通知设备电路及通知系统的制作方法

专利名称：通知设备电路及通知系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及楼宇安全领域，尤其涉及一种适于在楼宇中使用的通知设备电路及通知系统。
背景技术：
一般的安防系统通常包括检测设备和通知设备。检测设备典型地例如是烟感、温感、气体传感器，或者一些其他类型的能够识别出楼宇或其他建筑物内潜在危险的检测设备(包括检测手动报警的设备等)。通知设备一般是指能够向人们发出声音通知或可见的视觉通知的设备，例如喇叭、闪光灯、视频设备等等。用到上述检测设备和通知设备的一种典型的系统就是火警系统。但是，目前随着技术的发展，通知设备还可以用在其他需要在紧急情况下向人们发出通知的系统中。
图1示出了一种典型的具有两个分支的通知设备连接方式。在图1中，简便起见， 通知设备(Notification appliance) 110仅仅示出为喇机的形状,但是本领域技术人员可以理解，本文中所述的通知设备还可以是其他具有听觉和/或视觉通知功能的设备，例如告警灯等等。在楼宇中通常会分布有多个通知设备，这些通知设备可以以相互并联的方式连接到通知设备电路(NAC Notification Appliance Circuit) 120。例如，在图1 中，NAC 120可连接两个通知设备的分支。一方面，在需要发出通知时，NAC 120经由其每个分支的正极性端口(NAC_P和NAC_PA)和负极性端口(NAC_N和NAC_NA)向各个通知设备110提供如箭头If所示的正向驱动电流，以发出通知，这一阶段也称作驱动阶段。另一方面，在不需要发出通知的时间段内，NAC 120还需要周期性地监测连接到通知设备的连接线路是否出现故障，以及提示故障信息使得工作人员及时修复故障，以确保在任何需要发出通知的时刻各个通知设备都能被正常驱动，这一阶段也被称之为监测阶段。在监测阶段，NAC 120的每个分支经由负极性端口(NAC_N和NAC_NA)向通知设备110提供如箭头Ib所示的与驱动电流方向相反的反向监测电流。对于这一反向监测电流，如果通知设备110的连接线路一切正常，则在各通知设备处会呈现高阻状态，监测电流会从连接在线路远端的末端电阻Rm 流回NAC 120的正极性端口(NAC_P和NAC_PA)，由此NAC120可检测到在正常范围内的监测电流。如果连接各通知设备的线路发生短路故障或者断路故障，则监测电流大小会超出正常范围。这样，就可通过检测反向监测电流的大小判断出当前通知设备的连接线路是否工作正常。
图1仅仅示出了一种通知设备的连接方式。根据实际需要，图1所示的两个分支也可简化为连接到任一组正/负极性端口的单个分支。图1这种连接方式(无论单分支还是双分支)为符合UL864标准的B类NAC ，即CLASS B NAC。
除了图1所示的B类NAC之外，UL864标准还规定了一种A类NAC (CLASS A NAC)。 与CLASS B不同，CLASS A NAC需要在通知设备的连接线路出现断路的情况下依然能够使得各个通知设备均被正常驱动，即实现线路的断路备份。图2示意性地示出了一种典型的 CLASS A NAC的连接方式。如图2所示，NAC 220采用一组端口 NAC_P/NAC_N作为主用端口，为通知设备110提供驱动和监测电流，同时利用另一组端口 NAC_PA/NAC_NA作为辅助端 口，用于线路的断路备份。如此的好处是，即使通知设备的连接线路出现断路(例如点X断 开)，被断开的通知设备还可以从辅助端口 NAC_PA和NAC_NA获得驱动电流(如图中箭头 Ip所示)。
图1和2所示的A类和B类NAC连接方式是实际中常用的连接方式，而且已经开 发出了多种支持这两种连接方式的NAC。一般而言，市售的NAC多是通过设置负电源来给 作为负载的通知设备110提供如图1所示的反向监测电流。2009年8月13日公开的文献 W02009/099663A1中公开了一种采用-12V电源来提供反向监测电流的方式。在这一方案 中，正向驱动电流由24V的正电源提供，而反向监测电流由-12V的电源提供。在监测过程 中，连接24V电源的一 MOS管的栅极置为低，例如将其置为电压为零的参考地GND，使该MOS 管截止，从而关断正向驱动电流。同时，以-12V为电源的监测电路部分开始工作，为各个通 知设备提供反向监测电流。在这个方案中，在监测阶段实际上存在参考地(GND，VeND = 0V) 和(-12V)两个低电位和一个24V的高电位。
另外，上述文献中公开的NAC在提供A类连接方式时，为了简化结构，其连接到辅 助端口 NAC_PA和NAC_NA的电路与连接到主用端口 NAC_P和NAC_N的电路结构不对等。比 如，在NAC_NA —端，从通知设备流回的电流需要经过至少一个二极管连接到地,而在NAC_N 一端，从通知设备流回的电流可直接连接到地。如此，二极管上的压降导致主用线路和辅助 线路上的板上NAC压降不一致。发明内容
本发明的一个目的在于提供一种适于驱动通知设备的驱动电路，该驱动电路能够 使得发生断路故障之后被主、辅端口驱动的各个通知设备的性能基本保持一致。
本发明的另一个目的在于使得所提供的驱动电路中驱动模块的监测电路部分在 监测阶段能够正常运转，而不会受到来自其驱动电路部分的电流的影响。
为了实现上述目的，本发明提出了 一种驱动电路。该驱动电路包括一第一驱动模 块和一第二驱动模块，每个驱动模块具有两个端口，所述四个端口可按照第一线路连接方 式(例如CLASS B)或第二线路连接方式(CLASS A)连接到负载；至少一个板上末端电阻； 至少一个配置电路，用于响应于一连接方式选择信号而导通或断开所述板上末端电阻之一 与所述驱动模块之一之间的电连接，以使得在所选为第一线路连接方式下仅将所述至少一 个板上末端电阻中之一电连接到所述第一驱动模块和所述第二驱动模块中用作辅助驱动 模块的驱动模块两个端口之间，而在所选为第一线路连接方式下断开该板上末端电阻与所 述驱动模块之间的电连接；其中，在驱动阶段，所述第一和第二驱动模块响应于通知控制信 号而为所述负载提供驱动电流；对于第一线路连接方式，在监测阶段，与所述板上末端电阻 连接的辅助驱动模块被禁用，而另一个用作主用驱动模块的驱动模块响应于一监测控制信 号而被启动以为所述负载提供与所述驱动电流方向相反的监测电流；且所述第一驱动模块 和第二驱动模块具有基本相同的电路结构。优选地，第一驱动模块和第二驱动模块具有相 同的驱动电流产生电路和驱动电流回馈电路。
由于本发明提出的驱动电路具有电路结构基本相同的两个驱动模块，主用和辅助 驱动电流在NAC板上回路中的压降基本相同，所以即使连接通知设备的线路出现断路故障，这两个基本相同的驱动模块可以共同为通知设备提供驱动电流，使通知设备的性能保 持基本相同。此外，这种NAC还可以方便地配置成类似于图1所示具有两个独立分支的B 类 NAC。
可选地，还可以为每个驱动模块配备一个板上末端电阻以及一个配置电路。如， 第一驱动模块配备有第一板上末端电阻和第一配置电路，第二驱动模块配备有第二板上末 端电阻和第二配置电路。如果连接方式选择信号指示为第二线路连接方式，例如CLASS A 连接，第一配置电路将第一板上末端电阻耦合到第一驱动模块的两个端口之间，以使得第 一驱动模块作为辅助驱动模块，而第二配置电路使得第二板上末端电阻与第二驱动模块之 间的电连接断开，使得第二驱动模块作为主用驱动模块。同时，在监测阶段，启用第二驱动 模块中的监测电路，而禁用第一驱动模块。或者，如果连接方式选择信号指示为第一线路连 接方式，例如CLASS B连接，则第一和第二配置电路分别将第一和第二板上末端电阻到第一 和第二驱动模块端口的连接断开。同时，在监测阶段，分别独立启用第一和第二驱动模块中 的监测电路进行监测。优选地，上述驱动电路可以包括多个驱动模块，且每个驱动模块均配 备有配置电路和板上末端电阻。如此的好处是，任何两个驱动模块都可以通过配置以第二 线路连接方式(如CLASS A连接方式)连接到负载。
优选地，在上述驱动电路中，配置电路可以包括受控开关电路，其响应于所述连接 方式选择信号而断开或导通所述板上末端电阻与相应驱动模块之间的电连接。优选地，该 受控开关电路为光控开关管、继电器或光耦。采用光控开关、继电器或光耦的优势在于其开 关的导通与截止仅仅受到控制端的控制，而不会受到开关两端电压变化的影响。
根据本发明又一个方面，上述驱动电路中的每个驱动模块可以具有非对称的H桥 结构。例如，该H桥结构包括一第一电源,用于向负载输出驱动电流；一第二电源，用于在 监测阶段，向所述负载输出监测电流，其中第一电源和第二电源均提供相对于参考地的正 电源；一 H桥电路,其包括四个桥臂(legs)和一个桥支路(bridge load);其中每个桥臂上 设置有至少一开关元件；第一上桥臂的上端连接到所述第一电源，第二上桥臂的上端连接 到所述第二电源；两个下桥臂的下端均连接到所述参考地；其中，响应于一通知控制信号， 第一上桥臂开关元件以及与之成对角的下桥臂开关元件导通，其他两个桥臂开关元件关 断，从而向所述负载提供驱动电流；响应于一监测控制信号，第二上桥臂上的开关元件以及 与之成对角的下桥臂开关元件导通，其他两个桥臂上的开关元件关断，从而向所述负载提 供与所述驱动电流方向相反的监测电流。
采用如此的非对称H桥电路结构，可以方便地利用两个正电源实现正向驱动电流 和反向监测电流。同时，驱动阶段和监测阶段的电路的参考地也同是电压为零的GND。由此， 这种H桥电路结构可以确保各个开关元件在需要时完全截止或导通，并由此确保驱动和监 测两部分电路在不同工作阶段彼此不干扰，各自正常工作。
根据本发明一个方面，上述H桥电路结构还包括为所述第一上桥臂开关元件提供 的保护电路，且响应于来自所述保护电路的保护信号，所述第一上桥臂开关元件由导通切 换成关断。优选地，所述保护电路包括过流保护、过功率保护以及硬短路保护功能中任一或 其任意组合。由此，采用这种保护电路可使得上述的非对称H桥电路不会因过流、过功率或 硬短路等故障而烧毁。
根据本发明另一个方面，在本发明中所述保护电路还设计成在监测阶段使其漏电输出端到所述H桥电路的连接断开。这样的优势在于避免漏电流干扰监测阶段的监测结 果。优选地，所述保护电路还包括一受控开关，经由该受控开关使得在所述监测阶段保护电 路的漏电输出端到所述H桥电路的连接断开，其中所述受控开关的导通或关断仅由所述受 控开关的控制端加以控制。采用这种受控开关的原因在于受控开关中的开关两端电压可能 随实际情况发生变化，因此如果开关的导通或截止仅仅受到控制端的影响而与开关两端电 压无关，则可以避免受控开关不能完全导通或关断的情况。
根据本发明又一个方面，在本发明中所述第二电源可包括一稳压电路，用于从所 述第一电源获得所述第二电源所需的电压。采用如此的稳压电路可以从驱动电源(第一电 源)获得第二电源所需的电压，从而可节省一个独立的电压源。此外，如果采用一个电源， 例如+24V，提供两个所需的电源电压，为了避免因电流从高电压电源流到低电压电源而造 成的损坏，优选地，该第二电源还包括连接在所述稳压电路下游的防逆流电路。更为优选 地，还包括用于补偿所述防逆流电路造成的额外压降的电压补偿电路。
根据本发明再一个方面，在本发明中非对称H桥电路中的各个开关元件优选采用 场效应管，更为优选地采用M0SFET。例如，上桥臂可以采用PMOS场效应管，下桥臂可采用 NMOS场效应管。进一步优选地，所述第二上桥臂开关元件为PMOS场效应管，其他桥臂上的 开关元件为NMOS场效应管。
根据本发明又一个方面，在本发明中，还为开关元件提供驱动子电路。例如根据本 发明的上述驱动电路可进一步包括第一驱动子电路，用于对所述监测控制信号进行电压变 换，以控制作为所述第二上桥臂开关元件的所述PMOS场效应管。还可包括第二驱动子电 路，用于响应于所述通知控制信号来驱动作为与所述第一上桥臂开关元件成对角的所述下 桥臂开关元件的NMOS场效应管，其中所述第二驱动子电路连接到所述第一电源。采用如此 的驱动子电路的原因是考虑到控制信号的电平与开关元件的开启电压(Ves⑷)存在差异， 这种差异可能导致开关元件不能在控制信号的作用下完全导通，因此采用上述的驱动子电 路来使得相应的开关元件完全导通，进而确保管上压降在驱动阶段足够小。
根据本发明再一个方面，驱动电路还可包括监测电路，用于在监测阶段监测所述 反向监测电流的大小。优选地，该监测电路包括一个监测电阻，其串联在包括第二上桥臂 开关元件和与之成对角的下桥臂上开关元件的监测电流通路中；判断电路，用于根据通过 所述监测电阻获得的监测电压确定连接所述负载的线路是否出现短路或断路故障。
根据本发明再一个方面，本发明还提出了一种通知设备电路。该通知设备电路包 括微控制器，用于产生连接方式选择信号，在需要发出通知时产生通知控制信号，以及在 监测阶段产生监测控制信号，接收故障输入信号；以及如上所述的驱动电路，其响应于来自 所述微控制器连接方式选择信号而配置板上末端电阻，且响应于通知控制信号或监测控制 信号来驱动作为负载的所述通知设备或监测连接所述通知设备的线路是否出现故障。其 中，优选地，所述微控制器在同一寄存器组中向所述两个驱动模块发送所述通知控制信号 或所述监测控制信号。在同一寄存器组(register bank)中发出控制信号的优势在于可几 乎同时向各个通知设备发送控制信号，从而使得各个通知设备之间的同步动作更好。
根据本发明又一个方面，本发明还提出了一种通知系统。该通知系统包括如上所 述的通知设备电路以及至少一个连接到所述通知设备电路的通知设备。
参考以下结合附图对本发明各实施例的详细描述，本发明的上述方面和优点将会更加清晰明了。


以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是现有一种B类NAC的典型连接方式的示意图2是现有另一种A类NAC的典型连接方式的示意图3A和3B是根据本发明一个实施例的NAC结构的示意图4是图3A-3B所示NAC的驱动模块的示意图5A和5B示出了驱动电流和监测电流的流动方向的示意图6是根据本发明一个实施例具有电路保护功能的驱动模块的示意图7是根据本发明又一个实施例具有的驱动子电路的驱动模块的示意图8示出了图3A-3B 图7中控制信号CTRL、EN和MON的波形时序图；
图9是根据本发明另一个实施例的具有A类NAC的连接方式的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照

本发明的具体实施方式
。
图3A和3B示出了根据本发明一个实施例的A类NAC 30。在图3A和3B中，一个或多个通知设备110连接到NAC 30。NAC 30可包括一个微控制器(MCU) 200和至少两个驱动模块400-1和400-2。在此例中，对于A类NAC连接，与图2类似，驱动模块400-2可用作主用驱动模块(即，在监测阶段输出监测电流的驱动模块)，驱动模块400-1用作辅助驱动模块(仅在驱动阶段输出驱动电流的驱动模块)。即，驱动模块400-2的两个端口 NAC_P 和NAC_N2间连接有一个或多个彼此并联的通知设备110。通知设备110的正极性端连接到驱动模块400-2的NAC_P端口，负极性端连接到驱动模块400-2的NAC_N端口。而驱动模块400-1的两个端口 NAC_P和NAC_N同样分别连接到这些通知设备110的正极性端和负极性端，由此驱动模块400-1可按照与图2相同的方式提供线路的断路备份通路。此外，如果NAC 30被配置成B类NAC，两个驱动模块还可各自独立为一个B类NAC分支提供驱动和监测电流(如图1所示)。
在图3A和3B所示的例子中，还特别地需要两个驱动模块400_1和400_2具有基本相同的驱动电路结构，即，使得主用驱动回路(例如图3A箭头If所示)和辅助驱动回路 (如箭头Ip所示)在NAC板上压降基本相同。比如，驱动模块400-1和400-2可以具有基本相同的驱动电流产生电路和基本相同的驱动电流回馈电路。这样，在如图3A所示的断路备份期间，经由主用驱动回路驱动的各个通知设备可与经由辅助驱动回路驱动的通知设备保持基本相同的性能。
驱动模块400-1和400-2的具体电路结构可以采用类似于文献W02009/099663A1所给出的电路结构，但需要改进的是其主用、辅助驱动回路需要具有基本相同的结构。当然，驱动模块自身也可以具有其他电路结构，这将在后面详细描述。
图3A和3B中，NAC 30中的MCU 200的输出端PA. O PA. 2和PA. 3 PA. 5用于发出控制信号，其可连接到每个驱动模块的3个控制输入端EN，CTRL和Μ0Ν。其中，控制输入端EN和CTRL用于接收在驱动阶段的驱动控制信号，控制输入端MON用于接收在监测阶段的监测控制信号。根据需要，这三个控制输入端也可简化为两个控制输入，例如，一个为通知控制信号输入端(如EN)，另一个为监测控制信号输入端(如Μ0Ν)，这将在后面详细描述。
这里，考虑到驱动阶段期间在CLASS A方式下的线路断路备份阶段经由主用、辅助驱动回路驱动的通知设备彼此同步的问题，优选地，MCU可在同一寄存器组(register bank)中写入用于各个驱动模块的驱动控制信号。比如，如图3A和3B所示，假设MCU的输出寄存器为8位,则可选择属于同一寄存器组的输出端PA. O PA. 7输出驱动控制信号,这样就可通过MCU的一次写入操作，将各个控制信号同步输出给驱动模块400-1和400-2。此外，MCU 200还可经由其输入端(例如PB. O PB. 2和PB. 3 PB. 5)接收分别来自驱动模块400-1和400-2的告警信号，例如开路(OPEN)告警、短路(SHORT)告警，以及可选的其他告警(如过流告警0C)。
此外，图3A和3B所示的MCU 200还从PA. 6输出端口提供连接方式选择信号 (CLASS_SET)。CLASS_SET输出到一个第一配置电路510-1。CLASS_SET信号用于指示当前连接是A类NAC连接(例如以驱动模块400-1为辅助驱动模块的A类连接)，还是B类NAC 连接。当CLASS_SET信号指示为A类NAC连接时，该第一配置电路510-1可将一个板上末端电阻Rlb耦合到驱动模块400-1的NAC_P和NAC_N端口之间；否则，第一配置电路510-1 断开板上末端电阻Rlb与驱动模块400-1之间的耦合。当然可选地，该第一配置电路510也可以被设计成根据一个配置信号(以驱动模块400-2为辅助驱动模块)将板上末端电阻Rlb 耦合到驱动模块400-2的端口之间，例如510-1可包括串联在末端电阻Rlb两端的两个开关，这两个开关可根据连接方式选择信号，选择性地将末端电阻Rlb耦合到驱动模块400-1 的两个端口之间或耦合到驱动模块400-2的两个端口之间。
而且，在A类NAC时，在监测阶段仅启用主驱动模块400-2的监测电路部分进行监测操作，监 测电流的流向如图3B中箭头Ib所示。在B类NAC时，在监测阶段需启用连接有通知设备的驱动模块的监测电路部分，例如图1的情况，需要启用两个驱动模块的监测电路部分。
如图3A所示，优选地，该第一配置电路510-1为一个与板上末端电阻Rlb —起串联在驱动模块400-1的两个端口之间的受控开关电路，其受控端连接到CLASS_SET，即PA. 6。 如果CLASS_SET为高电平时表示A类连接，受控开关电路导通板上末端电阻Rlb到驱动模块400-1的两个端口之间的电连接，否则受控开关电路关断，从而末端电阻Rlb到驱动模块 400-1的连接断开。由此，图3A所示的NAC 30可根据实际线路连接情况，选择性地将NAC 30配置成类似于图2的A类NAC或类似于图1的B类NAC (或单个分支的B类NAC)，而不需要人工更改跳线选择。
更为优选地，为了保证受控开关电路能够在需要时完全地导通或关断，在图3A所示的具体实例中受控开关电路(第一配置电路510-1)包括一个受控开关管MlO (其例如是 NMOS场效应管)和一个光控开关Ul。此时，仅当CLASS_SET有效时(如高电平)，MlO导通，使得光控开关Ul中的发光二极管因得电而发光，进而导致Ul中的开关导通，从而板上末端电阻Rlb耦合到驱动模块400-1的两个端口之间；否则，Ul中的开关关断。这里，由于光控开关的导通和截止仅由受控端信号决定，而不会受到开关两端电压的影响，因而该光控开关可根据需要完全导通或关断。本领域技术人员可以理解的是，上述第一配置电路还 可以采用其他电路结构，比如采用光耦，磁偶，继电器等等来实现。
在图3A和图3B中需要驱动模块400_1和400_2具有基本相同的电路结构，才能 保证在CLASS A连接方式下的断路备份期间各个通知设备能够具有基本相同的性能。图4 就示例性地示出了可用作图3A-3B所示的驱动模块400-1和400-2的一种优选的驱动模块 400的示例性结构。为了使得描述简便，在图4中，仅以CLASS B连接方式为例来描述驱动 模块的内部结构。本领域技术人员可以理解的是，图4所示的驱动模块结构同样可以应用 于图2所示的CLASS A连接方式。如图4所示，+24V电源用作通知设备的驱动电源(第一 电源)410，+5V电源用作在监测阶段提供监测电流的监测电源(第二电源)420。这两个电 源同为相对于参考地(GND)而言的正电源，且通过一个非对称的H桥电路结构440向通知 设备110提供驱动电流或监测电流。如图4所示，在此实施例中，H桥电路结构440的四个 桥臂(legs)上分别设有开关元件S1、S2、S3和S4，两个上桥臂分别连接到+24V的驱动电 源410和+5V的监测电源420，两个下桥臂的下端连接到相同的参考地，即GND。H桥电路 的横向桥支路即为负载支路(bridge load)，其对外为NAC_P和NAC_N端口，用于连接作为 负载的通知设备110以及末端电阻R·，图中以虚线示出。这里，虽然示例出了 +24V和+5V 的电源，但是本领域技术人员可以理解的是根据需要还可以选用其他电压幅值的电源。
图4所示的H桥电路结构中，成对角的桥臂上的开关元件(如SI和S4，或S2和 S3) 一起动作，以实现从驱动电流到监测电流的切换或反之。比如，在驱动阶段，S3和S2响 应于驱动控制信号(例如CTRL，EN)而导通，而SI和S4关断，从而通知设备110可获得从 其正极性端流入至其负极性端流出的正向驱动电流，如图5A中箭头If所示，以驱动通知设 备发出听觉或视觉的通知。在监测阶段，SI和S4响应于监测控制信号MON而导通，而S3和 S2关断，从而通知设备110可获得如图5B所示的反向监测电流，进而测量反向监测电流的 大小可确定连接通知设备的连接线路是否出现故障。
这里，可选地，该开关元件S1、S2、S3和S4可以是任何可用的开关元件，例如可控 继电器、可控硅、双极型晶体管等。但优选地，上述开关元件为MOSFET (金属-氧化物-半 导体场效应管)。一种优选方案是，连接到上桥臂上的开关元件SI和S3使用PMOS场效应 管(简称PMOS管)，下桥臂上的开关元件S2和S4选用NMOS场效应管(简称NMOS管)。以 下图7中还给出了一种更为优选的示例，其中开关元件SI为PMOS管，其他三个开关元件均 为NMOS管。后面在结合图7的描述中会具体提到。
采用如图4所示的H桥电路结构，可以方便地利用两个正电源实现正向驱动电流 和反向监测电流。同时，驱动阶段和监测阶段的电路的参考地也同是GND。由此，这种H桥 电路结构可以确保各个开关元件在需要时完全截止或导通，并由此确保驱动和监测两部分 电路彼此不干扰，两部分电路均正常工作。
在图4所示的H桥结构中还可以包括监测电路。监测电路优选地包括一个监测电 阻，该监测电阻可设置在例如流过开关元件SI和S4的监测电流通路上。通过测量监测电 阻两端电压即可得到监测电流的大小。图4仅示出了一种较佳的监测电阻Rl的设置方式。 如图4所示，监测电阻Rl设置在开关元件S4所在桥臂上且经由S4连接到地(GND)。在监 测阶段，流回NAC的监测电流经监测电阻Rl和闭合的开关元件S4流入GND。由此，通过检 测监测电阻Rl上端点B处的电压Vb即可获知监测电流的大小。
这里，监测电阻和末端电阻的大小可以根据实际需要加以选择。优选地，监测电阻 Rl与末端电阻Rm的大小相同，例如优选为24ΚΩ。但这并不是必须的，监测电阻Rl和末端电阻的大小也可根据监测灵敏度的需求加以调整。这里假设监测电阻和末端电阻Rm均为24K。在监测阶段，如果一切正常，各个通知设备对于反向监测电流呈现高阻状态，监测电阻Rl上B点电压Vb可以例如为+5V的一半，即落在正常范围内。如果通知设备的连接线路出现短路，则反向监测电流经短路路径流回NAC，此时监测电阻Rl上端点B的电压Vb上升到例如5V，表示出现短路故障。如果连接通知设备的线路出现断路，则监测电流无法流回 NAC，此时监测电阻Rl上端点的电压Vb例如为低，如0V，表示出现断路故障。采用如图4所示的监测电路可方便地根据检测到的监测电压(即电阻Rl上端B 点电压Vb)的大小来判断是否出现故障。当然，图4仅仅示出了一种示例性的监测电路的结构，本领域技术人员可以理解的是监测电路还可根据需要具有其他的电路结构，例如当监测电阻Rl置于监测电流流经的桥臂上的任意位置时，还可以利用差分电路来测量监测电阻Rl上的压降，以得到监测电流的大小。而且，依据监测电压进行的故障判断可以通过比较器来实现(具体参见图7所示)，也可以通过A/D转换器转换后由软件判断来实现。这些对于本领域技术人员而言都是显而易见的。
图6示出了在图4所示出的最简实施例基础上的一个改进实施方式。如图6所示， 可选的，根据本发明的一改进实施例的NAC在其开关元件S3 (M6)(连接到驱动电源410的上桥臂开关元件S3)上可设置有保护电路610。保护电路可至少具有过流保护、过功率保护以及硬短路保护中的任意一种。优选情况下，该保护电路能够实现全部上述三种保护功能。 如果实际需要，还可以在下桥臂开关元件S2(M3)上也设置类似的保护电路。
图6示出的保护电路610中，优选采用了具有上述三种保护功能的芯片来实现，例如该芯片可以选用德州仪器出品的TPS2491芯片。当然，根据实际需要，本领域技术人员还可以选用其他具有类似功能的芯片，如市场上可获得的德州仪器出品的TPS2481芯片或 Maxim公司出品的MAX4271芯片等，甚或还可以采用自行设计的模拟电路来实现保护电路 610。此处，由于TPS2491芯片内部具有适于开启和关断NMOS管的电路，所以在图6所示的电路中采用NMOS管M6作为开关元件S3。
在图6中，保护电路610的核心单元，即控制电路U4，即为芯片TPS2491。U4包括一个受控的输出端GATE，其连接到用作开关元件S3的NMOS管M6的栅极，用于在需要时向 NMOS管M6提供导通或关断电压。在驱动阶段，控制电路U4的使能端EN因接收到通知控制信号而激活U4，从而该受控输出端GATE输出有效电平，以使得NMOS管M6因其栅极获得高电压而导通。在M6导通期间，响应于该芯片U4内提供的过流保护信号、过功率保护信号和硬短路信号中任一，该受控输出端GATE的输出电平失效，即撤销其加在NMOS管M6栅极上的高电压，从而关断M6，以达到保护目的。当然，如果控制电路U4的使能端EN失效，则该受控输出端GATE也同样失效，以使得NMOS管M6关断。
在图6中，控制电路U4还可包括电流感测输入端SENSE，其连接到NMOS管M6的漏极，用于感测流过电阻R9的电流大小，也就是流过NMOS的电流大小。在控制电路U4内部， 如果感测到的电流大于预定值，则发出过流保护信号，以使受控输出端GATE的电平失效。 控制电路U4另外还可包括电压输入端0UT，其连接到NMOS管M6的源极，用于在驱动阶段测量M6的源漏极间电压Vds，以与感测到的电流结合起来确定M6是否出现了过功率现象。如果判断结果为是，则使得GATE端失效，从而关断M6。同时，输入端OUT还可用来判断硬短路 保护，即，当检测到OUT端电压在极短时间内被拉低时，U4内部将自动将GATE端电平置为 失效，从而关断M6。可选地，过流保护信号，过功率保护信号以及硬短路保护信号也可以被 反馈给MCU 200。在图3A-3B和图6中仅仅示出了在出现上述三种保护信号中任意一个时 使得OC端信号有效的例子。
优选地，在图6中，考虑到输入端OUT在控制电路U4失效(即，使能端EN无效) 期间会向芯片外泄漏电流的问题，还特别为电压输入端OUT设计了控制电路615。图6所示 的控制电路615的作用是响应于驱动阶段发出的驱动控制信号CTRL而导通输入端OUT到 H桥结构中的NMOS管M6的源级之间的电连接，而在监测阶段断开该电连接。当然，根据实 际需要，本领域技术人员还可以采用与上述不同的实现方案。
此外，在图6所示的实例中，两个通知控制信号EN和CTRL用来控制保护电路610 以及其内部的电路615。这里，优选地，在驱动阶段，通知控制信号CTRL有效，以开启输入 端OUT的保护功能，在CTRL有效期间可再利用通知控制信号EN来使能控制保护电路610。 这样可确保保护电路610的各个保护功能都能及时起作用。图8还示出了通知控制信号 CTRL、EN和监测控制信号MON的一种示例性的信号波形时序图。如图所示，在驱动阶段，可 以通过控制EN信号按照通信协议驱动通知设备，比如在通知设备为告警灯时，可通过间歇 地使能EN来使得告警灯同步。虽然图6和图8所示出的通知控制信号包括CTRL和EN两 个信号，但是本领域技术人员可以理解的是，由于MON通常是CTRL取反，CTRL、EN和MON也 可以简化为两个控制信号，例如MON和EN。
在图6所示例子中，控制电路615包括光控开关U5，受控开关管M8和限流电阻 R14。光控开关U5中的开关设置在输入端OUT和M6的源极之间。光控开关U5中的发光二 极管与受控开关管M8和限流电阻R14串联连接。受控开关管M8的栅极连接到驱动控制信 号CTRL。当驱动控制信号CTRL有效(即，驱动阶段)时，受控开关管M8导通，促使U5中 的发光二极管得电发光，进而导致U5中的开关闭合。由此，在驱动阶段，输入端OUT可正常 工作。在监测阶段，输入到控制电路U4的使能端EN的是一个失效电平，从而使得U4不工 作。同时，驱动控制信号CTRL也变为失效电平(例如低电平)，由此M8截止，U5的发光二 极管因失电而停止发光，从而导致U5内的开关断开。这样，在监测阶段，由于输入端OUT到 M6的源极的电连接被断开，由此切断了 OUT端泄漏电流的通路，即避免了该漏电流流入监 测电路中造成干扰。图6中所示的光控开关U5也可以采用例如继电器、光耦等来实现，其 特点是可使得该受控开关的导通与关断仅仅受到相关控制信号CTRL的影响，而与开关两 端电平高低无关。
下面再回到图6。图6示出的电路结构还示出了监测电源420的一个具体实例 620。在图6所示的改进实施方式中，优选采用了从+24V驱动电源410经稳压变换得到+5V 的监测电源的方案。当然，这并不是必须的，需要时，也可以为监测电源设置单独的电压源 或者具有输出监测电流能力的电压参考或运放。在图6所示的例子中，监测电源620可包 括限流电阻R3、稳压器U3和二极管D1。其中限流电阻R3起到限流和散热的作用。稳压器 U3起到稳压作用，用于将输出电压稳定在期望值，例如5V。稳压器优选地可以使用例如德 州仪器公司或其他公司出品的低压差线性稳压器(LDO, Low Drop-out regulator)。图6 中的二极管Dl (blocking diode)可防止驱动电路部分的电流在驱动阶段回流至监测电路。例如，在驱动阶段，如果用作开关元件S2的NMOS管M3失效，则来自+24V驱动电源的电流有可能会通过Ml的体二极管流向+5V监测电源。这时，二极管Dl可有效地阻止驱动电流回流到监测电源。
图6示出的电路结构实际上是监测电源620的一个具体实例。在图6所示的例子中，选用了德州仪器公司出品的LP2951芯片作为LDO稳压器。同时，为了在用作开关元件 SI的PMOS管Ml的源极上施加+5V电压，监测电源620中还特别设计了补偿电路D3。具体地，LP2951芯片的输入端SENSE用于检测线路上损失的压降，使得LP2951芯片的输出端 OUTPUT能够响应于检测到的压降而提高输出电压，从而使得终端能够获得期望的稳定电压，例如5V。在图6所示的实例中，发明人正是利用了 LP2951芯片的输入端SENSE的这一特点。考虑到二极管Dl本身会产生O. 7V左右的压降，为了在PMOS管Ml的源极上施加准确的+5V电压，本申请的发明人在LP2951芯片的输入端SENSE连接一个二极管D3。如此，输入端SENSE会检测到由二极管D3引起的O. 7V压降，并由此促使LP2951芯片的输出端的输出电压提高O. 7V，从而补偿了二极管Dl产生的压降，最终在PMOS管Ml的源极上施加准确的+5V电压。由此，采用图6示出的监测电源620可以从+24V的驱动电源获得监测电源， 而不必为驱动模块提供两个独立的电源。
图7示出了根据本发明一个实施例的又一个具体驱动模块的电路结构。在图7所示的结构中，监测电源620与图6所示结构相同，保护电路610与图6所示结构相同，因此这里不再赘述 。除去与图6相同的结构外，图7所示的电路中还为用作开关元件SI的PMOS 管Ml和用作开关元件S2的NMOS管M3分别提供了驱动子电路710和720，同时还具体包括了判断电路730，其用于根据监测电阻Rl上的监测电压确定通知设备的连接线路是否出现故障。
图7所示出的驱动子电路710响应于监测控制信号MON来控制用作开关元件SI 的PMOS管Ml。通常而言，由于监测控制信号MON由MCU提供，其高电平一般为3. 3V(这与微控制器的电源有关)，而PMOS管Ml所连接到电源为+5V。因此，优选地不直接用3. 3V的监测控制信号MON来控制连接到+5V电源的PMOS管M1，以避免可能出现的PMOS管不能完全截止的情况。为此，在图7所示例子中，优选地，为PMOS管Ml设计了一个具有电压变换功能的驱动子电路710。驱动子电路710包括受控开关管M2 (例如NMOS管)，其控制端，即栅极，连接到监测控制信号Μ0Ν。受控开关管M2的漏极经电阻R24连接到+5V，同时还经由电阻RlO连接到PMOS管Ml的栅极。由此，在监测阶段，即监测控制信号MON为有效的高电平时，M2导通，从而使得PMOS管Ml的栅极电平被拉低，进而导致Ml完全导通。在驱动阶段，监测控制信号MON为无效电平，如低电平，则此时M2截止，PMOS管Ml的栅极电平为高， Ml截止。
相对于PMOS管Ml而言，用作开关元件S4的NMOS管M7可以简单地用监测控制信号MON来直接控制。当监测控制信号MON为有效的高电平时，M7导通，当监测控制信号MON 为低电平时，M7截止。当然，根据实际需要，本领域技术人员也可以采用其他适合的控制方式。
图7所示出的驱动子电路720响应于通知控制信号CTRL来控制用作开关元件S2 的NMOS管M3。与驱动子电路710类似，由于通知控制信号CTRL由MCU提供，其高电平一般为3. 3V (这与微控制器的电源有关)。如果直接用3. 3V的通知控制信号CTRL来控制连接到NMOS管M3，在NMOS管的开启电压Ves⑷接近或高于3. 3V时可能会导致NMOS管不能完全导通。为此，在本发明中设计了驱动子电路720。在图7所示例子中，驱动子电路720包括两个受控开关管M4和M5，优选地M4为NMOS管，M5为PMOS管。电阻R6和R7以及M4串联在+24V电源和地之间，M4的受控端连接到通知控制信号CTRL。M5和电阻R4和R5串联在+24V电源和地之间，M5的受控端连接到R6和R7之间的连接点Q处。NMOS管M3的栅极 (受控端)连接在电阻R4和R5之间的连接点P处。如此结构，当通知控制信号CTRL为有效的高电平时，M4导通，Q点电平被拉低，进而致使M5导通，从而P点电平为高(例如在R4 和R5电阻大小相同时为12V)，可使得M3完全导通。反之，如果通知控制信号CTRL无效，即低电平，则M4截止，M5截止，进而导致M3截止。采用这种驱动电路可确保M3完全地导通， 降低驱动阶段的导通电阻，降低NAC板上的压降损耗。
图7中示出的驱动子电路710和720还可以以其他电路结构来实现，比如专用的电平转换器或MOS管驱动电路等。这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
在图7所示的例子中，为了防止各个用作开关元件的MOS管在MCU失控情况下损坏，还分别设计了保护机制。例如，为了避免PMOS管Ml因Ves过压而损坏，在PMOS管的栅极和漏极之间设置了具有钳位功能的齐纳二极管D2。与前类似，例如在驱动阶段，如果用作开关元件S2的M3失效，则来自+24V驱动电源的电流有可能会回流到Ml。这时，二极管 D2可有效地避免Ml因Ves过压而损坏。这种设计还为开关控制提供了灵活性。比如，在从监测阶段切换到驱动阶段时，可以在CTRL的控制下先导通用作S2的NMOS管M3，再在EN的控制下导通用作开关S3的NMOS管M6。如此，即使M3没有完全导通，使得Ml源极电压被抬高，钳位二极管D2也会将Ml的Ves限制在安全范围内，对Ml起到保护作用。另外，保护芯片TPS2491的GATE端在其芯片内部也设计了相应的钳位二极管，以避免来自另一个分支的驱动电压导致M6损坏。比如，在CLASSA情况下，如图3A-3B所示，由两个驱动模块同时驱动通知设备。当两个驱动模 块中的一个被先驱动时，另一个分支上的M6的Ves会被TPS2491 中的钳位二极管钳位，以免其损坏。
再者，在图7所示的例子中，电阻R3和Rl能够起到限流的作用。因此，如果MCU 的软件出现故障而导致用作开关 元件SI和S2的MOS管Ml和M3同时导通，或者用作开关元件S3和S4的MOS管M6和M7同时导通，则通过上述两个限流电阻可避免该MOS管因过流损坏。
此外，图7还示出了用于根据监测电压大小来判断是否出现故障的判断电路730。 在图7中，判断电路730包括两个比较器Ul和U2，比较器Ul和U2的参考电压分别是Vl和 Vh,即监测电压的最小值和最大值。如此，通过将监测电阻Rl上端点B处的监测电压Vb与 Vl和Vh进行比较，可确定出如下情况如果Vl彡V彡Vh，则无故障；如果V < VI，则表明出现断路故障；如果V > Vh则表明出现短路故障。采用如图7所示的判断电路730可方便地在监测阶段确定出通知设备的连接线路是否工作正常。
图7中示例性地示出了驱动子电路和判断电路。本领域技术人员应该理解的是， 根据实际需要，上述电路还可以采用其他结构来实现，比如判断电路可以采用A/D转换器结合软件判断的方式实现，驱动子电路也可以采用其他结构，比如直接选用合适的电平转换器或MOS管驱动器等等。
图9示出了根据本发明另一个实施例的NAC结构。如图9所示，NAC 80包括MCU800、多个驱动模块400-1至400-n，多个板上末端电阻Rlb至Rnb，多个配置电路510-1 至510-n。其中与图3A-3B相同的是,第一板上末端电阻Rlb在第一配置电路510-1的控制 下可耦合到驱动模块400-1或与之断开。与图3A-3B不同的是，NAC 80不仅为驱动模块 400-1配备了配置电路和板上末端电阻，还为其他每个驱动模块配备了配置电路和板上末 端电阻，每个配置电路(510-1 510-n)的结构与图3A-3B所不的第一配置电路510-1基本 相同。例如，配置电路510-n可从MCU 800的输出端例如PA. 7获得连接方式选择信号，且 响应于该连接方式选择信号，将第二板上末端电阻Rnb耦合到驱动模块400-n或与之断开。
采用图9所示的结构，可以根据实际需要选择驱动模块400-1至400-n中的任意 两个组合成为A类NAC，其中任意一个可被设置为主用驱动模块，另一个被设置为辅助驱动 模块。比如，当选择驱动模块400-1和400-n来构成A类NAC，且选择驱动模块400-1为辅 助驱动模块时，MCU 800从PA. 6输出有效电平，从PA. 7输出无效电平，从而配置电路510-1 将第一板上末端电阻Rlb耦合到驱动模块400-1，而配置电路510-n断开板上末端电阻Rnb 到驱动模块400-n的连接。反之，如果选择驱动模块400-n为A类NAC的辅助驱动模块时， MCU 800从PA. 7输出有效电平，从PA. 6输出无效电平，从而配置电路510-1断开第一板上 末端电阻Rlb到驱动模块400-1的连接，而配置电路510-n将板上末端电阻Rnb耦合到驱动 模块400-n的端口之间。当所选连接方式为B类NAC时，PA. 6和PA. 7均无效，两个配置电 路均断开末端电阻到各自驱动模块的连接，即如当前图8所示。
采用如图9所示的电路结构，NAC可包括多个驱动模块，且其中的任意两个可被配 置成A类NAC。这使得通知设备的连接方式更加灵活，即，可适应实际需要灵活搭配两个驱 动模块用作A类NAC，而无需过多地人工参与。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一 个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说 明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以 理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式
，并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合， 均应属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种驱动电路，包括 一第一驱动模块(400-1)和一第二驱动模块(400-2，400-n)，每个驱动模块具有两个端口(NAC_P，NAC_N)，所述四个端口可按照第一线路连接方式(CLASS B)或第二线路连接方式(CLASS A)连接到负载，以在驱动阶段响应于通知控制信号(CTRL，EN)而向所述负载提供驱动电流； 至少一个板上末端电阻(Rlb，Rnb)； 至少一个配置电路(510-1，510-n)，用于响应于一线路连接方式选择信号(CLASS_SET)，在所选为所述第二线路连接方式下仅将所述至少一个板上末端电阻(Rlb，Rnb)中之一耦合在所述第一驱动模块(400-1)和所述第二驱动模块(400-2，400-n)中用作辅助驱动模块的驱动模块两个端口之间，而在所选为所述第一线路连接方式下断开所述板上末端电阻(Rlb, Rnb)与所述第一或第二驱动模块之间的电连接； 其中，对于第一线路连接方式，在监测阶段，与所述板上末端电阻连接的用作辅助驱动模块的驱动模块被禁用，而另一个驱动模块中的监测电路响应于一监测控制信号(MON)而被启动以为所述负载提供与所述驱动电流方向相反的监测电流，且 其中，所述第一驱动模块(400-1)和第二驱动模块(400-2，400-n)具有基本相同的电路结构。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述第一驱动模块(400-1)和第二驱动模块(400-2,400-n)具有相同的驱动电流产生电路和驱动电流回馈电路。
3.如权利要求1所述的电路，其中，每个驱动模块配备有一个所述配置电路(510-1，510-n)和一个所述板上末端电阻(Rlb, Rnb)。
4.如权利要求3所述的电路，其中所述配置电路(510-l，510-n)包括 受控开关电路(Ul，Un)，响应于所述连接方式选择信号(CLASS_SET1，CLASS_SETn)，而断开或导通所述板上末端电阻与相应的驱动模块之间的电连接。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述受控开关电路(Ul，Un)包括光控开关管、继电器、磁控开关和光稱中的任意之一。
6.如权利要求1-5中任一所述的电路，其中所述第一驱动模块(400-1)和第二驱动模块(400-2，400-n)中每一个具有一非对称的H桥结构。
7.如权利要求6所述的电路，其中所述非对称的H桥结构包括 一第一电源(410)，用于向所述负载输出驱动电流； 一第二电源(420)，用于在监测阶段，向所述负载输出监测电流，其中第一电源和第二电源均为相对于参考地(GND)的正电源电压； 一 H桥电路(440)，其包括四个桥臂和一个桥支路，其中第一上桥臂的上端连接到所述第一电源(410)，第二上桥臂的上端连接到所述第二电源(420)，两个下桥臂的下端均连接到所述参考地(GND)，且每个桥臂上设置有至少一开关元件(SI，S2，S3或S4)； 其中，响应于所述通知控制信号(CTRL，EN)，第一上桥臂开关元件(S3)以及与之成对角的下桥臂开关元件(S2)导通，其他两个桥臂上的开关元件关断，从而向所述负载提供驱动电流； 响应于所述监测控制信号(MON)，第二上桥臂开关元件(SI)以及与之成对角的下桥臂开关元件(S4)导通，其他两个两个桥臂上的开关元件关断，从而向所述负载提供与所述驱动电流方向相反的监测电流。
8.如权利要求7所述的电路，还包括用于所述第一上桥臂开关元件(S3)的保护电路(610);且 响应于来自所述保护电路的保护信号，所述第一上桥臂开关元件(S3)由导通切换成关断。
其中所述保护电路(610)包括过流保护、过功率保护以及硬短路保护功能中任一或其任意组合。
9.如权利要求8所述的电路，其中所述保护电路(610)设计成在监测阶段将其漏电输出端到所述H桥电路的连接断开。
10.如权利要求7所述的电路，其中所述第二电源(420)包括稳压电路，用于从所述第一电源(410)获得所述第二电源所需的电压。
11.如权利要求7所述的电路，其中所述开关元件为场效应管。
12.如权利要求11所述的电路，其中所述第二上桥臂开关元件(SI)为PMOS场效应管，其他桥臂上的开关元件(S2，S3，S4)为NMOS场效应管。
13.如权利要求7所述的电路，还包括监测电路，用于在监测阶段监测所述反向监测电流的大小。
14.一种通知设备电路，包括 微控制器(200，800)，用于产生连接方式选择信号(CLASS_SET)，驱动阶段产生通知控制信号(CTRL，EN)，在监测阶段产生监测控制信号(MON)以及接收故障输入信号； 如权利要求1-13中任一所述的驱动电路(30，80)，其响应于来自所述微控制器(200，800)的连接方式选择信号而进行相应的配置，且响应于所述通知控制信号或监测控制信号来驱动作为负载的通知设备或监测连接所述通知设备的线路是否出现故障。
15.如权利要求14所述的通知设备电路，其中所述微控制器(200，800)在属于同一寄存器组的端口上向所述第一和第二驱动模块(400-l，400-2，400-n)发送所述通知控制信号(CTRL，EN)。
16.—种通知系统,包括 一如权利要求14-15中任一所述的通知设备电路； 至少一个连接到所述通知设备电路的通知设备(110)。
全文摘要
本发明提出了一种驱动电路，包括第一驱动模块和第二驱动模块，至少一个板上末端电阻和至少一个配置电路。在第一线路连接方式下，该配置电路可断开板上末端电阻与驱动模块之间的耦合；且在监测阶段独立启用两个驱动模块中的监测电路。在第二线路连接方式下，该配置电路可仅将一个板上末端电阻耦合到所述第一和第二驱动模块中用作辅助驱动模块的驱动模块端口上，同时该耦合有板上末端电阻的辅助驱动模块在监测阶段被禁用。其中第一和第二驱动模块具有基本相同的电路结构。由此，即使在通知设备的线路出现断路故障的情况下，这种驱动电路也可使得分别由主用和辅助驱动模块驱动的通知设备的性能基本保持一致。
文档编号G05B19/048GK103019143SQ20111028885
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者宜帆, 王华军 申请人:西门子公司