CN117478472B - 载波调制电路、助航灯、监控器、通信主机及通信回路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载波调制电路、助航灯、监控器、通信主机及通信回路。载波调制电路中设置第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、第一单向导通电路、第二单向导通电路、第三单向导通电路、限压电路和转换电路，从而降低第一晶体管和第二晶体管被击穿的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种载波调制电路、助航灯、监控器、通信主机及通信回路。
背景技术
助航灯是位于机场跑道、滑行道、站坪区域地面上的嵌入式灯具，例如包括滑行道中线灯、停止排灯灯。单个助航灯的亮灭控制以及状态的检测需要助航灯与控制端之间进行通信。常见的通信方式为电力线载波通信。
中国专利申请CN115642935A公开一种机场助航灯光供电网络的载波调制电路。其包括电源模块、波动信号模块、信号获取模块和用电控制模块电源模块用于为负载供电，波动信号模块连于电源模块，用于将供电电压的波形调制出波动部分，波动部分用于携带待传输信息，信号获取模块与波动信号模块串联，用于采样供电电压并基于采样结果产生控制信号，用电控制模块连于信号获取模块，用于接收控制信号，并基于控制信号控制用电设备。
图1是该专利申请的典型电路图。本发明的发明人研究发现，该方案第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2存在高压击穿风险。
发明内容
本发明提供一种载波调制电路、助航灯、监控器、通信主机及通信回路。
本发明的技术方案如下：一种载波调制电路，包括：第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、第一单向导通电路、第二单向导通电路、第三单向导通电路、限压电路和转换电路；
所述第一晶体管的控制极连接第六节点，第一极连接第三节点，第二极连接第七节点；
所述第二晶体管的控制极连接第六节点，第一极连接第五节点，第二极连接第七节点；
所述第一单向导通电路连接第三节点和第四节点，并允许从第三节点至第四节点单向地导通；
所述第二单向导通电路连接第四节点和第五节点，并允许从第五节点至第四节点单向地导通；
所述限压电路连接第四节点和第六节点，从第四节点至第六节点导通时的导通压降限制在设定区间；
所述转换电路连接第七节点和第八节点，并根据调制脉冲的高低电平状态控制第七节点与第八节点之间的通断；
所述第一电阻的两端分别连接第六节点和第八节点；
所述第三单向导通电路连接第六节点和第二电源端，并在第七节点与第八节点断开的稳态，从第二电源端至第六节点单向的导通以向所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极提供第一控制电压，所述第一晶体管与所述第二晶体管导通，在第七节点与第八节点处于连通状态的稳态，从第二电源端至第六节点单向的导通以向所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极提供第二控制电压，所述第一晶体管与所述第二晶体管中至少一者处于关断状态；
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管用于与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，所述第一变压器的一次侧用于与交流恒流源串联连接以形成回路。
本发明的技术方案如下：一种助航灯，包括前述的载波调制电路。
本发明的技术方案如下：一种用于监控助航灯的监控器，包括前述的载波调制电路。
需要说明的是，在一些实施例中助航灯中的发光元件与载波调制电路是集成在一起的，在另一些实施例中，助航灯仅作为独立的发光元件，其与监控器是分立的。
本发明的技术方案如下：一种回路通信主机，包括前述的载波调制电路。
本发明的技术方案如下：一种助航灯载波通信回路，包括前述集成有载波调制电路的助航灯、前述的监控器以及前述的回路通信主机中的至少一项。
例如，助航灯载波通信回路包括交流恒流源、多个第一变压器、前述的回路通信主机、多个前述的助航灯，所述回路通信主机中的第一晶体管与第二晶体管与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，每个所述助航灯中的第一晶体管、第二晶体管与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，各第一变压器的一次侧以及所述交流恒流源串联连接以形成回路；或者，包括交流恒流源、多个第一变压器、前述的回路通信主机、多个前述的监控器，所述回路通信主机中的第一晶体管与第二晶体管与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，每个所述监控器中的第一晶体管、第二晶体管与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，各第一变压器的一次侧以及所述交流恒流源串联连接以形成回路。
本发明的技术方案降低了第一晶体管和第二晶体管被击穿的风险。
附图说明
图1是现有技术中机场助航灯光供电网络的载波调制电路的电路图。
图2是本发明实施例的助航灯载波通信回路的电路图，其中包含载波调制电路。
图3是本发明实施例的助航灯载波通信回路在一种工作状态下的等效电路图，其中包含载波调制电路。
图4是本发明另一实施例的助航灯载波通信回路的电路图，其中包含载波调制电路。
图2至图4中的附图标记如下：CTa、第一变压器；CTb、第二变压器；M1、第一晶体管；M2、第二晶体管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第一稳压二极管；D4、第三二极管；D5、发光二极管；D6、第二稳压二极管；S1、第一开关元件；OC1、光耦合三极管；N1至N8、第一至第八节点；R1至R4、第一至第四电阻；1、第一单向导通电路；2、第二单向导通电路；3、限压电路；4、转换电路；5、第三单向导通电路；6、信号强度控制电路；VDD1、第一电源端；VDD2、第二电源端。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
参考CN115642935A说明书第46段并结合图1，FSK（频移键控）调制脉冲施加在MOS驱动器上，MOS驱动器交替向第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2的栅极同时提供相同的矩形脉冲信号，造成第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2同时导通或同时关断，使得电源隔离变压器CT1次级于供电电压的波峰与波谷处短路或断路，从而形成波动的电压和波动的电流。
本发明的发明人研究发现，电源隔离变压器CT1的额定功率一般为45W-300W，工作电流较大，一般电流有效值为2.8A-6.6A。第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2同时导通或同时关断，电源隔离变压器CT1次级侧的电流迅速增大或迅速减小，电源隔离变压器CT1的次级侧产生的感应电压记为U，U=-L*di/dt，L为电源隔离变压器CT1的次级侧漏电感，d为微分符号，i为电源隔离变压器CT1次级侧电流，t为时间。
第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2关断时，二者的源漏极导通电阻从几欧姆迅速增大至近似无穷大，电源隔离变压器CT1次级侧电流瞬间从几安培降至0A，电源隔离变压器CT1的次级侧产生极大的感应电压。额定功率45W的电源隔离变压器的漏感一般为50uH，第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2关断过程一般持续时间为20ns，这造成电源隔离变压器CT1的次级侧的感应电压的绝对值为45uH*2.8A/20ns=6300V。几千伏的瞬时电压施加在第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2上。
第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2的工作电流大，这就要求导通电阻很小，导通电阻小的NMOS开关管的耐压通常在200V以下。几千伏的瞬时电压极易将第一NMOS开关管Q1和第二NMOS开关管Q2击穿，造成电路失效。
为了解决该问题，参考图2至图4，本发明的实施例提供一种载波调制电路，包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电阻R1、第一单向导通电路1、第二单向导通电路2、第三单向导通电路5、限压电路3和转换电路4；
第一晶体管M1的控制极连接第六节点N6，第一极连接第三节点N3，第二极连接第七节点N7；
第二晶体管M2的控制极连接第六节点N6，第一极连接第五节点N5，第二极连接第七节点N7；
第一单向导通电路1连接第三节点N3和第四节点N4，并允许从第三节点N3至第四节点N4单向地导通；
第二单向导通电路2连接第四节点N4和第五节点N5，并允许从第五节点N5至第四节点N4单向地导通；
限压电路3连接第四节点N4和第六节点N6，从第四节点N4至第六节点N6导通时的导通压降限制在设定区间；
转换电路4连接第七节点N7和第八节点N8，并根据调制脉冲的高低电平状态控制第七节点N7与第八节点N8之间的通断；
第一电阻R1的两端分别连接第六节点N6和第八节点N8；
第三单向导通电路5连接第六节点N6和第二电源端VDD2，并在第七节点N7与第八节点N8断开的稳态，从第二电源端VDD2至第六节点N6单向的导通以向第一晶体管M1和第二晶体管M2的控制极提供第一控制电压，第一晶体管M1与第二晶体管M2导通，在第八节点N8与第七节点N7处于连通状态的稳态，第一电阻R1上的电压降至少使得第一晶体管M1关断或者第二晶体管M2关断；
其中，第一晶体管M1和第二晶体管M2用于与一第一变压器CTa的二次侧CTa串联连接以形成回路，第一变压器的一次侧用于与交流恒流源串联连接以形成回路。
载波调制电路用于向其中第一晶体管M1、第二晶体管M2以及对应的第一变压器CTa的二次侧所在回路施加载波信号。在助航灯载波通信回路中回路通信主机（未示出）以及多个助航灯分别通过一个第一变压器CTa串联连接。交流恒流源与各第一变压器CTa的一次侧串联连接以形成回路。图2示出的载波调制电路可以是位于助航灯内部，也可以是位于回路通信主机内部。第二变压器CTb可用于为助航灯内的用电模块（具体例如是电源电路）供电。每个助航灯还包括一个第四电阻R4，回路通信主机也包括一个第四电阻R4，第四电阻R4与第一变压器CTa的二次侧串联连接，用于采样第一变压器CTa的二次侧的电流。载波通信的格式例如是FSK（频移键控）。助航灯中的微控制器（MCU）向转换电路4提供FSK调制脉冲，回路通信主机内部的控制器也会向回路通信主机中的转换电路4提供FSK调制脉冲。
需要说明的是助航灯中还设置第二变压器CTb，其一侧位于对应的第一变压器CTa的二次侧所在回路，另一侧用于为助航灯供电。对于回路通信主机而言，其电源可以是独立的，无需设置第二变压器CTb。
注：图2至图4中的省略号表示多个第一变压器CTa，各第一变压器CTa的一次侧以及交流恒流源串联连接以形成回路。一个第一变压器CTa的二次侧连接回路通信主机，其余第一变压器CTa的二次侧连接助航灯。
当未进行载波通信时，以助航灯为例，MCU输出一固定高电平电压或者固定低电平电压，从而激励转换电路4将第八节点N8与第七节点N7断开。第三单向导通电路5导通，形成从第二电源端VDD2经第三单向导通电路5、第六节点N6的通路。第六节点N6与第七节点N7之间的电压差使得第一晶体管M1和第二晶体管M2导通。第一晶体管M1、第二晶体管M2以及第二变压器CTa的二次侧所处回路始终处于良好的导通状态。
当进行载波通信时，FSK调制脉冲使得第八节点N8与第七节点N7之间交替地处于连通和断开状态。
以下分析在第八节点N8与第七节点N7处于从断开状态转换成连通状态的瞬态。由于第一晶体管M1和第二晶体管M2的控制极上的电压改变，第一晶体管M1和第二晶体管M2关断。需要说明的是，以下仅是定性分析。
假设当前处于交流恒流源的正半周，由于回路电流迅速降低，第一变压器CTa的二次侧上产生感应电压，导致第二节点N2电压高于第一节点N1电压，瞬态电流的流动方向是从第二节点N2依次经过第五节点N5、第二单向导通电路2、第四节点N4、限压电路3、第六节点N6、第一电阻R1、第八节点N8、第七节点N7、第一晶体管M1的寄生二极管、第三节点N3到第一节点N1。
假设当前处于交流恒流源的负半周，由于回路电流迅速降低，第一变压器CTa的二次侧上产生感应电压，导致第一节点N1电压高于第二节点N2电压，瞬态电流的流动方向是从第一节点N1依次经第三节点N3、第一单向导通电路1第四节点N4、限压电路3、第六节点N6、第一电阻R1、第八节点N8、第七节点N7、第二晶体管M2的寄生二极管、第五节点N5到第二节点N2。
以上交流恒流源的正半周和负半周的状态是对等的，仅表示2个不同的半周。以下交流恒流源的负半周的情况为例进行说明。
以上第一晶体管M1和第二晶体管M2的源极与衬底短路连接。在另外的一些实施例中，第一晶体管M1与第二晶体管M2的源漏极是对等的。本发明中将源漏极中的一者称为第一极，另一者称为第二极。
第一电阻R1上的电压降会使得第一晶体管M1和第二晶体管M2导通，但第一晶体管M1和第二晶体管M2导通又会使得第三节点N3与第五节点N5之间的电压降低，从而导致第六节点N6电压降低，从而使得第一晶体管M1和第二晶体管M2关断。实际上第一晶体管M1维持为半导通的状态，第二晶体管M2近似被其寄生二极管短路（由于此时第五节点N5电压较低，如果第二二极管D2的源漏极是对等的，第二二极管D2也可能是处于导通状态），第一晶体管M1的第一极与第二极之间的电压差由第一单向导通电路1的正向导通电压、限压电路3的导通压降以及第一电阻R1上的电压降三者之和决定。而这三者的电压幅度都是有限且可控的，如此有效保护第一晶体管M1。
同理，在交流恒流源的正半周，第二晶体管M2被有效保护。
可选地，第一单向导通电路1包括第一二极管D1，阳极连接第三节点N3，阴极连接第四节点N4；和/或，第二单向导通电路2包括第二二极管D2，阳极连接第五节点N5，阴极连接第四节点N4。
在另外的一些实施方式中，第一单向导通电路1由多个第一二极管D1串联或并联，或者在第一单向导通电路1中串联电阻元件。
在另外的一些实施方式中，第二单向导通电路2由多个第二二极管D2串联或并联，或者在第二单向导通电路2中串联电阻元件。
在另外的一些实施方式中，将MOS管的栅极和漏极短路连接，从而等效为一个二极管。
可选地，限压电路3包括第一稳压二极管D3，阳极连接第六节点N6，阴极连接第四节点N4。
在另外的一些实施方式中，限压电路3由多个第一稳压二极管D3串联或并联，或者在限压电路3中串联电阻元件。
可选地，第三单向导通电路5包括第三二极管D4和第二电阻R2，第三二极管D4的阳极和阴极中的一者连接第二电源端VDD2，阳极和阴极中的另一者连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接第六节点N6。
以第七节点N7接地，第一晶体管M1和第二晶体管M2为NMOS管为例，第二电源端VDD2提供足够高的直流电压，从而在第七节点N7与第八节点N8断开时使得第一晶体管M1和第二晶体管M2处于导通状态。
需要说明的是，图2至图4中的第一晶体管M1和第二晶体管M2也可以是PMOS管，则第二电源端VDD2的直流电源电压与第七节点N7之间的电压极性对换，第三二极管D4的连接方向相反。
可选地，转换电路4包括第三电阻R3、发光二极管D5和光耦合三极管OC1，第三电阻R3串联在第一电源端VDD1与发光二极管D5的阳极之间，发光二极管D5的阴极用于接收调制脉冲，发光二极管D5发出的光用于激励光耦合三极管OC1导通，光耦合三极管OC1的发射极和集电极分别连接第七节点N7与第八节点N8。
当MCU提供的FSK调制脉冲处于高电平状态时，发光二极管D5不发光，光耦合三极管OC1截止，第七节点N7与第八节点N8断开连接，第二电源端VDD2为第六节点N6提供促使第一晶体管M1和第二晶体管M2导通的有效电压。
当MCU提供的FSK调制脉冲转换至低电平的瞬态，发光二极管D5发光，光耦合三极管OC1导通，第七节点N7与第八节点N8近似短路连接，第一晶体管M1和第二晶体管M2中的一者处于半导通的状态，另一者被寄生二极管短路。
可选地，还包括信号强度控制电路6，其包括第二稳压二极管D6，阳极连接第六节点N6，阴极连接第四节点N4，且第二稳压二极管D6与第四节点N4或第六节点N6的通断状态受控，第二稳压二极管D6在反向击穿状态下的电压降小于限压电路3的限压范围的上界。
例如参考图4，当第一开关元件S1导通时，第二稳压二极管D6与第一稳压二极管D3并联，由于第二稳压二极管D6反向击穿时的电压降更小，实际上第一稳压二极管D3并不会到达反向击穿的状态。从而可以在已经制造完成的载波调制电路中自由调控第四节点N4到第三节点N3的电压降。
基于相同的发明构思，参考图2至图4，本发明的实施例还提供一种助航灯，包括前述的载波调制电路。该助航灯中集成了发光元件（未示出）以及供电电路，供电电路连接第二变压器CTb的一侧，第二变压器CTb的另一侧串联在第一变压器CTa的二次侧所在回路中。
基于相同的发明构思，参考图2至图4，本发明的实施例还提供一种回路通信主机，包括前述的载波调制电路。具体地，回路通信主机的供电可以是独立的，无需设置第二变压器CTb。
基于相同的发明构思，参考图2至图4，本发明的实施例还提供一种助航灯载波通信回路，包括集成有前述载波调制电路的助航灯、前述的监控器以及前述的回路通信主机中的至少一项。
例如，助航灯载波通信回路包括交流恒流源、多个第一变压器CTa、前述的回路通信主机、多个前述的助航灯，所述回路通信主机中的第一晶体管M1、第二晶体管M2与一第一变压器CTa的二次侧串联连接以形成回路，每个助航灯中的第一晶体管M1、第二晶体管M2与一第一变压器CTa的二次侧串联连接以形成回路，各第一变压器CTa的一次侧以及交流恒流源串联连接以形成回路。
在一个示例性的实施例中，第一晶体管M1和第二晶体管M2均为NMOS管。第一电源端VDD1提供正的直流电源电压。第二电源端VDD2提供正的直流电源电压。第七节点N7接地。
以上的第一稳压二极管D3和第二稳压二极管D6可以是瞬态抑制二极管TVS。
需要说明的是，以上实施例均是以助航灯中集成发光元件以及载波调制电路为例进行的说明。在另外的一些实施例中，用作助航灯的发光元件与载波调制电路是分立的。本发明的实施例还提供一种用于监控助航灯的监控器，包括前述的载波调制电路。监控器既用于控制助航灯的亮灭，又能够与回路通信主机进行载波通信。借鉴图2至图4，监控器的用电由第二变压器CTb提供。
借鉴图2至图4，本发明的实施例还提供一种助航灯载波通信回路，包括交流恒流源、多个第一变压器CTa、前述的回路通信主机、多个前述的监控器，所述回路通信主机中的第一晶体管M1、第二晶体管M2与一第一变压器CTa的二次侧串联连接以形成回路，每个监控器中的第一晶体管M1、第二晶体管M2与一第一变压器CTa的二次侧串联连接以形成回路，各第一变压器CTa的一次侧以及交流恒流源串联连接以形成回路。
本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种载波调制电路，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管、第一电阻、第一单向导通电路、第二单向导通电路、第三单向导通电路、限压电路和转换电路；
所述第一晶体管的控制极连接第六节点，第一极连接第三节点，第二极连接第七节点；
所述第二晶体管的控制极连接第六节点，第一极连接第五节点，第二极连接第七节点；
所述第一单向导通电路连接第三节点和第四节点，并允许从第三节点至第四节点单向地导通；
所述第二单向导通电路连接第四节点和第五节点，并允许从第五节点至第四节点单向地导通；
所述限压电路连接第四节点和第六节点，从第四节点至第六节点导通时的导通压降限制在设定区间；
所述转换电路连接第七节点和第八节点，并根据调制脉冲的高低电平状态控制第七节点与第八节点之间的通断；
所述第一电阻的两端分别连接第六节点和第八节点；
所述第三单向导通电路连接第六节点和第二电源端，并在第七节点与第八节点断开的稳态，从第二电源端至第六节点单向的导通以向所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极提供第一控制电压，所述第一晶体管与所述第二晶体管导通，在第七节点与第八节点处于连通状态的稳态，从第二电源端至第六节点单向的导通以向所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制极提供第二控制电压，所述第一晶体管与所述第二晶体管中至少一者处于关断状态；
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管用于与一第一变压器的二次侧串联连接以形成回路，所述第一变压器的一次侧用于与交流恒流源串联连接以形成回路。
2.根据权利要求1所述的载波调制电路，其特征在于，所述第一单向导通电路包括第一二极管，阳极连接第三节点，阴极连接第四节点；和/或，所述第二单向导通电路包括第二二极管，阳极连接第五节点，阴极连接第四节点。
3.根据权利要求1所述的载波调制电路，其特征在于，所述限压电路包括第一稳压二极管，阳极连接第六节点，阴极连接第四节点。
4.根据权利要求1所述的载波调制电路，其特征在于，所述第三单向导通电路包括第三二极管和第二电阻，所述第三二极管的阳极和阴极中的一者连接第二电源端，阳极和阴极中的另一者连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端连接第六节点。
5.根据权利要求1所述的载波调制电路，其特征在于，所述转换电路包括第三电阻、发光二极管和光耦合三极管，所述第三电阻串联在第一电源端与发光二极管的阳极之间，所述发光二极管的阴极用于接收调制脉冲，所述发光二极管发出的光用于激励光耦合三极管导通，光耦合三极管的发射极和集电极分别连接第七节点与第八节点。
6.根据权利要求1所述的载波调制电路，其特征在于，还包括信号强度控制电路，其包括第二稳压二极管，阳极连接第六节点，阴极连接第四节点，且第二稳压二极管与第四节点或第六节点的通断状态受控，第二稳压二极管在反向击穿状态下的电压降小于限压电路的限压范围的上界。
7.一种助航灯，其特征在于，包括根据权利要求1至6中任一项所述的载波调制电路。
8.一种用于监控助航灯的监控器，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的载波调制电路。
9.一种回路通信主机，其特征在于，包括根据权利要求1至6中任一项所述的载波调制电路。
10.一种助航灯载波通信回路，其特征在于，包括根据权利要求7所述的助航灯、根据权利要求8所述的监控器以及根据权利要求9所述的回路通信主机中的至少一项。
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| 基于低压电力线载波通信的助航灯光控制系统设计;吴德君;;工业仪表与自动化装置;20160815(第04期);全文 * |
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