数字输入接收器中的输入电流限制制造技术

本发明专利技术涉及数字输入接收器中的输入电流限制。在数字输入电路的输入路径中与电阻器(358A、358B、RSENSE)准并行地提供带隙电压基准(202、204)。由于准并性特性，数字输入电路使用的电流被限制为基于外部电阻器的值的量。在用于跨越所选的隔离屏障(362A)提供逻辑信号的电路和吸收晶体管(205)之间对输入电流进行分流，使得电流保持恒定。这允许数字输入电路精确地限制输入电流，而不需要场侧功率。

【技术实现步骤摘要】
数字输入接收器中的输入电流限制相关申请的交叉引用本申请根据美国法典第35条119(e)款要求2017年11月10日提交的题为“Input-PoweredIsolatedDigitalInputReceiverwithCurrentLimitandPreciseThresholds”的美国临时专利申请62/584,350的权益，其通过整体引用合并于此。
本专利技术的
为工业控制，更具体地，本专利技术的
为工业控制中使用的数字输入逻辑电路。
技术介绍
在工业工厂环境中，通常具有各种开关和为控制过程提供输入的各种传感器。开关和传感器连线到工业控制器(通常称为可编程逻辑控制器)的数字输入。诸如IEC61131-2的标准规定数字输入接收器的输入电流必须至少为2mA。由于工业控制器中可能存在数十甚至数百个数字输入接收器，因此功率消耗以及所需的散热可能会变得非常大，尤其是在没有很好地控制输入电流的情况下。大多数基于光耦合器的数字输入接收器和一些电容性隔离数字输入接收器不具有任何输入电流调节。另一系列数字输入接收器有电流限制，但那些数字输入接收器使用现场侧功率，这通常更成问题并且没有被普遍使用。一些工业控制器使用数字输入接收器外部的JFET(结型场效应晶体管)来尝试执行电流限制，但JFET阈值电压的变化导致任何电流控制都很差。
技术实现思路
在数字输入电路的输入路径中，与电阻器准并行地提供带隙电压基准。由于准并行特性，数字输入电路使用的电流被限制为基于外部电阻器的值的量。在用于跨越所选的隔离屏障提供逻辑信号的电路和吸收晶体管之间将输入电流进行分流，使得电流保持恒定。这允许数字输入电路精确地限制输入电流而不需要场侧功率。附图说明现在将参考附图用于各种示例的详细描述，其中：图1是工业控制器的第一示例的框图，该工业控制器包括具有输入电流限制的一系列数字输入电路。图2是图2的数字输入电路的输入侧的更详细框图。图3是典型工业控制器的框图。具体实施方式现在参考图1，示出了示例工业控制器301。两个数字输入电路300A和300B被示出。电压源304向现场提供电压。使用场输入导线309A将开关306A从电压源304连接到一个场输入端子312A。类似地，使用场输入导线309B将传感器306B从电压源304被连接到场输入端子312B。场输入导线309A、309B上的电流是受限制的电流。在图1的示例中，数字输入电路300A和数字输入电路300B跨越基于二氧化硅的隔离屏障使用高频载波调制，以在现场和工业控制器301之间提供电容隔离。一些数字输入电路使用电磁线圈和感应耦合，而其他数字输入电路使用光电二极管、光电晶体管和光耦合。虽然不同类型的数字输入电路可能具有不同的输入电流要求来进行操作，但操作类似，因此可以在每种类型的数字输入电路中应用当前的输入电流限制。每个数字输入电路300A和300B的FGND或场接地引脚被连接到场接地端子351。阈值电阻器354A、354B被连接到场输入端子312A、312B。阈值电阻器354A、354B的另一端被连接到数字输入电路300A、300B的感测输入，被连接到保持电容器356A、356B的一个端子并且被连接到限流电阻器358A、358B的一端。保持电容器356A、356B的第二侧被连接到场接地。限流电阻器358A、358B的第二端被连接到数字输入电路300A、300B的输入引脚。数字输入电路300A、300B的VCC输入被连接到电压源(诸如5V)。数字输入电路300A、300B的逻辑输出引脚被连接到微控制器340的逻辑输入，使得在场输入端子312A、312B处的逻辑值被提供给微控制器340，用于控制工业过程。在所示示例中，数字输入电路300A、300B的使能输入也被连接到微控制器340。应当理解，在许多设计中，数字输入电路的使能输入和输出将通过锁存器和缓冲器被耦合到微控制器340，而不是如图所示直接连接。应当理解，微控制器340包括随机存取存储器和非易失性存储器，诸如内部或外部的闪速存储存。非易失性存储器存储由微控制器340执行的程序，以执行其各种功能。在一个示例中，每个数字输入电路300A、300B使用电容性隔离来提供隔离特征。数字输入电路300A、300B的感测、输入和场接地引脚被连接到限流块360A、360B。输入还被提供为到振荡器块或输入侧隔离驱动器电路362A、362B的输入，振荡器块或输入侧隔离驱动器电路362A、362B提供振荡信号以跨越电容性隔离屏障364A、364B。输出侧隔离驱动器366A、366B接收来自电容隔离屏障364A、364B的振荡信号，并且将逻辑输出信号提供给逻辑输出引脚。使能引脚被连接到驱动器366A、366B以控制输出。图2提供了限流块360A和振荡器块362A的细节。将限流电阻器358A或RSENSE两端的电压与在电阻器202或R1和双极NPN(n型p型n型)晶体管204或Q0两端产生的基准电压进行比较，形成大约1.2V的带隙电压基准。如果限流电阻器358A被选择为600欧姆，则当电流为2mA(IEC61131-2中规定的最小电流)时，限流电阻器358A两端的电压为1.2V。如果精密电阻器用于限流电阻器358A，则可以严密控制电流。使用外部限流电阻器358A比数字输入电路300A内部提供电阻器的解决方案成本低，并且允许通过使用600欧姆以外的值将输入电流设置为2mA以外的值。电流限制的精度主要取决于限流电阻器的精确度。使用1％电阻器可实现非常精确的电流限制。如果可以容忍电流限制的精确度较低，则可以使用较低精确度的电阻器，例如5％电阻器。在另一个示例中，限流电阻器与数字输入电路的其余部分被提供在同一半导体上，如果不需要外部电阻所需的空间并且不需要限流灵活性，则不需要外部限流电阻器。如果使用内部限流电阻器，则只需要感测引脚，因为输入是从限流电阻器内部产生的。晶体管206或MP1和晶体管208或MP2形成放大器，以控制通过限流电阻器358A的电流。晶体管206是P-沟道增强型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，其源极连接到输入引脚，并且栅极连接到漏极。晶体管208是P-沟道增强型MOSFET，其源极连接到晶体管204的集电极并且栅极连接到晶体管206的栅极。这种配置将限流电阻器358A和带隙电压基准置于准并行(quasi-parallel)中，并且将晶体管206和晶体管208的源极用作输入。晶体管206和晶体管208的漏极分别连接到PTAT(与绝对温度成比例)电流源210和212的输入。PTAT电流源210、212的输出被连接到公共线213。P-沟道耗尽型MOSFET214或MP0具有连接到输入引脚的源极、连接到晶体管208的漏极的栅极以及连接到公共线213的漏极。因此MOSFET214的栅极或控制输入被连接到由晶体管260和208形成的放大器的输出。在这种配置中，MOSFET214吸收(sink)振荡器块362A未使用的额外电流，以保持总输入电流在目标处恒定，例如2mA。因此，晶体管206、晶体管208、MOSFET214和PTAT电流源210、PTAT电流源212形成均流电路205。通过N-沟道耗尽型MOSFET216或MN0提供反极性阻塞。MOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业控制器，其包括：场输入端子，其用于连接到场输入导线，所述场输入导线承载被限制的输入电流；场接地端子；数字输入电路，其具有耦合到所述场输入端子的场输入、耦合到所述场接地端子的场接地以及感测输入；以及限流电阻器，其耦合到所述场输入和所述数字输入电路的所述感测输入，其中所述数字输入电路包括：带隙电压基准，其具有耦合到所述感测输入的一端并且具有第二端；输入侧隔离驱动器电路，其耦合到所述场输入和所述场接地，以用于驱动信号跨越隔离屏障并从所述场输入汲取操作电流；以及均流电路，其耦合到所述场输入、所述场接地以及所述带隙电压基准的所述第二端以吸收所述输入电流和所述操作电流之间的差值，将所述限流电阻器两端的电压维持到所述带隙电压基准。

【技术特征摘要】
2017.11.10 US 62/584,350;2018.06.04 US 15/996,9171.一种工业控制器，其包括：场输入端子，其用于连接到场输入导线，所述场输入导线承载被限制的输入电流；场接地端子；数字输入电路，其具有耦合到所述场输入端子的场输入、耦合到所述场接地端子的场接地以及感测输入；以及限流电阻器，其耦合到所述场输入和所述数字输入电路的所述感测输入，其中所述数字输入电路包括：带隙电压基准，其具有耦合到所述感测输入的一端并且具有第二端；输入侧隔离驱动器电路，其耦合到所述场输入和所述场接地，以用于驱动信号跨越隔离屏障并从所述场输入汲取操作电流；以及均流电路，其耦合到所述场输入、所述场接地以及所述带隙电压基准的所述第二端以吸收所述输入电流和所述操作电流之间的差值，将所述限流电阻器两端的电压维持到所述带隙电压基准。2.根据权利要求1所述的工业控制器，其中所述限流电阻器在所述数字输入电路的外部。3.根据权利要求1所述的工业控制器，其中所述限流电阻器被包括在所述数字输入电路中，并且在所述数字输入电路的内部产生所述场输入。4.根据权利要求1所述的工业控制器，其中所述数字输入电路还包括：反极性阻塞电路，其连接到所述场接地并且耦合到所述输入侧隔离驱动器电路和所述均流电路。5.根据权利要求1所述的工业控制器，其中所述均流电路包括：放大器，其具有连接到所述场输入和所述带隙电压基准的所述第二端的输入，并具有输出；以及晶体管，其具有耦合到所述放大器输出并且耦合在所述场输入和所述场接地之间的控制输入。6.根据权利要求1所述的工业控制器，其中所述输入侧隔离驱动器电路包括：比较器，其耦合在所述场输入和所述场接地之间并且根据所述场输入的电压提供输出；振荡器，其耦合到所述场输入，以在场输入高逻辑水平上提供振荡输出信号；栅极，其用于将所述振荡器输出信号和所述比较器输出进行组合并且在所述场输入处于高逻辑水平时提供振荡输出；以及驱动器，其耦合到所述栅极输出以驱动信号跨越所述隔离屏障。7.根据权利要求6所述的工业控制器，其中所述输入侧隔离驱动器电路还包括低压差调节器，所述低压差调节器耦合在所述场输入和所述振荡器之间，以在所述场输入处于高逻辑水平时向所述振荡器提供信号。8.一种用于控制器的数字输入电路，所述控制器包括场输入端子和场接地端子，所述场输入端子用于连接到场输入导线，所述场输入导线承载被限制的电流，所述数字输入电路包括：场输入，其用于耦合到所述场输入端子；场接地，其用于耦合到所述场接地端子；感测输入，所述感测输入和所述场输入用于耦合到限流电阻器；带隙电压基准，其具有耦合到所述感测输入的一端并具有第二端；输入侧隔离驱动器电路，其耦合到所述场输入和所述场接地，用于驱动信号跨越隔离屏障并从所述场输入汲取操作电流；以及均流电路，其耦合到所述场输入、所述场接地以及所述带隙电压基准的所述第二端，以吸收所述输入电流和所述操作电流之间的差值，用于将耦合限流电阻器两端的电压维持到所述带隙电压基准。9.根据权利要求8所述的数字输入电路，其中所述限流电阻器在所述数字输入电路的外部。10.根据权利要求8所述的数字输入电路，其中所述限流电阻器被包括在所述数字输入电路中，并且在所述数字输入电路的内...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·K·巴拉瓦尔，A·S·卡马斯，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US