УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ В ШИННОМ УЗЛЕ ШИННОЙ СЕТИ
VOLTAGE SUPPLY DEVICE FOR BUS IN BUS NETWORK

Изобретение относится к устройству для обеспечения напряжения питания в шинном узле шинной (магистральной) сети, прежде всего в шинном узле EIB-сети.
Шинные узлы должны, с одной стороны, обеспечивать связь между содержащимися в них блоками управления, реализованными по меньшей мере посредством микропроцессоров, с другой стороны, является предпочтительным, когда источник электропитания, в дополнение к блокам управления, обеспечивает через шину также питание подключенных прикладных устройств, таких как реле, датчики, клавиши, индикаторы и т.п. Поэтому шинный узел в этом смысле содержит передатчик, приемник и источник электропитания.
К источнику питания предъявляются особые требования, которые обеспечивают, что ни при пуске подключенных к шине приборов, ни при чаще всего переменном потреблении тока прикладными устройствами не будет нарушена связь между различными шинными узлами или даже, в наихудшем случае, не будет вырабатываться ошибочная информация.
Поэтому стандарты, например, для EIB-шинных узлов, описаны подробнейшим образом и приведены в «Konnex Handbuch, Version 2.0». Обеспечение свойств готовых приборов для EIB-шин осуществляется с помощью предписанных там испытаний, при выдерживании которых приборы для EIB-шин сертифицируются.
Управляющие команды посылаются по линиям шины как телеграфные сообщения из групп двоичных знаков. EIB-сигнал одного отдельного бита определяется ограниченным во времени падением напряжения как так называемый активный импульс относительно нормального напряжения шины. С целью снижения потребления энергии при отправлении сообщения затем следует определенное превышение напряжения над номинальным напряжением шины как так называемый уравнивающий импульс. Это служит возврату энергии в линии шины после каждого отдельного бита. Этот уравнивающий импульс затихает как экспоненциальная функция, пока не появится следующий бит телеграфного сообщения, то есть максимально до конца периода одиночного бита.
Шинные узлы при работе в качестве передатчика соответственно формируют эти сигналы. В идеале это количество энергии, которую забирает импульс бита из шины, должно затем снова подводиться.
1
PSU
1
2
1
2
На фиг.1 на фрагменте изображения (А) показана последовательность битов из приводимого в качестве примера телеграфного сообщения, при этом на фрагменте изображения (Б) показан отдельный битовый сигнал с превышением напряжения (уравнивание) после активного импульса длительностью t. На фиг.1(Б) U является номинальным напряжением шины, Ua и Ua являются представительными для падения напряжения, при этом на практике в отличие от того, как показано на фиг.1(А), Ua чаще всего отличается от Ua. Ue представляет собой превышение напряжения, которое экспоненциально затухает в течение периода времени T-t1. При этом Т - это битовый период, в пределах которого должно произойти затухание уравнивающего импульса, чтобы обеспечить условия напряжения, определенные для следующего бита.
Классические источники электропитания без принятия особых мер, такие как, например, линейный стабилизатор напряжения, в зависимости от токовой нагрузки подключенной схемы значительно уменьшали бы превышение напряжения, часто вплоть до аннулирования, так что требуемое уравнивание мощности не может произойти.
ЕР 0770285 В1 раскрывает устройство для обеспечения напряжения питания в шинном узле в шинной сети, у которого сопротивление соединительной схемы между линиями шины и источником электропитания достаточно низкое, а для активных импульсов достаточно высокое, так как частота регулировки ниже, чем самая низкая частота передачи. Согласно разным критериям регулировки может быть выполнена оптимизация по постоянному напряжению питания или по минимальному потреблению тока. Известное устройство всегда имеет источник постоянного тока, который включен последовательно с конденсатором, с которого снимается напряжения питания, при этом последовательная схема непосредственно или опосредованно подключена к шине с линиями шины, которые находятся под разными потенциалами. Соединительная схема выполнена с биполярными транзисторами, при этом предусматривается замена их на полевые транзисторы.
Однако колебания нагрузки с помощью устройства согласно ЕР 0770285 В1 могут быть выравнены лишь в недостаточной степени.
Из WO 2007/003254 А1 известно устройство для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания в шинном узле в шинной сети с источником тока, который включен последовательно с конденсатором, с которого снимается напряжение питания, при этом последовательная схема непосредственно или опосредованно подключена к шине с линиями шины, которые находятся под разными потенциалами. Первый регулирующий модуль, обозначенный там как «схема зарядки» (charging circuit), стабилизирует рабочую точку источника тока независимо от сигналов шины на линиях шины и нагрузок или изменений нагрузки напряжения питания. Второй регулирующий модуль, обозначенный там как «схема уменьшения потребления энергии» (power consumption reducing circuit), приспосабливает рабочую точку источника тока соответствующим образом к сигналу шины на линиях шины.
Поэтому задачей изобретения является создание устройства для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания в шинном узле в шинной (магистральной) сети, которое, прежде всего, может поддерживаться стабильным при изменениях нагрузки.
Эта задача решена посредством устройства по п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметами соответствующих зависимых пунктов. П.6 формулы изобретения указывает на применение устройства согласно п.1 формулы изобретения.
Согласно изобретению в устройстве для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания в шинном узле в шинной сети, прежде всего в узле EIB-сети, с источником тока, который включен последовательно с конденсатором, с которого снимается напряжения питания, при этом последовательная схема непосредственно или опосредованно подключена к шине с линиями шины, которые находятся под разными потенциалами, предусмотрены первый регулирующий модуль, который стабилизирует рабочую точку источника тока независимо от сигналов шины на линиях шины и от нагрузок или изменений нагрузки напряжения питания, и второй регулирующий модуль, который адаптирует рабочую точку источника тока, срабатывая на сигнал шины на линиях шины.
1
За счет изобретения удалось использовать включенный последовательно источник тока не как источник постоянного тока, а как линейный стабилизатор напряжения, и, прежде всего с помощью второго регулирующего модуля, как регулируемое сопротивление. Оно принимает к моменту времени t окончания активного импульса до максимально момента времени Т окончания битового периода, то есть во время уравнивающего импульса, определенно более высокое сопротивление, так что уравнивающие импульсы ослабляются лишь немного. Другими словами, после каждого активного импульса динамическое сопротивление относительно шины снижается. Кроме того, первое регулирующее устройство заботится, главным образом, о том, чтобы можно было адекватно реагировать на нагрузки и, прежде всего, изменения нагрузки напряжения питания.
При этом в качестве источника тока предусмотрен по меньшей мере один полевой МОП-транзистор. Полевые МОП-транзисторы отличаются тем, что они являются дешевыми, однако имеют относительно большой разброс напряжения осечки или общей стокозатворной характеристики (Gate-Charakteristik) от экземпляра к экземпляру. Благодаря созданию первого регулирующего модуля удается сделать этот зависящий от экземпляра разброс характеристик безвредным.
Согласно изобретению второй регулирующий модуль имеет проницаемый лишь для напряжения первой полярности первый вентиль в форме диода и проницаемый лишь для напряжения второй полярности второй вентиль в форме транзистора. Один из вентилей реагирует, например, на падающий фронт активного импульса, другой на нарастающий фронт активного импульса или наоборот. На соответствующий вентиль другой фронт влияния не оказывает. Тогда благодаря соответствующему подключению вентилей может быть обеспечено, что источник тока переключается, как это требуется, в состояние с более высоким или более низким сопротивлением.
Благодаря предпочтительному выбору параметров элементов второго регулирующего модуля динамическое поведение может быть согласовано так, что динамический ход изменения тока будет удовлетворять условиям испытания согласно «Konnex Handbuch, Version 2.0, Volume 8, System Conformance Testing, Part 2: Medium Dependant Layers Tests, Chapter 2: TP1 Physical and Link Layer, Test 6.1». Фиг.2 наглядно показывает для этой цели опосредованный метод измерения посредством отношения долей площадей тока/времени активного импульса и уравнивающего импульса.
Далее, первый регулирующий модуль стабилизирует промежуточное напряжение, при этом рабочая точка источника тока установлена за счет величины промежуточного напряжения. Тем самым регулируется рабочая точка или последовательное сопротивление источника тока, например полевого МОП-транзистора или нескольких полевых МОП-транзисторов. Предпочтительно, по меньшей мере один полевой МОП-транзистор является n-полевым МОП-транзистором обогащенного типа.
Предпочтительно, это регулирование происходит далее посредством обратной связи, так что первый регулирующий модуль стабилизирует промежуточное напряжение, при этом промежуточное напряжение повышается или понижается лишь до тех пор, пока не будет достигнута заданная величина напряжения (U) питания. Поскольку должно быть обеспечено, что образующий обратную связь первый регулирующий модуль не реагирует на сигналы шины, предпочтительно предусмотрен фильтр, который придает первому регулирующему модулю статическую функцию.
Предпочтительно, промежуточное напряжение создается на конденсаторе, который, будучи соединенным с сопротивлением обычным образом, образует фильтр против активных сигналов шины.
Далее, фильтр, предпочтительно, рассчитан так, что одновременно также обеспечен требуемый мягкий пуск при включении шинной системы, которая состоит из нескольких сообщающихся между собой шинных узлов. Для того чтобы, например, обеспечивать в случае EIB корректную работу, величина промежуточного напряжения не должна быть ниже считающегося минимумом напряжения шины, уменьшенного на падение напряжения, которое дополнительно генерируется максимально возможным активным импульсом полезного сигнала.
Еще одним преимуществом оказывается то, что это промежуточное напряжение может быть выполнено напрямую или посредством преобразователя напряжения как другой допускающий нагрузку источник напряжения для блока управления, например микропроцессора, а также для подлежащих подключению прикладных устройств. Преобразование напряжения при этом может осуществляться известными средствами, прежде всего посредством линейного стабилизатора напряжения в нижнем направлении, посредством умножителя напряжения, например удвоителя, в нижнем направлении или посредством линейного стабилизатора напряжения в верхнем направлении или в нижнем направлении.
Устройство согласно настоящему изобретению может быть использовано в специализированной интегральной схеме, которая, помимо этого, могла бы содержать передатчик, приемник и импульсный сетевой блок питания.
Ниже изобретение будет подробно описано с помощью прилагаемых рисунков. При этом показано на:
Фиг.1 - последовательность битов из приводимого в качестве примера телеграфного сообщения на фрагменте (А) изображения, а также увеличенная вырезка с соответствующим напряжением на фрагменте (Б) изображения,
Фиг.2 - наглядное представление опосредованного метода измерения согласно стандарту Konnex,
Фиг.3 - существенно схематизированная блок-схема устройства для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания согласно настоящему изобретению,
Фиг.4 - первый регулирующий модуль согласно настоящему изобретению,
Фиг.5 - второй регулирующий модуль согласно настоящему изобретению, и
Фиг.6 - пример выполнения устройства для создания допускающего нагрузку источника напряжения в шинном узле в шинной сети согласно настоящему изобретению.
В нижеследующем описании и чертежах приведены многочисленные определенные подробности. Однако понятно, что варианты осуществления настоящего изобретения можно применить на практике без этих определенных подробностей. В других случаях опущены хорошо известные схемы, структуры и технологии для того, чтобы не затруднять понимание изобретения. Понятно, что в отношении представленных вариантов осуществления могут быть предприняты многочисленные модификации и изменения без отступления от объема изобретения. Поэтому представленные варианты осуществления должны рассматриваться как описательные, а не как ограничительные.
На фиг.3 показана существенно схематизированная блок-схема устройства для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания согласно настоящему изобретению. Bus+ и Bus- являются выводами для линий шины, U+ и U- являются выходами, с которых снимается напряжение питания U. При этом между выводами U+ и U- подключен конденсатор С3, который служит накопителем энергии и сглаживателем напряжения для напряжения U питания. Источник M1 тока расположен последовательно между выводом Bus+ и выводом U+ и включен как регулируемое сопротивление. С конденсатора С2, который последовательно с сопротивлением R1 расположен между выводами Bus+ и Bus-, снимается промежуточное напряжение, которое используется для управления источником M1 тока. При подаче напряжения шины на Bus+ и Bus- источник M1 тока заперт. Конденсатор С2 медленно заряжается, как следствие, источник M1 тока становится все более и более проводящим. Тем самым повышается и величина напряжения на конденсаторе С2. Первый регулирующий модуль А служит для того, чтобы стабилизировать рабочую точку источника M1 тока. Когда напряжение на конденсаторе С3 достигает заданного первым регулирующим модулем А граничного значения, через первый регулирующий модуль А к конденсатору С2 течет ток, который препятствует дальнейшей зарядке конденсатора С2. Тем самым источник M1 тока остается на отрегулированной величине сопротивления. При снижении напряжения на конденсаторе С3 ниже определенного граничного значения первый регулирующий модуль А запирается и происходит «отрегулирование» в обратном направлении. Для того чтобы на это статически установленное сопротивление источника M1 тока воздействовать динамически, предусмотрен второй регулирующий модуль В. Второй регулирующий модуль В действует так, что при падающем фронте приходящего на Bus+ и Bus- активного импульса сопротивление источника M1 тока остается не подверженным влиянию, в то время как при нарастающем фронте активного импульса сопротивление источника M1 тока кратковременно становится более высоким.
На фиг.4 показан первый регулирующий модуль согласно настоящему изобретению с примерной состоящей из отдельных элементов структурой. Диод Зенера D3 рассчитан так, что его напряжение Зенера посредством напряжения база-эмиттер транзистора Q2, база которого подключена к аноду диода Зенера D3, установлена примерно на 0,7 В ниже, чем желаемая величина выходного напряжения U. Если теперь напряжение, которое снимается с конденсатора С3, достигает величины напряжения Зенера диода Зенера D3 плюс примерно 0,7 В, диод D3 открывается. Тем самым транзистор Q2 становится проводящим, и через сопротивление R7 из первого регулирующего модуля А течет ток, который препятствует дальнейшей зарядке конденсатора С2 (фигура 3). При снижении напряжения на конденсаторе С3 ниже вышеназванного значения транзистор Q2 закрывается, и происходит «отрегулирование» в обратном направлении. Сопротивление R10 и конденсатор С5 образуют фильтр в первом регулирующем модуле А от активного сигнала шины. Напряжение питания U, которое снимается с конденсатора С3, тем самым является регулируемым и независимым от приходящих на Bus+ и Bus- активных импульсов, а также скачков нагрузки подключенной к U+ и U- схемы.
На фиг.5 показан пример состоящей из отдельных элементов структуры второго регулирующего модуля согласно настоящему изобретению. Конденсатор С1 действует вместе сопротивлением R2 как дифференцирующее звено. При падающем фронте приходящего на Bus+ и Bus- активного импульса на катоде диода D2 появляется отрицательный пик напряжения, и диод D2 на короткий момент становится проводящим. Транзистор Q1, база которого соединена с катодом диода D2, не подвергается влиянию отрицательного импульса, так что и рабочая точка источника Ml тока не подвергается никаким изменениям. При возрастающем фронте активного импульса транзистор Q1, наоборот, становится кратковременно проводящим. Через конденсатор С4, сопротивление R6 и сопротивление R4 напряжение на источнике M1 тока подвергается влиянию таким образом, что сопротивление источника M1 тока кратковременно становится выше. Путем соответствующего выбора параметров этих элементов второго управляющего модуля В динамическое поведение может быть приспособлено так, что динамическое протекание тока в пределах битового периода удовлетворяет условиям испытания согласно фиг.2.
На фиг.6 показана полная состоящая из отдельных элементов структура устройства для обеспечения допускающего нагрузку напряжения питания в шинном узле шинной сети согласно настоящему изобретению, при этом используются первый регулирующий модуль А согласно фиг.4 и второй регулирующий модуль В согласно фиг.5. В линию шины Bus+ в качестве защиты от переполюсовки включен диод D1. Последовательно с выходом U+ в качестве источника M1 тока включен как истоковый повторитель полевой МОП-транзистор обогащенного типа, который, таким образом, является самозакрывающимся. Вместо одного отдельного полевого МОП-транзистора могут быть предусмотрены два или несколько полевых МОП-транзисторов, если это кажется необходимым по причине стоимости. Затвор полевого МОП-транзистора M1 через сопротивление R5 подключен к конденсатору С2. В зависимости от величины напряжения на конденсаторе С2 полевой МОП-транзистор M1 в большей или меньшей степени открывается и тем самым может влиять на величину напряжения на конденсаторе С3. При подключении напряжения шины к Bus+ и Bus- полевой МОП-транзистор сначала закрыт. Теперь конденсатор С2 относительно медленно заряжается через сопротивление R1, так что полевой МОП-транзистор становится все более и более проводящим, и тем самым напряжение на конденсаторе С3 повышается. Когда напряжение на конденсаторе С3 достигает заданной первым регулирующим модулем А граничной величины, через сопротивление R7, как описано в связи с фиг.4, протекает ток, который препятствует дальнейшей зарядке конденсатора С2. Статическое значение сопротивления полевого МОП-транзистора M1 теперь отрегулировано. За счет соответствующего подбора сопротивления R1 и конденсатора С2 дополнительно обеспечивается мягкий старт схемы. В дополнение к содержащемуся в первом регулирующем модуле фильтру, во втором регулирующем модуле имеется образованный сопротивлением R1 и конденсатором С2 второй фильтр против активных сигналов шины, так что напряжение на конденсаторе С3 является независимым от приходящих на входы Bus+ и Bus- активных импульсов, а также от скачков нагрузки подключенной выходу схемы. Второй регулирующий модуль В следит, как описано в связи в фиг.5, за динамическим согласованием рабочей точки полевого МОП-транзистора M1, так как его регулирующий выход соединен с затвором полевого МОП-транзистора M1.
На основе описанной схемы возможна разработка специализированной интегральной схемы (ASIC - Application Specific Integrated Circuit), которая, далее, могла бы содержать дополнительные детали, такие как, например, передатчик, приемник, импульсный сетевой блок питания и т.п.