CN116548065A - 具有安全系统的电气器具 - Google Patents

Abstract

一种包括安全系统的电气器具，包括：感测模块，用于感测电气器具的至少一个操作参数，处理模块，连接到感测模块，处理模块配置为输出指示电气器具的安全状况或不安全状况的激活信号，驱动器模块，驱动器模块配置为从处理模块接收激活信号并输出驱动信号，继电器模块，继电器模块配置为接收驱动信号，其中继电器模块配置为控制对电气器具的电负载的电力供应。驱动器模块包括电荷泵装置，电荷泵装置通过指示安全状况的激活信号通电，并且其中当激活信号指示不安全状况时，电荷泵装置终止到继电器模块的驱动信号，继电器模块切断对电力负载的电力供应。有利地，本发明提供一种具有安全系统的电器，该安全系统以巧妙简单的方式实现，并且如果安全处理器中出现问题，该安全系统将跳闸到安全状态。

Description

具有安全系统的电气器具

技术领域

本发明总体上涉及一种电气器具，诸如吹风机或空间加热器，其具有配置为在检测到不安全状况时禁止对电气器具供电的安全系统。

背景技术

包含电加热器的电气器具在普通家庭中很常见，可能包括个人梳妆设备，如吹风机，直发器，但也包括空间加热器。为了使此类电气器具安全使用，家用电气器具受安全标准的约束，这些标准规定了此类电气器具在发生故障时应如何操作。此类标准的示例包括IEC/EN/UL60335和60730。

一个典型的要求是电气器具要包含保护控制功能，以确保在发现安全故障时禁止对电气器具的电力供应。此外，电力供应的禁止应该是不可重置的控制，使得设备的用户无法重置电气器具以恢复操作。

在包含电加热器的电气器具中，通常这种不可重置的安全功能由热熔断器提供，该热熔断器使用热熔丝，当热熔丝操作温度达到不安全水平时，该热熔丝可操作以禁用电气器具。在WO2015/005024A1和WO2018/130832A1中描述了可集成此类安全功能的此类电气器具的示例。

与这些电气器具相关的一个设计挑战是通过减轻重量和尺寸使它们更符合人体工程学，以便用户更容易握持和操作。这损害了设计电气控制系统以在减少的封装体积中集成额外的安全装置(例如热保险丝)的能力。因此需要一种替代方法，其提供满足相关安全标准要求的相同安全功能，但是封装更小。正是在这种背景下设计了本发明的实施例。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种包括安全系统的电气器具，包括：感测模块，用于感测电气器具的至少一个操作参数；处理模块，连接到感测模块，处理模块配置为输出指示电气器具的安全状况或不安全状况的激活信号；驱动器模块，驱动器模块配置为从处理模块接收激活信号并输出驱动信号；继电器模块，继电器模块配置为接收驱动信号，其中继电器模块配置为控制对电气器具的电负载的电力供应。驱动器模块包括电荷泵装置，电荷泵装置由指示安全状况的激活信号通电，并且其中当激活信号指示不安全状况时，电荷泵装置终止到继电器模块的驱动信号，继电器模块切断对电负载的电力供应。

有利地，本发明提供一种具有安全系统的电气器具，该安全系统以巧妙简单的方式实现，并且如果安全处理器中出现问题，该安全系统将跳闸到安全状态。

电荷泵装置联接到半导体开关装置，半导体开关装置向继电器模块提供驱动信号。因此，有益的是，半导体开关装置提供了使继电器模块通电或断电的电压供应的灵活性。

驱动器模块可以包括第二电荷泵装置，以向继电器模块提供冗余驱动信号。这种配置提供了冗余优势，因为电荷泵的一个“支路”的故障意味着继电器模块将断电。

指示安全状况的激活信号可包括被输入到电荷泵装置中并由此使电荷泵装置通电的脉冲信号。

有益的是，电气器具可以配置为将安全系统的部件与电气器具的主体物理分开。因此，在一个示例中，处理模块被包含在电气器具的主体组件内，而驱动器模块和/或继电器模块可以被包含在电气器具的电力电缆组件内。这种配置使安全系统的部件能够远离电气器具的主体，这意味着主体可以被设计为较小的封装尺寸，因为它不需要容纳与安全系统相关联的额外电气部件，例如电路板和继电器开关。

举例来说，电气器具的电负载可以是电加热器装置，尽管本发明还设想并因此涵盖诸如马达的其他负载。

感测模块可以包括单个感测元件，但也可以包括多个感测元件，以便能够对电气器具的更大区域进行监测。

根据第二方面，提供一种电气器具，其包括：主体组件，主体组件包括配置为检测电气器具的安全状况的处理模块；以及电力电缆组件，电力电缆组件包括电力切断模块。处理模块配置为将激活信号传输到电力切断模块，激活信号指示电气器具的安全状态或不安全状况，并且其中电力切断模块配置为当激活信号指示不安全状况时终止对主体组件的电力供应。

将安全系统的部件从电气器具的主体分离到电力电缆组件中意味着可以缩小主体，因为它不必容纳与安全系统相关联的大型部件，例如电路板和继电器模块。除了缩小封装尺寸外，这种配置还可以实现重量更轻的产品，这对于手持式电气器具尤其有利。

电力切断模块可包括电荷泵装置，电荷泵装置接收激活信号，并且响应于不安全状况的识别而触发对主体组件的电力供应的终止。以这种方式使用电荷泵装置提供了一种特别巧妙的实施方式，以在识别诸如装置过热的危险状况之后切断电源。电荷泵装置可以与继电器模块连接，并且可以配置为当激活信号指示电气器具的不安全状况时禁用继电器模块。

电荷泵装置可以联接到半导体开关装置，而不是直接驱动继电器模块，半导体开关装置向继电器模块提供驱动信号。可提供另外的电荷泵装置以控制继电器模块的操作，这向系统提供冗余。

电力切断模块可以包括包含在电气器具的电力电缆组件内的继电器模块。

在本申请的范围内，很明显的是，在前面的段落中、在权利要求中和/或在下面的描述和附图中阐述的各个方面、实施例、实例和替代方案，特别是其单独的特征，可以独立地或以任何组合的方式采用。也就是说，除非这些特征不相容，否则所有实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合进行组合。申请人保留更改任何最初提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，包括修改任何最初提交的权利要求以从属于和/或结合任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管最初并未以这种方式要求权利。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例来描述本发明的上述和其他方面，其中：

图1是根据本发明的示例的电气器具的示意图；

图2是图1的电气器具方面的更详细的示意图，其中强调了该电气器具的安全系统；

图3是安全系统的电路方面的更详细的图示；以及

图4是示出安全系统的操作的时序图。

在附图中，相同的附图标记用于表示附图中共有的特征。

具体实施方式

本发明的示例通常涉及电气器具中的安全系统的架构，该架构为该电气器具提供合适的安全功能。在下文讨论并在附图中示出的示例中，安全系统提供对供应到电气器具的功能部件的电力的控制。例如，该部件可以是灯、电机或加热装置，尽管这些只是指示与本讨论相关的部件类型。通过控制供应到部件的电力，在部件继续执行功能不安全的情况下，可以禁用电力供应。

图1以示意形式提供了根据本发明的示例的电气器具2的总体视图，包括相关联的安全系统4。

电气器具4包括至少一个功能部件6，功能部件6为电气器具提供合适的功能。如上所述，部件6可以被认为是加热器装置，尽管这两个术语可以互换使用。这种加热装置可以是线元件型加热装置或者是陶瓷元件型加热装置，线元件型加热装置例如在典型的吹风机中发现，陶瓷元件型加热装置通常在例如直发器和卷发钳中发现，但是也在申请人生产的吹风机中发现。

电气器具2包括为部件6供应电力的电力系统8。如图所示，电力系统8包括电力插头10和继电器模块12。电力插头10连接到继电器模块12，继电器模块12又连接到部件6以向其供应电力。电力插头10、继电器模块12和部件6之间的连接可以至少部分地通过柔性电缆实现。然而，也可能是继电器模块12和电力插头10集成到共同单元中的情况。

部件6的操作由控制系统14控制。控制系统14负责部件6的一般操作。在部件6是加热器装置的情况下，控制系统14可以负责在用户界面16的命令下打开和关闭部件6，该用户界面16提供交互式控制阵列以允许用户调节装置的操作温度等。用户界面16可以通过任何合适的用户可操作控件来体现，例如按钮、滑动切换开关、触摸屏，或者它可以具有语音操作命令的特征。

控制系统14和用户界面16的精确配置不是本发明的核心，因此为了清楚起见，将省略进一步的讨论。

安全系统4在加热器装置6由控制系统14控制时操作，并提供监督控制功能，在安全系统4检测到加热器装置6处于不安全状态的情况下，该监督控制功能可以覆盖(override)控制系统14的功能。

总体而言，首先参考图1，安全系统4包括感测模块18、安全处理器模块20和驱动器模块22。驱动器模块22与继电器模块12连接，继电器模块12也因此形成安全系统4的一部分。值得注意的是，并且如稍后将进一步详细讨论的，电气器具包括主体组件23a和电缆组件23b。电缆组件23b包括箱体或壳体25，箱体或壳体25包含驱动器模块22和继电器模块12。

如下面的讨论中将变得清楚，安全处理器模块20的功能是使用传感器模块18来监测加热器装置6的操作，并且检测何时存在不安全状况。响应于检测到不安全状况，安全处理器模块20可操作以控制继电器模块12，以便中断对加热器装置6的电力供应。

现在将更详细地描述电气器具2的不同功能模块，并特别参考图2。

本发明的这个示例中的感测模块18包括多个感测元件，尽管此处未示出各个元件。如上所述，该示例中的部件6是加热装置，因此感测元件可以适当地布置在加热装置内和周围，以便提供检测不安全温度状况的可靠手段。可以设想，在线型加热元件中，感测元件可以放置在线型加热元件旁边，以便准确地测量靠近加热元件的空气的温度。类似地，在包括陶瓷块的加热元件的情况下，感测元件可以完全或部分地嵌入陶瓷材料的主体内。目前认为提供几个感测元件是有用的，以具有在许多不同位置测量加热装置的温度的能力，这通常是执行该功能的更可靠的方法。然而，单个感测元件在某些应用中也可以被接受。因此，术语“感测模块”是指一个或多个感测元件，无论是以某种方式组合在一起还是分布在加热装置周围或电气器具2中的其他地方。

感测模块18通过合适的连接器24连接到安全处理器模块20。在该示例中，传感器接口26设置在连接器24和安全处理器模块20之间，以便对由传感器模块18的单独感测元件接收的原始感测信号进行适当的信号调节。传感器接口26的所需功能是常规的，并且将由本领域技术人员很好地理解，因此在此将不提供详细的解释。然而，总而言之，传感器接口26接收来自单独感测元件的原始信号并将其调节为适于安全处理器模块20的合适格式。如图2所示，传感器接口26和安全处理器模块20通过真实性检查协议相互作用，本文通常示为“27”，本领域技术人员将理解为已知技术，该已知技术使安全处理器模块20能够从传感器接口26向数据流中注入已知值，以便检查有效数据是否正确地从模拟格式转换为数字格式，从而提供检测某些部件故障的手段。

如稍后将进一步讨论的，只要安全处理器模块20确定部件6处于安全状态就输出脉冲激活信号29。激活信号29在这里被示出为差分信号，如本领域众所周知的，其提供对电磁干扰的改善的抵抗。激活信号29被输入到信号输出框30，该信号输出框30将信号转换成适合沿着连接电缆31向前传输的形式。该示例中的连接电缆31包括互补电线对，如本领域已知并且与激活信号29的差分性质一致。在这一点上，应当理解，为方便起见，传感器接口26、安全处理器模块20和信号输出框30可以实现在共同电路板上，尽管这不是必需的。如图所示，安全处理器20是专用硬件单元。然而，应该注意的是，在安全处理器上运行的算法和例程也可以在负责操作电气器具的其他功能的微处理器上运行。

激活信号29由继电器驱动器模块22的信号调节电路32接收。信号调节电路32操作以抑制激活信号29上的噪声，并适当地提升信号以输入到继电器驱动器模块22的电荷泵电路34中。

电荷泵电路34包括一对电荷泵36a、36b，一对电荷泵36a、36b由激活信号29通电，并且一对电荷泵又将继电器模块12保持在通电状态，从而允许将电力供应到加热器装置6。电荷泵36a、36b各自从信号调节电路32接收相同的激活信号29a、29b。因此，当由安全处理器模块20驱动时，激活信号29a、29b向电荷泵36a、36b的输入端提供脉动输入电压信号。响应于输入激活信号29a、29b，电荷泵36a、36b输出相应的驱动信号40a、40b。

由于电荷泵的典型输出电压相对较低，因此在这个示例中，继电器驱动器模块22包括相应的半导体开关42a、42b，在这种情况下，半导体开关被标记为MOSFET，尽管技术人员将理解其他半导体开关也是可接受的。如图2所示，半导体开关42a、42b中的每个连接到继电器模块12的继电器线圈44的相应端子，使得当半导体开关42a、42b接通时，继电器线圈44的电路保持在通电状态，从而使相关联的继电器开关46保持在闭合状态。

图3示出了电荷泵36a、36b的更详细的电路拓扑结构。如图所示，差分激活信号29由信号调节电路32接收，该信号调节电路将相同的激活信号29a、29b输出到电荷泵36a、36b。电荷泵36a、36b中的每个在形式上是相同的，以便响应于输入电荷脉冲来保持相同的功能，并且如常规那样，包括电阻器、二极管和电容器的网络以实现电压提升功能。

换句话说，每个电荷泵36a、36b可以被认为是电压倍增器电路或模拟单稳态电路的形式，其中只要输入处存在振荡电荷脉冲，其输出就保持高。如该实施例中所示，每个电荷泵电路包括两个单元，每个单元包括电容器50和二极管52。电容器50和二极管52由脉冲输入信号切换，脉冲输入信号可以被认为是交流电压输入，并且跨输出电阻器54产生进入半导体开关42a、42b的相应栅极的输出电压。交流电压输入电压在每个脉冲期间有效地穿过串联电容器并为输出电容器充电，而二极管有助于防止反向放电并保持输出的最小电压电平，这将被技术人员很好地理解。在移除交流电压输入的情况下，输出电容器将通过电阻器放电，从而关闭相应的半导体开关。

图3还示出了本发明的这个示例中的第一半导体开关42a和第二半导体开关42b的更详细的实施。如上文相对于图2所讨论的，每个半导体开关连接到继电器线圈44的相应侧，使得需要接通半导体开关，以使继电器线圈44通电并从而操作继电器开关46。更具体地，继电器线圈的高侧连接到半导体开关42a，继电器线圈的低侧连接到半导体开关42b。由于特定部件的选择，在本实施例中，第一半导体开关42a功能由两个部件的组合形成，这里标记为M2和M3。因此，部件M2反转电荷泵36a的输出驱动信号，以便提供与PMOS类型半导体部件M3兼容的电压。用于切换继电器线圈44的高侧和低侧的其他技术和拓扑结构对于技术人员将是显而易见的，并且上述讨论应被视为一个可接受的选择的示例。

有益的是，安全系统4凭借脉冲激活信号提供失效保护功能。如前所述，安全处理器模块20的功能是提供由电荷泵36a、36b提升的高频脉冲信号。只要脉冲激活信号29由安全处理器模块20输出，电荷泵36a、36b将经由半导体开关42a、42b向继电器线圈44供应足够的电压，以使其保持在通电状态。然而，如果安全处理器模块20检测到加热装置6处于不安全温度，它将终止脉冲激活信号29的输出。当这种情况发生时，提供给半导体开关42a、42b的信号40a、40b将衰减，并且在给定时间段后将降至驱动半导体开关所需的电压以下。此时，继电器线圈44将变为断电状态，从而断开继电器开关46，这将具有终止向加热器装置6供应电力的效果。因此，驱动器模块22和继电器模块12一起操作以为电气器具提供电力切断功能，并且因此一起可以被认为是电力切断模块。

还应当理解，电荷泵电路容纳在电缆组件23b中，并且因此与电气器具的主体组件23a物理上分开。这种布置是有益的，因为它有助于避免增加主体组件的封装尺寸以容纳与电荷泵电路相关联的部件。产品缩小尺寸是个人美容产品设计中的一个重要考虑因素，这与集成复杂的失效保护电路的要求相冲突。因此，将电荷泵电路与继电器线圈44和继电器开关46一起定位在电缆组件上的单独壳体中是一种特别巧妙的布置。

通过进一步解释安全系统4的功能，图4示出了安全系统4内各种信号的一系列时序图或波形。为了清晰起见，波形被标记为4(a)至4(e)，其中波形4(a)指示加热器装置6在一时间段内的温度分布，如由传感器模块18所测量；波形4(b)指示传感器模块18的采样频率；波形4(c)指示来自安全处理器模块20的脉冲激活信号29；波形4(d)指示电荷泵36a、36b的输出电压；以及波形4(e)指示继电器模块12的通电状态。

从波形4(a)可以看出，从t0开始，加热器装置6的温度低于临界操作温度阈值T_OP，但稳步上升并在时间t1处突破阈值T_OP。

在时间段t0至t1期间，从波形4(b)可以看出，安全处理器模块20正在获取感测到的温度，并且安全处理器模块20正在输出脉冲安全驱动信号。

一旦温度T超过阈值T_OP，安全处理器模块20实施预定时间段t_operating，在时间段t_operating结束时，它使激活信号29失效。实施时间段t_operating是为了避免假温度峰值不必要地触发系统，并且可以设置为任何适当的值。然而，应当注意，如本文所示的激活信号29的延迟终止不是必需的。这里的一种选择是将时间段t_operating设置为温度信号的采样频率的倒数。例如，如果采样周期为100ms，则时间段t_operating将为1秒。然而，这不是必需的，并且如本领域技术人员所理解的那样，其他设置是可能的。作为此类替代方案的示例，采样间隔可以是50ms，并且时间段t_operating可以基于两个连续的温度过高读数。

如波形4(c)和4(d)所示，从安全处理器模块20输出的激活信号29向电荷泵电路34提供充电脉冲，该电荷泵电路34需要电荷脉冲来保持其输出电压“充满”。因此，在通常的方式中，电荷泵36a、36b将输入激活信号29的电压电平提升到更高的电压，尽管是暂时的，并且提供衰减输出电压，衰减输出电压需要用重复输入电压脉冲馈送以将输出电压维持在可接受的电平。

时间段t_operating的结束标志着电荷脉冲列的结束，在时间t2，此时电荷泵电路34停止接收输入激活信号29，并且因此输入到半导体开关中的输出电压开始衰减。在延伸至t4的由限定电荷泵36a、36b的特定电子部件控制的另一时间段之后，电荷泵的输出电压衰减越过电压阈值V_switch，电压阈值V_switch是将半导体开关42a、42b保持在操作状态下所必需的。因此，在t4处，半导体开关42a、42b关闭，从而使继电器模块12断电，如波形4(e)所示。因此，此时，加热器装置6的电力供应被永久禁用，并且因此防止电气器具的用户进一步使用电气器具。可以通过在其内部非易失性存储器中设置内部标志来在安全处理器内实现对加热器装置的电力供应的永久性移除，内部标志防止软件例程即使在电气器具的电力循环之后也产生脉冲激活信号。对于本领域技术人员来说，用于禁用激活信号的其它手段将是显而易见的。

本发明的所示示例示出了本发明可以实施的一种方式。上面已经提到了一些替代方案，并且本领域技术人员将理解，在不偏离权利要求书限定的本发明的情况下，可以对所示示例进行其他变体。

Claims (9)

1.一种包括安全系统的电气器具，包括：

感测模块，用于感测所述电气器具的至少一个操作参数，

处理模块，连接到所述感测模块，所述处理模块配置为输出指示所述电气器具的安全状况或不安全状况的激活信号，

驱动器模块，配置为从所述处理模块接收所述激活信号并输出驱动信号，

继电器模块，配置为接收所述驱动信号，其中所述继电器模块配置为控制对所述电气器具的电负载的电力供应，

并且其中所述驱动器模块包括电荷泵装置，所述电荷泵装置通过指示安全状况的激活信号通电，

并且其中当所述激活信号指示不安全状况时，所述电荷泵装置终止到所述继电器模块的驱动信号，所述继电器模块切断对所述电负载的电力供应。

2.根据权利要求1所述的电气器具，其中所述电荷泵装置联接到半导体开关装置，所述半导体开关装置向所述继电器模块提供所述驱动信号。

3.根据权利要求1或2所述的电气器具，其中所述处理模块包含在所述电气器具的主体组件内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电气器具，其中所述驱动器模块包含在所述电气器具的电力电缆组件内。

5.根据权利要求4所述的电气器具，其中所述继电器模块包含在所述电气器具的所述电力电缆组件内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电气器具，其中所述负载是电加热器装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电气器具，其中所述驱动器模块包括第二电荷泵装置，以向所述继电器模块提供冗余驱动信号。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电气器具，其中所述感测模块包括多个感测元件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电气器具，其中指示安全状况的激活信号包括脉冲信号，该脉冲信号被输入到所述电荷泵装置中并由此使所述电荷泵装置通电。