专利名称：供电电压监控器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源保护领域，特别涉及一种供电电压监控器。
背景技术：
很多可用的电源保护设备，例如电涌保护器(SPD)和混合滤波器，都具有一个自动开关电路，能够根据不同的供电布线故障和/或过电压或电压不足条件断开供电设备的交流电源。检测过电压或电压不足的电路，需要在交流电源流经设备输出和连接 装置之前达到额定线电压。线性电压状况，例如电压升高和过电压，能够引起某种电力保护设备部件(例如金属氧化物压敏电阻和其他抑制器元件)的故障。此外，一些设备的电源在受到持续的过电压时会有损伤。连接设备故障，例如短路，由电压不足引起，进而导致电力保护设备或连接设备本身内出现潜在的、有危害的或不安全的高强度电流。尽管电源保护设备的优势在于根据故障情况，例如过电压或电压不足，断开对设备的供电，由此产生的电力中断在许多情况下会造成不便或问题。为了避免频繁出现电力中断，其中一个解决方法是将电源断开时的电压水平设置在正常操作范围外，但依然在设备能够承受的范围内。然而，该方法可能会导致频繁发生或长期具有过电压或电压不足的情况，这种情况具有很难被察觉到的更小的规模，这最终会导致对电涌保护器或连接设备的损伤。因此，仍然需要一种供电电压监控系统，能够在不引起频繁电力中断的情况下提供过电压和电压不足保护，同时提供充分的对小规模的过电压和电压不足的通告，来表明系统内或与连接设备有关的问题。
发明内容
本文描述的是一种供电电压监控器，用于监测交流电源的过电压情况。该监控器包括一个开关电路、一个供电信号调节电路和一个控制电路。该开关电路选择性地将能与交流电源连通的输入导线连接至能与负载连通的输出导体。例如，开关电路能够位于监控器的输入端与输出端的火线导线之间。在导通状态时，开关电路电性连接输入导线和输出导线，而在非导通状态时，开关电路则断开输入导线与输出导线的电性连接。供电信号调节电路产生一个代表交流电源电压的供电电压信号。例如，供电电压信号与交流电源的火线和零线之间的电压成比例。控制电路监测过电压时的供电电压信号，控制该开关电路根据特定的条件来记录过电压事件。尤其是，当开关电路位于非导通状态时，根据介于第一个“重建”过电压阈值和第一个“重建”电压不足阈值之间的供电电压信号，由控制电路控制开关电路转换为导通状态。一旦开关电路处于导通状态，则当供电电压信号超过一个高于重建过电压阈值的第二个“记录”过电压阈值时，控制电路会记录过电压事件并使开关电路保持导通状态。此外，当供电电压信号超过一个高于记录过电压阈值的第三个“断开”过电压阈值时，控制电路会控制开关电路从导通状态转变到非导通状态，并记录另一个过电压事件。记录一个过电压事件包括递增过电压事件计数和过电压事件计时。
类似地，一旦开关电路处于导通状态，当供电电压信号低于一个小于重建电压不足阈值的第二个“记录”电压不足阈值时，控制电路会记录电压不足事件，并使开关电路保持导通状态。此外，当供电电压信号低于一个小于记录电压不足阈值的第三个“断路”电压不足阈值时，控制电路会控制开关电路从导通状态转变到非导通状态，并记录另一个电压不足事件。结合对优先实施例的以下定义、描述和附图，本发明前述的和其他的特点和优势将得以进一步明确，其中各图示中的参考数字用于指定相似组件。虽然这些描述是为了更具体地描述本发明的细节，但仍可以理解的是本领域的技术人员能够在本文描述的基础上想到很多其他的变体。
图I是一种能够选择性连接一个交流电源到负载设备的供电电压监控器的具体实施例的方框图。图2以图表方式说明了图I所示供电电压监控器发挥供电电压水平时的开关电路状态。图3以状态图方式说明了图I所示供电电压监控器的操作状态。图4A和图4B描述了在供电电压条件下，图I所示供电电压监控器进行操作的一个逻辑实例的功能流程图。图5描述了在供电电压条件下，图I所示供电电压监控器进行操作的另一个逻辑实例的功能流程图。图6是包含图I所示供电电压监控器的一个功率滤波电路的具体实施例的示意图。
具体实施例方式本发明所描述的供电电压监控器利用多个电压阈值水平来监测与负载设备连接的交流电源电压，并能够，在例如其中有阈值被越过的情况下，来执行不同操作。例如，如果交流电源的电压超过“记录”的过电压阈值，即会被记录并进行实时或稍后的审查和评估，确定是否存在某种问题。如果交流电源电压超过更高的“断路”过电压阈值，则会被记录并将负载设备与交流电源断开，保护负载设备和监控器本身。同样地，如果交流电源电压低于“记录”的电压不足阈值，即会被记录，并且如果交流电源电压低于更低的“断开”电压阈值，即会被记录，并将该设备与交流电源断开。以这种方式，能保护负载设备和监控器免受严重过电压和电压不足的损害，并且可以监测更小的过电压和电压不足却不会引起电源的即刻中断。如果连续存在较小的低电压和过电压情况，那么可以在方便的时候进行矫正测量。图I是一种能够选择性连接一个交流电源到负载设备的供电电压监控器100的具体实施例的方框图。正如将要更为详细描述的那样，供电电压监控器100可合并到多种电力保护与调节设备中，例如电涌保护器(SPD)和混合滤波器中，来发挥多种能够确保向负载设备输送可靠能源供应的其他功能。如图I所示，在供电端一侧，监控器100输入接线端的火线、零线和地线，被设置为与交流电源供电系统的相应接线端相连接(例如，接线端可以是一个插入交流电源插座的插头)。在负载一侧，输出接线端的火线、零线和地线，被设置为与一个或多个负载设备相应的接线端相连接。设备的火线与零线的导线，分别提供输入到输出的火线和零线的接线端之间的路线。一个开关电路140沿火线导线的路线分布，并有选择地将位于输入和输出火线接线端之间的输入端(供电侧)的火线导线与输出端(负荷侧)的火线导线进行连接。在导通状态时，开关电路140电性连接输入火线导线与输出火线导线，在非导通状态时，开关电路140电性断开输入火线导线与输出火线导线。开关电路140可采用多种开关装置中的任何一种装置。对于一种选择来说，开关电路140可以包括一个电磁继电器(EMR)，其中继电器线圈的电压用于关闭常开的继电器触点，从而闭合/断开在输入和输出火线导线之间的线路连续性，并选择性地将交流电输送给监控器的输出端和连接的设备。对于另一种选择来说，开关电路140可采用一种功率半导体，例如一种双向三极管开关。还有另一种选择，开关电路140可采用一种混合开关电路，包括一个功率半导体和一个电磁继电器的并联组合，正如申请号为2011/0063759的美国专利申请中描述的那·样，该申请中所公开的对象作为一个参考。在这种配置中，可实现具有最小通态电压下降和功率损耗的过零投切开关。在正确的设计下，根据过电压或电压不足进行控制的自动开关电路能够保护易受损的下游设备组件(例如，金属氧化物压敏电阻(MOV)和其他抑制器元件)免受过电压和电压不足带来的损伤。除了保护易受损的设备组件，这些电路也可保护会受到过电压或电压不足损伤的连接设备。如图I所示的开关电路140被设置为闭合/断开输入和输出的火线导线之间的连接，或者，以同样方式控制的开关电路可以位于输入和输出的零线导线之间，或者开关可同时位于监控器100的火线和零线的线路中。一个供电信号调节电路110连接至监控器100的输入端(供电侧)火线和零线的导线，并从这些交流电源信号中形成一个供电电压信号Vln，该供电电压信号Vln表示能够用于控制电路130处理的输入端的火线与零线之间的电压。例如，控制电路130可以是一个微控制器。该供电电压信号Vln的特征取决于微控制器采用的特定配置。例如，为了使微控制器能够接受一种交流电压信号，供电信号调节电路110产生的供电电压信号Vln，能够作为火线与零线之间电压阶梯下降的版本。对于一种用于接收直流电压信号的微控制器来说，供电信号调节电路110产生的供电电压信号Vln能够作为直流信号(例如一种模拟信号)，使该信号的值位于微控制器的操作范围内，与供电火线和零线之间的电压峰值成正t匕。例如，供电信号调节电路110可以是一个简单的分压器，控制电路130可能会需要一个特定的A/D模数转换输入。如果控制电路130具有一种标准的O至Vdd类型的A/D模数转换输入，则供电信号调节电路HO可以包括一类峰值检波电路。这里所述的具体实施例使用的一种选择，将供电火线与零线之间的电压表示为Vln，以检测过电压和电压不足，根据另一种选择来说，还可以将供电火线与地线之间的电压表示为Vlg，来实现该目的。电源电路120与监控器100供电侧的火线和零线的导线相连接，并产生操作控制电路130与开关电路140所需的直流电压信号。在图I所示实例中，产生的第一直流电源电压Vdd提供至控制电路130，而产生的第二直流电源电压Vsw则提供至开关电路140。尽管电源电路120产生的这些直流电压，来自于输入端的火线到零线的交流信号，电源电路120仍然可以是一个可调节的直流电源，将其直流输出(例如，调节其输出)维持在非常接近于交流输入电压的变换形式的额定水平。为了将直流电压水平与电源电压的变化保持一致，可以采用多种调节形式。例如，可以使用一种齐纳二极管调节器，其中包括与一个或多个齐纳二极管串联的限流电阻器。齐纳二极管两端的电压随流过该设备的电流级数变化而有轻微变化。其他的使直流输出电压能够超过交流电源电压范围的调节方式可以包括脉冲宽度调制和反馈调节法。控制电路130具有一个处理器(例如，一个微处理器，一个微控制器，一个数字信号处理器等)，能够执行程序命令(例如，软件)来实现各种操作和任务。例如，控制电路130能够对接收到的数据和命令进行诠释、执行计算、储存信息，并控制监控器100的开关电路140和一个显不器150。显不器150可以是多种显不机制中的任一种(例如,IXD显不器、LED显示器等)，提供可视的供电电压监控信息，且能够被安装至例如监控器100的外罩或机壳部分，从而能够在操作过程中方便查看。控制电路130还具有存储性能，能够储存有关过电压和电压不足的信息，事件计 数信息、计时信息和其他数据或信息。控制电路130的内存或存储器也能够存储由控制电路130的处理器执行操作时所执行的程序指令(例如，软件)。因此，这里描述的操作与方法可通过执行存储在控制电路130的一个或多个处理器上的非临时计算机可读介质(例如，软件)上的指令来实现。正如这里使用的那样，“电脑可读媒介”是指非暂时性(有形的)媒介(例如，存储器或内存)。控制电路130的内存/存储器是一种有形的处理器可读的或电脑可读的存储设备，能够存储或用命令编码，当由控制电路130的处理器执行时，使处理器执行这里描述的功能。当控制电路130通过一个可编程的微处理器来执行存储的软件来运行时，一种可选择的处理环境是一种固定数据处理元件，例如一个应用型专用集成电路(ASIC)，通过固定的硬件逻辑进行配置，执行逻辑电路功能。另一种可能的数据处理环境是一种涉及一个或多个现场可编程逻辑器件，或固定处理元件、固件和/或可编程逻辑设备的组合。控制电路130的存储器还包括一个非易失性存储器，例如一个EEPR0M，用于存储事件信息，例如过电压和电压不足事件的次数和相关的计时信息。控制电路130由电源电路120产生的工作电压Vdd供电，并通过接收火线与零线之间的电压Vln，来评估是否存在电压不足或过电压状态。控制电路130根据接收到的供电电压信号Vln，向开关电路140提供开关控制信号，并向显示器150提供显示控制信号。例如，控制电路130能够使显示器150显示过电压和电压不足事件的计数信息。如下文所述，如果过电压或电压不足情况能够潜在地损伤连接的设备，那么微控制器信号向开关电路140传递开关控制信号，断开向设备输出插座的供电，从而保护设备。在图I所示的实例中，控制电路130还包括一个串行通讯接口(SCI)，允许数据(例如，状态和事件历史)从控制电路130传输至外部设备，以及从外部设备向控制电路130输送数据(例如，控制参数)。控制电路还具有一个计时模块，用于记录时间(例如，秒、分钟、小时和天数，等)。例如，计时模块能够维持运行时钟或提供一个距离上次事件所经历的时间，从而记录和存储过电压与电压不足事件的参考时间。根据一个实施例，供电电压信号Vln是一个模拟直流信号，该模拟直流信号与从输入端火线到零线的导线成正比的，控制电路130的固件或软件周期性地对供电电压信号Vln进行模拟数字(A/D)转换，将其转换成数字信号，例如，以十六进制的“Hex”值表示。将与供电电压直接成比例的十六进制Hex值与各种存储的阈值比较(例如，存储在固件中)OVrestore (过电压重建)，OVreeml (过电压记录)，ovshutd_ (过电压断路)，UVrestOTe (电压不足重建)，UV_OTd (电压不足记录)和UVshutdwn (电压不足断路)。基于供电电压信号值Vln与这些储存的阈值的比较关系，控制电路130确定工作电压是可以接受的，还是存在电压不足(UV)或过电压(OV)情况。举例来说，一个美国电源，默认“固件”十六进制Hex值可以采用以下供电电压水平
OVshutdown (OVsh) 150 VrmsOVrecord (OVrc)135 Vrms
OVrestore (OVrs)130 VrmsUVrestore (UVrs)105 Vrms
UVrecord (UVrc)100 Vrms
UVshutdown (UVsh) 80 Vrm
根据这些阈值对控制电路130的操作如图2中的图表所示，描述了供电电压监控器100起工作电压水平作用时的开关电路状态，结合图3所示图表，说明了供电电压监控器100的操作状态。为了达到一致性，当提及供电电压信号Vln与多种阈值之间的比较时，操作符〈，>，<和2被用于以下描述。然而，
可以理解的是，本发明并不局限于任何一种检测是否达到阈值的具体实施方式
(例如，通过超出/没有达到该阈值或仅仅等同于该阈值来确实是否满足一个阈值)。因此在本发明范围内，符号〈与-可互换使用，符号 > 与&可互换使用。过电压和电压不足的重建阈值水平(OVre和UVrs)分别代表工作电压“正常”范围的上限和下限(例如,过电压或电压不足状态)。例如,一个位于105 Vrms至130 Vrms范围内的交流电源电压可以认为是足够接近于120 Vrms的额定工作电压水平，这可以认为是可接受的。在启动时(图3所示状态310)，如果供电电压信号Vln是可以接受的(例如，介于过电压和电压不足的重建阈值之间，UV 和0V )，那么控制电路130执行“通电周期”程序，将监控器100转为正常工作状态320。在这种情况下，控制电路130在“通电”状态向开关电路140提供开关控制信号，从而打开(闭合)开关电路140，例如，转换为导通状态，以连接输入供电的火线导线与输出负载的火线导线，从而将电力传递给下游的设备输出插座，实现负载设备与交流电源的连接。图2下方中间位置标示了这种开关控制状态，其开关状态为闭合(连接/导通)，且供电电压信号Vln位于UVrs和OVre之间。如果，在启动时，供电电压信号Vln位于重建阈值水平之外(例如，Vln > OVrs或Vln< UVre),那么控制电路130构成回路，在执行通电周期程序并转变为正常工作状态320前，连续检测供电电压信号Vln，直到它处于可接受水平范围内(例如，UVrs- VlnS. OVrs )。在正常工作状态320，控制电路130维持周期性地对接收到的供电电压信号Vln进行A/D模数转换，确定工作电压是否是可接受的，或者是否会发展成某种程度的过电压或电压不足。如图3所示，如果供电电压信号Vln升高到超过过电压记录阈值OVre时，控制电路130通过转化为记录过电压状态330对该状态做出反应，执行一种“过电压记录”程 序。将过电压事件计数储存在控制电路130的非电压存储器中。过电压记录程序包括过电压计数增量，存储增加的计数值。此外，过电压记录程序决定计时模块指示的时间，并记录过电压事件计时值。记录的时间可以是自上次时间开始的一段时间，自计时周期或间隔开始的一段时间，或是一天的时间。或者，控制电路130能够向显示器150发送显示控制信号，以显示增加的过电压计数值。此外，通过SCI模块，控制电路130能够向外部设备发送含有过电压事件信息(例如，计数值和计时信息)的信息。在图3所示的记录过电压状态330，尽管记录了一个过电压事件，控制电路130持续控制开关电路140维持闭合(导通状态)，负载设备保持与交流电源的连接。这种根据供电电压信号Vln的导通开关状态见图2右下方所示，作为供电电压信号Vln的一种功能。由于供电电压超出过电压重建水平(0V )，则不采取任何行动，使开关电路140保持闭合(连接)。如果供电电压信号持续升高，超过了过电压记录阈值(0V )，那么则执行过电压记录程序(例如，递增计数、记录时间、控制显示、提供外部通告)；然而，提供给开关电路140的开关控制信号仍然保持在打开(导通)状态(例如，开关控制信号持续闭合 开关电路140)。工作电压可能在较短的时间内围绕过电压记录阈值(OVm)上下波动。如图3所示的状态图解，为了防止产生一系列过电压报告，供电电压信号必须降回过电压重建阈值以下(Vln < 0V )，从而在对供电电压信号超过过电压记录阈值(Vln > OVm)作出反应而执行另一个过电压记录操作之前，使监控器100回到正常工作状态320。换句话说，一旦监控器100处于记录过电压状态330，将不再记录过电压状态，直到监控器100首先回到正常工作状态320，然后再次转换到记录过电压状态330，或者是监控器100转换到如下所述的断路状态340。根据另一种可能的应用来说，一旦处于记录过电压状态330，即可定期估算供电电压信号Vln，如果供电电压信号仍位于过电压记录阈值(OVrc)以上，则可执行另一个过电压程序，从而获得定期报告。如图3所示，如果供电电压信号从记录过电压状态330升高到高于过电压断开阈值(Vln > 0Vsh)，监控器100会转为断路状态340。在这种情况下，除了再次执行过电压记录程序，控制电路130还会执行“停止周期”程序，使开关控制信号变为关闭状态，使开关电路140转换到非导通或“关闭”状态(断开)，从而断开设备输出插座与电源的连接，来保护设备。例如，对于一个电磁继电器开关来说，控制电路130将发信号通知开关电路140移除继电器线圈电压，使常开的继电器接头打开，从而断开交流电源与下游组件和相关设备的连接。在图2开关状态图中最右侧表示的操作中，开关电路140从导通/闭合(设备连接的)状态过渡到非导通/打开(设备不连接)状态。依据一种可行的选项，可以分别记录供电电压信号超过过电压断路阈值(Vln >OVsh)的情况，与供电电压信号仅仅超过了过电压记录阈值而非过电压断路阈值(OVrc <Vln < OVsh)的情况，例如，可以保持两个不同的过电压计数，一个用于记录仅超过较低的过电压记录阈值，另一个用于记录超过较高的过电压断路阈值。如图2所示，一旦监控器100处于断路状态340 (执行停止周期程序后)，不管是供电电压信号Vln低于过电压断开阈值水平OVsh或供电电压信号Vln低于过电压记录阈值水平OVm，开关电路140都保持非导通/打开(切断电源)状态。为了过渡回到正常工作状态320，供电电压信号Vln必须在控制电路130再次执行通电周期程序前，下降到过电压和电压不足重建阈值之间的某一点(UVre^ V11 2 0V )，在此开关控制信号变为接通状态，从而控制开关电路140闭合并导通，以传送电力到受保护的设备。例如，在使用电磁继电器开关时，控制电路130将发信号通知开关电路140为继电器供能，使常开的接头闭合，从而向下游设备组件和连接设备传输交流电源，以连接设备。当供电电压信号Vln超过较高的过电压断路阈值OVsh时，开关电路140关闭，但不会复原到打开状态，直到供电电压信号Vln降低到较低的过电压重建阈值ov 以下，开关控制机制中存在滞后现象，防止了由于供电电压波动造成的快速开关周期现象。
根据过电压阈值概述控制电路130的操作，当供电电压信号Vln低于第一个(重建)过电压阈值，开关电路140处于非导通状态时，控制电路130控制开关电路140转换为导通状态。当供电电压信号Vln超过第二个(记录)过电压阈值时，该阈值高于第一个过电压阈值，且开关电路140处于导通状态时，控制电路130记录过电压事件，并控制开关电路140保持在导通状态。当供电电压信号Vln超过第三个(断路)过电压阈值，该阈值高于第二个过电压阈值，开关电路140处于导通状态时，控制电路130控制开关电路140转换到非导通状态，并可选择地将它记录为另一个过电压事件。同样，如果从正常工作状态320，定期监测的供电电压信号Vln降低到低于电压不足记录阈值UVrc (Vln < UV,。)时，控制电路130通过过渡到记录电压不足条件状态350而做出反应，执行电压不足记录程序。电压不足事件计数存储在控制电路130的非易失性存储器中。电压不足记录程序包括增加电压不足计数，存储增加的计数值。此外，电压不足记录程序通过计时模块记录程序，确定指示时间，将该值记作电压不足事件的计时。与过电压事件一样，记录的电压不足事件时间可以是自从上一个事件的一段时间，或自计时周期或间隔开始后的一段时间，或是一天的时间。控制电路130可选择地向显示器150发送显示控制信号，以显示增加的电压不足计数值。此外，通过SCI模块，控制电路130能够向外部设备发送含有电压不足的事件信息(例如，计数值和计时信息)。在图3所示的记录电压不足状态330中，尽管记录了一个电压不足事件，开关电路140还保持导通/闭合，负载设备保持与交流电源的连接。这种作为供电电压信号的开关状态，可见于图2的左下方。当供电电压信号下降到电压不足重建阈值(UV )以下，不采取任何行动，开关电路140保持闭合(连接)。如果供电电压信号持续下降，跌至电压不足记录阈值(mu以下，执行电压不足记录程序(例如，递增计数、记录时间、控制显示、提供外部通告)；然而，提供至开关电路140的开关控制信号维持在打开(导通)状态(例如，开关控制信号持续关闭开关电路140)。供电电压信号可能会在较短时间内围绕电压不足记录阈值(UVre)上下波动。如图3所示的状态图解，为了防止产生一系列电压不足报告，供电电压信号必须超过电压不足重建阈值(Vln > UV )，从而在对供电电压信号下降到电压不足记录阈值以下(Vln < UVrc)作出反应而执行另一个电压不足记录操作之前，使监控器100恢复到正常工作状态320。换句话说，一旦监控器100处于记录电压不足状态350，将不再记录电压不足，直到监控器100首先回到正常工作状态320，然后再次过渡到记录电压不足状态350，或是监控器100转换到断路状态340时才会再次转为记录电压不足状态350。根据另一种可能的应用来说，一旦处于记录电压不足状态350，即可定期估算供电电压信号Vln，如果供电电压信号仍位于电压不足记录阈值(UVre)以下，则可执行另一个电压不足记录程序，从而获得定期报告。如图3所示，如果供电电压信号从记录电压不足电压状态350降低到电压不足断路阈值(Vln < UVsh)以下，监控器100会转为断路状态340。在这种情况下，除了再次执行电压不足记录程序，控制电路130还会执行停止周期程序，使开关控制信号变为关闭状态，使开关电路140转换到非导通或“关闭”状态(断开开关)，从而断开设备输出插座与电源的连接，来保护设备。在图2开关状态图中最左侧表示的操作中，开关电路140从导通/闭合(设备连接的)状态过渡到非导通/断开(设备不连接)状态。依据一种可行的选项，可以分别记录供电电压信号低于电压不足断路阈值(Vln <UVsh)的情况与供电电压信号仅仅低于电压不足记录阈值，而非电压不足断路阈值(UVsh <Vln < UVrc)的情况，例如，可以保持两个不同的电压不足计数，一个用于记录低于较高电压不足记录阈值，另一个用于记录低于较低的电压不足断路阈值。如图2左上部所示，一旦监控器100处于断路状态340 (执行停止周期程序后)，不管是供电电压信号Vln超出电压不足断路阈值UVsh*供电电压信号Vln超过电压不足记录阈值UVm，开关电路140都保持非导通/断开(切断电源)状态。为了过渡到正常工作状态320，供电电压信号Vln必须在控制电路130再次执行通电周期程序前，增加到电压不足和过电压重建阈值之间的某一点(UVls S VlnS 0Vre)，在此开关控制信号变为接通状态，从而控制开关电路140转化为一种导通状态(闭合)，以传送电力到受保护的设备。由于供电电压信号Vln降低到电压不足断路阈值UVsh以下，开关电路140关闭但不会复原，直到供电 电压信号Vln超过电压不足重建阈值UVrs,开关控制机制中存在滞后现象，防止了由于供电电压波动造成的快速开关周期现象。概述与电压不足阈值相关的控制电路130的操作，当供电电压信号Vln高于第一个(重建)电压不足阈值，开关电路140处于非导通状态来说，控制电路130控制开关电路140转换为导通状态。当供电电压信号Vln低于第二个(记录)电压不足阈值时，该阈值低于第一个电压不足阈值，且开关电路140处于导通状态时，控制电路130记录电压不足事件，控制开关电路140保持在导通状态。当供电电压信号Vln低于第三个(断路)电压不足阈值，该阈值低于第二个电压不足阈值，且开关电路140处于导通状态时，控制电路130控制开关电路140转换到非导通状态，并可选择地将它记录为另一个电压不足事件。图4A和图4B是一个功能流程图，概述了根据供电电压条件对供电电压监控器进行操作的一个逻辑示例。在操作405中，从启动条件开始，控制电路130对接收到的用来表示供应侧的火线与零线之间电压的Vln进行A/D模数转换。在操作410中确定数字化的供电电压信号Vln是否介于电压不足和过电压重建阈值之间(UU Vln < 0Vrs)o如果是这样，即执行通电周期程序(操作415)，S卩，控制电路130向开关电路140提供一个“打开”状态的开关控制信号，来打开开关电路140 (导通状态)以使输入供应侧火线导线与输出负载侧火线导线连接，从而向下游设备输出插座传递电力，来连接负载设备与交流电源(例如，正常工作状态下)。如果不是这样(例如，如果供电电压信号Vln位于重建阈值水平夕KVln > OVrs或Vln < UV )，逻辑线路回到操作405，在执行通电周期程序及回到正常工作状态之前，控制电路130继续检测供电电压信号Vln，直到它位于可接受的水平内(例如，UVrs- Vln^ OVrs )。执行通电周期程序后，对接收到的供电电压信号Vln持续周期性的进行A/D模数转换(操作420)。在操作425中，比较供电电压信号与电压不足断路阈值UVsh。如果供电电压信号小于电压不足断路阈值(Vln < UVsh),那么执行电压不足记录程序(操作430)和停止周期程序(操作435)，记录上述电压不足状况，关闭开关电路140 (非导通状态)，来断开输入(供电侧)火线导线与输出(负载侧)火线导线的连接，从而防止电能传输到下游设备输出插座，断开负载设备与交流电源的连接。执行停止周期程序后，逻辑线路回到最初的操作405，定期比较供电电压信号Vln和重建阈值。如果在操作425中，供电电压信号不在电压不足断路阈值以下(Vln > UVsh),那么逻辑线路即进入操作440，比较供电电压与电压不足记录阈值UVTC。如果供电电压信号小于电压不足记录阈值(Vln < UVm)，那么会执行电压不足记录程序(操作445)，记录上述电压不足状态，逻辑线路进入操作450 (图4B)。如果供电电压信号不小于电压不足记录阈值(V1 _ UV )，那么该逻辑线路将直接进入操作450，无需执行电压不足记录程序。在操作450中，比较供电 电压信号与过电压断路阈值0Vsh。如果供电电压信号大于过电压断路阈值(Vln > 0Vsh)，那么将执行过电压记录程序(操作455)和停止周期程序(操作435),记录上述过电压状态,关闭开关电路140 (非导通状态),断开输入供电侧火线导线与输出负载侧火线导线的连接，从而防止电能传递到下游设备输出插座，断开负载设备与交流电源的连接。执行停止周期程序后，逻辑路线回到最初的操作405，定期地比较供电电压信号Vln和重建阈值。在操作450中，如果供电电压信号不大于过电压断路阈值(Vln^ 0Vsh)，逻辑线路进行操作460，比较供电电压和过电压记录阈值0V 。如果供电电压信号大于过电压记录阈值(Vln > 0VTC)，那么过电压记录程序(操作465)将会如上所述记录过电压状态，逻辑线路进入操作420，重复维持开关电路闭合(连接)状态的比较周期。如果供电电压信号不大于过电压记录阈值(Vln S OVrc)，逻辑线路直接进入操作415，无需执行过电压记录程序。图5描述的是根据供电电压状态执行供电电压监控器操作的另一个实例的功能流程图。在操作505中，从起始状态，对接收到的表示火线与零线之间电压的Vln进行A/D模数转换。在操作510中确定供电电压信号Vln是否位于电压不足和过电压重建阈值之间(UV _ Vi r OVrs)0如果是这样，在执行通电周期程序(操作515)中，控制电路130向开关电路140提供开关控制信号，在“打开”状态打开开关电路140 (导通状态)，连接输入供应供电侧火线导线与输出负载侧火线导线，从而向下游设备输出插座提供电能，连接负载设备与交流电源(例如，正常工作状态)。如果不是这样(例如，如果供电电压信号Vln位于重建阈值水平外(Vln > OVrs or Vln < UV )，逻辑线路会回到操作505，在执行通电周期程序，并过渡到正常工作状态前，控制电路130继续检测供电电压信号Vln，直到该信号位于可接受的水平(例如，UV — Vln < OVrs) ο执行通电周期程序后，对接收到的供电电压信号Vln持续周期性的执行A/D模数转换(操作520)。在操作525中，比较电压供给与电压不足记录阈值UVTC。如果供电电压信号小于电压不足记录阈值(Vln < UV )，那么会执行电压不足记录程序(操作530)，记录上述电压不足状态，并且逻辑路线进入操作535，比较供电电压信号与电压不足断路阈值UVsho如果供电电压信号小于电压不足断路阈值(Vln < UVsh),即执行停止周期程序(操作540)，记录上述电压不足状态，关闭开关电路140 (非导通状态)，断开输入供电侧火线导线与输出负载侧火线导线的连接，从而阻止电能传输到下游设备输出插座，断开负载设备与交流电源。如果控制电路130从低于电压不足记录阈值降低到低于电压不足断路阈值，控制电路130还会执行电压不足记录程序(图5中未显示)和停止周期程序。执行停止周期程序后，逻辑线路回到最初的操作505，定期比较供电电压信号Vln与重建阈值。在操作535中，如果供电电压信号不高于电压不足断路阈值(Vln 2 UVsh)，那么逻辑路线回到操作520，重复比较供电电压信号与各种阈值，而开关电路则保持在闭合(导通)状态。在操作525中，如果供电电压信号不小于电压不足记录阈值(Vln之UV )，那么逻辑路线进入操作545，比较供电电压信号与过电压记录阈值0V 。如果供电电压信号大于过电压记录阈值(Vln > 0VM)，那么执行过电压记录程序(操作550)，记录上述过电压状态，且逻辑路线进入操作555，比较供电电压信号与过电压断路阈值0Vsh。如果供电电压信号大于过电压断路阈值(Vln > 0Vsh)，那么执行停止周期程序(操作540)，记录上述过电压状态，关闭开关电路140 (非导通状态)，断开输入供电侧火线导线与输出负载侧火线导线的连接，从而阻止电能传送到下游设备输出插座，断开负载设备与交流电源的连接。如果控制电路130从高于过电压记录阈值到高于过电压断路阈值，那么控制电路130还会执行过电 压记录程序(图5中未显示)和停止周期程序。执行停止周期程序后，逻辑路线回到最初的操作505，来定期比较供电电压信号Vln与重建阈值。在操作555中，如果供电电压信号不大于过电压断路阈值(V11, __ 0Vsh)，那么逻辑路线会回到操作520，重复比较供电电压信号与多种阈值，而开关电路则保持在闭合(导通)状态。在操作545中，如果供电电压信号不大于过电压记录阈值(V OVlx),那么逻辑路线会回到操作520，重复比较供电电压信号与多种阈值，而开关电路则保持在闭合(导通)状态。本发明并不局限于图4A、图4B和图5所描述的任何一个具体实施例，可以采用多种不同的操作来实现本发明。具有多种不同的记录和断路水平，能够允许记录会破坏连接设备的过电压和电压不足(例如，创建过电压和电压不足事件的历史)，而无需真正切断与连接设备的供电(例如，关闭连接的设备)。可能会损伤连接设备的供电电压水平(例如，在断路阈值以外)，能够通过记录事件和断开及保护连接设备来应对。如图I所示，板上安装的串行通讯接口(SCI)模块允许控制电路130向外部设备(例如，一台计算机，一台微控制器，一个存储设备，等)传递监控器100的状态和事件历史(例如，过电压和电压不足计数)等信息，用于信息存储和分析。除了从监控器100向外部设备传递数据，SCI模块还允许从外部设备向滤波设备传输设备的控制参数等数据。例如，对于一种选择来说，外部设备能够向控制电路130提供过电压或电压不足阈值，覆盖或替换先前的存储值默认值。在一种具体实施例中，例如，监控器100能够与一个运行一个程序(例如，quickbasic或C语言程序)的计算机连接，在其他方面，允许终端用户从一列过电压和电压不足阈值水平中进行选择。这些用户选择的阈值能传输到控制电路130。控制电路130用终端用户选择的阈值替换或重写之前使用的或默认的阈值。由于监控器100是为保护各种敏感设备而设计的，这一特征允许终端用户自定义适合于连接设备的记录和断路阈值。根据另一项特性，控制电路130可编程来执行程序以响应中断。在一个具体实施例中，配置控制电路130，使用板上装载的计时模块，启动计时中断，每秒执行一个“时间增量”程序。在这种情况下，控制电路130执行图4A-4B或图5中流程图所示的操作，每秒中断来执行“时间增量”程序，以持续记录自最近记录事件(过电压，电压不足，供电中断或浪涌事件)起的运行时间(秒、分钟、小时和天)。因此，为了响应上述电源扰动，除了增加和存储应用事件计数，控制电路130还存储自先前事件起所经过的时间(例如，事件之间的时间)。通过使用串行通讯接口，来连接控制电路130和一个运行定制诊断软件的计算机，能够分析、显示和存储事件数据(事件计数和事件之间的经历时间)。通过使用窗口时间，并记录最近事件之间的时间和与计算机的连接情况，定制诊断软件能够对先前记录的事件执行计算指令，将所记录的事件之间的时间转化为事件发生的真实时间/日期(时间标记)。可以认识到上述控制电路130只是代表一种可能的实现方式，还有其他很多使用多种硬件、软件、固件及其组合的方法，也可以用来评估并对过电压和电压不足做出响应。图6说明了一个完整的电源滤波电路600，它包括图I所示供电电压监控器100与其他的电源滤波电路连接的组件。电源滤波电路600可以是线路连接的、以微控制器为基础的混合滤波器(电涌抑制器，EMI电磁干扰滤波器)，来抑制交流电源瞬变和EMI电磁干扰，从而保护连接的设备免受与瞬态变化/噪声相关的损伤和破坏。一个分流器610连接至·输入端的火线、零线和地线，随后一个滤波器620连接输入端的火线和零线的导线(例如，供电电压监控组件的上游)。这些步骤抑制电压瞬变和EMI/RFI电磁/射频干扰。与输出端的火线、零线和地线的导线连接的固定器630 (clamp stage),位于开关电路140下游，用来在经过滤波的电能传递到连接的设备之前消除任何残余的电压瞬变。或者，控制开关电路140状态的控制电路还能控制一个继电器的状态，来连接和断开固定器630与零线导线的连接，来协调保护固定器630的组件。分流器610，滤波器620和固定器630类似于美国专利申请中申请号为5，136，455所描述的部分，作为示例，将它所公开的内容全部引入本文作为参考。在这种设置中，除了监测过电压和电压不足，控制电路130还能够监测其他类型的工作电压干扰或谬误。例如，控制电路130还能够评估是否存在线路故障，例如是地线断开(open ground)或极性反向的状态(例如,火线和零线颠倒)。此外,控制电路130还能够监测超温状态和超电流状态。如果发生功率干扰，控制电路还能够增加相应的功率干扰计数，并将该计数存储在存储器中。可选择地是，控制电路130能够在显示器150上显示有关功率干扰的信息(例如，线路故障类型，等)。在适当时间内，控制电路130也能发信号通知开关电路140断开与设备输出插座的电力连接，来保护设备。作为响应，开关电路140根据是否检测到一种不符合需要的操作状态(例如，过电压状态、电压不足、线路故障、超温、超电流状态，等)连接或断开火线导线与负载侧的连接设备之间的连接。上文描述了新的改良的供电电压监控器的优先实施例，可以想象得到该领域的技术人员能够在上文描述的基础上想到其他的修改、变化或改变。因此，这些可以想到的所有变化都属于本发明所附具体权利要求的范围内。尽管这里使用了特定的术语，但都是以更好地描述为目的，并非为了对其进行限制。
权利要求
1.一种供电电压监控器，用于监测交流电源的过电压情况，其特征在于，包括 一个开关电路，用于连接能与交流电源连通的输入导线和能与负载连通的输出导线，在导通状态时，所述开关电路电性连接所述输入导线和输出导线，而在非导通状态时，所述开关电路则断开所述输入导线与输出导线之间的电性连接； 一个供电信号调节电路，用于产生代表交流电源电压的供电电压信号； 一个控制电路，用于监测过电压状态的供电电压信号，其中 当供电电压信号低于第一个过电压阈值，且所述开关电路处于非导通状态时，所述控制电路设定为能够控制开关电路转换为导通状态； 当供电电压信号超过一个高于第一个过电压阈值的第二个过电压阈值，且所述开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够记录过电压事件，并控制开关电路保持在导通状态； 当供电电压信号超过一个高于第二个过电压阈值的第三个过电压阈值，且所述开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够控制开关电路转换为非导通状态。
2.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，当所述供电电压信号超过第三个过电压阈值，且开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够进一步记录过电压事件。
3.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述控制电路通过增加过电压事件计数和记录过电压事件计时来记录过电压事件。
4.如权利要求I所述的供电电压监控器，其特征在于 当供电电压信号超过一个第一个电压不足阈值，且所述开关电路处于非导通状态时，所述控制电路设定为能够控制开关电路转化为导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第一个电压不足阈值的第二个电压不足阈值，且所述开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够记录电压不足事件，并控制所述开关电路保持在导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第二个电压不足阈值的第三个电压不足阈值，且所述开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够控制所述开关电路转换到非导通状态。
5.如权利要求4所述供电电压监控器，其特征在于，当所述供电电压信号低于第三个电压不足阈值，且开关电路处于导通状态时，所述控制电路设定为能够进一步记录电压不足事件。
6.如权利要求4所述供电电压监控器，其特征在于，所述控制电路通过增加电压不足事件计数和记录电压不足事件计时来记录电压不足事件。
7.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述供电电压信号是一种交流电压信号。
8.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述供电电压信号是一种直流电压信号。
9.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述交流电源电压是一种火线与零线之间的电压。
10.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述交流电源电压是一种火线与地线之间的电压。
11.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述输入导线是一个输入火线导线，所述输出导线是一个输出火线导线。
12.如权利要求I所述供电电压监控器，其特征在于，所述输入导线是一个零线导线，所述输出导体是一个输出零线导线。
13.一种用于监测具有供电电压监控器的交流电源供电的过电压状态的方法，其特征在于，包括在所述供电电压监控器设置一个开关电路，来连接能与交流电源接通的输入导线和能与负载接通的输出导线，其中，在导通状态时，所述开关电路电性连接所述输入导线与所述输出导线，而在非导通状态下，所述开关电路断开所述输出导线与所述输入导线之间的电性连接，而所述方法包括 产生代表交流电源电压的供电电压信号； 当供电电压信号低于一个第一个过电压阈值，且所述开关电路处于非导通状态时，将所述开关电路转换为导通状态； 当供电电压信号超过一个高于第一个过电压阈值的第二个过电压阈值，且所述开关电路处于导通状态时，记录过电压事件，并将所述开关电路维持在导通状态； 当供电电压信号超过一个高于第二个过电压阈值的第三个过电压阈值，且开关电路处于导通状态时，将所述开关电路转换为非导通状态。
14.如权利要求13所述方法，其特征在于，还包括 当所述供电电压信号超过第三个过电压阈值，且开关电路处于导通状态时，记录过电压事件。
15.如权利要求13所述方法，其特征在于，记录所述过电压事件时包括递增过电压事件计数和记录过电压事件时间。
16.如权利要求13所述方法，其特征在于，还包括 当供电电压信号超过一个第一个电压不足阈值，且开关电路处于非导通状态时，将所述开关电路转换为导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第一个电压不足阈值的第二个电压不足阈值，且开关电路处于导通状态时，记录电压不足事件，并将所述开关电路维持在导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第二个电压不足阈值的第三个电压不足阈值，且开关电路处于导通状态时，将所述开关电路转换为非导通状态。
17.如权利要求16所述方法，其特征在于，还包括 当所述供电电压信号低于第三个电压不足阈值，且开关电路处于导通状态时，记录电压不足事件。
18.如权利要求16所述方法，其特征在于，记录所述电压不足事件时包括递增电压不足事件计数和记录电压不足事件时间。
19.一种非暂时性计算机可读媒介，其特征在于，通过包含计算机可执行指令的软件来编码，当一个处理器执行该指令时，使所述处理器能够执行以下功能比较代表交流电源电压的供电电压信号与多个过电压阈值； 当供电电压信号低于第一个过电压阈值时，控制一个开关电路从非导通状态转换为导通状态，所述开关电路配置为连接一个能与交流电源连通的输入导线和一个能与负载连通的输出导线，在导通状态，所述开关电路电性连接所述输入导线与输出导线，在非导通状态，所述开关电路断开所述输入导线与输出导线之间的电性连接； 当供电电压信号超过一个高于第一个过电压阈值的第二个过电压阈值时，记录过电压事件，并维持所述开关电路在导通状态； 当供电电压信号超过一个高于第二个过电压阈值的第三个过电压阈值时，控制所述开关电路从导通状态转换为非导通状态。
20.如权利要求19所述的非暂时性计算机可读媒介，其特征在于，用于编码该媒介的软件中进一步包含的计算机可执行指令是，当处理器执行该指令时，使处理器还能够执行以下功能比较所述供电电压信号与多个电压不足阈值； 当供电电压信号超过一个第一个电压不足阈值时，控制所述开关电路从非导通状态转换为导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第一个电压不足阈值的第二个电压不足阈值时，记录电压不足事件，维持所述开关电路在导通状态； 当供电电压信号低于一个小于第二个电压不足阈值的第三个电压不足阈值时，控制所述开关电路从导通状态转换为非导通状态。
全文摘要
本发明涉及一个供电电压监控器，其包括一个开关电路能够用来连接交流电源与一个负载。当供电电压信号介于第一个过电压阈值和第一个电压不足阈值之间时，一个控制电路能够将开关电路从非导通状态转换为导通状态。当供电电压信号超过第二个更高的过电压阈值时，由控制电路记录过电压事件，并维持开关电路在导通状态。当供电电压信号超过第三个最高的过电压阈值时，控制电路将开关电路转换为非导通状态。当供电电压信号低于第二个较低的电压不足阈值时，由控制电路记录电压不足事件，将开关电路维持在导通状态。当供电电压信号低于第三个最低的电压不足阈值时，控制电路将开关电路转换为非导通状态。
文档编号G01R19/25GK102916388SQ20121025723
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月24日 优先权日2011年8月4日
发明者理查德·J·比林斯利, 罗伯特·A·达利 申请人:电子系统保护有限公司