功率收集應(yīng)用中用于功率儲存控制的雙向dc-dc轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】公開了一種功率收集應(yīng)用中用于功率儲存控制的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。一種具有第一操作模式和第二操作模式的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括具有正端子和負(fù)端子并將所述轉(zhuǎn)換器連接至第一電路的第一端子對，具有正端子和負(fù)端子并將所述轉(zhuǎn)換器連接至第二電路的第二端子對，用于電能的暫時性累積的累積元件；以及連接至所述第一端子對、所述第二端子對和所述累積元件的開關(guān)電路。在所述雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的第一操作模式下，電能通過所述累積元件從所述第一電路轉(zhuǎn)移到所述第二電路，并且在所述DC-DC轉(zhuǎn)換器的第二操作模式下，電能通過所述累積元件從所述第二電路轉(zhuǎn)移到所述第一電路。
【專利說明】功率收集應(yīng)用中用于功率儲存控制的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器
[0001]本申請是申請日為2008年6月13日、申請?zhí)枮?00880019913.0 (PCT/US2008/066968)、名稱為“功率收集應(yīng)用中用于功率儲存控制的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求以下美國臨時申請的權(quán)益:2007年6月15日遞交的名稱為“Bidirectional DC to DC Converter for Power Storage Control in a PowerScavenging Application (功率收集應(yīng)用中用于功率儲存控制的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器)”的N0.60/944,451(代理所記錄n0.06005/561855P)和2007年6月15日遞交的名稱為“ InputRegulated DC to DC Converter for Power Scavenging (用于功率收集的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器)”的N0.60/944, 454 (代理所記錄n0.06005/561853P)，特此通過引用將這兩個申請的公開內(nèi)容合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明總體涉及電壓和功率轉(zhuǎn)換電路，更具體地涉及用于在主電路與次級電路之間轉(zhuǎn)移能量的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0005]在多種應(yīng)用中使用DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓。以增壓轉(zhuǎn)換器或“升壓”轉(zhuǎn)換器為人所知的某些轉(zhuǎn)換器在輸出端子處生成比輸入電壓高的電壓。反之，減壓轉(zhuǎn)換器或“降壓”轉(zhuǎn)換器在輸出端子處生成較低的電壓。本領(lǐng)域已知的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常通過專用開關(guān)電路對流經(jīng)電感器的電流的時序和方向進行控制而操作。具體來說，DC-DC轉(zhuǎn)換器響應(yīng)于由轉(zhuǎn)換器輸出端子處的反饋電路所檢測到的電壓而循環(huán)地改變電感器累積電能然后釋放電能的時間段。由于典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器僅根據(jù)輸出電壓而操作，因此轉(zhuǎn)換器按照需要從輸入端子提取盡量多的功率，以便在輸出端子處產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓。例如，為了給負(fù)載提供恒定的電壓，典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器會根據(jù)負(fù)載的需求而從輸入端子汲取較多或較少的功率。
[0006]DC-DC轉(zhuǎn)換器的一種已知應(yīng)用是在功率收集設(shè)備的電路中。在諸多工業(yè)和家庭應(yīng)用中，由電源和一個以上用電設(shè)備組成的電流環(huán)路包括用于將電流環(huán)路的一部分功率導(dǎo)向次級負(fù)載的附加電路。從主電路獲得功率的過程經(jīng)常被稱作“收集(scavenging) ”，因此執(zhí)行該操作所需的電路被稱作“功率收集設(shè)備”。通常，收集設(shè)備以主電路的過量的或未使用的電能為目標(biāo)，以便給較小的負(fù)載供電。
[0007]重要的是，收集設(shè)備的應(yīng)用不限于電路。例如，功率可能來自于諸如太陽輻射或物理振動之類的源。簡言之，各種形式的電磁能或機械能都可以被收集，并作為電能被存儲下來。
[0008]例如，收集設(shè)備可以用在過程控制工業(yè)中廣泛使用的4 - 20mA電流環(huán)路中，以在現(xiàn)場設(shè)備與分布式控制系統(tǒng)即DCS之間傳播模擬信號。一般而言，諸如閥、閥定位器或開關(guān)之類的現(xiàn)場設(shè)備通過檢測4 - 20mA范圍內(nèi)的DC電流來處理控制信號。類似地，用于測量過程參數(shù)的諸如壓力傳感器、流量傳感器或溫度傳感器之類的現(xiàn)場設(shè)備生成4 一 20mA范圍內(nèi)的信號，并通過專用線路對將這些信號傳播到DCS。在某些情況下，期望使用4 一 20mA環(huán)路的功率中的一些功率給諸如無線收發(fā)機之類的附加設(shè)備供電。同時，期望對用于從4 一20mA環(huán)路中汲取功率的收集電路兩端的電壓降進行限制，從而使收集電路不對電流環(huán)路有所干擾，更具體地說，不對DCS與現(xiàn)場設(shè)備之間的信號傳輸產(chǎn)生干擾。
[0009]由于可變的電流環(huán)路能夠供應(yīng)的能量可能多于對由收集器供電的負(fù)載供電所需的能量，因此還期望獲得過量功率中的一些功率，并將該過量的功率存儲在儲存設(shè)備中。另夕卜，還期望具有在電流環(huán)路供應(yīng)的能量少于操作由收集器供電的負(fù)載所需的能量時，從功率儲存器取回功率的裝置。換句話說，期望升高供給功率儲存器的電壓，并降低從電源供給由收集器供電的負(fù)載的電壓。而且，由于功率儲存器端子之間的電壓和功率負(fù)載端子之間電壓都隨時間而變化，因此需要DC-DC轉(zhuǎn)換器。本領(lǐng)域技術(shù)人員會進一步理解，在某些應(yīng)用中該關(guān)系是相反的，電壓會在功率儲存器與由收集器供電的負(fù)載之間以相反的方向升高或降低。
[0010]為了通過使用可用技術(shù)來實現(xiàn)該目標(biāo)，相應(yīng)的電路需要至少兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器。具體而言，需要至少一個降壓(減壓)轉(zhuǎn)換器和至少一個升壓(增壓)轉(zhuǎn)換器，以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)在具有可變能量需求和可用性的兩個電路之間的功率轉(zhuǎn)移。很明顯，使用多個DC-DC轉(zhuǎn)換器增加了電路的復(fù)雜度、成本和占用的空間。而且，只要在電路中存在剩余功率，傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器就輸出恒定的電壓，因而浪費了電能。
[0011]因此，現(xiàn)有技術(shù)中已知的轉(zhuǎn)換器無法提供獲得輸入端處的可用附加功率的有效裝置。例如，消耗相對低功率的收集器負(fù)載會使收集設(shè)備從輸入端子處汲取該必需的功率量，而不管電流環(huán)路的實際能力。與輸出端子處的功率消耗會過量并且會擾亂電流環(huán)路一樣，消耗過少的功率也是不期望的，因為該方法無法有效地利用電流環(huán)路。而且，也會存在供應(yīng)電流大幅下降，因此收集器負(fù)載無法接收到足夠的功率的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]一種用于在具有有限功率的電路中收集、儲存并釋放能量的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，有效地向儲存設(shè)備轉(zhuǎn)移電路中可用的過量電能，并且在電路中需要更多的功率時，有效地從儲存設(shè)備中汲取電能并將功率提供給電路。一方面，該電路包括電源和功率負(fù)載。在某些實施例中，該轉(zhuǎn)換器包括將轉(zhuǎn)換器連接至電路的輸入端子對、將轉(zhuǎn)換器連接至儲存設(shè)備的輸出端子對、用于儲存電流的電感器或者能夠累積電能的另一元件、用于控制電流的方向和轉(zhuǎn)換器中的功率累積的兩個電開關(guān)以及用于操作這兩個開關(guān)以改變電感器電流的占空比的控制電路。在這一點上，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器向?qū)?yīng)的電路提供PWM(脈寬調(diào)制)脈沖。
[0013]另一方面，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器通過最大化可用功率的使用來提高電路的效率。另一方面，雙向轉(zhuǎn)換器能夠以快于從電路中收集功率的速率將儲存的功率導(dǎo)向電路。在一個實施例中，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器從生成PWM脈沖的專用模擬電路接收控制信號。在另一實施例中，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器由連接至通過雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器供電的設(shè)備的微控制器來控制。
[0014]進一步地，一種在電流環(huán)路中收集功率的方法包括:與電源和功耗設(shè)備串聯(lián)插入收集設(shè)備，調(diào)節(jié)收集設(shè)備的輸入端子之間的電壓降，以及在輸出端子處提供根據(jù)受控電壓降和環(huán)路電流可獲得的功率。具體來說，跨收集設(shè)備的電壓降借助于生成輸入電壓信號的反饋電路和使用輸入電壓信號控制電感器中充電和放電的時序的調(diào)節(jié)器電路來進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器電路可以是傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，或者是具有諸如電容器之類的若干分散元件的電路。
[0015]在某些實施例中，電源是可變電流源或電壓源。在一實施例中，收集設(shè)備是使用反饋電路調(diào)節(jié)輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。在一個實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器在輸入端子之間維持基本恒定的電壓。在另一實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入電流調(diào)節(jié)輸入端子之間的電壓，使得在環(huán)路電流低時收集更多可用的功率。在另一實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器在輸出端處進一步包括隔離變壓器，以便防止在故障狀況下能量被轉(zhuǎn)移回輸入端子。在這一點上，隔離變壓器的使用改善了收集設(shè)備的本質(zhì)安全性。在另一實施例中，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器進一步提供線路濾波功能，以便增加電流環(huán)路中的阻抗，從而允許跨環(huán)路的調(diào)制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是使用雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路的示意性表示。
[0017]圖2是示出一個可能的電路配置中的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
[0018]圖3是本公開內(nèi)容的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器與電壓檢測電路協(xié)作的電路的示意性表
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[0019]圖4是示出跨4 一 20mA環(huán)路中所使用的典型設(shè)備的電壓變化作為時間的函數(shù)的示例性波形。
[0020]圖5是示出用于生成與本公開內(nèi)容的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器一起使用的脈寬調(diào)制信號的一個可能電路的電氣圖。
[0021]圖6是可以使用輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器作為功率收集設(shè)備來獲得過量功率的電路的示意性表示。
[0022]圖7是輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意性表示。
[0023]圖8是示出一個可能的電路配置中的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
[0024]圖9是具有反向的電流依賴電壓降關(guān)系的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
[0025]圖10是根據(jù)一個實施例的由轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)的示例性輸入電流和電壓波形的圖示。
[0026]圖11是具有用于本質(zhì)安全(1.S.)能量限制的隔離變壓器的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
[0027]圖12是具有積分濾波特性的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意性表示。
[0028]圖13是具有積分濾波特性的包括HART通信電路的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電氣圖。
[0029]圖14是雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器與輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào)節(jié)電路協(xié)作的電路的示意性表示。
[0030]圖15是雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器與輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器和智能控制器協(xié)作的電路的示意性表示。
【具體實施方式】
[0031]圖1示意性地示出可以使用雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路10。電源12給功率負(fù)載14供應(yīng)電能。電路10中可用的功率量可能并不是任何時候都可預(yù)測的。具體來說，負(fù)載14的功率需求可能隨著時間而變化。另外，電源12處的可用能量可能不會保持穩(wěn)定，而是類似地隨著時間而變化。雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器16可以與電源12和負(fù)載14串聯(lián)連接。雙向轉(zhuǎn)換器16可以具有正輸入端子18和負(fù)輸入端子20。進一步地，雙向轉(zhuǎn)換器16可以具有輸出端子對22。
[0032]在操作中，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器16從輸入端子12和16汲取過量的功率，并通過輸出端22將過量的功率導(dǎo)向功率儲存設(shè)備24。反之，當(dāng)負(fù)載14需要的功率多于電源12所能供應(yīng)的功率時，雙向轉(zhuǎn)換器16從功率儲存設(shè)備24汲取功率，并通過輸入端子12和16將儲存的功率輸出到電路10。
[0033]電源12可以是電池、發(fā)電機或現(xiàn)有技術(shù)中已知的任意其它電源。功率負(fù)載14可以是電機、傳感器或任意其它設(shè)備。一般而言，電路10可以包含以不同的功率需求為特征的多種功耗設(shè)備。
[0034]參見圖2，對應(yīng)于雙向轉(zhuǎn)換器20的一種可能實現(xiàn)方式的電路50可以包括正輸入端子52和負(fù)輸入端子54。當(dāng)在輸入端子52和54處有可用的過量功率時，降壓PWM信號56可以使輸入端處可用的功率通過，并將該功率通過輸出端子58和60導(dǎo)向連接至電路50的功率儲存器24。在雙向轉(zhuǎn)換器16的該操作階段，功率儲存器24兩端的電壓可以是例如IV，而輸入端子52、54之間的電壓可能是3V。PWM信號56的“導(dǎo)通(ON) ”值可以使開關(guān)70將輸入端52連接至電感器74的正端子72。更具體地說，電流可以從端子52通過線路76流到端子72。升壓P麗信號80會同時保持在“關(guān)斷(OFF) ”狀態(tài)，從而將開關(guān)82維持在斷開狀態(tài)。繼續(xù)以上給出的示例，2V(3V-1V)的電壓差會施加到電感器74的兩端，并且會使電感器74建立電流。
[0035]在PWM56的“OFF”狀態(tài)下，開關(guān)70處于斷開狀態(tài)。電流會朝電感器74的輸入端子72的方向流經(jīng)EMF 二極管84。EMF 二極管84可以接地，以便吸引不在輸入端處供應(yīng)的電流，從而增加電路50的總體效率。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，電流會繼續(xù)流動，直到磁場衰落并且電動勢(EMF)完全消失。以此方式，能量可以以可控方式轉(zhuǎn)移到功率儲存器。換句話說，電路50輸入端子處可用的較高電壓以PWM或局部工作循環(huán)的形式施加到儲存設(shè)備的較低電壓輸入端。
[0036]返回參見圖1，在某些點處，功率負(fù)載14需要的電壓可能多于電源12能供應(yīng)的電壓。如果功率儲存器24存儲了足夠的能量，則雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器16可以從功率儲存器24向功率負(fù)載14轉(zhuǎn)移必需的功率，從而使電路10連續(xù)操作。再次參見圖2，輸出端子58和60之間的電壓仍然是IV，而輸入端子52和54之間的電壓需求可以保持在3V或接近3V。在此狀態(tài)下，降壓PWM信號56可保持在“OFF”狀態(tài)，而升壓PWM信號可以不為了循環(huán)打開或閉合連接而操作開關(guān)82。
[0037]具體而言，PWM80的“0N”狀態(tài)會使開關(guān)82閉合。當(dāng)開關(guān)82閉合時，電感器74的正端子72會有效地接地。這會使電流開始在電感器74中建立。當(dāng)PWM80轉(zhuǎn)換到“OFF”狀態(tài)時，電流會從功率儲存設(shè)備24的端子58通過倒轉(zhuǎn)二極管(flyback diode) 86流到端子52。這樣，功率儲存器24中的存儲的能量可以被有效地轉(zhuǎn)移回功率負(fù)載14。
[0038]PWM信號56和80可以根據(jù)例如所檢測的端子52和54之間的電壓或功率負(fù)載14兩端的電壓來操作。簡言之，表示電路10中的電壓需求的任意信號都可以用于通過PWM信號56和80來調(diào)節(jié)電路50的操作。
[0039]本領(lǐng)域技術(shù)人員還會理解，電開關(guān)可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、不同類型的晶體管或本領(lǐng)域中已知的任意其它高頻電開關(guān)裝置。
[0040]包括電壓檢測電路的示例性布置示于圖3中。除電壓檢測電路102之外，電路100類似于電路10。電路102可以測量功率負(fù)載14兩端的電壓，并向雙向轉(zhuǎn)換器16供應(yīng)信號104和106。在一個可能的實施例中，信號104和106可以是PWM信號56和80?？商鎿Q地，電壓檢測電路102可以不具有振蕩性能，并且可以產(chǎn)生簡單的電壓信號。在這種情況下，雙向轉(zhuǎn)換器16可以基于使用附加電路(未示出)對信號104和106的處理來驅(qū)動PWM脈沖56和80。在另一實施例中，電壓檢測電路102可以檢測跨整個電路100或換句話說跨功率負(fù)載14和轉(zhuǎn)換器16兩者的電壓的變化。
[0041]在一種可能的實施方式中，可以考慮負(fù)載14或整個電路100的具體需求而選擇兩個閾值。例如，負(fù)載14可能通常需要3V來操作，但是在2.7 — 3.3V范圍的任意值下仍然可以操作。因此，電壓檢測電路可以被構(gòu)建為檢測功率負(fù)載14兩端的電壓變化，并相應(yīng)地驅(qū)動兩個PWM信號。圖4中所示的波形120示出作為時間的函數(shù)的跨一個或多個電路元件的電壓的示例性變化。如圖所示，電路102檢測的實際電壓可以在2.7 — 3.3V的范圍內(nèi)變化，而該示例中的目標(biāo)電壓是3V。只要可能，雙向轉(zhuǎn)換器16就會保證電壓既不超出上限也不落到下限之下。顯然，過高的電壓會引起電路100中一個或多個設(shè)備的損壞，而不足的電壓可能會阻止電路100的操作。
[0042]參見圖2和圖4，與檢測電壓超過3V目標(biāo)值的時間段對應(yīng)的區(qū)域122與電路50的降壓模式相關(guān)。如以上所述，在降壓模式下，PWM56對開關(guān)70進行控制，以便對過量能量向儲存設(shè)備24的轉(zhuǎn)移進行調(diào)節(jié)。另一方面，與檢測電壓低于3V目標(biāo)值的時間段對應(yīng)的區(qū)域124與功率從功率儲存器24回到電路10或100的轉(zhuǎn)移相關(guān)。在該操作模式下，PWM80以升壓模式來驅(qū)動開關(guān)82。
[0043]圖5示出適于響應(yīng)于端子152和154之間的電壓變化而提供PWM脈沖的模擬PWM電路的示例性實施方式。端子154和156可以跨一個或多個功率負(fù)載14連接，也可以連接在電源12兩端。應(yīng)當(dāng)理解，可根據(jù)諸如容許電壓范圍之類的電路需求并且例如根據(jù)為PWM開關(guān)150選擇的連接類型來選擇電阻器的值。PWM電路150產(chǎn)生較小電流量的脈沖來控制開關(guān)70和82。這樣，電路150的兩個輸出端就是控制線156和158。附加示出的虛線160示意性地表示電路150和電路50之間的邊界。
[0044]這里還應(yīng)當(dāng)理解，PWM電路150的各種其它實施方式也是可能的。例如，PWM電路可以通過組合若干個可用的微芯片來實施，或者整個電路可以被實施為單一的專用集成電路(ASIC)。
[0045]還可預(yù)期，可以使用微控制器來生成必需的PWM脈沖。如以上所述，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器可以在例如過程控制工業(yè)中典型的4 - 20mA控制環(huán)路上針對功率收集目的而使用。具體而言，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器可以以例如將4 一 20mA環(huán)路中過量的可用功率導(dǎo)向超電容器的方式被控制。諸如受微控制器控制的無線裝置之類的附加設(shè)備可以是這種收集功率的用電設(shè)備之一。盡管PWM電路150可以用于控制無線裝置與儲存設(shè)備之間的功率轉(zhuǎn)移，但是可以謹(jǐn)慎地替代使用微控制器。由于微控制器通常知道無線裝置在給定的時刻需要多少功率，因此微控制器可以根據(jù)這些瞬時需求來生成PWM信號56和80。在一個可能的實施例中，微控制器可以在無線裝置正在傳輸時，通過升壓PWM信號80弓丨導(dǎo)雙向轉(zhuǎn)換器16從儲存設(shè)備24汲取功率。反之，微控制器可以在無線裝置空閑時激活PWM信號56。
[0046]另外，微控制器可以預(yù)測無線裝置在小量的時間，例如微秒內(nèi)的功耗變化。例如，微控制器可以在需要功耗的專用設(shè)備狀態(tài)被檢測到時，引導(dǎo)雙向轉(zhuǎn)換器開始汲取功率，以便最小化傳輸開始之前的延遲。更具體地說，在過程控制環(huán)境中操作的傳感器可以檢測到諸如過壓或溫度過低之類的異常情況，并且微控制器可以通過向雙向控制器發(fā)送相應(yīng)的PWM信號來有效地準(zhǔn)備用于傳輸?shù)臒o線裝置。
[0047]作為另一替換方式，微控制器可以發(fā)送表示所需電壓的簡單信號，而或者作為雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的一部分而提供或者作為分立元件而提供的另一電路可以使用該信號來生成合適的PWM脈沖。就這一點來說，微控制器可以被編程有簡單的邏輯，以便允許無線裝置出于與無線相關(guān)的目的而保留更多的處理功率。
[0048]當(dāng)然，微控制器還可以建立功率對多個級別的需求。例如，微控制器還可以在已知無線裝置在發(fā)射狀態(tài)下消耗大量的功率時發(fā)送較寬的升壓PWM脈沖，在已知無線裝置在接收狀態(tài)下消耗中等功率時發(fā)送較短的升壓PWM脈沖，而在無線裝置空閑因此消耗極小的功率或不消耗功率時，發(fā)送寬的降壓PWM脈沖。
[0049]另一方面，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器可以在包括適于收集電能的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路中使用，具體來說，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器適于收集以可變的DC電流為特征的電路中的功率。圖6是輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備可以用于有效地從電流環(huán)路獲得過量的功率并將過量的功率導(dǎo)向負(fù)載、儲存設(shè)備或兩者的系統(tǒng)的示意性表示。如圖6中所示，電流環(huán)路或電路210包括分布式控制系統(tǒng)(DCS) 212、現(xiàn)場設(shè)備214和與現(xiàn)場設(shè)備214串聯(lián)連接的功率收集設(shè)備216。圖6中所示的這些和其它電路元件以有線方式連接。
[0050]在操作中，DCS212和現(xiàn)場設(shè)備214以對被實施為輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的收集設(shè)備216來說不可預(yù)知的方式來發(fā)送和接收4 - 20mA的模擬信號。換句話說，從收集設(shè)備216的角度來看，環(huán)路210中的電流不可控制地隨著時間在4至20mA的范圍內(nèi)變化。功率收集設(shè)備216通過輸入端子對218串聯(lián)連接至環(huán)路210，對218中的一個接觸端直接連接至DCS212的正端子，而另一接觸端直接連接至現(xiàn)場設(shè)備214的正輸入端。然而，收集設(shè)備216可以替代地連接至DCS212和現(xiàn)場設(shè)備214的相應(yīng)的負(fù)端子。在操作期間，功率收集設(shè)備216在輸入端子218兩端產(chǎn)生調(diào)節(jié)的電壓降。收集設(shè)備216可以將電壓維護在恒定的水平，從而隨著流過收集設(shè)備216的電流線性地改變輸入端子218處的功耗。然后，收集設(shè)備216可以將從輸入端子218獲得的功率轉(zhuǎn)移到連接至收集設(shè)備216輸出端的一個或多個設(shè)備或電路。在另一實施例中，收集設(shè)備216可以根據(jù)流經(jīng)收集設(shè)備216的電流來對輸入電壓進行調(diào)節(jié)。具體而言，收集設(shè)備216可以在流經(jīng)收集設(shè)備216的電流降低時，增加輸入端子218之間的電壓降。
[0051]由收集器供電的負(fù)載220可以通過輸出端子對222連接至功率收集設(shè)備216。收集器負(fù)載220可以是消耗恒定功率或者可變功率的任意類型的設(shè)備。例如,收集器負(fù)載220是諸如發(fā)光二極管(LED)之類的以恒定的功耗為特征的簡單電子元件，或者是諸如無線收發(fā)機之類的具有變化的功率需求的復(fù)雜設(shè)備。還應(yīng)當(dāng)理解，盡管在圖6中僅示出一個由收集器供電的負(fù)載，但是功率收集設(shè)備216可以向具有不同功耗特征的多個負(fù)載供電。
[0052]收集設(shè)備216還可以連接至功率儲存器224。功率儲存器224可以是例如單個超電容器、包含并聯(lián)連接的多個電容器的相對復(fù)雜的電路、或者任意其它合適類型的功率儲存器，包括本領(lǐng)域中已知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，由于電容器兩端的電壓會隨著到達電容器處的電流而增加，因此電容器可以被用作功率儲存設(shè)備。高密度電容器或者超電容器能夠儲存大量的電荷，因此可以優(yōu)選作為功率儲存設(shè)備。
[0053]另外，可調(diào)節(jié)的分路調(diào)節(jié)器226可以在輸出端子對222之間與由收集器供電的負(fù)載220和功率存儲器224并聯(lián)。若由收集器供電的負(fù)載220沒有消耗輸出端子222處的所有可用功率，則分路調(diào)節(jié)器226可以耗散多余的功率。如果未提供功率儲存器224，則分路調(diào)節(jié)器226可能是必需的。在另一實施例中，在環(huán)路210中優(yōu)選根本不使用分路調(diào)節(jié)器，而是將來自輸出端子222的所有過量功率存儲在功率儲存器224中?？烧{(diào)節(jié)的分路調(diào)節(jié)器226可以以本領(lǐng)域已知的任意方式，例如通過使用齊納二極管和一個或多個電阻器來實現(xiàn)。
[0054]作為另一選擇，電容器228可以連接在輸出端子222之間，以便濾出輸出電壓。由于功率收集設(shè)備216的輸出未被調(diào)節(jié)，因此電容器228可以尤其是在電路210中存在由收集器供電的負(fù)載220的情況下用于平滑輸出電壓。就這一點來說，電容器228可以是后調(diào)節(jié)電路的一部分。然而，在功率收集設(shè)備216主要向功率儲存設(shè)備224供電的情況下，電容器228不是必需的。實際上，在輸出端子222處的功率被轉(zhuǎn)移到功率儲存器224的情況下，實際是期望端子222處的輸出不被調(diào)節(jié)的狀態(tài)。
[0055]同時，連接在功率收集設(shè)備216的輸入端子218之間的輸入濾波電容器230可以用于濾出輸入噪聲。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在任何DC-DC電路的輸入端處均需要輸入濾波電容器。輸入濾波電容器230的電容是功率收集設(shè)備216中所使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器的操作頻率的函數(shù)。另外，為了防止環(huán)路210中的電流中斷而導(dǎo)致收集設(shè)備216故障，輸入端子218之間的電壓可以被鉗位。例如，齊納二極管232可以用于保證在輸入端子218之間的電壓升到特定極限之上的情況下，二極管會擊穿，并且電流會朝4 一 20mA現(xiàn)場設(shè)備214的方向流動。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，該極限是由所選擇的二極管的物理性質(zhì)所確定的。
[0056]電容器228和230、分路調(diào)節(jié)器226以及齊納二極管232可以包括在功率收集設(shè)備216中。依賴于所針對的應(yīng)用領(lǐng)域，功率收集設(shè)備可以適于通過分路226調(diào)節(jié)輸出電壓，或者適于將所有的可用功率導(dǎo)向功率儲存設(shè)備224?？梢灶A(yù)計，圖6中所示的某些元件被省略和根據(jù)期望應(yīng)用而增加某些額外的元件的若干種配置可以被置于專用集成電路(ASIC)中?？商鎿Q地，收集設(shè)備226可以被提供為可以隨后在這里所討論的任意配置中使用的獨立的ASIC。作為再一替換，功率收集設(shè)備的部分電路可以被制造為與傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器協(xié)作的獨立芯片。
[0057]圖7更詳細地示出功率收集設(shè)備216。根據(jù)該示例性線路圖，電流在輸入端子對218的正端子240處進入功率收集設(shè)備216，并通過負(fù)端子242流出。在通過正端子240進入之后，電流流到電感器244的正端子。另外，較小的一部分電流流到輸入調(diào)節(jié)電路246。與通過正端子240進入的電流相同或基本相同量的電流通過負(fù)端子242流出。同時，根據(jù)本公開內(nèi)容的教導(dǎo)及以下的詳細討論而實施的電路維持端子240和242之間的調(diào)節(jié)壓降。例如，4 - 20mA電流環(huán)路中使用的收集設(shè)備的端子240和242之間的電壓降可以被維持在恒定的IV。
[0058]仍然參見圖7，升壓DC-DC控制器250對電感器244累積電流的時間量進行調(diào)節(jié)?？刂破?50可以是諸如On Semiconductor NCP1421之類的成品芯片，或者是從若干分散的IC元件組裝的能夠執(zhí)行高頻開關(guān)功能并根據(jù)反饋信號調(diào)節(jié)開關(guān)電路的占空比的電路。具體而言，控制器可以使用一個或多個例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)來快速打開和關(guān)閉電連接?？刂破鞲鶕?jù)控制器中所使用的振蕩電路元件的參數(shù)并根據(jù)諸如電流或電壓之類的反饋信號來調(diào)節(jié)打開連接和關(guān)閉連接之間的時序。就這一點來說，控制器250可以向功率收集設(shè)備216的電路提供具有受控占空比的脈寬調(diào)制(PWM)。應(yīng)當(dāng)理解，開關(guān)功能還可以通過使用分散半導(dǎo)體、OTS集成電路或本領(lǐng)域中已知的其它元件和材料來實現(xiàn)。
[0059]如圖7中所示，控制器250被配備有開關(guān)引腳252、反饋引腳254、輸出引腳256和接地引腳258。應(yīng)當(dāng)理解，控制器250可以具有附加的輸入，并不限于以上所列出的四個引腳。如圖7中所示，開關(guān)引腳252電連接至電感器244的負(fù)端子，輸出引腳連接至輸出端子222之一，而接地引腳252電連接至端子對222中的另一端子和負(fù)輸入端子242。進一步地，反饋引腳254連接至輸入調(diào)節(jié)電路246的輸出。
[0060]在每個操作周期期間，控制器250首先將開關(guān)引腳252的輸入連接至接地引腳258。當(dāng)引腳252和258被連接時，電流在電感器244中建立。接下來，控制器250斷開引腳252和258。電感器244中磁場的衰落將電流從電感器244推向輸出端子對222的正極偵U。進一步地，電感器244的負(fù)端子可以既連接至開關(guān)引腳252又通過倒轉(zhuǎn)二極管260連接至輸出端子對222的正極側(cè)。倒轉(zhuǎn)二極管260優(yōu)選是肖特基二極管，但是也可以是其它類型的二極管。倒轉(zhuǎn)二極管260給電感器244的輸出提供同步整流。然而，如果控制器250已經(jīng)能夠同步整流，則可不需要倒轉(zhuǎn)二極管。
[0061]繼續(xù)參考圖7，在端子240處進入收集設(shè)備216的電流中的一些電流被導(dǎo)向輸入電壓調(diào)節(jié)電路246。電路246可以生成表示輸入端子240處的電流強度的電壓信號?？刂破?50使用調(diào)節(jié)電路246生成的信號來選擇性地增加或減少輸出端子對222處的功率產(chǎn)量。例如，控制器250可以響應(yīng)于電路246所檢測的電壓電平來增大脈沖的占空比從而降低端子對218之間的輸入電壓。電路246的實現(xiàn)在以下更詳細地討論。
[0062]圖8示出功率收集設(shè)備270的一個可能實施例的電氣圖。在該配置中，功率收集設(shè)備270合并了輸入濾波器230以及用于將電壓鉗位在期望的電平的二極管232。重要的是，在圖8中所示的配置中，輸出電壓由分路226控制。如以上所示的，該配置在使用輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器給需要恒定電壓的負(fù)載供電的情況下是有用的。分路226會耗散過量的功率，并保證功率負(fù)載不會接收到比所需更多的功率。
[0063]輸入電壓調(diào)節(jié)電路246包括運算放大器272以及電阻器274和276。放大器272可以在其同相輸入端處使用基準(zhǔn)電壓278，并在其反相輸入端處使用可變的電壓，以控制端子240和242之間的輸入電壓與供給反饋引腳254的電壓之間的關(guān)系。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，電阻器274和276的值可以根據(jù)期望的電壓降來選擇。如以上所討論的，在例如過程控制工業(yè)中所使用的典型的4 - 20mA環(huán)路中，跨收集單元216或272的IV的電壓降通常是可容許的。類似地，分路226中使用的電阻器278和280可以根據(jù)期望的電壓輸出來選擇。
[0064]圖9示出可以用于功率收集的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一預(yù)期實施例。功率收集電路290可以包括以上所討論的功率收集設(shè)備270的大部分元件。另外，功率收集電路290可以比收集設(shè)備270更有效且更實用的方式來調(diào)節(jié)輸入電壓。具體來說，控制環(huán)路210可以在環(huán)路210中的電流較小時經(jīng)歷跨諸如現(xiàn)場設(shè)備214之類的各種電路元件的較低電壓降。在例如過程控制工業(yè)中使用的4 - 20mA電路的例子中，DCS212在其生成4mA信號時會“看到”跨環(huán)路的較低的電壓降，相反，在模擬信號接近或處于20mA水平時，DCS212會看到較高的電壓降。類似地，諸如設(shè)備214之類的現(xiàn)場設(shè)備通常會在現(xiàn)場設(shè)備生成而不是接收4 一 20mA信號時看到跨DCS212的較低或較高的電壓降。這樣，環(huán)路210會在環(huán)路電流較低時容許跨收集電路216、270或290的較大的電壓降。
[0065]圖9中所示的功率收集設(shè)備290在較低的輸入電流通過端子240進入收集設(shè)備290時從輸入端子對218汲取比例如收集設(shè)備270更多的功率，原因在于，設(shè)備290使端子對218之間的電壓下降更多。很明顯，在由收集器供電的負(fù)載220具有高的功率需求時，可能期望該特征。具體而言，包括放大器272、增益限制元件或電阻器292和電阻器294 — 300的調(diào)節(jié)電路291對端子對218之間的電壓進行調(diào)節(jié)，從而使輸入電壓隨著電路291所檢測到的輸入電壓成反比而變化。元件292 - 300以及基準(zhǔn)電壓302以在輸入電流較大時生成較大的從調(diào)節(jié)電路291到反饋引腳254的反饋信號的方式來選擇和連接。就這一點來說，收集設(shè)備290利用了調(diào)節(jié)電路291的負(fù)性阻抗。因此，響應(yīng)于反饋引腳254處的較大的信號，控制器250會減小PWM的占空比，從而減小泵浦到輸出端子222的功率量。與功率收集設(shè)備216和270類似，收集設(shè)備290在不考慮收集設(shè)備290的輸出的情況下對輸入電壓進行調(diào)節(jié)。
[0066]應(yīng)當(dāng)進一步理解的是，供給反饋引腳254的輸入電流電壓之間的反比關(guān)系可以通過本領(lǐng)域中已知的其它手段來實現(xiàn)。例如在圖9所示的實施例中，由于從收集設(shè)備290返回到輸出端子242的電流必然流經(jīng)電阻器300，因此電阻器300可以充當(dāng)輸出電流傳感器。然而，檢測電流的任意已知手段均可以類似地用于調(diào)節(jié)控制器250的反饋引腳253，從而改變收集設(shè)備290所汲取的功率量。
[0067]一般而言，期望考慮最大容許電壓降來選擇電路元件參數(shù)。例如，如果計劃在過程控制工業(yè)中使用收集設(shè)備290，則應(yīng)謹(jǐn)慎地根據(jù)20mA處的容許電壓降來選擇電阻器292 —300的阻值。圖10示出連接在4 - 20mA環(huán)路中的功率收集設(shè)備290輸入端處的作為時間的函數(shù)的示例性輸入和電壓。具體來說，波形310可以是流經(jīng)輸入端子240的電流，而波形320可以是輸入端子對218之間的電壓。兩個波形都是針對例如秒的相對較長的時間范圍示出。如圖10中所示，輸入電壓與輸入電流之間的反比關(guān)系確保波形220看起來像是波形310的鏡面反射。還應(yīng)當(dāng)理解，波形320可以看起來相對于波形310有微秒或甚至是納秒數(shù)量級的延遲。收集單元290將電壓降僅作為輸入電流的函數(shù)維持在I 一 2V的范圍內(nèi)，而與輸出端子222處的電壓或功率需求無關(guān)。
[0068]任意收集設(shè)備的操作的另一期望方面是安全，具體來說是很多產(chǎn)業(yè)中接受的本質(zhì)安全(1.S.)標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的鑒定會給出該設(shè)備的具體能量極限。例如，手持HART通信裝置被限制在Voc〈 = 2V且Isc〈 = 32mA，其中Voc是跨通信裝置的最大電壓，而I sc是允許通過通信裝置的最大電流。由于向HART通信電路提供功率是功率收集應(yīng)用的高可能領(lǐng)域，因此與HART通信裝置相關(guān)聯(lián)的1.S.標(biāo)準(zhǔn)可以用作設(shè)計在4 - 20mA中使用的安全收集設(shè)備的指導(dǎo)方針。
[0069]如以上所討論的，本領(lǐng)域中已知的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可能從輸入端子汲取過多的功率，進而干擾從其收集功率的電路的操作。這種類型的干擾可能妨礙設(shè)備接收功率或接收通過該電路傳播的信號。一方面，傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器在故障狀況下還可能無法容納收集的功率，并通過將能量釋放回電路中而損壞電路，在由收集器供電的負(fù)載是電容器或是類型的功率儲存設(shè)備的情況下尤其如此。這種類型的故障比從電路汲取過多的功率更危險。如果在例如過程控制工業(yè)中使用，則至少由于4 一 20mA環(huán)路可能連接爆炸性或其它危險的設(shè)備，因此傳統(tǒng)的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器會伴隨高的操作風(fēng)險。這樣，環(huán)路電流中的突然的尖峰會引起火花，從而觸發(fā)爆炸。然而，通過任意傳統(tǒng)手段來符合以上所討論的安全標(biāo)準(zhǔn)會不可避免地降低升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率效率。
[0070]由于與這里所公開的實施例一致的輸入調(diào)節(jié)式變壓器極適合于為功率儲存設(shè)備獲得功率，因此符合本質(zhì)安全(1.S.)限制就清楚地成為這種變壓器的實施中的關(guān)注點。圖11示出在電流環(huán)路210中用于功率收集的隔離的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC變壓器350。DC-DC變壓器或功率收集設(shè)備350借助于隔離變壓器355提供故障能量限制。重要的是，隔離變壓器255可以在保證操作完全性之外有效地替代電感器244。同時，諸如與反饋調(diào)節(jié)器246協(xié)作的控制器250之類的開關(guān)電路可以以與圖8的實施例相同的方式來生成PWM脈沖，而不管是給電感器244還是給隔離變壓器355供電。布到收集設(shè)備350電路側(cè)357的變壓器線圈可以用于在開關(guān)引腳252切換到接地引腳258時來累積電流，同時在連接至負(fù)載側(cè)359的線圈中感應(yīng)相反的電流。換句話說，隔離變壓器255可以被當(dāng)作具有附加的靜電屏蔽功能的電感器。
[0071]返回參見圖8，在由倒轉(zhuǎn)二極管260引起故障狀況時，存在從輸出端222返回到輸入端218的直接放電路徑。另外，控制器250的內(nèi)部電路可以類似地在輸出端222與輸入端218之間建立實質(zhì)上無阻值的路徑。比較而言，圖11中所示實施例的隔離變壓器355阻止能量被轉(zhuǎn)移回輸入端218。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，隔離變壓器可以被認(rèn)為對于所有的實際目的都是無故障的，只要選擇了具有相應(yīng)鐵芯飽和特性的合適的變壓器。
[0072]進一步地，可以選擇隔離變壓器355的線圈比率來額外地提供特定應(yīng)用中期望的電壓變換。因此，隔離變壓器355可以提供控制輸出電壓的有效手段，而不是使用附加的電路來調(diào)節(jié)供應(yīng)給功率負(fù)載的電壓。此外，如果在具體應(yīng)用中需要的話，還可以將變壓器構(gòu)建為具有多個繞組，以便提供多個輸出。
[0073]應(yīng)當(dāng)進一步理解，不一定要在供應(yīng)電路側(cè)357與負(fù)載側(cè)359維持絕對的隔離。具體來說，反饋電壓或功率信號可以從負(fù)載側(cè)359供應(yīng)到供應(yīng)側(cè)357，用于參考或附加調(diào)節(jié)的目的，只要跨隔離邊界的連接包括足夠大小的可靠電阻器。而且，限制前向方向上，或者從供應(yīng)側(cè)357到負(fù)載側(cè)359的方向上，通過變壓器轉(zhuǎn)移的功率可能還是必需的。這些限制可以幫助實現(xiàn)對反方向上轉(zhuǎn)移的功率的期望限制。盡管在圖1中沒有示出實現(xiàn)這些功能的元件，這里也應(yīng)當(dāng)注意到，這些前向限制可以通過在供應(yīng)側(cè)357上連接至變壓器輸入端處的分路調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。
[0074]繼續(xù)參考圖11，可以附加地在輸入端子218之間連接鉗位二極管362，以限制功率收集設(shè)備350的輸入端處的電壓，從而為了 1.S.目的而建立在故障狀況下的最大電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，鉗位二極管362在收集設(shè)備350的正常操作模式下不會對設(shè)備350
產(chǎn)生影響。
[0075]圖12示出使用輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率收集設(shè)備的另一實施例。這里，除參考圖6所討論的DCS212和現(xiàn)場設(shè)備214之外，電流環(huán)路400還包括HART通信裝置402。HART調(diào)制器402跨現(xiàn)場設(shè)備214并與現(xiàn)場設(shè)備214并聯(lián)連接，以便對跨現(xiàn)場設(shè)備的電壓進行調(diào)制。正如本領(lǐng)域中所已知的，對電路的電壓進行調(diào)制的能力依賴于該電路的阻抗。具體來說，低阻抗的電路需要調(diào)制電路消耗較大的能量。同時，DCS212可以是具有極低阻抗的電池，因而典型的4 一 20mA電流環(huán)路不會對HART通信有益。因此，期望增加環(huán)路400的阻抗。此外，期望在不使用諸如電感器之類的傳統(tǒng)裝置的情況下符合該目標(biāo)，原因在于電感器會對有用的功率也進行分路。因此，盡管可以使用電感器增大環(huán)路400的阻抗，但是無法從環(huán)路400收集足夠的功率對HART通信電路402進行供電。
[0076]根據(jù)以下所示的實施例，功率收集設(shè)備216除了給負(fù)載220提供功率之外，還呈現(xiàn)為與現(xiàn)場設(shè)備214串聯(lián)連接的虛擬電感器404。虛擬電感器404并不是與功率收集設(shè)備216分離的物理設(shè)備。相反，收集設(shè)備214的特定實施例將設(shè)備214對于電路400呈現(xiàn)為電感器，從而使HART通信電路402可以對電路400的線路上的信號進行調(diào)制。另外，電容器406提供濾波功能，以便平滑電流中可能會對HART通信造成干擾的突變。
[0077]圖13中示意性示出的功率收集設(shè)備450以控制流經(jīng)功率收集設(shè)備450的電流的變化率的方式操作，從而建立AC阻抗。另外，功率收集設(shè)備450減小噪聲水平，并且確保電路400對于電壓調(diào)制有是利的，具體來說是對HART通信有利。如圖13中所示，功率收集設(shè)備可以對HART通信電路452進行供電，并且在該特定的實施例中，可以包括作為集成元件的HART通信電路452。
[0078]如圖13所示，電容器406與現(xiàn)場設(shè)備214并聯(lián)連接，以便濾出環(huán)路噪聲。然而，電容器406不必需是收集設(shè)備450的一部分，而是可以如圖12中所示那樣單獨提供。另外，輸入噪聲濾波器454與DCS212和現(xiàn)場設(shè)備214并聯(lián)連接。與這里所討論的其它實施例類似，輸入噪聲濾波器454的選擇是控制器250的操作頻率以及輸入端子218處可允許噪聲幅度的函數(shù)。例如，在具有?IV可允許電壓降和?3V的向收集器負(fù)載的電壓輸出的4 -20mA電路環(huán)路中，可以用IyF的電容器作為輸入濾波器454。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在該實施例和其它實施例中，輸入濾波器454還可以相當(dāng)大。
[0079]反饋電路455以與圖8中所示的反饋電路246極其相似的方式工作。然而，反饋電路455另外還包括電容器456，電容器456有效地將表示進入收集設(shè)備450的電流的信號耦接到放大器272的反相輸入端。該配置提供對通過收集設(shè)備450并進入現(xiàn)場設(shè)備214的電流458的變化率進行限制的動態(tài)特性。另外，電容器406中的能量儲存與通過收集設(shè)備450的受限的電流變化率結(jié)合，來提供可以將HART通信電路452的通信隔離的過濾功能。通過收集設(shè)備450的受限的電流458的變化率另外還針對環(huán)路電流充當(dāng)串聯(lián)阻抗。
[0080]功率收集設(shè)備450還可以借助于例如擊穿二極管通過對設(shè)備450輸入端子處的電壓進行鉗位而得到進一步改進。此外，與圖11中所示的變壓器355類似的隔離變壓器也可以代替電感器244來提供1.S.能量限制。代替電感器244使用的隔離變壓器可以進一步包括適于調(diào)節(jié)輸出電壓的線圈配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖6 — 13中所示實施例的各個方面可以結(jié)合在一起實現(xiàn)各種應(yīng)用目標(biāo)。
[0081]另外，收集設(shè)備450可以提供多個輸出，并且可以通過使用例如分路調(diào)節(jié)器將各個輸出電壓維持在不同的水平。圖13示出分路調(diào)節(jié)器226的典型配置，其中分路調(diào)節(jié)器226可以耗散向連接至輸出端子對460的功率負(fù)載提供的多余功率。由于輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器在給定的輸入端處以調(diào)節(jié)的電壓降獲得可用功率，因此需要附加的電壓調(diào)節(jié)器給由收集器供電的負(fù)載提供調(diào)節(jié)電壓?？梢灶A(yù)期，圖13中所示的實施例可以給無線收發(fā)機以及HART通信電路提供功率。另外，多余功率可以儲存在例如設(shè)備224的功率儲存設(shè)備中，而不由分路調(diào)節(jié)器耗散。
[0082]可以進一步預(yù)期，收集設(shè)備450的濾波功能是可選的。通過在不需要濾波功能的時候關(guān)閉濾波功能，設(shè)備的用戶可以找到這里所討論的收集設(shè)備的附加應(yīng)用。
[0083]因此，正如以上所討論的，這些實施例中的至少某些實施例的輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器在輸入端子之間維持基本恒定的電壓降，并將受控電壓降處的可用功率導(dǎo)向輸出端子對。依賴于包括這種輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路的特性，輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出端子處的電壓可以在操作期間變化，并且在某些應(yīng)用中，該變化對由輸入調(diào)節(jié)式DC-DC轉(zhuǎn)換器供電的負(fù)載來說可能是不可預(yù)知的。
[0084]作為一個示例，圖14示意性示出電路500，其中雙向轉(zhuǎn)換器502對儲存設(shè)備504與由輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備510供電的恒定電壓負(fù)載506之間的功率轉(zhuǎn)移進行調(diào)節(jié)，其中輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備510在輸出端子對512之間產(chǎn)生未調(diào)節(jié)的電壓。在該示例中，電路500包括4 - 20mA控制環(huán)路，其中DCS520和現(xiàn)場設(shè)備524通過4 一 20mA的信號進行通信。輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備510與現(xiàn)場設(shè)備524串聯(lián)連接，以形成包括DCS520、現(xiàn)場設(shè)備524和功率收集設(shè)備510的電流環(huán)路530。在操作中，功率收集設(shè)備510獲得電流環(huán)路530中的可用的過量功率，同時調(diào)節(jié)功率收集設(shè)備510的輸入端子之間的電壓降。在某些實施例中，功率收集設(shè)備210可以維持恒定的電壓降，以便不中斷環(huán)路530中的信號傳輸。由于環(huán)路530中的電流會在4 - 20mA的范圍內(nèi)變化，因此功率收集設(shè)備510可以從環(huán)路530中汲取不同量的可用功率，并將可用功率以非恒定的電壓提供在輸出端子512處。然而，由收集設(shè)備510供電的負(fù)載506可能需要恒定的電壓來操作。盡管可以將功率收集設(shè)備510的輸出端子512連接至可調(diào)節(jié)的分路調(diào)節(jié)器，以耗散過量的功率，從而為功率收集器供電的負(fù)載506維持恒定的電壓，但是清楚的是，分路調(diào)節(jié)器和處理多余能量的其它手段缺少效率。
[0085]另一方面，與輸入調(diào)節(jié)式功率收集設(shè)備510的輸出端子512和負(fù)載506串聯(lián)連接的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502在不同的操作階段可以在(由至少三個模塊502、506和510定義的)環(huán)路540中可獲得過量功率時獲得功率，或者通過將功率從功率儲存器504重新導(dǎo)向負(fù)載506來補償環(huán)路540中的功率不足。為此目的，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502可以與例如以上所討論的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器16的操作類似的方式來操作。
[0086]另外，電壓檢測電路542可以通過測量跨負(fù)載506的電壓降，并相應(yīng)地通過控制線路544和546向雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502供應(yīng)控制信號，來控制雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502的操作。在某些實施例中，電壓檢測電路542可以與以上參考圖3討論的電路102類似?？商鎿Q地，電壓檢測電路542可以與負(fù)載506成為整體，從而使負(fù)載506可以通過雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502有效地控制功率轉(zhuǎn)移的方向和量(例如，作為PWM時序)。在另一情況下，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502可以在電壓檢測電路542報告超過某一高閾值的電壓降時向功率儲存器504轉(zhuǎn)移功率,反之,在電壓檢測電路540報告低于某一低閾值的電壓降時,從功率儲存器504轉(zhuǎn)移功率。
[0087]參見圖15，電路550類似于以上所討論的電路500。然而，電路550包括與負(fù)載506通信并通過控制線路544和546控制通過雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器502的功率轉(zhuǎn)移的方向和量的智能控制器552，并不是依賴于電壓檢測電路542。在一個實施例中，智能控制器552和負(fù)載可以通過標(biāo)準(zhǔn)RS - 232連接進行通信，以根據(jù)合適的通信協(xié)議交換消息。通過對來自負(fù)載506的消息進行處理，控制器552可以增加或降低PWM脈沖的寬度，反轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)移的方向，并且通過控制線路544和546調(diào)節(jié)電路540。
[0088]可以理解，電路550可以可選擇地包括例如向控制器552報告電壓測量值的電壓檢測電路542。進一步地，可以預(yù)期，以上所討論的某些元件可以例如合并在一起，以簡化容納和封裝。在一個這類預(yù)期實施例中，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器16或502可以包括超電容器或任意類型的功率儲存單元。
[0089]盡管已經(jīng)結(jié)合具體的示例描述了本發(fā)明，但其目的僅在于示例性，而不是對本發(fā)明的限制，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對所公開的實施例進行改變、增加和/或刪除。
【權(quán)利要求】
1.一種具有第一操作模式和第二操作模式的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括: 第一端子對，用于將所述轉(zhuǎn)換器連接至第一電路，該第一端子對包括正端子和負(fù)端子，其中所述第一電路向次級功率負(fù)載供應(yīng)從包括分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的環(huán)路中獲得的功率； 第二端子對，用于將所述轉(zhuǎn)換器連接至第二電路，該第二端子對包括正端子和負(fù)端子; 累積元件，用于暫時累積電能；和 開關(guān)電路，連接至所述第一端子對、所述第二端子對和所述累積元件，其中 在所述第一操作模式中，電能通過所述累積元件從所述第一電路被轉(zhuǎn)移到所述第二電路，其中所述第一操作模式與所述第一電路中可用于向所述次級功率負(fù)載供應(yīng)的過量功率相關(guān)并且使所述環(huán)路中的信號傳輸不被中斷，并且 在所述第二操作模式中，電能通過所述累積元件從所述第二電路被轉(zhuǎn)移到所述第一電路，其中所述第二操作模式與所述第一電路中可用于向所述次級功率負(fù)載供應(yīng)的功率缺少相關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述累積元件包括電感器。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路包括: 具有第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)的第一開關(guān)元件；其中 在所述第一開關(guān)元件的第一操作狀態(tài)下，所述第一開關(guān)元件將所述第一端子對的正端子電連接至所述累積元件的第一端子，以使電能在所述累積元件中累積；并且在所述第一開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述第一開關(guān)元件將所述第一端子對的正端子與所述累積元件電斷開，以使電能從所述累積元件被轉(zhuǎn)移；其中 在所述第一開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述累積元件的第二端子電連接至所述第二端子對的正端子，使得所述電能通過所述第二端子對的正端子被轉(zhuǎn)移。
4.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一開關(guān)元件是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
5.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括: 具有第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)的第二開關(guān)元件，其中 在所述第二開關(guān)元件的第一操作狀態(tài)下，所述第二開關(guān)元件將所述累積元件的第一端子電連接至所述第一端子對的負(fù)端子，以使電能在所述累積元件中累積；并且在所述第二開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述第二開關(guān)元件將所述累積元件的第一端子電連接至所述第一端子對的正端子，以使電能從所述累積元件轉(zhuǎn)移到所述第一端子對的正端子。
6.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括: 第一二極管，允許電流僅在從所述累積元件的第一端子到所述第一端子對的正端子的方向上流動；以及 第二二極管，允許電流僅在從所述第一端子對的負(fù)端子到所述累積元件的第一端子的方向上流動。
7.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括: 第一電容器，電連接在所述第一端子對之間；和 第二電容器，電連接在所述第二端子對之間。
8.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一端子對與第一電壓降相關(guān)，所述第二端子對與第二電壓降相關(guān)，并且其中所述第一電壓降在所述轉(zhuǎn)換器的第一操作模式中大于所述第二電壓降而在所述轉(zhuǎn)換器的第二操作模式中小于所述第二電壓降。
9.一種用于從在過程工廠中實現(xiàn)的環(huán)路收集功率的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中電流根據(jù)在所述環(huán)路中操作的設(shè)備之間的信號傳輸而在所述環(huán)路中變化，所述轉(zhuǎn)換器包括: 第一端子對，用于將所述轉(zhuǎn)換器連接至第一電路，該第一端子對包括正端子和負(fù)端子，其中所述第一電路向次級功率負(fù)載供應(yīng)從包括分布式控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的環(huán)路中獲得的功率； 第二端子對，用于將所述轉(zhuǎn)換器連接至第二電路，該第二端子對包括正端子和負(fù)端子; 累積元件，用于暫時累積電能；和 開關(guān)電路，連接至所述第一端子對、所述第二端子對和所述累積元件，其中 在第一操作模式中，所述開關(guān)電路通過所述累積元件將過量電能從所述第一電路轉(zhuǎn)移到所述第二電路，并且使所述第一電路中的信號傳輸不被中斷，并且 在第二操作模式中，所述開關(guān)電路通過所述累積元件將電能從所述第二電路轉(zhuǎn)移到所述第一電路。
10.如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述累積元件包括電感器。
11.如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路包括: 具有第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)的第一開關(guān)元件；其中 在所述第一開關(guān)元件的第一操作狀態(tài)下，所述第一開關(guān)元件將所述第一端子對的正端子電連接至所述累積元件的第一端子，以使電能在所述累積元件中累積；并且在所述第一開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述第一開關(guān)元件將所述第一端子對的正端子與所述累積元件電斷開，以使電能從所述累積元件被轉(zhuǎn)移；其中 在所述第一開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述累積元件的第二端子電連接至所述第二端子對的正端子，使得所述電能通過所述第二端子對的正端子被轉(zhuǎn)移。
12.如權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一開關(guān)元件是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
13.如權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括: 具有第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)的第二開關(guān)元件，其中 在所述第二開關(guān)元件的第一操作狀態(tài)下，所述第二開關(guān)元件將所述累積元件的第一端子電連接至所述第一端子對的負(fù)端子，以使電能在所述累積元件中累積；并且在所述第二開關(guān)元件的第二操作狀態(tài)下，所述第二開關(guān)元件將所述累積元件的第一端子電連接至所述第一端子對的正端子，以使電能從所述累積元件轉(zhuǎn)移到所述第一端子對的正端子。
14.如權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括: 第一二極管，允許電流僅在從所述累積元件的第一端子到所述第一端子對的正端子的方向上流動；以及 第二二極管，允許電流僅在從所述第一端子對的負(fù)端子到所述累積元件的第一端子的方向上流動。
15.如權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開關(guān)電路進一步包括:第一電容器，電連接在所述第一端子對之間；和 第二電容器，電連接在所述第二端子對之間。
16.如權(quán)利要求9所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一端子對與第一電壓降相關(guān)，所述第二端子對與第二電壓降相關(guān)，并且其中所述第一電壓降在所述轉(zhuǎn)換器的第一操作模式中大于所述第二電壓降而在所述轉(zhuǎn) 換器的第二操作模式中小于所述第二電壓降。
【文檔編號】H02M3/158GK103956902SQ201410217367
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2007年6月15日
【發(fā)明者】斯蒂芬·G·斯?fàn)柌? 申請人:費希爾控制產(chǎn)品國際有限公司