专利名称：具有基于微机电系统的切换的可编程逻辑控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及可编程逻辑控制器，更具体涉及使用基于微机电系 统的切换装置来提供数字输入和输出接口的可编程逻辑控制器。
背景技术：
可编程逻辑控制器("PLC")被广泛用于自动化和控制。这些包 括工业自动化，工厂自动化，建筑物自动化之类。PLC通常由用户用控 制程序编程来实现他们期望的功能性。控制程序将以编程语言来编写， 诸如梯形逻辑例如，以便执行期望的控制。例如，PLC可以监测输入状 况，诸如电动机速度，温度，压力，容积流量之类。控制程序存储在PLC 中的存储器中，来指令PLC在遇到某些输入信号或者条件时应当采取的 动作。
PLC通常并不与它们所控制的设备直接连接。使用接口模块，或者 输入/输出模块("I/0模块")来提供必要的连接，并将信号适应成对 于设备和PLC都可用的形式。1/0模块进一步保护PLC免受异常电故障， 诸如短路状况。1/0模块通常被安装在位于PLC中的底板板上相应插槽 中。这些插槽由主总线耦接在一起，该主总线将任何1/0模块耦接到中 央处理单元("CPU")上。
通常被用于将PLC与更高电功率应用接口的两种类型的装置是机电 继电器和固态器件。这些装置允许作为使用5V DC电路工作的数字逻辑 器件的PLC，控制工作在更高电压和电流，例如24V dc或者120V ac, 的器件。
继电器是一种使用电磁体工作的机电开关。为了接通/断开电系统 中的电流，可以使用一组接触。这些接触可以或者处于开路位置，导致 电流流动的停止，或者处于闭合位置来允许电流流动。继电器中的线图 被激励(energize),产生作用于衔铁的磁场。该衔铁被机械地连接到 接触，导致接触在线圏产生的磁场下移动。该移动或者形成或者断开由 接触建立的电连接。继电器提供的优点是高度可靠以及可以容易获得多 样的变化。从而正确的继电器可以容易地与应用匹配。然而，这些机电开关倾向于操作緩慢，并且还需要对于特定的功率等级而被设计或者选 择。由于继电器仅在一种功率等级下工作，设备的可扩缩性受到限制。 此外，继电器不为它们自身或者它们驱动的电路提供保护。
作为对緩慢的机电开关的一种替代，快速固态开关，诸如双极结晶
体管，或者例如金属氧化物半导体场效应晶体管("M0SFET")，已经 被用于低功率等级的直流应用。这些固态开关通过受控地施加电压或者 偏置，在导电状态和不导电状态之间切换。例如，通过反向偏置一固态 开关，该开关可以被转变到不导电状态。然而，由于固态开关在它们被 切换到不导电状态在接触之间不建立物理间隙，它们经受泄露电流。由 于没有物理间隙，固态开关提供的电保护是有限的。此外，类似于继电 器，固态开关是为特定的电功率等级而确定大小的，因此具有有限的可 扩缩性。
尽管现有的1/0模块技术对于其预期的目的是足够的，本领域中存 在一种对于克服这些缺点的，具有提供可扩缩性和电故障保护的1/0模 块的PLC的需求。
发明内容
提供一种包括中央处理单元的可编程逻辑控制器。数字输入/输出 接口可操作地耦接到所述中央处理单元。所述数字输入/输出接口具有
至少一个输入端和至少一个输出端。微机电系统("MEMS")开关连接 到所述至少一个输入端中的每个和所述至少一个输出端中的每个，从而 定义输入MEMS开关和输出MEMS开关。每个MEMS开关具有源极连接， 漏极连接和栅极连接。
还提供一种可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块，其包括可编 程逻辑控制器接口。至少一个接口端电耦接到所述控制器接口。至少一 个MEMS开关连接到所迷接口端，其中MEMS开关具有源极连接，漏极连 接和栅极连接。栅极驱动器耦接到所述MEMS开关中的每个，并且一电 路与所述栅极驱动器开关电连接，便于所述MEMS开关的打开。
还提供一种包括中央处理单元的可编程逻辑控制器。接口模块电耦 接到所迷中央处理单元。接口模块还包括至少一个具有源极连接，漏极 连接和栅极连接的第一 MEMS开关。栅极驱动器可操作地耦接到第一 MEMS开关，并被电耦接以便从中央处理单元接收第一逻辑信号。
当参考附图阅读下列详细描迷，将更好的理解本发明的这些和其它 特征，方面，和优点，在所有附图中相似的附图标记表示相似的部分，
其中
图1是根据示例实施例的示例PLC的框图，其具有的1/0模块具有
基于MEMS的切换系统；
图2是根据示例实施例的示例的基于MEMS的切换系统的框图3是示出图2中所示的示例MEMS开关的示意图4是根据图1中所示的示例实施例的示例的基于MEMS的切换系
统输入接口模块的示意图5是示出图3中所示的示例的基于MEMS的切换系统输出接口模
块的示意图6是根据示例实施例的示例的基于MEMS的切换系统的框图7是根椐示例实施例的示例的基于MEMS的切换系统输出接口模
块以及对图5中所示的系统的替代的示意图8是根据示例实施例的具有电故障保护的基于MEMS的切换系统
的框图9是根据示例实施例的，具有串行和并行布置的基于MEMS的切 换系统阵列的PLC的框图。
具体实施例方式
一个示例实施例提供一种可编程逻辑控制器("PLC")，其具有 带有电保护的可扩展(scalable)接口，适合于提供对外部设备的数字 控制。输入/输出接口模块("I/0模块")包括微机电系统(MEMS)开 关。使用MEMS开关提供快速的响应时间并且还提供PLC的数字逻辑电 路与较高功率外部电路之间的接口。与MEMS开关并联连接的混合式无 电弧限制技术(Hybrid Arcless Limiting Technology, HALT)电路为 MEMS开关提供，在任何给定时间与电流或者电压无关地被没有电弧地打 开的能力。替代的，与MEMS开关并联连接的脉冲辅助接通 (Pulse-Assisted Turn On)(未示出)电路为MEMS开关提供，在任 何给定时间被没有电弧地闭合的能力。
图1示出示例PLC 20的框图，其具有的I/0模块24, 26包括基于 MEMS的切换系统28,基于MEMS的切换系统28具有由"MEMS开关1","MEMS开关2"到"MEMS开关n"指定的多个MEMS开关。连接到输入 模块24的MEMS开关这里被称为输入MEMS开关，类似地，连接到输出 模块26的MEMS开关这里被称为输出MEMS开关。PLC 20包括中央处理 单元("CPU" ) 22,被布置为从输入模块24接收信号。输入模块22 从外部设备，例如电动机控制器或者温度传感器接收指示状况的信号。 PLC 20中的电路通常是低电压的，例如5V DC, MEMS开关28将外部信 号转换成连接到CPU 22的逻辑电路可用的形式。输出模块26被布置为 从CPU 22接收信号。输出模块26中的MEMS开关28将信号转换成外部 设备可用的形式并将该信号发送到外部设备。如这里将更详细描述的， 1/0模块提供外部设备和连接到CPU 22的逻辑电路之间的隔离屏障。应 当理解，尽管这里为了清楚将输入模块24和输出模块26描述为两个分 开的组件，I/O才莫块可以;故组合成单个组件，该单个组件可以净皮配置成 或者作为输入模块，或者作为输出模块，或者作为两者的组合工作。
CPU 22通常是包括微处理器，随机访问存储器("RAM")和只读 存储器("ROM")的专用集成电路("ASIC" ) 。 ROM包含PLC 20的 操作系统，并且可以或者是EPROM或者是Flash EPROM，这取决于PLC 的类型。RAM用于操作系统数据存储以及存储操作员已经编译成可执行 代码的控制程序。CPU 22可以进一步具有数字逻辑电路中的附加组件， 诸如通用异步收发器，调节电路，高速计数器，看门狗电路和总线接口。
图2示出示例的无电弧的基于微机电系统开关(MEMS)的切换系统 28。目前，MEMS—般指例如可以通过微制造技术在公共衬底上集成多样 性的功能上截然不同的元件的微米尺度的结构，这些元件例如机械元 件，机电元件，传感器，致动器，以及电子装置。然而，预期目前在MEMS 器件中可用的很多技术和结构，将就在几年内变得可以通过基于纳米技 术的器件可用，例如，尺寸上可以小于IOO納米的结构。因此，尽管本 文献通篇描述的示例实施例会指称基于MEMS的切换装置，认为这些实 施例应当被宽泛地解释，并且不应被限于微米大小的器件。
如图2中所示，无电弧的基于MEMS的切换系统28被示出为包括基 于MEMS的切换电路30和电弧抑制电路32，其中电弧抑制电路32，或 者称为混合式无电孤限制技术(HALT)装置，可操作地耦接到基于MEMS 的切换电路30。在一些实施例中，基于MEMS的切换电路30例如可以其 整体与电弧抑制电路32—起集成在单个封装34中。在其它实施例中，仅基于MEMS的切换电路30的一些部分或者组件可以与电弧抑制电路32 集成。
在一种当前预期的配置中，如将参考图3更详细描述的，基于MEMS 的切换电路30可以包括一个或多个MEMS开关。此外，电弧抑制电路32 可以包括平衡二极管桥和脉冲电路。此外，电弧抑制电路32可以被配
收电能的转移:;;一个或多个MEMS开关的接触之间的电弧形成。'需 要指出，电弧抑制电路32可以被配置为有利于抑制响应于交流电流(AC ) 或者直流电流(DC)的电弧形成。
基于MEMS的切换电路30可以包括如图3中所示的MEMS开关36。 在该示例的实施例中，MEMS开关36被示出为具有第一连接38，第二连 接40和第三连接42。在一个实施例中，第一连接38可以被配置为漏极， 第二连接40可以被配置为源极，第三连接"可以被配置为栅极。栅极 连接42连接到栅极驱动器44。栅极驱动器44包括电源输入(未示出) 和控制逻辑输入46,控制逻辑输入46被连接以便从CPU 22接收信号， 并提供用于改变MEMS开关36的状态的装置。应当理解，尽管MEMS开 关36被示出为单个开关，可以并联，串联或者两者某种结合地组合两
个或者多个开关，来提供对于应用所需的必要的电压和电流容量。在该 示例实施例中，以才莫块化布置配置MEMS开关28，以便允许增加或者减 少MEMS开关来提供与期望的外部设备必要的接口。作为这里所使用的， MEMS切换系统28描绘了结合了 MEMS切换电路30的系统，MEMS切换电 路30接着描绘了结合了 MEMS开关36的电路。
电压緩沖(snubber)电路48可以与MEMS开关36并联地耦接，并 配置为在快速接触分离期间限制电压过冲，如下文将进一步详细描述 的。在一些实施例中，緩冲电路48可以包括与緩冲电阻器串联耦接的 緩沖电容器。緩沖电容器可以有利于MEMS开关36的打开定序中瞬态电 压共享的改进。此外，緩冲电阻器可以抑制在MEMS开关36的闭合操作 期间緩冲电容器产生的任何电流脉冲。在一些其它实施例中，电压緩冲 电路48可以包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。
根据本技术的其它方面，负栽电路50可以与MEMS开关36串联耦 接。该负载电路50还可以包括或者正被控制或者正发送信号给PLC 20 的外部设备54。此外，负载电路50可以包括电压源VBUS 52。负栽电路50还可以具有负栽电感LL。AD 56，其中负栽电感LL。AD 56表示负栽电路50 看到的合并的负载电感和总线电感。负载电路50还可以包括负栽电阻 Ruhd58,其表示负栽电路50看到的合并的负载电阻。附图标记"表示 会流过负栽电路50和MEMS开关36的负栽电路电
此外，如参照图2所提到的，电弧抑制电路32可以包括平衡二极 管桥。在所示例的实施例中，平衡二极管桥"被示出为具有第一分支 64和第二分支66。作为这里所使用的，术语"平衡二极管桥"用于表 示被配置为使得跨第一和第二分支64, 66两者的电压降基本相等的二 极管桥。平衡二极管桥62的第一分支64可以包括耦接在一起形成第一 串联电路的第一二极管D1 68和第二二极管D2 70。以类似的方式，平 衡二极管桥62的第二分支66可以包括操作地耦接在一起形成第二串联 电路的第三二极管D3 72和第四二极管04
在一个实施例中，MEMS开关36可以被跨平衡二极管桥62的中点并 联地耦接。平衡二极管桥的中点可以包括位于第一和第二二极管68, 70 之间的第一中点，和位于第三和第四二极管72， 74之间的第二中点。 此外，MEMS开关36和平衡二极管桥62可以被紧密地封装，以有利于将 平衡二极管桥62,具体而言到MEMS开关36的连接引起的寄生电感最小 化。需要指出，根据本技术的各示例方面，MEMS开关36和平衡二极管 桥62被相对彼此放置为，使得MEMS开关36和平衡二极管桥62之间的 固有电感，在MEMS开关36关断期间执行将负载电流转移到二极管桥62 时，产生少于跨MEMS开关36的漏极38和源极40上的电压的几个百分 点的di/dt电压，这将在下文更详细描述。在一个实施例中，MEMS开关 36可以被与平衡二极管桥62集成在单个封装中，或者可选的，同一管 芯中，目的是将互联MEMS开关36和二极管桥62的电感最小化。
此外，电孤抑制电路32可以包括操作关联地与平衡二极管桥62耦 接的脉冲电路76。脉冲电路76可以被配置为检测切换条件并响应于该 切换条件而启动MEMS开关36的打开。作为这里所使用的，术语"切换 条件"指的是触发变化MEMS开关36的当前操作状态的条件。例如，切 换条件可以引起将MEMS开关36的第一闭合状态变化为第二打开状态， 或者将MEMS开关36的第一打开状态变化为第二闭合状态。切换条件可 以响应于多个动作发生，包括但不限于电路故障或者来自CPU 22的导 通/断开请求。脉沖电路76可以包括脉沖开关78和串联地耦接到脉冲开关78的 脉冲电容器C,B 80。此外，脉冲电路76还可以包^r脉沖电感L肌sE 82 和与脉沖开关78串联耦接的第一二极管Dp 84。脉沖电感L,B 82， 二 极管Dp 84，脉沖开关78和脉冲电容器CmSB 80可以被串联耦接来形成 脉冲电路76的第一分支，其中该第一分支的各部件可以被配置为有利 于脉沖电流整形和定时。另外，附图标记86表示会流过脉冲电路76的
脉冲电路电流I PULSEo
根据示例实施例的各个方面，MEMS幵关36即使在接近零的电压下 也在携带电流的同时从第一闭合状态变化到第二打开状态。这可以通过 负栽电路50,和包括并联地跨MEMS开关36的接触耦接的平衡二极管桥 62的脉沖电路76的组合的操作实现。
参考图4，示出示例实施例输入模块24。输入模块24包括与如上 所述的负载电路50, 二极管电路62和脉冲电路76串联耦接的MEMS开 关36。输入模块从负栽电路50接受信号并转换该负栽信号供PLC20的 数字逻辑电路使用。在该实施例中，电压感测电路90耦接到MEMS开关 36的源极40和漏极38端子。适当的电压传感器测量跨MEMS开关36的 电压。附图标记92表示会流过负栽电路50的电压势V,。电压势92表 示外部设备54,例如诸如温度传感器或者负栽单元产生的信号。电压传 感器90耦接到例如通过PLC 20底板将输入;^莫块24连接到CPU 22的端 子块96。端子块96具有多个端子，每个端子适合于连接到单独的MEMS 开关电路28。
电压传感器可以是任何适当的电压测量电路，诸如例如可以测量将 经历在MEMS开关36上的预期的电压范围的高电阻电流表。电压电路90 生成适合于CPU 22的数字逻辑电路的电压信号VDltmi_。附图标记94表 示发送到CPU 22的电压信号Vw。在该示例实施例中，电压信号94 与负栽电压92成比例，并且具有从-5V DC到+ 5V DC的范围。如上面 所讨论的，CPU 22响应于电压信号94，并基于该信号指示的状况执行 指令，并响应地生成输出数据信号。
现在转到图5，将描迷示例实施例输出模块26。响应于输入信号94， CPU22执行控制指令来提供在感测到或者测量到输入状况的情况下系统 操作员期望的输出响应，例如接通电动机。输出信号由附图标记100表 示。输出信号100从CPU22发送到输出模块26中的端子块98。输出模块例如经由底板耦接到PLC 20。
输出模块26包括基于MEMS的切换系统28,切换系统28具有耦接 到二极管桥62以及脉冲电路76的MEMS开关36，如上面参考图3所讨 论的。在该示例实施例中，MEMS开关36与外部设备102串联地耦接， 并且被布置为向外部设备102连接和断开电功率。应当理解输出模块26 可以在很多不同应用中与不同类型的外部设备一起使用，并且从外部设 备连接和断开电功率的功能性是示例的目的而并不意图是限制性的。
输出信号100由CPU 22通过端子块98发送，并由栅极驱动器控制 逻辑输入46接收。取决于输出信号100的本性，栅极驱动器44或者激 励或者去激励栅极连接42,分别使得MEMS开关36被闭合或者打开。在 MEMS开关36闭合的情况下，电功率可以从电压源104流到外部设备102。 在MEMS开关36打开的情况下，到外部设备102的电功率流被中断。如 上面所讨论的，MEMS开关可以具有电弧抑制电路32，该电弧抑制电路 32集成在电路中来保护基于MEMS的切换系统28以及PLC 20免受不期 望的、可能损坏基于MEMS的切换系统28或者CPU 22的数字逻辑电路 的电状况。
应当指出，尽管输入模块24和输出模块26已经被描述为耦接到PLC 20的分立部件，这样做例如是为了示例目的并帮助描述模块24， 26。 输入/输出模块24， 26也可以被结合到例如通过底板耦接到PLC 20的 单个部件中。另外，个体的基于MEMS的切换系统28可以被配置为提供 输入和输出接口功能性，从而可以或者在制造过程后期，或者在应用所 位于的现场中改变配置。从输入接口到输出接口的转变可以或者通过硬 件，例如双列直插开关(dip switch),或者通过在CPU 22上执行的 控制代码来实现。相比于现有的要求替换专用硬件来实现重新配置的 1/0模块，重新配置基于MEMS的切换系统28的能力提供了成本和安装 时间上的优点。
现在参考图6,其示出根据示例实施例的各方面，用于输出模块26 的示例软切换系统106的框图。如图6中所示的，软切换系统106包括 操作地耦接在一起的切换电路30，检测电路108,以及控制电路IIO。 检测电路108可以耦接到切换电路30,并且配置为检测连接到外部设备 的负载电路中的交流源电压(下文称为"源电压)，或者负栽电路中的 交流电流(下文称为"负载电路电流")中的过零的发生。控制电路IIO可以耦接到切换电路30和检测电路108，并且可以配置为有利于切换电 路30中的一个或者多个开关响应于检测到的交流源电压或者交流负栽 电路电流的过零的、无电弧的切换。在一个实施例中，控制电路110可 以被配置为有利于包括切换电路30的至少一部分的一个或者多个MEMS 开关的无电弧切换。
根据示例实施例的一个方面，软切换系统106可以被配置为执行软 或者波形上的点(PoW)切换，从而切换电路30中的一个或者多个MEMS 开关，可以在跨切换电路30的电压为零或者非常接近零时被闭合，并 且在通过切换系统30的电流为零或者接近零时被打开。通过在跨切换 电路30的电压为零或者非常接近零时闭合开关，可以通过在该一个或 多个MEMS开关闭合时它们的接触之间的电场保持在低，而避免预撞击 触发(pre-strike)弧化，即使多个开关不都在同 一时间闭合。类似地， 通过在通过切换系统30的电流为零或者接近零时打开开关，软切换系 统106可以被设计为使得切换电路30中要打开的最后的开关中电流落 在开关的设计容量之内。如上面提到的并且根据一个实施例，控制电路 110可以被配置为将切换电路30的一个或多个MEMS开关的打开和闭合 与交流源电压或者交流负载电路电流的过零的发生同步。
尽管为了描述的目的，图3,图4和图5示出MEMS开关36为单个 开关，然而，MEMS开关36可以冲艮据例如软切换系统106的电流和电压 处理要求，包括一个或多个MEMS开关。在一个实施例中，切换电路30 还可以包括切换模块，该切换模块包括以并联配置耦接在一起的多个 MEMS开关，以在这些MEMS开关之间分电流。在另一个实施例中，切换 电路30的一个或者多个MEMS开关可以被集成到单个封装中。
转到图7,示出图6的软切换系统106的一个实施例的示意图112。 根据该示例的实施例，示意图112包括切换电路30，；险测电路108和控 制电路110的一个示例。为了进一步描述的目的，将关于上面参照图3 讨论的MEMS开关描述每个MEMS开关36。在一个实施例中，控制电路 108可以通过控制逻辑输入46耦接到栅极驱动器44 ，以有利于切换MEMS 开关36的电流状态。
此外，MEMS开关36可以与负栽电路50串联地耦接，如图7中所进 一步示出的。在一种当前预期的配置中，连接到外部地控制的设备54 的负载电路50还可以包括电压源VS。URCE 52，并且可以有代表性的负栽电感LL。A[) 56和负栽电阻RL。AD 58。在一个实施例中，电压源V咖w 52 (也 称为AC电压源)可以配置为产生交流电源电压和交流负栽电流Iu)m)60。
如前面提到的，检测电路108可以被配置为检测负栽电路50中交 流源电压或者交流负载电流Iuud 60过零的发生。交流源电压可以通过 电压感测电路114感测，交流负栽电流60可以通过电流感测电路 116感测。交流源电压和交流负栽电流可以例如4皮持续地感测或者在离 散的时段上感测。
源电压的过零例如可以通过例如使用比较器，诸如示例的零电压比 较器118来检测。电压感测电路114感测的电压以及零电压基准120可 以被用作对零电压比较器U6的输入。接着，可以生成表示负栽电路50 的源电压的过零的输出信号122。类似地，负栽电流Il。ad60的过零也可 以通过使用比较器，诸如示例的零电流比较器124来检测。电流感测电 路116感测的电流以及零电流基准126可以被用作对零电流比较器124 的输入。接着，可以生成表示负载电流Iwd 60的过零的输出信号128。
控制电路110接着可以利用输出信号122和128来确定何时改变(例 如，闭合或者打开)MEMS开关36的当前操作状态。更具体的，控制电 路110可以被配置为有利于响应于检测到的交流负栽电流I, 60的过 零，打开MEMS开关36来中断或者打开负栽电路50。此外，控制电路 110可以被配置为有利于响应于检测到的交流源电压的过零，闭合MEMS 开关36来使负载电路50完整。
在一个实施例中，控制电路110可以至少部分基于从CPU 22发送 的使能(Enable)信号130确定是否将MEMS开关36的当前操作状态切 换到笫二操作状态。使能信号130例如可以作为断开电源命令的结果而 生成。在一个实施例中，使能信号130和输出信号122和128可以用作 对双D触发器132的输入信号，如图所示。这些信号可以被用于在使能 信号130被激活之后(例如，上升沿触发的)，在第一源电压零点闭合 MEMS开关36,并且在使能信号130被去激活之后(例如，下降沿触发 的)，在第一负栽电流零点打开MEMS开关136。关于所示例的图7的示 意图112，每次使能信号130激活(或者高或着低，取决于特定的实施)， 并且或者输出信号122或者128指示感测的电压或者电流零点，会生成 触发信号134。在一个实施例中，出发信号134可以例如经NOR门136 产生。触发信号134接着可以被通过驱动器138传送，以生成栅极激活信号140,该栅极激活信号140可以被用于施加控制电压到MEMS开关 36中的栅极驱动器44的控制逻辑输入46。
如之前提到的，为了实现对于特定应用的期望的额定电压，MEMS开 关36可以操作地与其它MEMS开关串联耦接。每个单独的MEMS开关36 具有称为闪络(hold-off )电压的电特性。在该电压处MEMS开关在MEMS 开关中存在的静电力的影响下或者从打开到闭合，或者从闭合到打开改 变状态。典型的MEMS开关具有大约100V的闪络电压 然而，在一些应 用中，期望以更高的电压，诸如400V操作。由于MEMS开关36是串联 地布置的，该对的闪络电压等于每个单独的MEMS开关的闪络电压的和。 如果开关具有相同的闪络电压，例如100V，两个MEMS开关36的闪络电 压将是2X,或者例如200V。
应当理解，MEMS开关36可以包括与其并联布置的额外的MEMS开关， 以便提供额外的承栽电流的容量。这些MEMS开关组合的容量可以被设 计为增加闪络电压，并且适当地承载负栽电路可能经历的连续的和瞬态 的过载电流水平。例如，在具有6X的瞬态过载的10-amps RMS电动机 接触器下，应当有足够的并联耦接的开关来承栽60 amps RMS 10秒钟。 使用波形上的点切换来在达到电流零点的5微秒范围内切换MEMS开关， 将会有160毫安瞬时，在接触打开时流动。因而，对于该应用，每个MEMS 开关应当能够"暖切换(warm-switching) "160毫安，并且它们中的足 够多应当被并联放置以承载60amps。另一方面，单个MEMS开关应当能 够中断将在切换的时刻流动的电流的量或者电流水平。
然而，示例实施例不限于交流电流和/或正弦波形的无电弧切换。 如图8所描绘的，示例实施例也适用于直流电流和/或没有自然发生的 零点的电流的无电弧切换。
图8示出根据示例实施例的示例的基于MEMS的切换系统142的框 图。如图8中所示的，无电弧的基于MEMS的切换系统142被示出为包 括基于MEMS的切换电路144和电弧抑制电路146,其中电弧抑制电路 146,诸如HALT和PATO电路，操作地耦接到基于MEMS的切换电路144。 在一些实施例中，基于MEMS的切换电路144例如可以其整体与电弧抑 制电路146—起集成在单个封装148中。在其它实施例中，仅基于MEMS 的切换电路144的一些部分或者部件可以与电弧抑制电路146集成。
基于MEMS的切换电路144可以包括一个或多个MEMS开关。此外，电弧抑制电路146可以包括平衡二极管桥和脉冲电路和/或脉冲电路系 统。此外，电弧抑制电路146可以被配置为有利于抑制通过响应于MEMS 开关从闭合到打开(或者从打开到闭合)改变状态，从MEMS开关接收 电能的转移而在一个或多个MEMS开关的接触之间的电弧形成。需要指 出，电弧抑制电路146可以被配置为有利于抑制响应于交流电流(AC) 或者直流电流(DC)的电弧形成。
然而，示例实施例不限于包括单个MEMS开关的I/O模块。例如， 可以用多个MEMS开关来实现与单个MEMS开关对相比不同的额定电压或 者不同的电流处理能力。例如，如上面所讨论的，多个MEMS开关可以 被并联连接来实现增加的电流处理能力。类似地，多个MEMS开关可以 被串联连接来实现更高的额定电压。此外，多个MEMS开关可以被连接 在包括串联和并联连接的组合的网络中来实现期望的额定电压和电流 处理能力。所有这样的组合预期是在示例实施例的范围之内。转到图9, 示例了具有多个MEMS开关的输出模块26的示例配置。
图9是具有根据示例实施例配置的输出模块26的PLC 20的框图。 如图9所示，两个基于MEMS的切换系统150， 152分别连接在端子块98 和负载电路154， 156之间。负载电路154， 156每个连接到系统操作员 期望控制的外部设备。第三基于MEMS的切换系统160被连接来测量外 部电路166上的信号。CPU 22响应于通过基于MEMS的切换系统160接 收的输入信号可以独立地操纵每个基于MEMS的切换系统150， 152。
如图9中所示，基于MEMS的切换系统150耦接到端子块98中的端 子1。基于MEMS的切换系统150以串联连接的MEMS开关158的阵列布 置，以便提供对于负载电路154需要的更高的电压耐受(standoff)性 能。基于MEMS的切换系统152连接到端子块98中的端子2。基于MEMS 的切换系统152示出以并联耦接的MEMS开关160的阵列，以便允许在 更高电流应用中使用。应当理解，PLC可以具有位于输出模块26上的多 个基于MEMS的切换系统150, 152，每个连接到端子块98上的端子。这 些相应的基于MEMS的切换系统中的每个系统可以由CPU 22独立地控制， 如这里所描述的。
第三基于MEMS的切换系统160被布置为从外部电路166接收信号。 MEMS开关164接收作为由电压传感器168测量的电压的信号，如这里已 经描述过的。电压传感器168连接到端子块98中的端子"n-l"，其允许将数字信号从基于MEMS的切换系统160传送到CPU 22。应当理解， 第三基于MEMS的切换系统160可以包括以如上所述的类似方式串联或 者并联布置的多个MEMS开关164。
因此，如这里所描述的PLC 20可以包括与电流路径整体地布置的 控制电路，设置在电流路径中的至少 一个MEMS开关，与该至少 一个MEMS 开关并联连接的HALT电路，有利于该至少一个MEMS开关的无电孤打开， 以及与该至少一个MEMS开关对并联连接的PATO电路，有利于该至少一 个MEMS开关的无电弧闭合。
另外，示例实施例提供控制经过电流路径的电流的方法。例如，该 方法可以包括从至少一个MEMS开关到与该至少一个MEMS开关并联连接 的HALT电路转移电能，以便于打开该电流路径。该方法还可以包括从 该至少一个MEMS开关到与该至少一个MEMS开关并联连接的PATO电路 转移电能，以便于闭合该电流路径。因此，示例实施例还可以提供无电 弧的电流控制设备，以及无电弧电流控制的方法。
此外，尽管这里包含的示例实施例讨论了将MEMS开关与例如诸如 HALT或者PATO电路的电弧抑制电路的组合，存在不需要这种保护的应 用。例如在其中PLC 20被用于监测和控制数字设备，意味着在-5V DC 到+ 5V DC逻辑电路上工作的设备，的应用中可能不需要这种保护电路。 因此，对于这些应用，可以去除电弧抑制电路来缩减成本和减少1/0模 块的尺寸。
本撰写的说明书使用包括最佳模式的示例来揭示本发明，并且还使 得任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何设备或系 统并执行任何包含的方法。本发明可专利的范围由权利要求所限定，并 且可以包括对本领域技术人员发生的其它例子。这种其它例子如果具有 并非不同于这些权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与 这些权利要求的字面语言只有非实质的不同的等价结构要素，那么预期 它们是落入这些权利要求的范围。此外，术语第一，第二，等的使用， 并不指任何次序或者重要性，而是，术语第一，第二，等被用于将一个 要素与另一个区分。此外，术语一， 一个等的使用并不指数量的限制，
而是指存在至少一个引用的项目。元件列表
20 可编程逻辑控制器(PLC)
22 中央处理单元
24 1/0输入模块
26 1/0输出模块
28 基于MEMS的切换系统
30 基于MEMS的切换电路
32 电弧抑制电路
34单个封装
36 MEMS开关
38 第一连接(漏极)
40第二连接(源极)
42 第三连接(栅极)
44 栅纟及驱动器
46 控制逻辑输入
48 电压緩沖电路
50 负栽电路
52 电压源
54 外部设备
56 负栽电感
58 负栽电阻
60 负载电路电流
62 平衡二极管桥
64 第一分支
66 第二分支
68 笫一二极管
7 0 第二二极管
72 第三二极管
74 第四二极管
76 脉冲电路
78 脉冲开关
80 脉冲电容器82 脉冲电感
84 第一二极管
86 脉沖电路电 流
90 电压感测电路
92 电压势
94 电压信号
96 端子块
100输出信号
102外部设备
104电压源
106软切换系统
108检测电路
no控制电路
112示意图
114电压感测电路
116电流感测感测电路
118零电压比较器
120零电压基准
122输出信号
124零电流比较器
126零电流基准
128输出信号
130使能信号
132双D触发器
134触发信号
136 MEMS开关
138驱动器
140栅极激活信号
142基于MEMS的切换系统
144基于MEMS的切换电路
146电弧抑制电路
148单个封装150基于MEMS的切换系统
152基于MEMS的切换系统
154负栽电路
156负栽电路
158 MEMS开关的阵列
160第三基于MEMS的切换系统
164 MEMS开关
166外部电路。
权利要求
1. 一种可编程逻辑控制器，包括中央处理单元(22)；数字输入/输出接口(24)，可操作地耦接到所述中央处理单元(22)，所述数字输入/输出接口(24)具有至少一个输入端和至少一个输出端；以及微机电系统(“MEMS”)开关(28)，连接到所述至少一个输入端中的每个和所述至少一个输出端中的每个，从而定义输入MEMS开关(28)和输出MEMS开关(28)，每个MEMS开关(28)具有源极连接(40)，漏极连接(38)和栅极连接(42)。
2. 如权利要求l所述的可编程逻辑控制器，其中每个MEMS开关(28) 还包括耦接到其相应的栅极连接(42)的栅极驱动器(44)。
3. 如权利要求2所述的可编程逻辑控制器，其中所述输出MEMS开 关(28)的所述栅极驱动器(44)耦接到电学地有利于所述输出MEMS 开关(28)的打开的驱动器电路(30)。
4. 如权利要求3所述的可编程逻辑控制器，其中所述输入MEMS开 关(28)中的每个耦接到用于感测跨所述开关(28)的电压的感测电路(U4)。
5. —种可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块，包括 可编程逻辑控制器接口 (24); 电耦接到所述控制器接口的至少一个接口端；连接到所述接口端的至少一个MEMS开关(28 ),所述MEMS开关(28 ) 具有源极连接(40),漏极连接(38)和栅极连接(42);耦接到所述MEMS开关(28)中的每个的栅极驱动器(44);以及 电路UO),与所述栅极驱动器(42)开关电连接，有利于所述MEMS 开关(28)的打开。
6. 如权利要求5所述的可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块， 其中所述栅极驱动器(44)电耦接到所述控制器接口。
7. 如权利要求6所述的可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块， 其中所述MEMS开关(28)是具有多个MEMS开关(158)的阵列。
8. 如权利要求6所述的可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块，其中所述电路是HALT电路(32)。
9. 如权利要求8所述的可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块， 其中所述HALT电路(32)被配置为响应于MEMS开关(28)从闭合到打 开改变状态，从MEMS开关(28)接收电能的转移。
10. 如权利要求6所述的可编程逻辑控制器的输入/输出接口模块， 还包括电耦接到所述MEMS开关(28)的感测电路(90)，所述感测电 路(90)被布置为测量所述MEMS开关(28)处于打开位置时所述MEMS 开关源极(40)连接和漏极(38)连接之间的电压。
全文摘要
本发明涉及一种具有基于微机电系统的切换的可编程逻辑控制器。公开一种可编程逻辑控制器。该可编程逻辑控制器包括连接到I/O模块(24)的至少一个微机电系统(MEMS)开关(36)。MEMS开关(36)连接到外部设备(54)来对外部设备(54)接收和发送信号。该可编程逻辑控制器还可以包括MEMS开关和用于测量跨MEMS开关的电压的电压感测传感器(90)。MEMS开关(36)被布置为发送或接收逻辑信号。
文档编号G05B19/05GK101436048SQ200810176200
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月14日
发明者B·C·库姆菲尔, C·小里弗斯, K·苏布拉马尼安, W·J·普雷梅里亚尼 申请人:通用电气公司