专利名称：功率干扰检测电路及方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种交流电源(AC)，并且更具体地，涉及一种电动设备和系统的功率干扰检测电路。
背景技术：
许多电子电气设备，例如，诸如个人视频记录器(PVR)、机顶盒(STB)、个人计算机(PC)等的记录设备，依赖于未受干扰的交流(AC)分支功率以完成严格的系统操作。AC电源可能遭受多种长期的和瞬时的干扰。如这里所用的术语“功率干扰”指的是超出输入到任意电子、电机、或电气设备的AC功率的容限条件范围。超出容限条件范围包括超出调节条件范围。功率干扰的示例包括输入功率的频率和/或幅度的变化。尽管前者通常是可接受地稳定的，但是幅度变化经常发生。不幸地是，在某些情况下，AC功率完全消失。
计算机系统、机顶盒、PVR、DVD以及CD记录器等典型地使用各种存储设备来存储程序和系统信息。存储设备包括硬盘驱动、可记录磁盘、半导体存储设备等。功率故障、停电、或其他干扰可能在任何时间发生。当在存储器写操作的中间功率受到干扰时，有时会破坏存储器中的数据。在某些情况中，在功率干扰之后设备将不能运行。例如计算机有时将不能引导，因为当功率干扰中断写操作时损坏了存储在存储器中的关键系统信息。此外，许多电机设备依赖于未受干扰的功率以完成严格的机械移动。因此功率干扰的易损性对于许多电子、电气、以及电机设备仍然是个问题。
一些传统系统通过早期功率失效(EPF)报警电路以指出即将来临的功率干扰的方法，来试图解决该问题。现有的EPF方法典型地依赖于电源输出的电压监测，以检测干扰。该方法具有缺点。例如，开关模式的电源由于在其输入电容器上保留的电荷，可以在输入AC电压下降之后在稳压处停留一段时间。因此，任何基于输出电压电平的下降的报警与相应功率干扰的实际发生在时间上有所延迟。该延迟时间典型地是输入电容器的放电时间常数的函数。由于该延迟时间的原因，现有技术方法经常不能提供AC功率干扰的足够早的报警。
因此，需要能够以减少的延迟来指示出功率干扰的电路和方法。
发明内容
本发明提出了一种用于检测交流(AC)电源中的干扰的方法和设备。本发明的方法包括步骤针对所提供的AC电压的每个周期的至少一部分，指示出在所提供的AC电压和阈值电压之间的关系。还提出了一种用于检测在所提供的交流(AC)中的干扰的电路。该电路包括与所提供的AC的源相耦合的阈值检测器。该阈值检测器针对所提供的AC的每个周期的至少一部分，提供指示出所提供的AC电平与阈值电平的关系的信号。
下面将参考附图更加详细地描述本发明的实施例，其中图1是包括根据本发明的一个实施例的功率干扰检测电路的电气设备的方框图；图2是根据本发明的一个实施例的功率干扰检测电路的功率阈值检测电路的示意图；图3示出了根据涉及AC输入功率的时域损耗的本发明实施例的电路的检测响应以及涉及传统早期电源故障(EPF)检测电路的时域波形的发明的检测响应的电气设备的波形；图4示出了根据涉及时域的AC输入电压瞬时下降到比预定检测阈值低的电平的本发明实施例的检测电路的波形；图5示出了根据涉及时域的AC输入电压瞬时下降到近似与预定检测阈值相等的电平的本发明实施例的检测电路的波形；
图6示出了根据涉及时域的AC输入电压瞬时下降到比预定检测阈值高的电平的本发明实施例的检测电路的波形。
具体实施例方式
本发明检测AC输入功率的干扰。如在这里所用的术语“功率干扰”指的是超出AC功率信号的容限条件范围。对于本说明书来说，术语“超出容限”指的是其中AC电源输入的参数在设备正确操作的规定极限之外的任意条件。根据本发明实施例，由根据电路部件的适当选择及其设备尺寸，例如电阻器值和二极管额定值，由至少一个阈值来规定和实现该极限。通过各种参数，包括AC峰值电压、AC均方根(RMS)电压、AC平均电压、AC峰-峰电压以及频率、以及其他可能的量，来描述和量度AC电源信号的特征。本发明涉及根据至少一种上述测量来检测AC电信号中的干扰。在本发明的一个实施例中，在紧接着干扰的一个交流周期时间内进行功率干扰的检测。
图1是包括根据本发明实施例的功率干扰检测电路100的设备200的方框图。设备200代表设备的至少一种设备功能依赖于AC电源的任意设备。在本发明的实施例中，设备200是从包括机顶盒、计算机、DVD录像机、PVR、电视等电子设备的组中选择的。在本发明的一个实施例中，功率干扰检测电路100实现在AC电源197内。AC电源197通常可以在许多电子设备中找到，并且所述AC电源197提供调节的电压199，用于基于由源105提供的AC功率来操作设备200。
本发明不依赖于在设备200内部或外部的检测电路的任何特别布置。相反地，本发明适用于在便于使设备200与AC电源105相耦合的任何位置处实现。
在所示实施例中，电路100包括与信号检测器和分析器150相耦合的阈值检测器110。AC电源105与阈值检测器110的输入端106相耦合。同样，输入端106与电源197的AC电源输入端相耦合。由阈值检测器110在输出端130处提供涉及在电源输入端106处AC功率存在的信号。根据本发明的实施例，阈值检测器110提供“阈值”信号以指出在输入端106处何时出现未受干扰的AC波形。如果在输入端106处出现未受干扰的AC波形，在输出端130处的阈值信号对干扰起反应。在本发明的一个实施例中，阈值信号指示出输入AC波形的每个周期的至少一部分与阈值的关系。
在本发明的实施例中，阈值信号包括在输出端130处提供的脉冲序列(例如，图3的脉冲序列304)。在一个实施例中，脉冲序列包括与AC输入功率波形的每个周期的至少一部分相对应的脉冲。在120Hz的脉冲序列代表未受干扰的60个周期的AC输入波形的本发明一个实施例中，在干扰之后的输入波形的一个周期内检测到幅度下降到低于阈值(也就是，干扰)。即，在约8.33毫秒或更少时间内检测到干扰。
信号检测器和分析器150监测由阈值检测器110提供的阈值信号。只要在输入端106处AC波形的每个连续周期的至少一部分超过阈值，信号检测器150就在输出端170处提供未受干扰的AC功率的相应指示。下面进一步论述AC输入波形与阈值信号的脉冲的对应关系。
在本发明的一个实施例中，在输出端170处未受干扰的AC输入功率的指示是包括两个可能逻辑状态之一的逻辑电平信号。另一个可能逻辑状态的存在指示出受干扰的AC输入功率条件。在本发明的可选实施例中，输出端170包括代表例如状态码的代码的多个比特。在这种情况下，每个状态码设置代表AC输入功率的对应特定干扰条件。本发明的其他实施例考虑了在输出端170处的信号的其他格式。本发明考虑了涉及AC输入功率的各种状态条件和统计测量的多种指示和代表。这些代表和状态是基于在输出端130处的阈值信号的估计的。
将输出端170提供给设备200的其他电路。在本发明的实施例中，将输出端170提供给设备200的安全相关功率电路198。根据本发明的一个实施例，将输出端170提供给控制记录设备的存储器写操作的处理器152。当接收到功率干扰的指示，处理器152使正在进行的任意存储器操作完成临界操作。根据本发明的实施例，此种指示给存储器操作提供足够的时间以完成临界操作。此外，在稳压电源的输出下降到其稳压容限之外前出现指示。
根据本发明的一个实施例，AC电源105是全美家用和商用常见的传统120、60周期电源。然而，本领域的普通技术人员根据在这里读到的教导，将很容易地意识到本发明不限于任何特定的电源AC电压或频率的范围和应用。相反地，可以实现本发明以检测在任意类型的AC功率信号中的AC功率干扰。
图2是根据本发明实施例、用于实现图1的阈值检测器110的电路的示意图。阈值检测器110包括光耦合器112、稳压二极管119和120、以及由电阻器121代表的输入限流电阻。示出了由电阻器117代表的可选电阻。电阻器117提供额外的阈值电压调节。在示出的实施例中，电阻器117与光耦合器112的输入端并联连接。在本发明的一个实施例中，光耦合器112包括商用光耦合器。合适的光耦合器的一个示例是SharpTM的商用零件号码PC81410NSZ。在本发明的一个实施例中，二极管107和108包括齐纳(Zener)二极管。在本发明的一个实施例中，齐纳二极管107和108是100V、0.5W的齐纳二极管。
根据在图2中示出的本发明的实施例，阈值检测器110在输出端130处提供120Hz的脉冲序列。在本发明的实施例中，脉冲包括逻辑电平脉冲(例如，在118处指出的约3.3V的Vcc)。检测器110基于输入的60Hz、120V的AC波形，产生脉冲序列。
为了演示，下面描述本发明的实施例，其中AC功率输入通常为以每秒60个周期交替的120VRMS。在该示例中，要求的阈值是70VRMS。根据图2，AC电源105施加到光耦合器112两端。齐纳二极管119和120以与光耦合器112和电源105串联的关系放置。20K欧姆的电阻器对流过光耦合器112的电流进行限制。将齐纳二极管119和120规定为每个具有100V的峰值击穿电压额定值和0.5W的功率额定值。可选电阻117具有1.2k欧姆的值。
齐纳二极管对于AC电压的常规响应是已知的，且不必在这里详细讨论。齐纳二极管119和120基于其额定击穿电压，在施加的AC电压波形的一部分内阻止流经光耦合器112的电流。根据本发明的实施例，阈值检测器110具有100V峰值的阈值。因此阻止了电流，直到输入波形达到至少约100V的峰值为止。在周期的正部分和负部分AC电压均超过约100V峰值的每个周期的一部分内，电流流经光耦合器112。在电压的绝对值超过阈值时的所施加的AC电压波形的部分期间，齐纳二极管119和120允许电流通过光耦合器112。在这种情况下阈值是100V峰值。因此当所施加的电压超过+100V峰值和降到低于-100V峰值时，电流流经光耦合器112。100V的峰值电压对应于约70V的RMS电压。流经光耦合器112的电流连接到输出端130，以便在130处提供逻辑电平输出信号。
本发明的任意给定设备的要求阈值是基于多种设计考虑而选择的。这些考虑是在本领域普通技术人员的理解能力范围之内的。因此，阈值能够根据所示电路进行调节。调节阈值的一种方式是去除或改变电阻器117的值。调节阈值的另一种方式是选择齐纳二极管119和120的其他击穿电压。
在本发明的可选实施例中，可以使用具有单向LED 113的光耦合器112。在使用单向LED的实施例中，例如硅二极管的外部二极管与光耦合器112内部的LED以正极-负极、负极-正极的方式并联相连。由于单向LED，输出信号130包括60Hz的脉冲序列。因此，最小检测时间从8.33ms加倍到约16.66ms。
输出信号130与信号检测器和分析器150相连。根据本发明的实施例，信号检测器和分析器150包括处理器151。值得注意得，在阈值检测电路110中基本没有时间常数。因此，在输出端130处的120Hz的脉冲几乎立即响应输入AC电压的干扰。在本发明的一个实施例中，选择包括电路110的部件，以便提供接近65VRMS的阈值。
将120Hz的脉冲与信号检测和分析器150相连。在本发明的一个实施例中，信号检测器和分析器150包括处理器151。根据本发明的各种实施例，将处理器151嵌入到接收机的ASIC或解码器电路中。在本发明的一个实施例中，信号检测器和分析器150通过启动动作(例如掉电动作)，来响应检测到的干扰。
在某些情况下，意欲相对于瞬时功率干扰的发生来修改信号检测器和分析器150的响应时间。有些瞬时功率干扰是无害的。例如，干扰的持续时间有时比稳压电源输出的响应时间短。如果干扰检测电路100响应太快，可能会不必要地停止关键过程(例如，硬盘驱动记录)。如果电路100响应太慢，如果发生电源故障，则可能破坏重要数据。
因此，根据本发明一个实施例，检测器150的响应是可调整的。例如，制造厂调整设定信号检测器和分析器150的响应时间。在另一个实施例中，用户经由操作员控制来设定信号检测器和分析器150的响应时间。在本发明的另一个实施例中，信号检测器和分析器150的响应时间是自适应的。即，处理器151监测阈值检测器110的输出的特征，例如在阈值检测器110的130处的输出。处理器151基于监测到的输出的特征，启动一个或多个动作。在这里将要由处理器151监测的一个特征的示例称为信号去抖动(debounce)间隔。如这里所用的，术语“信号去抖动间隔”指的是其中出现低于阈值的多个连续转变(transition)的时间间隔。在本发明的自适应实施例中，处理器151进行“学习”，以忽略具有去抖动间隔的将来的连续转变，其中这些连续转变与具有相同去抖动间隔的过去的连续转变相匹配。换句话说，当过去的干扰图案未导致超出稳压电源输出的容限时，处理器151响应于检测到将来发生的匹配干扰图案，不采取任何动作。根据阅读该说明书，并且理解本发明的原理、对处理器编制程序以识别或学习，则干扰图案在编程技术领域的普通技术人员的接受能力之内。
在本发明的可选实施例中，信号检测器和分析器150的处理器151监测由信号检测器和分析器150提供的脉冲序列，以便收集和存储涉及AC干扰的发生频率、持续时间、以及其他特征的统计数字。处理器151利用统计数字，以便与由信号检测器和分析器150启动的动作相适应。例如，处理器151基于学到的过去的干扰特征和设备200的写操作的相应输出之间的关系，使信号检测器和分析器150终止硬盘驱动器的写操作。在另一个实施例中，信号检测器和分析器150基于学到的干扰特征和设备200的稳压电源电压之间的关系，启动动作。
图3是表示由传统机顶盒产生的EPF信号302的图解说明。中间的迹线304代表来自图1的阈值检测电路110的120Hz的输出130。底部的迹线306示出了所提供的60Hz的AC功率波形。传统EPF报警响应脉冲307和60Hz的AC功率的中断(在309处示出)之间的差Δ1大于约100ms。然而，在309处示出的60Hz的AC功率的中断和120Hz脉冲的中断(在305处示出)之间没有出现明显的延迟。在该实施例中，60Hz的AC功率信号306的每个完整周期对应于120Hz的检测信号304的两个脉冲。如此，检测信号304基本无延迟地追踪功率信号306。
图4是根据本发明的实施例、由图1的阈值检测电路110提供的阈值信号404的图解说明。如图4的406处所示出的，60Hz的AC波形409的幅度在两个周期内从120Vrms下降到65Vrms，然后回到120Vrms。该示例示出了在60Hz的AC输入电压中的短暂下降。具体地，输入信号409下降到低于针对图2的示例电路所选的检测阈值的电平。因为60Vrms(91.9V峰值)比示例电路的阈值低，阈值检测器110的输出端130在两个周期405期间变成高电平。在图4的407处示出了阈值检测器110的逻辑高电平输出。
当功率信号409比阈值低时，阈值信号404仍然固定在逻辑电平。换句话说，信号404的脉冲停止了。当功率信号409回到比阈值高的电平时，信号407的脉冲重新出现。
类似地，在图5中图示了从120Vrms下降至75Vrms的两个周期的下降。图5示出了由图1的阈值检测电路110提供的信号501的示波器显示。如通常在图5的505处所示出的，出现了AC输入电压中的瞬时减少。因为70Vrms(106V峰值)在电路的阈值范围之内，在501处的输出在两个周期的大部分期间内是高电平。然而，在507处出现负峰信号形式的变化。
类似地，在图6中图示了从120Vrms下降至85Vrms的两个周期的下降。图6在601处示出了图1的阈值检测器110的输出。因为85Vrms(120V峰值)比电路的阈值高，在这两个周期期间阈值检测器110的输出基本没有改变。
尽管上面涉及了本发明的优选实施例，在不脱离由所附权利要求所确定的本发明的基本范围的情况下，可以设计本发明的其他的实施例。
权利要求
1.一种用于检测交流(AC)电源输入中的干扰的方法，包括步骤提供指示在所提供的AC输入波形的每个周期的至少一部分和阈值之间的关系的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，提供所述信号的步骤包括步骤针对所述所提供的AC输入波形的每个周期，检测超过所述阈值的至少一部分所述波形。
3.如权利要求1所述的方法，还包括步骤分析所述信号的特征。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述指示信号是逻辑电平信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述信号包括多个脉冲，每个脉冲与超过所述阈值的AC波形的周期的至少一部分相对应。
6.如权利要求3所述的方法，其中，分析步骤包括步骤收集统计数字，并且基于所述收集的统计数字，启动至少一个动作。
7.一种用于检测所提供的交流(AC)中的干扰的电路，包括与所述所提供的AC的源相耦合的阈值检测器；所述阈值检测器针对所述所提供的AC的每个周期的至少一部分，提供指示所述所提供的AC电平与阈值电平的关系的信号。
8.如权利要求4所述的电路，还包括与所述阈值检测器相耦合的信号检测器，所述信号检测器基于所述信号来提供决定。
9.如权利要求7所述的电路，其中，所述阈值检测器包括稳压器，配置用于当所述施加的AC波形的电压超过所述阈值时，使电流通过光耦合器，从而提供所述信号。
10.如权利要求9所述的电路，其中，所述信号包括逻辑电平脉冲。
全文摘要
公开了一种用于检测交流(AC)电源中的干扰的方法和设备。所述方法包括步骤针对所提供的AC电压的每个周期的至少一部分，指示出在所提供的AC电压和阈值电压之间的关系。提供了一种用于检测所提供的交流(AC)中的干扰的电路。所述电路包括与所提供的AC的源相耦合的阈值检测器。所述阈值检测器针对所提供的AC的每个周期的至少一部分，提供指示出所提供的AC电平与阈值电平的关系的信号。
文档编号G06F1/30GK1954219SQ200480043070
公开日2007年4月25日 申请日期2004年5月18日 优先权日2004年5月18日
发明者布莱恩·阿尔伯特·维特曼 申请人:汤姆森许可贸易公司