CN109219912A - 电压短路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子势垒装置，其可形成例如隔离势垒或zener势垒的另一装置的部分，且包括例如至少一个zener装置的电压限制器，用于在故障状况期间限制电路中的电压，所述势垒装置包含被布置成锁存在所述至少一个zener装置上以降低所述电路故障状况下所述至少一个zener装置中的功率耗散的短路器装置，其中所述短路器装置被布置成响应于所述势垒装置中感测到的电流的变化而锁存。

Description

电压短路器

技术领域

本发明涉及一种电压分流装置(voltage shunt device)，例如还称为电压短路器(voltage crowbar)且明确地说但非排他性地，涉及一种用于降低势垒装置中的功率耗散的电压分流装置，所述势垒装置用于本质安全的系统且例如见于隔离势垒或齐纳势垒(zener barrier)中。

背景技术

势垒装置通常包括电压限制器，例如提供电压限制的zener群组、用以限制Zener中的电流的熔丝及在装置的输出支腿上用以限制输出电流以限定的zener钳位电压出现的限制电阻器。Zener和电阻器必须在不超过其最大额定值的2/3下使用，且熔丝必须被认为在其额定值的1.7倍的持续电流下保持无破损。

然而，此类布置可能证明是有问题的，因为在故障状况下，即当zener正钳位电压时，zener中的功率耗散可能变得相当大，且所生成的热可能证明难以耗散，特别是在隔离势垒或zener势垒装置的典型小外壳中。

举例来说且注意到上述额定值特性，对于70mA的持续电流，将需要100mA的熔丝。如果输出电压最大为20V，则将需要20V zener。此布置将生成(0.1A×1.7)×20V＝3.4W的热以在故障状况下耗散，且因此对于zener将需要连续5.1W的额定值。耗散此类功率且提供合适的zener可能是不可能的。为了缓解此类功率耗散问题，已知解决方案是使用所谓的电压短路器装置。此类装置用于在zener达到zener最小电压(根据zener公差)之前检测zener处的电压，且如果所述电压超过限制，则在zener上激发锁存短路。作为一实例，此类短路可能在短路器上提供1V，且在电流为100mA×1.7的情况下，短路器装置中的耗散功率将仅为0.17W-与先前在Zener中出现的3.4W相比。

为了进一步说明当前技术，且转到图1，提供了一种基本势垒装置的图，其中在输入104处存在具有未定义电流能力的未定义电压，使得其功率中的一些或全部在输出105上可用。所述电压在Zener电压Vz下经受zener钳位101，以确保最大值≤Vz。在使电流通过限制电阻器103时，此现在受保护的电压将输出105上可用的最大电流抑制为≤Vz÷Rl。

如上文所指出，此类值应在以下条件下保持有效：所有组件的功率参数必须为额定值的2/3。因此，为了保护zener以免违反此规则，串联熔丝102用以将连续电流限制为标称熔丝值的1.7倍(所述因数被认为是安全的且用作标准)。出于实际原因，为了长期可靠性，熔丝额定值必须至少与输出短路电流相同，且优选地超过输出短路电流达安全因数。

这意味着，如果zener经历如在数据表中指定的最大允许连续功率的最大2/3的连续功率，则其只可能在减小值(包含短路)而非在增大值(包含断路)方面发生故障。

而且，如果电阻器经历如在数据表中指定的最大允许连续功率的最大2/3的连续功率，则其只可能在增大值(包含断路)而非在减小值(包含短路)方面发生故障。

另外，根据其数据表，两种组件类型还必须能够耐受1.5倍的可能瞬变。

又另外，必须应用温度降额(temperature de-rating)，且分隔距离将为安全要求。

最后，势垒中从输入边界106到输出边界107的距离可为zener势垒的部分或更复杂设备(例如，隔离势垒)的部分，且使得本质安全的信号可在输出边界之后可用。

如果zener的选择受限于应用中的实用zener装置，且由于大多数功率zener的连续功率对于表面安装类型限制为3W，或对于引线组件限制为5W，则最大允许连续耗散功率将分别限制为2W和3.3W。

然而，在故障情况下，需要耗散的连续功率可能远高于这些值。

即使限制元件可以耐受此类功率，外壳也可能不能够耗散所生成的热。

对此的已知解决方案是让zener吸收瞬变，但当经历高于其额定值的连续功率时，分流元件触发且使zener短路，进而使安全熔丝熔断。此举由此具有消除不安全功率的效果。

分流元件具有锁存类型，且必须保持接通，直到断电(大多数情况下，在熔丝熔断时)。

此外，分流器必须被三重且绝对可靠地构造，因为对于ia和ib电路，仍然可能发生两个可计数的故障。

在故障状况下，当电压值接近zener的最小钳位电压时，如果在zener上施加分流电路或短路，则在熔丝熔断之前耗散的唯一功率是在此类情境中的输入电流乘以分流电压降，从而导致原本将在zener中耗散的较低功率。

在图2中说明了此类已知短路器布置的进一步细节，其中，再次，在输入204处存在具有未定义电流能力的未定义电压，且其功率的一些或全部在输出205上可用。电压再次经受zener钳位201以确保最大值≤Vz。在使电流通过限制电阻器203时，此现在受保护的电压将输出205上可用的最大电流抑制为≤Vz÷Rl。

然而，且根据短路器功能性，通过比较元件231将输入电压与参考电压230进行比较。

如果输入电压高于预定的安全值，则比较元件将闭合分流元件220。此分流元件具有锁存类型，且将保持闭合直到其电流被移除。

现在最大功率仅为(1.7×熔丝额定电流)×(闭合分流电压)。

现在参考图3，其说明与此类分流器相关联的操作范围。

zener具有标称电压公差301 302。此外，标称zener值随温度而减小。此给出Vzh，即最大zener电压311，和Vzl，即最小zener电压312。Vzh为用以描述本质安全输出205的安全电压305。

传入电压将经受噪声341。实际上，在没有分流器的情况下，噪声范围必须低于zener以防止其重复导通。适用电压将为Vzu，即最小噪声电平342。

分流电路还具有操作公差范围321。通常，此类分流系统将具有正温度系数。此给出Vsh，即最大分流器触发电压331，和Vsl，即最小分流器触发电压332。

由于分流器必须在任何zener接管之前操作，因此Vsh必须低于Vzu且安全裕度小。

分流器为锁存电路，且不应因任何传入噪声而被触发。传入电压将经受噪声351。实际上，噪声范围必须远低于分流器最小触发点Vsl，以防止其熔断熔丝。适用电压将为Vsu，即最小噪声电平352。

元件值的实例为：

熔丝202：1A

Zener值201：共10V

Zener公差301、302：±5％(全温度)

限制电阻器203：20Ω

电压噪声电平341、351：1V

分流器触发点公差321：0.4V

分流器接通电压降：1V

Vzh＝10V+5％＝10.5V Vzl＝10V-5％＝9.5V

对于0.5V安全裕度：Vzu＝9.5V-0.5V-1V＝8.0V

对于0.5V安全裕度：Vsh＝8.0V-0.5V＝7.5V

Vsl＝7.5V-0.4V＝7.1V

对于0.5V安全裕度：Vsu＝7.1V-1V＝6.1V

安全电压最大值305为Vzh＝10.5V

适用电压最大值325为Vsu＝6.1V(Vzh的58％)

最大zener功率(无分流器)：Pz＝(10V+5％)×(1A×1.7)＝17.8W

最大分流器上功率：Ps＝1V×(1A×1.7)＝1.7W

因此，如参考以上示范性值可以看出，不能使用极大部分的可用最大电压，因为其被抑制以确保产品的平稳操作。最大声明安全电压与实际可用电压之间存在极大距离。

此外，此证明是特别不利的，因为在电路三重化的情况下，使用昂贵的参考可能导致成本增加三倍。

如果发生占用任何大电流的故障，则熔丝之后的电压可能会下降。这意味着触发电路不太可能启动。因此，每个分流元件必须能够以1.7倍标称熔丝电流占用全部可用功率。尽管可用zener可能不针对此目的设定尺寸，但分流元件可能是这样。

而且，如果在一个zener链中，一个zener发生短路或低值，则其余的zener可能钳位在分流器触发电压的较低电压。

因此，已知的短路器装置的操作可能证明是有问题的且是有限的，因为希望输出电压尽可能高，且钳位电压尽可能低，需要具体选择的zener，这可能将成本增加三倍。而且，必须在电压短路器检测电路内使用准确和稳定的参考，理想情况是二重化或三重化，这具有进一步的成本影响。因此，此类已知的基于电压的短路器是昂贵的，且可证明过于敏感，因为其刚好配置在公差极限附近

因此，本发明试图提供一种电压短路器装置，其具有优于已知的此类电压短路器装置的优点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电子势垒，其包括电压限制器，所述电压限制器例如在故障状况期间使用zener二极管用于电路中的电压限制，所述势垒装置包含被布置成在所述电压限制器上锁存以降低所述电压限制器在电路故障状况下的功率耗散的短路器装置，其中所述短路器装置被布置成响应于在所述势垒装置中感测到的电流而锁存。

本发明的有利之处在于，通过感测线路中的电流而不是感测电压，短路器的操作独立于电压限制器公差。而且，电流感测受益于电路内可用的广泛范围的电流，所述电流远远超出所需电流，因此电流感测中出现的公差固有地大于电压感测

作为一实例，所述电压限制器可包括至少一个zener装置。

在此基础上，本发明的短路器短路器可用正常公差组件来实施，且可进一步展现出降低的敏感度。敏感度还可进一步提高，因为虽然在达到zener过钳位电压之前可能容易出现电压尖峰，但由于最大电压是Zener定义的，因此不会发生电流尖峰，且因此通过例如串联电阻器的最大电流受所述电压限制。

优选地，所述势垒装置包含熔丝和/或限制电阻器。在此类布置中，所感测的电流可包括通过熔丝的电流。

而且，所述装置可有利地包括本质安全势垒。

另外，短路器装置被布置成在锁存在zener装置上时移除zener装置内的所有功率耗散。明确地说，电流通过短路器转向，且在短路器上具有约1V或更低的残余电压，可极大地降低功率耗散。

根据本发明的另一方面，提供一种短路器装置，其被布置成锁存在势垒装置的电压限制器，例如至少一个zener，上，以降低所述电压限制器中的功率耗散，其中所述短路器装置被布置成响应于所述势垒装置中的感测电流而锁存。

根据本发明的又一方面，提供了一种降低势垒装置的电压限制器，例如至少一个zener，中的功率耗散的方法，所述方法包含将短路器装置锁存在所述电压限制器上以降低所述电压限制器中的功率耗散的步骤，且其中锁存所述短路器装置的步骤响应于感测所述势垒装置中的电流而发生。

附图说明

下文中将参考附图，仅借助于实例进一步描述本发明，在附图中：

图4根据本发明的实施例的使用电压短路器装置的势垒装置的电路图；和

图5是说明例如图4中所说明的电压短路器装置的操作公差的电压图。

具体实施方式

因此，应了解，本发明涉及依据感测电流而非输入电压触发分流器。

转到图4，为了易于比较，其具有与图2的现有技术布置类似的配置，在输入404处存在具有未定义电流能力的未定义电压，且其功率中的一些或全部在输出405上可用。所述电压经受电压限制，在此所说明的实例中，所述电压限制包括zener钳位401以确保最大值≤Vz。在使电流通过限制电阻器403时，此现在受保护的电压将输出405上可用的最大电流抑制为≤Vz÷Rl。

此外，输入电流经由电阻器440感测，且由比较元件441评估。如果输入电流高于安全值，则比较元件将闭合分流元件420。此分流元件有利地为锁存类型，且将保持闭合，直到其电流被移除。此外，由于所述电路，闭合分流器因此增大通过感测元件440的电流，且因此其为自锁存的。

最大耗散功率是在分流器上，且其现在仅为(1.7×熔丝额定电流)×(闭合分流器电压)。因此，不是通过感测电压，而是实际上通过感测电流来降低功率。即，两个功率都已降低，且用于启动短路器的触发器也是不同的。

通常，用户不是在短路中而是在一些适用模式下操作输出，这将远低于通过熔丝可用的最大电流。这意味着电流钳可有利地以比标称熔丝值×1.7低得多的值操作。

图5中说明此类分流器的实际操作范围的实例。

即，zener具有电压公差501、502。此外，标称zener值随着温度而减小，从而给出Vzh，即最大zener电压511，和Vzl，即最小zener电压512。Vzh为用以描述本质安全输出405的安全电压505。

传入电压将经受噪声541。实际上，噪声范围必须低于zener以防止其重复导通。适用电压将为Vzu，即最小噪声电平542。

由于分流电路并不在所述电压范围中操作，这意味着适用电压Vsu为最小噪声电平542。

实际上，希望将输出操作为高达In，即最大操作电流570。在电流模式中，噪声电平远低于电压模式中。允许电流触发器上的小电流噪声591和小公差561准许将Isl，即最小电流触发电平571，放置得非常接近噪声。可就在Ish，即最大电流触发电平572，之后设置Is，即标称电流触发电平581。

以下是用于说明目的的可能值的实例，在可能时，使用与前一实例相同的值以进行比较：

熔丝402：1A

Zener值401：共10V

Zener公差501、502：±5％(全温度)

限制电阻器403：20Ω

电压噪声电平541：1V

电流噪声电平541：0.1V

分流器触发点公差521：±2％

Vzh＝10V+5％＝10.5V Vzl＝10V-5％＝9.5V

对于0.5V安全裕度：Vzu＝Vsu＝9.5V-0.5V-1V＝8.0V

安全电压最大值505为Vzh＝10.5V

适用电压最大值542为Vsu＝8.0V(Vzh的76％)

最大zener功率(无分流器)：Pz＝(10V+5％)×(1A×1.7)＝17.8W

最大分流器上功率：Ps＝1V×(1A×1.7)＝1.7W

最大可用电流：In＝10.5V÷20Ω＝0.53A

在安全裕度为0.1A和所述电流噪声下：

Isl＝0.53A+0.1A+0.1A＝0.73A Ish＝0.73A+4％＝0.76A

在安全裕度为0.1A的情况下：Is＝0.76A+0.1A＝0.86A

在此实例中，我们可看出，可用的适用电压已从58％增加到76％，这是一个实质性增益。

与当前技术相比，使用过电流触发的分流器产生各种优点。明确地说，更高电压可用于势垒装置的输出处。而且，最大声明安全电压与实际可用电压之间存在较小距离

参考输入电流值进行操作，且由于最大电流由限制电阻器上的短路限定，因此易于将触发电平刚好放置在所述输入电流之外。由于电路必须三重化，且不需要参考，因此总体成本不会受到此类三重化要求的严重影响。

而且，如果发生占用任何大电流的故障，则熔丝之后的电流可能会增大。这意味着触发电路将启动。因此，不得要求每个分流元件以1.7倍标称熔丝电流占用全部可用功率。如果在一个zener链中，一个zener发生短路或低值，则电流将增大至分流器触发值，且因此将自动地为安全的。

通过将分流器触发电流设置得非常接近实际最大输出电流，其将非常接近熔丝额定值或更低，而不受因数1.7的影响。

下文概述了各种潜在的故障场景，其中论述了如当前技术中的电压感测分流器以及根据本发明的实施例的电流感测分流器的相应反应。

首先，设想一个zener可能发生故障，具有较低值或短路。接着，对于电压感测分流器，分流器可能永远不会触发，因为电压可能减小，且任何其它zener将获得全部可用功率。然而，对于电流感测分流器，其保持故障无碍，因为分流器将早在电流会上升时就触发。

接下来，设想一个分流元件发生故障，其可以任何模式发生故障。如果其未能断开，则由于分流器三重化，因此电压感测分流器将保持故障无碍。以类似方式，对于电流感测分流器，再次由于分流器三重化，将保持故障无碍操作

如果一个分流元件发生故障，其可以任何模式发生故障。如果其发生电阻或短路故障，则对于电压感测分流器，元件可能不得不占用所有可用功率。由于电压可能减小，三重化将无帮助，因此无法保证触发动作。然而，对于电流感测分流器，其将保持故障无碍，且由于元件将占用更多电流，因此三重化分流器的其余部分可或将触发。

另外，如果一个比较元件发生故障，其可以任何模式发生故障，且在电压感测分流器的情况下，因为分流器三重化，其将处于故障无碍模式，否则其将被触发。再次，对于电流感测分流器，由于分流器三重化，其将保持故障无碍模式，否则其将被触发。

如果一个参考发生故障，其可以任何模式发生故障，且如上所述，且由于分流器三重化，电压分流器将处于故障无碍模式，否则其将被触发。由于不存在参考，在此类故障模式下，电流感测分流器不适用。

作为最后一个实例，如果感测电阻器发生故障，其可因较高值或断开而发生故障，且在此类情况下，电压感测分流器将不适用。然而，电流感测分流器将故障无碍，且分流器将早在电流将以较高电平被感测到时就触发。

当然，应了解，本发明不限于前述实施例的细节。举例来说，本发明无需仅仅在zener势垒装置本身中体现，而是还可涉及使用势垒布置作为例如隔离势垒装置的电路的可能组成部分的相关联设备。

另外，短路器还可被布置成降低势垒的其它组件，例如限制电阻器，中的功率。

Claims (25)

1.一种电子势垒，其包括用于在故障状况期间限制电路中的电压的电压限制器装置，所述势垒装置包含被布置成在所述电压限制器上锁存以降低所述电压限制器在电路故障状况下的功率耗散的短路器装置，其中所述短路器装置被布置成响应于在所述势垒装置中感测到的电流的变化而锁存。

2.根据权利要求1所述的势垒装置，其包含熔丝，且其中所述所感测电流包括穿过所述熔丝的电流。

3.根据权利要求1或2所述的势垒装置，其包含在其输出线路中的限制电阻器。

4.根据权利要求1、2或3所述的势垒装置，其包括本质安全的势垒布置。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的势垒装置，其中所述短路器装置被布置成在锁存在所述电压限制器装置上时移除所述电压限制器装置内的所有但可忽略的功率耗散。

6.根据权利要求5所述的势垒装置，其被布置成使得在所述电路故障状况期间的几乎所有所述功率耗散发生于所述短路器装置上。

7.根据前述权利要求中任一项或多项所述的势垒装置，其中所述电压限制器装置包括至少一个zener装置。

8.根据前述权利要求中任一项或多项所述的势垒装置，其被布置成降低所述势垒装置内的非电压限制器装置中的功率耗散。

9.根据权利要求8所述的势垒装置，其被布置成降低所述势垒装置的至少一个限制电阻器中的功率耗散。

10.一种电子电路，其包含根据前述权利要求中任一项或多项所述的zener势垒装置，

11.根据权利要求8所述的电子电路，其包括隔离势垒。

12.一种短路器装置，其被布置成锁存在势垒装置的电压限制器装置上以降低所述电压限制器装置中的功率耗散，其中所述短路器装置被布置成响应于所述势垒装置中感测到的电流的变化而锁存。

13.根据权利要求12所述的短路器装置，其被布置成当锁存在所述电压限制器装置上时停止所述电压限制器装置中的功率耗散。

14.根据权利要求12或13所述的短路器装置，其中所述电压限制器装置包括至少一个zener装置。

15.根据权利要求12、13或14中任一项或多项所述的短路器装置，其被布置成降低所述势垒装置内的非电压限制器装置中的功率耗散。

16.根据权利要求15所述的短路器装置，其被布置成降低所述势垒装置的至少一个限制电阻器中的功率耗散。

17.一种电子电路，其包含根据权利要求12到16中任一项或多项所述的短路器装置。

18.根据权利要求17所述的电子电路，其包括隔离势垒。

19.一种在电路故障状况期间降低势垒装置的电压限制器中的功率耗散的方法，其包含将短路器装置锁存在所述电压限制器上以降低所述功率耗散的步骤，且其中所述锁存所述短路器装置的步骤响应于感测到所述势垒装置中的电流的变化而发生。

20.根据权利要求19所述的方法，其包含感测穿过熔丝装置的电流的变化的步骤。

21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述短路器装置当锁存在所述电压限制器装置上时移除所述电压限制器装置内的所有但可忽略的功率耗散。

22.根据权利要求21所述的方法，其中在所述电路故障状况期间所述势垒装置中的几乎所有所述功率耗散发生于所述短路器装置上。

23.根据权利要求19到22中任一项或多项所述的方法，其中所述电压限制器装置包括至少一个zener装置。

24.根据权利要求19到23中任一项或多项所述的方法，其包含降低所述势垒装置内的非电压限制器装置中的功率耗散。

25.根据权利要求24所述的方法，其包含降低所述势垒装置的至少一个限制电阻器中的功率耗散。