CN104487853A - 早期电源故障检测电路 - Google Patents

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Abstract

早期电源故障(EPF)检测电路以干线供电电压的频率向阈值检测器施加整流的、未滤波的周期性波形。在周期性波形的每个循环期间，阈值检测器产生具有在周期性波形开始超出与阈值检测器相关联的阈值电平时的前边沿以及在周期性波形停止超出阈值电压时的后边沿的脉冲电压。微处理器测量前边沿和后边沿之间的间隔的长度，以间接测量干线供电电压的幅值(例如RMS或峰值)。当间接测量的幅值降低到最小允许的、第二阈值幅值之下时，发起所述装置的受控电源关机，比如通过微处理器中的程序中断例程来实现。

Description

早期电源故障检测电路
技术领域
本发明涉及由用于向电子和电学设备供电的交流(AC)电压源提供能量的供电电源中的电源扰动检测电路。
背景技术
个人视频录像机、机顶盒、个人计算机等通常采用各种存储器设备来存储程序和系统信息。存储器设备包括硬盘驱动器、可记录磁盘、半导体存储器设备等。举例来讲，机顶盒需要足够的时间来提供有序的关机，以使得在供电电压降至不能完成对数据的保存的低电平之前可以将数据保存在非易失性存储器(比如闪存设备)中。
为这种设备供电的AC电源可能会经受各种长程和瞬时扰动或电源故障状况。这里使用的术语“电源扰动”或“电源故障状况”指的是其中AC输入供电电压的幅值小于值的正常范围内所要求的电压的状况、可能需要对设备进行有序关停的状况。
为了对有序关停保证必要时间，对指示AC干线供电电压的电压进行监控。早期电源故障(EPF)阈值电压被选择为使得AC干线供电电压的幅值高于对例如机顶盒中的直流(DC)供电电源进行操作所需的最小电压。机顶盒DC供电电源在检测到EPF阈值电压之后必须保持足够长时间处于有效状态，以使得能够有充分的时间执行有序关机。
当AC电压过小以至于不能处于正常容限或范围内但大于机顶盒执行不受干扰的正常操作的实际需要时，在关停(brown out)状况期间，允许不受干扰的操作也可能是让人期待的。
在现有的布置中，阈值检测器提供指示AC干线供电电压已经在AC干线供电电压的给定周期的一部分期间超出了阈值幅值的输出信号。该情况被认为是未受扰动的AC干线供电电压。相反地，当AC干线供电电压超出阈值幅值时，检测器输出信号在整个周期期间的任何时刻都不会指示AC干线供电电压中的扰动或电源故障。
通常，电解电容器用来维持足够量的存储电荷，以便在检测到EPF阈值的时刻和有序关机完成的时刻之间使用。由于诸如容限、由加载导致的阈值变化等的状况，要么必须将EPF阈值电压设得更高，要么必须选择比其它情况所需要的值更大的电解电容器值。为了在所有这种状况下保证有序地关机，必须实现这一点。
在现有布置中，一系列的AC干线供电电压值在AC干线供电电压的给定周期的一部分期间将超过阈值幅值。由于没有测量AC干线供电电压的实际幅值，所以须按照满足最差情况的方式来设置阈值幅值。从而，不利的是，需要将阈值幅值设为比测量并已知了AC干线供电电压的实际幅值的情况更高的值。这需要在AC干线供电电压的幅值不利地高于测量并已知了AC干线供电电压的实际幅值的情况时发起关机例程。
EPF检测电路(体现了本发明的一个方面)施加整流后的周期性波形，该波形没有关于到阈值检测器的AC干线供电电压的频率而被滤波。与现有技术相比，当AC干线供电电压的幅值(例如RMS或峰值)处于可接受的幅值时并且当发生扰动时，本发明的检测器在每个周期期间检测上升的波形在第一方向经过阈值幅值的时刻和下降的波形在相反的方向经过阈值电平的时刻。时间测量设备(例如微处理器)测量阈值经过时刻之间的间隔的长度；备选地，其计算阈值检测器的输出信号的占空比。其中的每个结果都间接地指示干线供电电压的幅值(例如RMS或峰值)。较大的占空比或较长的长度将指示较大的幅值，反之亦然。基于间接测量的幅值的结果，微处理器可以通过例如程序中断例程发起并执行对装置的有序受控电源关机。由于AC干线供电电压的实际幅值(例如RMS或峰值)的间接测量，所以可以有利地在与现有技术所需相比更低的AC干线供电电压幅值处建立针对关机的阈值幅值。通过精确地间接监控AC干线供电电压的幅值，在发起关机之前，机顶盒可以有利地使用比现有技术供电电源中所需的幅值更低的AC干线幅值继续进行未受干扰的操作。这还将提供了有利地在AC失落(dropout)的较长间隔期间操作例如机顶盒的灵活性，在这期间，扰动只发生于AC干线供电电压的有限数量的周期中。
发明内容
(体现本发明特征的)用于为由交流(AC)输入干线电压提供能量的电子设备生成早期电源故障(EPF)指示信号的装置包括阈值检测器。当在AC输入干线电压的周期的一部分期间AC输入干线电压的瞬时幅值超出检测器的阈值时，阈值检测器对AC输入干线电压作出响应以用于生成输出信号。相应的部分发生于AC输入干线电压位于正常操作范围内时以及AC输入干线电压发生电源故障状况时。处理器测量指示检测器输出信号的部分周期的长度的值，以用于根据指示长度的值提供EPF指示。
附图说明
图1部分地以框图的形式并且部分地以具体示意图的形式示出了对电子设备提供能量的供电电源和根据本发明的实施例的电源扰动检测电路；以及
图2a、2b和2c示出了用于解释图1的电源扰动检测电路的操作的波形。
具体实施方式
图1部分地以框图的形式并且部分地以具体示意图的形式示出了对电子设备提供能量的供电电源100。其还示出了根据本发明的实施例的电源扰动或早期电源故障(EPF)检测电路200。EPF检测电路200检测向供电电源100提供输入供电电压Vac的交流(AC)干线供电电压源105中的电源扰动。
图2a、2b和2c示出了用于解释EPF检测电路200的操作的波形。图1和图2a-2c中的相似符号和标记指示相似的项目或功能。
图1的供电电源100包括由整流器D101形成的传统的全波桥式整流器，其中整流器D101具有耦合到电压源105的端子105a的阳极，以用于对图2a的电压Vac的正部分Vac1进行整流。图1的电压源105的端子105b耦合到整流器D101的阳极，该整流器D102具有耦合到二极管D101的阴极，用于对图2a的电压Vac的负部分Vac2进行整流。图1的整流器D101和D102的阴极之间的接线(junction)端子耦合到未详细示出的传统供电电源转换器500(比如开关模式供电电源)，其生成用于向例如机顶盒(未示出)提供能量的供电电压(其中的一些未示出)。供电电源转换器500的公共或接地端子300耦合到具有耦合到端子105b的阴极的桥式整流器的整流器D104的阳极。接地端子300耦合到具有耦合到端子105a的阴极的桥式整流器的整流器D103的阳极。
在图1的EPF检测电路200中，电源105的端子105a耦合到整流器D406的阳极，该整流器D406具有耦合到端子110a的阴极，用于对图2a的电压Vac的正部分Vac1进行整流。图1的电压源105的端子105b耦合到具有耦合到接线端子110a的阴极的二极管D405的阳极，所述接线端子110a位于用于对图2a的电压Vac的负部分Vac2进行整流的二极管D406和D405的阴极的接点处。结果，图1的全波整流周期性波形110b以两倍于电压Vac的频率的频率(60×2＝120Hz)演进，其中所述电压Vac没有关于AC干线供电电压Vac的60Hz频率被滤波。周期性波形110b经由由与电阻器R402串联的电阻器R401形成的分压器耦合，以在电阻器R401和R402的接线端子110c处产生周期性波形110d，其是波形110b的经过分压的部分。
与电阻器R402并联耦合的图1的电容器C401提供高频滤波，这对周期性波形110d没有任何影响，这是因为其频率120Hz要小得多。与电阻器R402并联耦合的齐纳(Zener)二极管D401提供比较器400的输入端子110c处的过压保护，在本例中，其由具有2.5V的阈值电平的旁路稳压器集成电路TL431形成。比较器400的输出端子110e耦合到光耦合器112的二极管D201的阴极。与二极管D201串联耦合的电阻器R203向二极管D201的阳极施加供电电压+VDD-IC(本例中为12V)，以用于当二极管D201被正向偏置时在二极管D201中产生电流。电压+VDD-IC是由供电电源500产生的并且可以是任何便利的电压。
图2b示出了波形110d在不同的幅值处的两个示例波形110d1和110d2，其中波形110d1大于波形110d2。图1的电阻器R401和R402的值之比被选为使得：当图2a的电压Vac为额定幅值120V时，图2b的波形110d1的瞬时电压(在0V和波形110d1的峰值电压之间某处)是2.5V(图1的比较器400的阈值电平)。
在图2b的给定周期T的时刻t1处，波形110d1超出并因此在一个方向经过图1的比较器400的2.5V阈值。从而，比较器400的输出端子110e形成电流路径，以便导通二极管D201并且产生二极管D201中的正向电压Vfw(电压Vfw的波形在图2c中的时刻t1处具有上升沿600)。结果，图1中的光耦合器112的晶体管Q301导通。晶体管Q301的集电极端子处的集电极电压将转变到大约0V。另一方面，在图2a-2c的周期T的时刻t2处，波形110d1不再超出，并且因此在相反的方向经过图1的比较器400的2.5V阈值。从而，比较器400的输出端子110e不再形成电流路径，以便关断二极管D201并且在二极管D201两端上产生0V的正向电压Vfw。从而，电压Vfw在图2c的时刻t2处具有下降沿700。结果，图1的光耦合器112的晶体管Q301截止。晶体管Q301的集电极端子处的集电极电压将通过上拉(pull-up)电阻器R301的操作转变到大约3.3V。从而，二极管D201在间隔t1-t2期间导通。3.3V供电电压是典型的，但也可以是与系统逻辑和微处理器300兼容的另一电压。
当施加的是较低振幅或幅值处的波形110d2，而不是图2b的波形110d1时，图1的二极管D201将在短于间隔t1-t2的间隔t1’-t2’期间导通。类似地，当施加位于较低振幅处的图2d的波形110d2时，图2c的电压Vfw的所谓的占空比较小。图1的晶体管Q301的集电极端子处的电压被施加到微处理器300的输入端，该微处理器300以传统的方式通过例如计数时钟周期(未示出)来测量图2b的间隔t1-t2或t1’-t2’的长度或备选地测量图2c的电压的占空比。当图2b的间隔t1’-t2’的长度过短时，微处理器300将确定图1的AC输入干线电压Vac中发生电源故障状况。
为了测量图2b的例如间隔t1-t2的长度，图1的微处理器300对实时时钟(未示出)的脉冲进行计数，从时刻t1(图2c的边沿600出现时)开始，到时刻t2(边沿700出现时)为止。备选地，图1的微处理器300可以包括输入-输出(I/O)设备(未示出)，其充当独立时钟脉冲计数器(未示出)。在本例中，当图2c的边沿600出现时图1的微处理器300对这种计数器中所包含的计数数字进行记录或初始化，然后当边沿700出现时对这种计数器中所包含的计数数字进行记录。计数数字之间的差别对应于间隔t1-t2的长度。图1的微处理器300可以通过将如上获得的间隔t1-t2的长度除以周期的一半的长度(对于具有60Hz的频率的图1的电压Vac来讲，其大约为8.33毫秒)来计算图2c的电压的占空比。
可通过微处理器300使用例如包含针对图2b的间隔t1-t2的每个测量的长度或计算的占空比的相应电压Vac的幅值的查找表(未示出)来获得图1的干线供电电压Vac的幅值(例如RMS或峰值)。可通过在图1的微处理器300中施加图1的电压Vac的已知值和测量图2b的间隔t1-t2的相应间隔来获得该查找表。备选地，可通过在图1的微处理器300中施加电压Vac的已知值和记录图2c的电压的相应计算的占空比值来获得该查找表。
从而，每个这种测量结果间接地指示图1的干线供电电压Vac的幅值(例如，RMS或峰值)。基于图2b的给定周期T中的电压Vac的间接测量的幅值以及可能基于在图2b的若干周期T的每一个期间的分析测量，图1的微处理器300可以采用通过例如程序中断例程发起和执行例如机顶盒(未示出)的有序电源关机的方式来提供EPF指示。通过间接地测量干线供电电压Vac的实际幅值(例如RMS或峰值)，可以有利地在与现有技术中所需的情况相比较低的图1的AC干线供电电压Vac的幅值处发起受控关机。从而，有利地，在操作例如机顶盒的过程中可出现较少的干扰。通过精确地监控AC干线供电电压Vac的幅值，当AC电压过小以至于不能处于正常容限或范围内但大于由供电电源500提供能量的机顶盒执行不受干扰的正常操作的实际需要时，在关停状况期间，能够允许不受干扰的操作。
图1的相同供电电源100可以兼容地使用110V、60Hz的干线供电电压Vac和230V、50Hz的干线供电电压Vac之一进行操作。如前所释，微处理器300可以测量图2b的周期T的长度，以确定供电电压Vac处于60Hz还是50Hz。有利地，这允许在相同的系统中在60Hz的电压处和50Hz的电压处分别使用不同的查找表，以进一步优化对何时发起关机例程的决定。例如，当供电电压位于50Hz时，周期T可能比处于60Hz时更长。为了确保图1的供电电源100的输出供电电压不过度降低，在扰动期间，微处理器300可以在与供电电压Vac处于60Hz时相比更高的电压Vac处发起关机例程。
通过在出厂测试期间施加特定的AC电压Vac，可将图2b的间隔t1-t2的占空比或长度预设为考虑整流器二极管中的正向压降等，以进一步增加电压检测器阈值的精确度。该校准值可存储于闪存或Eeprom非易失性存储器(未示出)中。可使用软件算法来设置最小需要阈值电压，以保证所需的关机时间。

Claims (8)

1.一种用于为由交流(AC)输入干线电压提供能量的电子设备提供早期电源故障(EPF)指示的方法，包括以下步骤：
向阈值检测器施加所述AC输入干线电压；
当在所述AC输入干线电压的周期的相应部分期间所述AC输入干线电压的瞬时幅值超过阈值幅值时，根据所述阈值检测器的输出测量指示所述相应部分的长度的值，所述相应部分发生于所述AC输入干线电压位于正常操作范围内时以及所述AC输入干线电压出现电源故障状况时；以及
根据所述指示长度的值提供所述EPF指示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对在所述AC输入干线电压幅值在一个方向经过所述阈值检测器的阈值电平时的时刻与所述AC输入干线电压幅值在相反方向经过阈值电平时的时刻之间发生的时钟周期进行计数，执行所述长度测量步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
对所述AC输入干线电压进行整流，以生成没有关于所述AC输入干线电压的频率进行滤波的全波整流电压，其中所述经过整流的电压施加到所述阈值检测器的输入端。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过测量由所述阈值检测器输出生成的信号的占空比何时位于正常操作范围之外，获得所述指示长度的值。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
当提供了所述EPF指示时，在电子设备的处理器中发起关机例程。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述EPF指示提供步骤基于在与所述AC输入干线电压的相应周期相关联的不止一个测量步骤中测量的指示长度的值。
7.一种用于为由交流(AC)输入干线电压提供能量的电子设备生成早期电源故障(EPF)指示信号的装置，包括：
阈值检测器，用于当在所述AC输入干线电压的周期的一部分期间所述AC输入干线电压的瞬时幅值超出所述检测器的阈值时，对所述AC输入干线电压作出响应以生成输出信号，所述相应部分发生于所述AC输入干线电压位于正常操作范围内时以及所述AC输入干线电压出现电源故障状况时；
用于测量指示所述检测器输出信号的所述部分周期的长度的值的装置；以及
用于根据所述指示长度的值提供所述EPF指示的装置。
8.一种用于为由交流(AC)输入干线电压提供能量的电子设备生成早期电源故障(EPF)指示信号的装置，包括：
阈值检测器，用于当在所述AC输入干线电压的周期的一部分期间所述AC输入干线电压的瞬时幅值超出所述检测器的阈值时，对所述AC输入干线电压作出响应以生成输出信号，所述相应部分发生于所述AC输入干线电压位于正常操作范围内时以及所述AC输入干线电压出现电源故障状况时；以及
处理器，用于测量指示所述检测器输出信号的所述部分周期的长度的值，以及用于根据所述指示长度的值提供所述EPF指示。
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