[发明专利]低功耗输入电路

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请62/143,286的权益，该美国临时申请在2015年4月6日提交，并通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及工业控制系统，并且特别地涉及用于工业控制系统的I/O模块，这些I/O模块提供降低的功耗以及更紧凑的形状系数。

背景技术

工业控制系统初始被开发为用于对工厂中的设备提供控制逻辑，这些设备进行操作以在装配线上或在批处理中生产产品。早期的工业控制系统利用对继电器进行模拟但使用编程语言的专用电路来代替继电器机架。

目前的工业控制系统使用现代的电子计算机处理器和电路来继续这一进展，但与标准计算机的区别可能在于下述架构：该架构提出了对于高稳定性、安全性和对环境破坏和普通污染的抵抗性的要求。后者的关注一般意味着工业控制系统部件被设计成不具有冷却风扇或用于与外界空气连通的端口，从而使得低散热非常重要。

工业控制系统必须在高度多样化的制造应用中工作。出于这一原因，工业控制系统通常使用模块化构造形式，其中，一个或多个模块化控制器与本地或远程的I/O模块以及在控制器与驱动工业处理的制动器和传感器的硬件之间提供实际接口的其他控制装置进行协作。

一种类型的输入I/O模块作为接口进行操作，以从传感器等接收输入信号，该传感器提供指示低状态的第一电压范围内输出电压以及指示高状态的第二电压范围内的输出电压。通常，可以通过0伏与10伏之间的输入电压代表低状态，并且可以通过10伏至32伏之间的输入电压代表高状态。

防止源于所控制的设备或处理中的高电压损坏工业控制系统是很重要的。出于这一原因，I/O模块通常包括隔离器。一种可能的隔离器是光隔离器(光隔离器/光耦合器)，其提供与光电检测器(例如光电二极管)绝缘并且电隔离的电致动的光源(LED)，其中该光电检测器与工业控制系统的剩余部分通信。光隔离器提供良好的共模抑制(即，取消出现在I/O模块的输入侧和地面二者之上的噪音)，并且保护工业控制系统免于可能意外地施加到该I/O模块的输入的极大电压输入。

附接到I/O模块的不同装置可能具有不同的输出电压范围，其中高状态电压具有从低如5伏到30伏或更高的范围。适应于该电压范围而不超出光隔离器的电流容量的一种方法是使用串联限流电阻器。这种方法可能对于不同的输入电压范围需要不同的限流电阻器，并且因此对于不同的应用需要制造多个I/O模块。

一个替选方式在被授予Bavol的美国专利6,043,703中公开，该专利转让给本发明的受让人并且通过引用合并于此。在该专利中，在I/O模块的一个输入和光耦合器的光源之间布置有基于晶体管的串联限流器，以在宽输入电压范围上限制到光耦合器的电流。串联电流的这一激活调节允许单个I/O模块在宽输入电压范围上工作。

重要的是，光隔离器不被来自串联限流器的泄露电流所激活。为了确保这一结果，通常使用特别选择的或指定的光隔离器以具有相对更大的激活电流。

发明内容

本发明人认识到，可以通过提供“更平的”电流调节来获得散热的明显下降，其中可经由使用高增益比较器类型的调节器系统来提供上述“更平的”电流调节。通过降低随着输入电压上升的电流上升，功耗的增长与电压(电压降乘以电流)的平方关系可被降低为功耗的成比例增长，从而实质上降低典型功耗。

本发明人还认识到，指定或选择具有高电流激活的光隔离器的需要不利地增加了产品中耗散的功率，例如可能趋向于抵消由改进的电流调节所提供的下降的功耗。因此，本发明还提供光隔离器旁路电路，其使泄漏电流绕过光隔离器而分流(否则该泄露电流将通过串联电流调节器)，从而允许使用低功耗光隔离器并对于光隔离器的选择提供更高的灵活性。

因此，在一个实施例中，本发明提供了一种用于工业控制器的输入电路，其具有输入端子，所述输入端子用于接收感测电压以及提供所述输入端子之间的电流路径；并且该输入电路也具有隔离器，所述隔离器具有沿着所述输入端子之间的电流路径串联连接的隔离器输入，以使得所述输入端子之间的第一方向上的电流激活所述隔离器。激活限流器沿着所述电流路径而与所述隔离器输入串联布置，以限制通过所述隔离器输入的电流；并且，所述激活限流器提供比较器，所述比较器将与所述隔离器输入串联的感测电阻器的电压降与固定的电压基准相比较，以用于控制晶体管，该晶体管控制通过所述隔离器输入的串联电流。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是在I/O电路中提供高度稳定的限流以实质上降低功耗。