡120传播，并经由NFC接收结构156返回NFC IC 153，然后该NFC IC 153经由引导式NFC路径162中的一个将串行通信信道提供回分路器160。

在另一个示例中，可将诸如引导式NFC IC 153的引导式NFC IC的电路全部组合成包括分路器160的功能的单个IC。

在图1和图2的示例中，背板140和背板240包括定位于每个线卡位置处的各自的电压耦合线圈，诸如线圈152。在另一个示例中，单个统一的背板电压线圈可跨越几个或所有线卡位置。每个单独的线卡仍然能够耦合到统一的电压线圈，从而经由非接触式电磁耦合来接收功率，如上文更详细描述的。

图3为包括模块301、模块302的配置以及可用于图1和图2的示例系统的背板303的一部分的示例系统300的边侧视图。线卡模块301代表系统100(图1)和系统200(图2)的各种模块120、模块130等。机械框架(未示出)可允许每个模块在相对于背板303的限定位置处插入和移除，如运动箭头304所示。由于模块(诸如301、302)之间的所有电气耦合均为非接触式的，因此机械式或其他类型的互锁结构(未示出)可将每个模块301、模块302保持在合适的位置中。

模块301包括基板304，该基板304上安装有各种电路部件，诸如处理逻辑127(图1)和前端逻辑128(图1)。

在该示例中，独立基板305大致垂直于基板304安装，其间具有连接，以允许功率和数据信号在基板304和基板305之间移动。连接可包括已知的或以后开发的互连技术，诸如焊接接触、匹配连接器、引线键合等。引导式NFC IC 123安装在基板305上，并且包括例如连接到接收器耦合器125(图1)和发射器耦合器126(图1)的(一个或多个)发射器和(一个或多个)接收器。图4示出线圈组件306，其包括NFC接收器耦合器线圈125(图1)和NFC发射器耦合器线圈126(图1)。一些示例中，每个发射器和接收器均具有各自的IC。在另一示例中，一个或多个接收器和发射器形成在单个IC中。NFC耦合器线圈可为安装在基板305上的独立结构，或者可嵌入基板305内。

类似地，功率逆变器IC 121(图1)安装在基板305上，并连接到由线圈结构306形成的功率线圈122(图1)。

例如，基板304、基板305可为单个或多层印刷电路板。NFCIC 123和其他IC可根据操作频率或其他已知或以后开发的封装技术，使用通孔或利用焊料凸块或键合的表面安装技术安装在基板304、基板305上。基板304、基板305可为适用于电子系统和封装的任何常用或以后开发的材料，诸如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、有机玻璃等。在该示例中，基板304、基板305一起形成“T”形基板。在另一示例中，可形成“L”形基板或类似配置，其将NFC线圈结构定位在背板或其他类型的载波模块的表面附近。在至少一个示例实施例中，术语“大致垂直”意指具有在67度至13度的范围内的角度。

背板基板303包括电源总线和引导式NFC路径，如上文关于背板140(图1)或背板240(图2)所述。逆变器IC 151安装在基板303上，并且被连接以接收来自电源总线的功率，并且向功率线圈152(其为图4的线圈结构307的一部分)提供高频信号。NFC IC 153安装在背板基板303上，并且被连接以：(a)从相邻模块接收引导式NFC信号；以及(b)经由作为线圈结构307的一部分的发射器耦合器155(图1)和接收器耦合器156(图1)发射和接收来自模块301的NFC信号。

基板305和背板303被设计成使得当模块301被机械地定位就位时，耦合线圈结构306和耦合线圈结构307彼此靠近。以这种方式，NFC耦合可在近场模式下操作，其中相邻模块之间的间隔为由NFC IC 123、NFC IC 153中的(一个或多个)发射器发射的频率的波长(λ)的一小部分。例如，可使用10GHz至30GHz范围内的传输频率。但是，一些示例可使用高于或低于该范围的频率。在该示例中，假设：线圈结构306的表面在基板305的表面处或附近，并且线圈结构307的表面在背板303的对应表面处或附近，则基板305的表面被定位在距背板303的表面大致0.25mm的距离D处。

对于近场假设，D不需要为次-λ。D也取决于发射结构。有两个标准区分近场和远场。如果：(a)对于尺寸为次-λ的NFC耦合器，D<λ；或者(b)对于尺寸W大于λ的NFC耦合器，D<2W²/λ，则传输在近场中。对于近场，D必须小于(a)和(b)中的较大者。

近场模式可能会产生对耦合两个相邻NFC耦合器有用的倏逝场。倏逝场本质上表现为随着距表面的距离呈指数衰减。由于背板NFC耦合器结构307和相邻模块中的模块NFC耦合器306之间的近距离小于1mm，因此可在近场模式下使用倏逝场实现合理的TX到RX信号耦合，同时减轻根据FCC部分15概述的发射限制/问题。在至少一个示例实施例中，术语“附近”意指在10厘米内。

与变压器类似，线圈之间的强自耦合导致减少对外部世界的泄漏。此外，任何泄漏均可能被认为是无意的。与有意发射相比，根据FCC对无意辐射的要求大大放宽。

模块301可被封装在通常以308表示的壳体中，该壳体可为例如金属或塑料。通常，壳体会有几毫米厚。

图4为模块301(图3)上的耦合结构306的底视图。背板303(图3)上的耦合结构307是类似的。耦合结构306包括NFC数据接收耦合器125、NFC发送耦合器126和功率线圈122。功率线圈122包括多匝导电材料，诸如铜或其他金属，使用已知的或以后开发的印刷电路制造技术对其进行蚀刻以形成线圈结构。仿真已表明，可使用类似于耦合结构306的功率线圈结构，将至少一瓦的能量从背板传递到每个线卡。

图5A至图5C为代表图4的NFC耦合器125的示例NFC耦合器501的更详细视图。NFC耦合器502类似于(并代表)NFC耦合器126(图4)。图5A为基板305(图3)和背板303(图3)的对应部分的正交投影，包括NFL接收器耦合器501和对应NFL发射耦合器502。图5A为示出模块基板305和背板基板303之间的间隔的端视图。在该示例中，间隔距离D大致为0.25mm，但这不是临界数字，并且可更大或更小。然而，为了提供电压隔离，间隔距离D应足够大，以防止模块基板305和背板基板303之间在所需的电压电平下的电弧，从而确保系统隔离和安全。

图5C为示例NFC耦合结构501的顶视图。在该示例中，基板305的底侧的至少一部分被导电层(诸如铜层)覆盖。通过蚀刻矩形开槽谐振结构501形成NFC场耦合器501。信号线(诸如差分线510、差分线511)将NFC场耦合器连接至安装在基板305上的发射器或接收器，诸如NFC IC 123内的那些发射器或接收器。镜像结构形成在基板303中，并将与由狭缝结构501产生的大近场耦合。以这种方式，信号(由安装在基板303上的发射器生成)可电磁(EM)耦合到基板305上的耦合结构，并且被传递到安装在基板305上的接收器，而没有物理欧姆连接器并且具有最小的逸出辐射，反之亦然。

在另一个示例中，可使用不同形状的开槽谐振结构，诸如如图10所示的开槽圆形谐振结构。

图6为包括模块601、模块602和背板603的另一种配置的示例系统600的边侧视图，其使用NFC代替接触以在模块和背板之间传递数据和功率。在该示例中，每个模块(诸如模块601)包括基板604，该基板604上安装有各种电路部件，诸如处理逻辑127(图1)和前端逻辑128(图1)。引导式NFCIC 123也安装在基板604上，并且包括例如连接到接收器耦合器125(图1)和发射器耦合器126(图1)(未示出)的(一个或多个)发射器和(一个或多个)接收器。一些示例中，每个发射器和接收器均具有各自的IC。在另一示例中，一个或多个接收器和发射器形成在单个NFC IC中。NFC耦合器线圈可为安装在基板604上的独立结构，或者可嵌入基板604内。

类似地，功率逆变器IC 121(图1)安装在基板604上，并连接至功率线圈122(图1)。

例如，基板604可为单个或多层印刷电路板。NFC IC 123和其他IC可根据操作频率或其他已知或以后开发的封装技术，使用通孔或利用焊料凸块或键合的表面安装技术安装在基板604上。基板604可为适用于电子系统和封装的任何常用或以后开发的材料，诸如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、有机玻璃等。

在该示例中，独立的背板安装鳍片605、背板安装鳍片606垂直于背板基板603安装，以形成“鳍片”，该“鳍片”从背板延伸并在背板基板和鳍片之间具有连接，以允许功率和数据信号在背板基板603和背板安装鳍片605、背板安装鳍片606之间移动。连接可包括已知的或以后开发的互连技术，诸如焊接接触、配合连接器、引线键合等。

背板基板603包括电源总线和引导式NFC路径，如上文关于背板140(图1)或背板240(图2)所述。逆变器IC 151安装在背板基板603上，并且被连接以接收来自电源总线的功率，并且向功率线圈152提供高频信号。NFC IC153安装在背板基板603上，并且被连接以从相邻模块接收引导式NFC信号，并经由发射器耦合器155(图1)和接收器耦合器156(图1)(未示出)发射和接收来自模块601的NFC。在该示例中，功率线圈152安装在鳍片605上，鳍片605安装在背板基板603上并且从背板基板603垂直突出。类似地，发射器耦合器155和接收器耦合器156安装在鳍片605上，该鳍片605安装在背板基板603上，并且从背板基板603垂直突出。

基板604和背板安装鳍片605被设计成使得当模块601被机械地定位就位时，功率线圈122和功率线圈152彼此靠近。基板604和背板安装鳍片606被设计成使得当模块601被机械定位就位时，发射器耦合器126和接收器耦合器156彼此靠近。类似地，基板604和背板安装鳍片606被设计成使得当模块601被机械地定位就位时，发射器耦合器155和接收器耦合器125彼此靠近。以这种方式，NFC耦合可在近场模式下操作，其中相邻模块之间的间隔为NFC IC 123、NFC IC 153中正在由(一个或多个)发射器发射的频率的波长(λ)的一小部分。例如，可使用10GHz至30GHz范围内的传输频率。但是，一些示例可使用高于或低于该范围的频率。

在该示例中，假设：电压线圈122的表面在基板604的表面处或附近，并且电压线圈152的表面在背板安装鳍片605的对应表面处或附近，则基板604的表面被定位在距基板605的表面大致0.25mm的距离D处。类似地，假设：耦合器125的表面在基板604的表面处或附近，并且耦合器155的表面在背板安装鳍片606的对应表面处或附近，则基板304的表面被定位在距鳍片606的表面大致0.25mm的距离D处。在该示例中，基板604延伸超出壳体608，以便与背板安装鳍片605、背板安装鳍片606接合。在另一示例中，壳体608可包括开放区域，以允许背板安装鳍片605、背板安装鳍片606在壳体608内穿透。

图7为使用NFC代替接触以在模块和背板之间传递数据和功率的模块701、模块702和背板703的另一示例的边侧视图。图8为模块701和背板安装鳍片705的侧视图。在该示例中，每个模块(诸如模块701)包括基板704，该基板704上安装有各种电路部件，诸如处理逻辑127(图8)和前端逻辑128(图8)。引导式NFC IC 8231(图8)也安装在基板704上，并且包括被连接到接收器耦合器125(图8)的(一个或多个)接收器。在该示例中，独立NFC IC 8232连接到发射器耦合器126(图8)。NFC耦合器线圈可为安装在基板704上的独立结构，或者可嵌入基板704内。类似地，功率逆变器IC 121(图8)安装在基板704上，并连接到功率线圈122(图8)。

例如，基板704可为单一或多层印刷电路板。NFC IC 123和其他IC可根据操作频率或其他已知或以后开发的封装技术，使用通孔或利用焊料凸块或键合的表面安装技术安装在基板704上。基板704可为适用于电子系统和封装的任何常用或以后开发的材料，诸如：玻璃纤维、塑料、硅、陶瓷、有机玻璃等。

在该示例中，背板安装鳍片705垂直于背板基板703安装，其间具有连接，以允许功率和数据信号在背板基板703和背板安装鳍片705之间移动。连接可包括已知的或以后开发的互连技术，诸如焊接接触、配合连接器、引线键合等。

背板基板703包括电源总线和引导式NFC路径，如上文关于背板140(图1)或背板240(图2)所述。在该示例中，逆变器IC 151安装在背板安装鳍片705上，并且被连接以接收来自电源总线的功率并向功率线圈152提供高频信号。NFC IC 8531(图8)安装在背板安装鳍片705上，并且被连接以：(a)从相邻模块接收引导式NFC信号；以及(b)经由发射器耦合器155(图8)向模块701发射NFC信号。独立NFC IC 8532连接到接收器耦合器156(图8)。在该示例中，功率线圈152安装在鳍片705上。类似地，发射器耦合器155(图8)和接收器耦合器156(图8)安装在鳍705上。

在该示例中，时钟信号(CLK)也使用NFC从背板703传播到每个模块。NFC耦合器875位于背板安装鳍片705上，并且NFC耦合器876位于基板704上。当将线卡701安装在系统700中时，NFC耦合器875和NFC耦合器876设计成彼此靠近(非常接近)。在该示例中，独立NFC IC874安装在基板705上，并且被连接以将时钟信号驱动至NFC耦合器875。类似地，独立NFCIC873安装在基板704上，并且被连接以从NFC耦合器876接收时钟信号。

一些示例中，每个发射器和接收器具有各自的NFC IC 8231、NFC IC8232、NFC IC873、NFC IC 8531、NFC IC 8532、NFC IC 874。在另一示例中，一个或多个接收器和发射器形成在单个NFC IC(诸如NFC IC 123、NFC IC 153(图1))中。

基板704和背板安装鳍片705被设计成使得当模块701被机械地定位就位时，功率线圈122和功率线圈152彼此靠近。基板704和背板安装鳍片705被设计成使得当模块701被机械地定位就位时，发射器耦合器126和接收器耦合器156彼此靠近。类似地，基板704和背板安装鳍片705被设计成使得当模块701被机械地定位就位时，发射器耦合器155和接收器耦合器125彼此靠近。以这种方式，NFC耦合可在近场模式下操作，其中相邻模块之间的间隔为NFC IC 123、NFC IC 153中正在由(一个或多个)发射器发射的频率的波长(λ)的一小部分。例如，可使用10GHz至30GHz范围内的传输频率。但是，一些示例可使用高于或低于该范围的频率。

在该示例中，假设：电压线圈122的表面在基板604的表面处或附近，并且电压线圈152的表面在背板安装鳍片605的对应表面处或附近，则基板704的表面定位在距鳍片705的表面大致0.25mm的距离D处。

在该示例中，线卡模块701被设计成在壳体708中具有开口，以在模块701安装在系统700中时允许背板安装鳍片在壳体708内穿透。在另一示例中，类似于图6的示例，基板704可延伸超过壳体708。

图9为由图5A至图5C的NFC耦合器501、NFC耦合器502引起的插入损耗(dB)对频率(GHz)的曲线图，其代表上文描述的每个NFC配置。在该示例中，背板基板和线卡基板上的引导式NFC路径为特征阻抗大致为175欧姆的差分信号。NFC耦合器501、NFC耦合器502被设计成匹配该特征阻抗。仿真已表明，使用上文描述的技术，可在14GHz至20GHz的频率范围内获得6GHz以上的带宽901，其中插入损耗小于1dB。

以这种方式，实现用于通信信道的低损耗、EMI控制的基于近场的信道，该信道不为辐射的并且不使用行波。围绕耦合器501、耦合器502的过渡区域可被电子带隙结构/电/磁/吸收表面围绕，以包含任何附加的无意的EMI。

图10为另一示例NFC耦合器1001的正交视图。这是以与示例NFC耦合器501(图5C)相似的方式操作的圆形开槽谐振结构。

系统示例

图11为示例系统1100的图示说明，其为图1的系统100的另一视图。在该示例中，背板1140提供一组NFC耦合结构1105，用于向每个线卡提供功率和数据通信，如上所述。在该示例中，NFC耦合结构(类似于NFC耦合结构306)与线卡模块(类似于图1的线卡模块120、线卡模块130)对接。然而，其他示例可使用如上所述的模块和背板的不同配置。

在图11的示例中，通过简单地拉动模块以使其与机械固定机构(未示出)断开连接，就可从背板1140移除每个线卡模块。通常，机架或机箱(以及背板1140)将支撑线卡，并在将线卡插入机架时将其定位在背板上的NFC结构附近。

每个线卡模块均封装在壳体中，该壳体可由塑料或其他合适的材料制成。如上文更详细描述的，每个线卡可具有布置成形成非接触式通信端口的NFC耦合器，该非接触式通信端口定位于背板1140上的相应NFC耦合器结构附近，以在没有欧姆接触的情况下提供功率和数据通信两者。以这种方式，为每个线卡提供电压隔离以及可靠的操作。

图12为使用NFC向系统的模块非接触式传递数据和功率的流程图。如上文更详细描述的，模块可为用于工业、商业或住宅应用的可编程逻辑控制系统的一部分。示例系统可包括其中安装有一组模块的机架或机箱。每个模块可使用近场通信与相邻的邻居模块进行通信，其中可将在一个模块中生成的RF信号EM耦合到背板载波模块的接收器，并且然后使用近场耦合或倏逝耦合或者这些模式的任意组合EM耦合到相邻模块。

在1202处，可在模块中接收射频(RF)信号。在图1至图11的示例中，RF信号的频率可在10GHz至30GHz的范围内。然而，其他系统可通过调整本文所述的场耦合和场限制部件的物理大小来使用较高或较低频率的RF信号。

RF电磁场可从载波模块(诸如背板)发射，在载波模块上具有近场通信(NFC)耦合器。RF电磁场可为在导电层中的谐振结构中形成的驻波的结果，诸如参考图5C和图10更详细描述的。

在1204处，RF信号被解调以提供供模块使用的数据信号。可能需要进行解聚合操作以将第一数据(目的地为当前模块)和第二数据(目的地为系统中的其他模块)分开。

在1206处，代表模块产生的数据的第二RF信号可经由模块上的第二NFC耦合器传输到载波模块。如上文更详细描述的，系统中的多个模块可以菊花链方式通信，使得任何模块均可与系统中的任何其他模块通信。

可使用已知的标准通信协议，诸如Internet协议(IP)，将菊花链式NFC物理介质视为以太网。Internet协议(IP)为Internet协议套件中用于跨网络边界中继数据报的主要通信协议。IP具有基于数据包报头中的IP地址将数据包从源主机递送到目的地主机的任务。为此目的，IP定义封装要递送数据的数据包结构。它还定义用源和目的地信息标记数据报的寻址方法。IP的第一个主要版本，即Internet协议版本4(IPv4)，为因特网的主要协议。它的后继产品为Internet协议版本6(IPv6)。

另一个示例可使用另一种已知的或以后开发的通信协议来使用如本文所述的菊花链式NFC物理介质进行通信。另一个示例可在点对点配置中使用已知的或以后开发的通信协议，诸如图2所示。

在1208处，在模块上从载波模块接收第三RF信号。在该示例中，第三RF信号可具有相对较低的频率，诸如在5MHz至10MHz的范围内。

在1210处，第三RF信号由模块上的逆变器/变换器转换，以产生供模块上的逻辑和电路使用的DC电压。

以这种方式，示例可使用近场通信技术在系统的可移除模块之间提供高吞吐量通信。也可使用NFC技术将功率提供给每个可移除模块。本文所述的技术可比诸如光学耦合器的替代方案便宜。NFC允许模块之间的非接触式通信，并且从而消除可能需要模块之间隔离的系统中对附加电压隔离的需求。

其他示例

上文描述了菊花链配置和点对点配置。借助于安装在背板载体上的IC，另一示例可通过背板安装IC处理通信协议，并且然后在背板载体和每个模块之间点对点地与模块通信。这可为背板协议，或者甚至为进一步提取的信令协议。

在另一示例中，背板总线可并行路由到多点布置中的所有模块，并且可使用协议中的轮询方案。

本文描述了PLC系统。其他示例可将本文所述的非接触式NFC功率和数据通信技术用于需要可靠性、电压隔离和易于安装的许多不同类型的系统。

在本文所述的PLC系统中，模块垂直于背板定向。在另一个示例中，可通过NFC线圈的适当配置和放置使模块倾斜而不是垂直。可这样做以减小整体系统尺寸。

在本说明书中，术语“耦合(couple)”及其派生词意指间接的、直接的、光学的和/或无线的电连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可为通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过光学电连接和/或通过无线电连接。

在权利要求的范围内，所描述的示例中的修改为可能的，并且其他示例也为可能的。

Claims

1.一种模块，包括：

电路；

第一近场通信耦合器即第一(NFC耦合器，其耦合到所述电路，以向所述电路提供数据信号；以及

第二NFC耦合器，其耦合到所述电路，以向所述电路供应工作电压。

2.根据权利要求1所述的模块，还包括：

基板，所述电路安装在所述基板上；

射频接收器即RF接收器，其耦合到所述第一NFC耦合器，以接收来自从载波模块的表面发射的近场和/或倏逝耦合的电磁能的所述数据信号；

功率逆变器，其耦合到所述第二NFC耦合器，以接收从所述载波模块的所述表面发射的近场和/或倏逝耦合的电磁能，从而供应所述工作电压；以及

壳体，其围绕所述基板，所述壳体具有将所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位在所述载波模块的所述表面附近的区域。

3.根据权利要求2所述的模块，还包括发射器和第三NFC耦合器。

4.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块包括具有大致垂直于长部分的短部分的基板，并且所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位于所述基板的所述短部分上。

5.根据权利要求1所述的模块，其中所述载波模块具有大致垂直于所述载波模块延伸的鳍片，并且所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位于所述鳍片的表面附近。

6.根据权利要求1所述的模块，其中所述载波模块具有大致垂直于所述载波模块延伸的第一鳍片和第二鳍片，并且所述第一NFC耦合器定位于所述第一鳍片的表面附近，并且所述第二NFC耦合器定位于所述第二鳍片的表面附近。

7.根据权利要求1所述的模块，其中所述载波模块为背板。

8.一种载波模块，包括：

接口，其用于至少一个电路模块；

第一射频发射器即第一RF发射器，其耦合到所述接口中的数据近场通信耦合器即数据NFC耦合器，以向所述电路模块发射代表数据信号的近场和/或倏逝耦合的电磁能；以及

第二射频发射器即第二RF发射器，其耦合到所述接口中的功率NFC耦合器，以向所述电路模块发射近场和/或倏逝耦合的电磁能，用于转换成所述电路模块的工作功率。

9.根据权利要求8所述的载波模块，其中所述接口具有多个接口位置，并且每个接口位置具有各自的数据NFC耦合器，并且所述功率NFC耦合器由所述接口位置共享。

10.根据权利要求8所述的载波模块，其中所述接口具有多个接口位置，并且所述载波模块还包括：用于所述数据信号的菊花链数据环路，其具有自动检测逻辑，以检测具有缺失电路模块的接口位置，并且自动地使所述数据信号绕过具有所述缺失电路模块的所述接口位置。

11.根据权利要求8所述的载波模块，其中所述接口具有多个接口位置，并且所述载波模块还包括：信号分离器，以形成星形拓扑，其具有到所述接口位置中的每一个的点对点数据信号连接。

12.根据权利要求8所述的载波模块，还包括：大致垂直于所述载波模块延伸的鳍片，其中所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位于所述鳍片的表面附近。

13.根据权利要求8所述的载波模块，还包括：大致垂直于所述载波模块延伸的第一鳍片和第二鳍片，其中所述数据NFC耦合器定位于所述第一鳍片的表面附近，并且所述功率NFC耦合器定位于所述第二鳍片的表面附近。

14.根据权利要求8所述的载波模块，其中所述载波模块为背板。

15.一种向模块提供功率和数据信号的方法，所述方法包括：

在所述模块中接收从载波模块中的第一近场通信耦合器即第一NFC耦合器发射的第一射频信号即第一RF信号；

解调所述第一RF信号以恢复数据，用于供所述模块上的电路使用；

在所述模块中接收从所述载波模块上的第二NFC耦合器发射的第二RF信号；以及

将所述第二RF信号的一部分转换成直流电压即DC电压，以为所述电路提供工作功率。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器放置在所述载波模块上的各个NFC耦合器附近。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述模块包括具有大致垂直于长部分的短部分的基板，并且所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位于所述基板的所述短部分上。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述载波模块具有大致垂直于所述载波模块延伸的鳍片，并且所述第一NFC耦合器和所述第二NFC耦合器定位于所述鳍片的表面附近。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述载波模块具有大致垂直于所述载波模块延伸的第一鳍片和第二鳍片，并且所述第一NFC耦合器定位于所述第一鳍片的表面附近，并且所述第二NFC耦合器定位于所述第二鳍片的表面附近。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述载波模块为背板。