CN110943506B - 具有负载电感测量系统的辅助电力插座 - Google Patents

具有负载电感测量系统的辅助电力插座 Download PDF

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Abstract

一种操作电力系统的方法包括：在电力系统的电力开关被关断时将外部负载连接到电力系统的电力插座，其中电力开关被耦合在电力系统的电源与电力插座之间；在电力开关被关断时测量外部负载的一个或多个电气特性；基于所测量的外部负载的一个或多个电气特性，确定外部负载的退磁能量是否在电力系统的安全操作范围内；并且响应于确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内，接通电力开关。

Description

具有负载电感测量系统的辅助电力插座
技术领域
本发明总体涉及电力系统，并且在特定实施例中，涉及具有辅助电力插座(APO)的电力系统，该辅助电力插座具有负载电感测量系统。
背景技术
辅助电力插座(APO)广泛用于许多不同的应用中。示例性应用是汽车中的电力插座。汽车中的APO从汽车电池向连接到APO的电负载(例如，便携式电子设备)供应电力。汽车中的APO也可以用于为连接到汽车的拖车提供电力。
典型的APO具有电开关(也可称为电力开关)，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、氮化镓(GaN)晶体管等。电开关耦合在连接到APO的输入端口的电源(例如，汽车电池)与连接到APO的输出端口的电负载之间。通过接通和关断电力开关，电力系统控制是否向负载供应电力。
尽管APO的应用范围很广，但在具有APO的电力系统的设计中仍存在挑战。本领域存在对于具有如下APO的电力系统的需要，该APO对于宽范围的电负载能够安全地运行并且能够以较低的价格进行制造。
发明内容
根据本发明的一个实施例，操作电力系统的方法包括：在电力系统的电力开关被关断时将外部负载连接到电力系统的电力插座，其中电力开关被耦合在电力系统的电源与电力插座之间；在电力开关被关断时测量外部负载的一个或多个电气特性；基于所测量的外部负载的一个或多个电气特性，确定外部负载的退磁能量是否在电力系统的安全操作范围内；并且响应于确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内，接通电力开关。
根据本发明的一个实施例，操作电力系统的方法包括：将负载连接到电力系统的输出端口，其中负载通过电力开关被耦合到电力系统的电源，其中在负载被连接时，电力开关处于断开(OFF)状态；确定负载的电阻是否小于第一预定阈值；响应于确定负载的电阻小于第一预定阈值，确定负载的电感是否大于第二预定阈值；并且响应于确定负载的电感大于第二预定阈值，将电力开关保持在断开状态。
根据本发明的一个实施例，电力电路包括：输入端口；输出端口；以及耦合在输入端口与输出端口之间的负载电感测量系统(LIMS)，LIMS包括：第一测量电路，被配置为在耦合在电源和输出端口之间的电力开关被关断时测量耦合到输出端口的外部负载的电阻；以及第二测量电路，被配置为在电力开关被关断时测量外部负载的电感，其中电力电路被配置为在以下情况下接通电力开关：外部负载的所测量的电阻大于第一预定阈值；或者外部负载的所测量的电阻小于第一预定阈值，并且外部负载的所测量的电感小于第二预定阈值。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：
图1示出了在一个实施例中的具有APO的电力系统的框图，APO具有负载电感测量系统；
图2示出了在一个实施例中的用于操作图1的电力系统的流程图；
图3A示出了在一些实施例中的在负载电阻与由负载电感存储的能量之间的关系；
图3B示出了在一个实施例中的流入连接到APO的电负载的最大负载电流；
图4是在一个实施例中的图1的APO的示意图；
图5示出了在一个实施例中的RLC电路；
图6示出了在一些实施例中的各种RLC电路的电压响应；
图7示出了在一个实施例中的图5的RLC电路的上升时间与负载电感之间的关系；
图8A、8B、8C和8D示出了在一些实施例中的在不同负载条件下操作的图1的电力系统的时序图；以及
图9是在一些实施例中的操作电力系统的方法的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论目前公开的实施例的制造和使用。然而应当理解，本发明提供了可以在各种具体上下文中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅说明制造和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。
将相对于具体上下文中的示例性实施例来描述本发明，即具有APO的电力系统，其中APO具有负载电感测量系统(LIMS)。
在本发明的实施例中，电力系统包括具有LIMS的APO。LIMS用于在APO的电力开关处于断开(OFF)状态时，测量连接到APO的输出端口的外部负载的一个或多个电气特性(例如，电阻和/或电感)。换句话说，在APO的电力开关接通之前执行外部负载的测量。如果测量的外部负载的一个或多个电气特性在预定范围之外，则确定电力系统可能由于负载的退磁能量而在电力开关的关断阶段期间不能安全地操作，因此，电力开关保持关断，使得没有电力被供应给外部负载。通过保持电力开关关断，避免了在电力开关的关断阶段期间对电力系统的潜在损坏。仅当一个或多个测量的电气特性指示电力系统可以在电力开关的关断阶段期间安全地操作时，APO的电力开关才被接通。
在一些实施例中，首先测量负载的电阻。如果所测量的负载电阻大于第一阈值，则认为电力系统能够处理退磁能量，并且APO的电力开关被接通以向外部负载供应电力。如果测量的负载电阻小于第一阈值，则接下来测量外部负载的电感。如果测量的负载电感小于第二阈值，则认为电力系统能够处理退磁能量，并且APO的电力开关被接通以向外部负载供应电力。如果测量的负载电感大于第二阈值，则APO的电力开关保持关断，以避免损坏电力系统。
现在参考图1，示出了电力系统200(也称为辅助电源系统)的框图，其包括电源141、APO 100以及退磁保护装置143。电源141也可以被称为电源，并且在图1中示出为电池(例如，汽车电池)，但是也可以使用任何其它合适的电源。电源141连接到APO 100的输入端口101。在图1的示例中，退磁保护装置143是连接到APO 100的输出端口103的续流二极管。当然，续流二极管是非限制性的示例。可以使用任何其它合适的保护装置，例如瞬态电压抑制(TVS)二极管等，来代替续流二极管，或者除了续流二极管之外还可以使用任何其它合适的保护装置。贯穿本文中的讨论，除非另有说明，否则相同的标号表示相同或相似的元件。
图1中的APO 100包括驱动器104、电力开关102和LIMS 106。例如，驱动器104被用于通过向电力开关102提供适当的栅极控制电压，来接通或关断电力开关102。驱动器104可以是任何合适的驱动器，诸如能够驱动功率MOSFET的栅极驱动器。在一些实施例中，驱动器104包括分立部件。在其它实施例中，驱动器104包括集成电路(IC)。图1中的电力开关102具有双向阻挡结构，其包括具有背对背连接的体二极管的两个功率晶体管(例如，功率MOSFET)。也可以使用其它类型的电力开关，诸如具有单向阻挡结构的电力开关。可以使用一个或多个MOSFET、BJT、GaN晶体管等形成功率开关102。LIMS 106被配置为测量一个或多个电气特性，诸如外部负载的电阻和电感。在一些实施例中，LIMS 106包括负载电阻测量电路320和负载电感测量电路330，其细节在下文中参考图4进行讨论。尽管图1将LIMS 106示出为驱动器104外部(例如，与其分离)的电路，但是LIMS 106可以与驱动器104被集成到相同的IC中。
图1进一步示出了连接到APO 100的输出端口103的外部负载145(也称为负载)。在图1中，外部负载145被建模为具有电阻Rload(也称为负载电阻)的电阻器R(例如，负载的等效电阻)与具有电感Lload(也称为负载电感)的电感器L(例如，负载的等效电感)串联耦合。如本领域技术人员容易理解的，尽管外部负载145可以包括以各种方式互连的各种类型的电气部件，但是在退磁保护的背景下，上述外部负载145的模型可以是足够的和适当的。如下文将更详细讨论的，负载电阻和负载电感将由LIMS 106测量，以确定电力系统是否可以安全地处理负载的退磁能量。
仍然参考图1，在电力开关102被接通时，在电力开关102的负载路径端子(例如，源极/漏极端子)之间形成低阻抗电路径，并且电源141电耦合到输出端口103，以向外部负载145提供电力(例如，提供负载电流)。在电力开关102被关断时(例如，在电力开关102的负载路径端子之间形成高阻抗电路径)，电源141从输出端口103解耦，因此，不向外部负载提供电力。
在一些实施例中，在电力开关102被接通时，电流流过负载145的电感器L并且将电磁能量存储在电感器L中；在电力开关被关断时，电感器L的电磁场崩塌，存储在负载145的电感器L中的电磁能量需要消散。在电力开关的关断阶段期间消散的电磁能量也可以称为退磁能量。在一些实施例中，在电力开关102的关断阶段期间，负载145的电感器L在APO 100的输出端口103处产生具有(与电源141的极性相比)相反极性的电压。这也可以称为反向电池问题。反向电池问题可能导致大电压和/或大电流，如果处理不当，则可能损坏电力系统200中的敏感半导体器件(例如，电力开关102)。退磁保护装置143(例如，续流二极管)允许退磁电流从中流过，并且退磁能量通过退磁保护装置143消散，从而在电力开关的关断阶段期间为电力系统200提供一定程度的保护。由退磁保护装置143提供的保护水平取决于退磁保护装置143的额定电流和/或额定电压。例如，大尺寸续流二极管可以耐受更高的电流和/或更高的电压，从而提供更好的保护以防止反向电池问题。然而，大尺寸的续流二极管更昂贵并且占用更多空间。
常规电力系统的设计和操作的挑战与外部负载的电感可能是未知且不可预测的事实有关。例如，汽车的用户可以将具有宽范围电感的负载连接到辅助电力插座。具有大负载电感的负载消散大的退磁能量，因为通常退磁能量与负载电感成比例。因此，为了保护电力系统，制造商经常使用尺寸超大的退磁保护装置(例如，尺寸超大的续流二极管)来进行保护以防止反向电池问题。然而，确定尺寸超大的退磁保护装置的额定电流和额定电压是困难的，并且即使尺寸超大的退磁保护装置也可能无法处理用户可能连接到辅助电力插座的所有可能负载。如果在关断阶段期间，由于具有大电感的负载连接到电力系统而导致退磁保护装置熔断，则下次连接具有大电感的负载时，在电力开关的关断阶段期间，退磁能量将通过电力系统200的电路(例如，通过电力开关102)消散，这可能损坏电力系统200并且甚至可能引起火灾。
在一些实施例中，本公开通过在电力开关102被接通之前使用LIMS 106测量负载的电气特性(例如，负载电阻、负载电感)来解决常规电力系统的上述问题。将测量的电气特性与预定阈值进行比较，以确定电力系统200是否可以在电力开关102的关断阶段期间安全地处理负载145的退磁能量。换句话说，仅在确定负载145的退磁能量在电力系统200的安全操作范围内之后，才将电力开关102接通以向负载145供应电力。如果测量的电气特性指示电力系统200不能安全地处理退磁能量，则电力开关102保持关断，并且没有电力被供应给负载145。
例如，可以使用方程式TH1≥Vbat/Imax，基于退磁保护装置143可以利用其安全地操作的最大电流Imax来确定负载电阻Rload的阈值TH1。暂时参考图3A，其示出了在电力开关被关断之前负载电阻Rload与由负载电感Lload存储的能量之间的关系。在图3A中，示出了电源141(例如，电池)具有12V的电压的四条不同的曲线210、220、230和240，其分别地对应于500μH、1mH、1.5mH和2mH的负载电感Lload。如图3A所示，在负载电阻Rload增加时，由负载电感器L存储的能量迅速地减小(例如，减小1/Rload 2)。在图3A所示的示例中，在负载电阻Rload大于约2Ω时，由负载电感器L存储的能量收敛到小值(例如，小于约0.03焦耳)以下，并且进入近似线性区域。因此，在一些实施例中，对于各种外部负载145，阈值TH1可以选择为2Ω。如果测量的负载电阻Rload大于阈值TH1，则在一些实施例中，在电力开关的关断阶段消散的能量将低于对应于阈值TH1的预期能量水平。
作为另一示例，基于电力系统200中使用的退磁保护装置143的额定电流和/或额定电压，可以通过例如计算和/或模拟来确定或估计可以由电力系统200安全地处理的最大退磁能量水平(其对应于外部负载145的最大负载电感Lmax)。然后可以将测量的负载电感Lload与最大负载电感Lmax进行比较，以确定接通电力开关102是否安全。下面讨论关于电力系统200的操作的细节。
现在参考图2，示出了用于操作图1的电力系统200的方法的流程图。在图2中，流程图在块410处开始，其中APO 100最初被关断(例如，在电力开关102关断的情况下处于睡眠模式)。在块420处，负载145被连接到(例如，被插入其中)APO 100的输出端口103。如下文更详细地讨论的，APO 100可以通过感测输出端口103处的电压来检测负载145的连接。注意，尽管负载145连接到APO 100的输出端口103，但是电力开关102被关断，因此电源141与负载145电解耦并且不向负载145供应电力。
接下来，在块430处，APO 100使用LIMS 106测量负载145的负载电阻Rload，并且将测量的负载电阻Rload与阈值TH1(参见上文关于TH1的讨论)进行比较。如果负载电阻Rload大于阈值TH1，则由退磁能量引起的退磁电流受到负载电阻Rload的限制，并且大部分退磁能量被负载电阻Rload消散。因此，确定电力系统200可以安全地处理负载145的退磁能量。结果，处理进行到块450，其中通过接通电力开关102来接通电力插座，并且如块460中所示，电源141提供负载电流以驱动负载145。
如果测量的负载电阻Rload小于阈值TH1，则APO 100使用LIMS 106测量负载145的负载电感Lload，并且将测量的负载电感Lload与阈值TH2进行比较，其中TH2可以是上文讨论的Lmax，如块440所示。如果测量的负载电感Lload小于阈值TH2，则确定电力系统200可以安全地处理负载145的退磁能量。结果，处理进行到块450，其中通过接通电力开关102来接通电力插座，接着，在块406中，电源141提供电流以驱动负载145。
然而，如果在块440中，测量的负载电感Lload大于阈值TH2，则确定负载145的退磁能量在电力系统200的安全操作范围之外。结果，电力开关102保持关断，并且电力插座保持关断。在块480中，负载145与输出端口103断开。APO 100检测到负载145的断开，并且返回到睡眠模式(返回到块410)。
注意，图2的流程图对应于启用APO 100的使能信号(例如，参见图4的输入端口105处的使能信号“En”)的情况，从而允许APO 100运行。在禁用使能信号时，无论负载145如何，APO 100都被关断(例如，电力开关102被关断)，并且电源141从APO 100的输出端口103解耦，因此不向APO 100的输出端口103供应电力。APO 100的使能信号为电力系统200提供附加级别的控制。在汽车中的辅助电力端口的示例中，在汽车的发动机开启时可以启用使能信号，并且在汽车的发动机关闭时可以禁用使能信号，以防止汽车电池的过度损耗。
图3B示出了在操作期间由电力系统200允许供应给负载145的最大负载电流的示例。在时间t0处，电力开关被接通以向负载145提供负载电流。在时间t0与时间t1之间，电力系统200允许更大的最大电流I1以允许负载电流的快速响应(例如，快速斜坡上升)。在一段时间以后，在时间t1处，负载电流进入稳定状态，并且允许较小的最大电流I2，以便保护电力系统200免受过电流。在时间t3处，电力开关102被关断，没有负载电流被供应给负载145。
图4是在一个实施例中的图1的APO 100的示意图。注意，为了避免混乱，图4中没有示出APO 100的所有特征。在一些实施例中，APO 100被实现为集成电路(IC)或IC的部分。如图4所示，APO 100具有输入端口101，输入端口101被配置为连接到具有电压Vbat的电源141(参见图1)，并且具有输出端口103，输出端口103被配置为连接到负载145(参见图1)。此外，APO具有输入端口105，输入端口105被配置为连接到使能信号“En”，使能信号“En”启用或禁用APO 100。具体地，使能信号“En”连接到与(AND)门113的输入，与门113的输出耦合到驱动器104，其中驱动器104为电力开关102提供栅极控制电压。在使能信号“En”具有逻辑零值时，与门113的输出被强制为逻辑低(例如，具有逻辑零值)，其指示驱动器104输出栅极控制电压(例如，用于N型MOSFET电力开关的逻辑低电压)，其将电力开关102保持在OFF状态(或者如果电力开关102处于导通(ON)状态，则关断电力开关102)。使能信号“En”还确定开关S3是否可以被激活(例如，闭合)。例如，在使能信号“En”被断言(asserted)时，在在输出端口103处检测到外部负载时，可以闭合开关S3，这激活APO 100的(下面讨论的)负载电阻测量电路320。
APO 100具有用于各种功能的不同电路。例如，在虚线矩形区域310A和310B中示出用于检测负载145的负载检测电路310，在虚线矩形区域320A和320B中示出用于测量负载电阻Rload的负载电阻测量电路320，并且在虚线矩形区域330A和330B中示出用于测量负载电感Lload的负载电感测量电路330。下面讨论负载检测电路310、负载电阻测量电路320和负载电感测量电路330的细节。
如图4所示，负载检测电路310包括偏置电压发生器311，其可用于生成在APO 100中使用的各种偏置电压或参考电压。负载检测电路310还包括比较器313，比较器313将APO的输出端口103处的电压Vout与参考电压Vref1和Vref2进行比较。在一些实施例中，APO 100通过在电力开关102被关断时测量输出端口103处的电压Vout来检测负载145的状态。具体地，APO将电压Vout与低阈值Vref1和高阈值Vref2进行比较，其中Vref1和Vref2是由APO 100的设计确定的预定电压值，并且Vref2＞Vbat-Vbias＞Vref1，并且Vbias是偏置电压发生器311的输出处的电压。
例如，如果输出端口103处的电压Vout在Vref1与Vref2之间，则APO 100确定没有负载连接到输出端口103。在电压Vout小于Vref1时，这指示负载145被连接到输出端口103，并且APO 100继续执行负载电阻测量(参见块430)。在电压Vout高于Vref2时，这指示输出端口103被连接到电源(例如，电池)，这可能发生在下面描述的两种情况中的一种情况中。第一种情况是适当的外部负载连接到输出端口103，并且APO 100接通电力开关102以向外部负载供应电力。第二种情况是电力开关102最初被关断，并且用户通过在输出端口103处施加充电电压/电流来对电源141(例如，汽车电池)充电，在这种情况下电力系统200可以进入充电模式。在充电模式中，来自比较器313的逻辑高值被发送到或(OR)门125的输入端子，并且在或门125的输出端生成逻辑高。或门125的输出由触发器123存储，并且触发器123的输出在经过与门113(假设使能信号“En”信号被断言)之后，指示驱动器104接通电力开关102。结果，充电电流从输出端口103流过电力开关102，并且流入电源141，以对电源141(例如，电池)充电。
在一些实施例中，为了防止过电流，电流感测电路121测量流过电力开关102的电流，并且使用比较器117将测量的电流与参考电流Iref(参见标记119)进行比较。如果测量的电流大于参考电流Iref，则比较器117生成逻辑高信号，该逻辑高信号在被反相器115反相之后在与门113的输出端产生逻辑低信号。作为响应，驱动器104关断电力开关102以防止由于过电流而损坏电力系统。
在图4中，负载电阻测量电路320包括电流源321和比较器323。为了执行负载电阻测量，在输入端口105处的使能信号“En”被断言，并且在输出端口103处检测外部负载，并且作为响应，APO 100闭合开关S3以激活电流源321。电流源321通过输出端口103向负载145提供电流Is，而电力开关102仍然被关断。由于负载145的负载电阻Rload，输出端口103处的电压Vout与Rload成比例(例如，假设电流源321是理想电流源，Vout＝Is x Rload)。比较器323将Vout与参考电压Vr进行比较，该参考电压Vr与阈值TH1(参见图2中的块430)相关，Vr＝Is x TH1。换句话说，通过比较电压Vout和Vr(其与相应电阻成比例)，比较器323有效地将测量的负载电阻Rload与阈值TH1进行比较。在电压Vout大于参考电压Vr时，比较器323生成逻辑高输出，其在经过上述逻辑门(例如，127、125、123、113)之后指示驱动器104接通电力开关102(参见图2中的块450)。在图4中，输入端口107用于设置参考电压Vr(其等效于针对给定电流源Is设置阈值TH1)，其中参考电压Vr是可变(例如，可编程)参考电压。在负载电阻测量完成之后，开关S3再次断开。在负载电阻测量完成之后，APO 100的定时电路331可以生成定时脉冲以断开开关S3。
一旦比较器323产生逻辑高输出(例如，Rload＞TH1)，就可以接通电力开关102，并且不需要执行负载电感测量。触发器123的取反输出(在这种情况下为逻辑零)被发送到与门129和131的输入端子，从而迫使与门129和131的输出为逻辑零。与门129的逻辑零输出用于保持开关S1和S3断开，从而禁用负载电感测量电路330。
如果测量的负载电阻Rload小于阈值TH1，则APO 100继续执行负载电感Lload的测量(参见图2的块440)。在这种情况下，负载电阻测量电路320的比较器323的输出为逻辑低，触发器123的取反输出为逻辑高，并且与门129的输出为逻辑高，使得开关S1和S2闭合，以激活负载电感测量电路330。注意，定时电路331生成适当的定时脉冲(例如，用于控制定时的脉冲)，并且定时脉冲中的至少一个定时脉冲被发送到与门129，使得触发器123的定时脉冲和取反输出的组合在与门129的输出处生成逻辑高信号，以激活负载电感测量电路330。为简化说明，本文不讨论定时电路331的细节。在图4中，绘制虚线矩形区域330B以覆盖定时电路331的部分，以指示由定时电路331生成的定时脉冲中的一些(但不是全部)定时脉冲由负载电感测量电路330使用。
仍然参考图4，负载电感测量电路330通过在电力开关102被关断时向负载电感测量电路提供电压脉冲(例如，电压的阶跃变化)，并且通过测量负载电感测量电路330的节点335处的电压Vcdet上升到预定阈值的持续时间，来测量负载电感Lload。如上所述，定时电路331可以在与门129的输入端生成定时脉冲，使得与门129的输出为逻辑高，结果，开关S1和S2闭合以激活负载电感测量电路330。开关S1和S2可以保持闭合一段时间(例如，几百毫秒)，并且在负载电感测量结束之后，开关S1和S2断开。
如图4所示，负载电感测量电路330包括：晶体管Q1(例如，BJT晶体管)；电容器Cdet，耦合在晶体管Q1的发射极与输出端口103之间；二极管D1(例如，齐纳二极管)，耦合在晶体管Q1的基极与输出端口103之间；以及电阻器R1，耦合在晶体管Q1的集电极与晶体管Q1的基极之间。负载电感测量电路330进一步包括电阻器R2、比较器333和定时电路331(的部分)。在示出的实施例中，如将在下文中更详细地讨论的，由于二极管D1(例如，齐纳二极管)提供的反馈路径，负载电感测量电路330的(在节点335处测量的)电压响应表现为非线性函数，并且电压响应不同于经典的RLC二阶滤波器。
在图5中，RLC电路由负载电感测量电路330的电气部件(例如，晶体管Q1、二极管D1、电阻器R1和电容器Cdet)和负载145的电气部件(负载电阻器R和负载电感器L)形成。特别地，负载电阻器R、负载电感器L和电容器Cdet提供RLC电路的电阻器、电感器和电容器。注意，由于二极管D1(例如，齐纳二极管)的反馈，节点335处的电压响应与经典RLC滤波器的电压响应不同，其中节点335是晶体管Q1与电容器Cdet之间的节点。在下面的讨论中，Cdet还可以用于表示电容器Cdet的电容。
参考图6，曲线513和523示出了图5的RLC电路(响应于阶跃电压输入在节点335处测量)的时间响应，其针对负载电感Lload具有不同值。x轴表示以秒为单位的时间，并且y轴表示以伏特为单位的电压。特别地，曲线523对应于比曲线513更大的负载电感。为了比较，曲线510和520示出了类似于图5的RLC电路的电压响应，但是移除了二极管D1。特别地，曲线510对应于曲线513，并且曲线520对应于曲线523，但是移除了二极管D1。可以看出，较大的负载电感对应于电压响应中的较慢变化。另外，由于齐纳二极管(例如，D1)的电压钳位，图5的RLC电路的电压响应(曲线513/523)不振荡。如下面参考图7所讨论的，频率响应曲线(例如，513、523)的开始部分(例如，频率响应平稳之前的部分)可以用于测量负载电感。
参考图7，对于给定的负载电阻Rload和给定的电容Cdet，负载电感Lload与在节点335处测量的电压Vcdet的上升时间TR之间的关系可以被绘制(或制成表格)为曲线710，其中上升时间TR是第一时刻与第二时刻之间的持续时间，其中第一时刻是在节点337处施加电压脉冲时(例如，在开关S1和S2闭合时)，并且第二时刻是电压Vcdet达到预定阈值时(例如，Vref2)。在一些实施例中，作为经验规则，在满足以下条件时，可以认为上升时间TR独立于负载电阻Rload：Lload/Rload≥100×Rload×Cdet。由于负载电感测量电路330的电容Cdet是已知的，因此能够使用(诸如，曲线710)单个曲线来描述负载电感Lload与上升时间TR之间的关系。例如，只要满足上述条件，曲线710可以用于将测量的上升时间TR转换成对应的负载电感Lload，而不管负载电阻Rload如何。如图7所示，由于上升时间与负载电感之间的一对一映射关系，上升时间与负载电感之间的转换是可能的。在其它实施例中，类似于曲线710的多条曲线可以被产生(每个对应于不同的负载电阻Rload)并且可以用于将测量的上升时间TR转换成对应的负载电感Lload，其中对应于最接近所测量的负载电阻的负载电阻的曲线用于转换。
返回参考图4，在负载电感的测量期间，节点335处的电压Vcdet被发送到比较器333的输入端子，并且与参考电压Vref2进行比较。上升时间TR被测量，其是施加电压脉冲的时刻(例如，在开关S1和S2闭合时)与电压Vcdet达到(例如，越过、上升到超过)参考电压Vref2的时刻之间的持续时间。然后在一些实施例中，使用图7的曲线710将上升时间TR转换为负载电感Lload。在一些实施例中，将测量的负载电感Lload与阈值TH2(参见图2的块440)进行比较，以确定退磁能量是否在电力系统200的安全范围内。下面讨论用于确定退磁能量是否在电力系统200的安全范围内的另一个实施例，其可以更容易实现。
在另一实施例中，使用(例如)曲线710将可由电力系统200安全地处理的最大负载电感(例如，TH2)转换为最大上升时间TRMAX。参考图4，在负载电感测量过程期间，在将电压脉冲施加到RLC电路时(例如，在开关S1和S2闭合时)，启动定时电路331的定时器(诸如在设定的时间段(例如，TRMAX)之后到期的向下计数定时器)。定时器可以产生在开关S1和S2闭合的时刻开始的定时脉冲(具有逻辑高值)，并且在TRMAX的持续时间之后停止。
如果节点335处的电压Vcdet在定时器到期之前(例如，在定时脉冲仍然具有逻辑高值时)达到预定阈值(例如，参考电压Vref2)，则比较器333的输出(其在这种情况下为逻辑高)被发送到与门131的第一输入端子。在定时器向下计数时(并且在它到期之前)，定时电路331将具有逻辑高值的定时脉冲发送到与门131的第二输入端子。结果，在与门131的输出处生成逻辑高信号。在通过逻辑门(例如125、123、113)之后，与门131的输出处的逻辑高信号指示驱动器104接通电力开关102。
如果节点335处的电压Vcdet(由于大的负载电感)上升得太慢并且在定时器到期之前没有达到参考电压Vref2，则与门131的输出是逻辑低信号，这将会使驱动器104将电力开关102保持在OFF状态。
图8A、8B、8C和8D示出了在一些实施例中在不同负载条件下操作的图1的电力系统200的时序图。注意，在图8A-8D中，具有相同标记(例如，Ta、Tb、Tc、Td和Te)但在不同图中的时刻可以指代不同的时间。例如，图8A中标记为Tc的时刻可以指与图8B中标记为Tc的时刻不同的时间。每个图中的电压V指代图4的节点335处的电压。注意，在每个不同的处理阶段(例如，负载电阻测量、负载电感测量)期间，电压V可以对应于不同的测量电压。例如，在负载电阻测量期间，电压V等于输出端口103处的电压Vout，并且在负载电感测量期间，电压V等于节点335处的电压Vcdet。此外，在电力开关102接通时，电压V等于输出端口103处的充电电压(例如，Vbat)加上电容器Cdet两端的电压Vcdet。
图8A示出了负载电阻Rload小于阈值TH1并且负载电感Lload小于阈值TH2的实施例的时序图。图8A表示在时间T0处没有外部负载连接到APO 100的输出端口103的情况，并且在时间T0处，输出端口103处的电压Vout在Vref1与Vref2之间。如在时间T0处由驱动器104的逻辑低值所示，电力开关102最初关断。在时间Ta处，外部负载连接到输出端口103，并且APO 100使用负载电阻测量电路320开始负载145的负载电阻的测量。电流源321(参见图4)向负载145供应电流，这使得电压Vout下降到与负载电阻成比例(例如，Is x Rload)并且小于阈值电压Vr的值。在时间Tb处，负载电阻测量完成。由于输出端口103处的电压Vout小于阈值电压Vr，APO 100确定负载电阻Rload小于TH1，因此需要执行负载电感的测量。因此，负载电感测量电路330在时间Tb处被激活，并且定时电路331中的定时器在时间Tb处被启动。节点335处的电压Vcdet随时间上升并且在定时器到期之前的时间Tc处达到参考电压Vref2，这指示负载电感Lload小于阈值TH2。因此，APO 100确定退磁能量在安全范围内，并且指示驱动器104输出逻辑高值以在时间Tc处接通电力开关102。结果，电源141(例如，电池)在时间Tc处电耦合到输出端口103，并且节点335处的电压V现在是Vbat+Vcdet。此外，在时间Tc处，负载电流Iload从电源141流入负载145以供应电力。在时间Td处，断开负载145，并且负载电流Iload停止。APO100检测到负载145的断开并且在时间Te处关闭驱动器104，结果，电压V在时间Te处下降回到Vref2。
图8B示出了负载电阻Rload小于阈值TH1并且负载电感Lload大于阈值TH2的实施例的时序图。直到时间Tb的时序图类似于图8A的时序图。APO 100在时间Ta与时间Tb之间执行负载电阻测量，并且确定负载电阻Rload小于阈值TH1。结果，负载电感测量在时间Tb处开始，并且定时器在时间Tb处被启动。然而，由于大的负载电感，节点335处的电压Vcdet缓慢地上升并且在定时器在时间Tc处到期之前未达到参考电压Vref2。结果，APO 100确定退磁能量是在电力系统200的安全范围之外，“故障”信号在时间Tc处变高以指示故障状态，并且驱动器104的输出保持为低，从而保持电力开关102关断。在时间Td处，断开负载145，输出端口103处的电压Vout下降到Vref1与Vref2之间的值。
图8C示出负载电阻Rload大于阈值TH1的实施例的时序图。在时间Ta处，负载145连接到输出端口103。在时间Ta与Tb之间，执行负载电阻测量。由于输出端口103处的电压Vout在阈值电压Vr以上，这指示负载电阻Rload在阈值TH1以上，并且接通电力开关102是安全的。因此，在时间Tb处，驱动器104输出逻辑高值，以接通电力开关102。结果，在时间Tb处，电源141(例如，电池)电耦合到输出端口103，并且电压V现在是Vbat+Vcdet。在时间Tb处，负载电流Iload从电源141流入负载145以供应电力。在时间Tc处，断开负载，并且负载电流Iload停止。APO 100检测到负载145的断开并且在时间Td处关闭驱动器104，结果，电压V在时间Td处下降回到Vref2。
图8D示出了用户正在对电源141充电的实施例的时序图。在时间Ta处，用户施加高于参考电压Vref2的充电电压。APO 100检测充电模式，并且在驱动器104的输出处输出逻辑高值来接通电力开关102以允许充电。充电电流在时间Ta处开始，其从输出端口103流入电源141，并且被示出为负电流以指示与正常模式不同的电流的反向方向。充电从时间Ta持续到时间Tb，在此期间节点335处的电压V等于Vbat+Vcdet。在时间Tb处，充电结束，负载电流停止，并且电压V下降到Vref1与Vref2之间的值。
图9示出了根据一些实施例的操作电力系统的方法1000的流程图。应该理解，图9中所示的实施例方法仅仅是许多可能的实施例方法的示例。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复如图9中所示的各种步骤。
参考图9，在块1010处，在电力系统的电力开关被关断时，将外部负载连接到电力系统的电力插座，其中电力开关耦合在电力系统的电源与电力插座之间。在块1020处，在电力开关被关断时测量外部负载的一个或多个电气特性。在块1030处，基于外部负载的所测量的一个或多个电气特性，确定外部负载的退磁能量是否在电力系统的安全操作范围内。在块1040处，响应于确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内，接通电力开关。
实施例可以实现多种优点。例如，当前公开的电力系统的实施例在电力开关被接通之前确定负载的退磁能量是否在电力系统的安全操作范围内。只有在确定电力系统能够安全地处理负载的退磁能量之后才接通电力开关。这避免或降低了电力系统被退磁能量损坏的可能性。由于所公开的方法和结构，退磁保护装置(例如，续流二极管)的尺寸更容易确定并且不需要过大，这节省了部件成本并且减小了电力系统的尺寸。
这里总结了本发明的示例实施例。从整个说明书和本文提交的权利要求中还可以理解其它实施例。
示例1。在一个实施例中，操作电力系统的方法包括：在电力系统的电力开关被关断时将外部负载连接到电力系统的电力插座，其中电力开关被耦合在电力系统的电源与电力插座之间；在电力开关被关断时测量外部负载的一个或多个电气特性；基于外部负载的所测量的一个或多个电气特性，确定外部负载的退磁能量是否在电力系统的安全操作范围内；以及响应于确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内，接通电力开关。
示例2。根据示例1所述的方法，其中测量外部负载的一个或多个电气特性包括测量外部负载的电阻。
示例3。根据示例2所述的方法，其中测量外部负载的电阻包括：通过电力插座向外部负载供应电流；以及测量外部负载两端的电压降。
示例4。根据示例2所述的方法，其中确定包括：将外部负载的所测量的电阻与第一预定阈值进行比较；以及在所测量的电阻大于第一预定阈值时，确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内。
示例5。根据示例4所述的方法，其中测量外部负载的一个或多个电气特性进一步包括：在所测量的电阻小于第一预定阈值时，测量外部负载的电感。
示例6。根据示例5所述的方法，其中确定包括：将所测量的电感与第二预定阈值进行比较；以及在所测量的电感小于第二预定阈值时，确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内。
示例7。根据示例5所述的方法，其中测量外部负载的电感包括：将电容器的第一端子耦合到电力插座；将电压脉冲施加到电容器的第二端子；在施加电压脉冲时启动定时器，其中定时器在预定持续时间之后到期；以及在定时器到期之前，检测电容器的第二端子处的电压是否达到预定电压值。
示例8。根据示例7所述的方法，其中确定包括：在电容器的第二端子处的电压在定时器到期之前达到预定电压值，确定外部负载的退磁能量在安全操作范围内。
示例9。根据示例5所述的方法，其中测量外部负载的电感包括：将电容器的第一端子耦合到电力插座；将电压脉冲施加到电容器的第二端子；以及测量在电压脉冲被施加时的第一时刻与在电容器的第二端子处的电压达到预定电压值时的第二时刻之间的持续时间。
示例10。根据示例9所述的方法，其中测量外部负载的电感进一步包括：使用所测量的持续时间与电感值之间的预定关系将所测量的持续时间转换为电感值。
示例11。根据示例1所述的方法，其中确定包括：在外部负载的测量的电阻小于第一预定阈值并且外部负载的测量的电感大于第二预定阈值时，确定外部负载的退磁能量在安全操作范围之外。
示例12。根据示例11所述的方法，进一步包括：响应于确定外部负载的退磁能量在安全操作范围之外，保持电力开关关断。
示例13。操作电力系统的方法包括：将负载连接到电力系统的输出端口，其中负载通过电力开关被耦合到电力系统的电源，其中在连接负载时电力开关处于断开状态；确定负载的电阻是否小于第一预定阈值；响应于确定负载的电阻小于第一预定阈值，确定负载的电感是否大于第二预定阈值；以及响应于确定负载的电感大于第二预定阈值，将电力开关保持在断开状态。
示例14。根据示例13所述的方法，进一步包括：响应于确定负载的电阻大于第一预定阈值，接通电力开关。
示例15。根据示例13所述的方法，进一步包括：响应于确定负载的电感小于第二预定阈值，接通电力开关。
示例16。根据示例13所述的方法，其中确定负载的电阻是否小于第一预定阈值包括：在电力开关处于断开状态时通过输出端口向负载供应电流；以及将负载两端的电压降与预定电压值进行比较。
示例17。根据示例13所述的方法，其中确定负载的电感是否大于第二预定阈值包括：在电力开关处于断开状态时向电容器的第一端子供应电压脉冲，其中电容器的第二端子连接到输出端口；以及检测电容器的第一端子处的电压是否在预定持续时间内上升到预定电压值。
示例18。电力电路包括：输入端口；输出端口；以及耦合在输入端口与输出端口之间的负载电感测量系统(LIMS)，负载电感测量系统包括：第一测量电路，被配置为在被耦合在电源与输出端口之间的电力开关被关断时测量被耦合到输出端口的外部负载的电阻；以及第二测量电路，被配置为在电力开关被关断时测量外部负载的电感，其中电力电路被配置为在以下情况下接通电力开关：外部负载的所测量的电阻大于第一预定阈值；或者外部负载的所测量的电阻小于第一预定阈值，并且外部负载的所测量的电感小于第二预定阈值。
示例19。根据示例18所述的电力电路，进一步包括电力开关，其中电力开关被耦合在输入端口与输出端口之间。
示例20。根据示例19所述的电力电路，进一步包括电源，其中电源被耦合到输入端口，并且被配置为在电力开关被接通时向外部负载供应电力。
示例21。根据示例18所述的电力电路，其中电力电路被配置为在确定所测量的电阻小于第一预定阈值之后测量外部负载的电感。
示例22。根据示例18所述的电力电路，其中电力电路被配置为在外部负载的所测量的电阻小于第一预定阈值并且外部负载的所测量的电感大于第二预定阈值时，保持电力开关关断。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。参考说明书，本领域技术人员将清楚说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (22)

1.一种操作电力系统的方法，所述方法包括：
在所述电力系统的电力开关被关断时将外部负载连接到所述电力系统的电力插座，其中所述电力开关被耦合在所述电力系统的电源与所述电力插座之间，并且所述外部负载包括电气部件；
在所述电力开关被关断时测量所述外部负载的一个或多个电气特性；
基于所述外部负载的所测量的一个或多个电气特性，确定所述外部负载的退磁能量是否在所述电力系统的安全操作范围内；以及
响应于确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围内，接通所述电力开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述外部负载的一个或多个电气特性包括测量所述外部负载的电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其中测量所述外部负载的所述电阻包括：
通过所述电力插座向所述外部负载供应电流；以及
测量所述外部负载两端的电压降。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定包括：
将所述外部负载的所测量的电阻与第一预定阈值进行比较；以及
在所测量的电阻大于所述第一预定阈值时，确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中测量所述外部负载的一个或多个电气特性进一步包括：在所测量的电阻小于所述第一预定阈值时，测量所述外部负载的电感。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定包括：
将所测量的电感与第二预定阈值进行比较；以及
在所测量的电感小于所述第二预定阈值时，确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围内。
7.根据权利要求5所述的方法，其中测量所述外部负载的所述电感包括：
将电容器的第一端子耦合到所述电力插座；
将电压脉冲施加到所述电容器的第二端子；
在施加所述电压脉冲时启动定时器，其中所述定时器在预定持续时间之后到期；以及
在所述定时器到期之前，检测所述电容器的所述第二端子处的电压是否达到预定电压值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述确定包括：在所述电容器的所述第二端子处的所述电压在所述定时器到期之前达到所述预定电压值时，确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围内。
9.根据权利要求5所述的方法，其中测量所述外部负载的所述电感包括：
将电容器的第一端子耦合到所述电力插座；
将电压脉冲施加到所述电容器的第二端子；以及
测量在所述电压脉冲被施加时的第一时刻与在所述电容器的所述第二端子处的电压达到预定电压值时的第二时刻之间的持续时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中测量所述外部负载的所述电感进一步包括：使用所测量的持续时间与所述电感值之间的预定关系，将所测量的持续时间转换为电感值。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定包括：
在所述外部负载的测量的电阻小于第一预定阈值并且所述外部负载的测量的电感大于第二预定阈值时，确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围之外。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
响应于确定所述外部负载的所述退磁能量在所述安全操作范围之外，保持所述电力开关关断。
13.一种操作电力系统的方法，所述方法包括：
将负载连接到所述电力系统的输出端口，其中所述负载通过电力开关被耦合到所述电力系统的电源，其中在连接所述负载时所述电力开关处于断开状态，并且所述负载包括电气部件；
确定所述负载的电阻是否小于第一预定阈值；
响应于确定所述负载的所述电阻小于所述第一预定阈值，确定所述负载的电感是否大于第二预定阈值；以及
响应于确定所述负载的所述电感大于所述第二预定阈值，将所述电力开关保持在所述断开状态。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
响应于确定所述负载的所述电阻大于所述第一预定阈值，接通所述电力开关。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
响应于确定所述负载的所述电感小于所述第二预定阈值，接通所述电力开关。
16.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述负载的所述电阻是否小于所述第一预定阈值包括：
在所述电力开关处于所述断开状态时，通过所述输出端口向所述负载供应电流；以及
将所述负载两端的电压降与预定电压值进行比较。
17.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述负载的所述电感是否大于所述第二预定阈值包括：
在所述电力开关处于所述断开状态时，向电容器的第一端子供应电压脉冲，其中所述电容器的第二端子连接到所述输出端口；以及
检测所述电容器的所述第一端子处的电压是否在预定持续时间内上升到预定电压值。
18.一种电力电路，包括：
输入端口；
输出端口；以及
耦合在所述输入端口与所述输出端口之间的负载电感测量系统(LIMS)，所述负载电感测量系统包括：
第一测量电路，被配置为在被耦合在电源与所述输出端口之间的电力开关被关断时测量被耦合到所述输出端口的外部负载的电阻，所述外部负载包括电气部件；以及
第二测量电路，被配置为在所述电力开关被关断时测量所述外部负载的电感，
其中所述电力电路被配置为在以下情况下接通所述电力开关：
所述外部负载的所测量的电阻大于第一预定阈值；或者
所述外部负载的所测量的电阻小于所述第一预定阈值，并且所述外部负载的所测量的电感小于第二预定阈值。
19.根据权利要求18所述的电力电路，进一步包括所述电力开关，其中所述电力开关被耦合在所述输入端口与所述输出端口之间。
20.根据权利要求19所述的电力电路，进一步包括所述电源，其中所述电源被耦合到所述输入端口，并且被配置为在所述电力开关被接通时向所述外部负载供应电力。
21.根据权利要求18所述的电力电路，其中所述电力电路被配置为在确定所测量的电阻小于所述第一预定阈值之后测量所述外部负载的所述电感。
22.根据权利要求18所述的电力电路，其中所述电力电路被配置为在所述外部负载的所测量的电阻小于所述第一预定阈值并且所述外部负载的所测量的电感大于所述第二预定阈值时，保持所述电力开关关断。
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