用於通信設備的本質安全操作的方法和裝置的製作方法
2023-04-29 09:35:01
專利名稱：用於通信設備的本質安全操作的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本公開通常涉及通信設備，並且更具體地涉及這樣的設備的本質安全操作。
背景技術：
雙向無線電裝置、手機以及其他手持式通信設備經常在易燃的或可能爆炸的區域中使用。意圖用於危險的或可能爆炸的環境的無線電裝置可能要求通過諸如工廠相互保險組織(Factory Mutual) (FM)的機構所進行的「本質安全」型認證，或者符合歐盟的ATEX(來自法語——ATmosphere EXplosible)。當處理電池供電的無線電裝置時，防止位於電池和無線電裝置之間的接觸處產生火花對於滿足本質安全操作要求來說是必須的。由於平滑化到發射機功率放大器的峰值電流所需的大的電容器的供應以及用於其他電路的濾波器電容，使得在處理本質安全操作時，諸如無線電脈衝發射機的特定電路設計特別受到關注。典型地，完成這樣的平滑化可能需要IOOOuF至5000uF的電容值，並且該電容值可能分布在電路中。由於下述原因，在本質安全系統中，大的電容是有問題的(1) 一旦附連就需要大量的能量來對無線電裝置電容進行充電(湧入)；以及(2)如果從無線電裝置移除電池以及電池短路時，該大量的能量以電容保留在無線電裝置中，並且在接觸處暴露。一旦附連到無線電裝置，電池中的能量就對該電容快速進行充電，產生使火花生成的電勢。同樣的，當從無線電裝置移除電池時，如果在能量以其他方式耗散之前無線電裝置的接觸被短路，則存儲在無線電裝置中的能量可能被迅速放電。在危險環境中，由於這些情形中的任何一個而生成的火花可能引起爆炸。對於本質安全的目前提供的方法中沒有任何一個解決了在暴露的無線電裝置的接觸上的可能的短路放電情況。因此，需要改進的本質安全電路以及提供電池供電的通信設備的本質安全電路操作的方式。
在各個附圖中，相同的附圖標記指代相同或功能上類似的要素，並且附圖與下述具體實施方式
一起併入本說明書並且形成說明書的一部分，附圖用於進一步圖示根據本發明的全部各種實施例並且用於解釋全部各種原理和優點。圖1是根據本發明的各種實施例的通信設備。圖2是根據本發明的各種實施例的通信設備。圖3是根據本發明的各種實施例的通信設備。圖4是根據本發明的各種實施例的通信設備。圖5是根據本發明的各種實施例的用於通信設備的本質安全操作的方法的流程圖。本領域技術人員應當認識到，附圖中的要素為了簡單和清楚而進行圖示，並且不必按比例繪製。例如，附圖中的一些要素的尺寸可能相對於其他要素被放大，以有助於促進對本發明實施例的理解。
具體實施例方式在詳細描述根據本發明的實施例之前，應當注意到，實施例主要屬於涉及通過防止在將電池附連到無線電裝置以及從無線電裝置移除電池期間在暴露的無線電裝置的接觸處產生火花的本質安全通信設備的方法、步驟和裝置部件的組合。通過使用開關來使存儲在無線電裝置電容器中的能量與暴露的無線電裝置的接觸進行隔離和/或通過耗散來自無線電裝置電容器的能量來實現火花的防止。在此處的描述中，給出了許多特定示例以提供對本發明的各種實施例的全面理解。示例僅為了說明性的目的而被包括進來，並且並不意在以是窮盡的或者以任何方式限制本發明。應當注意，在本發明的精神和範圍內，各種等效變體都是可能的。然而，本領域技術人員應當意識到，可以在有或者沒有描述中所提到的裝置、系統、組件、方法、部件的情況下來實踐本發明的實施例。圖1是根據本發明的實施例形成的通信設備100的部分框圖。通信設備100包括無線電裝置102以及經無線電裝置的接觸106(電源、接地)耦合到無線電裝置的電池104。 無線電裝置102包括收發機和控制器電路，但是為了本申請的目的，僅示出了發射功率放大器108。發射功率放大器108利用跨電源線和接地線的電容器110來平滑化與該功率放大器和/或無線電裝置內的其他電路相關聯的峰值電流。根據該實施例，多個開關112被耦合到無線電裝置的接觸106中的至少一個，使得響應於將電池104從無線電裝置102移除來打開該開關。當打開時，開關112在無線電裝置電容器110和無線電裝置的接觸106 之間提供隔離。在本實施例中，該多個開關為凸輪操作機械開關，其在電池被移除時打開並且在電池被附連時閉合。為了解釋的目的，該開關的阻抗是不顯著的。儘管為了冗餘的目的而將多個電阻112示作兩個開關，但是根據本申請，可以使用一個開關，或者還可以使用多於兩個的開關。圖2示出了根據本發明的另一個實施例的通信設備200的框圖。與圖1的通信設備類似，通信設備200包括無線電裝置202以及經無線電裝置的接觸206耦合到該無線電裝置的電池204。無線電裝置202包括已知的收發機和控制器電路，但是為了本申請的目的，僅示出了發射功率放大器。發射功率放大器208利用跨電源線的電容210以平滑化與該功率放大器和/或其他電路相關聯的峰值電流。根據本實施例，多個開關212被耦合到無線電裝置的接觸206中的至少一個，使得至少一個開關用於通過至少一個放電電阻器214 來耗散來自無線電裝置電容器210的能量。當開關212閉合時，放電電阻器214變成並聯耦合，以提供在電源和接地之間的放電路徑。在本實施例中，多個開關212包括並聯耦合的凸輪操作機械開關，其在電池被移除時閉合，以通過多個放電電阻器214來耗散來自電容器210的能量。圖3示出了根據本發明的另一個實施例的通信設備300的框圖。與圖1和圖2中的通信設備類似，通信設備300包括無線電裝置302以及經無線電裝置的接觸306耦合到該無線電裝置的電池304。無線電裝置302包括已知的收發機和控制器電路，但是為了本申請的目的，僅示出了發射功率放大器308。在本實施例中，多個並聯耦合的電容器310跨電源線和接地線進行耦合，每個電容器具有串聯耦合的二極體。二極體316的使用提供了不同電壓的電路的隔離。當串聯耦合的開關312閉合時，放電電阻器314提供了在電源和接地之間的放電路徑。在本實施例中，多個開關312包括串聯耦合的凸輪操作機械開關，其響應於電池304從無線電裝置302移除而閉合，以通過放電電阻器314來耗散來自多個電容器310的能量。儘管為了冗餘示出了兩個開關312，但是根據本申請還可以使用一個開關或者使用耦合的多於兩個的開關。圖4示出了根據本發明的另一個實施例的通信設備400的框圖。與圖1、圖2和圖3中的通信設備類似，通信設備400包括無線電裝置402以及經無線電裝置的接觸406 耦合到該無線電裝置的電池404。無線電裝置402包括已知的收發機和控制器電路，但是為了本申請的目的，僅示出了發射功率放大器408。在本實施例中，至少一個電容器410跨 PA電源線進行耦合。本實施例進一步分別包括第一感測電路430和第二感測電路440、湧入電流限制電路450以及第一開關電路460和第二開關電路470。第一感測電路430被耦合到無線電裝置的接觸406以及第二感測電路440。第二感測電路440被耦合到第一開關電路460和第二開關電路470。第一感測電路可以由二極體、分壓器和電容器(或類似的配置)形成，以提供用於電壓進入第二感測電路470的預定時間常數。在將電池404從無線電裝置402移除時，從跨存儲電容器431的電壓和分壓器441處的電壓得到的差分電壓使得比較器442的輸出改變為輸出狀態。存儲在電容器410中的殘餘電壓和感測電路430的時間常數將比較器442 保持在該狀態，直到電容器410中的電壓被耗散。第二感測電路440包括比較器442和反相器444，其中對於比較器442利用電阻器和比較器偏置電路來設定預定比較器閾值。比較器442的輸出控制第一開關電路開關422。 反相器444的輸出控制第二開關電路開關412。在本實施例中，第一開關電路開關412和第二開關電路開關422包括多個電氣開關，諸如電晶體開關，其響應於感測電路430、440檢測到電池從無線電設備移除以及電池附連到無線電裝置而閉合和打開。一旦移除無線電裝置402的電池404，第一開關電路460就打開開關422，以移除從接觸406到電容器410存儲的能量的接入。而且，一旦移除電池，第二開關電路470就使開關412閉合，以通過電阻414來耗散來自電容器410的存儲的能量。圖4的實施例提供了額外的優點在開關打開時，通過湧入電流限制電阻4M在電池附連到無線電裝置期間對電流湧入進行電流限制。在電池404附連到無線電裝置402之前，第一開關電路開關422打開，並且第二開關電路開關412也打開。一旦將電池404附連到無線電設裝置402，與第一感測電路430相關聯的時間常數維持比較器442的輸出，以保持第一開關電路開關422打開，允許電流從電池404通過電阻 4M流到PA 408。湧入電流限制電阻器4M被選擇為大得足以使得電流保持低得足以在該初始附連階段期間防止火花。一旦在第二感測電路440內達到比較器閾值，第一開關電路開關422就閉合，並且湧入電流限制電阻器4M被旁路。第二開關電路開關保持打開，並且PA 408被供應全功率。一旦從無線電裝置402移除電池404，與第一感測電路430相關聯的時間常數以及第二感測電路440的比較器閾值導致第一開關電路開關422打開，從而使電容器410與無線電裝置的接觸406進行隔離。湧入電流限制電阻器似4在該情形下並不顯著。一旦移除電池404，反相器444的輸出使第二開關電路開關412閉合，從而通過電阻器414來耗散來自電容器410的存儲的電荷。存儲在電容器410中的殘餘電壓和感測電路430的時間常數使比較器422保持處於該狀態，直到電容器410中的電壓被耗散。儘管從凸輪操作機械開關和電電晶體開關的角度討論了實施例，但是在不脫離本發明的範圍的情況下還可以利用各種其他開關，僅舉幾個例子，例如霍爾效應開關、光開關。圖5提供了概述當將電池從無線電設備移除時防止火花的實施例的流程圖。方法 500包括執行使存儲在無線電裝置電容器中的能量與暴露的無線電裝置的接觸502進行隔離和/或耗散來自無線電裝置電容器504的能量中的至少一個。通過切換無線電裝置內的多個開關和/或使用可切換的耦合電阻，可以實現本質安全的電池移除和附連，其中防止了在無線電裝置的接觸處產生火花——即使跨接觸406產生偶然的短路。因此，提供了一種本質安全的通信設備，其中，在電池附連到無線電裝置以及從無線電裝置移除電池期間防止在無線電裝置的接觸處產生火花。實現本質安全的方式還限制了電池的附連期間的湧入電流。與過去的方法不同，各種實施例提供的本質安全方法不需要對電池的改變，並且消除了在無線電裝置中對於串聯二極體的需要，並且進一步避免了複雜電路的使用。用於本質安全的過去的方法在無線電裝置中利用二極體來對無線電裝置電流進行放電，而導致顯著的電池能量損失。例如，在無線電裝置中使用二極體可能迫使每二極體0.3V到0.6V之間的壓降。過去的本質安全應用通常使用串聯的兩個二極體。與串聯的兩個二極體相關聯的壓降顯著減少電池的有效容量以及可用的功率，特別是在單電池應用中，其中電池電壓僅為3-4V，而電池功率損失佔到了高達40%。二極體中所耗散的功率也為無線電裝置增加了熱量。由各種實施例提供的本質安全方法不需要串聯二極體。其他過去的本質安全設計在電池中使用複雜電路，以使必要的操作速度得以實現以及限制電池輸出的能量。先前在電池中需要大量部件以處理內部功率耗散影響了電池的物理尺寸。這些額外的部件也增加了影響可用電池容量的在電池內的串聯壓降。由各種實施例提供的本質安全方法不需要對電池添加複雜電路。用於本質安全的其他過去的方法依賴於位於電池中的無線電裝置湧入電流保護的使用。由各種實施例提供的本質安全方法不需要對電池的改變。因此，即使在暴露的無線電裝置的接觸上的可能的短路放電情形發生，也防止了具有本質安全實施例的通信設備產生火花。在前述說明書中，描述了具體實施例。然而，本領域普通技術人員應當意識到，在不脫離如所述權利要求所述的本發明的範圍的情況下，可以做出各種修改和改變。因此，將以說明性而非限制性的意義來考慮說明書和附圖，並且所有這樣的修改意在被包括在本教導的範圍內。益處、優點、對問題的解決方案以及可能使得任何益處、優點或解決方案發生或變得更加顯而易見的任何要素不應被解釋為任何或全部權利要求的關鍵的、必需的或實質的特徵或要素。本發明僅由附加的權利要求來限定，包括在本申請未決期間所做出的任何修改以及所發布的權利要求的所有等同物。此外，在本文中，諸如第一和第二、頂部和底部等的關係術語僅用於將一個實體或
7動作與另一個實體或動作進行區分，而不必要求或暗示這樣的實體和動作之間的任何實際這樣的關係或順序。術語「包括」、「包含」、「具有」、「包含」或其任何其他變化意在涵蓋非排他性的包括，使得包括、包含、具有、包含一系列要素的過程、方法、物品或裝置不僅包括這些要素，而且可以包括其他未明確列出或這些過程、方法、物品、或裝置所固有的要素。在沒有更多約束的情況下，由「包括...一」、「包含...一」、「具有...一」、「包含...一」引導的要素不排除在包括、包含、具有、包含該要素的過程、方法、物品、或設備中存在額外的相同要素。除非另有明確說明，術語「一」被定義為一個或多個。術語「實質上」、「基本上」、「近似」、「大約」或其任何其他形式被定義為與本領域技術人員的理解相近，並且在一個非限制性實施例中，該術語被定義為在10%的範圍內，在另一個實施例中為在5%的範圍內，在另一個實施例中為在的範圍內，在另一個實施例中為在0.5%的範圍內。在此使用的術語 「耦合」被定義為連接，但是不必是直接連接並且不必是機械連接。以特定方式「配置」的設備或結構至少以該方式進行配置，但是還可以以未列出的方式進行配置。應當理解，一些實施例可以包括一個或多個通用的或專用的處理器(或「處理設備」)，諸如微處理器、數位訊號處理器、定製處理器和現場可編程門陣列(FPGA)以及與特定非處理器電路結合的控制一個或多個處理器以實現在此描述的方法和/或裝置的一些、大部分或全部功能的獨特存儲的程序指令。替代地，一些或全部功能可以通過不具有存儲的程序指令的狀態機、或者在一個或多個專用集成電路(ASIC)來實現，其中每個功能或特定功能的一些組合被實現為定製邏輯。當然，可以使用兩種方法的組合。提供本公開的摘要以提供允許讀者快速地探知本技術公開的本質。在理解了摘要不會被用於解釋或限制權利要求的範圍或含義的情況下提交該摘要。此外，在上述具體實施方式
中，可以看出，為了簡化本公開為目的而在各種實施例中將各種特徵組合在一起。本公開的方法不被解釋為反映了下述意圖要求保護的實施例需要比在每項權利要求中明確敘述的更多的特徵。相反，如所附權利要求反映的，本發明的主題在於比單個公開的實施例的所有特徵更少的特徵。因此，所附權利要求由此被包括在具體實施方式
中，其中每個權利要求自身作為獨立要求保護的主題而存在。本領域技術人員應當理解，本文描述的上述認識到的優點和其他優點僅是示例性的，並且不意味著成為本發明各種實施例的全部優點的完整呈現。
權利要求
1.一種通信設備，包括無線電裝置，所述無線電裝置具有無線電裝置電容器和無線電裝置的接觸；電池，所述電池經由所述無線電裝置的接觸被耦合到所述無線電裝置；並且所述無線電裝置包括至少一個開關，所述至少一個開關被耦合到所述無線電裝置的接觸中的至少一個，所述至少一個開關響應於所述電池從所述無線電裝置移除而被激活，所述至少一個開關控制下述中的至少一個所述無線電裝置電容器與所述無線電裝置的接觸的隔離，以及通過所述無線電裝置電容器的能量耗散。
2.如權利要求1所述的通信設備，其中，所述無線電裝置電容器平滑化到所述無線電裝置的發射機功率放大器的峰值電流。
3.如權利要求1所述的通信設備，其中，所述至少一個開關打開，以使所述無線電裝置電容器與所述無線電裝置的接觸隔離。
4.如權利要求1所述的通信設備，其中，所述至少一個開關閉合，以通過放電電阻器來耗散來自所述無線電裝置電容器的能量。
5.如權利要求1所述的通信設備，其中，所述無線電裝置包括多個並聯耦合的電容器， 每個並聯耦合的電容器具有串聯耦合的二極體，所述至少一個開關包括多個串聯耦合的開關，所述多個串聯耦合的開關閉合，以耗散來自所述多個並聯耦合的電容器的能量。
6.如權利要求1所述的通信設備，其中，所述無線電裝置進一步包括第一感測電路，所述第一感測電路被耦合到所述無線電裝置的接觸；第二感測電路，所述第二感測電路被耦合到所述第一感測電路；第一開關電路，所述第一開關電路具有第一開關電路開關，用於移除從所述無線電裝置的接觸到所述無線電裝置電容器的存儲的能量的接入；以及第二開關電路，所述第二開關電路具有第二開關電路開關，用於耗散所述無線電裝置電容器的存儲的能量。
7.如權利要求6所述的通信設備，其中，所述第一感測電路具有預定時間常數，並且所述第二感測電路包括具有預定比較器閾值的比較器和反相器。
8.如權利要求7所述的通信設備，其中，在對所述電池附連所述無線電裝置之前，所述第一開關電路開關打開，並且所述第二開關電路開關打開。
9.如權利要求8所述的通信設備，其中，一旦將所述電池附連到所述無線電裝置，所述第一感測電路的所述預定時間常數使所述第一開關電路開關保持打開，直到達到所述第二感測電路中的所述預定比較器閾值，並且所述第一開關電路開關響應於達到所述預定比較器閾值而閉合。
10.如權利要求9所述的通信設備，其中，一旦將所述電池從所述無線電裝置移除，所述第一感測電路的所述預定時間常數以及所述第二感測電路的所述預定比較器閾值使所述第一開關電路開關打開，並且使所述第二開關電路開關閉合，從而對來自所述無線電裝置電容器的能量進行放電。
11.如權利要求6所述的通信設備，進一步包括電流限制湧入電阻器，一旦將所述電池附連到所述無線電裝置，在與所述第一感測電路相關聯的所述預定時間常數期間，當所述第一開關電路開關打開時，所述電流限制衝擊電阻器對無線電裝置電流進行限制。
12.—種本質安全的將電池附連到無線電裝置或從無線電裝置移除電池的方法，包括當將所述電池從所述無線電裝置移除時，切換所述無線電裝置內的多個開關，以執行下述中的至少一個使存儲在無線電裝置電容器中的能量與暴露的無線電裝置的接觸隔離，以及耗散所述無線電裝置電容器中的能量。
13.如權利要求12所述的方法，其中，在不需要在所述無線電裝置的接觸處使用串聯二極體的情況下來執行所述切換步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述隔離步驟包括在所述無線電裝置的接觸被暴露之前，打開所述多個開關以隔離所述無線電裝置電容器。
15.如權利要求13所述的方法，其中，所述隔離步驟包括閉合所述多個開關，以通過至少一個放電電阻器來對來自所述無線電裝置電容器的能量進行放電。
16.如權利要求15所述的方法，其中，通過經由二極體將多個電容器並聯耦合到所述至少一個放電電阻器來對所述多個電容器同時進行放電。
17.如權利要求12所述的方法，其中隔離進一步包括經由感測電路來檢測所述電池的移除；以及打開電子開關以移除從所述無線電裝置電容器對能量的接入，並且閉合開關以耗散來自所述無線電裝置電容器的能量。
全文摘要
提供了一種用於電池供電的通信設備的本質安全方法。通過使用開關(112、212、312、412/424)來使無線電裝置電容器與無線電裝置的接觸進行隔離和/或通過放電電阻器(214、314、414)來耗散來自無線電裝置電容器的能量，在將電池(104、204、304、404)附連到無線電裝置(102、202、302、402)以及從無線電裝置(102、202、302、402)移除電池(104、204、304、404)期間，防止在無線電裝置的接觸處產生火花。
文檔編號H02H9/00GK102460884SQ201080027709
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月27日 優先權日2009年6月22日
發明者威廉·C·博內, 約翰·W·奧格爾斯比 申請人:摩託羅拉解決方案公司