用于分布式控制系统的限压设备.pdf

一种限压设备，用于限制从分布式控制网络的干线电路传递到支线电路的电压，该限压设备包括使AC数据信号在干线电路和支线电路之间传送的AC信号设备。

权利要求书1.  一种限压设备，用于限制从分布式控制网络的干线电路传输至支线电路的 DC电压，在所述分布式控制网络中所述干线电路与所述支线电路在附连至所述支 线电路的现场设备和附连至所述干线电路的控制处理器之间传输叠加在所述DC 电压上的AC电压数据信号方面进行协作，所述限压设备包括： 输入端子，用于从所述干线电路接收一输入电压； 输出端子，用于将一输出电压提供至所述支线电路； 电压调节设备，用于将所述输入端子与所述输出端子连接，所述电压调节设 备配置为基于来自所述干线电路的所述输入电压来将一输出电压传递至所述输出 端子，所述电压调节设备可操作于所述输出电压等于所述输入电压的第一模式，所 述电压调节设备可操作于所述输出电压等于一阈值电压的第二模式； 控制设备，连接至所述输出端子且连接至所述电压调节设备，所述控制设备 被配置为当所述输出端子处的电压低于所述阈值电压时将所述电压调节设备置于 第一操作模式，所述控制设备配置为如果所述电压调节设备正以第一模式操作则当 所述输出端子处的电压超过所述阈值或将要超过所述阈值时将所述电压调节设备 置于第二操作模式；和 AC信号设备，被连接至输入和输出端子且与所述电压调节设备并联，所述 AC信号设备配置为在所述电压调节设备以所述第二模式操作的同时在输入和输出 端子之间携载AC数据信号。 2.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述电压调节设备包括线性 电压调节器。 3.  如权利要求2所述的限压设备，其特征在于，所述线性电压调节器包括可 变阻抗设备。 4.  如权利要求3所述的限压设备，其特征在于，所述可变阻抗设备包括与所 述输入端子和所述输出端子串联连接的MOSFET。 5.  如权利要求2所述的限压设备，其特征在于，所述线性电压调节器包括一 固定电阻和一电流吸收器，所述固定电阻与所述输入端子和所述输出端子串联，且 所述电流吸收器连接至所述固定电阻。 6.  如权利要求5所述的限压设备，其特征在于，所述固定电阻是分压计。 7.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述电压调节设备包括开关 模式电压调节器。 8.  如权利要求7所述的限压设备，其特征在于，所述开关模式电压调节器包 括如下中的一项：降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、回扫转换器、半 正激转换器、推挽式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、库克转换器、单端主 -电感转换器、和电荷泵。 9.  与限流设备串联的如权利要求1所述的限压设备。 10.  如权利要求9所述的限压设备，其特征在于，所述限压设备与一个或多个 附加限流设备串联。 11.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述限压设备位于一外壳内， 所述外壳包括外部干线电路端子组和一个或多个外部支线电路端子组，所述一个或 多个限流设备位于所述外壳内，所述干线电路端子组与所述限压设备串联且被配置 为将所述干线电路电连接至所述限压设备，每一支线电路端子组与所述一个或多个 限流设备中的各个限流设备串联，且其中所述限压设备与所述一个或多个限流设备 中的每一个限流设备串联。 12.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述AC信号设备包括电容 器或电容元件。 13.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述AC信号设备包括可变 阻抗设备。 14.  如权利要求13所述的限压设备，其特征在于，所述可变阻抗设备也形成 所述电压调节设备的至少一部分。 15.  如权利要求1所述的限压设备，其特征在于，所述控制设备包括监测设备， 所述监测设备将与所述输出端子处的电压有关的第一电压与参考电压比较。 16.  如权利要求15所述的限压设备，其特征在于，当将所述第一电压与所述 参考电压比较时，所述监测设备可操作用于从所述第一电压中移除AC电压的至少 一部分。 17.  如权利要求16所述的限压设备，其特征在于，所述监测设备包括运算放 大器和AC跟随器电路，所述AC跟随器电路将AC电压反馈回所述运算放大器。 18.  如权利要求16所述的限压设备，其特征在于，所述控制设备包括具有栅 极的MOSFET，所述运算放大器的输出连接至所述栅极。 19.  连接至分布式控制网络的干线电路的如权利要求1所述的限压设备，所述 干线电路传输叠加在DC电压上的AC数据信号。 20.  如权利要求19所述的限压设备，其特征在于，所述分布式控制网络是如 下网络中的一项：基本现场总线网络、Profibus PA网络、和基于以太网的网络。 21.  如权利要求19所述的限压设备，其特征在于，所述限压设备与位于风险 地域内的现场设备串联连接，且所述干线电路连接至位于安全区域内的一个或多个 附加现场设备。 22.  一种用于限制从分布式控制网络的干线电路传输至支线电路的DC电压 的方法，在所述分布式控制网络中所述干线电路与所述支线电路在附连至所述支线 电路的现场设备和附连至所述干线电路的控制处理器之间传输叠加在所述DC电 压上的AC电压数据信号方面进行协作，所述方法包括如下步骤： a)监测从所述干线电路传递至所述支线电路的电压； b)如果所监测的电压处于或低于预定最大电压，则在基本不改变所传递的电压 的情况下将电压从所述干线电路传递至所述支线电路； c)如果所监测的电压大于所述最大电压，则将传递到所述支线电路的电压限制 为所述最大电压；和 d)在执行步骤c)的同时，在所述干线电路和所述支线电路之间传送AC数据信 号。 23.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，包括以下步骤： e)将表示传递到所述支线电路的电压的第一电压与用作参考电压的第二电压 相比较； f)如果所述第一电压小于或等于所述第二电压，则执行步骤b)；且 g)如果所述第一电压大于所述第二电压，则执行步骤c)。 24.  如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括如下步骤： h)将传递到所述支线电路的电压的至少一部分传输至运算放大器的第一输入， 且将所述参考电压传输至所述运算放大器的第二输入。 25.  如权利要求24所述的方法，其特征在于，一AC电压跟随器被连接在所 述运算放大器的输出和所述运算放大器的一个输入之间。 26.  如权利要求24所述的方法，其特征在于，包括步骤： i)通过来自所述运算放大器的输出来调节可变电阻设备的电阻；且 j)通过改变所述可变电阻设备的电阻来控制步骤b)和c)的选择。 27.  如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括如下步骤： f)当将所述第一电压与所述第二电压比较时，从所述第一电压中移除AC电压 分量的一些或全部。 28.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括如下步骤： e)使用线性电压调节器来限制传递至所述支线电路的电压。 29.  如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述线性电压调节器包括串联 连接在所述干线电路和所述支线电路之间的可变电阻设备。 30.  如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述线性电压调节器包括与所 述干线电路和所述支线电路串联的固定电阻、以及连接在所述固定电阻和地之间的 电流吸收器。 31.  如权利要求28所述的方法，其特征在于，步骤d)包括通过所述线性电压 调节器的至少一部分来传送所述AC数据信号。 32.  如权利要求28所述的方法，其特征在于，步骤d)包括通过可变电阻设备 传送所述AC数据信号。 33.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括如下步骤： e)使用开关模式电压调节器来限制传递至所述支线电路的电压。 34.  如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述开关模式电压调节器包括 如下中的一项：降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、回扫转换器、半正 激转换器、推挽式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、库克转换器、单端主- 电感转换器、和电荷泵。 35.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，由与限流设备串联的限压设备 来执行步骤c)。 36.  如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述现场设备位于要求固有安 全的风险地域内，且所述干线电路还在位于安全区域内的一个或多个附加现场设备 和命令处理器之间传输AC数据信号。

说明书用于分布式控制系统的限压设备
技术领域
本公开涉及实时分布式控制的控制系统，且更特定地，涉及可用于在该控 制系统的干线(trunk)电路和支线(spur)电路之间提供固有安全接口的限压 设备。
发明背景
自动工业系统具有监测、控制、和操作工业进程的现场设备。现场设备通 过干线电路与控制处理器通信，该干线电路通过功率调节器传输DC电压给现 场设备供电并且在控制处理器和现场设备之间双向传输叠加在DC电压上的 AC电压数据信号(可包括操作命令)。
现场设备可分布于整个工厂，且数据传输速率允许对于进程的基本实时控 制。现场设备各自经由支线或压降(drop)电路附连至干线电路。干线电路向 支线电路传输DC电压，并且将AC数据信号携载至支线电路或从支线电路处 携载AC数据信号。
已经为分布式控制系统开发了标准功率和通信协议。例如，基础现场总线 协议是全数字、串行、双向通信系统，该系统在扭绞双线的干线电路上发送DC 功率和AC信号，且使得控制处理器能与数个现场设备通信并控制该数个现场 设备。其他已知分布式控制系统包括Profibus PA和基于以太网的控制系统。
现场设备可位于存在火灾风险的工厂风险区域内。风险区域由与风险本质 有关的等级来标识。可燃气体位于等级1区域内，易燃粉尘位于等级2区域内， 且可着火纤维和飞毛位于等级3区域内。等级0是米有火灾风险的安全区域。
通过与火灾风险级别有关的分区和地域来进一步标识风险区域。分区1标 识了其中火灾风险连续存在的区域(地域0)或其中火灾风险仅存在于常规操 作期间的区域(地域1)。分区2标识了其中并不预期火灾风险的区域(地域 2)，但是如果风险确实出现，该风险仅存在较短时间段。
在风险区域内具有现场设备的分布式控制系统可以是固有地安全的。固有 安全的控制系统被设计为使得在电故障期间所释放的能量不足以引起火灾区 域内的点火。常规地，整个控制系统内的电压和电流被减少以将能量释放限制 到低于点火点。
与固有安全控制系统有关的问题在于系统内可用的有限功率可不足以操 作系统内的所有现场设备，包括位于安全区域内的那些现场设备。
已经研发了其他控制系统解决方案，这些方案提供足够的功率来操作所有 的现场设备，同时仍对于风险区域内的现场设备提供固有安全。
在实体解决方案中，当从安全区域过渡到固有安全区域时设置安全屏障。 该屏障提供了延伸至风险区域内的有限数量的支线，并且限制支线可用的能量 的量。
为了实现风险区域的能量限制，必须根据固有安全标准来限制电压和电流 两者。电压和电流必须被限制到的级别取决于该支线连接至内的风险区域。进 一步，对于分区1(地域0、地域1)的固有安全，屏障一般提供电流隔离 (galvanic)，对于分区2(地域2)的固有安全，屏障没有被隔离。
对于分区2(地域2)实体系统，常规解决方案是在向干线电路提供能量 的功率调节器处实现限压，且在设备耦合器内提供限流。设备耦合器能使包括 一个或多个支线的设备段以模块化方式附连至干线电路。
然而，对于这个常规解决方案已经识别出数个问题：
(a)由于固有安全概念开始于功率调节器，必须根据固有安全标准来限制连 接至干线电路的所有装置；
(b)必须将固有安全端子与所有的非固有安全端子在物理上进行分离。一般 必须对于所有的干线连接遵循这个要求，所有的干线连接包括功率调节器和附 连至干线电路的任何其他装置；
(c)固有安全信号没有与非固有安全信号携载在相同电缆中。经常包括干线 电路作为多核电缆(cabling)的一部分，限制使用其他电缆线路；且
(d)功率调节器的输出电压越低，干线电路的最大长度就越短。设备段上的 设备负载以及每单位长度的电缆电阻限制了最大干线电路长度。例如，现场安 全固有安全功率调节器的最大电压一般被设置为24伏特，因为大多数固有安 全现场设备被限制为24伏特的最大输入电压。在常规设备段负载条件下，相 比以更高最大电压操作的干线电路，干线电路的最大长度被显著缩短。
因此，存在对于分区2(地域2)实体系统的改进的固有安全解决方案的 需要，该解决方案能使控制系统提供足够功率来操作所有现场设备、同时仍对 于风险区域内的这些现场设备提供固有安全。
发明概述
公开的是对于分区2(地域2)实体控制系统的改进的固有安全解决方案。 该解决方案包括在干线和支线电路之间放置限压设备。
在一个可能的实施例中，可将该限压设备设置为与一设备耦合器分离、但 与该设备耦合器在物理上共同定位的单元。此举使得控制系统使用常规的设备 耦合器。如果设备耦合器没有包括限流设备，则与限压设备串联的限流设备可 被包括在该单元内。
在另一个可能的实施例中，限压设备可被集成在可连接至干线电路的设备 耦合器内，其中设备耦合器包括用于数个支线电路的连接。单个限压设备可被 设置且被配置为与从设备耦合器延伸出来的所有支线电路串联。可选地，多个 限压设备可被设置在设备耦合器内，其中每个限压设备配置为与从设备耦合器 延伸出来的支线电路的各一个或多个串联。
一个或多个限流设备也可放置于设备耦合器内，其中每个限压设备与一个 或多个限流设备串联，以使设备耦合器对于从设备耦合器延伸出来的每一个支 线电路提供限压和限流两者。
在支线电路处放置限压没有在控制网络或设备段中创建单个故障点，如同 在功率调节器处放置对于整个系统的电压。将限压设备集成到设备耦合器内进 一步减少了顾客必须获得的产品数量并且简化了设备段设计。
在限压设备的实施例中，为了限制分布式控制系统的从干线电路传输至支 线电路的DC电压，其中该干线电路与支线电路协作从而在附连至支线电路的 现场设备和附连至干线设备的控制处理器之间传输叠加在DC电压上的AC数 据信号，该限流设备包括用于从干线电路接收输入电压的输入端子以及用于向 支线电路提供输出电压的输出端子。电压调节设备将输入端子与输出端子连 接，该电压调节设备配置为基于来自干线电路的输入电压来将输出电压传递至 输出端子。电压调节设备可在其中输出电压等于输入电压的第一模式中操作， 且电压调节设备可在其中输出电压等于阈值电压的第二模式中操作。
控制设备连接至输出端子和电压调节设备。控制设备配置为当输出端子处 的电压低于阈值电压时，将电压调节设备置于第一操作模式。控制设备配置为 如果电压调节设备正以第一模式操作而当输出端子处的电压超过阈值或将超 过阈值时，将电压调节设备置于第二操作模式。
AC信号设备连接至与电压调节设备平行的输入和输出端子。AC信号设备 配置为在输入和输出端子之间携载AC数据信号。
控制设备的可能实施例可包括监测输入端子和参考电压之间的电压差的 监测设备。当电压差处于或低于预定值时，电压调节设备被置于其第一操作模 式内。当电压差超过预定值时，电压调节设备被置于其第二操作模式内以限制 到输出端子的电压。
参考电压可包括恒定的参考电压和AC跟随器参考从而补偿由AC数据信 号引起的DC信号变化。
在AC信号设备的可能实施例中，AC信号设备包括与电压调节设备分离 的一个或多个组件(例如，电容器、电容元件、或有源电路组件)。在AC信 号设备的其他可能实施例中，AC信号设备和电压调节设备共享共同的组件 (即，相同组件构成AC信号设备和电压调节设备)。
电压调节和控制设备可配置为利用线性电压调节或开关模式电压调节(对 应于分别在常规线性调节的电源中和在常规开关模式电源中可见的电压调 节)。
线性电压调节通过改变电阻而将较高输入电压输入逐步降低至较低电压 来调节电压，其中额外的能量作为热被耗散。开关模式调节通过导通和截止控 制元件来调节电压，其中导通期间能量存储于储能设备(一般是电容器、电感 线圈、或两者)，且截止期间从储能设备中汲取能量。
利用线性电压调节的限压设备的实施例可包括电压调节设备或线性电压 调节器，其中将可变阻抗组件放置为串联在输入和输出端子之间。当电压调节 设备以其第二模式操作时，组件的阻抗变化来调节输出电压。
利用线性电压调节的限压设备的其他实施例可包括串联在输入和输出端 子之间的电阻器、以及连接至该电阻器的电流吸收器。当电压调节设备以其第 二模式操作时，电流吸收器的电阻变化来调节电阻器两端的电压。
利用开关模式电压调节的限压设备的实施例可使用不同的开关模式电压 调节拓扑。可适于使用的已知开关模式电压调节拓扑的示例包括但不限于，降 压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、回扫转换器、半正激转换器、推挽 式转换器、半桥式转换器、全桥式转换器、库克(Cuk)转换器、SEPIC(单端 主-电感转换器)、和电荷泵。
当描述继续下去、特别是结合示出一个或多个实施例的相应附图时，其他 方面和特征将变得明显。
附图说明
图1示出分布式控制系统；
图2示出通过图1中所示的系统的干线电路所传输的DC电压分量和AC 数据信号电压分量；
图3示出位于外壳内的限压设备；
图4示出位于通用外壳内的限压设备和限流设备；
图5示出容纳于设备耦合器内的限压设备和限流设备；
图6示出容纳于设备耦合器内的限压设备和多个限流设备；
图7是限压设备的电路框图；
图8示出可适于与限压设备一起使用的线性电压调节器；
图9是利用第一线性电压调节器拓扑的限压设备的电路框图；
图10是具有图9中所示的拓扑的限压设备的电路图；
图11是利用第二线性电压调节器拓扑的限压设备的电路框图；
图12是具有图11中所示的拓扑的限压设备的电路图；
图13是利用第三线性电压调节器拓扑的限压设备的电路框图；
图14是具有图13中所示的拓扑的限压设备的电路图；
图15是利用开关模式电压调节拓扑的限压设备的电路框图；
图16是具有图15中所示的拓扑的限压设备的电路图。
具体实施方式
图1示出分布式控制系统10，该系统10包括向一现场设备14发送AC数 据信号并从该现场设备14处接收AC数据信号的控制处理器12。控制处理器 12连接至干线电路16且现场设备14连接至连接到干线电路16的支线电路18 (为简化附图，控制系统10被图示为仅具有一个现场设备14)。干线电路18 还将通过功率调节器20所提供的DC功率传输至支线电路18来给现场设备14 供电。
现场设备14被图示为位于分区2(地域2)风险区域内。风险区域和安全 区域之间的分离线是用虚线22表示的。支线18从安全区域延伸至风险区域内。 限压设备24和限流设备26位于安全区域内，串联在干线电路16和支线电路 18之间。限压设备24和限流设备26遵循固定安全标准来限制送至现场设备 14的电压和电流。
图2以简化方式示出用于功率传输的DC电压28和通过干线电路16传输 的AC信号电压30。AC信号电压30被叠加在DC电压28上，在图2中用虚 线示出携载于干线电路16内的所得电压。
所示出的功率调节器20向干线电路16输出32伏特DC(即，DC电压28 标称32伏特)。数据信号30是符合特定控制系统的网络通信协议的AC电压 信号且被叠加在DC电压28上。所示出的控制系统10是利用了31.5千比特/ 秒的AC数据信号的基本现场总线系统。
所示出的限压设备24将传递至分支电路18的最大DC电压28限制为24 伏特DC，同时使得AC信号28在干线电路18和支线电路16之间传送。将在 下文进一步详细描述限压设备24的实施例的构造和操作。限流设备26是常规 的且将不会进一步详细公开。
图3示出容纳于外壳32内的限压设备24。外壳32具有端子组34、36用 于将限压设备24安装到控制系统10内。
图4示出容纳于外壳38内的限压设备24，外壳38还包括了与限压设备 24串联连接的限流设备26。外壳38包括端子组40、42，用于将限压设备24 和限流设备26安装到控制系统10内。
图5示出容纳在设备耦合器44内的限压设备24和限流设备26，该设备耦 合器44能使多个支线电路14附连至干线电路16。设备耦合器44包括支线电 路端子组46、48用于将干线电路18延伸至设备耦合器44或从设备耦合器44 内延伸出来，还包括支线电路端子组50A、50B用于将两个支线电路附连至设 备耦合器44。限压设备24置于串联在干线电路端子和支线电路端子之间，以 使得限压设备24串联在连接至设备耦合器44的干线电路和每一个支线电路18 之间。设备耦合器还可包括其他特征，诸如设备耦合器领域内已知的端子特征 等。
图6示出设备耦合器44的可选实施例(其中对于与图5中所示的设备耦 合器实施例使用相同的附图标记)。在这个实施例中，限压设备24与数个限 流设备26串联，每一个限流设备与各组支线电路端子50A、50B串联。一个现 场设备14或支线电路18中的短路并不会切断其他支线电路。
图5和6中所示的设备耦合器44可连接至位于风险地域内的现场设备14。 干线电路16可延伸远离设备耦合器44，且可连接至位于安全区域内的其他现 场设备。限压设备24能使得固有安全信号和非固有安全信号两者被携载于同 一支线电路16内。
图7是限压设备24的电路框图。限压设备24具有与支线电路16连接的 输入侧和与支线电路18连接的输出侧。在输入侧上包括的是从干线电路接收 输入电压的输入端子52。在输出侧上包括的是向支线电路提供输出电压的输出 端子54。电压调节设备56将输入端子和输出端子相连接。电压调节设备56配 置为基于输入端子52处的输入电压向输出端子54传递输出电压。电压调节设 备56可在两个操作模式中操作。电压调节设备56可在其中输出电压等于输入 电压的第一模式中操作。电压调节设备56还可在其中输出电压等于预定最大 电压的第二模式中操作。
控制设备58连接至输出端子54且连接至电压调节设备56。控制设备58 配置为使用输出端子54处的电压将电压调节设备56置于合适的操作模式—当 输出端子54处的电压处于或低于最大电压时是第一操作模式、且如果电压调 节设备24正以第一模式操作而当输出端子54处的电压超过最大值或将要超过 最大值时是第二操作模式。
AC信号设备60也连接至输入端子52和输出端子54。AC信号设备60配 置为在输入和输出端子之间携载AC数据信号30，同时电压调节设备56以第 二模式操作并调节电压，且还可一直携载AC数据信号。
在操作中，如果输出端子54处的DC电压低于最大DC电压(在所示实施 例中，最大DC电压是24伏特)，控制系统50将电压调节设备56置于被动第 一操作模式，且输出端子54处的电压等于输入端子52处的电压。如果输出端 子54处的电压企图满足或超过最大DC电压，则控制系统58将电压调节设备 56置于主动第二操作模式从而将输出端子54处的DC电压限制为最大DC电 压。当输出端子处的DC电压落在低于最大电压时，控制电路58使得电压调节 设备56返回至被动第一操作模式。
图8示出可适于用在限压设备24内的线性电压调节器62。电压调节器电 路62被图示为具有形成为电容器C的AC信号设备60，该电容器C能使AC 信号在调节器电路62的输入端子52和输出端子54之间传输。
在图8中，电压调节设备56被实现为与输入端子52和输出端子54串联 连接的功率MOSFET M1，其中该MOSFET M1的源极端子连接至输入端子52 且该MOSFET M1的漏极端子连接至输出端子54。
控制设备58连接至该MOSFET M1的栅极且包括连接至驱动设备66的监 测设备64。监测设备64包括运算放大器68，用于有效地将输出端子54处的 输出电压与由常规电压参考70所提供的参考电压比较。运算放大器68的所得 误差(error)输出被连接至形成驱动设备66的一部分的功率MOSFET M2的 栅极。该MOSFET M2的漏极连接至MOSFET M1的栅极，且MOSFET M2的 源极连接至地。
电容器C与MOSFET M1并联连接在输入和输出端子52、54之间，且能 使得AC数据信号30在输入和输出端子之间传输。
在操作中，MOSFET M1用作与输入和输出端子串联的可变电阻器。可变 电阻器M1的电阻受控于MOSFET M2，该MOSFET M2继而受控于由运算放 大器68所生成的误差信号。
图9是利用了改自线性功率调节器电路62的线性功率调节器拓扑的限压 设备24的电路框图。电压调节设备56被形成为可变阻抗设备72，且控制设备 58由连接至驱动设备78的监测设备74中形成。监测设备74监测输出端子54 处的DC输出电压和电压参考76之间的电压差。监测设备74的输出连接至驱 动电路78，驱动电路78继而连接至可变阻抗设备72。驱动设备78响应于监 测设备74的输出来改变可变阻抗设备72的阻抗。AC信号设备60形成为连接 在输入端子52和输出端子54之间与可变阻抗72并联的电容器C。
图10示出实现图9所示电路拓扑的限压设备24。
可变阻抗设备72被形成为与输入端子52和输出端子54串联连接的功率 MOSFET M1，其中该MOSFET M1的源极端子连接至输入端子52且该 MOSFET M1的漏极端子连接至输出端子54。AC信号设备60被形成为电容器 C，该电容器C与MOSFET M1并联连接在输入和输出端子52、54之间，且能 使得AC数据信号30在输入和输出端子52、54之间传输。
监测设备74包括运算放大器80和电压参考76。驱动设备78在输入端子 56和地之间延伸，且包括与连接至地的电阻器R6串联的连接至输入端子52的 电阻器R1。功率MOSFET M2与电阻器R1、R6串联，其中MOSFET M2的源 极连接至电阻器R6且MOSFET M2的漏极连接至电阻器R1。
运算放大器80具有非反相输入，通过由在输出端子54和地之间延伸的串 联电阻器R3和R4形成的分压器接收输出端子电压。运算放大器80的反相输 入从电压参考76处接收参考电压VREF。
AC电压跟随器将来自运算放大器80的输出的负反馈提供至运算放大器的 反相输入。AC电压跟随器用于将所提供的电压中的AC信号跟随至非反相输 入，且AC电压跟随器由与电阻器R7串联的电容器CFOL形成。该电容器CFOL仅允许通过非反相输入接收的电压的AC数据信号分量反馈回反相输入，且阻 隔电压的DC分量。因此，通过利用反馈环中的单位增益，通过AC电压跟随 器的负反馈，提供至非反相输入的电压的AC数据信号分量从运算放大器80 的输出信号中被有效地移除。
通过从运算放大器的输出中移除AC信号分量，该输出表示了输出端子处 的DC电压分量与参考电压之间的电压差。作为结果，由DC电压分量控制了 驱动电路78，且驱动电路78没有受到AC信号分量的影响。
R4/R3和R5/R7的比值设置了AC电压跟随器的幅值。如果，R4/R3＝ R5/R7，则对于其中(R5+R7)>>ZCF0LL的所有频率实现单位增益，其中ZCFOLL是给定频率处CFOL的阻抗。
接着描述图10中所示的限压设备24限制传输至支线电路14的最大DC 电压分量28的操作。假设运算放大器80是理想放大器，则限压设备24将调 节(限制)的DC电压是：
VDCmax-output＝(VREF/R4)＊(R3+R4)
在所示实施例中，VREF、R3、和R4的值被选择为将最大DC电压输出限 制为24伏特。
当输入电压小于24伏特时，且假设M1是理想MOSFET，
VDC-output＝VDC-input
当输入电压的DC分量小于或等于预定最大DC电压时，电压调节设备以 被动模式操作。当处于被动模式时该电压调节设备仅仅将输入端子处的DC电 压分量传递至输出端子。当输入电压中的DC电压分量超过最大DC电压时， 电压调节设备以主动模式操作，将传递至输出端子的DC电压限制为最大DC 电压。
图11是类似于图8中所示的图的限压设备24的电路框图。在这个实施例 中，然而，可变阻抗设备72还在输入端子52和输出端子54之间传输AC数据 信号。
图12示出实现图11所示电路拓扑的限压设备24。图12中所示的设备类 似于图10中所示设备，但不包括MOSFET M1两端的电容器。在这个实施例 中，然而，MOSFET M1主动将AC信号从输入端子52调制至输出端子54。 MOSFET Ml在合适的AC频率范围内是动态的，能消除电容器C以减少组件 数量。图12中所示的电路的频率响应必须使得电路可实时跟随并调制AC信号， 一般要求更高成本的组件。
图13是利用不同的线性功率调节器拓扑的限压设备24的电路框图。电压 调节设备56被形成为固定电阻82和电流吸收器84。电阻82与输入端子52和 输出端子54串联，其中电流吸收器84连接在电阻82的输出侧和地之间。驱 动设备78调节流过电流吸收器84的电流来调节电阻82两端的电压降。电容 器C携载电阻82两端的AC数据信号。
图14示出实现图13所示电路拓扑的限压设备24。将仅讨论图10中所示 实施例和图14中所示实施例之间的电路差异。
串联电阻82形成为串联连接在输入端子52和输出端子54之间的电阻器 R，其中电容器C在电阻器R两端并联地延伸。M2的源极端子连接至地，且 M2漏极端子直接连接至电阻器R的输出侧。MOSFET M2形成驱动设备78和 电流吸收器84两者。运算放大器80的输出连接至M2栅极端子。
接着描述图14中所示的限压设备24限制传输至支线电路14的最大DC 电压分量28的操作。监测设备74的操作与之前为图10中所示设备26描述的 相同。
当输入电压的DC分量大于24伏特，且假设流过R3的电流是可忽略的， 则DC电流分流至地F-以将期望的最大DC输出电压维持为：
IM2＝(VDC-input-24V)/R-IDC-output
因此，R的值需要为以使得：
R＞(VDC-input-24V)/IDC-output
使得分流至地的电流有效地为零的R的最佳值是：
R＝(VDC-input-24V)/IDC-output
当设备耦合器上的电流负载为静态时，在其他实施例中，固定电阻器R可 被设置为分压计(“固定电阻”意味着在限压设备调节电压的操作期间，电阻 器R的电阻基本是恒定的电阻)。将电阻器R形成为分压计(具有手动可变电 阻的电阻器)将允许用于来改变电阻器R的固定电阻并为特定应用“调谐”该 设备以使得在将电流分流至地方面耗散的功率最小化。
图15是利用开关模式电压调节器拓扑的限压设备24的电路框图。使用部 署于输入端子52和输出端子56之间的开关电压调节器86来完成电压调节。 在所示实施例中，电容器C在电压调节器86两端传递DC数据信号。
图16示出实现图15所示电路拓扑的限压设备24。所示设备24利用降压 调节器拓扑来调节输入端子52处的DC电压分量。MOSFET Ml用作开关并与 电感器L串联连接在输入端子52和输出端子54之间。续流二极管(catch diode) D连接在MOSFET Ml和电感器L之间。如前所述，驱动设备78响应于监测设 备74来控制MOSFET Ml的开关操作。
限压设备的实施例可包括双工电路、电路模块、或组件来提供冗余。冗余 可以是备用冗余的形式，其中一个元件或模块是空闲的，除非另一个元件或模 块故障。负载共享是优选的冗余模式，因为负载共享减少了在所共享的电路上 的压力、增加了设备的总体寿命。
所图示的实施例在形成AC电压跟随器时利用电容器CFOL来将AC电压从 电压监测设备的输出中减去。在其他实施例中，可使用带通滤波器或其他滤波 器电路来移除AC电压分量。
如果相比参考电压，AC电压分量没有完全从电压中移除，则在电压监测 设备的输出电压中可存在一些“波纹”。波纹可被保持在最小幅值之下，以使 得该输出有效地是DC输出。在其他实施例中，驱动电路可补偿AC波纹，或 电压调节设备的开关操作模式的电压阈值被设置为补偿AC电压分量。
在设备耦合器或结合了限压设备的其他组成部件的又一些实施例中，限压 设备可包括在设备故障情况下的冗余设备或组件。
如果网络应用不要求限流，控制网络的又一些实施例可包括没有与限流设 备26串联的一个或多个限压设备24。
尽管本公开公开且描述了一个或多个实施例，要理解的是本公开能够修改 且本公开不限于上述的精细细节，而是包括落在随附权利要求的范围内的这样 的修改和变化。