一种FF总线无源调节器及参数确定方法技术

本发明专利技术提出了一种FF总线无源调节器，包括第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1和第二电感L2的一端分别用于耦接稳压电源正负极，第一电感L1和第二电感L2的另一端用于耦接FF总线H1网段；还提出了一种FF总线无源调节器的参数确定方法，包括预设电感值，并基于预设电感值做出相应Vout‑f曲线，判断预设电感值是否满足终端电压Vout的要求，并调整相应的增大/减小，直至判断确认电感值范围；本发明专利技术的FF总线无源调节器，用电感天然的隔交通直元件特性替代有源方案，对理想无源调节器进行了改进，减少了对功率的消耗，并且保持了理想无源调节器的良好阻抗特性，元器件数量少，电路简单可靠，组成双端平衡拓扑，抗干扰能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种FF总线无源调节器及参数确定方法
本专利技术涉及工业自动化的现场总线领域，尤其是一种FF总线无源调节器及其参数确定方法。
技术介绍
在自动化领域，二线制现场总线中应用最广泛的两种总线类型为FF现场总线和ProfibusPA。这两种总线的对信号传输的物理层要求是一致的。均为在一条双绞屏蔽线上实现信号和电源的同时传输，其信号的传输是通过在总线上调制一个频率为31.25kHz的交流电流，大小为±10mA，该电流经过在与总线相匹配的两个终端阻抗(这两个终端阻抗应当分布在总线的两端，其典型值为100Ω)的转化，转变成一个交变电压，从而能够被总线上的其他设备接收。在FF现场总线技术中，稳压电源的输出必须经过FF电源调节器调节后才能为H1网段供电。FF电源调节器既要保证正常的直流输出，又要防止现场总线信号被电源吸收从而影响总线通讯。为了达到现场总线通讯的要求，FF电源调节器提供的总阻抗应相当于一个不小于5mH电感的感抗。传统的FF有源调节器利用运放的有源电路来模拟理想电感，这种模拟方案体积小，价格便宜，但是其对运放速度摆率要求较高，大电流情况下对电阻的要求高，且平衡性能、抗共模干扰能力差，长距离总线通信时的可靠性难以保证。而对于普通电源来说，其交流阻抗非常小，若总线直接用普通电源供电，那么总线上被调制的交流电流大部分会流向交流阻抗较小的电源，而不是终端电阻，那么总线电压将会是一个相对稳定的值，从而达不到在总线上叠加一个交变信号的目的。为了防止以上现象的发生，就需要在电源和总线之间增加电源调节器电路，该电路的作用是在总线信号的工作频率范围内，提供一个交流大阻抗，该阻抗应当远远大于总线上的匹配终端阻抗，可以使总线设备调制的交流电流大部分都流向匹配终端阻抗，从而达到在总线上叠加一个交变电压信号的目的。另一方面，还要为电源提供一个直流通路，能够为现场设备提供较大的电流，由于总线电流会比较大，为了防止直流通道上的压降过大，导致电源效率损失过多，其直流阻抗应当尽量小。综合信号以及电源两个方面的要求，传统的FF有源调节器利用运放的有源电路来模拟理想电感。如图1和图2所示，为有源调节器应用的两个典型的例子。但是采用有源调节器存在以下缺点，总线信号传输的速率典型值为31.25kbit/s，为了保证该信号的波形不失真，通常调节器电路总的电感量需要不小于5mH，有源运放电路利用阻容元件模拟实际电感。它的阻抗表达式为：Z＝R1+jw(R1*R2*C1)，其中L＝R1*R2*C1。利用uF级电容模拟mH级电感，则相差一个数量级的带宽需要靠运放来补偿，因此对运放的摆率要求很高；其次，总线过大电流时为了保证总线正常的直流输出，R1上的压降不能太大，因此R1必须足够小；另外，由于FF总线复杂的现场环境，有源滤波器的抗干扰能力也存在一定的问题。上述种种因素导致有源调节器的设计与应用受到较大限制，不利于产品的整体可靠性提升。如果采用理想无源调节器，如图3所示，为理想无源调节器的电路示意图，图中Lp为调节器电感、Rp为调节器串联电阻，RT、CT组成总线终端[RT＝100Ω、CT＝1uF]，该电路的交流阻抗等效为可以看出，理想无源调节器利用LR电路和终端CR电路的相互作用消除频率对总线阻抗的影响，使其在全频率段范围内等效为一个R的电阻，而保证了总线阻抗不受频率波动的影响。然而，实际电感并不是理想电感，由于其自身材料特性，实际电感量会随频率、电流的变化而发生改变；除此之外，对于一个网段挂多台设备的案例，该拓扑会在与电感串联的50Ω电阻上产生很大的压降和功耗，从而影响整个网段的正常运行。例如，某个网段挂32台设备，每台设备消耗20mA电流，则总电流消耗为0.64A，电阻上的压降将高达32V。这显然是不被允许的，也无法进行工程应用。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供了一种FF总线无源调节器，利用电感天然的隔交通直元件特性替代有源方案，对理想无源调节器进行了改进，从而实现对理想电感的模拟，使用无源电感元件，使直流阻抗小，交流阻抗大，使电路元件少、平衡性能好、抗干扰能力强，整体可靠性高。具体采用了如下技术方案：本专利技术的第一个目的是提出了一种FF总线无源调节器，包括第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1和第二电感L2的一端分别用于耦接稳压电源正负极，第一电感L1和第二电感L2的另一端用于耦接FF总线H1网段，所述FF总线H1网段包括2个并联的终端阻抗。进一步的，第一电感L1和第二电感L2均为气隙磁芯电感。采用气隙磁芯电感，使电感的直流阻抗更小，降低了电源效率的损失。进一步的，所述第一电感L1和第二电感的电感值范围为1.9mH-2.3mH。采用1.9mH-2.3mH的电感值范围的电感可以满足终端电压Vout峰峰值以及Vout上升/下降速率的要求。本专利技术第二目的在于基于上述FF总线无源调节器提出了一种参数确定方法，包括S1，预设电感值，并基于预设电感值做出相应Vout-f曲线；S2，基于Vout-f曲线确定预设电感值是否满足终端电压Vout的要求；S3,基于预设电感值，增加/减小电感值；S4,基于增加/减小电感值判断是否满足终端电压Vout的要求，直至确认电感的电感值范围。进一步的，终端电压Vout的要求包括Vout峰峰值以及Vout上升/下降速率的要求。进一步的，Vout峰峰值范围为0.4V-0.6V。进一步的，所述Vout上升/下降速率满足在50Hz到3kHz之间电压随频率的变化率在-20dB/每十倍频到20dB/每十倍频之间。进一步的，还包括基于FF总线信号通信质量，保证电感的抗直流饱和能力。进一步的，所述电感随直流偏置的衰减低于30％。在FF总线中，电感随直流偏置的衰减低于30％保证了电感的抗直流能力饱和能力，满足FF总线信号通信。本专利技术的有益效果为：1、去掉了理想无源调节器串联的电阻，大大减少了对功率的消耗，并且保持了理想无源调节器的良好阻抗特性。2、无源调节器电路仅由两个电感组成，元器件数量少，电路简单可靠；3、利用电感天然的隔交通直特性组成双端平衡拓扑，抗干扰能力强，提升了可靠性。附图说明结合附图，本专利技术的其他特点和优点可从下面通过举例来对本专利技术的原理进行解释的优选实施方式的说明中变得更清楚。此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为有源调节器在低电压端电路原理示意图；图2为有源调节器在高电压端电路原理示意图；图3为理想无源调节器的电路原理示意图；图4为本专利技术一种FF总线无源调节器的电路原理示意图；图5为本专利技术一种参数确定方法的实施例流程图。图6为现场总线电源测试规范FF-831谐振测试规范框图；图7为L＝3mH时,Vout-f曲线；图8本专利技术一种FF总线无源调节器与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种FF总线无源调节器，其特征在于，/n包括第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1和第二电感L2的一端分别用于耦接稳压电源正负极，第一电感L1和第二电感L2的另一端用于耦接FF总线H1网段，所述FF总线H1网段包括2个并联的终端阻抗。/n

【技术特征摘要】
1.一种FF总线无源调节器，其特征在于，
包括第一电感L1和第二电感L2，所述第一电感L1和第二电感L2的一端分别用于耦接稳压电源正负极，第一电感L1和第二电感L2的另一端用于耦接FF总线H1网段，所述FF总线H1网段包括2个并联的终端阻抗。


2.根据权利要求1所述的FF总线无源调节器，其特征在于，所述第一电感L1和第二电感L2均为气隙磁芯电感。


3.根据权利要求1-2任一所述的FF总线无源调节器，其特征在于，所述第一电感L1和第二电感的电感值范围为1.9mH-2.3mH。


4.一种基于权利要求1-3任一所述的FF总线无源调节器的参数确定方法，其特征在于，包括，
S1，预设电感值，并基于预设电感值做出相应Vout-f曲线；
S2，基于Vout-f曲线确定预设电感值是否满足终端电压Vout的要求；
S3,基于预设电感值，增加/减小电感值；...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇，王文辉，戴晨阳，陈麒米，陈凌霄，林强，
申请(专利权)人：浙江中控技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33