专利名称：从传输线耦合电源到节点的电源耦合器的制作方法
技术领域：
本发明的背景1.本发明的领域本发明涉及的领域为收发机和收发机组件，特别是在双绞线和智能电池，以及数据传输媒体上的配电设施之间提供接口的那些设备。
2.先有技术分布式智能网络即提供感测，通信和控制，如美国专利4,918,690描述的那样的网络。这种网络包括多个节点，每个节点包括一个电池和连至通用媒体(如双绞线)的收发机。
此种网络的收发机和相关部件在美国专利5,148,144中描述，还在标题为“采用神经芯片实现双绞线收发机”(由Echelon公司出版，1991年8月)一文中描述。
下文将会看到，本发明为双绞线传输线提供节点的连接性，以提供直流和低频低阻连接，为了允许直接从传输线对节点供电，并且同时在此传输线上在数据传输的频带内呈高阻抗状态使得负载不完全相同，并允许传输线和节点间的数据的交流耦合。
本发明简要介绍用于连接一个两导体传输线(如双绞线)网络的一节点到网络的节点电源隔离器，能使网络本身直接对节点直流供电而无须大大减弱网络中信号的电平或干扰节点从网络接收信号或在网络上发送信号的能力。
流过电源隔离器的电流是通过一个与每一传输线串行连接的晶体管流向节点连接线的，晶体管的基极和发射极间的电压，在所用信令频率上基本上被嵌位在恒定值，或者直接用一个电容连接基极和发射极，另一种电路有一电容连接在另一晶体管的基极和发射极之间或者两者都用。各种各实施例都是公开的。
附图简述
图1示意了本发明应用环境的方框图；图2是图1中极性桥24的电路图；图3示意了一个连接起来象齐纳二极管那样操作的NPN型晶体管电路图；图4为一示意图3的电路的直流电压-电流特性的曲线；图5示意在图3上增添一个电容后的电路图；图6示意图5电路的动态阻抗随频率的变化情况；图7示意了本发明的晶体管部分级联电路图；图8是和图7一样的一个两晶体管电路，但采用不同导体类型的晶体管；图9是图8的电路多增添一个晶体管部分的电路的电路图；图10是示意在应用中本发明想获得的性能的曲线，即希望本发明的节点电源隔离器的低阻抗通过500Hz保持很低，而在大约5KHz时比较彻底地移到高动态阻抗特性并且至少到150KHz频率保持这一高动态阻抗电平；图11是图9的电路用相反的导体类型的晶体管实现的电路；图12是示意通过信源电源隔离器64耦合信源电源到传输线20和22的方块图。
本发明的详细描述首先参照图1，对本发明的应用环境给予了示意正如在那里示意的那样，一双网络线20和22，典型为简单的双绞线对，也可采用其它形式的导体线对，连接到极性桥24。网络线20和22间有一直流电压，在网络上数据传输时，交流数据传输信号附加在其上。在优选实施例中，在网络的某些节点上在线20和线22之间保持42伏的直流电压，虽然在图1表示的某些特定节点位置上，由于网络中负载存在，这一直流电压可能会稍低些。相似地，线路上的交流信号电平为250毫伏RMS数量级，虽然在某些特定节点位置上，取决于线路的长度，线上节点的数量，传送到需考虑的节点的相对位置等，交流信号电平也有可能小很多。
一般地，在线20和线22之间加载的交流信号是差分信号，一根线上的信号部分与另一根上的信号部分是相等的，但相位是相反的，因此在接收端节点，两线间的交流电压相同部分感觉也是为不同的。这就提供高共模抑制，因为在每一节点上的接收机将相对地不受两线上相等附加上的噪声的影响以及在两线上的相同相位的影响。
极性桥24仅简单地为一全二极管桥如图2所示。这就允许每一节点到网络的连接不用考虑极性。极性桥输出的负值端和正值端两者都连至一个节点电源隔离器26。极性桥正值输出端连至节点电源隔离器26a的正值端，而极性桥24的负值输出端连至节点电源隔离器26b的负值端。节点电源隔离器(其细节将在后面叙述)，连接至一个直流到直流转换器28，这种直流到直流的转换器减低节点电源隔离器的直流输出电压，典型地到5伏，以操作收发机30和其它与节点相关的可能设备，如各种传感器，等等。
为了耦合去往或来自网络线路20和22的信号，收发机30是通过电容32交流耦合到传输线的。由于极性桥24依赖于极性桥的输出的交流负载将通过这两根网络线提供一个交流负载，因此，节点电源隔离器26a和26b，它们最好是设计相同，将直流电源耦合到直流到直流转换器28上，其阻抗最好不大大高于网络线自己的阻抗，并且同时对极性桥24的输出呈现一个高交流阻抗，至少在所用信令频率范围内如此，以上这点非常重要。在优选实施例中，信令频率在大约5KHz至150KHz频段内。关于这点，更进一步详细的对这样网络的介绍，在系列号为08/099,534，1993年4月20日存档，题目为双绞线对和一个智能电池之间接口方法及装置”的共同未决专利申请中有所公开，该专利也转让给了本发明的受让人。
现在参考图3，在那里示意了一个NPN型晶体管34，电阻36连接晶体管34的基极和集电极之间，另一电阻38连接晶体管34的发射极和基极之间。一般地，如果晶体管两极的电压差VA-VB(假定为正值-VA为电路的正值测而VB为电路的负值侧)低于一电压值，即要求用它来调整晶体管的基极到一电压值VBE的电压值对于硅晶体管典型地VBE约为0.7伏)，晶体管将断开。更确切地说，当VA-VB乘以R38再除以R36加上R38后小于晶体管的基极到发射极的导通电压值VBE，通过这一电路的电源将等于通过晶体管的渗漏电流的和(相当小)，和通过电阻R36和R38的串联电阻的电流。因为电阻R36和R38为相对较高电阻值电阻，流过的电流将相当小而且和加在其上的电压成正比，这可在图4中看到。
一旦VA-VB达到晶体管34开始接通这一电压值，此电路的电压将不易向上变化。通过晶体管上的电流能有很大的变化，而整个电路上只有VA-VB很小的变化。在这一部分电路，动态电阻，即对于电流的变化 电压的变化非常小。
如果在图3的晶体管34的发射极和基极间加一个电容的话，如图5所示，电路的特性将取决于频率。对于低频(在那里电容40的阻抗比电阻36和38的电阻值以及晶体管的集电极视在阻抗1/hoe大得多)。电路的特性将会象前面对图4的描述的那样。在应用中，图1中直流到直流变换器要求的电流，在整个系统的电流负荷容量范围内，将决定处于图4中曲线的较平坦部分时的电路的偏压和操作点。接着对于网络中的具有高频率的交流信号，其中电容器40的阻抗远小于电阻36和38的阻值(及晶体管的基极视在阻抗)，电容40将基本地箝位晶体管的基极发射极电压于它的稳定状态或低频值处，这实际上箝位通过晶体管的电流于低频或直流操作值，使得晶体管似乎是一个电流源或电流吸收点，传导要求对节点供电但电压差VA-VB基本上不受高频变化影响的电流。
在这些较高频率上，动态阻抗 很大，因为在高频时对电压的变化，电流的变化是很低的。这在图6中示意，图中在低频处动态阻抗较低，当频率上升到在电路的对应部分，电容器的阻抗占支配地位时，动态阻抗将变化到相对较高的阻抗。因为仅仅基极-发射极间很小的电压变化将导致相当大的通过晶体管的电流变化，为达到期望目标电容器40，需要有一个足量的电容值，以有效地在所期望的频率上箝位基极发射极电压，然而由于对所示意的NPN型晶体管，在运用中相对于发射极，基极电压将总是正的，电容器40可能是一个极化电容器，因而能减少所要求的电容器的物理尺寸。当然，还有由于一个硅晶体管的基极发射极电压不会上升到高于0.7伏很多，可以采用一个低额定电压电容器，这又减少了所期望的电容值的电容器的物理大小。
图5中电路的电阻36和38的净效应在于，为了对晶体管的基极加直流偏压，以使晶体管由于集电极和发射极间的电压的增加而传导一个增加的电流量而提供一个连至晶体管的基极的装置，以及电容器在晶体管的基极和发射极间提供交流去耦合，电容器在某些频率上会起支配作用，以防止在高于此频率上时通过晶体管的电流有任何较大的变化。然而，由于晶体管基极和发射极间的电压基本恒定，为实现这二种功能的装置本身可能就是通过级联一个相似的电路到晶体管34的基极，如图7所示。这里另一个NPN型晶体管42提供电流到晶体管34的基极，晶体管34由电阻44和46提供直流偏压。在这一电路中，电容器48连接在晶体管42的基极和VB端之间，有效地连接此电容器到晶体管42的基极发射极电压加上晶体管34的基极发射极电压的串联组合上。于此，在象图7那样的电路中，晶体管42一般会比晶体管34小很多，可能成比例使得两晶体管的操作电流强度近似相等。这使得两晶体管的VBE在操作时近似相等，另外，电阻50和电容器52连接在晶体管34的基极和发射极之间，电阻50成为晶体管42漏电电流的漏极，避免了仅通过漏电电流而使晶体管34的错误导通。另外电阻50和电容器52以及晶体管的基极阻抗一起提供了一个频率相关RC电路，它在较高频率上还进一步箝位晶体管34的基极发射极电压使之在这些频率上不变，锐化图6中阻抗对频率曲线从低频低阻特性向高频高阻特性的过渡。
图7还显示了一个电流限制电路，包括晶体管35和电阻37，电阻和晶体管34的发射极串联，选用电阻37的目的是使得当达到预设的电流极限值时，电阻上的电压降将仅开始导通晶体管35。这又会保持降低晶体管42基极上的电压，趋于限制晶体管42和34的开通以限制电路上的电流。此电路在电流近似为0.7/R37安培时将限制电流。还有电阻R37的存在增加了电路的直流阻抗的同时，交流阻抗出现了一个按比例和期望的增长，两者都是在恰当的范围内对正确的电路运作时发生。
图7的电路串接晶体管42的基极发射极电压和晶体管34的基极发射极电压，在运作中使晶体管42的基极电压约为1.4伏。由于要为对晶体管42的基极加偏压留一些余地，所以典型地按照图7的整个电路在正常运作电流情况下将有一个近似为2伏的VA-VB电压降，然而这一电压降值可通过采用两个不同的导体类型的晶体管减少。最好是相反导体类型的晶体管，如图8所示。这里，承载初级电流的NPN型晶体管34的基极通过并联的电阻50和电容器52，如图7所示，连至它的发射极，虽然通过一个PNP型晶体管54向晶体管34的基极提供偏置电流，而晶体管54又使它的基极发射极电压由电阻56和58的串联来提供偏压。最后，连接在晶体管54的基极和发射极之间电容器60在基极和发射极之间提供交流耦合，以箝位高频时的电压。这一电路具有有效极联两个RC网络，锐化低频低阻特性和高频高阻特性(见图6)之间的过渡的优点。它还具有两个晶体管的基极发射极电压是非增性的优点，使得如图8所示类型的电路可操作在比图7的相应电路更低的VA-VB电压降上。这一电路中的电流的限制是通过限制电阻43上的趋于导通晶体管41的电流，和限制扩充晶体管54和34的可能导通来实现的。
图8所示的晶体管部分的级联可通过交替采用NPN型和PNP型部分且不增加相对很低的VA-VB操作电压降按需要继续下去的。例如图9例子，其中图8的电路被扩展了一个部分。这又锐化了电路从低频特性到高频特性的过渡。关于这一点，象图10可能见到的那样，在本发明的应用中，最好是本发明的节点电源隔离器的低动态阻抗一直到500Hz都很低，并且在约5KHz处相当彻底地转移到高动态阻抗特性而且保持高阻抗特性水平至少到150KHz。
最后，要注意的是，尽管本发明优选实施例采用图7和图8的电路，任何公开的电路可容易地由相反导体类型的晶体管构成。通过一个具体的例子，图11的电路仅是图9的电路完全地翻转一个水平轴，以及用PNP型晶体管代替NPN型晶体管，并且图9的NPN型晶体管用PNP型晶体管来代替。
图7和图8的优选电路的代表值为
对图7R37＝100hmsR44＝51kohmsR46＝100kohmsR50＝10kohmsC48＝1.0μfC52＝0.68μf对图8R43＝10ohmsR50＝6.2kohmsR56＝51kohmsR58＝100kohmsC52＝1.0μfC60＝2.0μf任何情形下，对线路提供20到30kohms的交流负载或更高的电阻值的电源隔离器，可由本发明很容易地实现。对把直流电源供给线路而不在线上加载信号，可采用与这相同的电源隔离器，虽然通常有较高的功率(电流)容量。这由图12示意，其中信源电源62通过信源电源隔离器64耦合到传输线20和22。图12还示意了电阻70和电容器72的串联以在信号频率上提供线路终端功能。
尽管公开和描述了本发明的优选的和各种替代的实施例，对本领域的技术人员来说，形式上和细节上的各种变化可能在这里发生但不脱离实质和范围，这一点是显而易见的。
权利要求
1.对于在具有两个导体传输线和多个节点的数据传输系统中的应用，用于连接在一个节点和传输线之间以从两个传输线导体间存在直流电压(交流数据信号可能加载其上)的传输线上获得节点电源的电源隔离器包括，一个节点电源隔离器带有第一接线和第二接线，一个接线用来耦合到一个传输线导体，另一个接线用来耦合到传输线节点；节点电源隔离器有一个晶体管，晶体管有一个发射极，一个基极和一个集电极，集电极连接到第一接线而发射极连接到第二接线；和连接到晶体管的基极为晶体管的基极加直流偏压，以使晶体管由于发射极和集电极间的电压的增加而传导一个增加的电流量，并提供晶体管的基极和发射极间的交流去耦合，由此节点电源隔离器的第一接线和第二接线间的直流电压将致使直流在那里流过，同时节点电源隔离器将提供一个很大的阻抗给传输线上的交流数据信号。
2.权利要求1的节点电源隔离器，其中该装置被连接到晶体管的基极，晶体管的基极加直流偏置，以使晶体管由于发射极和集电极间的电压增加而传导一个增加的电流量，以及提供在晶体管的基极和发射极间的交流去耦的装置包含耦合在晶体管的基极和发射极间的一个电阻和一个电容器，以及一个耦合在晶体管的基极和集电极间的电阻。
3.权利要求1的节点电源隔离器，其中该装置连接到晶体管的基极，以在晶体管的基极和发射极间提供交流去耦，装置包含一个耦合在晶体管的基极和发射极间的电容器。
4.权利要求1的节点电源隔离器还包含电流限制装置，用来限制流过节点电源隔离器的电流。
5.对于在具有两个导体传输线和多个节点的数据传输系统中的应用，用于连接在节点和传输线之间，以从两个传输线导体间存在直流电压(交流数据信号可能加载其上)的传输线上获得节点电源的电源隔离器包含一个节点电源隔离器带有第一接线和第二接线、一个接线用来耦合到一个传输线导体，另一个接线用来耦合到传输线节点；节点电源隔离器有多个晶体管，每个晶体管都有一个发射极，一个基极和一个集电极，第一个晶体管使其集电极连接到第一接线而它的发射极连接到第二接线上；每一后续晶体管使其发射极和集电极中的一个连接到前一个晶体管的基极，而发射极和集电极中的另一个连接到第一和第二接线中的一个。耦合到多个晶体管的最后一个的基极的装置，用来给此晶体管的基极加直流偏压，以使晶体管由于发射极和集电极间的电压的增加而传导一个增加的电流量；连接在每一晶体管的基极和发射极间的装置在晶体管的基极和发射极间提供交流去耦；由此节点电源隔离器的第一接线和第二接线间的直流电压将使直流在那里流过，同时节点电源隔离器将提供一个很大的阻抗给传输线上的交流数据信号。
6.权利要求5的节点电源隔离器，其中连接到多个晶体管中的最后一个的基极的装置用于对此晶体管的基极加直流偏压，以致使晶体管由于发射极和集电极间的电压的增加而传导一个增加的电流量。此装置包含一个连接在基极和集电极间的电阻和另一个连接在晶体管的基极和发射极间的电阻，以及连接在每一晶体管的基极和发射极间的，以提供晶体管的基极和发射极间的交流去耦的装置，它包含一个电容器。
7.权利要求5或6的节点电源隔离器，其中多个晶体管都是相同导体类型，以及所有晶体管的集电极都连接到第一和第二接线中某一个上。
8.权利要求5或6的节点电源隔离器，其中，多个晶体管为交替的导体类型，第一导体类型的所有晶体管的集电极连接到第一和第二接线中的相同的一个上，且第二导体类型的所有晶体管的集电极连接到第一和第二接线中的另一个上。
9.权利要求5中的节点电源隔离器还包含电流限制装置，用来限制流过节点电源隔离器的电流。
10.对于在具有两个导体传输线和多个节点的数据传输系统中的应用，用于在一个节点和传输线间连接，以从两个传输线导体间存在直流电压(交流数据信号可能加载其上)的传输线上获得节点电源的电源隔离器包含一个节点电源隔离器带有第一正极性接线和第二负极性接线，一个接线用来连接到一个传输线导体上，而另一个接线用来连接到传输线节点；此节点电源隔离器具有多个晶体管，NPN型和PNP型导体类型交替放置，每个具有一个发射极，一个基极和一个集电极，所有PNP型晶体管的发射极连接到正极性接线而所有NPN型晶体管的发射极连接到负极性接线上；第一个晶体管使它的发射极和集电极与第一和第二接线顺序串接；每一后续晶体管使它的集电极连接的前一晶体管的基极；一个电阻，连接在多个晶体管的最后一个的基极和集电极间；和一个电阻，连接在基极和发射极间，用于对此晶体管的基极加直流偏压，以致使晶体管由于发射极和集电极间电压的增加而传导一个增加的电流量；和一个电容，连接在每个晶体管的基极和发射极间，以提供此晶体管的基极和发射极间的交流去耦；由此节点电源隔离器的第一接线和第二接线间的直流电压将致使直流在那里流过，同时节点电源隔离器将提供一个很大的阻抗给传输线上的交流数据信号。
11.权利要求10中的节点电源隔离器，其中每个晶体管有一个电阻连接在它的基极和发射极之间。
12.权利要求10中的节点电源隔离器还包含电流限制装置用来限制流过节点电源隔离器的电流。
全文摘要
用于连接两导体传输线(诸如双纽线对)网络的节点到网络的节点电源隔离器，以便能使网络自身对节点提供直流供电，而不显著衰减网络上的信号电平，并且不会干扰节点从网络接收或往网络发送信号的能力。通过电源隔离器(26a，26b)的电流经与每个传输线(20，22)相串接的晶体管(34)流到节点连接上，而晶体管(34)的基极到发射基间的电压在有关信号频率上嵌位在基本恒定值，或者直接地通过连接在那里的电容(40)，另一个电路有一个连接在另一个晶体管(42)的基极和发射极之间的电容(42)或二者。公开了各种实施例。
文档编号H04L12/10GK1130008SQ94193216
公开日1996年8月28日 申请日期1994年5月3日 优先权日1993年7月14日
发明者D·D·包曼 申请人:艾希隆公司