专利名称：限位开关接口电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于限位开关(limit switch)的接口电路。
背景技术：
某些交通工具座椅模块控制在多个囊状物中的空气压力。这些囊状物中的一个或多个被定位在交通工具座椅的表面以下。座椅的外形根据不断改变的压力而被修正。某些模块可利用空气阀技术(其内部使用了形状记忆合金(SMA)电线)来驱动阀。在被加热时，SMA的特性导致电线收缩并由此打开阀。阀技术包括限位开关。限位开关被用于感测阀何时在其被完全打开的位置上。在电线被足够地加热使得电线充分收缩以便由此将阀打开至其被完全打开的位置时，阀在其被完全打开的位置上。当阀在其被完全打开的位置上时，限位开关被关闭。因此，通过检测限位开关被关闭，能够检测出阀在其被完全打开的位置。当电线未被足够地加热时，阀不在其被完全打开的位置。当阀不在其被完全打开的位置上时，限位开关不关闭(例如，限位开关打开)。因此，通过检测限位开关被打开，能够检测出阀不在其被完全打开的位置。使用限位开关来感测阀的位置，允许控制电路将阀维持在其被完全打开的位置，而同时将更小的热施加到电线上。这种控制水平提供了在改变温度和气流条件时可预测的阀动作，并且最小化了在电线上的热应力和机械应力。脉冲宽度调制(PWM)可被用于加热电线。电流脉冲通过电线，并伴有导致电线自加热的电线电阻率损耗。PWM电流脉冲能够通过微控制器生成，以施加到电线上。发明概述本发明的实施方式针对的是用于与限位开关相连接的电子电路。开关被用在用于加热电线(例如形状记忆合金(SMA)电线)的应用中。根据本发明的实施方式的电子电路(即，“限位开关接口电路”或“开关接口电路”)旨在降低工作电流并尽量减少换向，由此延长开关的寿命。作为正常工作一部分，之前的设计是为每个开关事件来变换通过开关的开关电路负载电流的电流方向。因此要关注的一点是低压微弧放电(low-voltagemicro-arching)可能导致过早地磨损开关的敏感接触部。根据本发明的实施方式的电子电路使用晶体管来变换开关电流的方向，并且可由此几乎消除了低压微弧放电。以这种方式，依据按照本发明的实施方式的电子电路的使用的开关状态(即，打开或关闭)更好地描述为被采样，而不是按照之前设计驱动响应负载电路。在一个实施方式中，提供了用于与限位开关相连接的电路。限位开关被配置成当连接到限位开关的电线相对较热时被关闭，并且被配置成当电线相对较冷时被打开。电路包括输入端、输出端和控制部分。输入端被配置成接收具有高脉冲和低脉冲的脉冲宽度调制(PWM)信号，该信号具有占空比。输出端被配置成将PWM信号施加到与电线相关的外部晶体管和施加到控制部分。当高脉冲被施加到外部晶体管时，高脉冲驱使电线的加热。控制部分被配置成当限位开关关闭而同时高脉冲被施加到外部晶体管时，使限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得限位开关的电弧相对最小。在一个实施方式中，提出了一种具有电线、限位开关和电路的装置。电线被配置成当电线相对较热时将阀移动至被完全打开的位置，电线与外部晶体管相关联。限位开关可移动至被打开的位置以及从被打开的位置移开，其中限位开关被配置成当阀在被完全打开的位置上时处于关闭位置。电路与限位开关相连接，并且包括输入端、输出端和控制部分。输入端被配置成接收具有高脉冲和低脉冲的脉冲宽度调制(PWM)信号，该信号具有占空比。输出端被配置成将PWM信号施加到与电线相关联的外部晶体管。当高脉冲被施加到外部晶体管时，高脉冲驱使电线的加热。控制部分被配置成当限位开关关闭而同时高脉冲被施加到外部晶体管时，使限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得限位开关的电弧相对最小。附图简述
图1示出了根据本发明的第一实施方式的、具有限位开关接口电路的装置的示意图；图2示出了根据本发明的第二实施方式的、具有限位开关接口电路的装置的示意图；图3示出了图1中所示的装置的示意图，其中带有限位开关接口电路的概括性功能描述图；以及图4示出了具有简单的限位开关接口电路的装置的示意图。详细描述此处公开了本发明的详细实施方式；然而，要理解的是所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，其可以按照不同的和可选择的形式来体现。附图不一定按照比例绘制；某些特征可被放大或缩小以显示特定组件的细节。因此，此处所公开的特定的结构和功能上的细节不被解释为是限制性的，而仅仅是用于教导本领域中的技术人员以不同方式利用本发明的代表性的基础。现在参考图1，显示了根据本发明的第一实施方式的、具有限位开关接口电路12的装置10。装置10还包括子装置14，其具有限位开关16和形状记忆合金(SMA)电线18。装置10还包括电线加热模块子装置17，其用于提供反馈以操作限位开关16。电线加热模块子装置17是出于模拟的目的而使用的。限位开关和SMA电线子装置14代表限位开关16和SMA阀电线18。电线18通过电阻Rl-电线和R2-电线之和来表示。开关16感测在电线18中点处的电压。对于该特定应用，所述中点是阀的机械结构造成的。开关16是常开类型的开关。当阀被完全打开时开关16关闭。电线18被足够地加热使得电线18充分收缩由此导致阀打开至其被完全打开的位置时，阀被完全打开。当电线18未被足够地加热至充分收缩以便将阀打开至其被完全打开的位置时，阀处于一个与其被完全打开的位置不同的位置上。一旦阀被完全打开，开关16关闭，并且在阀被完全打开的同时开关16保持关闭。一旦阀从其被完全打开的位置移开至另一个位置，则开关16打开，并且在阀处于一个与其被完全打开的位置不同的位置上的同时保持被打开。在这个例子中，当阀处于其被完全打开的位置而使得开关16被关闭时，开关16呈现出的电压为电线18两端之间电压的二分之一。如在下文中以更多细节描述的，开关16的目的是在当阀被完全打开时中断由脉冲宽度调制(PWM)产生的电线加热。也就是说，PWM电线加热在开关16被关闭的大部分时间内是中断的。PWM电线加热的中断是通过防止PWM信号出现在被连接到电线的MOSFET 19(或者例如，双极结型晶体管(BJT))的栅极上来实现的。相反，当阀处于一个与其被完全打开的位置不同的位置上时(B卩，当开关16未关闭时)使得能够进行PWM电线加热。也就是说，当开关16打开时使得能够进行PWM电线加热。通过允许PWM信号出现在MOSFET的栅极处来使得能够进行PWM电线加热。限位开关接口电路12包括:第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3。晶体管Q1、Q2和Q3与包括电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6的相关电阻性组件一起按照图1中所示的配置被布置。PMW信号被输入如图1所示的晶体管Ql和晶体管Q3元件(componentry )。晶体管Q2元件电连接到如图1所示的开关16。晶体管Q3元件电连接到如图1所示的MOSFET 19的栅极。限位开关接口电路12的功能是允许将开关16的状态传递给PWM信号流，用于控制电线18的加热或冷却。接口电路12的另一个功能是最小化通过开关16的电流的换向，由此延长开关16的寿命。当开关16主动开始或终止流经开关16的电流时，发生电流的换向。这导致在打开或关闭的瞬间在开关接触部位置处产生微电弧，造成磨损。在典型的应用中，PWM占空比可为10%。减少开关16的电流换向的基本原理在于要认识到，仅当PWM脉冲在逻辑高位时才需要关于开关16的状态(例如，关闭或打开)的信息。当PWM高脉冲被施加到M0SFET19的栅极时，发生电线18的加热。因此，如果PWM高脉冲未被施加到MOSFET 19的栅极时，那么在PWM高脉冲期间不会加热电线18。当PWM脉冲在逻辑低位而无论PWM低脉冲是否被施加到MOSFET 19的栅极，都不会加热电线18。因此，在PWM占空比为10%的典型应用中，仅有10%的时间需要关于开关16的状态的信息。也就是说，当PWM脉冲在高位时(在本例中有10%的时间出现这种情况)，需要关于开关状态的信息，因为电线的加热能够伴随着PWM高脉冲发生。相反地，当PWM脉冲在低位(即，逻辑零)时(在本例中有90%的时间出现这种情况)，不需要关于开关状态的信息，因为将不会有加热伴随着PWM低脉冲发生。在减少换向方面，限位开关接口电路12的一个操作是保持开关电负载在PWM脉冲为逻辑低位(在本例中90%的时间出现这种情况)时断开连接。通过接口电路12实现额外的操作，以便在PWM脉冲为逻辑高位(在本例中10%的时间出现这种情况)时减少开关换向。限位开关换向电流被最小化:情况#1-情况#5。情况#1:PWM信号在逻辑低位，导致限位开关接口电路12的晶体管Ql关断。在任意时刻，只要由于电线18从被足够地加热的位置被冷却而使得开关16从其关闭位置被打开，则没有开关电流流动并且不发生开关换向或微电弧。这是因为晶体管Q2的基极-发射极具有零偏置电压，或者具有依赖于MOSFET 19的输出状态的负偏置电压。情况#2:电线18被足够地加热，并且不需要额外加热(并且随着开关16关闭阀被完全打开)。在开关16关闭时，在PWM信号转换到逻辑高位的时刻，电流流过开关16但是将不会被换向。因为开关16已经关闭，所以在开关16内部不存在微电弧。在这种情况下，晶体管Q2的基极-发射极变得正向偏置，这导致导通到晶体管Q3的基极。由于栅极的电容和限制电阻器R5和R6，所以与MOSFET 19的开启时间相比这种转换的速度较快。这导致晶体管Q3将电阻器R5和R6之间的节点箝位到接地，由此防止PWM信号被施加到MOSFET 19的栅极。因为防止了 PWM信号启动MOSFET 19，所以防止了已经被足够地加热的电线18的进一步加热。情况#3 :在阀未被完全打开(并且开关16打开)时，电线18需要加热。在开关16打开时，在PWM高脉冲开始处，开始电线加热。在这种情况下，晶体管Q2和电线18接通。电阻分压器R1-R2被激活，由此导致开关16的两侧具有相同的电压，即在电线18两端之间电压的中点电压。(分压器Rl和R2被选择近似分压器Rl-电线和R2-电线。)一旦电线18被足够地加热使得开关16在PWM高脉冲期间关闭，那么根据以上的情况#2没有电流流动并且不发生换向。情况#4 电线18在PWM高脉冲开始时是被足够地加热的，但是在PWM高脉冲期间被充分冷却，使得电线18需要被进一步加热。在这种情况下，开关16在PWM高脉冲开始时关闭，但是在PWM高脉冲期间打开，由此要求电线18的加热。直到开关16打开为止，这都与情况#2相同。这种情况导致开关换向，但是相对少见。由于典型的小的10%的占空比，所以这种情况很少见。换向会发生，但是已经被减到最少。此外，本领域中的一些技术人员可能考虑到对于从开关16清理掉薄膜或其他轻微污染而言，有限次数的换向是必需的。情况#5 :开关16正好在PWM脉冲的边沿打开或关闭。这种情况可以被忽略，因为PWM转换时间仅占PWM周期相对极小的一部分，因此使得这种情况很少见。如通过以上情况所描述的，开关接口电路12的特征是防止开关16两端之间的电弧。为此，接口电路12被配置成使得(i)在进行电线加热时，当开关16关闭以停止加热，则在开关16两端之间的电压很小，并且电弧最小；(ii)在电线加热停止同时当开关16打开以要求加热时，则在开关16两端之间的电压很小，并且发生最小的电弧；以及(iii)在电线加热停止时，如果限位开关16要被关闭，由于被加热电线的延迟的响应，在开关16两端之间的电压仍然最小。如所描述的，限位开关接口电路12允许开关16通过用于电线加热控制的PWM信号以硬件方式被有效地“采样”，同时最小化在开关接触部位置上的电流换向，以便由此延长开关16的寿命。现在参考图2，同时继续参考图1，其显示了根据第二本发明的实施方式的、具有限位开关接口电路22的装置20。装置20包括限位开关和SMA电线子装置14以及电线加热模块子装置17。限位开关和SMA电线子装置14包括限位开关16和SMA电线18。如果需要电线18的“高侧”驱动，限位开关接口电路22是一种可供选择的实施方式。接口电路22包括晶体管Q-电平移动部件、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3。晶体管Q-电平_移动部件、Q1、Q2和Q3与包括了电阻器Rl、R2、R3、R4、R5和R6的相关电阻性的组件一起按照图2中所示的配置来布置。如图2中所示，PMW信号被输入晶体管Q-电平移动部件。如图2中所示，晶体管Q2元件电连接到开关16。如图2中所示，晶体管Q3元件电连接到MOSFET 19的栅极。根据其他实施方式的限位开关接口电路可包括以适合的双极性设备和适当的偏置电路来替换MOSFET 19。
现在参考图3，同时继续参考图1，其显示了图1中所示的装置10的示意图，其中带有限位开关接口电路的概括性功能描述图。如图3中所示，接口电路12的电子元件形成了两状态的参考块32、比较功能块34、以及门控功能块36。晶体管Ql以及电阻器Rl和R2形成了两状态的参考块32。两状态的参考块32提供了可PWM开关的两状态的参考电压，其中第一电压代表电线18的中值电压的电线加热停止状态，并且第二电压代表电线18的中值电压的电线加热进行状态。晶体管Q2以及电阻器R3和R4形成了比较功能块34。比较功能块34提供了比较器功能，用来基于开关16的状态(即，关闭或打开)比较两状态的参考块32的可开关参考电压与电线18的中值电压。晶体管Q3以及电阻器R5和R6形成了门控功能块36。门控功能块36提供了门控功能以便基于比较功能块34的比较器的输出功能和PWM流来启用或禁用MOSFET 19的操作。现在参考图4，其示出了具有简单的限位开关接口电路42的装置40的示意图。接口电路42仅包括MOSFET 19的PWM门控功能(启用/禁用操作)。在这种情况下，开关16为所有条件来针对所有开关状态转换来变换电流的方向。虽然简单，但是限位开关接口电路42会导致在以上所描述的限位开关接口电路12和22上的加速磨损。虽然以上描述了示例性的实施方式，但无意于用这些实施方式来描述本发明的所有可能的形式。相反，本说明书中所使用的词语是说明性的词语而非限制性的词语，并且要理解的是，可以做出各种不同的改变而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种不同的实现实施方式的特征可以被组合以形成本发明的其他实施方式。
权利要求
1.一种用于与限位开关相连接的电路，所述限位开关被配置成当连接到所述限位开关的电线相对较热时被关闭，并且被配置成当所述电线相对较冷时被打开，所述电路包括: 输入端，其被配置成接收具有高脉冲和低脉冲的脉冲宽度调制(PWM)信号，所述PWM信号具有占空比； 输出端，其被配置成将所述PWM信号施加到与所述电线相关联的外部晶体管，其中当所述高脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述高脉冲驱使所述电线的加热；以及 控制部分，其被配置成当所述限位开关关闭而同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
2.如权利要求1所述的电路，其中: 所述控制部分还被配置为使得能够通过完成所述高脉冲来将所述高脉冲施加到所述外部晶体管。
3.如权利要求2所述的电路，其中: 所述控制部分还被配置为当所述限位开关关闭同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管之后，防止之后的高脉冲在所述限位开关关闭的同时被施加到所述外部晶体管。
4.如权利要求1所述的电路，其中: 所述控制部分还被配置为当所述限位开关关闭同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管之后，防止之后的高脉冲在所述限位开关关闭的同时被施加到所述外部晶体管。
5.如权利要求1所述的电路，其中: 当所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述低脉冲不驱使所述电线的加热； 其中所述控制部分还被配置为当所述限位开关打开同时所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
6.如权利要求1所述的电路，其中: 当所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述低脉冲不驱使所述电线的加热； 其中所述控制部分还被配置为当所述限位开关关闭同时所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
7.如权利要求1所述的电路，其中: 所述控制部分还被配置为当所述限位开关被打开的同时使得所述高脉冲能够被施加到所述外部晶体管。
8.如权利要求1所述的电路，其中: 当所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述低脉冲不驱使所述电线的加热； 所述控制部分还被配置为当所述限位开关被关闭或打开的同时使得所述低脉冲能够被施加到所述外部晶体管。
9.如权利要求1所述的电路，其中: 所述控制部分被配置成在所述PWM信号具有所述高脉冲的同时生成参考电压； 其中所述控制部分还被配置为接收基于所述限位开关的状态被感测到的电压，其中当所述限位开关关闭时所述被感测到的电压大于所述参考电压；其中所述控制部分还被配置为比较所述被感测到的电压与所述参考电压，并且当所述限位开关关闭同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管之后，响应于所述被感测到的电压大于所述参考电压而防止在所述限位开关关闭的同时将所述高脉冲施加到所述外部晶体管。
10.如权利要求9所述的电路，其中: 所述控制部分还被配置为响应于所述被感测到的电压不大于所述参考电压而将所述高脉冲施加到所述外部晶体管。
11.如权利要求10所述的电路，其中所述参考电压是第一参考电压，其中: 所述控制部分还被配置为在所述PWM信号具有所述低脉冲的同时生成第二参考电压； 其中当所述限位开关关闭时，所述被感测到的电压小于所述第二参考电压； 其中所述控制部分还被配置成使得所述低脉冲响应于所述被感测到的电压小于所述第二参考电压而能够被施加到所述外部晶体管。
12.如权利要求11所述的电路，其中: 所述控制部分包括两状态参考电压生成部分，该两状态参考电压生成部分具有第一晶体管和第一电阻器布置，该第一晶体管和第一电阻器布置被配置成当所述PWM信号具有所述高脉冲的同时生成所述第一参考电压以及当所述PWM信号具有所述低脉冲的同时生成所述第二参考电压。
13.如权利要求12所述的电路，其中: 所述控制部分还包 括比较器部分，该比较器部分具有第二晶体管和第二电阻器布置，该第二晶体管和第二电阻器布置被配置成将所述被感测到的电压与所述参考电压进行比较； 其中所述控制部分还包括门控部分，该门控部分具有第三晶体管和第三电阻器布置，该第三晶体管和第三电阻器布置被配置成防止当所述被感测到的电压大于所述第一参考电压时将所述高脉冲施加到所述外部晶体管以及被配置为当所述被感测到的电压不大于所述第一参考电压时将所述高脉冲施加到所述外部晶体管。
14.一种装置，包括: 电线，其被配置成当所述电线相对较热时将阀移动至被完全打开的位置，所述电线与外部晶体管相关联； 限位开关，其能够移动到关闭位置以及能够从关闭位置移开，其中所述限位开关被配置成当所述阀处于所述被完全打开的位置时位于所述关闭位置；以及 电路，其用于与所述限位开关相连接，所述电路包括 输入端，其被配置成接收具有高脉冲和低脉冲的脉冲宽度调制 (PWM)信号，所述PWM信号具有占空比； 输出端，其被配置成将所述PWM信号施加到与所述电线相关联的外部晶体管，其中当所述高脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述高脉冲驱使所述电线的加热；以及 控制部分，其被配置成当所述限位开关关闭而同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
15.如权利要求14所述的装置，其中:所述电路的控制部分还被配置为使得能够通过完成所述高脉冲来将所述高脉冲施加到所述外部晶体管； 其中所述电路的控制部分还被配置为当所述限位开关关闭同时所述高脉冲被施加到所述外部晶体管之后，防止之后的高脉冲在所述限位开关关闭的同时被施加到所述外部晶体管。
16.如权利要求14所述的装置，其中: 当所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述低脉冲不驱使所述电线的加热；其中所述电路的控制部分还被配置为当所述限位开关打开同时所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
17.如权利要求14所述的装置，其中: 当所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，所述低脉冲不驱使所述电线的加热；其中所述电路的控制部分还被配置为当所述限位开关关闭同时所述低脉冲被施加到所述外部晶体管时，使所述限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得所述限位开关的电弧相对最小。
18.如权利要求14所述的装置，其中: 所述电线与能够移动到被完全打开的位置并且能够从被完全打开的位置移开的阀相关联，其中所述电线被配置成当所述电线比所述阈值温度热时将所述阀移动至所述被完全打开的位置，使得当所述阀处于所述被完全打开的位置时所述限位开关关闭。
19.如权利要求14所述的装置，其中: 所述电线是形状记忆合金(SMA)电线。
20.如权利要求14所述的装置，其中: 所述外部晶体管是MOSFET和BJT中的一种。
全文摘要
本发明涉及限位开关接口电路。一种用于与限位开关相连接的电路，限位开关被配置成当连接到限位开关的电线相对较热时关闭，并且被配置成当电线相对较冷时打开，所述电路包括输入端、输出端和控制部分。输入端被配置成接收具有高脉冲和低脉冲的脉冲宽度调制(PWM)信号，所述PWM信号具有占空比。输出端被配置成将PWM信号施加到与电线相关联的外部晶体管和施加到控制部分。当高脉冲被施加到外部晶体管时，高脉冲驱使电线的加热。控制部分被配置成当所述限位开关关闭而同时高脉冲被施加到外部晶体管时，使限位开关两端之间的电压实质上为零，由此使得限位开关的电弧相对最小。
文档编号H03K19/0185GK103078627SQ20121040862
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月24日 优先权日2011年10月26日
发明者查尔斯·F·韦伯 申请人:李尔公司