[发明专利]一种FF总线无源调节器及参数确定方法

说明书

本发明提出了一种FF总线无源调节器，包括第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1和第二电感L2的一端分别用于耦接稳压电源正负极，第一电感L1和第二电感L2的另一端用于耦接FF总线H1网段；还提出了一种FF总线无源调节器的参数确定方法，包括预设电感值，并基于预设电感值做出相应Vout‑f曲线，判断预设电感值是否满足终端电压Vout的要求，并调整相应的增大/减小，直至判断确认电感值范围；本发明的FF总线无源调节器，用电感天然的隔交通直元件特性替代有源方案，对理想无源调节器进行了改进，减少了对功率的消耗，并且保持了理想无源调节器的良好阻抗特性，元器件数量少，电路简单可靠，组成双端平衡拓扑，抗干扰能力强。

技术领域

本发明涉及工业自动化的现场总线领域，尤其是一种FF总线无源调节器及其参数确定方法。

背景技术

在自动化领域，二线制现场总线中应用最广泛的两种总线类型为FF现场总线和Profibus PA。这两种总线的对信号传输的物理层要求是一致的。均为在一条双绞屏蔽线上实现信号和电源的同时传输，其信号的传输是通过在总线上调制一个频率为31.25kHz的交流电流，大小为±10mA，该电流经过在与总线相匹配的两个终端阻抗(这两个终端阻抗应当分布在总线的两端，其典型值为100 Ω)的转化，转变成一个交变电压，从而能够被总线上的其他设备接收。

在FF现场总线技术中，稳压电源的输出必须经过FF电源调节器调节后才能为H1网段供电。FF电源调节器既要保证正常的直流输出，又要防止现场总线信号被电源吸收从而影响总线通讯。

为了达到现场总线通讯的要求，FF电源调节器提供的总阻抗应相当于一个不小于5mH电感的感抗。传统的FF有源调节器利用运放的有源电路来模拟理想电感，这种模拟方案体积小，价格便宜，但是其对运放速度摆率要求较高，大电流情况下对电阻的要求高，且平衡性能、抗共模干扰能力差，长距离总线通信时的可靠性难以保证。

而对于普通电源来说，其交流阻抗非常小，若总线直接用普通电源供电，那么总线上被调制的交流电流大部分会流向交流阻抗较小的电源，而不是终端电阻，那么总线电压将会是一个相对稳定的值，从而达不到在总线上叠加一个交变信号的目的。为了防止以上现象的发生，就需要在电源和总线之间增加电源调节器电路，该电路的作用是在总线信号的工作频率范围内，提供一个交流大阻抗，该阻抗应当远远大于总线上的匹配终端阻抗，可以使总线设备调制的交流电流大部分都流向匹配终端阻抗，从而达到在总线上叠加一个交变电压信号的目的。另一方面，还要为电源提供一个直流通路，能够为现场设备提供较大的电流，由于总线电流会比较大，为了防止直流通道上的压降过大，导致电源效率损失过多，其直流阻抗应当尽量小。综合信号以及电源两个方面的要求，传统的FF有源调节器利用运放的有源电路来模拟理想电感。如图1和图2所示，为有源调节器应用的两个典型的例子。

但是采用有源调节器存在以下缺点，总线信号传输的速率典型值为 31.25kbit/s，为了保证该信号的波形不失真，通常调节器电路总的电感量需要不小于5mH，有源运放电路利用阻容元件模拟实际电感。它的阻抗表达式为： Z＝R1+jw(R1*R2*C1)，其中L＝R1*R2*C1。利用uF级电容模拟mH级电感，则相差一个数量级的带宽需要靠运放来补偿，因此对运放的摆率要求很高；其次，总线过大电流时为了保证总线正常的直流输出，R1上的压降不能太大，因此R1必须足够小；另外，由于FF总线复杂的现场环境，有源滤波器的抗干扰能力也存在一定的问题。上述种种因素导致有源调节器的设计与应用受到较大限制，不利于产品的整体可靠性提升。

如果采用理想无源调节器，如图3所示，为理想无源调节器的电路示意图，图中Lp为调节器电感、Rp为调节器串联电阻，RT、CT组成总线终端[RT＝100Ω、 CT＝1uF]，

该电路的交流阻抗等效为

可以看出，理想无源调节器利用LR电路和终端CR电路的相互作用消除频率对总线阻抗的影响，使其在全频率段范围内等效为一个R的电阻，而保证了总线阻抗不受频率波动的影响。