电子保护系统和控制的制作方法

电子保护系统和控制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2021年3月30日提交的标题为electronic fuse system and method的no.63,167,653的美国临时专利申请的优先权，该申请出于所有目的通过引用并入本文，就好像在本技术中完整阐述一样。
3.本技术要求于2021年8月11日提交的标题为high-reliability low-loss power switch and driver ic的序列号为no.63,231,886的美国临时专利申请的优先权，该申请出于所有目的通过引用并入本文，就好像在本技术中完整阐述一样。
技术领域
4.所公开的实施方式一般而言涉及在功率管理中使用的系统和方法，并且具体地涉及用于过电压保护系统和电子保护系统的那些。实施方式可以被实现为集成电路或以其它方式实现。实施方式可以用于防护过电压事件和欠电压事件，但也可以用于感测和精确监视。


背景技术：

5.由交流(ac)干线线路供应的功率中的不可预测的波动会造成对电子和电气装备的损坏，这导致经济损失甚至更糟。它们还会造成干扰，导致敏感装备的不正确或不安全操作。
6.过电压的一个影响是电子设备变热，并因此遭受热损坏。例如，电解电容器会因为非常短的电压尖峰而只加热一点点，但如果持续下去，电容器就会烧坏。这会造成短路或开路，进而会导致电子系统操作的结束。半导体会更快地因过电压而损坏。欠电压也会造成问题，特别是在系统操作的可靠性方面。
7.按照惯例，供电波动的问题已经通过包括变阻器和电容器的分立解决方案来处理。虽然此类解决方案常常成本低廉，但它们的使用寿命有限，因为它们只能处置固定数量的电压尖峰。因此，当其中保护设备之一发生故障时，它们会产生错误的保护感。
8.另一个问题是，由于自然发生的噪声，电子保护系统会在过电压和欠电压阈值附近变得不稳定。为了解决这个问题，这些阈值被设计有迟滞。但是，经由电阻器从高电压源供电的电子保护系统在大约切换时仍可能遭受不稳定性。这种不稳定性不能仅通过应用的迟滞来解决。
9.一些常规电子保护系统快速切换，但是它们在中断供电时遭受大的电压尖峰。
10.显然，对于具有低成本和小占位面积的固态解决方案(即，实现为集成电路)存在未满足的需求。但这些解决方案还需要能够无限期和自主地、非常快速地处置电压尖峰，而不造成尖峰和其它不良行为，并且没有不稳定性。
11.除非本文另有说明，否则本节中描述的要素不是权利要求的现有技术，并且不由于包含在本节中而被承认是现有技术。


技术实现要素：

12.所公开的技术认识到，在电子保护电路中，并非所有不稳定性都是由干线电压上发生的自然噪声造成的，而是有些可能是由因为操作非线性引起的正反馈问题造成的。电子保护系统通过在危险情况发生时将负载与干线供电线路断开来保护外部负载免受例如干线供电线路的过电压、欠电压和/或过电流状况的影响。高效执行的要求为电子保护系统留下了很小的能量预算。在集成电路(ic)的感测和开关驱动器端子处流入和流出ic的能量相对于内部使用的功率而言可以是显著的。激活熔丝需要额外的功率，既用于内部操作又用于连接到其引脚的设备，因此ic的内部供电电平会改变，从而影响用于阈值的参考电压。影响可以是负的，产生固有稳定的反馈回路，或者可以是正的，产生固有不稳定的反馈回路。实施方式使用一个或多个可变虚设电流和/或与流入和流出引脚的电流相关联的外部滤波器，以减少或反转跨阈值期间的供电电流不连续性。可以用dac、虚设电阻器或用虚设电流源生成虚设电流。具有电流源输出的dac可以由供电电压电平控制。降低或反转的功率摆动减少或消除跨阈值期间的正反馈，从而使实施方式稳定。
13.在第一方面，一种实施方式提供了一种电子保护电路。该电路可以是ic。该电路具有供电端子、公共端子、感测端子、一个或多个过零检测输入端子和开关驱动器输出端子。耦合在供电端子和公共端子之间的是虚设dac，它可以由控制单元控制。过零检测器耦合在一个或多个过零检测输入端子和控制单元之间。过零检测器可操作以确定施加到一个或多个过零检测输入端子的信号中的过零的时间，并将那些时间用信号通知给控制单元。范围内检测器耦合在感测端子和控制单元之间。它可操作以确定外部的未经处理的供电电压的峰值是在允许范围之内还是之外。允许的范围可以加宽或缩窄。范围内检测器递送范围检测输出信号，该范围检测输出信号发信号通知与外部的未经处理的供电电压的峰值是在允许范围之内还是之外相关联的范围内状况和范围外状况。在范围内检测器和控制单元之间可以是具有可配置锁定持续时间的锁定定时器。锁定定时器确保控制单元不从范围内检测器接收范围内信号，除非自范围外信号的开始或结束以来至少已经过了锁定持续时间。这允许外部负载在检测到危险状况后电子保护电路将负载与干线供电线路断开之后有一些热恢复时间。虚设dac具有电流输出。它供应虚设电流，以防止在ic操作的改变期间由正反馈导致的不稳定性，其中虚设电流从供电端子通过虚设dac流向公共端子。
14.在第二方面，一种实施方式提供了一种用于保护负载免受未经处理的供电电压中的过电压或欠电压状况的方法。该方法首先将负载与未经处理的供电电压解耦，并将虚设电流初始化为保护ic中的第一值。然后，ic感测未经处理的供电电压，并确定其峰值是否在缩窄的允许范围内。如果是这样，那么它加宽允许范围以成为加宽的允许范围。它等待第一次过零，这可以是未经处理的供电电压的过零，或者是在开关上测得的电压的过零。然后它将虚设电流改变为第二个值，并将负载与未经处理的供电电压耦合。该方法继续确定未经处理的供电峰值是否在加宽的允许范围之外。如果是这样，那么它再次缩窄允许范围，然后等待第二次过零，将虚设电流改变为第三个值，并将负载与未经处理的供电电压解耦。
15.可以通过参考说明书的其余部分和附图来实现对本文公开的特定实施方式的性质和优点的进一步理解。
附图说明
16.将参考附图描述所公开的技术，其中：
17.图1示出了在所公开技术的实施方式中的低成本电子保护系统；
18.图2a-d示出了作为干线电压的函数的由电子保护系统汲取的供电电流的概括曲线图；
19.图3图示了在所公开技术的实施方式中的第一示例电子保护电路；
20.图4图示了在所公开技术的实施方式中的第二示例电子保护电路；
21.图5图示了在所公开技术的实施方式中的示例电子保护系统，包括如图3中所示或如图4中所示的电子保护电路；
22.图6图示了在所公开技术的实施方式中提供电源稳定性的滤波器的细节；以及
23.图7图示了在所公开技术的实施方式中用于防止过电压和欠电压状况的方法。
24.在图中，相像的附图标记可以指示功能相似的元件。附图中示出并且在下面的具体实施方式中描述的系统和方法可以以多种不同的实施方式布置和设计。附图和具体实施方式都不旨在限制所要求保护的范围。代替地，它们仅表示所公开技术的不同实施方式的示例。
具体实施方式
25.术语
26.术语“耦合”在操作意义上使用并且不限于直接或间接耦合。“耦合到”一般用于直接耦合的含义，而“与
…
耦合”一般用于直接或间接耦合的含义。电子系统中的“耦合”可以指允许信息、信号、数据或物理量(诸如电子)在耦合到彼此或与彼此耦合的两个元件之间流动的配置。在一些情况下，流动可以是单向的，在其它情况下，流动可以是双向的或多向的。耦合可以是流电的(在这个上下文中意味着存在直接的电连接)、电容的、电感的、电磁的、光学的或通过物理允许的任何其它过程。
[0027]“处理器”包括处理数据、信号或其它信息的任何合适的硬件和/或软件系统、机构或组件。处理器可以包括具有通用中央处理单元、多个处理单元、用于实现功能性的专用电路系统或其它系统的系统。处理不必限于地理位置，或有时间限制。例如，处理器可以“实时”、“离线”、以“批处理模式”等执行其功能。处理的部分可以通过不同(或相同)处理系统在不同时间和不同位置执行。处理系统的示例可以包括服务器、客户端、终端用户设备、路由器、交换机、网络存储装置等。“计算机”可以是与存储器通信的任何处理器。存储器可以是任何合适的处理器可读存储介质，诸如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、磁盘或光盘，或适合存储由处理器执行的指令的其它有形介质。
[0028]
如本文所使用的，术语“和/或”应当解释为表示一个或多个项。例如，短语“a、b和/或c”应当解释为表示以下任何一个：仅a、仅b、仅c、a和b(但没有c)、b和c(但没有a)、a和c(但没有b)，或a、b和c的全部。如本文所使用的，短语“至少一个”应当解释为表示一个或多个项。例如，短语“a、b和c中的至少一个”或短语“a、b或c中的至少一个”应当解释为表示以下任何一个：仅a、仅b、仅c、a和b(但没有c)、b和c(但没有a)、a和c(但没有b)，或a、b和c的全部。如本文所使用的，短语“一个或多个”应当解释为表示一个或多个项。例如，短语“a、b和c中的一个或多个”或短语“a、b或c中的一个或多个”应当解释为表示以下任何一个：仅a、仅
b、仅c、a和b(但没有c)、b和c(但没有a)、a和c(但没有b)，或a、b和c的全部。
[0029]
如在本文的描述和以下整个权利要求中使用的，“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。而且，如在本文的描述和以下整个权利要求中使用的，“在
…
中”的含义包括“在
…
中”和“在
…
上”，除非上下文另有明确规定。
[0030]
ac-交流电流-有规律或无规律地反转其方向的电流。
[0031]
dc-直流电流-仅在一个方向上流动的电流。
[0032]
dac-数模转换器
[0033]
dmos-双扩散mosfet
[0034]
ic-集成电路-这可以是单片集成电路，即，包括电路的单个半导体管芯，或者它可以是在单个封装中包括多个半导体管芯并且还可以包括管芯安装在其上的基板的多芯片模块，以及另外的电子设备。
[0035]
igbt-绝缘栅双极型晶体管
[0036]
锁定持续时间-在电子保护系统断开负载之后，电子保护系统在期间不将负载重新连接到未经处理的干线供电以允许负载例如通过冷却来恢复的时间跨度。
[0037]
mosfet-金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0038]
实施方式
[0039]
图1示出了在所公开技术的实施方式中的低成本电子保护系统100。干线电源线路的线路轨101和中性轨102为负载103提供外部的未经处理的供电电压。为了保护负载103免受外部的未经处理的供电电压的过度改变，电子保护电路104可以使用电源开关105将负载103与线路轨101解耦。外部的未经处理的供电电压例如可以是美国常见的110v、60hz ac供电电压、欧洲常见的230v、50hz ac供电电压或任何其它ac电压。实施方式可以提供针对过电压、欠电压、过电流或这些的任何组合的保护。负载103可以是或包括通常使用干线供电或任何其它外部的未经处理的供电电压的电子系统的任何部分。例如，负载103可以包括整流器桥，其对干线供电电压进行整流以导出dc或直流供电电压。电子保护电路104可以以任何形式实现，包括作为单片集成电路(单管芯ic)、作为包括放置在基板上的多个管芯并封装为单个设备的多芯片模块(mcm)、作为具有单片和分立设备的印刷电路板(pcb)，等等。实施方式可以具有在电子保护电路104外部或在其内部的电源开关105。一些实施方式使用单个电源开关105，其它实施方式可以使用多个电源开关，和/或开关中性轨102来代替线路轨101或作为其补充。电源开关105可以是或包括任何合适的电子开关，包括但不限于igbt、双极型晶体管、mosfet、超结mosfet、dmos晶体管、晶闸管等。
[0040]
一般而言，电子保护电路104在比线路轨101和中性轨102之间的外部的未经处理的供电电压低得多的电路供电电压下操作。这个较低的电路供电电压可以以非常低的成本从外部的未经处理的供电电压导出，例如如图所示，使用二极管dsupply 121、电阻器rsupply 122和电容器cshunt 123。但是，这种组合可以充当电流源而不是电压源，递送其大小直接取决于外部的未经处理的供电电压的电流isupply。电流isupply还取决于电子保护电路104的内部操作，并且其内部操作的任何改变都会导致由电子保护电路104接收的结果所得供电电压的改变，这会影响阈值检测，并产生不稳定性。如本文档中所描述的，实施方式防止不稳定性。电阻器rsupply 122通常具有高值，使得电流isupply非常小并且电子保护系统100可以以高效率操作。
[0041]
为了感测过电压的发生(外部的未经处理的供电电压的正峰振幅或负峰振幅太高)，和/或为了感测欠电压的发生(外部的未经处理的供电电压的正峰振幅或负峰振幅太低)，电子保护电路104经由电阻器rsense 124感测外部的未经处理的供电电压。这个电阻器通常具有高值，因此只有少量电流在电子保护电路104的感测端子处进入电子保护电路104。
[0042]
为了防止由于电源开关105中断电流或将电流重新连接到负载103而引起的毛刺，实施方式在只有很小的电流或没有电流流动时切换。这种情况预计会以两倍的干线频率发生，例如每秒100或120次。图1描绘了检测这种“过零”的一种方式，在这种情况下，通过使用电阻器rzero1 125和rzero2 126感测电源开关105两侧的瞬时电压。当没有电压差时，切换是安全的。除了图1中描绘的实施方式以外的实施方式可以在其它位置感测过零，例如稍后参考图5所示的，或者可以使用单个过零感测输入。
[0043]
图2a示出了由电子保护系统汲取的作为干线电压的函数的供电电流的概括曲线图200。其正常操作范围介于v
under
和v
over
之间，其中电子保护系统必须维持干线电压轨与其保护的负载之间的连接。在这个范围之外，不允许连接。为了可靠地操作，电子保护系统需要与阈值v
min
相关联的足够供电电压以及足够的供电电流。在一些实施方式中，可能不必明确定义v
under
并且v
min
有效地双重作用作为v
under
。其它实施方式可能没有明确定义v
over
，并且操作聚焦于v
min
和v
under
。
[0044]
电子保护系统在v
under
和v
over
中结合迟滞，以免受过渡不稳定性的影响。一旦主电压跨过v
under
或v
over
，迟滞将改变那些阈值电压，以确保在一定裕度以下保护决定性跨越免受噪声影响，该裕度的大小由迟滞的大小决定。
[0045]
为了安全防止噪声和过渡不稳定性，允许范围(该范围介于v
under
和v
over
之间)必须在干线电压在其内时加宽，而在干线电压在其外时变窄。
[0046]
当前在v
under
和v
over
处使用的非线性可以减小或反转内置迟滞的宽度，并造成不稳定性。三个临界电压值得关注：v
min
(区域i)、v
under
(区域ii)和v
over
(区域iii)。在那些区域中的每一个中，电子保护系统的内部模式都是不同的，并且不同的电路可以是活动的。因此，作为干线电压的函数的电流在三个阈值附近以非线性方式改变。由于电子保护系统具有小功率预算，因此电流中相对大的改变会导致内部电压电平的改变，包括用于确定阈值电平v
under
和v
over
的参考电压。这可能产生正反馈环路和不稳定性。
[0047]
区域i、ii和iii之外的不连续性不存在这个问题，并且与稳定性无关。区域i(无操作)、ii(欠电压保护)、iii(正常操作)和iv(过电压保护)可以具有任何形状，包括不连续性和非线性，而不会增加这个问题。而且，与图2a中绘制的不同，区域i、ii、iii和iv中的电流可以高于或低于所示的，相对大小可以不同(例如，区域iii中的电流可以低于区域ii和iv中的电流)，并且形状可以不同于区域i至iv中所示的直线段。
[0048]
在通电和断电期间，干线电压穿过v
min
(区域i)，其中电子保护系统没有足够的电压和/或电流来操作。在这个区域i中，同样重要的是要认识到干线电压的快速斜升会造成与缓慢斜升不同的情况。这是因为电子保护系统具有其自身操作功率的内部稳定性。因此，在电子保护系统完全通电之前，为正常操作而感测到的干线电压可以到达其端子。另一方面，电子保护系统可能只有在它感测到干线电压突然被移除之后才会断电。
[0049]
图2b示出在v
min
处，电流可以逐步升高210(细节i(a))或逐步降低220(细节i(b))。
如果电流逐步降低，或者是连续的，那么存在负反馈环路，并且电路是稳定的。如果电流逐步升高，那么存在正反馈环路，并且电路不稳定。因此，细节i(a)具有固有的不稳定性，并且必须防止逐步升高210。实施方式必须确保在v
min
处电子保护系统具有足够的电流。否则，非线性的影响会大大增加，导致更大的不稳定性。
[0050]
图2c示出在v
under
处，电流可以增加230或减小240，这取决于电子保护系统实施方式的确切内部功能。如果它增加v
under
，那么增加(细节ii(a))固有地是不稳定的，而如果它减小v
under
，那么增加(细节ii(a))固有地是稳定的。如果它减小v
under
，那么减小(细节ii(b))固有地是不稳定的，而如果它增加v
under
，那么减小(细节ii(b))固有地是稳定的。
[0051]
不具有显式欠电压保护的实施方式可以具有或缺乏防护因电流非线性而引起的干线电压(噪声)和正反馈循环路的变化的能力。如果它缺乏该能力，那么必须内置欠电压保护以保证稳定性。
[0052]
图2d示出在v
over
处电流可以减小250(细节iii(a))或增加260(细节iii(b))。在过电压保护开始时，允许范围必须缩窄，或者更具体而言，v
over
必须变低。如果减小250(细节iii(a))降低阈值电压v
over
，那么电路固有地是稳定的，而如果它升高阈值电压，那么电路可能不稳定。类似地，如果增加260(细节iii(b))降低阈值电压v
over
，那么电路会变得不稳定，而如果它升高v
over
，那么它固有地是稳定的。
[0053]
实施方式可以在三个阈值电压v
min
、v
under
,和v
over
周围接通或关断一个或多个虚设电流。这样做的电路在图3-3中示出。它们可以通过使用外部滤波进一步减少流出电子保护系统ic的引脚的电流，如图6中所示。
[0054]
图3图示了在所公开技术的实施方式中的第一示例电子保护电路300。电子保护电路300可以是ic，并且包括供电端子310、公共端子312、至少一个过零检测器端子314、感测端子316和开关端子318以将电子保护电路300耦合到外部设备以构成电子保护系统。电子保护电路300还包括过零检测器320、范围内检测器330、开关驱动器340、控制单元350和一位虚设dac 360，该一位虚设dac 360具有dac开关370和虚设电阻器375。实施方式还可以包括锁定定时器335，其耦合在一侧的范围内检测器330与另一侧的控制单元350和虚设dac 360之间。在一些实施方式中，虚设dac 360可以具有比一位更高的分辨率并且包括附加的开关虚设电阻器。在另外的实施方式中，虚设dac 360包括一个或多个开关电流源而不是一个或多个开关虚设电阻器。供电端子310接收电源电流，其经由公共端子312返回电流的至少一部分，并且任何剩余部分可以作为一个或多个操作电流经由任何其它端子流出电子保护电路300。在一些实施方式中，或在某些时候，操作电流可以具有负号，即，流入电子保护电路300并经由公共端子312流出它。供电端子310使用电源电流来生成任何所需的内部电压和电流源以及电压和电流参考，并且一般在电子保护电路300内部的电路(包括过零检测器320、范围内检测器330、开关驱动器340、控制单元350和虚设dac 360)之间分配电源电流。
[0055]
过零检测器320经由其至少一个过零检测器端子314感测外部电流何时反转方向，即，过零。例如，实施方式可以监视230v ac的外部的未经处理的供电电压，其中干线频率为50hz。外部的未经处理的供电电压可以具有正弦形式，并且递送的干线电流可以在电压正弦的顶部和底部穿过零并反转方向。为了实现这一点，过零检测器端子314的实施方式可以包括微分器，其输入端接收外部的未经处理的供电电压(的固定部分)并在微分器的输出从
负变为正时检测到正弦的顶部和底部的定时，或反之亦然，即，过零。过零检测器端子314向控制单元350提供过零时间信息，控制单元350可以包括定时电路系统、组合逻辑、状态机、查找表、硬接线的处理器和/或可编程处理器。
[0056]
在另一种实施方式中，过零检测器320可以具有两个零输入，如图1中所示，并且通过测量例如外部电源开关上的电压来检测电流过零。如果外部电源开关是固态设备，那么它的导通电阻将可能是几十到几百毫欧，并且通过它的任何电流都会产生电压差，其极性是容易测量的。
[0057]
范围内检测器330经由感测端子316感测外部的未经处理的供电电压是在允许范围之内还是之外，或者外部的未经处理的供电电压的绝对值是在允许范围之内还是之外。允许范围可以加宽或缩窄，即，允许范围可以有迟滞。一旦实施方式确定外部的未经处理的供电电压在允许范围之外，允许范围就会变得缩窄，并且一旦实施方式确定外部的未经处理的供电电压在允许范围内，允许范围就会加宽。当自然发生的噪声可能以其它方式造成从一种状态到另一种状态的不稳定过渡时，加宽和缩窄允许范围可以在切换时间周围提供稳定性。实施方式可以通过将外部的未经处理的供电电压的峰电平或外部的未经处理的供电电压的绝对峰电平与过电压阈值和欠电压阈值进行比较来确定外部的未经处理的供电电压在允许范围之外。当它变得高于过电压阈值或低于欠电压阈值时，那么它在允许范围之外，并且实施方式可以分别通过降低过电压阈值和/或升高欠电压阈值来缩窄允许范围。相反，当它变得低于过电压阈值或高于欠电压阈值时，它在允许范围内，并且实施方式可以通过升高过电压阈值和/或降低欠电压阈值来加宽允许范围。范围内检测器330将包括范围内检测的结果和检测结果的任何改变的定时的信号转发给控制单元350。在电子保护电路300的实施方式中，它还使用结果及其定时来开关dac开关370。在一种实施方式中，只要外部的未经处理的供电电压在允许范围内，它就允许电流通过虚设dac 360，而当外部的未经处理的供电电压在允许范围之外时，停止电流通过虚设dac 360。在另一种实施方式中，只要外部的未经处理的供电电压在允许范围之外，它就允许电流通过虚设dac 360，而当外部的未经处理的供电电压在允许范围内时，停止电流通过虚设dac 360。在一些实施方式中，虚设电阻器的大小是可编程的。因此，通过虚设dac 360的电流可以补偿在以下两种模式之间通过供电端子310的供电电流的改变：范围内和范围外。
[0058]
一些实施方式包括锁定定时器335。锁定定时器335具有锁定持续时间，该锁定持续时间可以是可编程的，例如通过寄存器设置，或可以是可配置的，例如通过外部连接到锁定电容器端子315的锁定时间电容器的电容，或通过其它手段，诸如电阻值、ic键合选项、施加到ic外部端子的电压、非易失性存储器或一次性可编程存储器的内容、ic掩模选项和本领域已知的任何其它方法。如果锁定持续时间由锁定电容器值配置，那么锁定定时器335可以在对锁定电容器充电的一个或多个周期之后超时。锁定定时器335确保来自范围内检测器的范围外信号在至少锁定持续时间内始终被传递。这允许外部负载在检测到危险状况后在电子保护电路将负载与干线供电线路断开后有一些热恢复时间。如果锁定定时器335从范围内检测器330接收到范围外信号，那么在一些实施方式中，锁定定时器335确保其输出信号在至少锁定持续时间内复制范围外信号，而在其它实施方式中，锁定定时器335确保其范围外输出信号持续超过其范围外输入信号的末端达至少锁定持续时间。在其它时候，锁定定时器335将其范围内输入信号复制到输出。
[0059]
开关驱动器340包括缓冲器以驱动至少一个电源开关，诸如igbt、双极型晶体管、mosfet、超结mosfet、dmos晶体管、晶闸管等，其中一个或多个电源开关将外部的未经处理的供电电压耦合到要保护的负载或与其耦合。开关驱动器340还可以包括定时电路系统，例如以一个或多个延迟操作一个或多个电源开关，其可以是可编程的。
[0060]
控制单元350基于它从过零检测器320和范围内检测器330接收的信息来控制开关驱动器340。特别地，其功能包括从范围内检测器330确定外部的未经处理的供电电压何时超出范围，然后等待来自过零检测器320的过零发生的信号，然后指示开关驱动器340关闭电源开关。
[0061]
图4图示了在所公开技术的实施方式中的第二示例电子保护电路400。电子保护电路400包括电子保护电路300的所有元件，用同样的附图标记绘制。但是，在这个实施方式中，控制单元450而不是范围内检测器430控制虚设dac 460。定时使得控制单元450不早于它接收到来自范围内检测器430的改变并且不迟于它处理来自过零检测器420的改变来改变虚设dac 460。以这种方式，电子保护电路300和电子保护电路400的操作基本相同，但是添加了控制通过虚设dac 460的电流的定时和大小的可能性。虚设dac 460可以用一个或多个开关虚设电阻器来实现，如图3中所示，或用开关电流源来实现，或作为本领域已知的具有电流输出的任何其它dac来实现。
[0062]
图3-4描绘了用本技术可以容易地集成在单片半导体内的实施方式。图5图示了在所公开技术的实施方式中的示例电子保护系统500，包括如图3中所示或如图4中所示的电子保护电路510。在这种情况下，电子保护电路510的特征是两个输入端以检测过零，即，过零端子514a和过零端子514b。电子保护系统500在中性轨520和线路轨522上操作，在它们之间施加外部的未经处理的供电电压。在这种实施方式中，中性轨520直接与负载528耦合，而线路轨522经由外部开关530和外部开关540与负载528耦合。电子保护电路510具有与公共节点524耦合的公共端子，公共节点524耦合在外部开关530和外部开关540之间。二极管531确保电路可以通电。当线路轨522为正且外部开关530和外部开关540都关断时，二极管541允许返回中性轨520的持续公共传导路径。电子保护电路510经由例如电阻器rsupply接收其供电电流。其供电端子可以用解耦电容器cshunt(例如，如图所示)被分流到公共节点524。该实施方式经由感测端子516感测过电压和欠电压状况，感测端子516经由例如大电阻器rsense耦合到中性轨520。该实施方式通过感测线路轨522和负载节点526之间是否存在零电压差来感测过零。感测是经由两个大电阻器rzero1和rzero2完成的，其中一个电阻器各自保护过零端子514a和过零端子514b。如果电子保护电路510的实施方式包括锁定定时器，那么它可以具有锁定电容器端子515以连接到配置锁定持续时间的外部锁定电容器527。
[0063]
在示例电子保护系统500中，当电子保护电路510仍在通电过程中时，中性轨520可能处于允许范围内。通过rsupply将cshunt充电到足以使电子保护电路510完全操作的供电电压需要时间，而中性轨520处的电压经由rsense立即被感测。当电子保护电路510的供电不足时，外部开关530和外部开关540关断(在适当的功能实施方式中)。当达到足够的供电电压时，实施方式接通这些开关，因为范围内检测器感测到外部的未经处理的供电电压在允许范围内。
[0064]
与通过rsupply对cshunt充电的时间相比，外部的未经处理的供电电压开始缓慢
是可能的，或者外部的未经处理的供电电压另外地不在范围内也是可能的。外部开关530和外部开关540都断开。允许范围缩窄。在达到欠电压阈值后，允许范围加宽，并且外部开关530和外部开关540将线路轨522耦合到负载节点526，从而将外部的未经处理的供电电压施加到负载528。实施方式维持这个状态直到外部的未经处理的供电电压降至低于或升至高于加宽的允许范围。
[0065]
图5描绘了其中电子保护电路510可以被用于创建电子保护系统的若干体系架构之一。其它实施方式可以将电子保护电路510的公共端子与中性轨520而不是线路轨522耦合；它们可以使用开关将负载(在这种情况下为负载528)的两侧与干线供电轨分离；并且它们可以使用不同于二极管、rsupply和cshunt的电路来为电子保护电路510馈电。所有那些变化都在本公开技术的范围内。出于实际目的，图5中的示例实施方式可以是成本最低的实施方式之一。这也是为什么有时可能需要图6中的电路来进一步减少和/或消除正反馈问题的原因。
[0066]
图6图示了在所公开技术的实施中提供另外的电源稳定性的滤波器680的细节600。该实施方式使用滤波器680来减少通过电子保护ic 610的引脚的电流，从而减小其供电电流中作为外部的未经处理的电压的函数的非线性的大小，并因此减少由非线性导致的正反馈。只要任何正反馈的总影响相对于允许范围内的迟滞的大小而言是小的，在阈值电压处发生的过渡就可以是稳定和决定性的。电子保护电路一般需要感测正和负信号两者。为了轻松做到这一点，要求ic具有以公共节点为基准的正和负供电电压。但是，低成本替代方案是使用具有单个电源的ic，例如使用正供电端子和公共端子。然后输出高于公共端子电位但低于供电端子电位的参考电压的参考电压端子可以被用作用于感测正和负过电压和欠电压状况的参考。参考电压端子在感测未经处理的供电电压是否在范围内的操作期间交替地提供和吸收感测电流，这取决于未经处理的供电电压的瞬时电压。与整个ic占用的供电电流的量相比，感测电流的大小可以是显著的，这会危及其操作稳定性。图6包括具有感测端子616和参考电压端子617的电子保护ic 610。电子保护ic 610经由整流二极管和电阻器rsupply或经由任何其它手段从中性轨620汲取其供电电流以提供低于中性轨620上的正最大电压的供电电压，并经由外部开关630(或并联整流二极管)和公共节点624将供电电流返回到线路轨622。如所提到的，即使感测端子616可以具有高阻抗并且可能不影响供电电流，参考电压端子617也可以具有低阻抗并且可以提供和吸收电流。滤波器680经由分压器r 681和r 682对中性轨620和参考电压端子617之间的电压进行分压。感测端子616处的分压大致等于：
[0067][0068]
在没有电阻器683和电容器684的情况下，电子保护ic 610将从参考电压端子617吸收电流或向参考电压端子617提供电流，该电流等于r1+r2上的电压除以r1+r2。如上面所提到的，这可以是不可接受的，并且电阻器683和电容器684通过从公共节点624以干线频率吸取该电流的大部分来提供保护。例如，如果电容器684在干线频率下的阻抗等于电阻器683的电阻值的10％，那么由参考电压端子617提供或吸收的电流量减少90％。
[0069]
图7图示了在所公开技术的实施方式中用于防护过电压和欠电压状况的方法700。方法700包括以下步骤，这些步骤可以在其第一步之后在连续循环中执行。
[0070]
步骤710-使用电子保护系统，将外部负载与线路轨和中性轨之间的外部的未经处理的供电电压解耦，并初始化保护ic中的虚设电流。保护ic向开关提供第一开关信号以将负载与未经处理的供电电压解耦。外部的未经处理的供电电压例如可以来自外部干线供电。外部负载可以是或包括整流桥或需要保护以免受过电压和/或欠电压的任何其它设备、电路或系统。该实施方式基于电子保护系统是否接收到足够的供电电压和足够的供电电流以完全操作并且基于未经处理的供电电压的峰值是否落在缩窄的允许范围内来将虚设电流初始化为第一值。允许范围被定义为过电压阈值和欠电压阈值之间的范围。一些实施方式监视未经处理的供电电压的一个极性，而其它实施方式监视未经处理的供电电压的两个极性或绝对值。
[0071]
步骤720-确定未经处理的供电电压的峰值是否在缩窄的允许范围内。实施方式向保护ic提供未经处理的供电电压感测信号，该保护ic通过将未经处理的供电电压检测信号与第一窗口阈值进行比较来确定未经处理的供电电压的峰值是否在缩窄的允许范围内。
[0072]
步骤730-在确定未经处理的供电电压的峰值不在缩窄的允许范围内后，返回到步骤720。
[0073]
步骤740-在确定未经处理的供电电压的峰值在缩窄的允许范围内后，加宽允许范围，然后等待第一次过零。为了加宽允许范围，实施方式可以将过电压阈值升高和/或将欠电压阈值降低到第二窗口阈值。第一次过零可以被定义为未经处理的供电电压等于零的时刻或定义为开关上的电压等于零的时刻。该实施方式可以在将负载耦合到未经处理的供电电压时等待零电压时间以避免高电压瞬变。
[0074]
步骤750-将虚设电流改变为第二值，然后将负载与未经处理的供电电压耦合。虚设电流的第二值是防止正反馈的值，正反馈会导致负载与未经处理的供电电压耦合期间加宽的允许范围显著缩窄。保护ic向开关提供第二开关信号以将负载与未经处理的供电电压耦合。
[0075]
步骤760-确定未经处理的供电电压的峰值是否在加宽的允许范围之外。保护ic将未经处理的供电电压感测信号与第二窗口阈值进行比较。
[0076]
步骤770-在确定未经处理的供电电压的峰值不在加宽的允许范围之外后，返回到步骤760。
[0077]
步骤780-在确定未经处理的供电电压的峰值在加宽的允许范围之外后，使允许范围缩窄，然后等待第二次过零。为了缩窄允许范围，实施方式可以降低过电压阈值和/或升高欠电压阈值。第二次过零被定义为由未经处理的供电电压递送的电流等于零的时刻。在交流电(ac)环境中，这是电流改变方向的时刻。该实施方式等待零电流时间以避免由于将负载与未经处理的供电电压中断而引起的高压瞬变，其中电流可以通过与电子保护系统或负载相关联的任何电感阻抗。
[0078]
步骤790-首先，将虚设电流改变为第三值，然后将负载与未经处理的供电电压解耦。虚设电流的第三值是防止正反馈的值，正反馈会导致在负载与未经处理的供电电压解耦期间缩窄的允许范围的显著加宽。然后，实施方式可以返回到步骤720。
[0079]
考虑事项
[0080]
虽然已经针对其特定实施方式描述了本描述，但是这些特定实施方式仅仅是说明性的，而不是限制性的。例如，图3-4描绘了电子保护电路参考公共端子根据正供电电压操
作。但是，所公开技术的所有部分都可以同等地应用于参考公共端子根据负供电电压操作的电子保护电路。另外，给出的示例说明了使用线路轨作为接地参考的电路，而其它实施方式可以使用中性轨作为接地参考。示例经由电阻器为电子保护系统提供供电电流，而其它实施方式可以使用开关电源为熔丝电路供电。一些实施方式可能仅提供过电压保护，而其它实施方式仅提供欠电压或提供过电压和欠电压保护两者。图3-4图示了电源开关在具有电子保护系统控制的集成电路外部的实施方式。但是，一些实施方式可以包括电源开关。
[0081]
除了其中至少一些这样的特征和/或步骤是互斥的组合之外，包括权利要求书、摘要和附图在内的说明书中公开的所有特征，以及所公开的任何方法或过程中的所有步骤，可以以任何组合进行组合。除非另有明确说明，否则包括权利要求书、摘要和附图在内的说明书中公开的每个特征都可以被用于相同、等效或相似目的的替代特征代替。
[0082]
虽然已经关于其特定实施方式描述了本描述，但是这些特定实施方式仅仅是说明性的，而不是限制性的。例如，许多操作可以在使用现成的设备的印刷电路板pcb上、在片上系统(soc)、专用集成电路(asic)、可编程处理器中或在可编程逻辑设备(诸如现场可编程门阵列(fpga))中实现，无需专用硬件的至少部分。所有此类变化和修改都将被认为是在本公开技术的范围内，其性质将由前述描述确定。
[0083]
可以使用用于制造电子器件的任何合适的技术来实现特定实施方式的电路，包括cmos、finfet、bicmos、双极、jfet、mos、nmos、pmos、hbt、mesfet等。可以采用不同的半导体材料，诸如硅、锗、sige、gaas、inp、gan、sic、石墨烯等。电路可以具有单端或差分输入，以及单端或差分输出。电路的端子可以用作输入端、输出端或两者，或者处于高阻抗状态，或者它们可以用于接收电源、接地参考、参考电压、参考电流或其它。虽然信号的物理处理可以以特定次序呈现，但是这个次序可以在不同的特定实施方式中改变。在一些特定实施方式中，在本说明书中示为顺序的多个元件、设备或电路可以并行操作。
[0084]
可以使用任何合适的编程语言来实现特定实施方式的例程，包括c、c++、java、javascript、编译语言、解释语言和脚本、汇编语言、机器语言等。可以采用不同的编程技术，诸如面向过程或面向对象的。实施在例程中的方法可以在单处理器设备或多处理器系统上执行。虽然可以以特定次序呈现步骤、操作或计算，但是这个次序可以在不同的特定实施方式中改变。在一些特定实施方式中，在本说明书中示为顺序的多个步骤可以同时执行。
[0085]
特定的实施方式可以在有形的、非暂态计算机可读存储介质中实现，以供指令执行系统、装置、板或设备使用或与其结合使用。可以以软件或硬件或两者的组合中的控制逻辑的形式来实现特定的实施方式。当由一个或多个处理器执行时，控制逻辑可以可操作以执行在特定实施方式中描述的那些。例如，诸如硬件存储设备之类的有形非暂态介质可以被用于存储可以包括可执行指令的控制逻辑。
[0086]
可以通过使用编程的通用数字计算机、专用集成电路、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、光学、化学、生物、量子或纳米工程系统等来实现特定的实施方式。可以使用其它组件和机构。一般而言，特定实施方式的功能可以通过本领域已知的任何手段来实现。可以使用分布式网络系统、组件和/或电路。可以采用云计算或云服务。数据的通信或传送可以是有线的、无线的或通过任何其它手段。
[0087]
还将认识到的是，附图/图中描绘的元件中的一个或多个也可以以更加分离或集成的方式实现，或者甚至在某些情况下被移除或渲染为不可操作，如根据特定应用有用的。
[0088]
因此，虽然本文已经描述了特定实施方式，但是在前述公开中意在修改、各种改变和替换的范围，并且将认识到的是，在一些情况下，在不背离所阐述的范围和精神的情况下，将采用特定实施方式的一些特征而没有其它特征的对应使用。因此，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应基本范围和精神。