JP5155302B2 - バス・ループ電力インターフェース及び方法 - Google Patents

Description

本発明はバス・ループ電力インターフェースに関するもので、特に、バス・ループ電力インターフェースと計装バスに関する。

流量計は、流れる物質の質量流量、密度その他の特性を測定するために用いられる。流れる物質は、流体、気体、流体と気体との混合物、流体中の固体、及び、気体と浮遊する固体とを含む流体を含み得る。例えば、流量計は石油及び石油製品の油井生産及び精製に広く用いられる。流量計は、流量を測定することによって（即ち、流量計によって質量流量を測定することによって、油井生産を決定するのに用いることができ、流れの気体成分と流体成分との相対比率を決定するのにも用いることができる。

多くのプロセス制御又は産業上の自動化設定において、バス・ループ（又は計装バス）はセンサ装置又は他の計装装置のような種々の装置と接続するために用いられる。普通、バス・ループは、装着された種々の機器又はセンサ装置へ電力を分配するのに用いられる。
更に、バス・ループはセンサ又は計装装置との間でデータを交信するためにも用いられるのが普通である。したがって、バス・ループは、バスを介して電力を提供することができ且つバスを介して通信を行うことができるマスタ装置に接続される。マスタ装置はコマンド、プログラミング、データ、校正設定その他の設定等をセンサ及び計装装置へ送ることができる。また、マスタ装置はセンサ及び計装装置から、識別データ、校正データ、測定データ、操作データ等を受け取ることができる。

図１は、従来技術に係る２線式バス・ループ１を示している。バス・ループ１は、バス・ループを動作させるマスタ装置２、複数のセンサ又は計装装置３〜５及び終端器６を含むことができる。マスタ装置２はデジタル通信信号を外部装置、例えば監視制御局へ送ることができる。マスタ装置２は電源に接続され、２線式バス・ループ１を介して電力を提供する。典型的には、マスタ装置２は、電流制限され、電圧制限され且つ電力制限された電力を提供する。

バス・ループ１は例えばＦＩＥＬＤＢＵＳバス・ループを含むことができる。用語ＦＩＥＬＤＢＵＳは、典型的には複数の機器を接続するのに用いられるとともに機器間でのデジタル通信を提供するのに用いることができる２線式計装バス標準を意味する。代わりに、バス・ループ１はＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＨＡＲＴ、４−２０ミリアンペア・バス・ループ等の他のバスを含むことができる。

図２は、バス・ループ１に接続された従来のバス装置３のための従来の電力調整手法を示している。従来のバス装置３は、電圧調整器８と該電圧調整器８に直列の負荷９とを含む。電圧調整器８は負荷９に対して一定の電圧レベルを維持する。

しかし、この従来の電力調整には欠点がある。この従来の装置で提供される最大電力（Ｐ）は、直列の調整器の出力電圧（Ｖ）とループ電流（Ｉ）との積である。この種の線形調整を用いるループ・インターフェースは電力伝達能力が低い。これは、利用可能な電力式（Ｐ＝ＶｘＩ）における電圧パラメータＶは本質的に一定だからである。更に、ループ・インピーダンスが相対的に大きいことに起因して、ループ電流が増加すると、バス電圧は低下する。

１つの可能な解決法は、スイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）の使用であり得る。ＳＭＰＳは切り換えモード電源又は切り換え電源とも称される。ＳＭＰＳは直流バス電圧から時間変動信号を生成し、電圧ステップアップ変換を行い、その結果の時間変動信号を、元の直流バス電圧よりも高い電圧レベルを持つことができる直流電圧へ変換する。その結果、電力式におけるＶ項は増大することができる。

しかし、ＳＭＰＳ装置の欠点は、典型的にはＳＭＰＳ装置は入力インピーダンス特性が低いということである。これは、バス・ループ１から電力供給される装置と互換性がない。こうした装置は、バス・ループ１を介して通信信号を通過させることができるようにするためにループ・インピーダンスが高く維持される。

本発明の実施の形態にしたがって、バス・ループ電力インターフェースが提供される。バス・ループ電力インターフェースは、ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する電圧制御モジュール、電圧制御モジュールと結合され、ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するインピーダンス制御モジュール、及び、電圧制御モジュールとインピーダンス制御モジュールとの間に結合されたフィードバックを備えている。フィードバックは、電圧制御モジュールが所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することを可能にするフィードバック信号を電圧制御モジュールに提供する。

本発明の実施の形態にしたがって、バス・ループ電力インターフェースが提供される。バス・ループ電力インターフェースは、ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取り、所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２を備える。また、バス・ループ電力インターフェースは、ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取る電流測定抵抗Ｒ_１と、前記電流測定抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ_１と、前記オペアンプＵ_１によってバイアスされるトランジスタＱ_１とを備える。トランジスタＱ_１は、前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する。前記オペアンプＵ_１の出力は前記トランジスタＱ_１のインピーダンス特性と前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを制御する。更に、バス・ループ電力インターフェースは、前記ＳＭＰＳ Ｕ_２に結合されたトランジスタＱ_２を備える。トランジスタＱ_２は、前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされる。また、バス・ループ電力インターフェースは、前記トランジスタＱ_２と接地との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ_２を備える。フィードバック抵抗Ｒ_２は、前記トランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取る。前記フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢが前記ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力によって受け取られる。前記トランジスタＱ_２と前記フィードバック抵抗Ｒ_２とによって、前記ＳＭＰＳ Ｕ_２が前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することを可能にする。

本発明の実施の形態にしたがって、バス・ループ電力インターフェースにおいて電力を制御する方法が提供される。この方法は、計装バスからループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰ及びループ電流Ｉ_ＬＯＯＰの電力を受け取るステップと、前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰから所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップと、前記バス・ループ電力インターフェースの所定のインピーダンス特性に関係する所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップとを備える。

態様
バス・ループ電力インターフェースの１つの態様において、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}は実質的に一定である。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が変動性である。
バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記インピーダンス制御モジュールは前記バス・ループ電力インターフェースにおけるインピーダンスを調整する。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記インピーダンス制御モジュールは更にインピーダンス制御線を備え、該インピーダンス制御線が、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}をと前記インピーダンス制御モジュールのインピーダンスを制御するよう構成されている。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、バス・ループ電力インターフェースは、一対の入力端子と一対の出力端子とを更に備え、前記インピーダンス制御モジュールは、前記入力端子からループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取り、前記電圧制御モジュールは前記一対の出力端子に接続される。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記電圧制御モジュールはスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２を更に備える。
バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記インピーダンス制御モジュールは、
前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取る電流測定抵抗Ｒ_１と、
前記電流測定抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ_１と、
前記オペアンプＵ_１によってバイアスされ、前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取るトランジスタＱ_１と、
を更に備え、前記オペアンプＵ_１の出力は前記トランジスタＱ_１のインピーダンス特性と前記供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを制御する。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記フィードバックは、
前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされるトランジスタＱ_２と、
前記トランジスタＱ_２と接地との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ_２と、
を備え、前記フィードバック抵抗Ｒ_２が前記トランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取り、前記フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢは前記ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力ＦＢによって受け取られる。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記ＳＭＰＳ Ｕ_２は電圧制御モジュール（１１０）を備える。
バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記電流測定抵抗Ｒ_１と前記オペアンプＵ_１と前記トランジスタＱ_１とはインピーダンス制御モジュールを構成する。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記トランジスタＱ_２と前記フィードバック抵抗Ｒ_２とはフィードバックを構成する。
バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、前記電流測定抵抗Ｒ_１と前記オペアンプＵ_１と前記トランジスタＱ_１とは前記バス・ループ電力インターフェースのインピーダンスを調整する。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、バス・ループ電力インターフェースは、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記インピーダンス制御モジュールのインピーダンスとを制御するよう構成されたインピーダンス制御線を更に備える。

バス・ループ電力インターフェースの別の態様において、バス・ループ電力インターフェースは、前記オペアンプＵ_１と結合され、前記トランジスタＱ_１のバイアス電圧を制御するよう構成されたインピーダンス制御線を更に備える。

方法の１つの態様において、この方法は、前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する。
方法の他の態様において、この方法は、実質的に高インピーダンスを維持しながら、前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する。

方法の他の態様において、この方法は、前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを最大化することによって、前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する。

方法の他の態様において、この方法は、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を調整して通信信号を生成するステップを更に備える。
方法の他の態様において、この方法は、インピーダンス制御入力を受け取るステップと、前記インピーダンス制御入力に基づいて前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップとを更に備える。

方法の他の態様において、前記バス・ループ電力インターフェースは、
ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する電圧制御モジュールと、
前記電圧制御モジュールと結合され、ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するインピーダンス制御モジュールと、
前記電圧制御モジュールと前記インピーダンス制御モジュールとの間に結合され、前記電圧制御モジュールが前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することを可能にするフィードバック信号を前記電圧制御モジュールに提供するフィードバックと、
を備える。

方法の他の態様において、前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は実質的に一定である。
方法の他の態様において、前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は変動性である。
方法の他の態様において、前記インピーダンス制御モジュールは、所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記インピーダンス制御モジュールのインピーダンスとを制御するよう構成されたインピーダンス制御線を更に備える。

方法の他の態様において、前記電圧制御モジュールはスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２を更に備える。
方法の他の態様において、前記インピーダンス制御モジュールは、
前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取る電流測定抵抗Ｒ_１と、
前記電流測定抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ_１と、
前記オペアンプＵ_１によってバイアスされ、前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取るトランジスタＱ_１と、
を更に備え、前記オペアンプＵ_１の出力が前記トランジスタＱ_１のインピーダンス特性と前記供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを制御する。

方法の他の態様において、前記フィードバックは、
前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされるトランジスタＱ_２と、
前記トランジスタＱ_２と接地との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ_２と、
を備え、前記フィードバック抵抗Ｒ_２が前記トランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取り、前記フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢが前記ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力ＦＢによって受け取られる。

発明を実施するための好適な実施の形態

図３及び図４並びに以下の記述は、発明の最良の形態を作成し利用する方法を当業者に教示する特定の例を示している。発明原理を教示する目的で、幾つかの従来の特徴は簡略化され、又は省略された。当業者は、こうした例からの本発明の範囲内に入る変形を評価するであろう。当業者は理解するように、以下に記述する特徴は発明の複数の変形を形成するように種々の方法で組み合わされ得る。その結果、本発明は、後述の特定の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲とその均等物によってのみ限定される。

図３は、本発明の実施の形態に係るバス・ループ電力インターフェース１００を示している。バス・ループ電力インターフェース１００は、計装バス・ループ１（図示せず）に付随するバス装置に電力を提供する。バス・ループ電力インターフェース１００は、バス・ループ１に付随する唯一の装置でも、多くのバス機器のうちの１つであってもよい。

１つの実施の形態におけるバス装置は、例えば、コリオリ流量計のような流量計又は濃度計を含む。しかし、他のバス装置も想定され、詳細な説明と特許請求の範囲内にある。
バス・ループ電力インターフェース１００は電圧制御モジュール１１０、インピーダンス制御モジュール１２０、及び、電圧制御モジュール１１０とインピーダンス制御モジュール１２０との間に接続されたフィードバック１１５を備える。バス・ループ電力インターフェース１００はバス・ループ１と結合するよう構成された一対の入力端子１０１と、センサ又は計装装置（図示せず）に結合されるよう構成された一対の出力端子１０２とを備える。インピーダンス制御モジュール１２０は入力端子１０１からループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取り、電圧制御モジュール１１０は一対の出力端子１０２に接続される。バス・ループ電力インターフェース１００はバスからループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取り、出力端子１０２に所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を提供する。更に、バス・ループ電力インターフェース１００はバスからループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取り、出力端子１０２に所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を提供する。

電圧制御モジュール１１０はループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰから所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を提供する。幾つかの実施の形態においては、電圧制御モジュール１１０はスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）を備える。実施の形態によっては、電圧制御モジュール１１０の（及びバス・ループ電力インターフェース１００の）供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は直流電圧を含むことができる。代わりに、重畳されたデジタル通信信号を含む直流電圧を含むことができる。

供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は、ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰよりも小さくてもよい。供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は、ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰよりも大きい又はそれと等しくてもよい。供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}は一定レベルであっても、レベル変動してもよい。

インピーダンス制御モジュール１２０はバス・ループ電力インターフェース１００における電気インピーダンスを調整する。インピーダンス制御モジュール１２０はループ電流Ｉ_ＬＯＯＰから所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を提供する。供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}は、インピーダンス制御モジュール１２０によって提供されるインピーダンスを変化させることによって生成される。その結果、バス・ループ電力インターフェース１００のインピーダンスは相対的に高いインピーダンス・レベルに保たれる。

実施の形態によっては、インピーダンス制御モジュール１２０によって生成される所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}は、実質的に一定である。代わりに、他の実施の形態においては、変動する電流を用いて通信信号を生成する実施の形態におけると同様に、所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}は変動する。

実施の形態によっては、インピーダンス制御モジュール１２０はインピーダンス制御線１０６を備える。インピーダンス制御線１０６は、所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を制御するとともにインピーダンス制御モジュール１２０の電気インピーダンスを制御するように構成される。

或る実施の形態においては、インピーダンス制御線１０６は、電流を用いて通信信号を生成する実施の形態におけると同様に、供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を変えるために用いられる。代わりに、他の実施の形態においては、インピーダンス制御線１０６は実質的に一定のインピーダンス値（したがって、実質的に一定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}）を生成する一定値であり得る。

フィードバック１１５はインピーダンス制御モジュール１２０から電圧制御モジュール１１０へのフィードバックを生成する。フィードバック１１５はフィードバック信号を電圧制御モジュール１１０に提供して、電圧制御モジュール１１０が所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することができるようにする。フィードバック１１５は電圧レベル・フィードバックを含むことができ、例えば、電圧制御モジュール１１０は電圧レベル・フィードバックを用いて供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を維持する。更に又は代わりに、フィードバック１１５は電圧制御モジュール１１０へエラー電流を伝達することができ、エラー電流は、供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を維持するために電圧制御モジュール１１０によって用いられるフィードバック電圧を生成する（図４及び以後の記載を参照されたい）。

フィードバック１１５は、調整された供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成し維持するために用いられる。更に、フィードバック１１５は、バス・ループ電力インターフェース１００によって出力される電力を最大にし、したがって最大電力伝達を達成するためにも使用される。フィードバック１１５は、バス・ループ電力インターフェース１００が特定の電力動作点を追跡することを保証する。供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}が変化したときであっても、バス・ループ電力インターフェース１００は利用可能な電力を最大にする。一対の入力端子１０１に結合されたバス装置は、プロセス値によって決定された特定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}で動作しなければならない。こうした場合にも、バス・ループ電力インターフェース１００は利用可能な電力を最大にすることができる。

バス・ループ電力インターフェース１００は、例えばＦＩＥＬＤＢＵＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＨＡＲＴバス等の任意の計装バスと共に用いられる。こうした応用においては、デジタル通信信号は供給電力に重畳され得る。代わりに、バス・ループ電力インターフェース１００は例えば４−２０ミリアンペア（ｍＡ）バス・ループに用いられ得る。この場合、電流出力は、重畳された通信信号を生成するよう変調される。

実施の形態によっては、バス・ループ電力インターフェース１００は本質安全（ＩＳ）環境で使用され得る。ＩＳ環境は、火事又は爆発事故を起こす蒸気、気体、液体、ダスト等を含み得る。したがって、ＩＳに準拠したバスは、供給し得る利用可能電流及び／又は電圧が制限される。

有利なことに、バス・ループ電力インターフェース１００は、利用可能な電流と利用可能な電圧とを最大化することにより、分配される電力を最大化することができる。これは高入力インピーダンスを維持しながら達成される。バス・ループ電力インターフェース１００は種々の電流レベルにわたって供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を維持する。したがって、バス・ループ電力インターフェース１００は、最大電力を分配しながらの通信を容易にする。

バス・ループ電力インターフェース１００は、本発明の実施の形態に係る、電力を制御する方法を実施する。バス・ループ電力インターフェース１００は計装バスからループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰ及びループ電流Ｉ_ＬＯＯＰの電力を受け取り、ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰから所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成し、所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する。所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}はバス・ループ電力インターフェースの所定のインピーダンス特性と関係付けられる。

この方法は、バス・ループ電力インターフェース１００にとって利用可能な電力を最大にする。この方法は、実質的に高インピーダンスを維持しながらバス・ループ電力インターフェース１００にとって利用可能な電力を最大にする。この方法は、所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}及び所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を最大にすることにより、バス・ループ電力インターフェース１００にとって利用可能な電力を最大にする。これは、対応するバス装置のプロセス値によって供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}又は供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が制限される場合であっても達成される。

この方法は、通信信号を生成するよう所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を調整することができる。この方法は、インピーダンス制御入力を受け取ることができ、インピーダンス制御入力に基づいて所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成することができる。

図４は、本発明の実施の形態に係るバス・ループ電力インターフェース１００を示している。先に検討したとおり、この実施の形態におけるバス・ループ電力インターフェース１００は電圧制御モジュール１１０、インピーダンス制御モジュール１２０及びフィードバック１１５を備えている。

この実施の形態における電圧制御モジュール１１０はスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２、インダクタＬ_１、キャパシタＣ_１、Ｃ_２、ダイオードＤ_１、ツェナーダイオードＺ_１を備える。先に検討したように、所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}はループＤＣ電圧Ｖ_ＬＯＯＰよりも大きい又は小さい或いはそれと等しいＤＣ電圧であり得る。キャパシタ、インダクタ及びダイオードのコンポーネントは所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を達成するよう選択される。

この実施の形態におけるインピーダンス制御モジュール１２０はオペアンプＵ_１、抵抗Ｒ_１、電圧入力Ｖ＿Ｉ_ｓｅｔ及びトランジスタＱ_１を備える。オペアンプＵ_１は抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を備える。トランジスタＱ_１はオペアンプＵ_１によってバイアスされる。抵抗Ｒ_１はループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取り、トランジスタＱ_１はループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する。オペアンプＵ_１は抵抗Ｒ_１の両端間の電圧を測定するよう構成されるが、この電圧は抵抗Ｒ_１を流れる電流（即ち、Ｉ_ＬＯＯＰ）によって生成される。測定された電流を用いてトランジスタＱ_１のゲート（Ｇ）を制御する。トランジスタＱ_１のゲートのバイアス電圧を変えると、トランジスタＱ_１のソースとドレイン間のインピーダンスが変わる。

或る実施の形態における電圧入力Ｖ＿Ｉ_ｓｅｔは図３のインピーダンス制御入力１０６を含む。インピーダンス制御線１０６はオペアンプＵ_１に結合され、したがって、トランジスタＱ_１のバイアス電圧を制御することができる。

トランジスタＱ_１はパワートランジスタであり得る。図示の実施の形態においては、トランジスタＱ_１は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や、インフィネオン・テクノロジーズＡＧから入手できるＢＳＰ１４９トランジスタのような金属・酸化膜・半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）からなる。しかし、任意の適宜のトランジスタ装置を用いることができ、この説明と特許請求の範囲の範囲内に入る。

この実施の形態におけるフィードバック１１５はトランジスタＱ_２とフィードバック抵抗Ｒ_２とを備える。トランジスタＱ_２はループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされる。フィードバック抵抗Ｒ_２はトランジスタＱ_２と接地との間に接続される。フィードバック抵抗Ｒ_２はトランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取る。フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢはＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力によって受け取られる。実際の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}が目標供給電圧を超えて増加すると、トランジスタＱ_２のベースにおけるバイアス電圧は上昇する。トランジスタＱ_２のベース・コレクタ接合における電圧（即ち、Ｑ_２のＶ_ＢＣ）が０．７ボルトよりも大きくなると、正のフィードバック電流Ｉ_ＦＢがフィードバック抵抗Ｒ_２を通って接地へ流れる。これはフィードバック抵抗Ｒ_２の両端間の電圧を上昇させるので、ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック・ピン（ＦＢ）に一層高いフィードバック電圧が加えられる。その結果、供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}はＳＭＰＳ Ｕ_２によって低減される。逆に、実際の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}が所定の供給電圧よりも小さくなると、ＦＢピンにおけるフィードバック電圧は低下し、ＳＭＰＳ Ｕ_２は実際の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を所定の目標供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}と実質的に同じレベルにまで高める。トランジスタＱ_２及びフィードバック抵抗Ｒ_２により、ＳＭＰＳ Ｕ_２は所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することができる。

本発明は、有利なことに、一対の出力端子１０２における利用可能な電力を最大化する。この電力は
Ｐ＝［Ｖ_ＬＯＯＰ−（Ｑ_２のＶ_ＢＥ）］＊Ｉ_ＬＯＯＰ＊（Ｕ_２のＥ） （１）
によって表され得る。ただし、Ｑ_２のＶ_ＢＥはトランジスタＱ_２のベース・エミッタ接合における電圧であり、Ｕ_２のＥはＳＭＰＳ Ｕ_２のスイッチング効率である。項［Ｖ_ＬＯＯＰ−（Ｑ_２のＶ_ＢＥ）］はキャパシタＣ_１の両端間の電圧Ｖ_Ｃ１を含んでおり、供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}と等価である。

１つの実施の形態において、トランジスタＱ_２は、フェアチャイルド・セミコンダクタ社から入手できるＢＣ８５９トランジスタのようなバイポーラ・ジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）からなる。しかし、理解されるように、他のトランジスタを想定することができ、この説明及び特許請求の範囲の範囲内に入る。

本発明に係るバス・ループ電力インターフェース及び方法は、所望であれば、幾つかの利点を提供するよう、何れかの実施の形態にしたがって採用されることができる。本発明は、調整された電圧を提供する。本発明は、調整された電流を提供する。本発明は、高入力インピーダンスを提供する。本発明は、電流を制御する能力を提供する。本発明は、インピーダンスを制御する能力を提供する。本発明は、最大化された電力を提供する。

従来の２線式バス・ループを示す図である。 バス・ループに接続された従来のバス装置のための従来の電力調整手法を示す図である。 本発明の実施の形態に係るバス・ループ電力インターフェースを示す図である。 本発明の実施の形態に係るバス・ループ電力インターフェースを示す図である。

Claims (30)

1. バス・ループ電力インターフェース（１００）であって、
   ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成する電圧制御モジュール（１１０）と、
   前記電圧制御モジュール（１１０）と結合され、ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するインピーダンス制御モジュール（１２０）と、
   前記電圧制御モジュール（１１０）と前記インピーダンス制御モジュール（１２０）との間に結合され、前記電圧制御モジュール（１１０）が前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することを可能にするフィードバック信号を前記電圧制御モジュール（１１０）に提供するフィードバック（１１５）と、
   を具備するバス・ループ電力インターフェース（１００）。
2. 前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が実質的に一定である、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
3. 前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が変動性である、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
4. 前記インピーダンス制御モジュール（１２０）が前記バス・ループ電力インターフェース（１００）におけるインピーダンスを調整する、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
5. インピーダンス制御モジュール（１２０）が更にインピーダンス制御線（１０６）を備え、該インピーダンス制御線（１０６）が、前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記インピーダンス制御モジュール（１２０）のインピーダンスとを制御するよう構成されている、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
6. 一対の入力端子（１０１）と一対の出力端子（１０２）とを更に備え、
   前記インピーダンス制御モジュール（１２０）が前記入力端子（１０１）からループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取り、前記電圧制御モジュール（１１０）が前記一対の出力端子（１０２）に接続される、
   請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
7. 前記電圧制御モジュール（１１０）がスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２を更に備える、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
8. 前記インピーダンス制御モジュール（１２０）が、
   前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取る電流測定抵抗Ｒ_１と、
   前記電流測定抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ_１と、
   前記オペアンプＵ_１によってバイアスされ、前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取るトランジスタＱ_１と、
   を更に備え、前記オペアンプＵ_１の出力が前記トランジスタＱ_１のインピーダンス特性と前記供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを制御する、請求項１に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
9. 前記フィードバック（１１５）が、
   前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされるトランジスタＱ_２と、
   前記トランジスタＱ_２と接地との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ_２と、
   を備え、前記フィードバック抵抗Ｒ_２が前記トランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取り、前記フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢが前記ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力ＦＢによって受け取られる、請求項７に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
10. バス・ループ電力インターフェース（１００）であって、
    ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰを受け取り、所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ_２と、
    ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取る電流測定抵抗Ｒ_１と、
    前記電流測定抵抗Ｒ_１の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ_１と、
    前記オペアンプＵ_１によってバイアスされ、前記ループ電流Ｉ_ＬＯＯＰを受け取って所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するトランジスタＱ_１であって、前記オペアンプＵ_１の出力が前記トランジスタＱ_１のインピーダンス特性と前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を制御するトランジスタＱ_１と、
    前記ＳＭＰＳ Ｕ_２に結合され、前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰによってバイアスされるトランジスタＱ_２と、
    前記トランジスタＱ_２と接地との間に接続され、前記トランジスタＱ_２からフィードバック電流Ｉ_Ｆを受け取るフィードバック抵抗Ｒ_２と、
    を備え、
    前記フィードバック抵抗Ｒ_２の両端間のフィードバック電圧Ｖ_ＦＢが前記ＳＭＰＳ Ｕ_２のフィードバック入力によって受け取られ、前記トランジスタＱ_２と前記フィードバック抵抗Ｒ_２とによって、前記ＳＭＰＳ Ｕ_２が前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を実質的に維持することを可能にするバス・ループ電力インターフェース（１００）。
11. 前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が実質的に一定である、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
12. 前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}が変動性である、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
13. 前記ＳＭＰＳ Ｕ_２が電圧制御モジュール（１１０）を備える、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
14. 前記電流測定抵抗Ｒ_１と前記オペアンプＵ_１と前記トランジスタＱ_１とがインピーダンス制御モジュール（１２０）を構成する、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
15. 前記トランジスタＱ_２と前記フィードバック抵抗Ｒ_２とがフィードバック（１１５）を構成する、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
16. 前記電流測定抵抗Ｒ_１と前記オペアンプＵ_１と前記トランジスタＱ_１とが前記バス・ループ電力インターフェース（１００）のインピーダンスを調整する、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
17. 前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記インピーダンス制御モジュール（１２０）のインピーダンスとを制御するよう構成されたインピーダンス制御線（１０６）を更に備える、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
18. 前記オペアンプＵ_１と結合され、前記トランジスタＱ_１のバイアス電圧を制御するよう構成されたインピーダンス制御線（１０６）を更に備える、請求項１０に記載のバス・ループ電力インターフェース（１００）。
19. バス・ループ電力インターフェースにおいて電力を制御する方法であって、
    電圧制御モジュールが計装バスからループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰ及びループ電流Ｉ_ＬＯＯＰの電力を受け取るステップと、
    前記電圧制御モジュールが前記ループ電圧Ｖ_ＬＯＯＰから所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップと、
    インピーダンス制御モジュールがループ電流Ｉ _ＬＯＯＰ を受け取って前記バス・ループ電力インターフェースの所定のインピーダンス特性に関係する所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップと、
    前記電圧制御モジュールが前記インピーダンス制御モジュールからフィードバックを受け取るステップであって、該フィードバックにより、前記電圧制御モジュールが前記所定の供給電圧Ｖ _{ＳＵＰＰＬＹ} を実質的に維持することを可能にするステップと、
    を備える方法。
20. 前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する、請求項１９に記載の方法。
21. 実質的に高インピーダンスを維持しながら、前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する、請求項１９に記載の方法。
22. 前記所定の供給電圧Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}と前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}とを最大化することによって、前記バス・ループ電力インターフェースにとって利用可能な電力を最大化する、請求項１９に記載の方法。
23. 前記インピーダンス制御モジュールが前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を調整して通信信号を生成するステップを更に備える、請求項１９に記載の方法。
24. 前記インピーダンス制御モジュールがインピーダンス制御入力を受け取るステップと、
    前記インピーダンス制御モジュールが前記インピーダンス制御入力に基づいて前記所定の供給電流Ｉ_{ＳＵＰＰＬＹ}を生成するステップと、
    を更に備える、請求項１９に記載の方法。
25. 前記所定の供給電流Ｉ _{ＳＵＰＰＬＹ} が実質的に一定である、請求項１９に記載の方法。
26. 前記所定の供給電流Ｉ _{ＳＵＰＰＬＹ} が変動性である、請求項１９に記載の方法。
27. 前記インピーダンス制御モジュールが、所定の供給電流Ｉ _{ＳＵＰＰＬＹ} と前記インピーダンス制御モジュールのインピーダンスとを制御するよう構成されたインピーダンス制御線を更に備える、請求項１９に記載の方法。
28. 前記電圧制御モジュールがスイッチ・モード電源（ＳＭＰＳ）Ｕ _２ を更に備える、請求項１９に記載の方法。
29. 前記インピーダンス制御モジュールが、
    前記ループ電流Ｉ _ＬＯＯＰ を受け取る電流測定抵抗Ｒ _１ と、
    前記電流測定抵抗Ｒ _１ の両端間の入力端子を有するオペアンプＵ _１ と、
    前記オペアンプＵ _１ によってバイアスされ、前記ループ電流Ｉ _ＬＯＯＰ を受け取るトランジスタＱ _１ と、
    を更に備え、前記オペアンプＵ _１ の出力が前記トランジスタＱ _１ のインピーダンス特性と前記供給電流Ｉ _{ＳＵＰＰＬＹ} とを制御する、請求項１９に記載の方法。
30. 前記フィードバックが、
    前記ループ電圧Ｖ _ＬＯＯＰ によってバイアスされるトランジスタＱ _２ と、
    前記トランジスタＱ _２ と接地との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ _２ と、
    を備え、前記フィードバック抵抗Ｒ _２ が前記トランジスタＱ _２ からフィードバック電流Ｉ _Ｆ を受け取り、前記フィードバック抵抗Ｒ _２ の両端間のフィードバック電圧Ｖ _ＦＢ が前記ＳＭＰＳ Ｕ _２ のフィードバック入力ＦＢによって受け取られる、請求項１９に記載の方法。

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