CN109390919B - 数字线路保护 - Google Patents

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Abstract

一种线路保护设备包括端子，以将线路保护设备与电气线路串联。线路保护设备的电流传感器感测通过电气线路的电流的值。线路保护设备的数字滤波电路执行电流值的数字滤波。根据电流的数字滤波值，线路保护设备的开关控制电路控制开关以中断电流通过线路的流动。

Description

数字线路保护
技术领域
本申请涉及线路保护设备和线路保护方法。
背景技术
为了保护诸如电线、电缆、导体条或连接器的电气线路，已知使用熔断器，其防止电气线路因过大的电流而损坏。
通常，选择具有与要保护的电气线路的最弱元件相匹配的特性的熔断器。在这一方面，需要考虑的是，电气线路的加热通常将取决于流过电气线路的电流的大小和电流流过电气线路的持续时间。也就是说，线路的损坏可能是由相对较高的电流在相对较短的持续时间或者较低的电流流过较长时间的情况所引起。这种行为可以用时间-电流特性来表示，例如，由作为电流的幅度函数的电流的持续时间给出，从而导致电气线路的最大允许温度升高。例如，在电缆的情况下，一个关键方面是电缆的绝缘体的温度稳定性。一般来说，电气线路的灵敏度取决于各种参数，诸如线路几何形状、导体材料和绝缘体材料。此外，灵敏度通常还取决于电气线路的环境温度。鉴于上述情况，存在各种类型的熔断器，使得可以选择适合于要保护的电气线路的特性的熔断器。
此外，已知使用电子熔断器。电子熔断器可以基于半导体开关来实现，该半导体开关根据流过受保护电气线路的电流来打开。例如，US 2016/0109212 A1描述了一种电子熔断设备，其还支持通过模拟电路装置或软件模型对熔断器特性进行建模。然而，设计模拟电路装置来实现特定的熔断器特性可能是一项复杂的任务。此外，实施熔断器的软件模型会导致电子熔断器设备的复杂性增加。
因此，需要能够有效地保护电气线路的技术。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种线路保护设备。该线路保护设备包括端子、电流传感器、数字滤波电路、开关控制电路和电源电路。端子适于将线路保护设备与电气线路串联连接。电流传感器适于感测通过电气线路的电流的值。数字滤波电路适于对电流的值执行数字滤波。开关控制电路适于根据电流的数字滤波值来控制开关，以中断电流通过电气线路的流动。电源电路适于从上述端子中的至少一个端子至少为数字滤波电路供电。线路保护设备还可以包括开关。然而，也可以将开关与线路保护设备分开设置，并被来自线路保护设备的信号控制。
根据又一实施例，提供了一种线路保护的方法。该方法包括：将线路保护设备与电气线路串联连接。此外，该方法包括：通过线路保护设备的电流传感器感测通过电气线路的电流的值。此外，该方法包括：通过线路保护设备的数字滤波电路对电流的值执行数字滤波。此外，该方法包括：根据电流的数字滤波值控制开关，以中断电流通过该线路的流动。此外，该方法包括：从用于将线路保护设备与电气线路串联连接的至少一个端子为数字滤波电路供电。
根据本发明的又一实施例，可以提供其它设备、系统或方法。这些实施例将通过结合附图的以下详细描述而变得明显。
附图说明
图1A示意性示出了根据本发明的实施例的线路保护设备。
图1B示意性示出了根据本发明的又一实施例的线路保护设备。
图2A、图2B、图2C和图2D示意性示出了根据本发明实施例的电气线路受到保护的各种场景。
图3示意性示出了可应用根据本发明实施例的保护的电气线路。
图4示出了电气线路的示例性时间-电流特性。
图5示意性示出了根据本发明实施例的线路保护设备的可配置时间-电流特性。
图6示出了电气线路的热模型。
图7A进一步示出了线路保护设备的数字滤波电路和开关控制电路。
图7B示出了线路保护设备的数字滤波电路和开关控制电路的又一示例。
图8示出了具有图7B的数字滤波电路和开关控制电路的线路保护设备的总体图。
图9示出了示意性说明根据本发明实施例的线路保护方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述各种实施例。应该注意，这些实施例仅作为示例而不被解释为限制。例如，虽然实施例具有多个特征，但其他实施例可以包括较少的特征和/或备选特征。此外，来自不同实施例的特征可以相互组合，除非另有特别说明。
以下所示的实施例涉及电气线路的保护，特别是保护电气线路免受过量电流流动的损坏。例如，电气线路可以是电线、电缆、导体带或连接器。在所示示例中，在发生电气线路的损坏之前，通过使用开关中断流过电气线路的电流来保护电气线路。开关根据通过电气线路的电流的数字滤波值来控制。开关以及用于控制开关的电子器件可以是线路保护设备的一部分，例如，以电子熔断器的形式或者以线路保护功能为补充的开关设备的形式。
图1A示意性示出了根据一个实施例的线路保护设备100。如图所示，线路保护设备100具有两个端子101、102，它们用于将线路保护设备与要被保护的电气线路10串联连接。例如，电气线路10可以是或者包括电线、电缆、导体条、连接器或它们的组合。在所示示例中，电气线路10连接至负载RL。例如，负载RL可以包括或者作为电动机、电照明设备、电加热或冷却设备等的一部分。
线路保护设备100包括开关110、电流传感器120、数字滤波电路130和开关控制电路140。如进一步说明的，线路保护设备100还可以包括参数存储器160和/或接口170。
电流传感器120用于感测流过电气线路10的电流I的值。电流传感器120将电流I的感测值提供给数字滤波电路130。数字滤波电路130对表示电流I的值的信号执行数字滤波，并将电流I的数字滤波值提供给开关控制电路140。开关控制电路140根据电流I的数字滤波值来控制开关110。根据电流I的数字滤波值，例如，如果电流I的数字滤波值超过阈值，则开关控制电路140可以控制开关110以中断电流I通过电气线路10的流动。电流I的值的数字滤波允许根据适合于要被保护的电气线路10的时间-电流特性来触发电流I的流动的中断。
如进一步所示，开关控制电路140还可以接收一个或多个附加输入信号，并且控制开关110还根据附加的输入信号。在所示示例中，附加输入信号包括来自电流传感器120的电流I的未滤波值以及通过线路保护设备100的控制输入103提供的输入信号。基于电流I的未滤波值，如果电流I的值超过阈值，则开关控制电路140例如可以中断电流I通过电气线路10的流动。根据输入信号IN，开关控制电路140例如可以在电流I的数字滤波值和电流I的未滤波值都不会触发电流I(通过电气线路10)的流动的状态下打开或闭合开关110。以这种方式，线路保护设备100也可以用作外部可控开关。
电源电路150用于对线路保护设备100的部件供电。图1中的虚线示意性示出了部件的供电。为了为部件供电，电源电路150从用于使线路保护设备100与电气线路10串联连接的至少一个端子101、102得到电能。在所示示例中，电源电路150从施加在端子101处的电压以及线路保护设备100的接地端子104得到电能。然而，应注意，以类似方式，电源电路150还可以从端子102处施加的电压和/或从端子101处施加的电压和端子102处施加的电压得到电能。
在图1A的示例中，电源电路150被示为基本为线路保护设备100的所有部件供电。然而，应注意，在其他情况下，一些所示部件可能不需要电源电路150供电。例如，一些部件可以由无源电路元件实施，因此不需要任何供电。另一方面，至少假设数字滤波电路130基于有源电路元件来实施，从而由电源电路150供电。
参数存储器160可用于存储数字滤波电路130的一个或多个滤波器参数和/或开关控制电路140的一个或多个控制参数。例如，由数字滤波电路130执行的数字滤波可以涉及多项式函数的计算，并且滤波器参数可以定义多项式函数的至少一个多项式系数。此外，由数字滤波电路130执行的数字滤波可涉及低通滤波，并且滤波器参数可以定义所述低通滤波的截止频率。此外，由数字滤波电路130执行的数字滤波可涉及高通滤波，并且滤波器参数可以定义所述高通滤波的截止频率。例如，开关控制电路140的控制参数可以定义上述阈值中的一个或多个阈值。
滤波器参数和/或控制参数的至少一部分可以预先配置在参数存储器160中，例如作为制造商设置的一部分。然而，还可以利用接口170来配置滤波器参数和/或控制参数。例如，接口170可用于在存储器中存储的不同参数集之间进行选择。
在所示示例中，接口170设置有用于连接外部配置电阻器RC的端子，并且外部配置电阻器RC的值用于指示将要选择哪一个参数集。
作为使用外部配置电阻器RC的备选或附加情况，也可以为接口170提供一个或多个机械开关元件，并且使用开关设置来指示将要选择哪些参数集。更进一步，可以为接口170提供一条或多条数据线，并且使用数据线来指示将要选择哪些参数集和/或将滤波器参数和/或控制参数传送给参数存储器160。在这一方面，还应注意，为了实施数据线，接口可以配备有一个或多个专用数据线端子。然而，还可以重新使用线路保护设备100的一个或多个其他端子来实施数据线，例如端子101、102、103中的一个或多个。在后一种情况下，经由数据线传送的数据信号可以被调制在重新使用的端子101、102、103上施加的其他信号上。
在图1A的示例中，假定开关110是线路保护设备100的一部分。然而，开关110也可以是外部部件。图1B示出了线路保护设备100'的对应实施例。
线路保护设备100'与线路保护设备100大致相同，并且线路保护设备100'与线路保护设备100对应的部件由相同的参考数字指定。关于这些部件的进一步细节，参考图1A的描述。
在线路保护设备100'的情况下，开关控制电路140向外部开关110'提供控制信号。线路保护设备100'和外部开关110'可以是同一电子封装的一部分。备选地，线路保护设备100'和外部开关110'可以设置为单独的电子封装。
在图1B的示例中，使用线路保护设备100'的端子101、102，线路保护设备100'和外部开关110'与将被保护的电气线路10串联。通过这种方式，可以通过线路保护设备100'的电流传感器120感测流过电气线路10的电流I。
为了向外部开关110'提供控制信号，线路保护设备100'包括输出端子105。线路保护设备100的开关控制电路140以与上文针对线路保护设备100的开关110解释的相同方式控制开关110'。也就是说，根据电流I的数字滤波值来控制开关110。
图2A、图2B、图2C和图2D示意性示出了将线路保护设备100耦合至电气线路10的各种布置。可以看出，在这些布置的每一个中，线路保护设备100与电气线路10串联连接。在图2A的布置中，线路保护设备100连接至电气线路10的一端，并且在图2B的布置中，线路保护设备100连接至电气线路10的另一端。在图2C的布置中，线路保护设备100连接在电气线路10的两段之间。在图2D的布置中，线路保护设备100经由中间导体元件20间接地连接至电气线路10。在这些布置的每一个布置中，通过从用于使线路保护设备100与电气线路10串联连接的端子101、102中的至少一个端子得到电能，线路保护设备100可以如上所述进行供电。在这些布置的每一个布置中，线路保护设备100可作为传统熔断器的替代。
可以图2A、图2B、图2C和图2D所示的类似布置来使用线路保护设备100'。然而，应注意，在这种情况下，线路保护设备100'和外部开关110'可布置在不同的位置。例如，线路保护设备100'可以如图2A或图2B所示布置在电气线路10的一端，而外部开关110'布置在电气线路10的另一端或者插入在电气线路10的两段之间。
如上所述，由数字滤波电路130执行的数字滤波可用于根据适合于电气线路10的时间-电流特性来触发电流I的流动的中断。这将在下面进一步解释。
图3进一步示出了电气线路10的示例性特性。在所示示例中，假定电气线路10是具有圆柱形几何形状的隔离导线，内部导体12被绝缘体层14覆盖。可由绞合或实芯线形成的内导体12具有直径d1。导线的总直径为d2。绝缘体层14的厚度s由s表示。电气线路10的坚固性取决于这些几何特性，并且还取决于电气线路10的组成材料，诸如导体12的材料和绝缘体层14的材料。对于电气线路10，可以限定温度极限TL(例如，不应超过的温度)，以防止损坏电气线路10。
当电流I流过电气线路10时，在电气线路10中生成热量。电气线路10的最终温度取决于各种参数，诸如电气线路10的上述几何特性。此外，所得到的温度还取决于电气线路10的组成材料。此外，所产生的温度还取决于电流I的值、电流流过电气线路10的持续时间和环境温度。一般来说，电流I的值越高，产生的温度越高。类似地，电流流动的持续时间越长，产生的温度越高。这可以通过用时间-电流特性表示电气线路10的鲁棒性来考虑，其中时间-电流特性对于给定的环境温度示出了时间t，作为流过电气线路10的电流I的值的函数，该时间t达到电气线路10的温度极限TL。图4示出了这种时间-电流特性的示例。可以看出，随着电流I的值的增加，电流流过电气线路10直到达到温度极限TL的时间就越短。对于电流I的低值，电流实际上可以在无限时间内流动而不达到温度极限TL。
为了有效地保护电气线路10，期望根据适合电气线路10的时间-电流特性的特性来触发电流I通过电气线路10的流动的中断。具体地，可以通过根据一时间-电流特性(其与电气线路10的时间-电流特性相似)触发电流I通过电气线路10的流动的中断来实现有效的保护，但是偏移一裕度以朝向更低的电流和更短的时间。这具有电流I通过电气线路10的流动将在电气线路10发生损坏之前已经中断的效果。另外，当电流I的值超过特定最大阈值时，还期望通过中断电流I通过电气线路10的流动来增加过电流保护。
在线路保护设备100、100'中，通过数字滤波电路130执行的数字滤波来实施用于触发电流I的流动的中断的时间-电流特性。响应于超过最大电流阈值的中断可以通过开关控制电路140来实施。图5示意性示出了中断电流I通过电气线路10的流动所产生的组合特性。为了比较，图5用虚线示出了电气线路10的时间-电流特性。可以看出，由线路保护设备100、100'提供的时间-电流特性可以认为具有三个分支：由电流下限I1限定的第一基本垂直分支、由电流上限I2限定的第二基本垂直分支、以及连接两个基本垂直分支的基本水平分支。在电流下限I1(也被称为最大永久电流)以下，电流I可以在无限时间内流动，而不触发电流I的流动的中断。在电流上限I2(也被称为“跳闸电流”)之上，立刻触发电流I的流动的中断，而与电流的持续时间无关。基本水平分支的时间位置表示触发速度或延迟，由τP表示。
图6示出了电气线路10的热模型。基于该热模型，可以看出，通过电气线路10的电流的值的数字滤波可用于根据电流I的值而有效地估计电气线路10的温度，从而实施结合图5所解释的时间-电流特性。
在电气线路10的截面图中，图6示出了通过定义热阻Rth和热电容Cth来建模电气线路10的加热。热阻Rth描述了将热量从内部导体12传导到环绕电气线路10的环境介质(例如，环境空气)的能力。热阻Rth通常取决于绝缘体层14的厚度、导体12和绝缘体层14中使用的材料、以及导体12的直径d1和电气线路10的直径d2。热电容Cth参数化在电气线路10中存储热量的能力。此外，热电容Cth取决于绝缘体层14的厚度、导体12和绝缘体层14中使用的材料、以及导体12的直径d1和电气线路10的直径d2。
此外，图6还示出了等效热电路，其可用于建模由于流过电气线路10的电流而对电气线路10的加热。可以看出，电气线路10的加热可以根据一电路来建模，在该电路中，导体12中生成的热耗散功率被施加于由热阻Rth和热电容Cth限定的低通滤波器电路。响应于等于第一电流限值I1的电流的电气线路10的静态行为可通过以下方程描述：
Figure BDA0001761030700000091
PDm＝k3ΔT＝k3(TL-TA) (2)
其中TL表示电气线路10所限定的温度限值，并且TA表示电气线路10的环境温度。系数k1、k2、k3取决于电气线路10的特性。
响应于第一电流限值I1以上的电流的电气线路10的动态行为可通过以下方程描述：
τL＝RthCth (3)
tS＝-τLln(1-k3ΔT/(k1I+k2I2)) (4)
其中ts表示用于将电气线路10从环境温度TA加热到温度限值TL所需的时间。
因此，电气线路10的热行为可根据以下两个参数来描述：电流I1，其在静态条件下引起电气线路10的最大加热；以及时间常数τP，其由热阻Rth和热电容Cth定义。更具体地，通过计算电流I的多项式函数并使多项式函数的值经受利用时间常数τP的低通滤波，可以建模电气线路10响应于电流I流过电气线路10的热行为。在线路保护设备100、100'中，通过在数字滤波电路130中执行数字滤波，用于触发触发电流I通过电气线路10的流动的中断的时间-电流特性可以被配置为模拟这种热行为，这涉及根据以下等式计算电流I的多项式函数：
P＝k1I+k2I2 (5)
然后，使多项式函数的输出经受利用时间常数τP的低通滤波。低通滤波的输出表示相对于环境温度TA的温度增加。时间常数τP可以被选择得略低于为电气线路10估计的时间常数τL，以确保在电气线路10可达到温度限值TL之前触发电流的流动的中断。
假设环境温度TA不可用作为测量输入参数，通过假设在具体操作条件下将不会被超过的最坏情况下的环境温度TWC，可以在最坏情况下考虑环境温度TA。随后，最大永久电流(即，电流下限I1)可被用作用于在稳定条件下估计电气线路10的最大温度TLS的基础。例如，在稳定条件下的电气线路10的最高温度TLS可以被估计为：
Figure BDA0001761030700000101
鉴于上述情况，如图7A所示，可以实施通过数字滤波电路130对电流I的值进行数字滤波，并且可以实施通过开关控制电路140对电流I的数字滤波值进行逻辑评价。
图7A示出了用于基于电流I通过电气线路10的数字化值D(I)通过数字滤波电路130执行的数字滤波操作的示例的框图。此外，图7A示出了由开关控制电路140执行的逻辑操作的示例。
在图7A的示例中，数字滤波操作包括滤波器块710中的多项式函数的计算以及滤波器块720中的低通滤波。逻辑操作包括逻辑块730中的比较、逻辑块740中的比较以及逻辑块750中的逻辑或操作。
滤波器块710接收电流I的数字化值D(I)，并根据等式(5)数字地计算多项式函数。如方程式(5)所示，多项式函数可以是二阶多项式函数，其对于多项式函数的线性部分和二次部分具有非零系数k1和k2。然而，在一些实施方式中，也可以忽略线性部分，并且仅对于二次部分具有非零系数k2。然而，对于线性部分也具有非零系数k1可允许更准确地建模电气线路10的导体12的导电性取决于温度。
多项式函数的输出作为数字值D(P)提供给滤波器块720。滤波器块720执行多项式函数的输出D(P)的数字低通滤波。为此，滤波器块720例如可以包括一阶数字低通滤波器。然而，高阶数字低通滤波器(例如，第二或第三阶)的利用也是可能的。滤波器块720的输出表示电气线路10的估计温度增加ΔT乘以系数k3。滤波器块720的输出被作为数字值D(k3ΔT)提供给逻辑块730。
逻辑块730接收滤波器块720的输出D(k3ΔT)，即电流I的数字滤波值，并将输出D(k3ΔT)与第一阈值进行比较，以判定电气线路10的估计温度是否超过温度限值TL。因此，第一阈值取决于温度限值TL。此外，第一阈值可以取决于环境温度TA，例如根据与温度限值TL的偏移量。如结合等式(6)所解释的，该偏移也可以基于最坏的情况考虑到通过电气线路10的最大永久电流来估计。
如果逻辑块730判定电气线路10的估计温度超过温度限值TL，则逻辑块730将过温信号OT设置为数字值“1”。如果逻辑块730判定电气线路10的估计温度不超过温度限值TL，则逻辑块730将过温信号OT设置为数字值“0”。
逻辑块740接收电流I的数字化值D(I)，即电流I的未滤波值，并将电流I的值与第二阈值进行比较，以判定电流I的值是否超过电流上限I2，即跳闸电流。例如，第二电流限值I2可以考虑到保护线路保护设备100、100'本身不耗散到大量能量来设置。此外，可以设置第二电流限值I2，并且还考虑到保护与电气线路10耦合的其它器件免受过大电流峰值的影响或者考虑避免由这种过大电流峰值引起的电源电压击穿。
如果逻辑块740判定电流I通过电气线路10的值超过电流上限I2，则逻辑块740将过电流信号OC设置为数字值“1”。如果逻辑块740判定电流I通过电气线路10的值不超过电流上限I2，则逻辑块740将过电流信号OC设置为数字值“0”。
逻辑块750接收过温信号OT和过电流信号OC，并通过逻辑或操作组合这两个信号。也就是说，如果过温信号OT和过电流信号OC中的至少一个具有数字值“1”，则逻辑块750将开关断开信号SO设置为数字值“1”。如果过温信号OT和过电流信号OC都不具有数字值“1”，则逻辑块750将开关断开信号SO设置为数字值“0”。然后，开关断开信号SO用于触发电流I通过电气线路10的流动的中断。具体地，如果开关断开信号SO被设置为数字值“1”，则开关控制电路140通过打开开关110中断电流I的流动。如果开关断开信号SO被设置为数字值“0”，则开关控制电路140可以保持开关110闭合。然而，根据其他标准，当开关断开信号SO被设置为数字值“0”时，例如，如果上述外部输入信号IN指示开关110将被打开，开关控制电路140也可以打开开关。
在图7A的示例中，由数字滤波电路130执行的数字滤波操作包括多项式函数的计算和低通滤波。然而，应该注意，数字滤波电路130还可以实施其他类型的数字滤波操作。图7B示出了用于说明由数字滤波电路130执行的数字滤波操作还包括高通滤波的相应示例的框图。此外，图7B示出了由开关控制电路140执行的进一步逻辑操作的示例。
此外，在图7B的示例中，数字滤波操作包括滤波器块710中的多项式函数的计算以及滤波器块720中的低通滤波。逻辑操作包括逻辑块730中的比较、逻辑块740中的比较、以及逻辑块750中的逻辑或操作。关于滤波器块710和720以及逻辑块730、740和750的操作的细节可以从结合图7A的上述描述中获得。在图7B的示例中，数字滤波操作还包括滤波器块760中的高通滤波，并且逻辑运算还包括逻辑块770中的比较。
滤波器块760接收电流I的数字化值D(I)，并执行值D(I)的数字高通滤波。为此，滤波器块760例如可以包括一阶数字高通滤波器。然而，更高阶数字高通滤波器(例如，第二或第三阶)的利用也是可能的。滤波器块760的输出表示乘以系数k4的通过线10的电流I的值的时间导数dI/dt的估计。滤波器块760的输出作为数字值D(k4dI/dt)提供给逻辑块770。
逻辑块770接收滤波器块760的输出D(k4dI/dt)，即电流I的值的时间导数的估计，并将输出D(k4dI/dt)与第三阈值(k4dI/dt)max进行比较，以判定是否存在通过电气线路10的电流的过量增加。电流I的过量增加可以指示电气线路10上的短路。
如果逻辑块770判定存在通过电气线路10的电流I的过量增加，则逻辑块770将短路信号SC设置为数字值“1”。否则，逻辑块770将短路信号SC设置为数字值“0”。
在图7B的示例中，逻辑块750接收过温信号OT、过电流信号OC和短路信号SC，并通过逻辑或操作组合这三个信号。也就是说，如果过温信号OT、过电流信号OC和短路信号SC中的至少一个具有数字值“1”，则逻辑块750将开关断开信号SO设置为数字值“1”。如果过温信号OT、过电流信号OC和短路信号SC都不具有数字值“1”，则逻辑块750将开关断开信号SO设置为数字值“0”。类似于图7A的示例，然后将开关断开信号SO用于触发通过电气线路10的电流I的流动的中断。具体地，如果开关断开信号SO被设置为数字值“1”，则开关控制电路140通过打开开关110中断电流I的流动。如果开关断开信号SO被设置为数字值“0”，则开关控制电路140可以保持开关110闭合。然而，根据其他标准，当开关断开信号SO被设置为数字值“0”时，开关控制电路140也可以打开开关，例如，如果上述外部输入信号IN指示开关110将被打开。
在图7B的示例中，通过滤波块760中的高通滤波以及逻辑块770中的阈值比较处理数字值D(I)，还允许在电气线路10上的短路引起电流I的值的突然增加时中断电流I通过电气线路10的流动。在这种情况下，在电气线路10的显著加热之前以及在达到电流上限I2之前，电流I的流动的中断可以更早被触发。以这种方式，可以进一步改善短路情况下的电气线路10的保护。
应注意，在图7B的示例的变型中，滤波器块710的输出D(P)可以代替数字值D(I)作为滤波器块760中的高通滤波的输入。在另一变型例中，滤波器块720的低通滤波和滤波器块760的高通滤波可以通过同一滤波器块实现，例如通过提供具有带阻滤波器特性的滤波器块720。在后一种情况下，滤波器块720的输出可以同时提供给逻辑块730和逻辑块770。
图8示出了用于说明如何可通过电子电路元件实施线路保护设备100、100'的上述功能的整体框图。与图1类似，图8使用虚线来示意性示出线路保护设备100、100'的部件的供电。
在图8的示例中，线路保护设备100、100'以及将被保护的线路10从电压源800(例如，电池)供电。线路保护设备100、100'包括晶体管810。晶体管可以实施图1A的内部开关110或图1B的外部开关110。例如，晶体管810可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应)晶体管，例如基于DMOS技术(双扩散金属氧化物)或VMOS(V型槽金属氧化物半导体)技术的功率MOSFET。然而，也可以使用其他晶体管类型。电压源800、晶体管810、将被保护的电气线路10和负载RL被串联连接。因此，如果晶体管810处于导通状态，则通过电气线路10的电流I也将流过晶体管810。通过使晶体管810进入非导通状态，可以中断电流I通过电气线路10的流动。
此外，线路保护设备100、100'包括栅极驱动器820，其生成用于控制晶体管810在导通状态和非导通状态之间改变的栅极信号VG。栅极驱动器820由电压源800提供的输入电压供电。因此，用于将晶体管与电压源800串联连接的相同端子也可用于为栅极驱动器820供电。
如虚线所示，栅极驱动器820也向线路保护设备100、100'的其他部件供电。例如，栅极驱动器820可以从由电压源800提供的输入电压得到一个或多个电源电压Vs，并且如虚线所示，将电源电压Vs分配给其他部件。
在所示示例中，假设晶体管810是“常断”型。也就是说，栅极信号VG需要以特定的电压电平主动生成，高于晶体管810的阈值电压，以使晶体管810进入导通状态。以这种方式，通过确保在线路保护设备100、100'由于电源不足而不活动的情况下，晶体管810处于非导通状态，并且这里可以没有电流I通过被保护的电气线路10，线路保护设备100、100'可以以故障安全方式操作。
在图8的示例中，线路保护设备100、100'还包括分流电阻器Rs和电压传感器830。分流电阻器Rs串联连接在晶体管810和电气线路10之间。电压传感器830感测分流电阻器Rs的每个端子上的电压电平，并且这些电压电平通过电平移位器840提供给测量放大器850。测量放大器850提供单端输出电压，其代表分流电阻器Rs两端的电压，由此表示通过电气线路10的电流I的值。
测量放大器850的输出电压被馈送给抗混叠滤波器860。抗混叠滤波器860例如可具有低通特性。抗混叠滤波器860的输出被提供给加法器870，该加法器将半信号范围偏移与其输入信号相加。然后，加法器870的输出信号被提供给模数转换器880进行模数转换。然后，模数转换器880的数字输出被提供给另一加法器890，该加法器890从模拟数字转换器880的数字输出中数字地减去半范围信号偏移。通过在模数转换之前增加半信号范围偏移，并在模数转换之后减去半信号范围偏移，电流I的值转换成数字值可以支持电流I的两个极性。
此外，在模数转换之后的偏移量的减法也可用于校正其它偏移。例如，由于制造公差，电压传感器830、电平移位器840、测量放大器850、抗混叠滤波器860或加法器870可以向模数转换器880的输出引入偏移。该偏移可以通过短路电压传感器830的输入并根据模数转换器880得到的数字输出来测量偏移以进行估计。在线路保护设备100、100'的正常操作期间，随后可通过加法器890附加地减去测量的偏移量。
在组合中，分流电阻器Rs、电压传感器830、电平移位器840、测量放大器850、抗混叠滤波器860、加法器870、模数转换器880和加法器890可实施电流传感器120。在所示示例中，电流传感器120将由此被配置为感测通过电气线路10的电流I的值，并输出表示电流I的值的数字值，诸如上述数字值D(I)。然而，应注意，也可以使用电流传感器120的其他实施方式。例如，电流传感器120也可以完全基于模拟电路装置实施，并且可以通过数字滤波电路140的输入级执行模数转换。
在图8的示例中，假设表示电流I的值的数字值D(I)随后如图7B所解释的被处理，以生成开关断开信号SO。也就是说，数字值D(I)被滤波器块710、720和760以及逻辑块730、740、750和770处理。然而，应注意，滤波器块760和逻辑块770也可以省略，并且可以如图7A所解释的那样生成开关断开信号SO。
开关断开信号SO被提供给栅极驱动器820，并用于在开关断开信号SO被设置为数字值“1”时触发电流I的流动的中断。在图8的示例中，这意味着响应于具有数字值“1”的开关断开信号SO，栅极驱动器820将停止生成具有所需电压电平以使晶体管810进入导通状态的栅极信号VG。
在图8的示例中，栅极驱动器820还接收外部输入信号IN。当开关断开信号SO具有数字值“0”时，栅极驱动器820可生成栅极信号VG以在导通状态和非导通状态之间切换晶体管810，使得线路保护设备100也可以用于实施外部可控开关。这里，应注意，当开关断开信号SO具有数字值“1”时，栅极驱动器820将总是使晶体管810进入非导通状态并中断电流I的流动。以这种方式，可以避免晶体管810在电气线路10已经充分冷却之前返回到导通状态。在通过开关断开信号SO触发电流I的流动的中断之后，开关断开信号SO可以被栅极驱动器820锁存，使得晶体管810保持在非导通状态，直到线路保护设备100、100'被复位为止。例如，线路保护设备100、100'的复位可要求将特定的信号序列施加于外部输入信号IN或者将线路保护设备100、100'与电压源800断开。在一些情况下，线路保护设备100、100'也可以通过仅在有限时间内锁存开关断开信号SO来自动复位。
上述参数存储器160可包括用于配置线路保护设备100、100'的操作的各种参数，如结合图7和图8所解释的。这些参数可作为制造商设置的一部分被存储，例如在线路保护设备100、100'的终端测试期间。然而，这些参数中的至少一些可由线路保护设备100、100'的用户配置(例如，使用上述接口170)也是可以的。
参数存储器160可包括系数k1、k2、k3、k4的值、滤波器块720中的低通滤波的时间常数τP和/或滤波器块760中的高通滤波的时间常数τH。此外，参数存储器160可以定义将被逻辑块730和740使用的阈值。在逻辑块730的情况下，第一阈值例如可以根据最大可允许温度增加ΔTm、根据k3ΔTm或者根据k3(TL-TA)来定义。然而，第一阈值还可以根据温度限值TL以及基于最大永久电流I1的环境温度TA的最坏情况估计来定义。此外，参数存储器160还可以包括用于第一阈值的不同选项，其可以根据环境温度TA的测量或根据环境温度TA的估计范围来选择。
在一些场景下，可以忽略由滤波器块710实施的多项式函数的线性项。在这种情况下，可以简化由滤波器块710和720执行的数字处理。具体地，滤波器块710随后可被配置为仅执行数字值D(I)的平方，并且剩余系数k2和k3可以组合为单个系数k＝k3/k2。然后，第一阈值可根据kΔTm或k(TL-TA)来定义。
图9示出了用于说明可用于实施如上所述的概念的方法的流程图。该方法例如可利用上述线路保护设备100或100'来执行。
在910中，线路保护设备与电气线路(诸如上述电气线路10)串联连接。这可以通过使用线路保护设备的端子(诸如上述端子101和102)来实现。至少一个端子用于为线路保护设备的部件供电。
在920中，线路保护设备的电流传感器感测通过电气线路的电流值。例如，电流传感器可以对应于上述电流传感器120，并且通过分流电阻器和电压传感器来实施(如结合图8所解释的)。此外，电流传感器可以包括电平移位器、测量放大器、抗混叠滤波器和模数转换器中的至少一个。
在930中，数字滤波电路执行电流值的数字滤波。由数字滤波电路执行的数字滤波可涉及低通滤波，诸如结合滤波器块720所解释的。备选地或附加地，由数字滤波电路执行的数字滤波可涉及高通滤波，诸如结合滤波器块760所解释的。此外，由数字滤波电路执行的数字滤波可涉及计算电流值的多项式函数，诸如结合滤波器块710所解释的。之后，由数字滤波电路执行的数字滤波可涉及所计算多项式函数的低通滤波。多项式函数可以是二阶多项式函数。二阶多项式函数可以具有非零线性部分和非零二次部分。然而，在一些场景中，二阶多项式函数可以仅具有非零二次部分。
数字滤波电路可基于一个或多个可配置滤波器参数执行数字滤波。例如，这样的滤波器参数可以包括多项式函数的一个或多个系数，诸如上述系数k1或k2、低通滤波的时间常数(诸如上述时间常数τP)或者高通滤波的时间常数(诸如上述时间常数τH)。滤波器参数可以通过线路保护设备的接口(诸如上述接口170)来配置。
在940中，根据电流的数字滤波值控制开关。开关可以是线路保护设备的内部开关，诸如上述开关110。备选地，开关可以是外部开关，诸如上述开关110'。在后一种情况下，外部开关可以通过从线路保护设备输出的控制信号来控制。根据电流的数字滤波值，开关被控制以中断电流通过电气线路的流动。
开关可根据电流的数字滤波值与第一阈值的比较来控制，诸如结合逻辑块730或逻辑块770所解释的。此外，可以根据电流的值与第二阈值的比较来控制开关，诸如结合逻辑块740所解释的。此外，开关可以根据输入信号来控制，以独立于电流值地中断电流流动，诸如结合上述外部输入信号IN所解释的。
开关可基于一个或多个可配置控制参数来控制。这样的控制参数例如可以定义上述第一阈值和/或上述第二阈值。控制参数可以通过线路保护设备的接口(诸如上述接口170)来配置。
在图9的方法中，至少从用于将线路保护设备与电气线路串联连接的至少一个端子来为数字滤波电路供电。然而，线路保护设备的其它部件也可以从至少一个端子供电，诸如被配置为实施940中执行的控制操作的电流传感器或开关控制电路。
应理解，上述概念和实施例容易进行各种修改。例如，所示线路保护设备可基于各种类型的电路技术来实施。此外，所示线路保护设备和线路保护方法可应用于各种应用环境，例如，汽车领域、工业生产系统、家用电器或家用电子设备。
根据以下示例提供了一些非限制性实施例。
示例1.一种线路保护设备，包括：
-端子、适于将线路保护设备与电气线路串联耦合；
-电流传感器，适于感测通过电气线路的电流的值；
-数字滤波电路，适于对电流的值执行数字滤波；
-开关控制电路，适于根据电流的数字滤波值控制开关，以中断电流通过电气线路的流动；以及
-电源电路，适于从至少一个端子至少为数字滤波电路供电。
示例2.根据示例1的线路保护设备，其中数字滤波包括低通滤波。
示例3.根据示例1或2的线路保护设备，其中数字滤波包括高通滤波。
示例4.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中数字滤波包括计算电流的值的多项式函数。
示例5.根据示例4的线路保护设备，其中数字滤波包括所计算的多项式函数的低通滤波。
示例6.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中开关控制电路适于根据电流的数字滤波值与第一阈值的比较来控制开关。
示例7.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中开关控制电路适于根据电流的值与第二阈值的比较来控制开关。
示例8.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中开关控制电路适于根据输入信号控制开关，以独立于电流的值中断电流。
示例9.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中数字滤波电路适于基于一个或多个可配置滤波器参数进行操作。
示例10.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中开关控制电路适于基于一个或多个可配置控制参数进行操作。
示例11.根据上述示例中的任何一个的线路保护设备，其中线路保护设备包括开关。
示例12.一种线路保护的方法，包括：
-将线路保护设备与电气线路串联耦合；
-通过线路保护设备的电流传感器感测通过电气线路的电流的值；
-通过线路保护设备的数字滤波电路对电流的值执行数字滤波；
-根据电流的数字滤波值控制开关，以中断电流通过电气线路的流动；
以及
-从用于将线路保护设备与电气线路串联连接的至少一个端子为数字滤波电路供电。
示例13.根据示例12的方法，其中数字滤波包括低通滤波。
示例14.根据示例12或13的方法，其中数字滤波包括高通滤波。
示例15.根据示例12-14中的任何一个的方法，其中数字滤波包括计算电流的值的多项式函数。
示例16.根据示例15的方法，其中数字滤波包括所计算的多项式函数的低通滤波。
示例17.根据示例12-16中的任何一个的方法，包括：
-根据电流的数字滤波值与第一阈值的比较来控制开关。
示例18.根据实例12-17中的任何一个的方法，包括：
-根据电流的值与第二阈值的比较来控制开关。
示例19.根据示例12-18中的任何一个的方法，包括：
-根据输入信号控制开关，以独立于电流的值中断电流的流动。
示例20.根据示例12-19中的任何一个的方法，包括：
-基于一个或多个可配置滤波器参数执行数字滤波。
示例21.根据示例12-20中的任何一个的方法，
-基于一个或多个可配置控制参数来控制开关。
鉴于以上讨论的许多变化和修改，显然这些实施例不应被解释为以任何方式限制本申请的范围。

Claims (21)

1.一种线路保护设备，包括：
-端子，适于将所述线路保护设备与电气线路串联耦合；
-电流传感器，适于感测通过所述电气线路的电流的值；
-数字滤波电路，适于对所述电流的值执行数字滤波；
-开关控制电路，适于根据所述电流的数字滤波值控制开关，以中断所述电流通过所述电气线路的流动；以及
-电源电路，适于从所述端子中的至少一个端子至少为所述数字滤波电路供电，
其中由所述数字滤波电路执行的所述数字滤波用于根据适合于所述电气线路的时间-电流特性来触发所述中断。
2.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述数字滤波包括低通滤波。
3.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述数字滤波包括高通滤波。
4.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述数字滤波包括计算所述电流的值的多项式函数。
5.根据权利要求4所述的线路保护设备，
其中所述数字滤波包括对所计算的多项式函数的低通滤波。
6.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述开关控制电路适于根据所述电流的所述数字滤波值与第一阈值的比较来控制所述开关。
7.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述开关控制电路适于根据所述电流的值与第二阈值的比较来控制所述开关。
8.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述开关控制电路适于根据输入信号控制所述开关，以独立于所述电流的值中断所述电流。
9.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述数字滤波电路适于基于一个或多个可配置滤波器参数进行操作。
10.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述开关控制电路适于基于一个或多个可配置控制参数进行操作。
11.根据权利要求1所述的线路保护设备，
其中所述线路保护设备包括所述开关。
12.一种线路保护的方法，包括：
-将线路保护设备与电气线路串联耦合；
-通过所述线路保护设备的电流传感器感测通过所述电气线路的电流的值；
-通过所述线路保护设备的数字滤波电路对所述电流的值执行数字滤波；
-根据所述电流的数字滤波值来控制开关，以中断所述电流通过所述电气线路的流动；以及
-从用于将所述线路保护设备与所述电气线路串联连接的至少一个端子为所述数字滤波电路供电，
其中由所述数字滤波电路执行的所述数字滤波用于根据适合于所述电气线路的时间-电流特性来触发所述中断。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中所述数字滤波包括低通滤波。
14.根据权利要求12所述的方法，
其中所述数字滤波包括高通滤波。
15.根据权利要求12所述的方法，
其中所述数字滤波包括计算所述电流的值的多项式函数。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中所述数字滤波包括对所计算的多项式函数的低通滤波。
17.根据权利要求12所述的方法，包括：
-根据所述电流的所述数字滤波值与第一阈值的比较来控制所述开关。
18.根据权利要求12所述的方法，包括：
-根据所述电流的值与第二阈值的比较来控制所述开关。
19.根据权利要求12所述的方法，包括：
-根据输入信号控制所述开关，以独立于所述电流的值中断所述电流的流动。
20.根据权利要求12所述的方法，包括：
-基于一个或多个可配置滤波器参数执行所述数字滤波。
21.根据权利要求12所述的方法，
-基于一个或多个可配置控制参数来控制所述开关。
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