用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅

摘要

本申请提供了一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅。所述电路包括：AD/DC单元，用于将供电电源的交流电压转换为直流电压，并提供至各单元；信号输出单元，所述信号输出单元包含解耦模块，所述解耦模块用于将输入经转换的电压耦合信号解耦并输出为电流信号；监控单元，用于监控所述电路中是否出现所述非功能安全状态；切断单元，其分别连接所述信号输出单元、及所述监控单元，用于当出现非功能安全状态时切断所述供电电源以达到输出安全状态。本申请可以同时传输多路信号给PLC或DCS，同时降低了输出通道的硬件成本。

说明书

技术领域

本申请涉及电路技术领域，特别是涉及一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅。

背景技术

安全隔离栅产品是将现场变送器、流量计以及温度传感器等设备的模拟量信号或温度量信号传输到PLC、DCS端以及相关SIS系统。在整个控制系统或信号传输回路中任何安全薄弱的环节一旦失效就可能造成故障或设备停车，更严重的还会造成灾难性后果。因此作为信号传递单元的隔离栅其功能安全性尤关重要。

在电流或电压模拟量信号以及温度类信号隔离传输过程中越来越多采用智能型来实现，在智能产品中对安全概念是越来越重视，因此功能安全认证也是越来越普及。而传统智能型产品在每个隔离侧都要使用MCU来诊断相关安全功能，因此带来的硬件成本压力很大。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请要解决的技术问题在于提供一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅，用于解决现有技术中的智能型隔离器、安全栅因采用双或多MCU，并且因现场PLC或DCS需采集的信号点数较多而导致其硬件成本居高不下的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路，所述电路包括：AD/DC单元，用于将供电电源的交流电压转换为直流电压，并提供至各单元；信号输出单元，所述信号输出单元包含解耦模块，所述解耦模块用于将输入经转换的电压耦合信号解耦并输出为电流信号；监控单元，用于监控所述电路中是否出现所述非功能安全状态；切断单元，其分别连接所述信号输出单元、及所述监控单元，用于当出现非功能安全状态时切断所述供电电源以达到输出安全状态。

于本申请的一实施例中，所述信号输出单元包括：解耦模块、第一场效应管、运算放大器；其中，所述解耦模块所解耦的电流信号流经用于吸收EMC干扰的EMC保护电路、及所述第一场效应管。

于本申请的一实施例中，所述EMC保护电路包括：瞬态抑制二极管、熔断器、第一电感、第二电感、第一电容、及第二电容；其中，所述瞬态抑制二极管两端分别作为所述电流信号输出端的正负极。

于本申请的一实施例中，所述EMC干扰种类包括：电快速脉冲群冲击、浪涌、及静电中任意一种或多种。

于本申请的一实施例中，所述监控单元包括：用于监控所述供电电源的第一监控电路、及用于监控传输信号精度的第二监电路；当所述第一监控电路监控到所述供电电源欠压时，和/或所述第二监控电路监控到所述传输信号精度超标时，所述第一监控电路和/或所述第二监控电路令所述切断单元切断所述供电电源以达到输出安全状态。

于本申请的一实施例中，所述第一监控电路包括：第一比较器、及分压电路；当所述供电电源的供电电压通过所述分压电路后，经所述第一比较器与基准电压进行比较，当所述供电电压低于所述基准电压而出现欠压时，所述第一比较器向所述切断单元输出表示出现所述非功能安全状态的电平信号。

于本申请的一实施例中，所述第二监控电路包括：第二比较器、第三比较器、及第一与门逻辑电路；其中，所述第二比较器与所述第三比较器分别将经转换的耦合电压与反馈电压进行比较，以判断是否超标；若精度超标时，则所述第一与门逻辑电路向所述切断单元输出表示出现所述非功能安全状态的电平信号。

于本申请的一实施例中，所述切断单元包括：第二场效应管、第三场效应管、及第二与门逻辑电路；所述第二与门逻辑电路接收所述监控单元输出的表示出现所述非功能安全状态的电平信号时，其输出切断电平信号以切管所述第二场效应管、及所述第三场效应管，以使所述供电电源不能输出以达到输出安全状态；反之则输出导通电平信号以导通所述第二场效应管、及所述第三场效应管。

于本申请的一实施例中，所述第二场效应管为N沟道增强型，所述第三场效应管为P沟道增强型。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种安全隔离栅，包括如上所述的用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路。

如上所述，本申请提供的一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅。所述电路包括：AD/DC单元，用于将供电电源的交流电压转换为直流电压，并提供至各单元；信号输出单元，所述信号输出单元包含解耦模块，所述解耦模块用于将输入经转换的电压耦合信号解耦并输出为电流信号；监控单元，用于监控所述电路中是否出现所述非功能安全状态；切断单元，其分别连接所述信号输出单元、及所述监控单元，用于当出现非功能安全状态时切断所述供电电源以达到输出安全状态。具有以下有益效果：

可以同时传输多路信号给PLC或DCS，同时降低了输出通道的硬件成本。

附图说明

图1为本申请实施例中的一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路的模块示意图。

图2为本申请实施例中的一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路的电路示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、““一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

安全栅，限制进入现场的能量，即限压限流，使现场线路无论在何种状态下都不会产生火花，从而不会引发爆炸，这种防爆方式就叫本质安全。

隔离式安全栅，即在安全栅的基础上加入了隔离功能，可以防止地环电流对信号的干扰，同时保护系统不受来自现场危险能量的影响。比如现场线路窜入了一个大电流，会打坏隔离栅而不会影响IO。

功能安全(Functional Safety)也称为机能安全，是指和一个系统或是设备整体安全的组成部分，其达成安全性的方式是靠系统或组成零件在接受输入讯号后，可以正常的动作。例如一个马达中加装温度感测器，若温度超过一定值，即停止马达运转，此机能就属于功能安全。

一般智能型功能安全隔离栅实现模拟量信号以及温度量信号的传输，通过软件计算转换输出到PLC、DCS或SIS系统。

本申请提出一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅，旨在通过硬件诊断实现单MCU的智能功能安全产品，极大程度降低硬件成本，提升产品竞争力。

如图1所示，展示本申请实施例中的一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路的模块示意图。如图所示，所述电路包括：

AD/DC单元110，用于将供电电源的交流电压转换为直流电压，并提供至各单元；

于本实施例中，所述AD/DC单元110通过变压器产生的交流电压经过其产生的直流电压，作用是给输出各个单元提供直流电源电压。

信号输出单元120，所述信号输出单元包含解耦模块121，所述解耦模块121用于将输入经转换的电压耦合信号解耦并输出为电流信号。

于本实施例中，所述解耦模块121中也即所述信号输出单元120中包含EMC保护电路，其主要作用是吸收EMC干扰，包括电快速脉冲群冲击、浪涌、静电等EMC干扰，提高信号传输的抗干扰能力。

电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

监控单元130，用于监控所述电路中是否出现所述非功能安全状态。

具体来说，所述监控单元130包括：用于监控所述供电电源的第一监控电路131、及用于监控传输信号精度的第二监电路132。

当所述第一监控电路监控到所述供电电源欠压时，和/或所述第二监控电路监控到所述传输信号精度超标时，所述第一监控电路和/或所述第二监控电路令所述切断单元140切断所述供电电源以达到输出安全状态。

切断单元140，其分别连接所述信号输出单元120、及所述监控单元130，用于当出现非功能安全状态时切断所述供电电源以达到输出安全状态。

如图2所示，展示为本申请于一实施例中用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路的电路示意图。如图所示，VCC2、VCC3为变压器产生的交流电压通过如图1中所述AC/DC单元110产生的直流电压，一是给输出各个单元提供电源电压，二是给基准芯片供电产生VCC2.5。

于本申请一实施例中，如图1所述的第一监控电路131包括：第一比较器U16A、及分压电路，其中，所述分压电路由电阻R2与电阻R49所构成。

当所述供电电源的供电电压通过所述分压电路后，经所述第一比较器U16A与基准电压VCC2.5进行比较，当所述供电电压低于所述基准电压VCC2.5而出现欠压时，所述第一比较器U16A向如图1中所述切断单元140输出表示出现所述非功能安全状态的电平信号，例如，以低电平表示出现所述非功能安全状态的电平信号。

于本申请一实施例中，如图1所述的所述第二监控电路132包括：第二比较器U16B、第三比较器U16C、及第一与门逻辑电路U11；

其中，所述第二比较器U16B与所述第三比较器U16C分别将经转换的耦合电压VOUT2与反馈电压(针对人为输入电压本电路中各节点所反馈的电压值)进行比较，以判断是否超标，若所述耦合电压VOUT2与所述反馈电压差距较大，则表示精度超标。

若精度超标时，则所述第一与门逻辑电路U11向所述切断单元输出表示出现所述非功能安全状态的电平信号，例如，第一与门逻辑电路U11的第4管脚输出低电平。

于本实施例中，所述第一比较器U16A、第二比较器U16B、第三比较器U16C为共用同一比较器器件，所述比较器包含14个引脚，各选取3个引脚分配至图2中U16A、U16B、U16C即可。

于本申请一实施例中，如图1所述的所述切断单元140包括：第二场效应管T11、第三场效应管T12、及第二与门逻辑电路U10。

所述第二与门逻辑电路U10接收如图1所述监控单元130，包括第一监控电路131和/或第二监控电路132，所输出的表示出现所述非功能安全状态的电平信号时，如低电平信号，其输出切断电平信号以切管所述第二场效应管T11、及所述第三场效应管T12，例如，第二与门逻辑电路U10的第4管脚输出低电平，以使所述供电电源不能输出以达到输出安全状态。

反之，第二与门逻辑电路U10的第4管脚输出高电平，以导通所述第二场效应管T11、及所述第三场效应管T12。

于本申请一实施例中，所述第二场效应管T11为NPN型，所述第三场效应管T12为PNP型。

于本申请一实施例中，如图1所述的信号输出单元120包括：解耦模块、第一场效应管T10、运算放大器U12；

其中，所述解耦模块所解耦的电流信号流经用于吸收EMC干扰的EMC保护电路、及所述第一场效应管T10，优先地，所述第一场效应管T11为NPN型。

于本申请一实施例中，所述EMC保护电路包括：瞬态抑制二极管TVS10、熔断器F6、第一电感L10、第二电感L11、第一电容C32、及第二电容C33。

于本实施中，具体来说，整个电流回路可以表示为：通过如图1所述的AC/DC单元110产生的直流电压VCC2通过切断单元140中的第三场效应管T12，流经第一电感L10，再到熔断器F6以作为输出端正极4+，经过正极负载流入5-，再到第二电感L11，经过第一场效应管T10到电阻R34回到GND2。

通过输入测量计算转换后给出一个VOUT1耦合电压，通过解耦电路使得回路电流I＝VOUT1/R34；其中，所述瞬态抑制二极管TVS10两端分别作为所述电流信号输出端的正负极。

本申请所述的用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路通过硬件诊断技术能够达到输出功能安全的要求。

于本申请实施例中，本申请提供一种安全隔离栅，包括图1所述的用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路。

综上所述，一种用于智能功能安全隔离栅的硬件诊断电路、安全隔离栅。所述电路包括：AD/DC单元，用于将供电电源的交流电压转换为直流电压，并提供至各单元；信号输出单元，所述信号输出单元包含解耦模块，所述解耦模块用于将输入经转换的电压耦合信号解耦并输出为电流信号；监控单元，用于监控所述电路中是否出现所述非功能安全状态；切断单元，其分别连接所述信号输出单元、及所述监控单元，用于当出现非功能安全状态时切断所述供电电源以达到输出安全状态。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。