CN113014245A - 双向电平转换电路以及包括其的电源设备和安全系统 - Google Patents

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Abstract

双向电平转换电路使在第一信号线与第二信号线之间的信号电平转换。该电路包括第一晶体管和第二晶体管。第一晶体管包括连接至第二信号线的第一栅极、连接至第一信号线的第一源极以及连接至供应电压的电压轨的第一漏极。第二晶体管包括连接至电压轨的第二栅极、连接至第一信号线的第二源极以及连接至第二信号线的第二漏极。

Description

双向电平转换电路以及包括其的电源设备和安全系统
相关申请的交叉引用
于2014年12月22日提交的美国专利申请第14/580,178号(被授权为专利第9,797,552号)，“Diagnostics and Enhanced Functionality for Single-Wire SafetyCommunication”的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及用于提供信号电平转换的系统和方法，并且更具体地涉及用于提供双向信号电平转换并且为电容性负载提供高驱动能力的系统和方法。
背景技术
具有单线安全架构的工业安全系统(例如，以24V供电的系统)利用多个安全设备来提供安全控制和监测。单线安全架构允许信号在安全设备中双向传输。信号电平在安全设备中传输期间下降，并且在安全设备之间的一个或更多个期望位置处提供电源，以在双向传输期间保持期望的信号电平。
发明内容
以下给出了所要求保护的主题的简要概述，以提供对本文描述的一些方面的基本理解。该概述不是广泛的综述，并且不旨在标识关键/重要元件或描绘所要求保护的主题的范围。该概述的唯一目的是以简化的形式给出一些概念作为稍后给出的更详细描述的序言。
本公开内容的一个实施方式涉及双向电平转换电路。该电路在第一信号线与第二信号线之间转换信号电平。该电路包括第一晶体管和第二晶体管。第一晶体管包括连接至第二信号线的第一栅极、连接至第一信号线的第一源极以及连接至供应电压的电压轨的第一漏极。第二晶体管包括连接至电压轨的第二栅极、连接至第一信号线的第二源极以及连接至第二信号线的第二漏极。
本公开内容的另一实施方式涉及电源设备。该电源设备包括第一端子、第二端子、第三端子和双向转换电路。第一端子连接至上游设备。第二端子连接至下游设备。第三端子连接至供应恒定电平电压的电源。该双向转换电路包括第一晶体管和第二晶体管。第一晶体管包括连接至下游设备的信号线的第一栅极、连接至上游设备的信号线的第一源极以及连接至上游设备的电压轨的第一漏极。第二晶体管包括连接至上游设备的电压轨的第二栅极、连接至上游设备的信号线的第二源极以及连接至下游设备的信号线的第二漏极。
本公开内容的另一实施方式涉及安全系统。该安全系统包括上游设备、下游设备以及设置在上游设备与下游设备之间的电源设备。该电源设备包括第一端子、第二端子、第三端子以及双向转换电路。第一端子连接至上游设备。第二端子连接至下游设备。第三端子连接至供应恒定电平电压的电源。双向转换电路包括第一晶体管和第二晶体管。第一晶体管包括连接至下游设备的信号线的第一栅极、连接至上游设备的信号线的第一源极以及连接至上游设备的电压轨的第一漏极。第二晶体管包括连接至上游设备的电压轨的第二栅极、连接至上游设备的信号线的第二源极以及连接至下游设备的信号线的第二漏极。
以下描述和附图阐述了说明书的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示其中可以采用本说明书的原理的各种方式中的一些方式。根据下面结合附图考虑的情况下对说明书的详细描述，本说明书的其他优点和新特征将变得明显。
附图说明
图1是根据说明性实施方式的安全系统的框图。
图2是根据说明性实施方式的图1的安全系统中使用的电源设备的框图。
图3描绘了根据说明性实施方式的图2的电源设备中使用的双向转换电路。
具体实施方式
现在参照附图描述各个方面。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以提供对一个或更多个方面的透彻理解。然而，明显的是，此类方面可以在没有这些特定细节的情况下实践。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和设备以利于描述这些方面。
参照图1，示出了根据说明性实施方式的安全系统100的框图。根据一些实施方式，安全系统100被配置成提供安全设备监测和控制。根据一些实施方式，安全系统100包括使用单线串联连接的充当通信主机102的安全继电器、一个或更多个安全设备104a、104b和104c以及电源设备106。根据一些实施方式，安全设备104a、104b、104c和电源设备106被配置成符合单线安全通信协议。
例如，将在通信链中距通信主机102最远的安全设备104c用作安全主机。安全主机104c生成定义的脉冲串(pulse train)，该脉冲串通过链中的每个安全设备到达通信主机102。只要识别出定义的脉冲串，通信主机102就保持在操作模式。安全主机104c与通信主机102之间的总路径包括单线安全加链路，该单线安全加链路由相邻安全设备(例如，安全设备104c和104b)之间的多个子链路以及相邻安全设备与电源设备(例如，安全设备104b和电源设备106)之间的子链路组成。当安全设备中的一个识别出其安全功能的丧失(例如，安全门打开、按下紧急停止按钮等)并且进入安全状态时，安全设备停止将脉冲串传递到上游设备，从而阻止信号到达通信主机102。在检测到脉冲串信号的丧失时，通信主机102隔离至工业系统部件(例如，机器、工业设备、马达等)的电力。
在一些实施方式中，安全系统100在单线安全信道上实现双向通信协议，从而允许链中的设备经由发送脉冲信号的同一信道共享信息，包括但不限于状态数据、地址信息、存在指示等。例如，单线协议允许安全设备通过信道交换请求和响应消息，同时将这些消息的发送和接收与脉冲串的传输进行协调。
在一个或更多个安全设备(例如，从上游安全设备104b到下游安全设备104a)中传输脉冲串电平时，脉冲串电平可能下降。当脉冲串电平下降到阈值电平或低于阈值电平时，电源设备(例如，电源设备106)被安装在通信链中，以向下游设备供应电力，并且使得脉冲串仍然可以传输到安全主机104c以及从安全主机104c传输。在一些实施方式中，一个或更多个电源设备被安装在通信链中。例如，根据一些实施方式，电源设备被安装在脉冲串电平下降到阈值电平或低于阈值电平的每个位置处。本文描述了电源设备的更多细节。
电源设备106被配置成向脉冲串供应电力以将脉冲串电平升高到期望电平。在一些实施方式中，在电源被插入到安全系统100中的情况下，可能引起信号电平差，当该信号电平差从上游传输到下一安全设备时，该信号电平差需要被向下转换。例如，根据一些实施方式，信号电平差可以在20V至30V的范围内。如上所述，信号可以在通信链上双向传输，电源设备106因此被配置成对从两个方向(例如，上游方向和下游方向)传输通过电源设备的信号的电平进行转换。根据一些实施方式，电源设备106包括端子108、110、112和114。端子108连接至电源116(例如，24V电源)。电源116提供恒定的电力水平供应。端子110用于单线安全启用设备。在一些实施方式中，端子110连接至短路插头118以允许通信信号通过端子110到达端子112。端子112连接至下游安全设备(例如，安全设备104b)。端子114连接至上游安全设备(例如，安全设备104a)。端子114和端子112用于传输和/或接收信号。尽管图中未示出，但是应当理解的是，每个端子可以具有多个端口(例如，信号端口、地端口、电力端口等)。
参照图2，示出了根据说明性实施方式的电源设备的框图。根据一些实施方式，电源设备被配置成为安全系统供应电力。电源设备可以用作如上参照图1所述的电源设备106。电源设备106包括被配置成双向地转换信号电平的双向转换电路200。
根据一些实施方式，双向转换电路200包括第一端子208、第二端子210和第三端子212。第一端子208被配置成连接至电源设备106的端子114的第一端口。第一端子208从端子114的第一端口接收电力供应。在一些实施方式中，第一端子208通过滤波器211连接至端子114。根据一些实施方式，滤波器211被配置成对输入和/或输出信号进行滤波。第二端子210通过端子114的第一端口向上游安全设备(例如，安全设备104a)传输信号和/或从上游安全设备(例如，安全设备104a)接收信号。在一些实施方式中，第二端子210通过滤波器213连接至端子114。根据一些实施方式，滤波器213被配置成对输入和/或输出信号进行滤波。第三端子212被配置成连接至端子112的端口，以通过端子112向下游安全设备传输信号和/或从下游安全设备接收信号。尽管图中未示出，但是应当理解的是，端子108、110、112和114可以包括用于接地、电力供应等的端口。
参照图3，示出了根据说明性实施方式的双向转换电路200。双向转换电路200被配置成提供双向电平转换。双向转换电路200可以用在电源设备106中以高速和高驱动能力将信号电平双向地转换到期望电压范围。例如，双向转换电路200被配置成将高电压向下转换到20V至30V范围内，同时为电容性负载提供高速驱动能力。在一些实施方式中，双向转换电路200被配置成将高电压向下转换到高于30V的电平。在一些实施方式中，双向转换电路200被实现为集成电路。
根据一些实施方式，双向转换电路200被配置成为在第二端子210处接收的信号以及在第三端子212处接收的信号提供双向电平转换。在一些实施方式中，第二端子210连接至上游安全设备(例如，安全设备104a)并且第三端子212连接至下游安全设备(例如，安全设备104b)。并且因此，在第二端子210处接收的信号具有比在第三端子212处接收的信号低的电压电平。在一些实施方式中，双向转换电路200对在第三端子212处接收的信号进行向下转换并输出至第二端子210。
如图3所示，双向转换电路200包括第一晶体管202、第二晶体管204和二极管206。晶体管202和204被示为N型MOS晶体管。然而，应当理解，在适配或不适配的情况下，本文中可以使用任何适当类型的晶体管。根据一些实施方式，第一端子208通过第一电阻器214连接至第一晶体管202的漏极。根据一些实施方式，第一晶体管202的源极连接至第二端子210。第一晶体管202的栅极连接至第三端子212。
根据一些实施方式，第一端子208通过第二电阻器216连接至第二晶体管204的栅极。根据一些实施方式，第二晶体管204的源极连接至第二端子210。根据一些实施方式，第二晶体管204的漏极连接至第三端子212。在一些实施方式中，二极管206正向偏置地连接在第二端子210与第三端子212之间，并且与第二晶体管204并联连接。在一些实施方式中，可以省去外部二极管206并且使用第二晶体管204的内部二极管。根据一些实施方式，电容器218连接在第二端子210与第三端子212之间，并且与二极管206并联链接。
在操作中，当在第二端子210处接收到信号(例如，脉冲)时，第二端子210和第三端子212处的初始电平均为0V。由于第一端子208从上游安全设备(例如，安全设备104a)接收电源轨，因此信号的电压电平相对较低(例如，20V)。在第二晶体管204的栅极处提供较低电压供应，使得晶体管204完全导通(例如，导电)。第一晶体管202的栅极处的电平与第三端子212相同，使得最初第一晶体管202完全关断(例如，不导通)。
在第二晶体管204导通的情况下，在第二端子210处接收的输入信号通过导电的晶体管204(和二极管206)传递到第三端子212，使得第三端子212处的电平随着第二端子处的电平的增加而增加。当第二端子210处的输入信号电平增加到等于第一端子208处的电平(例如，第二晶体管204的栅极处的电平)减去晶体管204的导通电压的电平时，晶体管204关断，并且第二晶体管204内部的二极管和二极管206保持导通，以将输入信号电平维持在接近全信号电平。当在第二端子210处接收的信号减小回到0V时，第二晶体管204再次导通，并且因此输出至第三端子212的信号也为0V。
在相反方向上，当在第三端子212处接收到信号(例如，脉冲)时，第三端子212处的初始输入信号电平以及第二端子210处的初始输出信号电平均为0V。由于第三端子212从下游安全设备(例如，安全设备104b)接收信号，因此信号的电压电平相对较高(例如，26V)。在一些实施方式中，来自下游安全设备的信号的电压电平在20V和30V之间。在一些实施方式中，来自下游安全设备的信号的电压电平高于30V。最初，第二晶体管204完全导通，因为较低电压电源被施加在晶体管204的栅极上。第一晶体管202最初是完全关断的，这是因为栅极电平是来自第三端子212的0V。
因此，在第三端子212处接收的输入信号通过第二晶体管204传递到第二端子210。输出信号电平随输入信号电平改变。随着在第三端子212处接收的输入信号电平增加，第二端子210处的输出信号电平也增加。当输出信号电平增加到等于第二晶体管204的栅极端子处的电平的电平时，晶体管204关断。当第三端子212处的输入电平增加到第一晶体管202的栅极的阈值电平时，晶体管202导通。当第一晶体管202导通时，第二端子210处的电平被上拉至第一端子208处的电源电平。以该方式，第二端子210处的电平上升至第一端子208处的电平作为最大电平。根据一些实施方式，当第三端子212处的信号电平继续增加至高于第一端子208处的信号电平的电平时，第二端子210处的信号电平由于第二晶体管204关断而保持在第一端子208处的信号电平。
在一些实施方式中，双向转换电路200包括分压器部件220，分压器部件220被配置成当晶体管的栅极处的电势电压高于阈值电平时降低栅极处的电压，以保护晶体管204免于过载。分压器部件220包括电阻器222和电容器224。在一些实施方式中，保护器部件220是可选的，并且可以从双向转换电路200移除。例如，根据一些实施方式，当晶体管204的栅极处的电势电压低于阈值电平时，从双向转换电路200移除分压器部件220。
另外，双向转换电路200可以根据晶体管202和204的参数在各种范围(例如，高于30V的电压、20V至30V的电压)中转换高电压。
如上所述的主题包括各种示例性方面。然而，应当认识到，不可能为了描述这些方面而描述每个可想到的部件或方法。本领域普通技术人员可以认识到，其他组合或置换是可能的。可以采用各种方法或架构来实现各种实施方式、修改、变型或其等效物。因此，本文描述的方面的所有这样的实现方式均旨在涵盖本主题权利要求的范围和主旨。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语“包括”而言，这样的术语旨在以与术语“包含”在将“包含”用作权利要求中的过渡词时类似的解释的方式是包含性的。

Claims (20)

1.一种在第一信号线与第二信号线之间转换信号电平的双向电平转换电路，所述电路包括：
第一晶体管，其包括连接至所述第二信号线的第一栅极、连接至所述第一信号线的第一源极以及连接至供应电压的电压轨的第一漏极；以及
第二晶体管，其包括连接至所述电压轨的第二栅极、连接至所述第一信号线的第二源极以及连接至所述第二信号线的第二漏极。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括二极管，所述二极管正向偏置地连接在所述第一信号线与所述第二信号线之间，与所述第二晶体管的内部二极管并联。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管是N型MOSFET。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，从所述第一信号线输入的信号的电压电平低于从所述第二信号线输入的信号的电压电平。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一漏极通过第一电阻器连接至所述电压轨，并且所述第二栅极通过第二电阻器连接至所述电压轨。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，响应于在所述第二信号线处接收到脉冲，所述双向电平转换电路在所述第一信号线处输出脉冲，其中，所述第一信号线处的脉冲的电平等于由所述电压轨供应的电压的电平。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，响应于在所述第一信号线处接收到脉冲，所述双向电平转换电路在所述第二信号线处输出脉冲，其中，所述第二信号线处的脉冲的电平基本上与所述第一信号线处的脉冲的电平相同。
8.一种电源设备，包括：
第一端子，其连接至上游设备；
第二端子，其连接至下游设备；
第三端子，其连接至以恒定电平供应电压的电源；以及
双向转换电路，其包括：
第一晶体管，其包括连接至所述下游设备的信号线的第一栅极、连接至所述上游设备的信号线的第一源极以及连接至所述上游设备的电压轨的第一漏极；以及
第二晶体管，其包括连接至所述上游设备的电压轨的第二栅极、连接至所述上游设备的信号线的第二源极以及连接至所述下游设备的信号线的第二漏极。
9.根据权利要求8所述的电源设备，其中，所述双向转换电路还包括二极管，所述二极管正向偏置地连接在所述上游设备的信号线与所述下游设备的信号线之间，与所述第二晶体管的内部二极管并联。
10.根据权利要求8所述的电源设备，其中，从所述上游设备的信号线输入的信号的电压电平低于从所述下游设备的信号线输入的信号的电压电平。
11.根据权利要求10所述的电源设备，其中，从所述下游设备的信号线输入的信号的电压电平高于20V。
12.根据权利要求8所述的电源设备，其中，所述第一漏极通过第一电阻器连接至所述电压轨，并且所述第二栅极通过第二电阻器连接至所述电压轨。
13.根据权利要求8所述的电源设备，其中，响应于在所述下游设备的信号线处接收到脉冲，所述双向转换电路在所述上游设备的信号线处输出脉冲，其中，所述上游设备的信号线处的脉冲的电平等于由所述电压轨供应的电压的电平。
14.根据权利要求8所述的电源设备，其中，响应于在所述上游设备的信号线处接收到脉冲，所述双向转换电路在所述下游设备的信号线处输出脉冲，其中，所述下游设备的信号线处的脉冲的电平基本上与所述上游设备的信号线处的脉冲的电平相同。
15.一种安全系统，包括：
上游设备；
下游设备；以及
电源设备，其被设置在所述上游设备与所述下游设备之间，其中，所述电源设备包括：
第一端子，其连接至所述上游设备；
第二端子，其连接至所述下游设备；
第三端子，其连接至以恒定电平供应电压的电源；以及
双向转换电路，其包括：
第一晶体管，其包括连接至所述下游设备的信号线的第一栅极、连接至所述上游设备的信号线的第一源极以及连接至所述上游设备的电压轨的第一漏极；以及
第二晶体管，其包括连接至所述上游设备的电压轨的第二栅极、连接至所述上游设备的信号线的第二源极以及连接至所述下游设备的信号线的第二漏极。
16.根据权利要求15所述的安全系统，其中，所述双向转换电路还包括二极管，所述二极管正向偏置地连接在所述上游设备的信号线与所述下游设备的信号线之间，与所述第二晶体管的内部二极管并联。
17.根据权利要求15所述的安全系统，其中，所述双向转换电路还包括分压器，所述分压器被配置成连接在所述第二栅极与所述上游设备的电压轨之间。
18.根据权利要求15所述的安全系统，其中，从所述上游设备的信号线输入的信号的电压电平低于从所述下游设备的信号线输入的信号的电压电平。
19.根据权利要求15所述的安全系统，还包括下游端设备，所述下游端设备被配置成生成要通过所述上游设备和所述电源设备到达上游端设备的信号。
20.根据权利要求19所述的安全系统，其中，响应于识别到由所述下游端设备生成的信号，所述上游端设备保持操作模式。
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