CN102608445A - 瞬时电压保护器件的测试 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“瞬时电压保护器件的测试”。公开了电压保护器件的测试，特别是在产品的使用期间。公开了一种测试保护器件的方法，该保护器件在布置为配备有源和负载的电路中，该方法包括：提供与保护器件并联的检测器；断开电路中提供的开关器件并检测由断开开关器件所产生的电路电感中的电流变化率而导致的电压尖峰的性质，以确定保护器件的状况。如果电压尖峰的检测的性质(例如，它的峰值电压)不是期望的预定值或者没有处于期望的预定范围内，则可认为保护器件中有故障。因此，保护器件可在它的使用期间得以可靠地测试。

Description

瞬时电压保护器件的测试

技术领域

本发明涉及电压保护器件的测试，特别是在产品的使用期间。

背景技术

依赖瞬时电压保护器件以保护敏感的电子电路免受可能导致电路损害的雷击、故障以及其他瞬时现象。保护器件自身中的任何故障都具有非常严重的安全隐患，特别是在航空产品上。

传统上，瞬时电压保护器件仅仅由器件制造商来完全测试。即使当它们被组装到印刷电路板(PCB)中时，它们也一般可能不进行重新测试。因此，这可能会允许一些类型的故障没有被检测到，而使得电路不被保护。

发明内容

根据本发明，提供一种测试电压保护器件的方法，该电压保护器件在布置为配备有源与负载的电路中，该方法包括：

提供与保护器件并联的检测器；

断开电路中提供的开关器件；以及

检测由开关器件的断开所产生的电路电感中电流的变化率而引起的电压尖峰的性质，以确定保护器件的状况。

如果保护器件工作良好，则当开关断开时电路电感中的电流变化率所引起的电压尖峰应当拥有如下性质：例如具有期望的预定值或处于期望的预定范围内峰值电压、持续时间、斜率等等。如果电压尖峰的检测性质处于预定范围内，则可认为保护器件工作良好。否则，则可认为电压保护器件具有故障。

故障的特性(例如，保护器件内的部分短路或高阻抗或开路)可由测量的性质是低于还是高于预定值或者预定的范围而确定。测量的性质高于或低于预定值或者预定的范围的多少可表明保护器件或电路的状态。例如，如果测量的性质高于或低于某期望的预定值，即使其仍然处于期望的预定范围之内，也可能表明电路或部件为非理想的操作。

优选检测电压尖峰的峰值，因为这是非常清晰、容易被测量的性质。

本发明的示例的优点是由开关的断开而产生的电压尖峰一般比当正常的负载电流被切换时要大并且更轮廓分明(well defined)。因此，即使在具有相对低的电感的电路中也能生成足够大的电压尖峰以测试电压保护器件。如果需要，可在电路中提供额外的电感或者在电路的输出之间施加短路以增加当开关器件断开时电路电感中的电流变化率，以此产生足够大的电压尖峰从而使保护器件导电。

根据本发明的另一方面，提供一种保护器件测试器，用于测试具有源和负载的电路中的保护器件，该保护器件测试器包括：

与保护器件并联的检测器，其用于检测由闭合然后断开电路中提供的开关器件而产生的电压尖峰的性质；以及

控制器，其基于由开关的断开而产生的电压尖峰的、检测的性质来确定保护器件的状况。

开关器件可以是单独开关或者是多个开关。如果是多个开关，则它们可以是并联连接的。开关或多个开关可以是一个或多个半导体器件。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示出了配备有本发明示例的保护器件测试器的电路；

图2示出了在点T处由图1的电路中的开关器件的闭合和断开而产生的电压尖峰；

图3是用于具有DC电流的电路的电压保护检测器件的一示例；

图4a和4b示出了用于具有AC电流的电路的电压保护器件的两个示例；

图5是可用于本发明示例中的峰值电压检测器的示例；

图6是说明本发明的另一个电路的示例；

图7示出了配备有布置为施加在电路的输出之间的短路的、图1示出的电路的修改版本；

图8示出了配备有布置为施加在电路的输出之间的短路的、图6示出的电路的修改版本；以及

图9示出了作为单个部件块提供的开关器件和保护器件。

具体实施方式

图1展示了在电路中提供的电压保护器件测试器的示例。电路10有电压源20、负载30以及在它们之间提供的开关设备40。电路10可以，例如，被提供在飞行器上，这样电压源20可以通过引擎发电机提供，而负载30可以是飞行器上的部件，比如用于开动飞行器的部件，诸如襟翼或者起落架，或者飞行器内部的部件，诸如仪表或者飞行中的娱乐设备。开关设备40可以是单个开关、多个开关或者功率开关电路，例如，诸如固态功率控制器。固态功率控制器可以，例如，包括一个或多个并联连接的半导体器件。开关电路40用于连接电源20和负载30。电压源20及与其关联的线缆或电线将具有固有电感21。同样，负载30及与其关联的线缆和电线将具有固有电感31。

保护器件50，在此示例中是瞬时电压保护器件，被提供在电压源20的两端之间。与保护器件50并联地提供了检测器60，其用于检测由断开开关器件40而产生的电压尖峰的性质。检测器60，其可被提供为硬件或软件，以检测电压尖峰的性质，诸如峰值电压、持续时间、斜率等，电压尖峰的性质用于确定保护器件50的状况，例如是否工作良好。所检测到的性质也可用于确定在保护器件50或者电路10的配件中是否出现任何的非理想或者潜在的问题。

如以上所述的，开关器件40可包括可以含有一个或多个连接的半导体器件的固态功率控制器(SSPC)。如果其包括多个并联连接的半导体器件，那么它们可独立地或者以任意组合操作来获得电压尖峰。

图2展示了由于闭合然后断开图1中所示的开关器件40而产生的、图1中的点T处的电压尖峰。可以看到，在大约250μs时，开关器件40闭合或者接通，通过开关器件40的电流快速地上升至由源20提供的电流，在本示例中大约100安培。图2中还可以看到，随着通过开关器件40的电流的增加，第一负尖峰101可以由检测器60观察到。当开关器件40断开或者关掉时，在该示例中恰好在500μs之前，正电压尖峰102可以由检测器60观察到。

当开关器件40闭合或者接通时，电压保护器件50不导电。它仅在当开关器件40断开或者关掉时才导电。对于DC电路来说，当开关器件40断开或者关掉时，电压保护器件50的正极(positive side)是处在点T处，因此它导电，从而产生正电压尖峰102。

如果开关器件40包括多个开关，那么这些开关可以独立地或者以任意组合操作以获得电压尖峰。

图3示出了可用于本发明的示例中的电压保护器件50的示例。在该示例中，电压保护器件50包括与可适用于DC电源20的齐纳二极管相似的瞬态吸收器(transorb)。

图4a示出了电压保护器件50，其包括与两个反向连接的齐纳二极管相似的双向瞬态吸收器。这可用于具有AC电源20的图1的电路中。执行相同功能的备选AC电压保护器件是如图4b中所示的金属氧化物变阻器。

虽然检测器60可检测电压尖峰的任何期望的性质以确定保护器件的状况，但是已发现检测尖峰的峰值电压提供了保护器件50的状况的可靠的指示，并且还可以精确地且重复地测量。电压尖峰的峰值电压可以任何适用的方式测量，比如使用软件或者硬件。图5展示了适用的硬件峰值尖峰电压检测器，其可用于本发明的一示例中。峰值电压检测器具有与二极管111串联连接的充电电阻110和通过电压尖峰来充电的电容112。在点P处测量电容112上的电荷，点P提供了尖峰的峰值电压的指示。已充电的电容112然后通过一般要远远大于充电电阻110的电阻113放电。

合适的控制器，比如微处理器，其可例如提供在图1所示的检测器布置60内或者在与电路10关联的其它控制电子器件内，合适的控制器可用于基于所检测到的电压尖峰的性质来确定保护器件50的状况。例如，当测量所检测到的峰值电压时，控制器可使用查找表或者算法以确定所检测到的峰值电压是否处于期望的预定范围之内，从而该电压保护器件50可被认为是工作良好，或者检测的峰值电压是否处在预定的期望范围之外而表明该电压保护器件工作不佳或者具有故障。测量的性质是低于还是高于预定的范围或者预定的值，可能表明故障的本质。例如，如果所测的峰值电压低于预定的值或预定的范围，这可能表明在电压保护器件50中的部分短路。相反地，如果测量的峰值电压高于预定的值或预定的范围，这可能表明在电压保护器件50中的高阻抗或者开路。此外，测量的性质高于或低于一期望的预定值或者预定范围多少也可表明故障有多严重。

在图2中所示的示例的电压尖峰102中，尖峰102的峰值大约是90V。不同的电路和应用将具有不同的确定的范围以表明良好的操作。例如，如果检测的电压峰值高于100V或者低于70V，这可能是表明有故障。如果峰值电压高于或低于期望值，此处是90V，则即使其是处于期望的范围内，也可能表明电路或者部件的不理想操作，因而建议进一步的调查。

如上参照图1所描述的本发明的示例一般在输入电源20及其相关联的线缆或电线中具有一些电感21。如果这些固有电感21太小而不能产生具有可测量性质的电压尖峰，那么可在与源20关联的线缆或电线中提供适当的电感。

图6示出了举例说明本发明的一个示例的电路的第二个示例。该示例不同于图1中的电路之处在于：在源20和输出负载30之间提供了保护器件50。如图1中的示例，开关器件40可以是单个开关或多个开关。如果开关器件40是多个开关，这些多个开关可以并联的方式提供并且可以例如是多个并联连接的半导体器件，诸如用于连接源20和负载30的固态功率控制器(SSPC)。如图1中的示例，瞬时电压保护器件50具有跨过其并联连接的检测器60。如同之前的，保护器件可通过测量由断开开关器件40或者通过单独地或以任何组合的方式断开然后闭合并联连接的半导体器件产生的电压尖峰的性质来确定保护器件50的状况。

如图1所示的示例，如果在电路中存在不足以提供足够大的电压尖峰以使保护器件导电的固有电感，则可相应地增加电感(inductor)。

本发明的示例的优点是产生的电压尖峰大于在常规的负载电流处发生的电压尖峰，并且因此提供可清晰测量的值，其可用于确定保护器件的状况，具体地，是其是否有故障或者有可能出现故障。

被检测以确定保护器件50的状况的正电压尖峰102的大小依赖于电路中的电感L和当开关器件40断开时的电流变化率dI/dt。断开开关器件40时的电压尖峰V的大小由下列方程式给出：

V＝L×dI/dt

已一般地发现电路中的固有电感和断开开关时电流的典型变化率通常适于产生有足以用于清晰且可重复测量的大小的电压尖峰。然而，如果需要，当需要时可通过选择其一或者同时在电路中加入额外的电感L或提供更高的电流I以产生更大的电压尖峰。

如图7中所示，相应于图1且包含至输出的短路开关120，在之前闭合短路开关120之后闭合开关器件40时提供了更高的电流(一般为5到10倍于其正常的电流)，因此，在即使电路电感L相当低的情况下，也引起相当大的电压尖峰以测试保护器件。使用输出短路120的一个重要的优点是在没有向输出负载施加很大电压的情况下，可使用远高于正常负载电流的电流用于测试。

图8示出了与图6等价的电路，其也在输出上配备有短路下拉(pulldown)120。

虽然以上描述的示例将开关器件40和保护器件50作为独立的部件示出，但它们可以组合在一起放入单个部件块中。例如，如图9所示，开关器件40可包括一个或多个晶体管41，诸如一个或多个场效应晶体管或MOSFET。可通过在该一个或每个晶体管41的栅极(G)和漏极(D)之间连接的两个小的、低成本的齐纳二极管51、52来提供保护功能。当在漏极和源极之间施加过度的电压时，这些齐纳二极管促使晶体管41大量导电因此防止该电压超过晶体管的击穿电压。通过适当的选择齐纳二极管，该配置以与上述的保护器件50相同的方式提供防止在一个或每个晶体管41上的过高电压的有效的自我保护，同时仍然能够如上面示例中一样，通过在其周围连接至漏极(D)和源极(S)的检测器60而进行测试。通过在晶体管41的栅极(G)施加适当的信号，晶体管41可以被启动或关闭。

虽然以上详细描述了示例，但可以不偏离本发明而对这些示例作出许多的变化。例如，开关器件40可以是单独开关或者多个开关。如果使用多个开关，这些开关可以并联的方式提供并且每个开关可以是固态器件，这样开关器件40是固态功率控制器(SSPC)。本发明的示例可以用于DC系统或者AC系统。如果使用于AC系统且开关器件40是多个半导体器件，则这些半导体器件可以是AC开关并且电压保护器件可以是双向的(如图4a或图4b所示)且可提供对称的正和负的保护。

Claims (15)

1.一种测试在布置为配备有源与负载的电路中的电压保护器件的方法，所述方法包括：

提供与所述保护器件并联的检测器；

断开提供在所述电路中的开关器件；以及

检测由断开所述开关器件所产生的所述电路电感中电流的变化率而引起的电压尖峰的性质，以确定所述保护器件的状况。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过确定所述电压尖峰的所检测的性质是否处于期望的预定范围内来确定所述保护器件的状况。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过确定所述电压尖峰的所检测的性质和期望的预定值之间的差来确定所述保护器件的状况。

4.根据之前权利要求的任一项所述的方法，其中，所述保护器件的状况是如下确定的：基于所述电压尖峰的所检测的性质是高于还是低于所期望的预定值或者期望的预定范围。

5.根据之前权利要求的任一项所述的方法，其中，检测所述电压尖峰的峰值。

6.根据之前权利要求的任一项所述的方法，其中，在断开所述开关器件之前，在所述电路的输出之间施加短路。

7.根据之前权利要求的任一项所述的方法，包括：为了当断开所述开关器件时生成足够大的电压尖峰以测试所述电压保护器件，在所述电路中提供额外的电感。

8.一种保护器件测试器，用于测试在具有源和负载的电路中的保护器件，所述保护器件测试器包括：

与所述保护器件并联提供的检测器，其用于检测由断开所述电路中提供的开关器件而产生的电压尖峰的性质；以及

控制器，其基于由断开所述开关器件而产生的所述电压尖峰的所检测的性质来确定所述保护器件的状况。

9.根据权利要求7所述的保护器件测试器，其中，所述控制器基于由断开所述开关器件而产生的所述电压尖峰的所述检测的性质是否处于预定的范围内来确定所述保护器件的状况。

10.根据权利要求8或9所述的保护器件测试器，其中，所述控制器布置成基于由断开所述开关而产生的所述电压尖峰的所述检测的性质是高于还是低于预定的值来确定所述保护器件的状况。

11.根据权利要求8到10中的任一项所述的保护器件测试器，其中，所述控制器布置成基于由断开所述开关而产生的所述电压尖峰的所述检测的性质高于或低于预定的值或范围的大小来确定所述保护器件的状况。

12.根据权利要求8到11中的任一项所述的保护器件测试器，其中，所述检测器布置成检测所述电压尖峰的峰值电压。

13.根据权利要求8到12中的任一项所述的保护器件测试器，其中，所述开关器件包括多个开关。

14.根据权利要求13的保护器件测试器，其中，所述开关器件是并行连接且布置成独立地断开或闭合的半导体器件。

15.根据权利要求8到14中的任一项所述的保护器件测试器，其包括短路，所述短路布置成在断开所述开关器件之前施加到所述电路的输出之间。

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