供电单元的制作方法

本发明涉及一种供电单元。

背景技术：

为耗电设备提供电能的电压供应单元等供电单元通常具有熔断式保险丝或电磁触发式线路断路器等保护元件。该保护元件可设置为当流经该保护元件的电流超出预设阈值时中断所述供电单元与耗电设备之间的导电连接。例如，当所述耗电设备内发生短路时，可导致电流升高。通过中断所述导电连接，可避免所述供电单元发生过载，并防止该供电单元和耗电设备之间的导电线发生过热。

为了中断所述耗电设备和供电单元之间的导电连接，需要在短时间内达到高电流，该高电流通常至少部分由与所述供电单元输出端并联的电容实现，该电容例如由电容器提供。通常而言，当所述耗电设备内发生短路时，所述电容放电，该放电电流难于控制。这可导致所述供电单元和耗电设备之间的导电线发生过热。此外，还可能导致与发生问题的该耗电设备串联的另一耗电设备发生损坏。还需注意的是，所述电容放电电流的持续时间取决于该电容的尺寸、所述导电线的电阻以及所述耗电设备的短路电阻。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种供电单元保护元件的高效触发概念。

所述目的可通过具有各独立权利要求特征的技术方案实现。本发明的有利实施方式见附图、说明书和从属权利要求的技术方案。

根据本发明的第一方面，所述目的由一种供电单元实现，该供电单元包括：一输出端，用于输出一输出电流和一输出电压；以及一保护元件，具有一信号输出路径，其中，所述保护元件连接至所述输出端的下游，并设置为当所述输出电流的幅值超出第一幅值阈值时保持所述信号输出路径，并且当所述输出电流的幅值超出第二幅值阈值时中断所述信号输出路径，所述第二幅值阈值高于所述第一幅值阈值；所述供电单元设置为，当所述输出电流的幅值超出所述第一幅值阈值时，减小所述输出电压的幅值并将所述输出电流的幅值增大至所述第二幅值阈值以上，以中断所述信号输出路径。如此，所实现的优点在于，可对用于中断所述信号输出路径的输出电流的幅值进行高效设置。

所述供电单元可以为电压供应单元或电流供应单元等供电单元。此外，所述供电单元可包括：测量所述输出电压幅值的一测量装置；和/或设置所述输出电流幅值和/或所述输出电压幅值的一控制装置。例如，所述供电单元包括微控制器，该微控制器内集成有所述测量装置和/或控制装置，而且该微控制器设置为对所述输出电流的幅值测量值超出所述第一幅值阈值进行识别。

所述保护元件可包括：熔断式保险丝；线路断路器，例如电磁触发式线路断路器；以及/或者冷线电阻。

所述输出电流的第一幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第一阈值。该第一阈值可例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。此外，所述输出电流的第二幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第二阈值。该第二阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。所述输出电流的第二幅值阈值可以为与所述供电单元标称输出电流幅值的两倍、三倍、四倍、五倍、六倍、七倍、八倍、九倍或十倍对应的值。所述输出电压的幅值可以为0.001伏、0.01伏、0.1伏、1伏、5伏、10伏、12伏、15伏、20伏、24伏、30伏、40伏、50伏、75伏、100伏、250伏、500伏或1000伏。

在所述供电单元的一种有利实施方式中，该供电单元设置为，在减小所述输出电压的幅值之后，当所述输出电流的幅值在一预设时间段之后低于第三幅值阈值时，增大所述输出电压的幅值。如此，所实现的优点在于，在所述保护元件的信号路径中断后，所述供电单元可再为第二耗电设备供应电能，该第二设备可与所述保护元件并联存在及连接。

所述预设时间段可以为0.1毫秒、0.5毫秒、1毫秒、2毫秒、3毫秒、4毫秒、5毫秒、6毫秒、7毫秒、8毫秒、9毫秒、10毫秒、11毫秒、12毫秒、13毫秒、14毫秒、15毫秒、20毫秒、25毫秒、30毫秒、40毫秒或50毫秒。此外，所述输出电流的幅值在所述预设时间段内的增大可对应于短时电流增大。所述输出电流的第三幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第三阈值。该第三阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。此外，该第三幅值阈值可低于所述第二幅值阈值。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，该供电单元设置为，当所述输出电流的幅值在预设时间段后高于第三幅值阈值时，再次减小所述输出电压的幅值。如此，所实现的优点在于，当所述信号输出路径未中断时，可降低所述供电单元的输出电能。

所述供电单元可减小所述输出电压的幅值，从而可为该供电单元建立预设短路电流。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，该单元设置为，当所述信号输出路径未中断时，在另一预设时间段之后，将所述输出电流的幅值再次增大至高于所述第二幅值阈值的值。如此，所实现的优点在于，可再次尝试中断所述信号输出路径。

所述另一预设时间段可以为对导电线等部件进行冷却的冷却时间。此外，该另一预设时间段可长于所述预设时间段。举例而言，该另一预设时间段的长度可以为所述预设时间段的10倍、25倍、50倍、75倍、100倍、250倍、500倍或1000倍。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，该供电单元设置为包括对所述输出电流的幅值进行测量的一测量装置。如此，所实现的优点在于，可将所述输出电流的幅值高效设置为，可对其是否大于或小于相应幅值阈值进行检验。

所述测量装置可包括带分流器或霍尔(Hall)探针的一电流测量装置。此外，该测量装置可集成于所述供电单元的微控制器内。

在所述供电单元的另一有利实施方式中，该供电单元设置为包括对所述输出电流的幅值或所述输出电压的幅值进行设置的一控制设备。如此，所实现的优点在于，可高效设置所述输出电流的幅值或所述输出电压的幅值。

所述控制设备可包括对所述输出电流的幅值或所述输出电压的幅值进行设置的一可控电位计。此外，该控制设备可集成于所述供电单元的微控制器内。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，所述保护元件包括一线路断路器，尤其一电磁触发式线路断路器。如此，所实现的优点在于，可提供高效的保护元件。

所述线路断路器可包括用于中断所述信号输出路径的继电器或接触器。此外，该线路断路器可设置为使得对所述信号输出路径的中断可由用户逆转。举例而言，为此目的，该线路断路器包括用于重建所述信号输出路径的开关。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，所述保护元件包括熔断式保险丝。如此，所实现的优点在于，可永久中断所述信号输出路径。

所述熔断式保险丝可包括一可熔导体，该可熔导体可熔断，从而永久中断所述信号输出路径。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，所述保护元件包括冷导体电阻。如此，所实现的优点在于，被中断的该保护元件的信号输出路径可在无需用户参与的前提下在经过冷却时间之后被重建。

所述冷导体电阻可以为正温度系数(Positive Temperature Coefficient，PTC)电阻。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，所述保护元件设置于该供电单元的一外壳内，该保护元件的下游连接有用于输出所述输出电流和输出电压的另一输出端，所述信号输出路径设置于所述输出端和该另一输出端之间。如此，所实现的优点在于，所述供电单元可具有极其紧凑的结构。

在所述供电单元的另一有利实施方式中，各所述幅值阈值可通过一用户界面进行设置或者预存。如此，所实现的优点在于，可高效实现所述各幅值阈值。

所述各幅值阈值可预存于所述供电单元的存储器内。此外，所述用户界面可包括用于显示所述各幅值阈值的一光学显示元件，例如一液晶显示器。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，所述用户界面包括用于设置所述各幅值阈值的一通信接口或一致动元件。如此，所实现的优点在于，所述供电单元可高效调节。

所述通信接口可包括有线和/或无线通信接口。例如，所述通信接口包括：串行接口；电源管理总线(Power Management Bus，PMBus)标准接口；通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)标准接口；由射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)实现的无线通信接口，例如ISO/IEC14443或ISO/IEC18000-3标准接口；由近场通信(Near Field Communication，NFC)实现的无线通信接口，例如ISO/IEC14443或ISO/IEC18092标准接口；或者蓝牙(Bluetooth)、紫蜂(ZigBee)或无线局域网(Wireless Local Area Network，W-LAN)中任何一种标准无线通信接口。

所述致动元件可包括：按钮；小键盘；或者旋钮，例如电位计控制旋钮；和/或开关。

根据一种实施方式，利用所述通信接口或致动元件，可使当所述输出电流的幅值超出所述第一幅值阈值时，该输出电流的幅值向所述第二幅值阈值以上的值的升高发生逆转。

根据所述供电单元的另一有利实施方式，该供电单元设置为可根据该供电单元供电电压的幅值设置所述输出电压的幅值或所述输出电流的幅值，以降低该供电单元的电力消耗。如此，所实现的优点在于，可避免所述供电单元因该供电单元电能消耗的增大而发生供电电压中断。

例如，当所述输出电流超出所述第一幅值阈值，而所述供电电压幅值降至预设阈值以下时，该输出电流的幅值向所述第二幅值阈值以上的值的升高发生逆转。

根据本发明的第二方面，本发明的所述目的由一种通过供电单元向耗电设备供应电能的方法实现，其中，在所述供电单元的用于输出一输出电流和一输出电压的输出端的下游连接一保护元件，所述保护元件具有一信号输出路径并设置为当所述输出电流超出第一幅值阈值时保持所述信号输出路径，而且当所述输出电流超出第二幅值阈值时中断所述信号输出路径，所述第二幅值阈值高于所述第一幅值阈值，该方法包括：测量所述输出电流的幅值；以及当所述输出电流的幅值超出所述第一幅值阈值时，减小所述输出电压的幅值并将所述输出电流的幅值增大至所述第二幅值阈值以上，以中断所述信号输出路径。

如此，所实现的优点在于，可对用于中断所述信号输出路径的所述输出电流幅值进行高效限制。

所述输出电流的第一幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第一阈值。所述第一阈值可例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。此外，所述输出电流的第二幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第二阈值。所述第二阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。所述输出电流的第二幅值阈值可以为与所述供电单元标称输出电流幅值的两倍、三倍、四倍、五倍、六倍、七倍、八倍、九倍或十倍对应的值。所述输出电压的幅值可以为0.001伏、0.01伏、0.1伏、1伏、5伏、10伏、12伏、15伏、20伏、24伏、30伏、40伏、50伏、75伏、100伏、250伏、500伏或1000伏。

根据所述方法的一种有利实施方式，该方法包括：当所述输出电流的幅值在一预设时间段之后低于第三幅值阈值时，增大所述输出电压的幅值。如此，所实现的优点在于，在所述保护元件的信号路径中断后，所述供电单元可再向与所述保护元件并联连接的第二耗电设备供应电能。

所述预设时间段可以为0.1毫秒、0.5毫秒、1毫秒、2毫秒、3毫秒、4毫秒、5毫秒、6毫秒、7毫秒、8毫秒、9毫秒、10毫秒、11毫秒、12毫秒、13毫秒、14毫秒、15毫秒、20毫秒、25毫秒、30毫秒、40毫秒或50毫秒。此外，所述输出电流在所述预设时间段内的幅值增大可对应于短时电流增加。所述输出电流的第三幅值阈值可以为预存于所述供电单元存储器内的第三阈值。该第三阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。此外，该第三幅值阈值可低于所述第二幅值阈值。

根据所述方法的另一有利实施方式，该方法包括，当所述输出电流的幅值在预设时间段之后超出第三幅值阈值时，再次减小所述输出电压的幅值。如此，所实现的优点在于，如果所述信号输出路径未中断，可降低所述供电单元输出的输出电力。

附图说明

以下，对本发明例示实施方式进行附图图示，并在下文中进行更加详细的描述。

附图中：

图1为根据一种实施方式的供电单元示意图；

图2为通过供电单元为耗电设备供应电能的方法示意图；

图3所示为通过供电单元为耗电设备供应电能的配置形式；以及

图4为向耗电设备供应电能的供电单元的输出电压及输出电流图。

附图标记列表

100 供电单元

101 输出端

103 保护元件

105 信号输出路径

200 方法

201 测量

203 减小

205 增大

300 配置形式

301 线路电阻

303 耗电设备

305 故障

401 第一输出电压图

403 第二输出电压图

405 第三输出电压图

407 第一输出电流图

409 第二输出电流图

U_IN 供电电压

U_OUT 输出电压

U_NOM 标称输出电压

I_OUT 输出电流

I₁ 最大输出电流

I₂ 标称输出电流

t 时间

t₁ 第一时间点

t₂ 第二时间点

具体实施方式

图1为根据一种实施方式的供电单元100的示意图。供电单元100包括输出端101以及带信号输出路径105的保护元件103。

供电单元100设计为具有：用于输出输出电流和输出电压的输出端101；以及带信号输出路径105的保护元件103，该保护元件103连接至输出端101的下游，并设计为当所述输出电流超出第一幅值阈值时保持信号输出路径105，而且当所述输出电流超出第二幅值阈值时中断信号输出路径105，所述第二幅值阈值高于所述第一幅值阈值，其中，供电单元100设计为，当所述输出电流超出所述第一幅值阈值时，减小所述输出电压的幅值并将所述输出电流的幅值增大至所述第二幅值阈值以上，以中断信号输出路径105。

供电单元100可以为电压供应装置或电流供应装置等供电单元。此外，供电单元100可包括，测量所述输出电压幅值的测量装置，和/或调整所述输出电流幅值和/或所述输出电压幅值的控制装置。例如，供电单元100包括微控制器，该微控制器内集成有所述测量装置和/或控制装置，而且该微控制器还设计为对所述输出电流的幅值测量值超出所述第一幅值阈值进行识别。

保护元件103可包括：熔断式保险丝；线路断路器，例如电磁触发式线路断路器；以及/或者冷线电阻。

所述输出电流的第一幅值阈值可以为预存于供电单元100的存储器内的第一阈值。所述第一阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100或200安。此外，所述输出电流的第二幅值阈值可以为预存于供电单元100的存储器内的第二阈值。所述第二阈值例如为0.01安、0.1安、1安、3安、5安、6安、8安、10安、12安、16安、20安、30安、40安、50安、75安、100安或200安。所述输出电流的第二幅值阈值可以为与供电单元100标称输出电流幅值的两倍、三倍、四倍、五倍、六倍、七倍、八倍、九倍或十倍对应的值。所述输出电压的幅值可以为0.001伏、0.01伏、0.1伏、1伏、5伏、10伏、12伏、15伏、20伏、24伏、30伏、40伏、50伏、75伏、100伏、250伏、500伏或1000伏。

图2为通过供电单元100为耗电设备供应电能的方法200的示意图。方法200包括方法步骤：测量201、减小203和增大205。

在通过供电单元100为耗电设备供应电能的方法200中，供电单元100的用于供应输出电流和输出电压的输出端101的下游连接有带信号输出路径105的保护元件103，保护元件103设计为当所述输出电流超出第一幅值阈值时保持信号输出路径105，而且当所述输出电流超出第二幅值阈值时中断信号输出路径105，所述第二幅值阈值高于所述第一幅值阈值，该方法包括：测量201所述输出电流的幅值；以及当所述输出电流超出所述第一幅值阈值时，减小203所述输出电压的幅值并增大205所述输出电流的幅值，以中断信号输出路径105。

图3所示为通过供电单元100为耗电设备303供应电能的配置形式300。图中还示出了供电电压U_IN、输出电压U_OUT、线路电阻301以及耗电设备303的故障305。

供电电压U_IN向供电单元100供电，而且供电单元100输出输出电压U_OUT，以对耗电设备303进行供电。当耗电设备303发生短路、缺陷或失效等故障305时，输出电压U_OUT的相应输出电流可经电连接线的线路电阻301以及耗电设备303的短路电阻或过载而传输。当所述相应输出电流超出所述第一幅值阈值时，供电单元100可减小输出电压U_OUT的幅值并将所述相应输出电流的幅值增大至所述第二幅值阈值以上，以中断信号输出路径105。

线路电阻301可以为1毫欧、5毫欧、10毫欧、25毫欧、50毫欧、75毫欧、100毫欧、125毫欧、150毫欧、175毫欧或200毫欧。

根据一种实施方式，与以不可调节的输出电容器汲取电力或电能相反，可通过供电单元100的电力路径，以可调节方式从供电单元100汲取电力或电能。举例而言，可直接从供电单元100的供电网络，尤其经供电电压U_IN直接汲取所述电力(或电能)。

图4为向耗电设备303供应电能的供电单元100的输出电压U_OUT及输出电流I_OUT图。图中示出了输出电压U_OUT作为时间t的函数的第一输出电压图401、第二输出电压图403以及第三输出电压图405。此外，图中还示出了输出电流I_OUT作为时间的函数的第一输出电流图407和第二输出电流图409。

在第一输出电压图401中，输出电压U_OUT永久设置为标称输出电压U_NOM。当耗电设备303在第一时间点t₁发生短路等故障305时，输出电流I_OUT可随第一输出图407增大至最大输出电流I₁，以中断信号输出路径105。最大输出电流I₁可受限于所述电连接线的线路电阻301以及耗电设备303的短路电阻或过载。当信号输出路径105在第二时间点t₂中断，或当与耗电设备303串联的保险丝等保护元件103被触发后，可减小输出电流I_OUT。

在第二输出电压图403中，输出电压U_OUT最初设置为标称输出电压U_NOM。当耗电设备303在第一时间点t₁发生短路等故障305时，输出电流I_OUT可随第二输出图409增大至最大输出电流I₁，以中断信号输出路径105，与此同时，输出电压U_OUT降低。最大输出电流I₁可受限于所述电连接线的线路电阻301以及耗电设备303的短路电阻或过载。当信号输出路径105在第二时间点t₂中断，或当与耗电设备303串联的保险丝等保护元件103被触发后，输出电流I_OUT可减小至标称输出电流I₂，且输出电压U_OUT可增大至标称输出电压U_NOM。

在第三输出电压图405中，输出电压U_OUT最初设置为标称输出电压U_NOM。当耗电设备303在第一时间点t₁发生短路等故障305时，输出电流I_OUT可随第一输出图407增大至最大输出电流I₁，以中断信号输出路径105。最大输出电流I₁可受限于所述电连接线的线路电阻301以及耗电设备303的短路电阻或过载。当例如因最大输出电流I₁小于所述第二幅值阈值等原因，信号输出路径105在第二时间点t₂未中断，或当与耗电设备303串联的保险丝等保护元件103未被触发时，输出电压U_OUT可进一步减小，并可在供电单元100内生成短路电流。这种情况可例如在耗电设备303的上游未设置保险丝或连接过大保险丝时发生。

根据一种实施方式，可重复执行将输出电流I_OUT增大205至最大输出电流I₁的过程，以在该多次重复当中的某一次最终实现信号输出路径105的中断。在各重复过程之间可设置例如与所述另一预设时间段相等的恢复时间，以冷却各部件。

根据另一实施方式，所述各图可以模拟方式生效或通过将电压与电流互换而应用于电流供应单元。

根据另一实施方式，当在所述电连接线的线路电阻301较低且耗电设备303的短路电阻较低或过载较低的情况下发生故障305时，如果输出端101并联有电容时，可设置更高的输出电流I_OUT或峰值电流。另一方面，当短时电流随输出电压U_OUT的减小203而增大时，可限制输出电流I_OUT。

根据另一实施方式，与耗电设备303并联的标准耗电设备可在一例如为数毫秒的短时间内承受输出电压U_OUT的减小203。例如，可编程存储器控制装置标准EN61131要求的时间段为10毫秒。

在另一实施方式中，磁触发式线路断路器可在10毫秒内中断与该线路断路器关联的信号输出路径，或者在10毫秒内将其触发。因此，磁触发式线路断路器可用作符合可编程存储器控制装置标准EN61131的标准耗电设备的保护元件。

根据另一实施方式，输出电容器仅能在短时间内提供中断所述信号输出路径所需的输出电流I_OUT，尤其针对输出电压U_OUT为24V且输出电流I_OUT为20A或40A的供电单元100。其中，所述时间段的长度可取决于线路电阻301等剩余电阻的值。

根据另一实施方式，由于脉冲持续时间很短，只有几毫秒(例如在所述预设时间段内)，因此可将供电单元100输出路径内的所有元件设计用于增加电负载，这可根据操作安全性和热容量得以实现。由此只会产生较少的额外热量，因为相邻脉冲之间或者说输出电流I_OUT的两次增大205过程之间的时间间隔(例如所述另一预设时间段)要明显的长。当供电单元100的电源设计为以相应的低电阻提供所需的电力或电能时，则可将该所需电力或电能分布于电源接线和输入电解电容器之间。这可通过使所述电源包括用于带120V或230V交流电压的低压网络的交流电流连接得以实现。

根据另一实施方式，由于供电单元100的高功耗，供电单元100的所述电源几乎被负载消耗。当电源有限，或者在该电源的内阻及供电线电阻的作用下，供电电压U_IN或供应电压可发生电压降。尤其在直流/直流变换器情形中，此电压降可导致该直流/直流变换器的输入电压降至最小输入电压以下，以及导致设计为直流/直流变换器的供电单元100发生断路，或者与供电单元100并联的耗电设备发生断路。为了对该电压降进行限制，当供电电压U_IN降至阈值以下时，可对供电单元100的输出电力进行限制，以防止电压进一步下降。这可使得输出电流I_OUT的增大205或所述短时电流的增大发生逆转。此外，所述阈值可大于供电单元100的断路阈值。

在另一实施方式中，用户可使输出电流I_OUT的增大205或所述短时电流的增大停止。在当连有输出电容器时，这一实施方式难以实现。

根据另一实施方式，当使用输出电容器且所述耗电设备内发生低电阻短路时，可产生高的输出电流I_OUT。当发生高电阻短路时，由于所述输出电容器呈指数式放电，仅有少量电能可用于中断信号输出路径105。为了增加电能，可采用具有相应更高电容的输出电容器。由于在不修复故障305或不断开所述短路的情况下，只能通过很困难的方式对输出电容器充电，因此当使用该输出电容器时，反复增大205输出电流I_OUT或所述脉冲会变得难以实现。

以上结合本发明具体实施方式所述及图示的所有特征可在本发明技术方案范围内进行各种组合，以同时实现其有益效果。

本发明的保护范围由权利要求书确定，且不受说明书所述或附图所示特征的限制。