专利名称：过电压电路和包含其的电动机启动器、过载继电器以及小功率系统的制作方法
技术领域：
所公开的构思大体上涉及过电压电路，特别涉及用于直流电源--例如用于处理器的电源--的电压箝位电路。所公开的构思还涉及使用这些电路的电动机启动器、过载继电器或小功率系统。
背景技术：
已知采用齐纳二极管作为成本相对较低的电压箝位电路。但是，齐纳二极管展示出不理想的特性，例如，在到达额定齐纳电压之前导通某些量的电流。对于很小功率的系统来说，在标称运行情况下的这种电流吸取可能是高到不能接受的。美国专利No. 5436552公开了用于将参考电压箝位在预定电平的箝位电路。箝位电路包括具有恒定电流源的恒定电流电路和电流镜电路。可微调电阻接收来自恒定电流电路的恒定电流，箝位MOS晶体管在其栅极接收由可微调电阻产生的电压，以调节流过箝位节点的电流。能够获得箝位电路的快速电流-电压特性，并设置任意的箝位电位。这个电路提供的箝位电压阈值由施加到箝位MOS晶体管的栅极电压(VG)决定。箝位电压的准确性最初由电阻器(R)的精确微调提供，该电阻器接收恒定的电流(Io)，使得每当IVG-VCl >
Vthp时，在运行中在电阻器两端之间建立的电压(VG = Io * R)允许箝位MOS晶体管在箝位电压(VC)处导通。但是问题是箝位MOS晶体管的阈值电压Vthp随着温度改变。因此， 不能在变化的运行条件下保持适当地一致的箝位电压。例如，据信，典型的MOSFET在对于变化的运行条件(即变化的负载电流；变化的温度)保持一致的栅极-源极阈值电压方面做得相对较差。例如，这或者可在标称输入电压 (如果阈值太低)下流通过大电流，或者可能不能流通电流(如果阈值太高)。已经知道，使用很低电压的精密增强型MOSFET代替齐纳二极管来提供低电流电压箝位。这使用了由可编程MOSFET提供的精密栅极-源极电压，因为传统的MOSFET不具有足够的栅极-源极电压精度。然而，据信，这样的可编程MOSFET具有相对较高的成本。过电压电路存在改进的空间。使用这种电路的电动机启动器、过载继电器或小功率系统也存在改进的空间。
发明内容
这些需求和其它需求由所公开构思的实施例满足，其提供过电压电路，该电路在阈值电压之下流通可忽略的电流，但在阈值电压之上流通足够的电流(由此限制电压)。根据所公开构思的一个方面，电动机启动器包括接触器和过载继电器，过载继电器包括具有电压的电源；由电源的电压进行供电的处理器，处理器被构造为控制接触器； 过电压电路。过电压电路包括具有电压的电压基准；比较器，其包括用于电源的电压的第一输入、用于电压基准的电压的第二输入以及输出，第一输入与电压基准的电压协作以确定阈值电压；负载；由输出控制的开关，开关被构造为，每当电源电压超过阈值电压时将电源电压通过负载电气连接至地。过载继电器的电源可以被构造为，从到电动机的若干条电力线寄生地供电。过载继电器可以还包括若干个电流互感器，其被构造为检测流向电动机的电流以及对电源供电。作为所公开构思的另一个方面，过载继电器包括具有电压的电源；由电源的电压供电的处理器；过电压电路。过电压电路包括具有电压的电压基准；比较器，其包括用于电源的电压的第一输入、用于电压基准的电压的第二输入以及输出，第一输入与电压基准的电压协作以确定阈值电压，负载；由输出控制的开关，开关被构造为，每当电源电压超过阈值电压时，将电源电压通过负载电气连接至地。作为所公开构思的另一个方面，小功率系统包括具有电压的电源；由电源的电压供电的处理器；具有电压的电压基准；比较器，其包括用于电源的电压的第一输入、用于电压基准的电压的第二输入以及输出，第一输入与电压基准的电压协作以确定阈值电压； 负载；由输出控制的开关，开关被构造为，每当电源电压超过阈值电压时，将电源电压通过负载电气连接至地，其中，处理器被构造为动态调整电源的电压，且其中，处理器还被构造为动态调整电压基准的电压。作为所公开构思的另一个方面，过电压电路用于具有电压的电源。过电压电路包括具有电压的电压基准；比较器，其包括用于电源的电压的第一输入、用于电压基准的电压的第二输入以及输出，第一输入与电压基准的电压协作以确定阈值电压；负载；由输出控制的开关，开关被构造为，每当电源电压超过阈值电压时，将电源电压通过负载电气连接至地。电压基准，比较器和开关可以为电压管理集成电路的一部分。电源的电压可以小于阈值电压，由电压管理集成电路消耗的电流可以小于约luA。负载可以为开关的阻抗。电压基准的电压可以为预定固定直流电压和可变电压中的一个。电压基准，比较器和开关可以为处理器的一部分。比较器可被构造为，为第一和第二输入提供迟滞，以避免当电源电压几乎等于阈值电压时输出的快速切换。
结合附图阅读下面对优选实施例的介绍，可以获得对所公开构思的充分理解，在附图中图1为根据所公开构思的实施例的电动机启动器系统的示意框图；图2为根据所公开构思的另一实施例的过载继电器的示意框图；图3为根据所公开构思的另一实施例的过电压电路的示意框图；图4为根据所公开构思的另一实施例包括过压保护电路的小功率系统的示意框图；图5和6为根据所公开构思的其他实施例的过电压电路的示意框图。
具体实施方式
此处采用的术语“若干个”意思是一个或大于一个的整数个(例如，复数个)。此处采用的术语“处理器”意思是能够存储、检索和处理数据的可编程的模拟和 /或数字装置；计算机；工作站；个人电脑；微处理器；微控制器；微型计算机；中央处理单元；主计算机；微计算机；服务器；网络处理器；或者任何合适的处理装置或设备。此处采用的术语“小功率处理器”意味着这样的处理器其被构造为以相对较小的功率运行，例如，小于约10mW。结合电动机启动器和过载继电器对所公开构思进行介绍，但所公开构思可以应用于宽广范围内的小功率系统和直流电力电路。 参照图1，电动机启动器系统2包括由接触器6和过载继电器8构成的电动机启动器4。过载继电器8包括具有电压12的电源10 ；由电源电压12供电的处理器14，处理器 14被构造为控制接触器6 ；过电压电路16，其将会在下面结合例如图3的过电压电路50来讨论。实例1优选为，过载继电器8的电源10被构造为由到电动机20(以假想线绘图示出)的若干条电力线18寄生供电。在那种情况下，过载继电器8还包括若干个电流互感器22，其被构造为检测流向电动机20的电流以及为电源10供电。示例性的电动机启动器系统2还包括电源以假想线绘图示出)和主分断器 26 (以假想线绘图示出)，其向过载继电器8供电。示例性的处理器14控制螺线管28，螺线管28转而控制常闭触点30和常开触点 32。示例性的常闭触点30控制接触器6的螺线管34。示例性的常开触点32控制显示器 36，其显示接触器6的可分离触点38的状态。示例性的处理器14还可以输入复位信号39。实例2图2显示了可以与图1的过载继电器8相同或者类似的过载继电器8’。过载继电器8，类似地包括具有电压12，(例如但不限于，+2. 5V)的电源10，；微控制器14，(例如但不限于，可在从大约1.8V到大约3.3V工作的)；过电压保护电路16’ ；螺线管观’。所公开的固态过载继电器8’是寄生供电的电动机保护装置。电流互感器22’用于将由流向电动机(未示出，但见图1的电动机20)的交流(AC)产生的电磁场转换为用于固态过载继电器8’的电力。这样，对应的控制电路40可以以相对很小的功率(例如但不限于，大约1.5mW)运行。通过显著减少运行控制电路40所需的功率量，电流互感器22’的尺寸可被减小，由此减小了产品的成本和尺寸。尽管示例性的过载控制电路40可以以相对很低的功率工作，但是增加的电动机电流可提供大于充足功率的时间段。当可获得不足的功率时，电压管理电路42提供到微控制器14’的复位信号44。实例3图3显示了过电压电路50，其可以与图1和2的过电压电路16、16’相同或者类似。过电压电路50包括具有电压M的电压基准52、比较器56、开关58和负载60。比较器56包括用于将被保护的电源电压64的第一输入62 ；用于电压基准电压M的第二输入 65(-)；输出66。在此实例中，输入62包括分压器63，其与电压基准52的电压M协作以确定阈值电压。并且，在此实例中，电压M小于阈值电压。开关58由比较器输出66控制，且被构造为，每当电源电压64超过阈值电压时，将电源电压64通过负载60电气连接至地68。实例 4电压基准52，比较器56和开关58可以为电压管理集成电路70的一部分。实例 5当电源电压64小于阈值电压时，由过电压电路50消耗的电流小于大约luA。实例6再次参照图2，在充足功率的时间段中，过多的能量被提供给微控制器14’的电源轨(power supply rail) 12’，例如通过微控制器的I/O保护二极管(未示出)。例如，一对二极管(未示出)将I/O脚(未示出)上的电压限制到小于正电源电压(例如，Vdd)且大于用于该电路的最低标称电压(例如，地114;负电源电压，Vss(未示出))的程度。这防止损坏I/O电路(未示出)的晶体管(未示出)。通常，这些二极管都是反向偏置的且不导通。但是，如果I/O脚上的电压升至超过Vdd或低于Vss，那么对应的保护二极管将会正向偏置并导通，由此限制该I/O脚上的电压，但可能向电源轨12’提供过多的能量。由于控制电路40以相对很小的可用功率工作，这种多余的能量可能引起电源轨 12’上的电压水平增大到可损坏微控制器14’或其他电路的水平。当电源电压12’为标称值时，所公开的过电压保护电路16’消耗可忽略的电流，在过多能量的时间段中，吸取足量的电流来保持电源电压12’受到抑制。这种特性与齐纳二极管的特性形成有利的对比，齐纳二极管不适合于相对较小功率的应用，因为其在低于其齐纳电压时导通相当较为显著的电流。例如，电源轨12’上的标称电压将导致齐纳二极管(未示出)流通不可接受地高的量的电流。因此，所公开构思采用了小功率(且低成本)的方案。实例 7尽管图2公开了过载继电器8’，所公开的构思可应用于任何这样的小功率电路 其中，过多的能量能与该电路正常工作的消耗相比较快地累积。这可包括但不限于，例如， 经由可能经历过量输入功率时间段的能量采集(energy harvesting)(例如但不限于，利用太阳能、动能或电磁能量产生动力的)供电的电路，或可能经历产生过量传感器输入电压的时间段的输入电路(例如但不限于，用于无线传感器网络)。实例8所公开的图2中的过载继电器8’采用过电压保护电路16’，例如图3的示例性过电压电路50，其包括示例性的电压管理集成电路70和示例性的负载60，以提供小功率的电压箝位。电压管理集成电路70监视电源电压64的电压水平，例如图2的电源轨12’。当电源轨12’低于合适的阈值电压水平(例如但不限于，超过标称电源电压，但是低于图2的微控制器14’的最大额定电压)，那么没有电流流过外部负载60(图幻，且该电路消耗的唯一电流来自电压管理集成电路70的电源电流(例如但不限于，典型地小于大约IuA)。这是超越单独齐纳二极管的显著进步，齐纳二极管可能在额定电压时吸取50倍的电流。当电源轨 12’上升并超过阈值电压水平，开关58导通，其允许电流流过负载60，由此将电源轨12’箝位到安全的电压水平。实例9尽管图3的过电压电路50可以采用商业上可获得的电压管理集成电路70，可使用宽广范围内的其他合适的电路。例如但不限于，电压管理集成电路70的电压基准52、两输入比较器56和输出FET开关58结构元件可使用分立的元件构造。或者，负载60可被电压管理器包括，以形成过电压保护集成电路(未示出)。而且，可以采用恒定或可变的电压基准。实例10负载60可以为齐纳二极管。实例11另外，可采用替代性的负载，例如但不限于，电阻器、晶体管和/或二极管(包括齐纳二极管和LED)或其任意组合。进一步地，电压管理集成电路70的功能可以由任何合适的可编程装置实现，例如但不限于，处理器，例如小功率的微控制器。实例12示例性的电压管理集成电路70是美国亚利桑那州凤凰城的Or^emiconductor出售的电压检测器系列NCP300或NCP301。实例13图3中将被保护的电源电压64可为标称电压(例如但不限于，在大约1. 8VDC到大约3. 3VDC的范围内，大约2. 5VDC的标称电压)。由分压器63和电压基准电压M确定的阈值电压(例如但不限于，大约3. 0VDC)，大于标称电压但小于最大电压(例如但不限于，大约3. 3VDC)，其中，最大电压大于标称电压。实例14电压基准电压M可以为预定固定直流电压和可变的电压中的一个，如将在下面结合图4讨论的。实例15负载60可从电阻器、晶体管、二极管、齐纳二极管和发光二极管中选择。实例16比较器56可被构造为为第一和第二输入62、65提供迟滞，以避免当电源电压64 几乎等于由电压基准电压M和分压器63确定的阈值电压时比较器输出66的快速开关切换。这可以避免快速切换，否则，快速切换可能由于在图2的示例性的电源轨12’或电源电压64上的相对较小的信号“噪音”而产生。将会明了，不需要分压器63。例如但不限于，见下面的实施例19。实例17参照图4，小功率系统100包括具有电压104的电源102 ；由电源电压104供电的处理器106 ；过电压电路108，其可类似于图1和2所示的过电压电路16、16’。但是，这里， 处理器106被构造为使用线105来动态调整电源电压104，且进一步被构造为使用线107来动态调整过电压电路108的阈值电压110。例如，线107可以以智能的方式控制可变电压基准112。例如，小功率系统100可以通过从处理器线105到电源102的输出动态调整它的电源电压104(例如，动态电压缩放)。 减少电源电压104导致功率消耗的减少，但是还有最大时钟速率的对应的减少。因此，这样的系统100可以在低活跃期间降低其电源电压104以保存电力，但当需要快速完成一些任务时暂时升高其电源电压104。这样的系统100又可以采用具有可调节阈值电压110的过电压电路108和可变电压基准112，以便适当地“追随”动态电压缩放。
实例18图5示出了另一个过电压电路50’，其类似于图3所示的过电压电路50。这里，电压管理集成电路70’的开关58’(例如，FET)的阻抗60’为负载。当开关58’开通或闭合时，如开关58’的导通阻抗(电阻)所限制的，这将电源电压64’暂时地电气连接到地114， 直到电源电压64’下降到低于(dips below)由基准电压M和分压器63确定的预定电压阈值。据信，这可通过相对快速地将开关58’切换为导通和关断来起作用。
实例19图6示出了另一个过电压电路120，其中，电压基准122、比较器124和开关126为处理器128的一部分。示例性的处理器1 包括模数转换器(ADC) 130、比较器IM和程序 132，程序132被构造为，周期性地测量来自模数转换器130的电源电压134，将测量到的电源电压136和预定值138进行比较，如果测量到的电源电压136超过预定值138，改变输出 140以便使能负载141。例如，存储器142储存预定值138，程序132周期性地执行算术运算 (比较器124)以比较测量到的的电源电压136和预定值138。开关1 对程序132的比较器IM作出响应地驱动处理器输出140，以便使能负载141，并使其从电源电压134向地144 传导电流。在此实例中，没有分压器(图3和5)，阈值电压与电压基准122以及预定值138 相同，其全部使用对应的数字电压值代表电压。实例20作为实施例19的替代，处理器1 可使用外部模数转换器(未示出)和/或内部比较器电路(未示出)。例如，这样的比较器电路可用于确定电源电压134(例如，输入到比较器两输入中的一个)是否超过了预定电压基准(例如，输入到比较器两输入中的另一个)。如果是这样，那么处理器使用输出140来使能负载141。如果这些功能已经在特定处理器中可用，那么，由于不需要分立的电压管理器，这可提供相对较低成本的方案。尽管已经详细描述了所公开构思的具体实施例，本领域技术人员将会明了，可根据所公开构思的所有教导对这些细节进行多种修改和替换。因此，这里公开的特定布置仅仅意味着是说明性的，不对所公开构思的范围进行限制，所公开构思的范围由所附权利要求及其任意以及所有等价内容的全部范围给出。参考标记列表
2电动机启动器系统
4电动机启动器
6接触器
8过载继电器
8’过载继电器
10电源
10’电源
12电压
12’电压
14处理器
14’微控制器
16过电压电路
90093]16过电压保护电路0094]18若干个电力线0095]20电动机0096]22若干个电流互感器0097]22电流互感器0098]24电源0099]26主分断器0100]28螺线管0101]28螺线管0102]30常闭触点0103]32常开触点0104]34螺线管0105]36显不器0106]38可分离触点0107]39复位信号0108]40控制电路0109]42电压管理电路0110]44复位信号0111]50过电压电路0112]52电压基准0113]54电压0114]56比较器0115]58开关0116]60负载0117]62第一输入0118]63分压器0119]64电源电压0120]65第二输入0121]66输出0122]68地0123]70电压管理集成电路0124]70’电压管理集成电路0125]100小功率系统0126]102电源0127]104电压0128]105线0129]106处理器0130]107线0131]108过电压电路
110阈值电压
112可变电压基准
114地
120过电压电路
122电压基准
124比较器
126开关
128处理器
130模数转换器
132程序
134电源电压
136测量到的电源电压
138预定值
140输出
141负载
142存储器
144地
权利要求
1.一种用于具有电压(64 ；64'；100 ；104)的电源的过电压电路(16 ;16’ ;50 ;50’ ；108 ； 120)，所述过电压电路包括具有电压(54)的电压基准(52)；比较器(56)，包括:用于所述电源的电压的第一输入(62)，所述第一输入与电压基准的电压协作，以确定阈值电压，用于所述电压基准的电压的第二输入(65)，以及输出(66)；负载(60)；以及由输出控制的开关(58)，所述开关被构造为，每当所述电源的电压超过所述阈值电压时，将所述电源的电压通过所述负载电气连接至地(68)。
2.根据权利要求1所述的过电压电路(50；50’)，其中，所述电压基准、所述比较器和所述开关为电压管理集成电路0 的一部分。
3.根据权利要求2所述的过电压电路(50;50’)，其中，当所述电源的电压小于阈值电压时，由所述电压管理集成电路消耗的电流小于约luA。
4.根据权利要求1所述的过电压电路(50’)，其中，所述负载为所述开关的阻抗。
5.根据权利要求1所述的过电压电路(50;50’)，其中，所述电源的电压为标称电压； 且其中，所述阈值电压大于标称电压但小于最大电压，最大电压大于标称电压。
6.根据权利要求1所述的过电压电路(50;50’；108)，其中，所述电压基准的电压为预定的固定直流电压(64 ；64’ )和可变的电压(104)中的一个。
7.根据权利要求1所述的过电压电路(50；50’)，其中，所述负载(60 ；60’)选自电阻器、晶体管、二极管、齐纳二极管和发光二极管。
8.根据权利要求7所述的过电压电路(120)，其中，所述处理器包括模数转换器(130)、 所述比较器和程序(132)，程序(13 被构造为周期性地测量来自模数转换器的所述电源的电压(134)，将测量得到的所述电源的电压(136)和预定值(138)进行比较_，如果所述电源的电压超过预定值，改变所述输出(140)以使能负载(141)。
9.根据权利要求8所述的过电压电路(120)，其中，所述处理器还包括储存预定值 (138)的存储器(14 ；且其中，程序包括将测量得到的所述电源的电压和预定值进行比较的算术运算(124)。
10.根据权利要求1所述的过电压电路(120)，其中，所述电压基准(138)、所述比较器 (124)和所述开关(126)为处理器(128)的一部分；其中，所述处理器包括输出(140)、所述比较器和程序(132)，程序(13 被构造为，如果所述电源的电压超过所述阈值电压，响应于所述比较器的输出地改变所述处理器的输出以便使能负载。
11.根据权利要求1所述的过电压电路(50;50’)，其中，所述比较器被构造为，为第一和第二输入提供迟滞，以避免当所述电源的电压几乎等于所述阈值电压时所述输出的快速切换。
12.—种电动机启动器(4)，包括接触器(6)；以及过载继电器(8)，其包括具有电压(12 ；64)的电源(10)由所述电源的电压供电的处理器(14)，其被构造为控制所述接触器；以及如权利要求1所述的过电压电路(16 ；50)。
13.根据权利要求12所述的电动机启动器G)，其中，所述过载继电器的电源被构造为，由到电动机00)的若干条电源线(18)寄生供电。
14.一种过载继电器(8 ；8’)，包括具有电压(12 ；12，；64)的电源(10 ；10，)； 由所述电源的电压供电的处理器(14 ；14’ )；以及如权利要求1所述的过电压电路(16 ；16，；50)。
15.一种小功率系统(100)，包括 具有电压(104)的电源(102)；由所述电源的电压供电的处理器(16)；以及如权利要求1所述的过电压电路，其中，所述处理器被构造(10 为动态调整所述电源的电压，且其中，所述处理器还被构造(107)为动态调整所述电压基准的电压。
全文摘要
本发明涉及过电压电路和包含其的电动机启动器、过载继电器以及小功率系统。电动机启动器(4)包括接触器(6)和过载继电器(8)。过载继电器包括具有电压(12；64)的电源(10)；由电源电压供电的处理器(14)，其被构造为控制接触器；过电压电路(16；50)。过电压电路包括具有电压(54)的电压基准(52)、比较器(56)、负载(60)以及开关(58)。比较器包括用于电源电压的第一输入(62)、用于电压基准电压的第二输入(65)、输出(60)，第一输入与电压基准电压协作，以确定阈值电压。开关由比较器输出控制并被构造为，每当电源电压超过阈值电压时，将电源电压通过负载电气连接至地(68)。
文档编号H02H9/04GK102315635SQ20111022499
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者J·D·赖利 申请人:伊顿公司