專利名稱：過電壓電路和包含其的電動機啟動器、過載繼電器以及小功率系統的制作方法
技術領域：
所公開的構思大體上涉及過電壓電路，特別涉及用于直流電源--例如用于處理器的電源--的電壓箝位電路。所公開的構思還涉及使用這些電路的電動機啟動器、過載繼電器或小功率系統。
背景技術：
已知采用齊納二極管作為成本相對較低的電壓箝位電路。但是，齊納二極管展示出不理想的特性，例如，在到達額定齊納電壓之前導通某些量的電流。對于很小功率的系統來說，在標稱運行情況下的這種電流吸取可能是高到不能接受的。美國專利No. 5436552公開了用于將參考電壓箝位在預定電平的箝位電路。箝位電路包括具有恒定電流源的恒定電流電路和電流鏡電路。可微調電阻接收來自恒定電流電路的恒定電流，箝位MOS晶體管在其柵極接收由可微調電阻產生的電壓，以調節流過箝位節點的電流。能夠獲得箝位電路的快速電流-電壓特性，并設置任意的箝位電位。這個電路提供的箝位電壓閾值由施加到箝位MOS晶體管的柵極電壓(VG)決定。箝位電壓的準確性最初由電阻器(R)的精確微調提供，該電阻器接收恒定的電流(Io)，使得每當IVG-VCl >
Vthp時，在運行中在電阻器兩端之間建立的電壓(VG = Io * R)允許箝位MOS晶體管在箝位電壓(VC)處導通。但是問題是箝位MOS晶體管的閾值電壓Vthp隨著溫度改變。因此， 不能在變化的運行條件下保持適當地一致的箝位電壓。例如，據信，典型的MOSFET在對于變化的運行條件(即變化的負載電流；變化的溫度)保持一致的柵極-源極閾值電壓方面做得相對較差。例如，這或者可在標稱輸入電壓 (如果閾值太低)下流通過大電流，或者可能不能流通電流(如果閾值太高)。已經知道，使用很低電壓的精密增強型MOSFET代替齊納二極管來提供低電流電壓箝位。這使用了由可編程MOSFET提供的精密柵極-源極電壓，因為傳統的MOSFET不具有足夠的柵極-源極電壓精度。然而，據信，這樣的可編程MOSFET具有相對較高的成本。過電壓電路存在改進的空間。使用這種電路的電動機啟動器、過載繼電器或小功率系統也存在改進的空間。
發明內容
這些需求和其它需求由所公開構思的實施例滿足，其提供過電壓電路，該電路在閾值電壓之下流通可忽略的電流，但在閾值電壓之上流通足夠的電流(由此限制電壓)。根據所公開構思的一個方面，電動機啟動器包括接觸器和過載繼電器，過載繼電器包括具有電壓的電源；由電源的電壓進行供電的處理器，處理器被構造為控制接觸器； 過電壓電路。過電壓電路包括具有電壓的電壓基準；比較器，其包括用于電源的電壓的第一輸入、用于電壓基準的電壓的第二輸入以及輸出，第一輸入與電壓基準的電壓協作以確定閾值電壓；負載；由輸出控制的開關，開關被構造為，每當電源電壓超過閾值電壓時將電源電壓通過負載電氣連接至地。過載繼電器的電源可以被構造為，從到電動機的若干條電力線寄生地供電。過載繼電器可以還包括若干個電流互感器，其被構造為檢測流向電動機的電流以及對電源供電。作為所公開構思的另一個方面，過載繼電器包括具有電壓的電源；由電源的電壓供電的處理器；過電壓電路。過電壓電路包括具有電壓的電壓基準；比較器，其包括用于電源的電壓的第一輸入、用于電壓基準的電壓的第二輸入以及輸出，第一輸入與電壓基準的電壓協作以確定閾值電壓，負載；由輸出控制的開關，開關被構造為，每當電源電壓超過閾值電壓時，將電源電壓通過負載電氣連接至地。作為所公開構思的另一個方面，小功率系統包括具有電壓的電源；由電源的電壓供電的處理器；具有電壓的電壓基準；比較器，其包括用于電源的電壓的第一輸入、用于電壓基準的電壓的第二輸入以及輸出，第一輸入與電壓基準的電壓協作以確定閾值電壓； 負載；由輸出控制的開關，開關被構造為，每當電源電壓超過閾值電壓時，將電源電壓通過負載電氣連接至地，其中，處理器被構造為動態調整電源的電壓，且其中，處理器還被構造為動態調整電壓基準的電壓。作為所公開構思的另一個方面，過電壓電路用于具有電壓的電源。過電壓電路包括具有電壓的電壓基準；比較器，其包括用于電源的電壓的第一輸入、用于電壓基準的電壓的第二輸入以及輸出，第一輸入與電壓基準的電壓協作以確定閾值電壓；負載；由輸出控制的開關，開關被構造為，每當電源電壓超過閾值電壓時，將電源電壓通過負載電氣連接至地。電壓基準，比較器和開關可以為電壓管理集成電路的一部分。電源的電壓可以小于閾值電壓，由電壓管理集成電路消耗的電流可以小于約luA。負載可以為開關的阻抗。電壓基準的電壓可以為預定固定直流電壓和可變電壓中的一個。電壓基準，比較器和開關可以為處理器的一部分。比較器可被構造為，為第一和第二輸入提供遲滯，以避免當電源電壓幾乎等于閾值電壓時輸出的快速切換。
結合附圖閱讀下面對優選實施例的介紹，可以獲得對所公開構思的充分理解，在附圖中圖1為根據所公開構思的實施例的電動機啟動器系統的示意框圖；圖2為根據所公開構思的另一實施例的過載繼電器的示意框圖；圖3為根據所公開構思的另一實施例的過電壓電路的示意框圖；圖4為根據所公開構思的另一實施例包括過壓保護電路的小功率系統的示意框圖；圖5和6為根據所公開構思的其他實施例的過電壓電路的示意框圖。
具體實施方式
此處采用的術語“若干個”意思是一個或大于一個的整數個(例如，復數個)。此處采用的術語“處理器”意思是能夠存儲、檢索和處理數據的可編程的模擬和 /或數字裝置；計算機；工作站；個人電腦；微處理器；微控制器；微型計算機；中央處理單元；主計算機；微計算機；服務器；網絡處理器；或者任何合適的處理裝置或設備。此處采用的術語“小功率處理器”意味著這樣的處理器其被構造為以相對較小的功率運行，例如，小于約10mW。結合電動機啟動器和過載繼電器對所公開構思進行介紹，但所公開構思可以應用于寬廣范圍內的小功率系統和直流電力電路。 參照圖1，電動機啟動器系統2包括由接觸器6和過載繼電器8構成的電動機啟動器4。過載繼電器8包括具有電壓12的電源10 ；由電源電壓12供電的處理器14，處理器 14被構造為控制接觸器6 ；過電壓電路16，其將會在下面結合例如圖3的過電壓電路50來討論。實例1優選為，過載繼電器8的電源10被構造為由到電動機20(以假想線繪圖示出)的若干條電力線18寄生供電。在那種情況下，過載繼電器8還包括若干個電流互感器22，其被構造為檢測流向電動機20的電流以及為電源10供電。示例性的電動機啟動器系統2還包括電源以假想線繪圖示出)和主分斷器 26 (以假想線繪圖示出)，其向過載繼電器8供電。示例性的處理器14控制螺線管28，螺線管28轉而控制常閉觸點30和常開觸點 32。示例性的常閉觸點30控制接觸器6的螺線管34。示例性的常開觸點32控制顯示器 36，其顯示接觸器6的可分離觸點38的狀態。示例性的處理器14還可以輸入復位信號39。實例2圖2顯示了可以與圖1的過載繼電器8相同或者類似的過載繼電器8’。過載繼電器8，類似地包括具有電壓12，(例如但不限于，+2. 5V)的電源10，；微控制器14，(例如但不限于，可在從大約1.8V到大約3.3V工作的)；過電壓保護電路16’ ；螺線管觀’。所公開的固態過載繼電器8’是寄生供電的電動機保護裝置。電流互感器22’用于將由流向電動機(未示出，但見圖1的電動機20)的交流(AC)產生的電磁場轉換為用于固態過載繼電器8’的電力。這樣，對應的控制電路40可以以相對很小的功率(例如但不限于，大約1.5mW)運行。通過顯著減少運行控制電路40所需的功率量，電流互感器22’的尺寸可被減小，由此減小了產品的成本和尺寸。盡管示例性的過載控制電路40可以以相對很低的功率工作，但是增加的電動機電流可提供大于充足功率的時間段。當可獲得不足的功率時，電壓管理電路42提供到微控制器14’的復位信號44。實例3圖3顯示了過電壓電路50，其可以與圖1和2的過電壓電路16、16’相同或者類似。過電壓電路50包括具有電壓M的電壓基準52、比較器56、開關58和負載60。比較器56包括用于將被保護的電源電壓64的第一輸入62 ；用于電壓基準電壓M的第二輸入 65(-)；輸出66。在此實例中，輸入62包括分壓器63，其與電壓基準52的電壓M協作以確定閾值電壓。并且，在此實例中，電壓M小于閾值電壓。開關58由比較器輸出66控制，且被構造為，每當電源電壓64超過閾值電壓時，將電源電壓64通過負載60電氣連接至地68。實例 4電壓基準52，比較器56和開關58可以為電壓管理集成電路70的一部分。實例 5當電源電壓64小于閾值電壓時，由過電壓電路50消耗的電流小于大約luA。實例6再次參照圖2，在充足功率的時間段中，過多的能量被提供給微控制器14’的電源軌(power supply rail) 12’，例如通過微控制器的I/O保護二極管(未示出)。例如，一對二極管(未示出)將I/O腳(未示出)上的電壓限制到小于正電源電壓(例如，Vdd)且大于用于該電路的最低標稱電壓(例如，地114;負電源電壓，Vss(未示出))的程度。這防止損壞I/O電路(未示出)的晶體管(未示出)。通常，這些二極管都是反向偏置的且不導通。但是，如果I/O腳上的電壓升至超過Vdd或低于Vss，那么對應的保護二極管將會正向偏置并導通，由此限制該I/O腳上的電壓，但可能向電源軌12’提供過多的能量。由于控制電路40以相對很小的可用功率工作，這種多余的能量可能引起電源軌 12’上的電壓水平增大到可損壞微控制器14’或其他電路的水平。當電源電壓12’為標稱值時，所公開的過電壓保護電路16’消耗可忽略的電流，在過多能量的時間段中，吸取足量的電流來保持電源電壓12’受到抑制。這種特性與齊納二極管的特性形成有利的對比，齊納二極管不適合于相對較小功率的應用，因為其在低于其齊納電壓時導通相當較為顯著的電流。例如，電源軌12’上的標稱電壓將導致齊納二極管(未示出)流通不可接受地高的量的電流。因此，所公開構思采用了小功率(且低成本)的方案。實例 7盡管圖2公開了過載繼電器8’，所公開的構思可應用于任何這樣的小功率電路 其中，過多的能量能與該電路正常工作的消耗相比較快地累積。這可包括但不限于，例如， 經由可能經歷過量輸入功率時間段的能量采集(energy harvesting)(例如但不限于，利用太陽能、動能或電磁能量產生動力的)供電的電路，或可能經歷產生過量傳感器輸入電壓的時間段的輸入電路(例如但不限于，用于無線傳感器網絡)。實例8所公開的圖2中的過載繼電器8’采用過電壓保護電路16’，例如圖3的示例性過電壓電路50，其包括示例性的電壓管理集成電路70和示例性的負載60，以提供小功率的電壓箝位。電壓管理集成電路70監視電源電壓64的電壓水平，例如圖2的電源軌12’。當電源軌12’低于合適的閾值電壓水平(例如但不限于，超過標稱電源電壓，但是低于圖2的微控制器14’的最大額定電壓)，那么沒有電流流過外部負載60(圖幻，且該電路消耗的唯一電流來自電壓管理集成電路70的電源電流(例如但不限于，典型地小于大約IuA)。這是超越單獨齊納二極管的顯著進步，齊納二極管可能在額定電壓時吸取50倍的電流。當電源軌 12’上升并超過閾值電壓水平，開關58導通，其允許電流流過負載60，由此將電源軌12’箝位到安全的電壓水平。實例9盡管圖3的過電壓電路50可以采用商業上可獲得的電壓管理集成電路70，可使用寬廣范圍內的其他合適的電路。例如但不限于，電壓管理集成電路70的電壓基準52、兩輸入比較器56和輸出FET開關58結構元件可使用分立的元件構造。或者，負載60可被電壓管理器包括，以形成過電壓保護集成電路(未示出)。而且，可以采用恒定或可變的電壓基準。實例10負載60可以為齊納二極管。實例11另外，可采用替代性的負載，例如但不限于，電阻器、晶體管和/或二極管(包括齊納二極管和LED)或其任意組合。進一步地，電壓管理集成電路70的功能可以由任何合適的可編程裝置實現，例如但不限于，處理器，例如小功率的微控制器。實例12示例性的電壓管理集成電路70是美國亞利桑那州鳳凰城的Or^emiconductor出售的電壓檢測器系列NCP300或NCP301。實例13圖3中將被保護的電源電壓64可為標稱電壓(例如但不限于，在大約1. 8VDC到大約3. 3VDC的范圍內，大約2. 5VDC的標稱電壓)。由分壓器63和電壓基準電壓M確定的閾值電壓(例如但不限于，大約3. 0VDC)，大于標稱電壓但小于最大電壓(例如但不限于，大約3. 3VDC)，其中，最大電壓大于標稱電壓。實例14電壓基準電壓M可以為預定固定直流電壓和可變的電壓中的一個，如將在下面結合圖4討論的。實例15負載60可從電阻器、晶體管、二極管、齊納二極管和發光二極管中選擇。實例16比較器56可被構造為為第一和第二輸入62、65提供遲滯，以避免當電源電壓64 幾乎等于由電壓基準電壓M和分壓器63確定的閾值電壓時比較器輸出66的快速開關切換。這可以避免快速切換，否則，快速切換可能由于在圖2的示例性的電源軌12’或電源電壓64上的相對較小的信號“噪音”而產生。將會明了，不需要分壓器63。例如但不限于，見下面的實施例19。實例17參照圖4，小功率系統100包括具有電壓104的電源102 ；由電源電壓104供電的處理器106 ；過電壓電路108，其可類似于圖1和2所示的過電壓電路16、16’。但是，這里， 處理器106被構造為使用線105來動態調整電源電壓104，且進一步被構造為使用線107來動態調整過電壓電路108的閾值電壓110。例如，線107可以以智能的方式控制可變電壓基準112。例如，小功率系統100可以通過從處理器線105到電源102的輸出動態調整它的電源電壓104(例如，動態電壓縮放)。 減少電源電壓104導致功率消耗的減少，但是還有最大時鐘速率的對應的減少。因此，這樣的系統100可以在低活躍期間降低其電源電壓104以保存電力，但當需要快速完成一些任務時暫時升高其電源電壓104。這樣的系統100又可以采用具有可調節閾值電壓110的過電壓電路108和可變電壓基準112，以便適當地“追隨”動態電壓縮放。
實例18圖5示出了另一個過電壓電路50’，其類似于圖3所示的過電壓電路50。這里，電壓管理集成電路70’的開關58’(例如，FET)的阻抗60’為負載。當開關58’開通或閉合時，如開關58’的導通阻抗(電阻)所限制的，這將電源電壓64’暫時地電氣連接到地114， 直到電源電壓64’下降到低于(dips below)由基準電壓M和分壓器63確定的預定電壓閾值。據信，這可通過相對快速地將開關58’切換為導通和關斷來起作用。
實例19圖6示出了另一個過電壓電路120，其中，電壓基準122、比較器124和開關126為處理器128的一部分。示例性的處理器1 包括模數轉換器(ADC) 130、比較器IM和程序 132，程序132被構造為，周期性地測量來自模數轉換器130的電源電壓134，將測量到的電源電壓136和預定值138進行比較，如果測量到的電源電壓136超過預定值138，改變輸出 140以便使能負載141。例如，存儲器142儲存預定值138，程序132周期性地執行算術運算 (比較器124)以比較測量到的的電源電壓136和預定值138。開關1 對程序132的比較器IM作出響應地驅動處理器輸出140，以便使能負載141，并使其從電源電壓134向地144 傳導電流。在此實例中，沒有分壓器(圖3和5)，閾值電壓與電壓基準122以及預定值138 相同，其全部使用對應的數字電壓值代表電壓。實例20作為實施例19的替代，處理器1 可使用外部模數轉換器(未示出)和/或內部比較器電路(未示出)。例如，這樣的比較器電路可用于確定電源電壓134(例如，輸入到比較器兩輸入中的一個)是否超過了預定電壓基準(例如，輸入到比較器兩輸入中的另一個)。如果是這樣，那么處理器使用輸出140來使能負載141。如果這些功能已經在特定處理器中可用，那么，由于不需要分立的電壓管理器，這可提供相對較低成本的方案。盡管已經詳細描述了所公開構思的具體實施例，本領域技術人員將會明了，可根據所公開構思的所有教導對這些細節進行多種修改和替換。因此，這里公開的特定布置僅僅意味著是說明性的，不對所公開構思的范圍進行限制，所公開構思的范圍由所附權利要求及其任意以及所有等價內容的全部范圍給出。參考標記列表
2電動機啟動器系統
4電動機啟動器
6接觸器
8過載繼電器
8’過載繼電器
10電源
10’電源
12電壓
12’電壓
14處理器
14’微控制器
16過電壓電路
90093]16過電壓保護電路0094]18若干個電力線0095]20電動機0096]22若干個電流互感器0097]22電流互感器0098]24電源0099]26主分斷器0100]28螺線管0101]28螺線管0102]30常閉觸點0103]32常開觸點0104]34螺線管0105]36顯不器0106]38可分離觸點0107]39復位信號0108]40控制電路0109]42電壓管理電路0110]44復位信號0111]50過電壓電路0112]52電壓基準0113]54電壓0114]56比較器0115]58開關0116]60負載0117]62第一輸入0118]63分壓器0119]64電源電壓0120]65第二輸入0121]66輸出0122]68地0123]70電壓管理集成電路0124]70’電壓管理集成電路0125]100小功率系統0126]102電源0127]104電壓0128]105線0129]106處理器0130]107線0131]108過電壓電路
110閾值電壓
112可變電壓基準
114地
120過電壓電路
122電壓基準
124比較器
126開關
128處理器
130模數轉換器
132程序
134電源電壓
136測量到的電源電壓
138預定值
140輸出
141負載
142存儲器
144地
權利要求
1.一種用于具有電壓(64 ；64'；100 ；104)的電源的過電壓電路(16 ;16’ ;50 ;50’ ；108 ； 120)，所述過電壓電路包括具有電壓(54)的電壓基準(52)；比較器(56)，包括:用于所述電源的電壓的第一輸入(62)，所述第一輸入與電壓基準的電壓協作，以確定閾值電壓，用于所述電壓基準的電壓的第二輸入(65)，以及輸出(66)；負載(60)；以及由輸出控制的開關(58)，所述開關被構造為，每當所述電源的電壓超過所述閾值電壓時，將所述電源的電壓通過所述負載電氣連接至地(68)。
2.根據權利要求1所述的過電壓電路(50；50’)，其中，所述電壓基準、所述比較器和所述開關為電壓管理集成電路0 的一部分。
3.根據權利要求2所述的過電壓電路(50;50’)，其中，當所述電源的電壓小于閾值電壓時，由所述電壓管理集成電路消耗的電流小于約luA。
4.根據權利要求1所述的過電壓電路(50’)，其中，所述負載為所述開關的阻抗。
5.根據權利要求1所述的過電壓電路(50;50’)，其中，所述電源的電壓為標稱電壓； 且其中，所述閾值電壓大于標稱電壓但小于最大電壓，最大電壓大于標稱電壓。
6.根據權利要求1所述的過電壓電路(50;50’；108)，其中，所述電壓基準的電壓為預定的固定直流電壓(64 ；64’ )和可變的電壓(104)中的一個。
7.根據權利要求1所述的過電壓電路(50；50’)，其中，所述負載(60 ；60’)選自電阻器、晶體管、二極管、齊納二極管和發光二極管。
8.根據權利要求7所述的過電壓電路(120)，其中，所述處理器包括模數轉換器(130)、 所述比較器和程序(132)，程序(13 被構造為周期性地測量來自模數轉換器的所述電源的電壓(134)，將測量得到的所述電源的電壓(136)和預定值(138)進行比較_，如果所述電源的電壓超過預定值，改變所述輸出(140)以使能負載(141)。
9.根據權利要求8所述的過電壓電路(120)，其中，所述處理器還包括儲存預定值 (138)的存儲器(14 ；且其中，程序包括將測量得到的所述電源的電壓和預定值進行比較的算術運算(124)。
10.根據權利要求1所述的過電壓電路(120)，其中，所述電壓基準(138)、所述比較器 (124)和所述開關(126)為處理器(128)的一部分；其中，所述處理器包括輸出(140)、所述比較器和程序(132)，程序(13 被構造為，如果所述電源的電壓超過所述閾值電壓，響應于所述比較器的輸出地改變所述處理器的輸出以便使能負載。
11.根據權利要求1所述的過電壓電路(50;50’)，其中，所述比較器被構造為，為第一和第二輸入提供遲滯，以避免當所述電源的電壓幾乎等于所述閾值電壓時所述輸出的快速切換。
12.—種電動機啟動器(4)，包括接觸器(6)；以及過載繼電器(8)，其包括具有電壓(12 ；64)的電源(10)由所述電源的電壓供電的處理器(14)，其被構造為控制所述接觸器；以及如權利要求1所述的過電壓電路(16 ；50)。
13.根據權利要求12所述的電動機啟動器G)，其中，所述過載繼電器的電源被構造為，由到電動機00)的若干條電源線(18)寄生供電。
14.一種過載繼電器(8 ；8’)，包括具有電壓(12 ；12，；64)的電源(10 ；10，)； 由所述電源的電壓供電的處理器(14 ；14’ )；以及如權利要求1所述的過電壓電路(16 ；16，；50)。
15.一種小功率系統(100)，包括 具有電壓(104)的電源(102)；由所述電源的電壓供電的處理器(16)；以及如權利要求1所述的過電壓電路，其中，所述處理器被構造(10 為動態調整所述電源的電壓，且其中，所述處理器還被構造(107)為動態調整所述電壓基準的電壓。
全文摘要
本發明涉及過電壓電路和包含其的電動機啟動器、過載繼電器以及小功率系統。電動機啟動器(4)包括接觸器(6)和過載繼電器(8)。過載繼電器包括具有電壓(12；64)的電源(10)；由電源電壓供電的處理器(14)，其被構造為控制接觸器；過電壓電路(16；50)。過電壓電路包括具有電壓(54)的電壓基準(52)、比較器(56)、負載(60)以及開關(58)。比較器包括用于電源電壓的第一輸入(62)、用于電壓基準電壓的第二輸入(65)、輸出(60)，第一輸入與電壓基準電壓協作，以確定閾值電壓。開關由比較器輸出控制并被構造為，每當電源電壓超過閾值電壓時，將電源電壓通過負載電氣連接至地(68)。
文檔編號H02H9/04GK102315635SQ20111022499
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者J·D·賴利 申請人:伊頓公司