CN111142593B - 用于热敏电子部件的被动加热的系统和方法 - Google Patents

用于热敏电子部件的被动加热的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统，包括电源、壳体、热敏电子部件和加热电路。热敏电子部件被封闭在所述壳体内并且电连接到电源，其中当所述热敏电子部件的温度降低并且超过阈值温度时，热敏电子部件变得容易发生故障。加热电路至少部分地封闭在壳体内并且包括热变电阻器，加热电路电连接到电源并且被构造成当壳体内的温度降低并接近阈值温度时在壳体内产生热能，以便将热敏电子部件的温度维持在阈值温度以上。

Description

用于热敏电子部件的被动加热的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年11月1日提交的美国专利申请No.16/177,996的优先权和权益，其全部内容合并于此。
技术领域
本公开涉及用于在阈值温度以下操作的系统，并且更具体地，涉及具有热敏电子部件的系统。
背景技术
本文公开的主题大体上涉及用于被动地加热热敏电子部件的系统和方法，并且更具体地，涉及用于在冷温度操作期间被动地将一个或多个电子部件的温度维持在最小操作温度之上的系统和方法。
许多航空航天和地面系统并入了各种复杂的内部电子系统，例如导向系统、导航系统、动力系统等。在操作期间，这些系统可能会经受各种环境极端条件，例如极端高温和低温和/或例如温度、湿度和压力的各种环境条件的快速波动。
结果，许多常规的航空航天和地面系统可以包括一个或多个环境控制系统，该环境控制系统被布置成保护敏感的内部电子硬件和电路免受周围环境条件的影响。然而，通常，这些环境控制系统需要附加的环境屏蔽和/或它们自己的控制系统。另外，许多常规的环境控制系统本身也很复杂，并且为了它们的设计和实施，可能需要大量的时间和财政支出。附加缺点是，此类系统可能会因为它们的复杂性而意外失效和/或需要定期维护。
例如，许多航空航天系统被设计用于高海拔冷温操作。但是，某些电子部件，例如一个或多个现成的微处理器，为了正确操作，可能需要温度受控的内部环境。为此，典型的航空航天系统可以包括独立的环境控制系统，其本身可以依靠由一个或多个专用电子部件(例如温度传感器、微控制器等)所获得和/或处理的温度测量和/或计算。
发明内容
在一个方面中，提供一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统。该系统包括电源、壳体、热敏电子部件和加热电路。热敏电子部件被封装在壳体内并且电连接到电源，当热敏电子部件的温度降低并且越过阈值温度时，热敏电子部件变得容易出现故障。加热电路至少部分地封装在壳体内并且包括热变电阻器，加热电路电连接到电源并且被构造成当壳体内的温度降低并且接近阈值温度时在壳体内产生热能，以便将热敏电子部件的温度维持在阈值温度以上。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的零件，其中：
图1是示例性被动加热系统的框图；
图2是在图1的被动加热系统中使用的包括正温度系数热敏电阻器的示例性加热电路的电路图；
图3是图2所示的正温度系数热敏电阻器的示例性温度性能曲线；
图4是在图1的被动加热系统中使用的包括负温度系数热敏电阻器的替代示例性加热电路的电路图；
图5是图4所示的负温度系数热敏电阻器的示例性温度性能曲线；
图6是包括图2所示的多个示例性加热电路的示例性被动加热系统的示意图；
图7是在图1的被动加热系统中使用的包括电流监测器的替代示例性加热电路的电路图；
图8是在图1的被动加热系统中使用的包括电流监测器和控制器的替代示例性加热电路的示意图；和
图9是改造系统用于在阈值温度以下操作的示例性方法的流程图。
除非另外指出，否则本文提供的附图旨在说明本公开的实施例的特征。相信这些特征可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。这样，附图并不旨在包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将参考多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。
除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情形可能会发生或可能不会发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件未发生的情况。
如本文所使用的，短语“产生热能”意指发电机产生至少0.1瓦特的热能。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语，例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”不仅仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广义地指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读介质以及诸如闪存的计算机可读非易失性介质。可替代地，也可以使用其他计算机外围设备，其他计算机外围设备例如可以包括但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员界面监视器。
在整个说明书和权利要求书中，如本文所使用的，近似语言可以用于修饰任何能够允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语，例如“大约”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并包括其中包含的所有子范围。
本文描述了被动加热系统和方法的示例性实施例。本文描述的示例性被动加热系统包括壳体和封闭在壳体内的热敏电子部件。热敏电子部件电连接到电源。热敏电子部件被设计用于在阈值温度以上可靠操作。具体地，当在阈值温度以下操作电子部件时，热敏电子部件容易加速出现故障。被动加热系统进一步包括至少部分地封闭在壳体内的加热电路。加热电路包括电连接到电源的热变电阻器。加热电路被构造成当壳体内的温度降低并且接近阈值温度时在壳体内产生热能，以便将热敏电子部件的温度维持在阈值温度以上。
图1是示例性被动加热系统100的框图。被动加热系统100包括电源单元102、壳体104和封闭在壳体104内的热敏电子部件106。在示例性实施例中，热敏电子部件106是在航空航天装置或运载器的机载计算系统中使用的电子部件。例如，热敏电子部件106可以是航空航天装置或运载器的远程接口单元(RIU)系统中的电子部件。更具体地，在示例性实施例中，热敏电子部件106是在RIU系统中使用的微处理器。在替代实施例中，热敏电子部件106可以是包括在RIU系统的微处理器中的各个电子部件。在更进一步的实施例中，热敏电子部件106是使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何电子部件。
在示例性实施例中，热敏部件106电连接到电源102。热敏电子部件106被构造用于在阈值温度以上操作。特别地，热敏电子部件106被构造成在制造商指定的阈值温度之上一致地且可靠地操作。因此，当在周围温度在阈值温度以下的环境中操作时，热敏电子部件106容易出现更高的故障概率。
被动加热系统100进一步包括加热电路108，加热电路108包括封闭在壳体104内并且电连接到电源单元102的例如热敏电阻器110的热变电阻器。在示例性实施例中，电源单元102位于壳体104的外部。在替代实施例中，电源单元102位于壳体104内。在示例性实施例中，电源单元102将直流(DC)电力供应给加热电路108和热敏部件106。在替代实施例中，电源单元102包括使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何电压源。例如，在替代实施例中，电源单元102包括被构造成提供直流电的多个电压源，例如5伏、12伏和28伏总线。在这种实施例中，加热电路108电耦合到12伏总线，并且热敏电子部件106电耦合到28伏总线。在其他实施例中，加热电路108被构造成电耦合到使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何电源。在替代实施例中，加热电路108连接到与热敏电子部件106不同的电源单元102。
在示例性实施例中，壳体104封闭加热电路108和热敏电子部件106，使得由加热电路108辐射的热量至少部分地被捕获并容纳在壳体104内，以促进热敏电子部件106的加热。在示例性实施例中，热敏电子部件106和热敏电阻器110分别耦合到印刷电路板(未示出)，并且物理上彼此直接耦合，以促进热敏电子部件106和热敏电阻器110之间的热传导。在替代实施例中，热敏电阻器110与热敏电子部件106间隔开并且位于热敏电子部件106附近，以促进热敏电子部件106和热敏电阻器110之间的有效对流热交换。在示例性实施例中，壳体104包括塑料外壳，以及在塑料外壳与印刷电路板之间的绝热材料。壳体104的厚度有助于在壳体104内捕获产生的热量，同时防止壳体104内的部件过热。在其他实施例中，壳体104不包括绝热材料。替代地，壳体104由使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何材料构成。
在示例性实施例中，加热电路108被构造成当壳体104内的温度下降并且接近阈值温度时产生热能，使得热敏电子部件106的温度维持在阈值温度以上。在示例性实施例中，加热电路108的热敏电阻器110由具有热变电阻的陶瓷材料构成。在替代实施例中，热敏电阻器110由聚合物构成。在更进一步的实施例中，热敏电阻器110由使热敏电阻器110能够如本文所述地起作用的任何材料构成。热敏电阻器110依据围绕热敏电阻器110的周围环境温度而具有变化的电阻。特别地，如将参考图3更详细地描述的，热敏电阻器110被构造成在周围温度达到热敏电阻器110的临界温度时改变其电阻。
在示例性实施例中，当热敏电阻器110电耦合至电源单元102时，围绕热敏电阻器110的周围环境温度的变化影响加热电路108的总电阻的变化。因此，在示例性实施例中，围绕热敏电阻器110的周围环境温度的变化引起由加热电路108输出的总热能的变化。特别地，热敏电阻器110被构造成当热敏电阻器110的温度小于热敏电阻器110的临界温度时，使加热电路108实质上增加热能的产生。
如关于图2至图5更详细描述的，加热电路108可以具有不同构造，该不同构造使热敏电阻器110的电阻变化能够导致加热电路108产生热能。例如，在加热电路108的一些实施例中，当热敏电阻器110的温度降低并且接近阈值温度时，热敏电阻器110本身通过增加电阻来产生热能。在加热电路108的其他实施例中，热敏电阻器110基本上不增加产生的热能，而是会使得流过加热电路108的电流变化，这会使得加热电路108的单独电阻器产生附加热能。特别地，在这种实施例中，当热敏电阻器110的温度降低并且接近阈值温度时，热敏电阻器110的电阻减小。因此，在加热电路108的这种实施例中，热敏电阻器110的电阻减小使得流过加热电路108的电流增加，这转而使得与热敏电阻器110串联相连的单独电阻器产生热能。
在示例性实施例中，热敏电阻器110被构造成使得热敏电阻器110的临界温度小于热敏电子部件106的阈值温度。因此，当热敏电阻器110的温度大于热敏电子部件106的阈值温度时(即，也在热敏电阻器的临界温度以上)，加热电路108基本不产生热能。因此，在示例性实施例中，加热电路108不能使热敏电子部件106过热。此外，当周围温度降低并且越过热敏电子部件106的阈值温度时，热敏电阻器110的温度也下降到临界温度以下，使得加热电路108实质上增加热能的产生，从而将热敏电子部件106的温度维持在热敏电子部件106的阈值温度以上的温度。
在一些替代实施例中，热敏电阻器110的临界温度不同于热敏电子部件106的阈值温度，使得当热敏电阻器110的温度处于从比阈值温度小的温度到比阈值温度大的温度的温度范围内时，加热电路108产生热能。在这些实施例中，加热电路108被构造成随着热敏电阻器110的温度从温度范围的上端移动到温度范围的下端而增加热能的产生。在示例性实施例中，热敏电阻器110的最低临界温度近似等于负四十摄氏度(-40℃)。在替代实施例中，阈值温度和临界温度是使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何温度。
图2是在被动加热系统100(图1中示出)中使用的示例性加热电路108的电路图。
图3是图2所示的正温度系数热敏电阻器110的示例性温度性能曲线116。性能曲线116的x轴表示热敏电阻器110的温度。性能曲线116的y轴表示热敏电阻器110的电阻。参考图2，在示例性实施例中，加热电路108包括电压源112。在示例性实施例中，电压源112是电源单元102(图1所示)。在替代实施例中，电压源112是由电源单元102供电的替代电源。加热电路108进一步包括与电压源112串联电耦合的电阻器114和热敏电阻器110。
在示例性实施例中，电压源112是恒定电势源，其独立于加热电路108上任何变化的电阻性负载，维持恒定的电压供应。热敏电阻器110是正温度系数(PTC)热敏电阻器110，其被构造成随着围绕热敏电阻器110的周围温度降低而减小其电阻，并且随着围绕热敏电阻器110的温度升高而增大其电阻。电阻器114被构造成不管温度变化如何，都维持基本上固定的电阻。因此，在示例性实施例，当PTC热敏电阻器110的温度在临界温度以上(即，温度大于如图3所示的TE)时，热敏电阻器110的电阻相对较高，并且由于热敏电阻器110的相对较高的电阻，因此流过电阻器114和热敏电阻器110的电流相对较低。然而，当PTC热敏电阻器110的温度下降到临界温度以下时，PTC热敏电阻器110的电阻显著地下降。更具体地，参考图3，当PTC热敏电阻器110的温度下降到TE以下时，热敏电阻器110的电阻相应地从RE欧姆下降到RN欧姆。再次参考图2，因为电压源112是恒定电势源，所以在示例性实施例中，PTC热敏电阻器110的电阻减小到RN欧姆使得流过电阻器114和PTC热敏电阻器110的电流增加。
电阻器114产生的热量是流过电阻器114的电流的平方乘以电阻器114的电阻的函数。因为电阻器114的电阻是固定的，所以由PTC热敏电阻器110的电阻下降到RN欧姆而引起的流过电阻器114的电流变化使得电阻器114产生热能。此外，尽管电阻下降，但是由于通过PTC热敏电阻器110的电流增加，因此PTC热敏电阻器110也可以产生热能。因此，当流过电阻器114和热敏电阻器110的电流增加时，由电阻器114产生的热能增加。
在示例性实施例中，当PTC热敏电阻器110的温度在临界温度以下时，电阻器114具有比PTC热敏电阻器110更高的电阻。因而，在示例性实施例中，由加热电路108产生的热量主要由电阻器114产生。因此，PTC热敏电阻器110主要用于依据PTC热敏电阻器110的温度，调节通过加热电路108的电流，以及特别地，调节经过电阻器114的电流。在示例性实施例中，热敏电阻器110与电阻器114间隔开足够的距离，以防止电阻器114产生的热量使得热敏电阻器110的周围温度上升到壳体104的总体周围温度以上。在某些实施例中，PTC热敏电阻器110与电阻器114间隔在1mm和5mm之间。更具体地，PTC热敏电阻器110与电阻器114至少间隔0.5mm。在替代实施例中，PTC热敏电阻器110与电阻器间隔开使被动加热系统100能够如本文所述地起作用的任何距离。在进一步的替代实施例中，加热电路108仅仅包括电耦合到电压源112的PTC热敏电阻器110。在这种实施例中，由加热电路108产生的热量仅仅由PTC热敏电阻器110产生。
参考图3，在性能曲线116中，PTC热敏电阻器110具有在TE至TN的范围内的临界温度。TE表示电阻开始明显变化的温度。TN表示热敏电阻器110的电阻在TN以下稳定在低值的温度。在示例性实施例中，当热敏电阻器110的温度大于TE时，PTC热敏电阻器110的电阻至少大于RE欧姆。在示例性实施例中，RE欧姆是PTC热敏电阻器110的最大可能电阻的至少90％。
随着PTC热敏电阻器110的温度下降到TE以下，热敏电阻器110的电阻相应地从RE欧姆下降到RN欧姆。在示例性实施例中，RN欧姆小于PTC热敏电阻器110的最大可能电阻电势的20％。更具体地，在示例性实施例中，RN欧姆小于PTC热敏电阻器110的最大可能电阻的5％。随着PTC热敏电阻器110的温度下降到TN以下，热敏电阻器110的电阻稳定在RN欧姆和RA欧姆之间。在示例性实施例中，RN为2000欧姆，并且RE为100欧姆。在替代实施例中，PTC热敏电阻器具有限定使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何范围的任何值RN和RE。
TE到TN之间的温度差影响加热电路108能够产生热量的快速性。换句话说，TE到TN之间的差越小，加热电路108越用作具有加热模式和关闭模式的二进制开关。相反地，TE到TN之间的差较大的PTC热敏电阻器110允许加热的稳定增加。在示例性实施例中，TE等于-39摄氏度，并且TN等于-40摄氏度。即，在示例性实施例中，在热敏电子部件106的阈值温度等于-40摄氏度的情况下，TN等于阈值温度，并且TE等于比阈值温度高一度。在替代实施例中，TE到TN之间的差可以在0.01摄氏度和20摄氏度之间。更具体地，TE到TN之间的差的范围可以在1度和5度之间。在更进一步的实施例中，TE到TN限定使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何范围。
在示例性实施例中，由加热电路108产生的总热量，温度变化与所产生的热量的变化之间的关系，以及热敏电阻器110的临界温度都由加热电路108的物理特性确定。例如，在替代实施例中，加热电路108包括与PTC热敏电阻器110和电阻器114并联相连的多个PTC热敏电阻器110和/或电阻器114。因此，在这些实施例中，温度降低与加热电路108所产生的热量的比率相对于示例性实施例被增加。另外，热敏电阻器110的临界温度通过热敏电阻器110的材料成分来确定。因此，取决于应用，可以基于热敏电阻器110的期望的临界温度来选择热敏电阻器110。结果，被动加热系统100允许对热敏电子部件进行热调节，而不需要控制器或计算机执行软件。
图4是在图1的被动加热系统100中使用的包括负温度系数(NTC)热敏电阻器110的示例性替代加热电路108的电路图。图5是图4所示的NTC热敏电阻器110的示例性温度性能曲线120。性能曲线120的x轴表示热敏电阻器110的温度。性能曲线120的y轴表示热敏电阻器110的电阻。在示例性实施例中，加热电路108包括电流源118，电流源118被构造成不管NTC热敏电阻器110的电阻变化如何，都向NTC热敏电阻器110提供恒定电流。在示例性实施例中，电流源118电耦合至电源单元102(图1所示)。
参考图5，在示例性实施例中，NTC热敏电阻器110被构造成随着围绕热敏电阻器110的周围温度增加而减小其电阻。因此，在示例性实施例，当NTC热敏电阻器110的温度在临界温度TE以上时，热敏电阻器110的电阻RE相对较低。随着NTC热敏电阻器110的温度下降到NTC热敏电阻器110的临界温度TE以下，热敏电阻器110的电阻从RE欧姆增加到RN欧姆。因此，在示例性性能曲线中，NTC热敏电阻器110具有在TE至TN范围内的临界温度，其中TE表示电阻开始明显变化的温度，并且TN表示热敏电阻器110的电阻在TN以下稳定在高值的温度。
在示例性实施例中，当热敏电阻器110的温度大于TE时，NTC热敏电阻器110的电阻小于RE欧姆。在示例性实施例中，RE欧姆小于NTC热敏电阻器110的最大可能电阻的10％。在示例性实施例中，RN欧姆大于NTC热敏电阻器110的最大可能电阻的60％。更特别地，在示例性实施例中，RN欧姆大于NTC热敏电阻器110的最大可能电阻的80％。
在示例性实施例中，TE等于-39摄氏度和TN等于-40摄氏度。即，在示例性实施例，在热敏电子部件106的阈值温度等于-40摄氏度的情况下，TN等于阈值温度，并且TE等于比阈值温度高一度。在替代实施例中，TE到TN之间的差可以在0.01摄氏度和20摄氏度之间。更具体地，TE到TN之间的差的范围可以在1度和5度之间。在更进一步的实施例中，TE到TN限定使被动加热系统100能够如本文所述起作用的任何范围。
参考图4，由于电流源118是恒定电流源，因此NTC热敏电阻器110的电阻从RE欧姆增加到RN欧姆使得NTC热敏电阻器110产生的热量相应增加。即，由于NTC热敏电阻器110产生的热量是热敏电阻器110上的电流的平方乘以热敏电阻器110的电阻的函数，并且由于电流被电流源118维持在恒定值，因此增加NTC热敏电阻器110的电阻增加了由加热电路108产生的热量，尤其是增加了由NTC热敏电阻器110产生的热量。
图6是包括多个示例性加热电路208、218、228、238的示例性被动加热系统200的示意图。在示例性实施例中，多个加热电路208、218、228、238围绕热敏电子部件206布置。特别地，被动加热系统200包括四个加热电路208、218、228、238。在替代实施例中，被动加热系统200包括使被动加热系统200能够如本文所述起作用的任何数量的加热电路。
在示例性实施例中，每个加热电路208、218、228、238包括恒定电压源212、222、232、242，PTC热敏电阻器210、220、230、240，和电阻器214、224、234、244。在替代实施例中，每个加热电路208、218、228、238包括如上所述的恒定电流加热电路。在这种实施例中，每个加热电路208、218、228、238包括NTC热敏电阻器。在更进一步的实施例中，被动加热系统200包括具有NTC热敏电阻器的至少一个恒定电流电路和具有PTC热敏电阻器的至少一个恒定电势电路。
每个加热电路208、218、228、238的电阻器214、224、234、244被定位成邻近热敏电子部件206。在示例性实施例中，电阻器214、224、234、244各自直接耦合到热敏电子部件206，以促进电阻器214、224、234、244和热敏电子部件206之间的热传导。此外，电阻器214、224、234、244围绕热敏电子部件206等距间隔，以在电阻器214、224、234、244和热敏电子部件206之间提供均匀分布的热传导。在示例性实施例中，热敏电阻器210、220、230、240也直接耦合到热敏电子部件206，以促进热敏电子部件206和热敏电阻器210、220、230、240之间的热传导。将热敏电阻器210、220、230、240与热敏电子部件206热传导地耦合，确保了热敏电阻器210、220、230、240的温度将与热敏电子部件206的温度紧密地关联。在替代实施例中，加热电路208、218、228、238以在热敏电子部件206接近阈值温度时促进有效地加热热敏电子部件206的任何方式围绕热敏电子部件206布置。例如，在其他实施例中，加热电路208、218、228、238被定位成与热敏电子部件206相距一段距离，并且被布置成促进加热电路208、218、228、238和热敏电子部件206之间的有效对流热传递。
在示例性实施例中，每个热敏电阻器210、220、230、240具有相同的临界温度。在替代实施例中，热敏电阻器210、220、230、240可以具有彼此不同的临界温度。例如，在替代实施例中，热敏电阻器210、220、230、240的临界温度交错，使得加热电路208、218、228、238各自随着周围环境温度下降而在不同的时间开始产生热量。以这种方式，多个加热电路208、218、228、238可以用作彼此的备份，其仅在热敏电子部件206的温度在其它加热电路208、218、228、238已经开始产生热量后继续下降之后，才产生热量。在替代实施例中，每个加热电路208、218、228、238电耦合至单个电压源。
图7是在图1的被动加热系统100中使用的包括电流监测器316的替代的示例性加热电路308的示意图。在替代实施例中，加热电路308用于使加热电路308能够如本文所述起作用的任何被动加热系统中。例如，在替代实施例中，加热电路308用于图6的被动加热系统200中。在示例性实施例中，电流监测器316包括标准熔断器，该标准熔断器被布置成每当通过电流监测器316的电流超出熔断器的材料相关阈值时就生成开路。在替代实施例中，电流监测器316包括使加热电路308能够如本文所述起作用的任何电流监测器316。
在示例性实施例中，加热电路308基本上类似于以上关于图2描述的加热电路108，包括电压监测器316，电压监测器316与PTC热敏电阻器310并联电连接并且被构造成测量通过PTC热敏电阻器310的电压变化。即，在示例性实施例中，加热电路308包括串联电连接的PTC热敏电阻器310、电压源312和电阻器314。在替代实施例中，加热电路308基本上类似于上面参考图4描述的加热电路108。即，在替代实施例中，加热电路308包括NTC热敏电阻器110和电流源118(在图4中示出)。在示例性实施例中，电流监测器316被布置成感测通过PTC热敏电阻器310的电流。
在示例性实施例中，电流监测器316可操作成感测流过PTC热敏电阻器310的电流，并且基于PTC热敏电阻器310是处于开路状态还是处于短路状态来产生电响应。例如，PTC热敏电阻器310在加热电路308的使用期间可能容易出现劣化和故障。PTC热敏电阻器310的故障可能导致不管周围温度如何，PTC热敏电阻器310都具有几乎为零的电阻抗(例如，短路故障)。在加热电路308的短路故障期间，不管周围温度如何，热敏电阻器都将提供接近零的电阻，从而使得电阻器314产生热量。因此，如果不加以纠正，则短路故障可能导致对热敏电子部件106(图1所示)过热。在示例性实施例中，当delta电压监测器(delta voltagemonitor)316检测到通过PTC热敏电阻器310的电压降基本上接近于零时，通过电流监测器316生成开路，以停止电流流过加热电路308。中断电流流过加热电路308防止了热敏电子部件106(图1所示)过热。在替代实施例中，delta电压监测器316包括外部指示器(未示出)，以指示delta电压监测器316已经生成了开路。因此，在替代实施例中，加热电路308具有失效的PTC热敏电阻器310的事实可以在例行检查期间被快速地识别出，并且可以由功能正常的加热电路308或PTC热敏电阻器310代替。
在示例性实施例中，delta电压监测器316进一步包括开路指示器，以指示PTC热敏电阻器310的故障导致开路。例如，PTC热敏电阻器310的劣化也会使得PTC热敏电阻器310生成开路，从而不管周围温度如何，都防止电流流过加热电路308，并且防止电阻器314产生热量。每当delta电压监测器316感测到在delta电压监测器316的材料阈值以下的电压降时，delta电压监测器316指示开路。因此，可以在例行检查期间识别出具有开路故障的PTC热敏电阻器310的加热电路308，并用功能正常的加热电路308或PTC热敏电阻器310代替。
在替代实施例中，类似于图6所示的被动加热系统200，被动加热系统100包括与加热电路308基本上相同的至少一个附加加热电路(未示出)。例如，在这种实施例中，至少一个冗余加热电路(未示出)在delta电压监测器316由于通过PTC热敏电阻器310的短路而生成开路或delta电压监测器316检测到通过PTC热敏电阻器310的开路之后，继续向热敏电子部件106(图1所示)提供热量。在更进一步的替代实施例中，delta电压监测器316连接到冗余加热电路(未示出)，使得通过PTC热敏电阻器310的开路或短路的检测触发流过冗余加热电路(未示出)的电流，以使冗余加热电路在加热电路308处于故障状态时提供热量，并且在加热电路308没有处于故障状态时不提供热量。
图8是在图1的被动加热系统100中使用的包括电流监测器316和控制器318的替代示例性加热电路308的示意图。在示例性实施例中，delta电压监测器316通信地耦合到控制器318，使得delta电压监测器316将感测到的电压降中继到控制器318。在示例性实施例中，控制器318包括存储器装置320和耦合到存储器装置320的处理器322。处理器322可以包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核构造。处理器322是允许控制器318如本文所述操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令被存储在存储器装置320中。控制器318能够构造成通过编程处理器322进行本文所述的一个或多个操作。例如，可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器装置320中提供该可执行指令来对处理器322进行编程。在示例性实施例中，存储器装置320是能够存储和检索诸如可执行指令或其他数据的信息的一个或多个装置。存储器装置320可以包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于随机存取存储器(RAM)、动态RAM、静态RAM、固态磁盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM、电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。以上存储器类型仅仅是示例性的，因此不限于能够用于存储计算机程序的存储器的类型。
存储器设备320可以被构造成存储任何类型的数据，包括但不限于由delta电压监测器316中继的电压降参数。在一些实施例中，处理器322基于数据的寿命从存储器装置320移除或“清除”数据。例如，处理器322可以重写与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外或替代地，处理器322可以移除超出预定时间间隔的数据。
在示例性实施例中，控制器318基于delta电压监测器所感测的电压降确定并跟踪随时间通过PTC热敏电阻器310的电流。此外，在示例性实施例中，参考温度传感器324通信地耦合至控制器318。参考温度传感器324被构造成将感测到的温度中继到控制器318。然后，控制器318可以确定PTC热敏电阻器310是否在PTC热敏电阻器310的正常操作参数内操作。例如，控制器318将来自参考温度传感器324的感测温度与基于由delta电压监测器316感测到的电压降确定的电流进行比较，以确定通过PTC热敏电阻器310的电流是否与基于电压源和周围温度的期望的电流匹配。因此，控制器318可以确定PTC热敏电阻器310是否经历参数漂移效应，其中PTC热敏电阻器310的临界温度与PTC热敏电阻器310的预期临界温度不同。在替代实施例中，如果控制器318确定PTC热敏电阻器310正在经历参数漂移，则控制器318进一步连接至外部显示器以转播警告。在更进一步的替代实施例中，控制器318被构造成控制加热电路308，使得控制器318可以改变加热电路308内的电流流动，以补偿PTC热敏电阻器310的确定的参数漂移。
图9是改装图1所示的系统100用于在阈值温度以下操作的示例性方法400的流程图。方法400包括402将至少一个被动电阻加热元件(例如，图1所示的加热电路108)定位在图1所示的系统100的至少一个热敏电子部件106附近，至少一个热敏电子部件106在热敏电子部件106的温度降低并且越过阈值温度时，变得容易出现故障。方法400进一步包括404将至少一个被动电阻加热元件108电耦合到图1所示的电源102，至少一个被动电阻加热元件108被构造成当至少一个被动电阻加热元件108的周围温度下降并且接近阈值温度时产生热能，以便将热敏电子部件106的温度维持在阈值温度以上。
本文所述的被动加热系统的示例性技术效果包括例如：(a)增加热敏电子部件的可靠性；(b)增加在极端温度环境下操作的热敏电子部件的使用寿命；(c)降低热敏电子部件加热系统的复杂性；(d)增加针对电子系统的各个电子部件上的热传导的能力。
上面详细描述了被动加热系统和相关部件的示例性实施例。该系统不限于本文描述的特定实施例，而是可以与本文描述的其他部件和/或步骤独立地和分开地使用系统的部件和/或方法的步骤。例如，本文描述的部件的构造也可以与其他处理结合使用，并且不限于与本文描述的系统和相关方法一起实践。更确切地说，示例性实施例可以结合需要加热的许多应用来实现和利用。
尽管可以在一些附图中而不在其他附图中示出本公开的各个实施例的特定特征，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或主张附图的任何特征。
本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本公开的实施例，并且还使本领域的任何技术人员能够实践该公开，包括制作和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本文描述的实施例的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。
本发明的进一步的方面由以下条项的主题提供：
1.一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统，所述系统包括：电源；壳体；热敏电子部件，所述热敏电子部件封装在所述壳体内并且电连接至所述电源，其中当所述热敏电子部件的温度降低并且越过所述阈值温度时，所述热敏电子部件变得容易出现故障；和加热电路，所述加热电路至少部分地封装在所述壳体内并且包括热变电阻器，所述加热电路电连接至所述电源，并且被构造成当所述壳体内的温度降低并且接近所述阈值温度时在所述壳体内产生热能，以便将所述热敏电子部件的温度维持在所述阈值温度以上。
2.根据前述任一条项所述的系统，其中所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的周围温度小于所述阈值温度时产生热能。
3.根据前述任一条项所述的系统，其中所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的周围温度大于所述阈值温度时停止产生热能。
4.根据前述任一条项所述的系统，其中所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的周围温度落在包括所述阈值温度的温度范围内时产生热能。
5.根据前述任一条项所述的系统，其中所述阈值温度小于或等于负四十摄氏度。
6.根据前述任一条项所述的系统，其中所述热变电阻器包括负温度系数(NTC)热敏电阻器，所述NTC热敏电阻器具有在临界温度以下增加的电阻。
7.根据前述任一条项所述的系统，其中所述NTC热敏电阻器在所述临界温度以下增加的电阻对应于由所述加热电路产生的热能的增加。
8.根据前述任一条项所述的系统，其中所述热变电阻器包括正温度系数(PTC)热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻。
9.根据前述任一条项所述的系统，其中所述PTC热敏电阻器在所述临界温度以下减小的电阻对应于由所述加热电路产生的热能的增加。
10.根据前述任一条项所述的系统，其中所述系统能够在不需要控制器或计算机执行软件的情况下实现对所述热敏电子部件的热调节。
11.一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统，所述系统包括：至少一个热敏电子部件，当所述至少一个热敏电子部件的温度降低并且越过阈值温度时，所述至少一个热敏电子部件变得容易出现故障；和至少一个被动电阻加热元件，所述至少一个被动电阻加热元件被构造成在所述至少一个被动电阻加热元件的周围温度降低并且接近所述阈值温度时产生热能，以便将所述至少一个热敏电子部件的所述温度维持在所述阈值温度以上。
12.根据前述任一条项所述的系统，其中所述至少一个被动电阻加热元件包括多个被动电阻加热元件。
13.根据前述任一条项所述的系统，其中所述至少一个被动电阻加热元件被构造成当所述至少一个被动电阻加热元件的所述周围温度大于所述阈值温度时停止产生热能。
14.根据前述任一条项所述的系统，其中所述至少一个被动电阻加热元件被构造成当所述至少一个被动电阻加热元件的所述周围温度落在包括所述阈值温度的温度范围内时产生热能。
15.根据前述任一条项所述的系统，其中所述阈值温度小于或等于负四十摄氏度。
16.根据前述任一条项所述的系统，其中所述至少一个被动电阻加热元件包括负温度系数(NTC)热敏电阻器，所述NTC热敏电阻器具有在临界温度以下增加的电阻。
17.根据前述任一条项所述的系统，其中所述NTC热敏电阻器在所述临界温度以下增加的电阻对应于由所述至少一个被动电阻加热元件产生的热能的增加。
18.根据前述任一条项所述的系统，其中所述至少一个被动电阻加热元件包括正温度系数(PTC)热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻。
19.根据前述任一条项所述的系统，其中所述PTC热敏电阻器在所述临界温度以下减小的电阻对应于由所述至少一个被动电阻加热元件产生的热能的增加。
20.一种用于加热热敏电子部件的加热电路，当所述热敏电子部件的温度降低并且越过阈值温度时，所述热敏电子部件变得容易发生故障，所述加热电路包括：电源；热变电阻器，所述热变电阻器电连接到所述电源，所述热变电阻器被构造成当围绕所述热变电阻器的温度降低并且接近所述阈值温度时降低电阻；电阻加热元件，所述电阻加热元件与所述热变电阻器串联电连接，并且构造成当所述热变电阻器的电阻减小时产生热能，以便将所述热敏电子部件的所述温度维持在所述阈值温度以上；和delta电压监测器，所述delta电压监测器被构造成感测通过所述热变电阻器的电压降，并且基于感测到的电压降指示感测到的开路故障和短路故障中的至少一个。

Claims (16)

1.一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统，其特征在于，所述系统包括：
电源；
壳体；
热敏电子部件，所述热敏电子部件封装在所述壳体内并且电连接至所述电源，其中当所述热敏电子部件的温度降低并且越过所述阈值温度时，所述热敏电子部件变得容易出现故障；和
加热电路，所述加热电路至少部分地封装在所述壳体内并且包括热变电阻器，所述加热电路电连接至所述电源，并且被构造成当所述壳体内的温度降低并且接近所述阈值温度时在所述壳体内产生热能，以便将所述热敏电子部件的温度维持在所述阈值温度以上；
其中：
所述热变电阻器包括正温度系数PTC热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻；
所述加热电路进一步包括电连接至所述PTC热敏电阻器的电阻器，所述电阻器被构造成维持基本上固定电阻，而不管温度是否变化，其中当所述壳体内的温度降低并且接近所述阈值温度时所述电阻器产生热能；并且
由于所述热变电阻器响应于周围温度而变化，所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的所述周围温度大于所述阈值温度时停止产生热能。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的周围温度小于所述阈值温度时产生热能。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中所述加热电路被构造成当所述热变电阻器的周围温度落在包括所述阈值温度的温度范围内时产生热能。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中所述阈值温度小于或等于负四十摄氏度。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中所述热变电阻器包括负温度系数NTC热敏电阻器，所述NTC热敏电阻器具有在临界温度以下增加的电阻。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，其中所述NTC热敏电阻器在所述临界温度以下增加的电阻对应于由所述加热电路产生的热能的增加。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述PTC热敏电阻器在所述临界温度以下减小的电阻对应于由所述加热电路产生的热能的增加。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其中所述系统能够在不需要控制器或计算机执行软件的情况下实现对所述热敏电子部件的热调节。
9.一种被构造用于在阈值温度以下操作的系统，其特征在于，所述系统包括：
至少一个热敏电子部件，当所述至少一个热敏电子部件的温度降低并且越过阈值温度时，所述至少一个热敏电子部件变得容易出现故障；
热变电阻器，所述热变电阻器包括正温度系数PTC热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻；和
至少一个被动电阻加热元件，所述至少一个被动电阻加热元件与所述热变电阻器串联，所述至少一个被动电阻加热元件被构造成在所述至少一个被动电阻加热元件的周围温度降低并且接近所述阈值温度时产生热能，以便将所述至少一个热敏电子部件的所述温度维持在所述阈值温度以上；
所述至少一个被动电阻加热元件包括正温度系数PTC热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻；并且
所述至少一个被动电阻加热元件被构造成当所述至少一个被动电阻加热元件的周围温度大于所述阈值温度时停止产生热能。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个被动电阻加热元件包括多个被动电阻加热元件。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个被动电阻加热元件被构造成当所述至少一个被动电阻加热元件的所述周围温度落在包括所述阈值温度的温度范围内时产生热能。
12.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，其中所述阈值温度小于或等于负四十摄氏度。
13.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个被动电阻加热元件包括负温度系数NTC热敏电阻器，所述NTC热敏电阻器具有在临界温度以下增加的电阻。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，其中所述NTC热敏电阻器在所述临界温度以下增加的电阻对应于由所述至少一个被动电阻加热元件产生的热能的增加。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，其中所述PTC热敏电阻器在所述临界温度以下减小的电阻对应于由所述至少一个被动电阻加热元件产生的热能的增加。
16.一种用于加热热敏电子部件的加热电路，其特征在于，当所述热敏电子部件的温度降低并且越过阈值温度时，所述热敏电子部件变得容易发生故障，所述加热电路包括：
电源；
热变电阻器，所述热变电阻器电连接到所述电源，所述热变电阻器被构造成当围绕所述热变电阻器的温度降低并且接近所述阈值温度时降低电阻；
电阻加热元件，所述电阻加热元件与所述热变电阻器串联电连接，并且构造成当所述热变电阻器的电阻减小时产生热能，以便将所述热敏电子部件的所述温度维持在所述阈值温度以上；和
delta电压监测器，所述delta电压监测器被构造成感测通过所述热变电阻器的电压降，并且基于感测到的电压降指示感测到的开路故障和短路故障中的至少一个；
其中：
所述热变电阻器包括正温度系数PTC热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器具有在临界温度以下减小的电阻；
所述电阻加热元件进一步包括电连接至所述PTC热敏电阻器的电阻器，所述电阻器被构造成维持基本上固定电阻，而不管温度是否变化，其中当壳体内的温度降低并且接近所述阈值温度时所述电阻器产生热能；并且
由于所述热变电阻器响应于周围温度而变化，所述电阻加热元件被构造成当所述热变电阻器的所述周围温度大于所述阈值温度时停止产生热能。
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