CN103124066A - 用于高电流脉冲电源的短路控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高电流脉冲电源的短路控制，具体地，涉及一种电源电路设备及其控制方法，该电源电路设备包括多个经由功率通道连接到负载的电源以及控制器。该控制器基于测量的负载输入电流来检测电源中的短路。

Description

用于高电流脉冲电源的短路控制

技术领域

本发明涉及一种用于高电流脉冲电源的短路控制。

背景技术

在使用电池或其他蓄电装置作为主电源的应用中，通常包括用以判定电源中是否存在短路故障的短路检测。当检测到短路时，短路检测电路还能够将电源与负载隔离，从而防止负载经历能够干扰负载操作的过载故障电流。另外，经常包括用以在主电源由于短路故障而与负载隔离时继续向负载提供功率的备用电源。使用备用电源的***还包括用于检测所连接的备用电源中的短路的检测电路。附加检测电路的包括给这些***的构造增加了重量和成本。

一种标准短路检测方法使用与控制器结合的电流传感器来检测电源的输出电流何时超过电流阈值。当输出电流超过电流阈值时，控制器确定存在短路并将电源隔离。该阈值设定为预期的短路电流，其高于用于标准操作的电流。

发明内容

公开了一种用于控制高电流脉冲电源的方法。该方法使用电流传感器来检测负载电流；并且当负载电流超过电流量值阈值达到大于过载电流持续时间阈值的持续时间时，将电源与负载隔离。

还公开了一种具有电联接到开关驱动器的控制器的电源电路。该电源电路还具有多个功率通道，所述功率通道中的每一个将多个电源中的一个连接到负载功率输入并且所述功率通道中的每一个电联接到该开关驱动器。电源电路还具有连接到负载功率输入和控制器的电流传感器。该电流传感器能够检测负载输入电流并将该负载输入电流通信到控制器。

从下文的说明书和附图能够最好地理解本公开的这些和其他特征，下文是简要描述。

附图说明

图1 示意性示出了用于具有主和备用电源的电气***的电源电路以及短路检测方案。

图2是图示用于检测高电流脉冲电源***中的短路的方法的流程图。

具体实施方式

一些电气***使用高量值的电流脉冲来运行。在这些***中，预期的短路电流能低于高量值电流脉冲的量值。当期望的电流具有超过预期短路电流的脉冲量值时，已知的短路检测电路能导致错误的短路检测。

图1示意性示出了高电流脉冲电源电路100。电源电路100包括主电源110和副（备用）电源120。电源110、120中的每一个具有连接到对应开关电路130的输出功率线112、122并且可以是任意已知类型的电源。在一个实例中，电源110、120中的每一个是一个或多个电池。将输出功率线112、122和开关电路130的组合称为功率通道116、126。开关电路130中的每一个能够将对应的输出功率线112、122连接到向负载140提供功率的负载功率输入142。开关电路130通过开关驱动器150控制，而该开关驱动器150继而通过微控制器160（可替代地，称为控制器160）控制。电流传感器170监控在负载功率输入142上流入负载140中的电流，并且向微控制器160提供控制信号172，从而向微控制器160提供流入负载140中的电流的量值。电源110、120中的每一个还包括与微控制器160的控制连接114、124。控制连接114、124允许控制器160检测诸如剩余功率的电源统计。控制器160还能够控制从电源110、120的功率输出。

在标准操作中，每个电源110、120经由功率通道116、126连接到负载140。每个功率通道116、126内的开关装置130配置为使得它能够中断输出功率线112、122。电源110、120中的每一个通过其对应的功率通道116、126连接到负载功率输入142，从而允许控制器160将任何具有短路故障的电源110、120隔离。

当负载140需要周期性的高电流负载尖峰脉冲(spike)用于正常操作时，标准短路检测技术将错误地对每个电流尖峰脉冲报错，并因此是不适当的。代替地，图1中示出的控制器160利用电流传感器170和一对电流阈值来确定何时存在短路。以实例的方式，电流传感器170能是霍耳效应传感器。

电流传感器170检测负载功率输入142处的电流的量值并且确定该电流是否超过电流量值阈值。该电流量值阈值设定为预期的短路输出电流，并且只要超过该预期的短路输出电流就报错（trip）。当超过电流量值阈值时，控制器160确定已超过该电流量值阈值多久，并将超过电流量值阈值的持续时间与过载电流持续时间阈值相比较。当电流量值阈值和持续时间阈值均被超过时，控制器160确定存在短路故障。这样，控制器160能够将超过电源110、120的预期短路电流的期望的高电流负载尖峰脉冲与由电源110、120或负载140内的短路导致的连续故障电流区别开来。

通过将电流传感器170定位在负载输入处，不管当前哪个电源110、120在向负载140提供功率，控制器160均对正在运行中的负载电流进行检测。在任何使用单一电源来在指定时间为负载140供电的***中，此配置都允许使用单一的电流传感器170来控制所有的电源110、120。可替代地，电流传感器170能定位在电源输出112、122中的每一个处，而控制器160具有用于每个电流传感器170的专用控制器输入。

在图1的实例中，控制器160是具有计算机可读介质的可编程微控制器，该计算机可读介质能够存储用于执行下文关于图2描述的方法的指令。该可编程微控制器160允许使用者基于所连接的负载140的功率需求来修改电流和持续时间阈值。如果用替代电源（alternate power supply）替换电源110、120，或者如果期望的负载功率分布（profile）改变，则可编程控制器允许使用相同的控制方案。以实例的方式，如果初始负载需要高电流、极短脉冲的分布，则控制器160编程为具有高电流量值阈值和极低的持续时间阈值。可替代地，如果负载需要具有高电流、中等长度脉冲的分布，则控制器160编程为具有高电流阈值和中等长度的持续时间阈值。

图1中示出的开关机构130能是任意已知的开关装置，其能够将所连接的电源110、120电隔离。示例性的开关装置130是二极管和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的阵列，其根据已知的原理配置以形成MOSFET/双二极管阵列开关。该MOSFET/双二极管阵列从开关门驱动器150接收或高或低的控制输入。高输入将该阵列置于“on”模式并提供电源输出112、122与输入负载功率142之间的连接。低输入将该阵列置于将电源输出112、122与输入负载功率142电隔离的“off”状态。理解的是通过增加附加的开关130能够将附加的主或备用电源增加到高电流脉冲电源电路100，而每个开关130控制一个附加主或备用电源的连接。此外，理解的是其他类型的开关装置也能使用类似的控制方案操作，并且落在本公开之内。

图2示意性示出了用于操作图1的短路检测和保护方案的方法200。首先方法200在“向负载提供功率”步骤210中从主电源110向负载140提供功率。在“检测输入负载电流”步骤220中，电流传感器170测量输入负载电流并向控制器160报告该测量电流。然后在“输入电流超过阈值？”步骤230中，控制器160确定该输入负载电流是否超过预定电流量值阈值。如果未超过电流量值阈值，则该方法以“向负载提供功率”步骤210重新开始。

如果超过了电流量值阈值，则在“启动持续时间计数器”步骤240中，控制器160启动持续时间计数器。该持续时间计数器能是确定输入负载电流已超过电流量值阈值多久的软件计数器。在“持续时间超过阈值？”步骤250中，控制器160检查以判断持续时间是否已超过过载电流持续时间阈值。如果未超过该过载电流持续时间阈值，则在“不再超过电流量值阈值？”步骤260中，控制器160确定是否仍超过该电流阈值。如果不再超过电流量值阈值，则控制器160在“向负载提供功率”步骤210重新开始该方法。暂时超过电流量值阈值，但未超过过载电流持续时间阈值的状态表明具有期望的高电流脉冲，而非短路故障。

如果仍超过电流量值阈值，则控制器160继续确定过载电流的持续时间并返回到“持续时间超过电流持续时间阈值？”步骤250。如果“持续时间超过过载电流持续时间阈值？”步骤250确定过载电流的持续时间已超过过载电流持续时间阈值，则在“确定存在短路故障”步骤270中，控制器160确定在电源110中存在短路故障。

一旦检测到短路故障，在“隔离所连接的电源”步骤280中，控制器160就将主电源110隔离并使用上文关于图1描述的过程来将备用电源120连接到输入负载功率142。然后在“连接备用电源”步骤290中，控制器160将备用电源120连接到负载140。可替代地，如果当检测到短路故障时，当前连接的是备用电源120，则控制器160能够切换到主电源110，或者将电源110、120与负载140完全隔离。

理解的是本领域中的技术人员能够重新配置上述方法以适应具有除主电源和备用电源以外的多个电源的单一负载。

尽管已公开了实例，但是本领域中的普通技术人员将认识的是特定的修改将落在本公开的范围内。为此，应对下文的权利要求进行研究以确定本公开的真正范围和内容。

Claims (17)

1.一种用于控制高电流脉冲电源的方法，包括如下步骤：

使用电流传感器来检测负载电流；并且

当所述负载电流超过电流量值阈值达到大于过载电流持续时间阈值的持续时间时，将电源与负载隔离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述电源与所述负载隔离的步骤进一步包括将第一开关部件设定为off，从而将主电源与负载功率输入隔离的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述将所述电源与所述负载隔离的步骤进一步包括将第二开关部件设定为on，从而将备用电源连接到所述负载功率输入的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述将所述备用电源连接到所述负载功率输入的步骤在所述将所述主电源与所述负载功率输入隔离的步骤之后执行，从而防止多个电源同时连接到所述负载。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测所述负载电流的步骤包括使用霍耳效应电流传感器来感测负载功率输入线上的负载电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述当所述负载电流超过所述电流量值阈值达到大于所述过载电流持续时间阈值的所述持续时间时将所述电源与所述负载隔离的步骤进一步包括当所述电流量值超过所述电流量值阈值时启动持续时间计数器的控制器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述当所述负载电流超过所述电流量值阈值达到大于所述过载电流持续时间阈值的所述持续时间时将所述电源与所述负载隔离的步骤进一步包括将所述持续时间计数器的持续时间与所述过载电流持续时间阈值相比较，从而确定所述负载电流何时超过所述电流量值阈值达到大于所述过载电流持续时间的所述持续时间。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述持续时间计数器包括控制器软件模块。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电流量值阈值近似等于或大于预期的短路故障电流。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述过载电流持续时间阈值至少为期望的电流脉冲持续时间。

11.一种电源电路，包括：

控制器，其电联接到开关驱动器；

多个功率通道，所述功率通道中的每一个将多个电源中的一个连接到负载功率输入并且所述功率通道中的每一个联接到所述开关驱动器；以及

电流传感器，其连接到所述负载功率输入和所述控制器，使得所述电流传感器能够检测负载输入电流并将所述负载输入电流通信到所述控制器。

12.根据权利要求11所述的电源电路，其中所述功率通道中的每一个包括电源输出功率线和能够中断所述电源输出功率线的功率开关。

13.根据权利要求12所述的电源电路，其中所述功率开关中的每一个包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)/双二极管阵列。

14.根据权利要求11所述的电源电路，其中所述控制器包括可编程微控制器。

15.根据权利要求14所述的电源电路，其中所述可编程微控制器进一步包括存储用于致使所述控制器执行如下步骤的指令的计算机可读介质：使用电流传感器来检测负载电流并当负载电流超过电流量值阈值达到大于过载电流持续时间阈值的持续时间时，将电源与负载隔离。

16.根据权利要求14所述的电源电路，其中所述可编程微控制器进一步包括软件持续时间计数器。

17.根据权利要求11所述的电源电路，其中所述电源中的每一个经由控制连接电联接到所述控制器，从而允许所述控制器控制所述电源中的每一个。

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