檢測電源中操作故障條件的系統和方法
2023-07-05 10:57:16
專利名稱：檢測電源中操作故障條件的系統和方法
背景技術：
在冗餘電源系統中，由多個彼此並聯連接的電源來提供電功率。通常，所期望的系統電源要求可通過利用N個電源的組合輸出來獲得。通過增加一個附加的後備電源，導致電源系統中的N+1個電源，該系統可電移除失效的電源以避免供電中斷並仍舊滿足N個電源的所期望系統電源要求。
已經開發出監控電路，用來通過測量電源輸出端處的直流電壓來監控電源的工作。但是，其它監控電路的缺點在於，對於在故障條件引起在電源輸出端處由監控電路檢測的電壓或電流變化之前的相對大量的時間，電源可能出錯。
因此，需要一種監控系統，其能利用由電源生成的內部信號來檢測電源中的操作故障條件，而不是僅僅監控電源輸出端處的電壓。電源的內部信號被定義為任何信號，比如例如在電源內生成的脈衝寬度調製信號，以便隨後生成在電源輸出端處的輸出電壓。
發明內容
一種根據本發明的一個示例實施例用於檢測電源中操作故障條件的方法。電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器。該第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間。第一電節點還電耦合到電感器的第一端。控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點。該方法包括監控第一電節點處的電壓以確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量。該方法還包括確定當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件何時出現。
提供一種根據本發明的另一個示例實施例用於檢測電源中操作故障條件的系統。電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器。該第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間。第一電節點還電耦合到電感器的第一端。控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點。該系統包括可操作耦合到第一電節點的電壓脈衝檢測電路，用來確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量，該電壓脈衝檢測電路生成第一信號，以指示當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件已經出現。
提供一種根據本發明的另一個示例實施例用於檢測電源中操作故障條件的系統。電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器。該第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間。第一電節點還電耦合到電感器的第一端。控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點。該方法包括用於監控第一電節點處的電壓以確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量的裝置。該方法還包括用於確定當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件何時出現的裝置。
圖1是電源系統的示意圖；圖2是根據一個示例實施例的具有診斷系統的圖1電源系統中電源的更詳細的示意圖；圖3是在圖2電源中使用的電壓脈衝檢測電路的詳細示意圖『圖4是圖2電源中使用的電壓電平檢測電路；圖5是由圖2的節點64處的脈衝寬度調製控制器生成的信號的示意圖；圖6是圖3的電壓脈衝檢測電路的在節點82處生成的信號的示意圖；圖7是由圖2的電壓脈衝檢測電路生成的第一操作故障信號的示意圖；圖8是圖2電源的在節點66處生成的信號的示意圖；圖9是由圖2的電壓電平檢測電路生成的第二故障信號的示意圖；
圖10是由圖2的低壓檢測電路的邏輯門生成的信號的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1，示出用於生成電功率的電源系統10。電源系統10包括電源12、14、16、負載18、電線20、22。如圖所示，電源12、14、16和負載18的每個經由電線20、22並聯電耦合。因為電源12、14、16具有基本上類似的電路，所以只在下面更詳細的闡明電源12。應當注意，下面闡明的用於檢測電源系統10中故障條件的系統可以與在任何開關模式電源中使用的電路一同使用。
參考圖2，示出電源12的詳細示意圖。電源系統12包括降壓拓撲開關電源系統。電源12包括電壓源30、脈衝寬度調製(PWM)控制器32、開關34、36、電感器38、電容器40、開關42、偏置電源44、電壓脈衝檢測電路46、電壓電平檢測電路48、和邏輯門50。電壓源30在節點60、62之間提供直流電壓。
開關34，36利用來自電壓源30的電壓提供電壓脈衝，這些電壓脈衝被施加到電感器38。開關34電耦合在節點60和節點64之間。開關36電耦合在節點62和節點64之間。開關34、36還可操作耦合到PWM控制器32。PWM控制器32生成引起開關34、36打開和閉合以便為電感器38生成電壓脈衝的控制信號。此外，多個電壓脈衝以預定頻率施加在節點64上。PWM控制器32可改變電壓脈衝的佔空比，以將節點66處的直流輸出電壓調整到預定電平。
電感器38可操作耦合在節點64和節點66之間，節點66耦合到電容器40。電容器40電耦合在節點66和節點62之間。電感器38和電容器40的組合將施加到節點64處的電壓脈衝轉換成在節點66處的預定電壓電平的直流電壓。
開關42可操作耦合在節點66和電線20之間。開關42還可操作耦合到邏輯門50。當電壓脈衝檢測電路46或電壓電平檢測電路48檢測到操作故障條件時，邏輯門50將信號(F3)發射到具有高邏輯電平的開關42。作為響應，開關42移動到打開的操作位置，以防止電流從電感器38和/或電容器40流向負載18。可替換地，當電壓脈衝檢測電路46和低電壓檢測電路48都沒有檢測到操作故障條件時，邏輯門50將信號(F3)發射到具有低邏輯電平的開關42。作為響應，開關42移動到閉合的操作位置，以提供電流從電感器38和/或電容器40流向負載18。
偏置電源44可操作耦合在節點60和節點62之間以向電壓脈衝檢測電路46和電壓電平檢測電路48提供電壓。偏置電源44在節點68電耦合到電路46和電路48。偏置電源44還在節點70電耦合到電路46和電路48。
參考圖3，提供電壓脈衝檢測電路46以檢測開關34、36之一何時處於打開或閉合的操作位置，即表示電源12的第一故障條件。當該條件出現時，本應當在節點64處檢測的一個或多個電壓脈衝不被檢測。電壓脈衝檢測電路46包括比較器80、電阻器84、電容器86和二極體88。比較器80的非倒相端(+)電耦合到節點82，並且比較器80的非倒相端(-)接收參考電壓(VREF1)。電阻器84電耦合在節點68和節點82之間。此外二極體88電耦合在節點82和節點64之間。最後，電容器86電耦合在節點82和節點70之間。
當節點64處的電壓脈衝具有高邏輯值時，電流流經電阻器84來到電容器86，以充電電容器86。在電容器86充電時，節點82處的電壓增加。當節點82處的電壓變得大於電壓(VREF1)時，比較器80生成具有高邏輯電平的故障信號(F1)，其被發送到邏輯門50。電阻器84和電容器86的時間常數大於以預定頻率施加到節點82的電壓脈衝的一個或多個周期。該時間常數確保了噪聲和其它幹擾不會引起故障條件的錯誤觸發。在示例實施例中，電阻器84和電容器86的時間常數等於從時間(T3)到時間(T7)的表示電壓脈衝三個時間周期的時間周期持續時間。因此，在該示例實施例中，當三個電壓脈衝沒有在節點64處被檢測時，比較器80生成具有高邏輯電平的故障信號(F1)。可替換地，當節點82處的電壓小於電壓(VREF1)時，比較器將故障信號(F1)維持在低邏輯電平，指示還沒有檢測到第一故障條件。
參考圖4，提供電壓電平檢測電路48，用來檢測節點66處的輸出電壓何時低於預定閾值電壓，以表示電源12的第二故障條件。第二故障條件在開關36被短路時出現，這引起節點66處的電壓下降到閾值電壓(VREF2)之下。電壓電平檢測電路48包括比較器90，其具有非倒相端(+)和倒相端(-)。倒相端(-)電耦合到節點66。非倒相端(+)接收參考電壓(VREF2)。當施加到節點66的電壓下降到參考電壓(VREF2)以下時，比較器90輸出具有高邏輯電平的第二故障信號(F2)，其表示電源12的第二故障條件。
邏輯或門50可操作耦合到電壓脈衝檢測電路46和電壓電平檢測電路48，並從電路46、48分別接收第一和第二故障信號(F1)、(F2)。當信號(F1)、(F2)之一具有高邏輯電平時，門50生成具有高邏輯電平的故障信號(F3)，其被發送給開關42。作為響應，開關42移動到打開的操作位置，以使電流停止從電源12流經電線20。當兩個信號(F1)、(F2)都具有低邏輯電平時，門50生成具有低邏輯電平的故障信號(F3)，其被發送給開關42。作為響應，開關42移動到閉合的操作位置，以使電流從電源12流經電線20。
參考圖3、5-7，現在將闡明檢測電源12內的故障條件。PWM控制器64引起開關34，36生成電壓脈衝110、112、114和116。如圖所示，脈衝110、112、114的每一個包括持續時間為(ΔT1)的高邏輯電平，表示電源12的正常操作。電壓脈衝116具有持續時間等於兩個電壓脈衝周期的高邏輯電平。換句話說，一個本應當出現的附加電壓脈衝沒有被檢測。但是，由於比較器90的節點82處的電壓決不會超過參考電壓(VREF1)，因此電壓脈衝檢測電路70不生成具有高邏輯值的故障信號。此後，開關34、36生成具有持續時間等於三個電壓脈衝周期的高邏輯電平的電壓脈衝117。因為，節點82處的電壓超過時間(T6)和(T7)之間的參考電壓(VREF1)，因此比較器90在此時間間隔期間生成具有高邏輯值的第一故障信號(F1)。響應於信號(F1)，邏輯門50生成具有高邏輯值的故障信號(F3)，其引起開關42移動到打開的操作位置。因此，當在節點64處檢測到至少三個丟失的脈衝時，開關42移動到打開的操作位置，以防止電流從電源12流到電線20。
參考圖4，以及8-10，在時間(T4)和(T5)之間，節點66處的電壓小於參考電壓(VREF2)。作為響應，電壓電平檢測電路48的比較器90在從(T4)到(T5)的時間間隔期間生成具有高邏輯值的第二故障信號(F2)。響應於該信號(F2)，邏輯門50生成具有高邏輯電平的第三故障信號(F3)，其引起開關42移動到打開的操作位置。當在節點66處檢測到大於參考電壓(VREF2)的電壓時，開關42移動到打開的操作位置，以防止電流從電源12流到電線20。
用於檢測電源中操作故障條件的系統和方法提供了相對於其它系統和方法的基本優點。特別地，該系統和方法提供了利用由電源生成的內部信號來檢測電源內的操作故障條件，而不僅僅是監控電源輸出電壓的技術效果。因此，發明的系統允許故障條件比其它系統更快速地被檢測，以防止電源到負載18的中斷。
儘管參考示例實施例描述了本發明，但是本領域技術人員將能夠理解在不偏離本發明的範圍的情況下可作出各種變化，並且等效物可替代其各種元素。此外，在不偏離本發明的範圍的情況下可對本發明的教導做出許多修改以適應特殊的情況。因此，所想要的是，本發明不限於用於實施本發明的所公開的實施例，而是本發明包括所有落入所要求的權利要求範圍內的實施例。此外，使用術語第一、第二等等不表示重要性的任何順序，而術語第一、第二等等用於區分一個元素與另一個元素。
權利要求
1.一種用於檢測電源中操作故障條件的方法，所述電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器，所述第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間，第一電節點還電耦合到電感器的第一端，所述控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點，所述方法包括監控第一電節點處的電壓以確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量；和確定當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件何時出現。
2.權利要求1的方法，還包括測量電感器的第二端處的電壓電平；和確定當所測量的電壓電平小於預定電壓電平時第二操作故障條件何時出現。
3.權利要求1的方法，其中電壓脈衝的預定數量包括一個或多個電壓脈衝。
4.權利要求1的方法，其中第一操作故障條件在第一和第二開關中的至少一個不工作時出現。
5.權利要求1的方法，還包括當第一操作故障條件出現時將電感器的第二端從負載電斷開。
6.一種用於檢測電源中操作故障條件的系統，所述電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器，所述第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間，第一電節點還電耦合到電感器的第一端，所述控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點，所述系統包括可操作耦合到第一電節點的電壓脈衝檢測電路，用來確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量，所述電壓脈衝檢測電路生成第一信號，以指示當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件已經出現。
7.權利要求6的系統，還包括可操作的電壓電平檢測電路，用來測量電感器的第二端處的電壓電平，並生成第二信號，以指示當所測量的電壓電平小於或等於預定電壓電平時第二操作故障條件已經出現。
8.權利要求7的系統，還包括可操作耦合到電壓脈衝檢測電路和電壓電平檢測電路的邏輯門，所述邏輯門接收第一和第二信號並生成第三信號，以引起第三開關將電源從負載斷開。
9.權利要求6的系統，其中電壓脈衝的預定數量包括一個或多個電壓脈衝。
10.權利要求6的系統，其中第一操作故障條件在第一和第二開關中的至少一個不工作時出現。
11.一種用於檢測電源中操作故障條件的系統，所述電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器，所述第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間，第一電節點還電耦合到電感器的第一端，所述控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點，所述方法包括用於監控第一電節點處的電壓以確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量的裝置；和用於確定當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件何時出現的裝置。
全文摘要
提供一種用於檢測電源中操作故障條件的系統和方法。電源具有可操作耦合到第一和第二開關的控制器。該第一和第二開關串聯連接在電壓源和接地節點之間，其中第一電節點電耦合在第一和第二開關之間。第一電節點還電耦合到電感器的第一端。控制器被配置為引起第一和第二開關將電壓脈衝施加到第一電節點。該方法包括監控第一電節點處的電壓以確定在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量。該方法還包括確定當在預定時間間隔上施加到第一電節點上的電壓脈衝數量小於或等於電壓脈衝的預定數量時第一操作故障條件何時出現。
文檔編號H02M1/00GK1973423SQ200580021121
公開日2007年5月30日 申請日期2005年5月23日 優先權日2004年6月25日
發明者T·J·威廉斯 申請人:通用電氣公司