功率/数据电耦合器

摘要

本发明涉及一种功率/数据电耦合器，所述功率/数据电耦合器被设计为在双线总线上发送或接收数据信号并且向所述双线总线传送电源电位或者在所述双线总线处接收电源电位。这种耦合器包括：变压器，所述变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第二绕组和第三绕组利用连接至电源线的公共端子和连接至双线总线的其它两个端子串联连接在一起。所述耦合器还包括：第二隔离变压器，所述第二隔离变压器连接在所述第一变压器与所述双线总线之间。根据本发明，所述第二绕组和第三绕组共用的所述端子经由带阻滤波器(90；100)连接至所述电源线，所述带阻滤波器(90；100)抑制包括通过将所述隔离变压器(70；80)和所述变压器(30；50)相关联产生的一个或者多个谐振频率的一个或者多个频带。本发明还涉及一种耦合系统，所述耦合系统包括以上描述的两个耦合器以及电源的数据传输网络。

权利要求

1.一种如下类型的功率/数据电耦合器(20T；20R)，所述功率/数据电耦合器包括：

变压器(30；50)，所述变压器(30；50)由被设计为接收或者传送数据信号的第一绕组(31；51)、以及第二绕组和第三绕组(32和33；52和53)组成，所述第二绕组和所述第三绕组(32和33；52和53)彼此并且与所述第一绕组(31；51)磁耦合，并且所述第二绕组和所述第三绕组(32和33；52和53)通过连接至电源线(22L；21L)的公共端子彼此串联连接，隔离变压器(70；80)，所述隔离变压器(70；80)由彼此磁耦合的两个相同绕组组成，所述隔离变压器(70；80)的相应绕组的第一端子连接至所述变压器(30；50)的所述第二绕组和所述第三绕组的端子并且所述隔离变压器(70；80)的所述相应绕组的第二端子连接至双线总线(T；R)，所述变压器(30；50；70；80)的所述绕组使得所述电耦合器在差模下向所述总线(T)传送数据信号或者从所述总线(R)接收数据信号，并且在共模下向所述总线(T)传送所述电源线的电源电位(U1；U2)或者从所述总线(R)接收所述电源线的电源电位(U1；U2)，其特征在于，所述第二绕组和所述第三绕组(32和33；52和53)公共的所述端子通过带阻滤波器(90；

100)连接至所述电源线(22L；21L)，所述滤波器(90；100)抑制包括通过将所述隔离变压器(70；80)和所述变压器(30；50)相关联产生的一个或者多个谐振频率的一个或者多个频带。

2.根据权利要求1所述的电耦合器，其特征在于，所述电耦合器进一步包括：低通滤波器(110；120)，所述低通滤波器(110；120)在所述带阻滤波器(90；100)与所述电源线(22L；

21L)之间。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的电耦合器，其特征在于，所述变压器(30；50)包括第四绕组(34；54)，所述第四绕组(34；54)的端子连接至磁耦合并且卷绕在与另一个变压器(130；140)不同的方向上的两个相同绕组(131和132；141和142)的第一端子，所述两个绕组(131和132；141和142)的第二端子连接至机械接地。

4.一种耦合系统(200)，其特征在于，所述耦合系统(200)包括两个根据前述权利要求中的任一项所述的电耦合器(20T和20R)，所述电耦合器中的第一电耦合器(20T)连接至第一双线总线(T)以在所述第一双线总线(T)上发送由控制单元传送至所述第一耦合器(20T)的数据，并且将所述第一双线总线升高到第一电源电位(U1)或者在所述第一双线总线(T)上接收第一电源电位(U1)，并且所述耦合器中的第二耦合器(20R)连接至第二双线总线(R)以在所述第二双线总线(R)上接收数据并且将所述第二双线总线升高到第二电源电位(U2)或者在所述第二双线总线(R)上接收第二电源电位(U2)，所述数据由所述第二耦合器(20R)传送至控制单元。

5.根据权利要求4所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统包括：电隔离变压器(150)，所述电隔离变压器(150)的一次绕组(151)连接至外围设备以给所述外围设备供电或者连接至电源，并且所述电隔离变压器(150)的二次绕组(152)连接至相应电耦合器的所述电源线。

6.一种数据和电源传输网络，所述数据和电源传输网络被设计为经由双线总线将电致动器耦合至控制单元并且耦合至电源，其特征在于，所述数据和电源传输网络包括多个根据权利要求1至3中的任一项所述的电耦合器或者多个根据权利要求4或者5所述的耦合系统。

说明书

功率/数据电耦合器

[0001] 本发明涉及一种功率/数据电耦合器。这种电耦合器被设计为在双线总线上发送由控制单元传送的数据信号或者从所述双线总线接收数据信号并且将它们传送至控制单元。提供该电耦合器还用于向所述双线总线传送电源电位或者从所述双线总线接收电源电位。例如，这种功率/数据耦合器用于通过形成数据和电源传输网络经由双线总线将电致动器耦合至控制单元和电源。例如，这种网络安装在飞机上。

[0002] 如下文将理解的，当将根据本发明的电耦合器成对分组在一起时，根据本发明的电耦合器形成所谓的耦合系统。

[0003] 这种功率/数据电耦合器的各种实施例是已知的，并且例如，可以参照在专利公开CA 2699584、FR 2993106和FR 2937199中描述的那些示例。关于图1描述了另一等效实施方式以更好地呈现本发明需要解决的问题。

[0004] 图1示出了这种数据和电源传输网络的一部分，该数据和电源传输网络包括致动器10和两个耦合系统2001和2002。致动器10连接至系统2001以便：首先，通过引脚21和22分别以第一电位U1和第二电位U2给致动器供电；其次，经由引脚23通过网络来发送数据，或者经由引脚24从网络接收数据。同样，耦合系统2002包括引脚21和22，以给连接至所述引脚21和22的致动器(未示出)供电，或者升高到来自电源(未示出)的第一电源电位U1和第二电源电位U2。该数据和电源传输网络还包括用于分别例如从外围设备(诸如，致动器)或者控制单元(诸如，计算机)接收和发送数据信号的引脚23和24。耦合系统2001和2002经由其相应引脚25、26、27、和28连接至两对接线T和R，这两对接线T和R分别用于传输由致动器或者控制单元发送的数据信号和想要用于网络的致动器或者控制单元的数据信号。可以将除了示出的那些电耦合系统之外的其它电耦合系统连接至用于其它致动器或者控制单元的接线T和R，这些接线对T和R然后均形成双线总线。另外，接线对T、R中的每根接线处于电源电位U1；U2，并且因此，将来自电源的电源电流传输至致动器。如下文将明白的，在差模下在双线总线T和R上传输数据，在共模下传输电源电流。

[0005] 在图1中，详细描述了耦合系统2002的结构。该耦合系统2002包括电耦合器20T和20R。电耦合器20T专用于通过双线总线T来发送数据信号。为此，电耦合器20T连接至所述双线总线T以在所述双线总线T上发送由连接至引脚23的控制单元(未示出)传送的数据信号。
此外，引脚23上的电源电位U1是双线总线T的每根接线的电源电位。第二耦合器20R专用于接收存在于双线总线R上的数据信号。为此，第二耦合器20R连接至所述双线总线R以在所述双线总线R上接收其数据信号并且将数据信号传送至连接至引脚24的控制单元(未示出)。
此外，引脚21上的电源电位U2是所述双线总线R的每根接线的电源电位。

[0006] 电耦合器20T包括第一变压器30，该第一变压器30的绕组31的端子经由相应阻抗匹配电阻器连接至放大器40的两个输出端，该放大器40在其输入端处接收存在于引脚23上的数据信号。该绕组31产生激励变压器30的另外两个相同绕组32和33的磁通量。这些绕组32和33利用公共端子和连接至引脚23和26并且因此连接至接线对T的另外两个端子串联连接在一起。卷绕这些绕组32和33，使得它们从绕组31接收相同磁通量并且将相同信号传送至它们的端子(参见为此目的使用符号点的表示)。两个绕组32和33的公共端子通过电源线
22L连接至耦合器20T的引脚22，以根据所讨论的电耦合器的使用方法在引脚22上接收或者传送电源电位U1。

[0007] 同样，电耦合器20R还包括第二变压器50，该第二变压器50的两个相同绕组52和53利用公共端子和连接至引脚27和28并且因此连接至接线对R的另外两个端子串联连接在一起。该电耦合器20R包括第三绕组51，该第三绕组51的端子经由阻抗匹配电阻器连接至放大器60的输入端，该放大器60的输出端连接至电连接器20R的引脚24以向外围设备传送数据。卷绕绕组52和53，使得其相应磁通量相加以激励绕组51(参见为此目的的符号点)。两个绕组52和53的公共端子通过电源线21L连接至耦合器的引脚21，以根据耦合器的使用方法在引脚21上接收或者传送电源电位U2。

[0008] 当电源连接至引脚21和22时，经由绕组32和33中的每个在接线对T中的每根接线上发现电位U1，并且经由绕组52和53中的每个在接线对R中的每根接线上发现针对该部分的电位U2。相反，当致动器连接至引脚21和22时，存在于接线对T中的每根接线上的电位U1被发现在绕组32和33的公共点处并且因此在电源线22L上，并且存在于接线对R中的每根接线上的电位U2被发现在绕组52和53的公共点处并且因此在电源线22L和引脚21上。这是共模。

[0009] 在由放大器40放大之后，存在于引脚23上的数据信号激励绕组31，该绕组31生成由绕组32和33捕获的磁通量，该绕组31和32在接线对T中的相应接线上生成相反振幅的数据信号。同样，分别存在于接线对R的接线上的具有相反振幅的数据信号生成磁通量，将该磁通量的绝对振幅添加到绕组52和53中，然后激励绕组51，该绕组51然后生成差分数据信号，该差分数据信号在由放大器60放大之后被提供至用于外围设备的引脚24。这就是差模。

[0010] 因此，在差模下在接线对R和T上传输数据，而在共模下在一个方向上或者另一方向上传输用于该部分的电源电流。

[0011] 通过电源电位U1与U2之间的差值生成电压，并且构成对致动器的供电可以是相对低频率(例如，小于1MHz)的直流电或交流电，而数据传输频率可以更高(例如，对于以太网类型的传输，几百MHz)。

[0012] 应该注意，特定耦合系统可以仅包括一个电耦合器，该电耦合器然后将专用于通过双线总线T发送数据信号，或者专用于接收存在于双线总线R上的数据信号。

[0013] 每个电耦合器(诸如，图1中的电耦合器20R和20T)的这种特定结构在杂散高频电流流过双线总线T或者R时可能会引起问题。在闪电击中安装有包括耦合系统的网络(包括所讨论的所述电耦合器并且总线R和T)的飞机的情况下，或者在高频测试(诸如，标准DO-160推荐的那些高频测试)期间，可能会发生这种情况。这些高频电流被发现在电源线22L和
21L上，并且可能会损坏连接至耦合系统2002的引脚21和22的电源或者外围设备。它们还可能会损坏放大器40和60。

[0014] 在图2中示出了现有技术的另一个实施方式。与图1中的元件相同的元件具有相同标记。对于与双线总线T对应的路径，除了图1中已经存在的元件之外，所示出的耦合系统200的电耦合器20T还包括由磁耦合的两个相同绕组组成的隔离变压器70，该隔离变压器的输入端子(用点标记)连接至耦合系统200的旨在连接至双线总线T的引脚25和26，并且该隔离变压器的输出端子(用点标记)分别连接至变压器30的绕组32和33的端子。由该变压器70在共模下传输的信号被高度衰减，而在差模下传输的信号不被高度衰减。在差模下传输高频数据信号(高频数据信号在总线T的接线上的电位是不同的)，并且因此，不被变压器70干扰。另一方面，在共模下传输高频杂散信号(高频杂散信号在总线T的接线上的电位基本相等)，使得它们在变压器30的绕组32和33的端子处被高度衰减。

[0015] 同样，对于与接线对R对应的路径，图2中的电耦合器20R包括具有与隔离变压器70的结构和功能相同的结构和功能的隔离变压器80。

[0016] 虽然该解决方案证明在一般情况下是令人完全满意的，但是其并不能解决上面针对某些频率提到的问题。本发明的目的是通过提出图2中的电耦合器的改进来解决这些问题，电耦合器的改进可以提高连接至该电耦合器的外围设备或者电源的安全性。

[0017] 为此，本发明涉及一种如下类型的功率/数据电耦合器，其包括：

[0018] 变压器，该变压器由被设计为接收或者传送数据信号的第一绕组、以及第二绕组和第三绕组组成，该第二绕组和第三绕组彼此并且与所述第一绕组磁耦合，并且该第二绕组和第三绕组利用连接至电源线的公共端子彼此串联连接，

[0019] 隔离变压器，该隔离变压器由彼此磁耦合的两个相同绕组组成，[0020] 所述隔离变压器的所述相应绕组的第一端子连接至所述变压器的第二绕组和第三绕组的端子并且所述隔离变压器的所述相应绕组的第二端子连接至双线总线，[0021] 所述变压器的绕组使得所述电耦合器在差模下向所述总线传送数据信号或者从所述总线接收数据信号，并且在共模下向所述总线传送所述电源线的电源电位或者从所述总线接收所述电源线的电源电位。

[0022] 根据本发明的一个特征，所述第二绕组和第三绕组共用的所述端子通过带阻滤波器连接至所述电源线，该带阻滤波器抑制(reject)包括通过将隔离变压器和变压器相关联产生的一个或者多个谐振频率的一个或者多个频带。

[0023] 根据本发明的另一特征，根据本发明的耦合器还包括：低通滤波器，该低通滤波器在所述带阻滤波器与所述电源线之间。

[0024] 根据本发明的另一特征，根据本发明的电耦合器的变压器包括：第四绕组，该第四绕组的端子连接至磁耦合并且在与另一个变压器不同的方向上卷绕的两个相同绕组的第一端子，所述两个绕组的第二端子连接至机械接地。

[0025] 本发明还涉及一种耦合系统，其特征在于，该耦合系统包括以上描述的两个电耦合器，所述电耦合器中的第一电耦合器连接至第一双线总线，以通过控制单元在第一双线总线上发送传送至所述第一耦合器的数据，并且将该第一双线总线升高到第一电源电位或者在第一双线总线上接收第一电源电位，并且所述耦合器中的第二耦合器连接至第二双线总线，以在第二双线总线上接收数据并且将该第二双线总线升高到第二电源电位或者在第二双线总线上接收第二电源电位，所述数据由所述第二耦合器传送至控制单元。

[0026] 根据本发明的另一特征，根据本发明的耦合系统包括：电隔离变压器，该电隔离变压器的一次绕组连接至外围设备以给外围设备供电或者连接至电源，并且该电隔离变压器的绕组连接至相应电耦合器的电源线。

[0027] 最后，本发明还涉及一种数据和电源传输网络，该数据和电源传输网络被设计为经由双线总线将电致动器耦合至控制单元并且耦合至电源，该数据和电源传输网络包括以上描述的多个电耦合器或者以上描述的多个耦合系统。

[0028] 本发明的上面提到的特征以及其它特征将通过阅读对示例实施方式的以下描述而更清楚地显现，关于附图给出所述描述，在该附图中：

[0029] 图1是结合设置有现有技术的电耦合器的耦合系统的数据和电源传输网络的框图；

[0030] 图2是根据现有技术的实施方式的包括两个电耦合器的耦合系统(图1中的耦合系统的改进)的框图；

[0031] 图3是根据本发明的第一实施方式的包括两个电耦合器的耦合系统的框图；

[0032] 图4是根据本发明的第二实施方式的包括两个电耦合器的耦合系统的框图；

[0033] 图5是根据本发明的第三实施方式的包括两个电耦合器的耦合系统的框图；

[0034] 图6是根据本发明的第四实施方式的包括两个电耦合器的耦合系统的框图。

[0035] 本发明开始于以下发现：仍然存在于图2的相应电耦合器20T和20R的电源线22L和21L上的高频杂散信号具有基本上相同频率F0或者包括主频率和二次频率的相同频率F0，诸如，主谐振频率的谐波或者次谐波，并且该频率F0或者每个频率F0与通过将变压器70(或者分别地，变压器80)和变压器30(或者分别地，变压器50)相关联产生的该谐振频率或者谐振频率对应。简而言之，这是因为在高频和共模下，变压器70(或者80)相当于电感器。在高频下，在绕组32和33(52和53)的端子处的变压器30(或者50)具有并非无关紧要的电容组件。该电感器和电容组件一起形成谐振频率为F0的谐振电路(陷波器)。

[0036] 应该注意，可以通过在共模(在引脚25和26上的相同信号)下向变压器70供电并且通过测量在变压器30的绕组32和33的公共端子上的信号的振幅来实验性地确定该谐振频率F0或者每个谐振频率F0。在主谐振频率处，该振幅最大。对于二次频率，也可能存在振幅最大值，诸如，主谐振频率F0的谐波或者次谐波。还可以通过考虑构成变压器30和70(或者分别地，变压器50和80)的物理特性的计算来确定该谐振频率F0或者每个谐振频率F0。最后，还可以通过合适模拟器的模拟来确定该谐振频率F0或者每个谐振频率F0。

[0037] 旨在按照与图1中的耦合系统2001和2002相同的方式来实现根据本发明的耦合系统。因此，在图3中示出的根据本发明的第一实施方式的耦合系统200包括与图1和图2中的耦合系统2001和2002相同的引脚，尤其是用于向网络的双线总线T发送数据的引脚25和26、用于从双线总线R接收数据的引脚27和28、分别处于根据耦合系统用于电源或者外围设备的电位U2和U1的引脚21和22、和分别用于接收由外围设备(诸如，致动器或者控制单元)发送的数据或者用于向这种外围设备发送数据的引脚23和24。

[0038] 如可以看出的，图3中的耦合系统200包括在图2的耦合系统200中已经存在的元件。因此，这些相同元件具有与图2中相同的标记，并且此处不再进行描述。

[0039] 因此，根据本发明的第一实施方式的耦合系统200包括两个电耦合器20T和20R。

[0040] 图3中的电耦合器20T与关于图2描述的电耦合器20T的不同之处在于：图3中的电耦合器20T包括带阻滤波器90。该带阻滤波器90具有连接至变压器30的绕组32和33的公共端子的端子和连接至承载电位U1的电源线22L的另一个端子。该滤波器90被设计为抑制包括隔离变压器70和变压器30的一个或者多个谐振频率F0的一个或者多个频带。例如，根据简单实施方式，滤波器90由陷波电路构成，该陷波电路由电感器和电容器形成(如此处的并联或者串联)，并且该陷波电路的谐振频率F1等于隔离变压器70和变压器30的主谐振频率F0。在该频率F1处，滤波器90具有非常高阻抗，这具有将承载变压器30的电位U1的引脚22尤其是与其绕组32与33之间的公共端子隔离的作用。

[0041] 同样，在图3中示出的电耦合器20R还包括带阻滤波器100，该带阻滤波器的端子连接至变压器50的绕组52和53的公共端子，并且该带阻滤波器的另一个端子连接至承载电位U2的电源线21L。该滤波器100被设计为抑制包括隔离变压器80和变压器50的一个或者多个谐振频率F0的一个或者多个频带。例如，根据简单实施方式，滤波器100同样由陷波电路形成，该陷波电路由电感器和电容器形成(并联或者串联)，并且该陷波电路的谐振频率F1等于隔离变压器80和变压器50的主谐振频率F0。该滤波器100的功能与滤波器90的功能相同。

[0042] 如下起作用：在存在于接线对T和R中的接线上的高频杂散电流(例如，在高频测试期间由闪电生成的或者注入的高频杂散电流)中，具有接近隔离变压器70(或者80)和变压器30(或者分别地，变压器50)的一个或者多个频率F0的频率的高频杂散电流由于在变压器70(或者80)和30(或者50)处的谐振而在绕组32和33(或者分别地，绕组52和53)的公共端子上具有相对高振幅，但是由相应滤波器90和100抑制并且因此在连接至引脚21和22的电源线21L和22L上未被发现，这是对连接至这些引脚21和22的外围设备的保护。

[0043] 在图4中示出的实施方式中，每个电耦合器20T和20R还包括：低通滤波器110、120，该低通滤波器110、120在所述带阻滤波器90、100与承载对应电源电位U1、U2的电源线22L、21L之间。在示例实施方式中，低通滤波器110由简单电容器组成，该简单电容器设置在承载电位U1的电源线22L与设备的机械接地之间以使在该线22L上的高频信号最小化。同样，对于与双线总线R对应的路径，低通滤波器120由电容器组成，该电容器设置在承载电位U2的电源线21L与设备的机械接地之间，也使在该线21L上的高频信号最小化。

[0044] 阻抗在非常高频率处较低的每个电容器110、120与对应带阻滤波器100、110形成分频电桥(divider bridge)，进一步在承载电位U1、U2的端子处、尤其是在隔离变压器70和变压器30、50的谐振频率F0处最小化高频电压最小化高频电压。

[0045] 如果低通滤波器110、120是交变的，则低通滤波器110、120的截止频率低于通过将隔离变压器70、80和变压器30、50相关联产生的最低谐振频率，并且高于电位U1和U2的频率。

[0046] 图5示出了本发明的第三实施方式。根据该实施方式，电耦合器20T的变压器30与关于图4描述的电耦合器20T的变压器30的不同之处在于，电耦合器20T的变压器30现在包括第四绕组34，该第四绕组34的端子分别连接至变压器130的两个相同的绕组131和132的第一端子，该变压器130的两个相同绕组131和132的第二端子连接至安装有所讨论的电耦合器的设备的机械接地。绕组131和132被磁耦合并且卷绕在不同方向上(参见与这些绕组有关的符号点)。同样，电耦合器20R的变压器50包括第四绕组54，该第四绕组54的端子分别连接至变压器140的两个相同绕组141和142的第一端子，该变压器140的两个相同绕组141和142的第二端子连接至安装有所讨论的电耦合器的设备的机械接地。绕组141和142被磁耦合并且卷绕在不同方向上(参见与这些绕组有关的符号点)。

[0047] 绕组34在一方面的第一绕组31与另一方面的第二绕组和第三绕组32和33之间形成电容屏，该电容屏具有显著增加与变压器30的等效电容有关的主谐振频率F0的作用。此外，在存在于接线对T中的接线上的高频电流(例如，在高频测试期间由闪电造成的或者注入的高频电流)中，具有谐振频率F0的高频电流由于隔离变压器70和变压器30的阻抗而具有高振幅。高频电流激励绕组34，该绕组34经由变压器130的绕组131和132将高频电流切换至机械接地，在共模下，该变压器130具有低阻抗。因此，保护放大器40免受在变压器30的绕组31的端子处可能出现的其它电压。在这些频率范围之外，绕组131和132具有高阻抗，使得绕组34不形成电容屏。然后放大器40的功能不受绕组34的存在干扰。

[0048] 同样，绕组54在一方面的第一绕组51与另一方面的第二绕组和第三绕组52和53之间形成电容屏，该电容屏具有显著增加与变压器50的等效电容有关的主谐振频率F0的作用。另外，在存在于接线对R中的接线上的高频电流(例如，在高频测试期间由闪电造成的或者注入的高频电流)中，具有谐振频率F0的高频电流由于隔离变压器80和变压器50的阻抗而具有高振幅。高频电流激励绕组54，该绕组54经由变压器140的绕组142和132将高频电流切换至机械接地，在共模下，该变压器140具有低阻抗。在这些频率之外，绕组141和142具有高阻抗，使得绕组54不形成电容屏。

[0049] 作为图2至图5的主题的耦合系统被设计用于经由电源电位U1和U2(两者均为直流和低频交流)的电源(例如，低于1MHz，即，低于数据信号的频率(例如，大于100MHz)若干数量级)。图6中的实施方式提供了专门交流供电模式。与图3至图5中的实施方式相比较，图6中的实施方式包括电隔离变压器150，该电隔离变压器150的一次绕组151连接至连接有外围设备(未示出)以便在其上供电的引脚22和21，或者连接至电源(未示出)，并且该电隔离变压器150的绕组152连接至电源线22L和21L(此处为滤波器90和100的相应输出端)。在图6中的实施方式中，存在图5中的实施方式的所有元件。然而，要明白，该变压器150还可以类似地连接在图3和图4中的实施方式的电耦合器中。

[0050] 另外，还应该注意，变压器150可以不包括在电耦合器200中，并且因此安装在与该电耦合器200相隔一定距离的位置处。

[0051] 电耦合器20T和20R被描述为形成相同耦合系统的一部分，因此包括两个电耦合器，一个电耦合器20T专用于通过双线总线T发送数据信号，并且另一个电耦合器20R专用于接收存在于双线总线R上的数据信号。当以上描述的电耦合器是耦合系统的一部分或者相反被隔离时，本发明涉及该电耦合器。