CN110492549A - 输入保护电路 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了输入保护电路。在示例中，该电路包括一个或多个开关，其中电路被配置为从电池接收电池电压，将输入电压传送到控制器，传送输出电压，以及从控制器接收信号。该信号可以激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关，并且激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关可以控制到控制器的输入电压。

Description

输入保护电路
技术领域
本公开涉及被配置用于输入保护的电气系统。
背景技术
输入保护电路可以调节输出到负载的电压的参数(例如，幅度和极性)。例如，包括电子电路部件的负载可以在输入电压值的范围内操作，并且输入保护电路可以调节输入电压以保持在输入电压值的范围内。另外，输入保护电路可以调节被提供到负载的电流的参数。
发明内容
本公开描述了针对包括由控制器控制的开关集合的输入保护电路的技术。该电路可以由电池的电池电压供电，并且该电路可以将输出电压传送到负载。另外，该电路可以将输入电压提供给控制器，其中该控制器可以接受阈值输入电压以进行操作。因此，如果电池电压降至阈值输入电压以下，该电路可以增加向控制器的输入电压。
在一个示例中，一种电路包括一个或多个开关，其中该电路被配置为从电池接收电池电压，将输入电压传送到控制器，传送输出电压，以及从控制器接收信号，其中该信号激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关，并且其中激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关控制到控制器的输入电压。
在另一个示例中，一种系统包括电路，该电路包括一个或多个开关以及被配置为传送电池电压以向电路供电的电池。该系统还包括：负载，其被配置为由电路传送的输出电压供电；以及控制器，其被配置为产生激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关的信号，其中电路被配置为将输入电压提供给控制器，并且其中激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关控制到控制器的输入电压。
在另一个示例中，一种方法包括由包括一个或多个开关的电路从电池接收电池电压，由该电路将输出电压传送到负载，以及由该电路将输入电压传送到控制器，该控制器被配置为激活一个或多个开关以及去激活一个或多个开关。该方法还包括由控制器确定电池电压的电压值，以及利用该电路基于电池电压的电压值来改变到控制器的输入电压。
一个或多个示例的细节在下面的附图和说明中被阐述。其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
图1是图示根据本公开的一些实施例的用于向控制器提供输入电压的系统的概念框图。
图2是根据第一实施例的输入保护系统的电路图。
图3是根据第二实施例的输入保护系统的电路图。
图4是根据第三实施例的输入保护系统的电路图。
图5是图示根据本公开的一些实施例的电池电压和时间之间的关系的图。
图6是根据本公开的与可以由图1的系统执行的技术一致的流程图。
具体实施方式
在各种汽车应用中，电池可以向启动机马达供电。例如，启动机马达可以配置为使内燃机旋转，从静止状态启动发动机的操作。此外，电池可以向负载供电，其中负载可以包括除了其他部件之外的一个或多个发光二极管(LED)。在向启动机马达施加电压之后不久，传送到负载的电池电压值可能从稳态电池电压值急剧下降到最小电池电压值。在返回到稳态电池电压值之前，电池可以针对时间窗口输出最小电池电压值。即使电池的电压输出可能大大降低，控制器也可能需要阈值输入电压以进行操作。因此，在电池输出最小电池电压值的时间窗口期间，到控制器的输入电压增加，使得到控制器的输入电压保持在阈值输入电压之上。将到控制器的输入电压增加可以有助于确保电路在低温下正常地工作，并且可以有助于确保启动机马达能够在所谓的冷启动期间进行操作。
在一个示例中，从稳态电池电压到最小电池电压的电压降可以随着电池温度的降低而增加(例如，随着温度降低，最小电池电压降低)。例如，如果电池的温度下降到阈值温度(诸如0摄氏度)以下，则在电池向启动机马达供电之后，被传送到电路的最小电池电压可能降至3伏以下。此外，电池输出最小电池电压的时间窗口的长度可以随着电池温度的降低而增加。因此，随着电池温度降低，电池的性能可能降低。当电池在冷温度期间向启动机马达供电时，本公开的技术和设备可以改善电池、控制器和负载的性能。
电路可以调节由电池传送到负载的电流和电压的量。在一个示例中，该电路包括降压转换器。降压转换器是DC-DC功率转换器，其降低被传送到负载的电压，并且增加被传送到负载的电流。稳态电池电压输出可以是大约12伏特，汽车电池的标准电压输出。这样，降压转换器电路可以将被传送到负载的电压从12伏的稳态电池电压输出降低。例如，包括降压转换器的电路可以传送具有大约5伏的幅度的输出电压。在一些示例中，如果被传送到负载的电压超过输出阈值电压，则负载的电路部件可能被损坏。因此，降压转换器可以保护负载免受高电压的影响。在另一示例中，该电路包括升压转换器。与降压转换器相反，升压转换器增加了被传送到负载的电压，并且减少了被传送到负载的电流。此外，在另一示例中，该电路包括降压-升压转换器，使得该电路能够增加和减小被传送到负载的电压和电流。
在本公开的实施例中，电路包括电荷泵，其被配置为将到控制器的输入电压增加。该电路可以被配置为在电路将到负载的输出电压降压时以及在电路将到负载的输出电压升压时，将到控制器的输入电压增加。电荷泵是DC-DC功率转换器，包括被配置为升高或降低电压的电容器。电路的电荷泵可以由半导体开关网络调节，并且半导体开关可以由控制器控制。这样，本文描述的一种或多种技术可以允许控制器在电池的输出电压低于向控制器供电所需的阈值输入电压时进行操作。
图1是图示根据本公开的一些实施例的用于向控制器提供输入电压的系统100的概念框图。如图1的示例中所示，系统100可以包括电路110、控制器120、电池130和负载140。
电路110可以包括电路元件，该电路元件包括电阻器、电容器、电感器、二极管、半导体开关和其他半导体元件。电池130可以提供电池电压，向电路110供电。此外，电路110可以向控制器120提供输入电压并且向负载140提供输出电压。在一个示例中，电路110包括被配置为调节被传送到负载140的电流和电压的DC-DC功率转换器，诸如开关模式电源(SMPS)。SMPS使用一个或多个开关(通常是半导体开关)来转换电能。在一个示例中，SMPS包括降压转换器。电路110的降压转换器可以包括电感器、开关和二极管，它们共同被配置为从由电池130提供给电路110的电池电压的幅度减小被传送到负载140的输出电压的幅度。此外，降压转换器被配置为与由电池130传送到电路110的电流的幅度相比增加被传送到负载140的电流的幅度。在另一示例中，电路110的SMPS包括升压转换器。在该示例中，升压转换器被配置为增加由电路110传送到负载140的输出电压的幅度，并且减小由电路110传送到负载140的电流的幅度。
在本公开的一个实例中，电路110可以包括降压-升压转换器。降压-升压转换器，如降压转换器和升压转换器，是SMPS。例如，降压-升压转换器被配置为使用包括降压模式和升压模式的至少两种操作模式来调节传送到负载140的输出电压。控制器120可以控制降压-升压转换器的半导体开关，以交替降压-升压转换器的模式(例如，将降压-升压转换器的操作模式从降压模式改变为升压模式，反之亦然)。在一个示例中，控制器120被配置为测量由电池130传送的电池电压的幅度。响应于测量电池电压，控制器120设置半导体开关以控制被传送到负载140的输出电压。在如图1所图示的示例中，电路110的半导体开关可以包括晶体管、二极管或其他半导体元件。
另外，电路110可以包括电荷泵，该电荷泵被配置为增加被传送到控制器120的输入电压。电荷泵是DC-DC功率转换器，包括被配置为升高或降低电荷泵电路的输出电压的电容器。在图1所图示的示例中，电路110的至少一个电荷泵被配置为增加由电路110传送的到控制器120的输入电压。在一个示例中，电路110的至少一个电荷泵具有大于90％的效率值。效率值定义有用功率输出与电气部件的总功率输入的比率，并且电气部件的效率值测量在包括电气部件的电路的操作期间电气部件内的功率损失量。
控制器120可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑电路或被配置为提供本文中的归因于控制器120的功能的任何其他处理电路。控制器120可以体现为固件、硬件、软件或其任何组合。此外，控制器120可以包括配置为控制负载的DC-DC控制器。在一个示例中，控制器120包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)DC-DC转换器，其包括包含四个MOSFET开关的H桥电路。H桥电路被配置为切换施加到负载的电压的极性(例如，将正电压改变为负电压，反之亦然)。在该示例中，控制器120可以被配置为传送大致等于由电路110传送到控制器120的输入电压的幅度的输出电压幅度。在一个示例中，控制器120可以调节负载140的多个发光二极管(LED)。控制器120可以通过控制传送到多个LED的电流和电压中的至少一个来调节多个LED。在又一示例中，控制器120可以调节至少一个附加的微控制器。
此外，控制器120可以被配置为控制电路110的晶体管，以便调节由电路110传送到控制器120的输入电压和输入电流。例如，控制器120可以将控制信号传送到电路110的晶体管的控制端子以调节晶体管的负载端子之间的电流。控制信号可以将电压施加到晶体管的控制端子，从而激活(例如，“导通”)晶体管。控制器120可以调节晶体管被激活的时间量。例如，控制器120可以在第一时间处激活晶体管并且在第二时间处去激活(例如，“关断”)晶体管。控制器120可以控制分离第一时间和第二时间的时间量。控制器120可以将精确的信号传送到晶体管的控制端子，精确地调节晶体管被激活的时间量。
电池130可包括串联布置的多个铅酸电池。在其他示例中，电池130可包括锂离子、镍金属氢化物或其他类型的材料。在一个示例中，电池130包括串联布置的六个铅酸电池，并且电池130限定12V的电压。此外，电池130限定第一端子和第二端子。从第一端子流出的电流可以向电路110、控制器120和负载140供电。
在一个示例中，启动机马达由电池130供电，启动机马达被配置为使内燃机旋转。启动机马达可包括无刷直流(BLDC)电动机、有刷直流(DC)电动机、交流(AC)感应电动机或其他类型的电动机。在一些示例中，启动机马达可能需要来自电池130的大电流。在一个示例中，启动机马达所需的最大电流可以大于300安培且小于1000安培。在另一个示例中，启动机马达所需的最大电流大于1000安培。内燃机被配置为操作汽车，包括但不限于小汽车、卡车和摩托车。由诸如汽油的燃料的燃烧提供动力，内燃机的活塞可以转动曲轴，并且曲轴可以被配置为使一个或多个车轮旋转。即使内燃机是机械设备，在许多情况下，内燃机可能需要辅助以开始在其自身功率下操作。例如，由电池130供电的电启动机马达可以旋转，即“起动”内燃机，以启动内燃机的操作。
在启动机马达开始起动内燃机(例如，启动机马达开始从电池130汲取电流)之后，由电池130传送到电路110的电池电压的幅度可能急剧下降。例如，电池130可以具有12伏的稳态电压输出。然而，在紧接着电池130向启动机马达供电之后，电池电压的幅度可以从12伏特下降到小于4.5伏特。在一个示例中，诸如低于0摄氏度的温度的冷温度引起电池电压降大于在较温暖的温度期间发生的电池电压降。在冷温度期间使用启动机马达被称为“冷启动”。例如，在冷温度下电池电压可能从12伏降至大约3伏。然而，在一个示例中，控制器120需要4.5伏的阈值输入电压以进行操作。因此，为了在冷启动期间维持到控制器120的阈值输入电压，电路110被配置为将到控制器120的输入电压增加到大于阈值输入电压。在一个示例中，电路110被配置为如果由电池130传送的电池电压大于2伏，则将到控制器120的输入电压增加到大于阈值输入电压。
在一个示例中，包括一个或多个电荷泵的电路110可以被配置为在电路110将输出电压传送到负载140时将到控制器120的输入电压增加。在一个示例中，控制器120激活电路110的晶体管，从被传送到负载140的输出电压对电路110的电容器充电。随后，控制器120关断晶体管，并且电路110的电感器将电流传送到负载140，从而增加(例如，“升压”)被传送到负载140的输出电压的幅度。在晶体管关断之后，电容器被配置为增加被传送到控制器120的输入电压的幅度。在另一个示例中，电路110被配置为当电路110正在减小(例如，“降压”)被传送到负载140的输出时，增加被传送到控制器120的输入电压的幅度。控制器120导通电路110的晶体管，并且电流穿过电路110的电感器到负载140。随后，控制器120关断晶体管，并且由电感器发出的过量电流对电容器充电。随后，控制器导通晶体管，并且电容器将到控制器120的输入电压的幅度增加。
在另一个示例中，在控制器120激活电路110的晶体管之后，电池130对电路110的电容器充电。在控制器120去激活晶体管之后，电路110的电感器向负载140发出过量电流，并且电容器增加被传送到电路120的输入电压的幅度。在另一个示例中，控制器120去激活电路110的晶体管，并且电池130对电路110的电容器充电。随后，控制器120激活晶体管，并且电容器将到控制器120的输入电压增加。
负载140可以包括电路部件的集合，诸如电阻器、电感器、电容器、诸如发光二极管(LED)的二极管，以及其他半导体元件。LED可以指任何合适的半导体光源。在一些示例中，LED可以包括被配置为在被激活时发光的p-n结。在示例性应用中，负载140可以被包括在用于汽车应用的前灯组件中。例如，负载140可以是发光二极管的矩阵，以照亮车辆前方的道路。如本文所用，车辆可以指摩托车、卡车、船、高尔夫球车、雪地车、重型机器或使用定向照明的任何类型的车辆。
图2是根据第一实施例的输入保护系统200的电路图。如图所示，输入保护系统200包括电路210，其包括晶体管211A、211B、211C和211D(“晶体管211”)、电容器212A、电容器212B、电感器213、二极管214、215、216、217和218、以及输出电容器219。此外，输入保护系统200包括控制器220、电池230、输入电容器221和负载240。电路210可以是图1的电路110的示例。控制器220可以是图1的控制器120的示例。电池230可以是图1的电池130的示例。负载240可以是图1的负载140的示例。
晶体管211可以包括功率开关，例如但不限于任何类型的场效应晶体管(FET)，包括MOSFET、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)或其他使用电压用于其控制的元件。晶体管211可以包括n型晶体管、p型晶体管和功率晶体管，或其任何组合。在一些示例中，晶体管211可以包括垂直晶体管、横向晶体管和/或水平晶体管。在一些示例中，晶体管211可以包括其他模拟器件，诸如二极管和/或晶闸管。在一些示例中，晶体管211可以作为开关和/或作为模拟器件操作。
晶体管211可以包括各种材料化合物，诸如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)，或一种或多种半导体材料的任何其他组合。在一些示例中，碳化硅开关可以经历较低的开关功率损耗。磁性和更快切换的改进(诸如氮化镓开关)可以允许晶体管211从电池210汲取短突发电流。与较低频率的开关元件相比，这些较高频率的开关元件可能需要以更精确的时序被发送的控制信号。
晶体管211的单个晶体管，例如晶体管211A，可以包括三个端子：两个负载端子和控制端子。对于MOSFET开关而言，晶体管211A可以包括漏极端子、源极端子和至少一个栅极端子，其中控制端子是栅极端子。对于BJT开关而言，控制端子可以包括基极端子。基于控制端子处的电压，电流可以在晶体管211A的两个负载端子之间流动。因此，基于由控制器120传送到晶体管211A的控制端子的控制信号，电流可以流过晶体管211A。在一个示例中，必须将10V的电压值施加到晶体管211A的控制端子以便“导通”晶体管211A，允许晶体管211A从电池210汲取电流并且导电。在其他示例中，其他电压值可以激活晶体管211A。此外，当被施加到晶体管211A的控制端子的电压减小时，晶体管211A可以被“关断”。当晶体管211A被关断时，晶体管211A的电阻和跨晶体管211A的电压可以增加。在本公开中，“激活”晶体管可以意味着“导通”晶体管，并且“去激活”晶体管可以意味着“关断”晶体管。
在如图2所图示的示例中，控制器220被配置为控制电路210的晶体管211，以便调节由电路210传送到控制器220的输入电压和输入电流。此外，控制器220可以在一个或多个操作模式之间交替电路210，一个或多个操作模式包括但不限于降压模式和升压模式。例如，控制器220可以将控制信号传送到晶体管211的控制端子，以调节晶体管的负载端子之间的电流。控制信号可以将电压施加到晶体管211的控制端子，从而激活晶体管211。控制器220可以调节晶体管211被激活的时间量。例如，控制器220可以在第一时间处激活晶体管，例如晶体管211A，并且在第二时间处去激活晶体管211A。控制器220可以控制分离第一时间和第二时间的时间量。控制器220可以将精确的信号传送到晶体管的控制端子，精确地调节晶体管211A被激活的时间量。
在一个示例中，电路210以降压模式运行。控制器220激活晶体管211C，使电流经由晶体管211C和电感器213从电池230流到负载240。充当二极管的晶体管211D在晶体管211C导通时阻止电流从电池230流到接地。此外，当电流行进通过电感器213时，在电感器213中感应出磁场。随后，控制器220去激活晶体管211C，将电池230从负载240断开，并且电感器213释放充电电容器212B的过量电流，从而减小被传送出到负载240的输出电压的幅度。过量电流在到达电容器212B之前通过二极管217。在控制器220激活晶体管211C之后，充当电荷泵的电容器212B去极化，增加被传送到控制器220的输入电压的幅度。在该示例中，电路210增加被传送到控制器220的输入电压的幅度，同时电路210减小被传送到负载240的输出电压的幅度。控制器220可以激活和去激活晶体管211C多个开关周期，多个开关周期的每个开关周期定义以晶体管211C的激活开始到在控制器220去激活晶体管211C之后以晶体管211C的重新激活结束的时间窗口。
当电路210以降压模式运行时，晶体管211A永久导通，并且晶体管211B永久关断。晶体管211D用作限定耦合到接地的阳极和耦合到电感器213的阴极的二极管。然而，当控制器220改变电路210的模式时，晶体管211的导通/关断状态可以从在电路210处于降压模式中时永久设置的状态改变。
在另一实施例中，当电路210在升压模式中操作时，电路210增加被传送到控制器220的输入电压的幅度。在该示例中，控制器220导通晶体管211B，通过电感器213将电流从电池230汲取到接地。当电流从电池230流到接地时，在电感器213中感应出磁场，并且电容器212A由电路210的输出电压充电。随后，控制器220去激活晶体管211B，使电池230和电感器213的组合电压增加被传送到负载240的电压的幅度，并且使电容器212A去极化，将到控制器220的输入电压的幅度增加。控制器220可以激活和去激活晶体管211B多个开关周期，多个开关周期的每个开关周期定义以晶体管211B的激活开始到在控制器220去激活晶体管211B之后以晶体管211B的重新激活结束的时间窗口。
当电路210在升压模式中操作时，晶体管211C永久导通并且晶体管211D永久关断。晶体管211A用作限定耦合到电感器213的阳极和耦合到负载240的阴极的二极管。然而，当控制器220改变电路210的模式时，晶体管211的导通/关断状态可以从在电路210处于升压模式中时永久设置的状态改变。
在另一示例中，电路210在启动模式中运行，启动模式允许电池230经由二极管218直接向控制器220提供输入电压。如果由电池230传送的电池电压的幅度低于用以向控制器220供电的阈值输入电压，电路210的电荷泵被配置为增加被传送到控制器220的输入电压的幅度。然而，在一些示例中，诸如其中电池电压高于阈值输入电压的示例，电路210可以在启动模式中运行。
电容器212可以是电路210的电荷泵的部件。电容器212是被配置为存储电势能量的电路元件。在一个示例中，电容器212A和212B均包括由电介质隔开的两个电导体。当电容器212被充电时，正电荷累积在一个电导体上，而负电荷累积在另一个电导体上。当电容器212放电时，电容器212被配置为释放类似于由电池230释放的直流电流的直流电流。此外，随着电容器212放电，电容器212两端的电压消散，并且到控制器220的输入电压的幅度增加。
电感器213是根据图2所图示的示例的电路210的部件。电感器是可以抵抗穿过电感器的电流量的变化的电路元件。在一些示例中，电感器包括以线圈缠绕的导电线。当电流穿过线圈时，在线圈中产生磁场，并且磁场在电感器两端感应出电压。电感器定义电感值，并且电感值是电感器两端的电压与穿过电感器的电流变化率之比。因此，当电感器213用磁场充电并且与电池230和负载240串联时，电感器213两端的电压被配置为升压被传送到负载240的输出电压的幅度。电感器213还被配置为当晶体管211C关断时降压被传送到负载240的输出电压的幅度，将负载240与电池230隔离，并且将到负载240的输出电压降低到用磁场充电的电感器213两端的电压。
在图2中所图示的示例中，二极管214、215、216、217和218限定半导体器件。在电路电子学领域中，二极管包括半导体部件，其允许电流沿第一方向(例如，“正向”)流过二极管，并且防止电流沿第二方向(例如，“反向”)流过二极管。二极管可以包括阳极和阴极，并且电流可以能够从阳极到阴极正向穿过二极管。然而，电流可能无法从阴极到阳极反向穿过二极管。
二极管214可以允许电容器212A将到控制器220的输入电压的幅度增加，并且允许电流经由二极管214从电容器212A流到控制器220。然而，二极管214可以防止电池230对电容器212A充电。与控制器220和电容器212B串联放置的二极管215可以允许电容器212B将到控制器220的输入电压的幅度增加。二极管215可以防止电池230对电容器212B充电。
二极管216的正向被对准，使得电流可以从电路210的输出流到电容器212A，允许电容器212A经由二极管216充电。然而，二极管216防止由电容器212A发出的电流到达负载140，因为二极管216的反向被布置成使得二极管216的阴极被耦合到电容器212A。二极管217可以防止由电容器212B发出的电流到达负载240但允许电容器212B被输出电压充电。
二极管218被配置为允许电流从电池230的正极端子流到控制器220。因此，电池230的电池电压输出可以被施加以向控制器220供电。但是，如果电池电压低于用以向控制器220供电的阈值输入电压，电容器212可以经由二极管214和215将到控制器220的输入电压增加。此外，二极管218被配置为防止从使电容器212放电发出的电流流到电池230，从而将功率从电容器212引导到控制器220。
输出电容器219可以被配置为向负载240供应能量。在一个示例中，输出电容器219向负载240供应电压。此外，输入电容器221可以被配置为向控制器220供应能量。在一个示例中，输入电容器221向负载240供应电压。
图3是根据第二实施例的输入保护系统300的电路图。如图所示，输入保护系统300包括电路310，其包括晶体管311A、311B、311C和311D(“晶体管311”)、电容器312A、电容器312B、电感器313、二极管314、315、316、317和318、以及输出电容器319。此外，输入保护系统300包括控制器320、电池330、输入电容器321和负载340。电路310可以是图1的电路110的示例。控制器320可以是图1的控制器120的示例。电池330可以是图1的电池130的示例。负载340可以是图1的负载140的示例。
晶体管311可以包括功率开关，诸如但不限于任何类型的场效应晶体管(FET)，包括MOSFET、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)或其他使用电压用于其控制的元件。晶体管311可以包括n型晶体管、p型晶体管和功率晶体管，或其任何组合。在一些示例中，晶体管311可以包括垂直晶体管、横向晶体管和/或水平晶体管。在一些示例中，晶体管311可以包括其他模拟器件，例如二极管和/或晶闸管。在一些示例中，晶体管311可以作为开关和/或作为模拟器件操作。
晶体管311可以包括各种材料化合物，例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)，或一种或多种半导体材料的任何其他组合。在一些示例中，碳化硅开关可以经历较低的开关功率损耗。磁性和更快切换的改进(例如氮化镓开关)可允许晶体管311从电池310汲取短突发电流。与较低频率的开关元件相比，这些较高频率的开关元件可能需要以更精确的时序被发送的控制信号。
在一个示例中，晶体管311的单个晶体管可以是图2的晶体管211的单个晶体管的示例。例如，晶体管311A可以是晶体管211A的示例，晶体管311B可以是晶体管211B的示例，晶体管311C可以是晶体管211C的示例，并且晶体管311D可以是晶体管211D的示例。因此，在一个示例中，电压被施加到晶体管311A的控制端子以使晶体管311A“导通”，允许晶体管311A从电池310汲取电流并且导电。在其他示例中，其他电压值可以激活晶体管311A。此外，当被施加到晶体管311A的控制端子的电压减小时，晶体管311A可以被“关断”。当晶体管311A被关断时，晶体管311A的电阻和跨晶体管311A的电压可以增加。
控制器320可以被配置为控制电路310的晶体管311，以调节由电路310传送到控制器320的输入电压和输入电流。此外，控制器320可以在一个或多个操作模式之间交替电路310，一个或多个操作模式包括但不限于降压模式和升压模式。例如，控制器320可以将控制信号传送到晶体管311的控制端子，以调节晶体管的负载端子之间的电流。控制信号可以将电压施加到晶体管311的控制端子，从而激活晶体管311。控制器320可以调节晶体管311被激活的时间量。例如，控制器320可以在第一时间处激活晶体管，例如晶体管311A，并且在第二时间处去激活晶体管311A。控制器320可以控制分离第一时间和第二时间的时间量。控制器320可以将精确信号传送到晶体管311A的控制端子，精确地调节晶体管311A被激活的时间量。晶体管311A、311B、311C和311D中的每一个的激活状态可以确定电路310的操作模式。
在一个示例中，电路310在升压模式中运行。控制器320激活晶体管311B，并且电池330发出电流，电流通过电感器313流到接地。当电流穿过电感器313时，在电感器313中感应出磁场。此外，在控制器320激活晶体管311B之后，电池330对电容器312A充电。随后，控制器320去激活晶体管311B，并且电流经由电感器313从电池330流到负载340。当晶体管311B被去激活时，电池330、电感器313和负载340被串联放置。因此，电池330和电感器313的组合电压被施加到负载340，从而由电路310从提供给电路310的电池电压增加传送到负载340的输出电压的幅度。另外，当电路310在升压模式中运行时，被传送到负载340的电流的幅度从由电池330提供给电路310的电流的幅度减小。在控制器320去激活晶体管311B之后，电容器312A放电，向控制器320发出输入电流。使电容器312A放电将到控制器320的输入电压的幅度增加。控制器320可以激活和去激活晶体管311B多个开关周期，多个开关周期的每个开关周期定义以晶体管311B的激活开始到在控制器320去激活晶体管311B之后以晶体管311B的重新激活结束的时间窗口。
当电路310在升压模式中操作时，晶体管311C永久导通并且晶体管311D永久关断。晶体管311A用作限定耦合到电感器313的阳极和耦合到负载340的阴极的二极管。然而，当控制器320改变电路310的模式时，晶体管311的导通/关断状态可以从在电路310处于升压模式中时永久设置的状态改变。
在另一示例中，电路310以降压模式运行。控制器320激活晶体管311C并且电池330发出电流，电流通过电感器313流到负载340。当电流穿过电感器313时，在电感器313中感应出磁场。随后，控制器320去激活晶体管311C，并且电流经由电感器313从接地流到负载340。当晶体管311C被去激活时，电池330从负载340断开，从而被传送给电池340的输出电压的幅度从由电池330提供给电路310的电池电压的幅度减小。另外，当电路310在降压模式中工作时，被传送到负载340的电流的幅度从由电池330提供给电路310的电流的幅度增加。此外，在控制器320去激活晶体管311C之后，电池330对电容器312B充电。当控制器230激活晶体管311C时，电容器312B放电，增加提供给控制器320的输入电压的幅度，并且将输入电流传送到控制器320。控制器320可以激活和去激活晶体管311C多个开关周期，多个开关周期的每个开关周期定义以晶体管311C的激活开始到在控制器320去激活晶体管311C之后以晶体管311C的重新激活结束的时间窗口。
当电路310以降压模式工作时，晶体管311A永久导通，并且晶体管311B永久关断。晶体管311D用作限定耦合到接地的阳极和耦合到电感器313的阴极的二极管。然而，当控制器320改变电路310的模式时，晶体管311的导通/关断状态可以从在电路310处于降压模式中时永久设置的状态改变。
在另一示例中，电路310在启动模式中运行，启动模式允许电池330经由二极管318直接向控制器320提供输入电压。如果由电池330传送的电池电压的幅度低于用以向控制器320供电的阈值输入电压，电路310的电荷泵被配置为增加被传送到控制器320的输入电压的幅度。然而，在一些示例中，诸如其中电池电压高于阈值输入电压的示例，电路310可以在启动模式中运行。
在图3中所图示的示例中，二极管314、315、316、317和318限定半导体器件。二极管314可以允许电容器312A将到控制器320的输入电压的幅度增加，并且允许电流经由二极管314从电容器312A流到控制器320。与控制器320和电容器312B串联地放置的二极管315可以允许电容器312B将到电容320的输入电压的幅度增加。二极管316的正向被对准，使得电流可以从电池330流到电容器312A，允许电容器312A经由二极管316充电。然而，二极管316防止由电容312A发出的电流到达电池330，因为二极管316的反向被布置成使得二极管316的阴极被耦合到电容器312A。二极管317可以防止由电容器312B发出的电流到达电池330但允许电池330对电容器312B充电。
二极管318被配置为允许电流从电池330的正极端子流到控制器320。因此，电池330的电池电压输出可以被施加到控制器320。但是，如果电池电压低于用以向控制器320供电的阈值输入电压，电容器312可以经由二极管314和315将到控制器320的输入电压增加。此外，二极管318被配置为防止从使电容器312放电发出的电流流到电池330，从而将功率从电容器312引导到控制器320。
输出电容器319可以被配置为向负载340供应能量。在一个示例中，输出电容器319向负载340供应电压。此外，输入电容器321可以被配置为向控制器320供应能量。在一个示例中，输入电容器321向负载340供应电压。
图4是根据第三实施例的输入保护系统400的电路图。如图所示，输入保护系统400包括电路410，其包括晶体管411A、411B、411C和411D(“晶体管411”)、电容器412A和412B(“电容器412”)，电感器413、二极管414、415、416、417、418、422和423、以及输出电容器419。此外，输入保护系统400包括控制器420、电池430、输入电容器421和负载440。电路410可以是图1的电路110的示例。控制器420可以是图1的控制器120的示例。电池430可以是图1的电池130的示例。负载440可以是图1的负载140的示例。
图4中图示出的示例系统400执行关于图2所图示的系统200和图3所图示的系统300所描述的任何方法和技术。此外，系统400包括在系统200和300中不存在的两个附加二极管(二极管422和423)。二极管422可以允许电池430对电容器412充电，但是二极管423可以防止电池430经由二极管422直接向负载440提供电压。二极管423可以允许被传送到负载440的输出电压对电容器412充电。然而，二极管422可以防止被传送到负载440的输出电压向电池430施加电压。
图5是图示出根据本公开的一些示例的电池电压与时间之间的关系的图500。仅出于说明的目的，以下在图1的系统100的上下文中描述图5。然而，下面描述的技术可以被用于电路110、控制器120、电池130和负载140的任何排列和任何组合。
在图5中所图示的示例中，V2表示由电池130提供给电路110的稳态电池电压。在一个示例中，电池130是提供12伏的稳态电池电压的汽车电池，并且电池130的温度低于0摄氏度。电池130在时间t0向启动机马达供电，并且作为响应，电池电压在从t0延伸到t1的时间窗口内下降到最小电压值V1，该时间窗口持续小于1毫秒。随后，从时间t1到时间t2，电池电压保持在最小电压值V1处达19毫秒。电池电压在从t2延伸到t3的时间窗口期间返回到稳态V2，该时间窗口持续约10.5秒。最小电池电压V1是3.2伏特，其低于4.5伏特的向控制器120供电的阈值电压。控制器110被配置为在从t1延伸到t2的时间窗口期间补充最小电池电压V1，使用一个或多个电荷泵来将到控制器120的输入电压增加。
图6是根据本公开的与可以由图1的系统执行的技术一致的流程图600。仅出于说明的目的，下面在图1的系统100的上下文中描述图6。然而，下面描述的技术可以被用于电路110、控制器120、电池130和负载140的任何排列和任何组合。
根据本公开的一种或多种技术，电路110可从电池130接收电池电压(610)。另外，电路110可以将输出电压传送到负载140(620)，并且将输入电压传送到控制器120(630)。控制器120可以确定电池电压的电压值(640)。随后，电路110可以基于电池电压的电压值来改变到控制器120的输入电压(650)。
以下实施例可以说明本公开的一个或多个方面。
示例1.一种电路包括一个或多个开关，其中所述电路被配置为从电池接收电池电压，将输入电压传送到控制器，传送输出电压，以及从所述控制器接收信号，其中所述信号激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关，以及其中激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关控制到所述控制器的所述输入电压。
示例2.根据示例1的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：电容器，其被配置为在所述晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后增加所述输出电压，其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例3.根据示例1或2的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：电容器；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后对所述电容器充电，其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例4.根据示例1-3中任意一个或其结合的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：电容器，其被配置为在所述晶体管导通之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后向所述电路的输出发出过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例5.根据示例1-4中任意一个或其结合的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：电容器，其被配置为在所述晶体管关断之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后向所述电路的输出发出过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例6.根据示例1-5中任意一个或其结合的电路，其中所述一个或多个开关包括多个晶体管，所述电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、以及第四晶体管。所述电路还包括：第一电容器，其被配置为在所述第一晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动，其中所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断；第二电容器；以及电感器，其被配置为在所述第一晶体管关断之后增加所述输出电压，其中所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断，以及在所述第三晶体管关断之后对所述第二电容器充电，其中所述第二晶体管导通并且所述第一晶体管关断，其中所述第一电容器被配置为当所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断时，在所述第一晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加，以及其中所述第二电容器被配置为当所述第二晶体管导通并且所述第一晶体管关断时，在所述第三晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例7.根据示例1-6中任意一个或其结合的电路，其中所述一个或多个开关中的每个开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或结型场效应晶体管(JFET)。
示例8.根据示例1-7中任意一个或其结合的电路，其中所述电路被配置为如果所述电池电压低于电压阈值，则将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例9.根据示例1-8中任意一个或其结合的电路，其中所述电压阈值约为4.5伏。
示例10.根据示例1-9中任意一个或其结合的电路，其中所述电路被配置为如果所述电池电压高于大约2伏特，则将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例11.一种系统包括电路。所述电路包括：一个或多个开关；以及电池，其被配置为传送电池电压以向所述电路供电。所述电路还包括：负载，其被配置为由所述电路传送的输出电压供电；以及控制器，其被配置为产生激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关的信号，其中所述电路被配置为向所述控制器提供输入电压，以及其中激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关控制到所述控制器的所述输入电压。
示例12.根据示例11的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路还包括：电容器，其被配置为在所述晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后将到所述负载的所述输出电压增加，并且在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例13.根据示例11或12的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路还包括：电容器；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后对所述电容充电，并且在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例14.根据示例11-13中任意一个或其结合的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路还包括：电容器，其被配置为在所述晶体管导通之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例15.根据示例11-14中任意一个或其结合的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路还包括：电容器，其被配置为在所述晶体管关断之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及电感器，其被配置为在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
示例16.根据示例11-15中任意一个或其结合的电路，其中所述电池还被配置为向启动机马达供电，所述启动机马达被配置为旋转使内燃机。
示例17.根据示例11-16中任意一个或其结合的电路，其中响应于所述电池向所述启动机马达供电，被传送到所述电路的所述电池电压被降低。
示例18.根据示例11-17中任意一个或其结合的电路，其中所述控制器还被配置为控制至少一个发光二极管(LED)，其中控制所述至少一个LED包括：调节被传送到所述至少一个LED的电流和电压。
示例19.一种方法，包括：由包括一个或多个开关的电路从电池接收电池电压；由所述电路将输出电压传送到负载；由所述电路将输入电压传送到控制器，所述控制器被配置为激活所述一个或多个开关并且去激活所述一个或多个开关；由控制器确定所述电池电压的电压值；以及利用所述电路基于所述电池电压的所述电压值来改变到所述控制器的所述输入电压。
示例20.根据示例19的方法，其中改变到所述控制器的所述输入电压包括：响应于确定所述电池电压的所述电压值低于阈值电压，利用所述电路将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
本公开的各种示例已经被描述。特别地，输入保护电路已经被描述，其有助于控制对控制器的输入。
尽管描述了用于汽车以帮助确保启动机马达的操作，但该电路可以用于其他类型的车辆或其他应用中。实际上，该电路在期望负载的电压控制和对微控制器的单独电压控制的各种应用中的任何一种中可以是有用的。所描述的系统、操作或功能的任何组合是预期的。这些和其他示例在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种包括一个或多个开关的电路，其中所述电路被配置为：
从电池接收电池电压；
将输入电压传送到控制器；
传送输出电压；以及
从所述控制器接收信号，
其中所述信号激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关，以及
其中激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关控制到所述控制器的所述输入电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：
电容器，被配置为在所述晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后增加所述输出电压，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：
电容器；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后对所述电容器充电，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：
电容器，被配置为在所述晶体管导通之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后向所述电路的输出发出过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路包括：
电容器，被配置为在所述晶体管关断之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后向所述电路的输出发出过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关包括多个晶体管，所述电路包括：
第一晶体管；
第二晶体管；
第三晶体管；
第四晶体管；
第一电容器，被配置为在所述第一晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动，其中所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断；
第二电容器；以及
电感器，被配置为：
在所述第一晶体管关断之后增加所述输出电压，其中所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断，以及
在所述第三晶体管关断之后对所述第二电容器充电，其中所述第二晶体管导通并且所述第一晶体管关断，
其中所述第一电容器被配置为当所述第三晶体管导通并且所述第四晶体管关断时，在所述第一晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加，以及
其中所述第二电容器被配置为当所述第二晶体管导通并且所述第一晶体管关断时，在所述第三晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的所述幅度增加。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述一个或多个开关中的每个开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或结型场效应晶体管(JFET)。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路被配置为如果所述电池电压低于电压阈值，则将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述电压阈值约为4.5伏。
10.根据权利要求8所述的电路，其中所述电路被配置为如果所述电池电压高于约2伏特，则将到所述控制器的所述输入电压的所述幅度增加。
11.一种系统，包括：
电路，包括一个或多个开关；
电池，被配置为传送电池电压以向所述电路供电；
负载，被配置为由所述电路传送的输出电压供电；以及
控制器，被配置为产生激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关的信号，其中所述电路被配置为将输入电压提供到所述控制器，以及
其中激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关控制到所述控制器的所述输入电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路进一步包括：
电容器，被配置为在所述晶体管导通之后被电流充电，所述电流由输出电压驱动；以及
电感器，被配置为：
在所述晶体管关断之后将到所述负载的所述输出电压增加，以及
在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路进一步包括：
电容器；以及
电感器，被配置为：
在所述晶体管关断之后对所述电容充电，以及
在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路进一步包括：
电容器，被配置为在所述晶体管导通之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管关断之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述一个或多个开关包括晶体管，并且其中所述控制器被配置为控制所述晶体管的栅极端子，所述电路进一步包括：
电容器，被配置为在所述晶体管关断之后充电，所述电容器被由所述电池发出的电流充电；以及
电感器，被配置为在所述晶体管关断之后向所述负载传送过量电流，
其中所述电容器被配置为在所述晶体管导通之后将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述电池进一步被配置为向启动机马达供电，所述启动机马达被配置为旋转内燃机。
17.根据权利要求16所述的系统，其中响应于所述电池向所述启动机马达供电，减小被传送到所述电路的所述电池电压。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器进一步被配置为控制至少一个发光二极管(LED)，其中控制所述至少一个LED包括：调节被传送到所述至少一个LED的电流和电压。
19.一种方法，包括：
由包括一个或多个开关的电路从电池接收电池电压；
由所述电路将输出电压传送到负载；
由所述电路将输入电压传送到控制器，所述控制器被配置为激活所述一个或多个开关以及去激活所述一个或多个开关；
由所述控制器确定所述电池电压的电压值；以及
利用所述电路基于所述电池电压的所述电压值来改变到所述控制器的所述输入电压。
20.根据权利要求19所述的方法，其中改变到所述控制器的所述输入电压包括：响应于确定所述电池电压的所述电压值低于阈值电压，利用所述电路将到所述控制器的所述输入电压的幅度增加。
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