一種用于易燃易爆場(chǎng)所電子設(shè)備的本安型usb接口電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及應(yīng)用于易燃易爆場(chǎng)所電子設(shè)備的本安型USB接口電路設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用了電源磁隔離+信號(hào)磁隔離+安全柵的技術(shù)，通過(guò)升壓模塊、電源隔離模塊、信號(hào)隔離芯片、瞬態(tài)抑制二極管以及安全柵的共同作用，達(dá)到在易燃易爆場(chǎng)所電子設(shè)備的USB接口本質(zhì)安全上的防爆效果。本設(shè)計(jì)主要由升壓模塊、隔離電源、信號(hào)隔離芯片、安全柵、共模電感以及瞬態(tài)抑制二極管組成。本實(shí)用新型提供的這種設(shè)計(jì)，具有可靠性高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以從根本上解決電子設(shè)備在易燃易爆場(chǎng)所中信號(hào)接口通信的本質(zhì)安全問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種用于易燃易爆場(chǎng)所電子設(shè)備的本安型USB接口電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于安全生產(chǎn)保障設(shè)備領(lǐng)域。特別涉及易燃易爆場(chǎng)所的具有設(shè)備間交互接口的電子設(shè)備設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，應(yīng)用于易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所的電子設(shè)備越來(lái)越多，這些設(shè)備的智能化水平也越來(lái)越高，因此在很多情況下需要在危險(xiǎn)區(qū)通過(guò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，由于工作環(huán)境的特殊要求，假如通信接口設(shè)計(jì)不當(dāng)，使得在故障狀態(tài)下發(fā)生打火、過(guò)熱等情況，就會(huì)造成潛在的危險(xiǎn)隱患。
[0003]因此，針對(duì)易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所的電子設(shè)備存在的以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種安全、可靠、便捷的數(shù)據(jù)通信接口裝置，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]USB接口目前已經(jīng)成為數(shù)碼產(chǎn)品與PC機(jī)通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)用新型的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種應(yīng)用于易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所的USB接口電路設(shè)計(jì)。應(yīng)用該電路的USB接口可以在危險(xiǎn)區(qū)域直接使用，避免為了使用接口通信而在隔爆艙壁增加接口艙門(mén)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并減輕了設(shè)備重量和設(shè)計(jì)難度，該接口的設(shè)計(jì)初衷就是以本安接口為目標(biāo)設(shè)計(jì)的。
[0005]本實(shí)用新型提出一種應(yīng)用于易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所的電子設(shè)備的USB接口電路設(shè)計(jì)，其特征在于，該電路主要由升壓模塊、隔離電源芯片、信號(hào)隔離芯片、安全柵、共模電感以及瞬態(tài)抑制二極管組成；其中，電源芯片、信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)端、相應(yīng)的安全柵、升壓模塊、相應(yīng)的瞬態(tài)抑制二極管以及相應(yīng)的共模電感作為電路部分I，其余作為電路部分II。整體電路的供電是由電路部分I傳至電路部分II，信號(hào)則在電路部分I與電路部分II之間進(jìn)行雙向差分傳輸。供電電源在經(jīng)過(guò)相應(yīng)安全柵后先進(jìn)入升壓模塊，再進(jìn)入隔離電源的一次側(cè)和隔離芯片的一次側(cè)，給電源隔離模塊的一次側(cè)以及信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)供電?’差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的一路信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的安全柵，再經(jīng)過(guò)共模電感，同時(shí)在受到瞬態(tài)抑制二極管的監(jiān)測(cè)下到達(dá)信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)；隔離電源的二次側(cè)與隔離信號(hào)芯片的二次側(cè)相連；隔離信號(hào)芯片二次側(cè)的隔離信號(hào)在瞬態(tài)抑制二極管的監(jiān)測(cè)下經(jīng)過(guò)共模電感以及安全柵與其它設(shè)備電路相連；差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的另一路信號(hào)則反相從隔離信號(hào)端經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離芯片的二次側(cè)端相應(yīng)的安全柵、瞬態(tài)抑制二極管、共模電感給電路部分I的數(shù)據(jù)信號(hào)，構(gòu)成完整的差分信號(hào)通信。
[0006]這些技術(shù)共同保證了 USB接口在易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所的正常使用，以及本安電路的防爆安全性能。
[0007]本實(shí)用新型所述的升壓模塊用于維持供電端的USB供電電壓。
[0008]本實(shí)用新型所述的隔離電源用于產(chǎn)生隔離的安全電壓。
[0009]本實(shí)用新型所述的安全柵，用于當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路等故障時(shí)，限制電路的釋放能量，保證系統(tǒng)本質(zhì)安全。
[0010]本實(shí)用新型所述的共模電感，是為了消除USB差模信號(hào)中的共模噪聲。
[0011]本實(shí)用新型所述的瞬態(tài)抑制二極管主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)電壓保護(hù)。
[0012]本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)及有益效果:
[0013]本實(shí)用新型電路適用于易燃易爆場(chǎng)所的具有USB接口通信的電子設(shè)備設(shè)計(jì)，在電源上和數(shù)據(jù)傳輸上均采用了磁隔離的技術(shù)，并結(jié)合了安全柵技術(shù)、升壓穩(wěn)壓技術(shù)以及瞬態(tài)電壓保護(hù)，使得該電路形式簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、安全可靠性高，在此基礎(chǔ)上，可以使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備體積減小、重量減輕，并給整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。此電路體積小，可移植性強(qiáng)，可作為在燃易爆場(chǎng)所環(huán)境下具有USB接口通信的電子設(shè)備設(shè)計(jì)的通用方案。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的本安型USB接口電路示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本實(shí)用新型提出的USB接口電路設(shè)計(jì)，適用于易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所電子設(shè)備的制造，可以提高產(chǎn)品的安全性、實(shí)用性以及降低重量，結(jié)合附圖1及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0016]本實(shí)用新型所述的USB接口電路如圖1所示，該電路主要由電源隔離模塊3、信號(hào)隔離芯片5、安全柵1、升壓模塊2、共模電感4、瞬態(tài)抑制二極管6組成；其中，隔離電源3的一次側(cè)、信號(hào)隔離芯片6的一次側(cè)、以及所對(duì)應(yīng)的安全柵1、升壓模塊2、共模電感4、瞬態(tài)抑制二極管6共同組成了電路部分I ;隔離電源3的二次側(cè)、信號(hào)隔離芯片6的二次側(cè)、以及所對(duì)應(yīng)的共模電感4、瞬態(tài)抑制二極管6、安全柵I共同組成了電路II。電路部分I和電路部分II可根據(jù)實(shí)際的主從通信情況(供電端不同)，分別放在危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)手持設(shè)備等從設(shè)備，電路部分I就可以放在安全區(qū)，如隔爆艙外，電路部分II就可以放在非安全區(qū)，如隔爆艙內(nèi)；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的主設(shè)備，電路部分I就可以放在非安全區(qū)，如隔爆艙內(nèi)，電路部分II就可以放在安全區(qū)，如隔爆艙外。供電電源在經(jīng)過(guò)相應(yīng)隔離安全柵I后進(jìn)入升壓模塊2，再進(jìn)入隔離電源3的一次側(cè)和信號(hào)隔離芯片5的一次側(cè)，給電源隔離模塊3的一次側(cè)以及信號(hào)隔離芯片5的一次側(cè)供電；隔離電源3的二次側(cè)和信號(hào)隔離芯片5的二次側(cè)相連；隔離電源3的二次側(cè)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的安全柵I給隔離供電電源；差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)則經(jīng)過(guò)相應(yīng)的安全柵1，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的共模電感4，同時(shí)受到瞬態(tài)抑制二極管6的保護(hù)，然后通過(guò)信號(hào)隔離芯片5，再與相應(yīng)的共模電感4，同時(shí)受到瞬態(tài)抑制二極管6的保護(hù)，最后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的安全柵1，組成USB差分信號(hào)；
[0017]本實(shí)用新型的各部件的功能及【具體實(shí)施方式】分別說(shuō)明如下:
[0018]本實(shí)用新型所述的安全柵I。其基本作用是通過(guò)限制電流和電壓，使得在異常狀況，如短路的狀態(tài)下，本安電路部分釋放出的能量在安全可控范圍內(nèi)。安全柵可以采用熔斷器、電阻、瞬變電壓抑制二極管、穩(wěn)壓管等元件中的一種或者幾種串并聯(lián)使用。一種典型應(yīng)用方案是，一次側(cè)的安全柵采用在電源端串接一個(gè)熔斷器，再串接一個(gè)或多個(gè)限流電阻和并接一個(gè)或多個(gè)齊納二極管。
[0019]本實(shí)用新型所述的升壓模塊2，主要用于維持供電端的USB供電電壓，使得電源和信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定。
[0020]本實(shí)用新型所述的隔離電源3，采用磁隔離方式，給信號(hào)隔離芯片5供電。該電源可以采用變壓器或者隔離芯片，如Adum5000芯片。
[0021]本實(shí)用新型所述的共模電感4，是為了消除USB差模信號(hào)中的共模噪聲，如ACM3225 芯片。
[0022]本實(shí)用新型所述的信號(hào)隔離芯片5，采用磁隔離方式，由隔離電源3分別給信號(hào)隔離芯片兩端供電。USB差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離芯片5進(jìn)行隔離。該隔離信號(hào)芯片可以采用信號(hào)隔離芯片，如Adum4160芯片。
[0023]本實(shí)用新型所述的瞬態(tài)抑制二極管6，主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)電壓保護(hù)。它能"吸收"功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號(hào)。瞬態(tài)抑制二極管具有體積小、功率大、響應(yīng)快、無(wú)噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0024]本實(shí)用新型的工作原理為:通信電源采用了隔離電源3，并且在隔離電源3的一次側(cè)和二次側(cè)端都增加了安全柵1，故假如當(dāng)設(shè)備發(fā)生短路等故障時(shí)，可以確保本安電路電源部分的電壓、電流不會(huì)超過(guò)防爆要求的限值；升壓模塊2，保證USB供電穩(wěn)定；信號(hào)采用了信號(hào)隔離芯片5，并且在信號(hào)隔離芯片5的一次側(cè)端和二次側(cè)端都增加了安全柵1、瞬態(tài)抑制二極管6以及共模電感4，確保了差分信號(hào)的質(zhì)量，以及電壓電流都在防爆要求之內(nèi)，從而保證了本安電路部分的安全。
【權(quán)利要求】
1.一種用于易燃易爆場(chǎng)所電子設(shè)備的本安型USB接口電路，其特征在于，該電路主要由升壓模塊、隔離電源芯片、信號(hào)隔離芯片、安全柵、共模電感以及瞬態(tài)抑制二極管組成；其中，電源隔離模塊的一次側(cè)端、信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)端、相應(yīng)的安全柵、升壓模塊、相應(yīng)的瞬態(tài)抑制二極管以及相應(yīng)的共模電感作為電路部分I，電源隔離模塊的二次側(cè)端、信號(hào)隔離芯片的二次側(cè)端、相應(yīng)的安全柵、相應(yīng)的瞬態(tài)抑制二極管以及相應(yīng)的共模電感作為電路部分II。 供電電源在經(jīng)過(guò)相應(yīng)安全柵后先進(jìn)入升壓模塊，再進(jìn)入隔離電源的一次側(cè)和隔離芯片的一次側(cè)，給電源隔離模塊的一次側(cè)以及信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)供電；差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的一路信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的安全柵，再經(jīng)過(guò)共模電感，同時(shí)在受到瞬態(tài)抑制二極管的監(jiān)測(cè)下到達(dá)信號(hào)隔離芯片的一次側(cè)；隔離電源的二次側(cè)與隔離信號(hào)芯片的二次側(cè)相連；隔離信號(hào)芯片二次側(cè)的隔離信號(hào)在瞬態(tài)抑制二極管的監(jiān)測(cè)下經(jīng)過(guò)共模電感以及安全柵與其它設(shè)備電路相連；差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的另一路信號(hào)則反相從隔離信號(hào)端經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離芯片的二次側(cè)端相應(yīng)的安全柵、瞬態(tài)抑制二極管、共模電感給電路部分I的數(shù)據(jù)信號(hào)，構(gòu)成完整的差分信號(hào)通信。
2.如權(quán)利要求1所述USB接口電路，其特征在于，整體電路的供電是由電路部分I至電路部分II,信號(hào)則在電路部分I與電路部分II之間進(jìn)行雙向差分傳輸。
【文檔編號(hào)】G06F13/40GK203966114SQ201420081593
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】魏利軍, 王剛, 韓毅, 李戰(zhàn)麗, 楊裕云, 吳宗之, 方來(lái)華 申請(qǐng)人:北京中安科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司