专利名称：用于使用打嗝复位的可测试电流限制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于使用打嗝复位(hiccup reset)的可测试电流限制的系统和方法。
背景技术：
用于商业飞行器的烟雾探测器电路的典型设计将包括高达44个烟雾探测器，每个烟雾探测器具有其自己的独立电源单元，所有电源单元都从单个电路断路器馈电。电源单元典型地具有自身限制其源到其相连负载的电流量的能力。这意味着如果连接到电源的装置经历故障，对该装置馈电的电源单元能够限制对故障馈电的电流。然而，当电源单元本身内部故障时，其限制故障电流的能力受损。因而，如果用于这44个单元中的任意一个的电源单元在飞行期间经历故障，过度电流条件将导致对故障馈电的电路断路器跳闸，截断用于整个烟雾探测器电路的功率。从该电路断路器供电的所有装置和系统在飞行期间将保 持不可用。由于本领域技术人员在阅读和理解本说明书时显见的上述原因和下述其他原因，在本领域中对于用于使用打嗝复位进行可测试电流限制的改进系统和方法存在需要。
发明内容
本发明的实施例提供用于使用打嗝复位的可测试电流限制的方法和系统且将通过阅读和学习下面的说明书得到理解。在一个实施例中，具有线路侧输入和负载侧输出的电流限制器设备包含具有率禹合线路侧输入到负载侧输出的传输晶体管的电流调节电路，其中传送到负载侧输出的负载电流流经传输晶体管，且其中电流调节电路配置成在负载电流超过电流限制阈值时将负载电流钳位到预定电流限制；耦合到电流调节电路的锁存调节电路，该锁存调节电路还通过具有高于传输晶体管的导通电压阈值的半导体装置耦合到线路侧输入；其中该锁存调节电路将从电流调节电路接收的第一电压与在半导体装置处测量的第二电压进行比较以判断负载电流何时超过电流限制阈值且其中当负载电流超过电流限制阈值达超过预定电流限制期间的时间周期时，锁存调节电路临时关闭传输晶体管达预定锁存周期；以及耦合到负载侧输出的电流限制测试电路，该电流限制测试电路包括参考阻抗和开关装置，其中开关装置配置成向负载侧输出应用参考阻抗。
当考虑优选实施例和下面附图的描述时，可以更容易地理解本发明的实施例且将更容易地显见其他优点及用途，附图中
图I是本发明的一个实施例的电流限制器设备的框 图2是本发明的一个实施例的电流限制器设备的示意图；以及 图3是说明本发明的一个实施例的方法的流程图。依照一般实践，各种描述的特征没有按比例绘制，而是强调与本发明相关的特征。贯穿图和文本，参考符号表示相似的元件。
具体实施例方式在下面的详细描述中，对附图做出引用，附图形成本详细描述的一部分且其通过可以实践本发明的特定说明性实施例的方式示出。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，且应当理解，可以利用其他实施例且可以在不偏离本发明的范围的条件下做出逻辑、机械和电学改变。因此下面的详细描述不应视为限制意义。本发明的实施例例如以耦合到电源的线路侧的前端装置的形式提供电流限制器装置。通过限制电流量，故障的电源能够汲取(draw)到低于上游电路断路器的跳闸设置的量，电流限制器装置能够防止故障的电源导致断路器跳闸。在本发明的一些实施例中，电流限制器装置还提供能够确定电流限制器的电流限制功能是否适当工作的可测试电流限制器。即，它能够测试电流限制器装置实际是否能够限制到其下游负载的电流。而且，瞬时过电流事件启动电流限制器装置的电流限制功能而不导致装置永久地锁存在关闭状态。图I是说明本发明的一个实施例的电流限制器设备100的简化框图。在图I中示出的实施例中，电流限制器设备100用作耦合到线路侧输入102的功率分配电路和耦合到负载侧输出104的电源105之间的前端电流限制器。线路侧输入102经由电路断路器103供应电功率。在一个实施例中，负载侧输出104向电源105 (诸如24VDC电源)馈电，该电源进而向一个或更多装置106提供电流。电流限制器设备100包含电流调节电路110、锁存调节电路120和电流限制测试电路130。通过钳位能够流经电流调节电路110的电流量，电流限制器设备100防止电源105的故障汲取足够电流以使线路侧电路断路器103跳闸。电流调节电路110还包含传输晶体管112，通过断路器103供应到电源105的所有电流经过该传输晶体管112。作为其自己内部电阻乘以电流平方的函数，热在传输晶体管112处产生。这样，传输晶体管112将加热且在被要求无定限地供应超过其额定功率的钳位水平的电流时出现故障。为了避免需要使用能够承受高电流的晶体管(其相对于具有标准额定功率的晶体管，典型地是昂贵的)，锁存调节电路120将在此处称为“电流限制期间”的预定时间周期之后导致传输晶体管112截止。即，电流限制期间是传输晶体管112能够以钳位电流水平供应电流而不烧毁传输晶体管112的时间周期。在操作中，只要来自负载侧输出104的电流汲取低于电流限制阈值，传输晶体管112将无定限地供应该电流。如果在负载侧输出104处的电流汲取超过电流限制阈值，则电流调节电路110将在电流限制期间以钳位电流限制供应电流。一旦电流限制期间超时，锁存调节电路120将设置临时锁存，该临时锁存将完全截止传输晶体管112，且因而截止对负载104的功率达预定锁存周期期间。当阅读本说明书时，本领域普通技术人员应当意识到，功率分配网络的电压水平将典型地随着时间从其标称值变化。这尤其是诸如车载车辆的应用中的情况。例如，飞行器上的标称额定的24V电路能够在16-32伏特之间的任意点操作。锁存调节电路120以两种方式解决这种变化性。首先，锁存调节电路120包括比较器121，该比较器21监控通过、断路器103实际供应的电压Vl且将其与控制通过传输晶体管112的电流的电压进行比较，使得即使当线路电压变化时，电流限制器设备一致地操作。其次，线路电压通过选择为具有高于传输晶体管112的导通阈值电压的导通阈值的半导体装置122 (诸如齐纳二极管)被比较器121监控。因而，比较器121能够准确监控传输晶体管112何时饱和操作与晶体管何时处于线性模式以限制电流而不管线路电压中的变化的关系。在锁存周期期间过期之后，锁存调节电路120将释放其对于传输晶体管112的锁存，允许电流再次流经负载侧输出104。如果汲取的恢复电流保持低于电流限制阈值，则电流调节电路Iio将允许该电流流向负载。如果在功率恢复之后电流需求保持过剩(指示下游故障条件仍存在)，则电流调节电路Iio将钳位电流且锁存调节电路120将再次导致传输晶体管112及时截断功率以防止上游电路断路器的跳闸且防止对传输晶体管112的损坏。假设电流限制器设备100本身仍将从断路器103接收功率，只要下游故障条件持续，电流限制器设备100将重复该限制-锁存-重试-循环。尽管术语“故障”此处一般用于描述来自负载输出端104的过剩电流汲取，该术语旨在包括导致电流中的突变的事件(即，瞬时过电流事件)或导致电流随时间上升的劣化 (即,诸如稳定增加过载条件的时间过流事件)。例如,如果来自电源105的电流需求随时间上升但是保持低于电流限制阈值，则电流调节电路110将不响应。当它开始超过电流限制阈值时，在锁存调节电路120再次设置临时锁存之前，电流将被钳位达预定电流限制期间。电流限制测试电路130提供验证装置100的电流限制功能是否可通过向电流调节电路110的输出快速应用已知低参考阻抗131 (即，短路)、测量阻抗131两端产生的电压且然后快速在电流限制期间过期之前去除短路而操作的能力。当电流调节电路110正确操作时，流经参考阻抗131的电流将钳位在电流限制。这将在阻抗131两端产生可预测电压(即，可接受标准范围内)。如果测量的电压更高，则电流限制器100不限制电流。在测试期间，限制-锁存-重试-循环将开始。然而，因为测试期间(例如Ims)小于电流限制期间(例如10ms)，将不消逝足够的时间以允许电流限制功能设置临时锁存。对于负载侧电源能够经受住Ims功率损耗的应用，这种测试能够在电路100处于服务时或自动或手动执行。在一个实施例中，通过开关装置132控制向负载侧输出104应用阻抗131。在一个实施例中，开关装置132包含接通以向负载侧输出104应用阻抗131的晶体管。在另一实施例中，开关装置132包含断开和闭合的一组接触。而且，在一个实施例中，处理器133 (其可以是或可以不是限制器100的集成部件)控制开关装置132的操作。在一个实施例中，诸如高速模拟-数字转换器之类的电压传感器134读取阻抗131两端的电压且向处理器133提供所得数据以与期望的电压值进行比较。在一些实现方式中，处理器133自身装配有内部高速模拟-数字转换器，使得模拟电压信号能够被处理器133直接处理。在一个实施例中，第二电压传感器135 (也耦合到处理器133)可以可选地用于测量和验证应用于激活开关装置132的测试信号。这允许处理器133确定读取阻抗131两端的期望电压的故障是否是由于电流调节电路100或开关装置132的问题。例如，在一个实施例中，在操作中，处理器133设置4V的分立电压以激活开关装置132且等待Ims以获得测试阻抗131两端的测量。而且，通过处理器133应用于开关装置132的测试初始信号的电压也被测量以验证实际执行了有效测试。图2是说明本发明的一个实施例的电流限制器设备200的示意图。电流限制器设备200包括诸如上面针对图I描述的电流调节电路210、锁存调节电路220和电流限制测试电路220这三个部件其中的每一个。
如上面所讨论，电流调节电路210包含耦合到传输晶体管M2的源极栅极的电阻器R2。在图2中，传输晶体管M2示为PNP NMOS晶体管。然而，其他实施例，可以使用其他晶体管。供应到负载204的所有电流将经过R2和传输晶体管M2的源极栅极。当通过R2的电流增加时，R2两端的电压也成比例地增加。R2与晶体管Q7并联，使得当通过R2的电流达到阈值时，晶体管Q7将变成正向偏置。取决于M2供应到连接的负载的电流，Q7最终作为R2两端的电压的函数而导通。当Q7导通时，M2两端的源极-栅极电压通过Q7的基极和集电极电流调节，因而限制了能够通过M2流到负载的电流。S卩，当M2需要的增加的电流导致Q7的基极电流增加时，来自Q7的集电极电流将相应地变化，导致M2使它将供应的电流量钳位。M2传输到负载204的电流将钳位到作为以欧姆表示的R2的电阻值的函数的安培值。即，以欧姆表示的R2的值乘以通过R2的电流决定了 R2两端的电压。当该电压导致Q7的发射极-基极结两端的约O. 7V的电压降(Q7的发射极-基极阈值电压)时，Q7将足以导通以增加M2的栅极处的电压，使得通过M2的电流被限制且R2两端的电压保持恒定(其中恒定电压等于限制电流乘以电阻)。
如图2所示，Q7的集电极耦合到M2的栅极以控制M2的源极-栅极结两端的电压。该相同电压应用于锁存调节电路220的二极管D10。因而，调节M2的电压是被锁存调节电路220监控的电压之一。监控的第二电压是如监控通过齐纳二极管D8的由断路器203供应的线路电压Vl0第一和第二电压均通过相应的分压网络222和223成比例地减小。通常，当不存在过电流条件时，从Q7到比较器X2的输入是O VDC。当出现过电流条件且Q7控制到M2的栅极电压使得电流被限制时，从Q7到比较器X2的电压基本等于M2的栅极电压。为了限制通过M2的电流，栅极电压必须增加为比晶体管被驱动到饱和时更接近输入电压。因为栅极电压必须变得更高以限制电流，从Q7到比较器X2的电压现在高于齐纳二极管D8设置的电压。比较器X2现在将改变状态。一旦比较器X2的两个输入之间的电压中的差异达到阈值点，比较器X2将状态从接地输出改变为开路输出(即，比较器是开路集电极装置且仅将电流沉(sink)到地)。当比较器X2过渡到开路状态时，到NMOS晶体管M3的栅极电压的输入电压随着C3通过R20充电而开始增加。RC时序电路225包括电阻R20、R12和电容C3元件以到达所需的时间常数，该时间常数部分地确定了电流限制期间以及锁存周期期间。比较器X2或开启(开路输出)或关闭(接地输出)。通过电阻器R16、R17和R18、R19提供的分压器用于使得应用于比较器X2的电压水平下降到装置制造商说明书限定的比较器设计的工作范围内。齐纳二极管D8是选择为具有高于传输晶体管M2的导通阈值电压的电压降的上面讨论的半导体装置。当M2两端的源极-栅极电压变得小于截止电压时，M2将关闭。相对来说，M3将快速导通但不快速截止。M3具有基于R20和C3的时间常数的受控导通时间。该时间是对于提供为允许电路被测试的第一过电流条件的延迟时间。当M3导通时，Q6的基极-发射极结将变成正向偏置，硬导通Q6，这进而将线路电压(Vl)直接送入M2的栅极。这将立即截止M2和到负载204的电流。此时，Q6防止任意传输电流到达负载，因为它保持M2处的源极-栅极电压为零。当传输电流为零时，R2两端产生的电压也为零，使得晶体管Q7截止，关闭电流限制功能。而且，当Q7截止时，通过DlO的电流下降，电容器C5两端的电压开始下降，且因而到比较器X2的第一电压数据将快速衰减。一个本领域普通技术人员应当意识到，C5的电容越大，C2处的输入电压衰减到将导致X2截止的点的时间越长。因而，限制-锁存-复位-循环的锁存周期的期间至少部分地是C5的电容值的函数。一旦X2截止，晶体管M3将保持导通，直到电容器C3通过R12充分地放电。因而，复位-重试-循环的锁存周期的期间也至少部分地是C5和R12的值的函数。一旦C3放电到M3导通电压以下，M3将截止，这进而截止Q6。由于其源极-栅极电压不再保持为零，M2将快通(snap on)以恢复向负载104的电流的传送。在一个实施例中，在M2的源极-栅极结两端提供齐纳二极管D2，限制M2的源极-栅极结两端的最大可能电压。当传输晶体管M2回到导通(turn back on)时,再次产生与传输电流成比例的R2两端的电压。如果电压足以使Q7回到导通，则电流限制将再次启动，直到Q6使M2回到截止。然而在该第二循环中，电流限制周期将较短，因为C3将仍部分地充电，使得M3将更快
地响应以导通Q6。通过关闭传输晶体管M2，Q6的操作因而用于防止M2由于在电流限制水平供应传输电流而导致的过热。电流限制测试电路230包括参考阻抗R8和包含通过放大器Xl操作的晶体管Q3的开关装置232。如上面的图I所述，放大器Xl通过可以被处理器控制的电压V4驱动，使得获得极快(Ims)的电压测量以向限制器200的输出应用参考阻抗。当在阻抗R8两端测量的电压是期望值时，则电流调节电路210正确地操作。如果测量的电压远高于或远低于期望(即，可接受标准外)，则电流调节电路210不是如所期望的那样限制电流。返回参考图1，在一个实施例中，电压监控器134将测量R8两端的电压，而电压监控器135将测量应用于放大器Xl的电压。处理器133将驱动其输出之一为3. 3伏特，作为导通放大器Xl的测试初始信号。图3说明本发明的一个实施例的方法的流程图。在一个实施例中，使用图I中公开的设备实现图3的方法。在另一实施例中，使用图2中公开的设备实现图3的方法。这样，下面参考图3提供的描述应用于图I和2的描述且反之亦然。这样，图3中示出的方法的一个实现方式提供用于电流限制的方法，这可以通过耦合到电源的线路侧的前端装置执行。通过限制故障的电源能够汲取的电流量到上游电路断路器的跳闸设置以下的量，该方法能够防止故障的电源导致断路器跳闸。在一些实现方式中，该方法还提供可测试电流限制器，该可测试电流限制器能够确定电流限制器的电流限制功能是否正确工作。即，它能够测试电流限制器装置实际是否能够限制到其下游负载的电流。该方法开始于310，其中通过传输晶体管提供从线路侧输入到负载侧输出的负载电流，该负载电流通过电流调节电路调节，该电流调节电路控制传输晶体管以将负载电流钳位在预定电流限制。在一个实施例中，当负载电流超过电流限制阈值时，调节传输晶体管两端的电压以将负载电流钳位在预定电流限制。在一个实施例中，电流调节电路包含耦合在传输晶体管的结两端的第一晶体管，其中第一晶体管配置成将负载电流限制为预定电流限制。第一晶体管包括耦合到传输晶体管的源极端子的基极端子以及耦合到传输晶体管的栅极端子的集电极端子。操作中，只要来自负载侧输出的电流汲取低于电流限制阈值，则可以无定限地供应负载电流。当电流汲取超过电流限制阈值时，电流调节电路将负载电流钳位到预定电流限制达电流限制期间。如下面进一步讨论，当电流汲取超过电流限制阈值时，电流调节电路将负载电流钳位到预定电流限制达电流限制期间。该方法前进到320，其中将从电流调节电路接收的第一电压和作为线路侧输入电压的函数变化的第二电压进行比较以确定负载电流何时超过电路限制阈值，其中第二电压经由具有高于传输晶体管的导通电压阈值的导通电压阈值的半导体器件测量。在一个实施例中，从电流调节电路接收的第一电压通过第一晶体管产生。该方法前进到330，其中当负载电流超过电流限制阈值达超过预定电流限制期间的时间周期时，临时关闭传输晶体管达预定锁存周期。在一个实施例中，临时关闭传输晶体管达预定锁存周期包含向传输晶体管的端子应用关闭负 载电流的电压。在一个实施例中，该方法可选地前进到340，其中通过应用短路负载侧输出的参考阻抗达小于预定电流限制期间的时间周期，且在应用参考阻抗以短路负载侧输出的同时测量参考阻抗两端的电压来测试电流调节电路。在一个实施例中，测试通过接收测试信号发起。然后，当接收测试信号时，该方法在340应用参考阻抗以短路负载侧输出。当参考阻抗两端测量的电压落在预定可接受标准内时，能够确定调节电路正确地工作。框340因而提供通过向电流调节电路的输出快速应用已知低参考阻抗(即短路)，测量阻抗两端产生的电压且然后在电流限制期间过期之前快速去除短路而验证装置100或200的电流限制功能是否可操作的能力。当电流调节电路正确操作时，流经参考阻抗的电流将钳位在电流限制。这将在阻抗两端产生可预测电压(即，处于可接受标准的范围内)。如果测量的电压处于可接受标准外(即，远大于预期)，则电流限制器不恰当地限制电流。在测试期间，限制-锁存-重试-循环将开始。然而，因为测试期间(例如Ims)小于电流限制期间(例如10ms)，没有消逝足够的时间来允许电流限制功能设置临时锁存。对于负载侧电源能够承受Ims功率损耗的应用，在电路处于服务的同时能够或自动或手动执行这种测试。在一个实施例中，如上面参考图I和2所述，测试电流调节电路通过处理器发起和执行。尽管已经说明和描述了特定实施例，本领域普通技术人员应当理解，计划为实现相同目的的任意布置可以代替示出的特定实施例。本申请旨在覆盖本发明的任何修改或变型。因此，旨在清晰地表明，本发明仅由权利要求及其等价限定。
权利要求
1.具有线路侧输入(102)和负载侧输出(104)的电流限制器设备(100，200)，该设备包含 具有耦合线路侧输入(102)到负载侧输出(104)的传输晶体管(111，M2)的电流限制器设备(110，210)，其中传送到负载侧输出(104)的负载电流流经传输晶体管(111，M2)，且其中电流限制器设备(110，210)配置成在负载电流超过电流限制阈值时将负载电流钳位到预定电流限制； 耦合到电流限制器设备(110，210)的锁存调节电路(120，220)，该锁存调节电路(120，220)还通过具有高于传输晶体管(111，M2)的导通电压阈值的半导体装置(122，D8)耦合到线路侧输入(102)； 其中锁存调节电路(120，220)将从电流限制器设备(110，210)接收的第一电压与在半导体装置(122，D8)处测量的第二电压进行比较以确定负载电流何时超过电流限制阈值； 其中当负载电流超过电流限制阈值达超过预定电流限制期间的时间周期时，锁存调节电路(120，220)临时关闭传输晶体管(111，M2)达预定锁存周期；以及 耦合到负载侧输出(104)的电流限制测试电路(130，230)，该电流限制测试电路(130，230)包括参考阻抗(131，R8)和开关装置(132，Q3)，其中开关装置配置成向负载侧输出(104)应用参考阻抗(131、R8)。
2.根据权利要求I所述的设备，该锁存调节电路(120，220)还包含测量第一电压和第二电压之间的差异的比较器(121，X2)， 其中基于第一电压和第二电压之间的差异，比较器导致关闭负载电流的电压应用于传输晶体管(111，M2)。
3.使用具有线路侧输入(102)和负载侧输出(104)的电流限制器设备100来提供限制的方法，该方法包含 通过传输晶体管(111，M2)从线路侧输入(102)向负载侧输出(104)提供负载电流，该负载电流通过电流限制器设备(110，210)调节，该电流限制器设备(110，210)控制传输晶体管(111，M2)以将负载电流钳位在预定电流限制； 将从电流限制器设备(110，210)接收的第一电压与作为线路侧输入(102)电压的函数变化的第二电压进行比较以确定负载电流何时超过电流限制阈值，其中第二电压经由具有高于传输晶体管(111，M2)的导通电压阈值的导通电压阈值的半导体装置(122，D8)测量； 当负载电流超过电流限制阈值达超过预定电流限制期间的时间周期时，临时关闭传输晶体管(111，M2 )达预定锁存周期。
全文摘要
本发明涉及用于使用打嗝复位的可测试电流限制的系统和方法。提供使用打嗝复位的可测试电流限制。在一个实施例中，电流限制器包含具有传输晶体管的电流调节电路，其中传送到负载侧的负载电流流经传输晶体管，电流调节电路在负载电流超过阈值时钳位负载电流；锁存调节电路，耦合到电流调节电路，且还通过具有高于传输晶体管的导通电压阈值的半导体耦合到线路侧；以及电流限制测试电路，配置成向负载侧输出应用参考阻抗。锁存调节电路将来自电流调节电路的电压与在半导体处测量的电压进行比较以确定负载电流何时超过阈值。当负载电流超过阈值达超过预定期间的时间周期时，锁存调节电路临时关闭传输晶体管。
文档编号H02H3/08GK102761112SQ201210121369
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月24日 优先权日2011年4月25日
发明者S.罗戈夫 申请人:霍尼韦尔国际公司