CN109154841A - 基于输入电压动态地调节阈值输出电流的电路 - Google Patents

基于输入电压动态地调节阈值输出电流的电路 Download PDF

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Abstract

在一个示例中，一种设备包括电流监视器电路和反馈子电路。电流监视器电路包括比较器，比较器具有用于测量第一电阻器的第一侧上的第一电压的反相输入端、用于测量第一电阻器的第二侧上的第二电压的分离的同相输入端以及输出端。反馈子电路将输入电压反馈回反相输入端。反馈子电路包括耦接至反相输入端的第二电阻器和耦接在输出端与第二电阻器之间的齐纳二极管。

Description

基于输入电压动态地调节阈值输出电流的电路
背景技术
法规安全要求规定了关于输出功率的限制和规定，而不是关于输出电流或输出电压的限制和规定。例如，当产品传送的输出功率被限制在100瓦特以下时，保险商实验室(UL)62386-1将电子产品分类为“PS2产品”。UL测试PS2电路，并且PS2电路必须在应用100瓦特负载的5秒内关闭其输出。
许多PS2装置通过在功率传送路径中包括电流感测装置来监控它们的输出功率并且当感测到的电流超过指示输出功率处于或接近限制的阈值时关闭。电流(例如，以安培为单位)等于功率(例如，以瓦特为单位)除以电压(例如，以伏特为单位)。因此，作为一个示例，输入电源为24伏特的PS2产品可以被设计成使得电流监视器电路至多在4.16安培(即，100瓦特/24伏特)跳闸。
附图说明
图1图示了本公开的恒定功率监视器电路的一个示例；
图2图示了用于调节电气装置的输出功率的第一示例方法的流程图；
图3图示了用于调节电子装置的输出功率的第二示例方法的流程图；以及
图4描绘了示例计算机的高级框图，该示例计算机能够被转换成能够执行本文所描述的功能的机器。
具体实施方式
如上所述，许多PS2装置通过在功率传送路径中包括电流感测装置来监控它们的输出功率并且当感测到的电流超过指示输出功率处于或接近限制的阈值时关闭。例如，输入电源为24伏特的PS2产品可以被设计成使得电流监视器电路至多在4.16安培(即，100瓦特/24伏特)跳闸。然而，这个设计没有考虑输入电源中的电压容差，并因此可能不必要地减少对下游装置可用的功率。
作为一个示例，如果24伏特的输入电源具有±5％的容差，则针对最高的可能输入电压进行设计将使电流监视器电路在3.97安培(即，100瓦特/25.2伏特)跳闸，这可能不足以运转下游装置。例如，如果输入电源实际接收最低的可能输入电压(即，在这个示例中，22.8伏特)，则当电流监视器在3.97安培跳闸时输出功率将是90.5瓦特(即，22.8瓦特×3.97安培)。因此，如果下游装置在正常操作期间消耗多于90.5瓦特但是少于100瓦特的功率，则PS2产品不能在补偿输入电源中的容差的同时满足设计约束。
本公开的示例描述了一种恒定功率监视器电路，其用于通过向恒定电流监视器电路的反相输入端提供负反馈来补偿输入电压中的容差。在一个示例中，使用电阻器和齐纳二极管来提供负反馈。具体地，随着输入电压增大，电阻器和齐纳二极管将进行操作以减小恒定电流监视器电路的跳闸电流。反之，随着输入电压减小，跳闸电流将增大。因此，跳闸电流响应于输入电压的幅度而动态地改变，以安全而又可靠的方式确保下游装置接收足够的功率。此外，本公开提供了一种由监视器自动地监视和调节输出功率的方式，无需由控制装置进行额外处理。
图1A图示了本公开的恒定功率监视器电路100的一个示例。示例电路100可以用于监视并且调节由诸如PS2装置的被监视装置产生的输出功率。为了这个目的，示例电路100通常包括电流监视器电路102和反馈子电路104。
电流监视器电路102包括具有反相输入端108、同相输入端110以及输出端124的比较器106。反相输入端108和同相输入端110感测分流电阻器114相对侧上的电压，从而允许比较器106在电流流过分流电阻器114时测量分流电阻器114两端产生的差电压。
反馈子电路104将输入电压反馈到比较器106的反相输入端108。在图1B中更详细地图示的一个示例中，反馈子电路104包括齐纳二极管和电阻器。
在操作中，比较器106将分流电阻器114两端的电压与阈值电压输入电平相比较。当分流电阻器114两端的电压达到或者超过阈值电压输入电平时，比较器106“跳闸”，或者在其输出端124上生成可用于调节被监视装置的功率输出的信号。如结合图1B更详细地描述的，反馈子电路104的附加通过允许电流监视器电路102跳闸时的电流响应于输入电压进行动态调节来补偿输入电压的容差变化。
图1B图示了图1A的恒定功率监视器电路100的示例的更详细版本。在适当的情况下使用相同的附图标记来指示与图1A的组件相同的组件。因此，例如，图1B的示例电路100通常包括电流监视器电路102和反馈子电路104。
电流监视器电路102包括具有反相输入端108、同相输入端110以及阈值输入端112的比较器106。反相输入端108和同相输入端110感测分流电阻器114的相对侧上的电压，从而允许比较器106在电流流过分流电阻器114时测量分流电阻器114两端产生的差电压VRS。附加的反馈电阻器122与分流电阻器114串联并且位于分流电阻器114与比较器106的反相输入端108之间，以便如下面进一步讨论的将来自被监视装置的输入电压VIN分压。阈值输入端112接收指示阈值电压输入电平的信号。在一个示例中，阈值电压输入电平通过调节限制设定电阻器116是可编程的。
反馈子电路104包括齐纳二极管118和电阻器120，该电阻器在本文中由于其耦接至齐纳二极管118而被称为“齐纳电阻器”。同时，齐纳二极管118和齐纳电阻器120将输入电压VIN反馈到比较器106的反相输入端108。在一个示例中，齐纳二极管118具有低于输入电压VIN的反向击穿电压(或者“齐纳电压”，即，允许电流从齐纳二极管118的阴极流至阳极的电压)。在另一示例中，反向击穿电压比输入电压VIN低3伏特至7伏特，以使齐纳二极管118偏置。
在操作中，比较器106将分流电阻器114两端的电压VRS与由阈值输入端112上的信号指示的阈值电压输入电平相比较。当分流电阻器114两端的电压VRS达到或者超过阈值电压输入电平时，比较器106“跳闸”或者在其输出端124上生成可用于调节被监视装置的功率输出的信号。
在没有附加反馈子电路104的情况下，电流监视器电路102将在下面给出的恒定电流ITRIP跳闸：
假设内部电流源生成的电流是20μA，RLIMIT是限制设定电阻器116的电阻值，并且RS是分流电阻器114的电阻值。然而，随着反馈子电路104的附加，ITRIP变成：
其中RD是反馈电阻器122的电阻值，RZ是齐纳电阻器120的电阻值，以及VZK是齐纳二极管118两端的电压。
从等式2可以看出随着输入电压VIN增大，用于使电路100跳闸的电流ITRIP减小。反之，随着输入电压VIN减小，用于使电路100跳闸的电流ITRIP增大。因此，反馈子电路104的附加通过允许电流监视器电路102跳闸时的电流响应于输入电压VIN进行动态调节来补偿输入电压VIN的容差变化。
为了尽可能完全地覆盖输入电压VIN容差的范围，齐纳二极管120的电阻值可以计算如下：
其中，VIN_L和VIN_H分别是输入电压容差的低端和高端，并且PTRIP是电路100被配置成跳闸时的输出功率。
回头来参考具有±5％的容差的24伏特电源的示例，可以实现对应的示例功率监视器电路，其具有18伏特(2％容差)齐纳二极管并且被配置成在96瓦特的输出功率跳闸。基于等式3，假设反馈电阻器电阻值是50欧姆并且分流电阻器的电阻值是30毫欧姆，则齐纳电阻器的电阻值将大约为10千欧姆。在这种情况下电流监视器将被设置如下阈值电压VT：
其中IZ是流至齐纳二极管的电流。因此，基于等式4，示例电路的阈值电压VT将被设置成150毫伏特。其中，通过调节限制设定电阻器来控制阈值电压，限制设定电阻器的电阻值RLIMIT可被设置成阈值电压VT除以内部电流源生成的电流。因此，对于20μA的内部电流源，RLIMIT将是7.5千欧姆。
下面的表1示出了具有±5％的容差的24伏特电源的示例的低值、标称值以及高值的跳闸功率(即，恒定功率监视器电路跳闸时的输出功率)。
表1
输入电压电平 V<sub>IN</sub>(伏特) I<sub>TRIP</sub>(安培) P<sub>TRIP</sub>(瓦特)
低 22.8 4.14 94.49
标称 24.0 4.01 96.12
高 25.2 3.87 97.42
在18伏特齐纳二极管中考虑了2％的容差来计算表1中所示的值。甚至在具有±5％的输入电压容差时，跳闸功率(PTRIP)也展示出±1.6％的非常小的变化。因此，相比于输入电压容差窗口，功率容差窗口非常小。
图2图示了用于调节电子装置的输出功率的第一示例方法200的流程图。方法200可以例如通过诸如图1的恒定功率监视器电路100的恒定功率监视器电路来实现。在一个更具体的示例中，方法200可通过恒定功率监视器电路100的比较器106来实现。如此，为了易于解释，在讨论方法200过程中参考图1的恒定功率监视器电路100的各种组件。
方法200在框202开始。在框204中，比较器106测量供应至被监视电子装置的输入电压。输入电压的幅度可以不是恒定的，但是可以在容差的某个范围内变化(例如，某个设置电压的±5％)。
在框206中，比较器106响应于(例如，至少部分基于)输入电压的所测量值来动态地调节被监视电子装置的跳闸电流ITRIP。在一个示例中，根据上面的等式2来计算跳闸电流ITRIP。因此，随着输入电压VIN的增大，跳闸电流ITRIP将减小。反之，随着输入电压VIN的减小，跳闸电流ITRIP将增大。
方法200在框208结束。
图3图示了用于调节电子装置的输出功率的第二示例方法200的流程图。方法300可以被认为是上述方法200的更详细的版本。因此，方法300可以例如通过诸如图1的恒定功率监视器电路100的恒定功率监视器电路来实现。在更具体的示例中，方法300可通过恒定功率监视器电路100的比较器106来实现。如此，为了易于解释，在讨论方法300的过程中参考图1的恒定功率监视器电路100的各种组件。
方法300在框302中开始。在框304中，比较器106响应于被供应至被监视电子装置的输入电压VIN来测量在分流电阻器114两端产生的差电压VRS。具体地，分流电阻器114的相对侧上的电压通过比较器106的反相输入端108和同相输入端110来感测。通过反相输入端108测量的电压通过反馈电阻器122分压。
在框306中，比较器106接收来自反馈子电路104(例如，来自齐纳二极管118和齐纳电阻器120)的负反馈。负反馈将输入电压VIN反馈到比较器106的反相输入端108。
在框308中，比较器106在其阈值输入端112接收信号。在阈值输入端112上的信号指示阈值电压输入电平，并且可以通过调节限制设定电阻器116被编程。
在框310中，比较器至少根据在框304-308接收的输入(即，在分流电阻器114两端测量的差电压、由反馈子电路104提供的负反馈以及指示阈值输入电压的信号)来计算被监视电子装置的跳闸电流ITRIP(即，被监视电子装置应当被关闭时的电流)。在一个示例中，根据等式2来计算ITRIP。
在框312中，比较器106确定被监视电子装置的输出电流是否达到或超过在框310中计算的跳闸电流ITRIP。
如果在框312中比较器106断定被监视电子装置的输出电流低于跳闸电流ITRIP，则方法300返回框304，并且比较器继续监视分流电阻器114两端的差电压。
然而，如果在框312中比较器断定被监视电子装置的输出电流达到或超过跳闸电流ITRIP，则方法300进行至框314。在框314中，比较器106响应于输出电流达到或超过跳闸电流ITRIP而在其输出端124生成信号。该信号可指示被监视电子装置关闭。
方法300在框316中结束。
图4描绘了能够转换成能执行本文所描述的功能的机器的示例计算机400的高级框图。尤其，目前不存在执行如本文所描述的功能的计算机或机器。结果，本公开的示例修改通用计算机的操作和功能以提供如本文所公开的恒定功率监视电路。因此，计算机400可以以图1的恒定功率监视器电路100的比较器106实现。
如图4中所描绘的，计算机400包括硬件处理器元件402(例如，中央处理器(CPU)、微处理器或者多核处理器)、存储器404(例如，诸如随机存取存储器(RAM)的暂时存储器和/或只读存储器(ROM))、用于监视电子装置的输出功率的功率监视器模块405以及各种输入/输出装置406(例如，存储装置，包括但不限于永久存储器阵列、磁带驱动器、软驱、硬盘驱动器或光盘驱动器、接收器、发送器、扬声器、显示器、语音合成器、输出端口、输入端口以及诸如键盘、小键盘、鼠标、麦克风等用户输入装置)。
尽管示出了一个处理器，但应注意的是通用计算机可以采用多个处理器元件。此外，尽管在图中示出了一个通用计算机，但如果上面讨论的一个(多个)方法针对特别说明的示例以分布或并行的方式实现，即，上面的一个(多个)方法或所有方法的框在多个或者并行的通用计算机上实现，则此图中的通用计算机意在表示那些多个通用计算机中的每一个。此外，在支持虚拟化或共享的计算环境中，可利用硬件处理器。虚拟化计算环境可支持表示计算机、服务器或者其他计算装置的虚拟机。在这样的虚拟化虚拟机中，诸如硬件处理器和计算机可读存储装置的硬件组件可被虚拟化或逻辑地表示。
应注意，本公开能够通过机器可读指令和/或以机器可读指令和硬件的结合来实现，例如利用专用集成电路(ASIC)、包括现场可编程门阵列(FPGA)的可编程逻辑阵列(PLA)、或者在硬件装置、通用计算机或其他任意硬件装置上部署的状态机，例如，属于上面讨论的一个(多个)方法的计算机可读指令可用于配置硬件处理器以执行上面公开的方法的框、功能和/或操作。
在一个示例中，用于监视电子装置的输出功率的当前模块或过程405的指令和数据(例如机器可读指令)可以被加载到存储器404并且被硬件处理器元件402执行以实现如上面结合方法200和方法300讨论的框、功能或者操作。例如，模块405可包括多个编程代码组件，包括跳闸电流计算组件408和电流比较组件410。
跳闸电流计算组件408可以配置成确定恒定功率监视器电路应在什么电流下跳闸，例如如结合等式2讨论的。电流比较组件410可被配置成确定被监视电子装置的输出电流什么时候超过通过跳闸电流计算组件408计算的跳闸电流。
此外，当硬件处理器执行指令以执行“操作”时，这可以包括硬件处理器直接执行操作和/或促进、指引或与另一硬件装置或组件(例如协同处理器等)协作以执行操作。
执行与上述一个(多个)方法有关的机器可读指令的处理器可理解为程控处理器或专用处理器。如此，本公开的用于监视电子装置的输出功率的、包括相关联的数据指令的当前模块405能够被存储在有形的或物理的(大致非暂时性的)计算机可读存储装置或介质(例如，易失性存储器、非易失性存储器、ROM存储器、RAM存储器、磁或光驱动器、装置或软盘等)上。更具体地，计算机可读存储装置可以包括提供存储诸如数据和/或指令的信息的能力的任何物理装置，所述数据和/或指令将被处理器或诸如计算机或应用服务器的计算装置访问。
应当理解的是上述公开的变型以及其他特征和功能或其替代方案可以组合成许多其他不同的系统或应用。随后可以进行各种目前未预见或未预料的替代、修改或变化，这些替代、修改或变化也意在被以下权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
电流监视器电路，其中所述电流监视器电路包括：
比较器，具有用于测量第一电阻器的第一侧上的第一电压的反相输入端、用于测量所述第一电阻器的第二侧上的第二电压的分离的同相输入端、以及输出端；
反馈子电路，用于将输入电压反馈回所述反相输入端，
其中所述反馈子电路包括：
第二电阻器，被耦接至所述反相输入端；以及
齐纳二极管，被耦接在所述输出端与所述第二电阻器之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述比较器还包括阈值输入端，所述阈值输入端接收指示被监视的电子装置的阈值电压输入电平的信号。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述阈值输入端被耦接至第三电阻器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第三电阻器的电阻是可编程的，以调节所述阈值电压输入电平。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第三电阻器，位于所述第一电阻器与所述反相输入端之间。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述齐纳二极管的反向击穿电压被编程为低于所述输入电压。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述反向击穿电压比所述输入电压低3伏特至7伏特。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备监视电子装置的输出功率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述电子装置是PS2装置。
10.一种方法，包括：
测量被供应至电子装置的输入电压；以及
响应于所述输入电压的值，动态地调节使所述电子装置关闭的阈值输出电流的值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述动态地调节包括至少部分基于在电流监视器电路的第一电阻器两端测量的差电压、提供至所述电流监视器电路的反相输入端的负反馈以及指示阈值输入电压的信号来计算所述输出电流的值。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
测量所述电子装置的当前输出电流的值；以及
当所述当前输出电流达到所述阈值输出电流时生成用于关闭所述电子装置的信号。
13.一种用处理器可执行的指令编码的非暂时性机器可读存储介质，所述机器可读存储介质包括：
用于测量供应至电子装置的输入电压的指令；以及
用于响应于所述输入电压的值动态地调节使所述电子装置关闭的阈值输出电流的值的指令。
14.根据权利要求13所述的非暂时性机器可读存储介质，其中，用于动态地调节的指令包括用于至少部分基于在电流监视器电路的第一电阻器两端测量的差电压、提供至所述电流监视器电路的反相输入端的负反馈以及指示阈值输入电压的信号来计算所述输出电流的值的指令。
15.根据权利要求13所述的非暂时性机器可读存储介质，还包括：
用于测量所述电子装置的当前输出电流的值的指令；以及
用于当所述当前输出电流达到所述阈值输出电流时生成用于关闭所述电子装置的信号的指令。
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