數(shù)字控制式ac保護及衰減電路的制作方法
【專利說明】數(shù)字控制式AC保護及衰減電路
[0001]本申請是分案申請，其母案申請的申請?zhí)枮?01080047547.7，申請日為2010年10月20日，發(fā)明名稱為“數(shù)字控制式AC保護及衰減電路”。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于敏感負載(sensitive load)的保護及衰減電路。更具體地，本發(fā)明涉及針對被設(shè)計用于保護敏感AC負載的應(yīng)用所優(yōu)化的低成本、高效、數(shù)字控制的AC保護及衰減電路。
【背景技術(shù)】
[0003]通常期望(尤其是當(dāng)經(jīng)常以或接近額定負載電壓或電流運行時)保護敏感負載使其免受過高的AC電壓、電流、頻率、溫度、機械極限、或可能導(dǎo)致對負載造成永久損壞的其他情況。還期望使容許AC電壓和電流經(jīng)過負載而沒有顯著的衰減、失真、濾波。由于被AC電源驅(qū)動的負載的多樣性，電壓和電流保護限制變化顯著，從而需要能夠支持許多不同跳變閾值(trip threshold，跳閘閾值)的保護電路。擴音器由于以下事實而表現(xiàn)為經(jīng)常以或接近其額定AC功率運行的敏感負載并對AC電源保護的技術(shù)提出了挑戰(zhàn):擴音器換能器通常能夠處理大功率電平達較短持續(xù)時間，處理降低的功率水平達較長持續(xù)時間。換句話說，過度的持續(xù)時間對于針對保護的監(jiān)測是關(guān)鍵的；功率限制(power limiting)太快則不能充分利用換能器，而功率限制太遲將導(dǎo)致對換能器的永久損壞。另外，這些持續(xù)時間系數(shù)隨換能器溫度和環(huán)境條件而改變。保護敏感負載免受過高的AC功率可能是困難的任務(wù)，并且許多現(xiàn)有技術(shù)都未能在使容許電壓和電流保持不變地流過的同時來充分地保護負載免受所有過度的情況。
[0004]除了 AC保護，還存在著期望對已知負載供電的AC電壓進行持續(xù)衰減的情況，諸如降低向擴音器供電的AC信號電平。一些擴音器應(yīng)用需要AC功率衰減從而控制擴音器的輸出水平。例如，考慮由以并行布線配置連接的四個擴音器組成的簡單音頻系統(tǒng)?？赡艹霈F(xiàn)期望降低四個擴音器之一的電平的情況。這可以是分布式多分區(qū)應(yīng)用或需要調(diào)低陣列中的若干元件的線陣列應(yīng)用。遺憾地是，衰減這些高功率信號是高成本的、低效的，并且導(dǎo)致信號劣化。持續(xù)AC衰減的另一應(yīng)用是在照明調(diào)光器中。用于照明應(yīng)用的現(xiàn)有AC衰減器已關(guān)注到標(biāo)準(zhǔn)線電壓正弦曲線的衰減，即，50Hz至60Hz的120伏至240伏AC，而沒有致力于解決覆蓋整個音頻帶寬(20Hz至20Khz)的復(fù)雜信號。此外，AC調(diào)光器沒有致力于與保護監(jiān)測電路的結(jié)合，使得燈或負載沒有受到AC過度情況的保護。
[0005]被設(shè)計為保護敏感負載免受AC功率過度的現(xiàn)有電路已通常使用起動裝置(actuating device)和衰減裝置的組合。已經(jīng)結(jié)合了起動裝置以在過電壓或過電流情況中起動或改變導(dǎo)電狀態(tài)，而衰減系統(tǒng)已經(jīng)被用于衰減或降低不需要的電壓或電流。一些裝置由于在滿足了特定條件時起動或改變電氣狀態(tài)以及一旦起動就引入衰減的固有能力，因此這些裝置是自起動及衰減裝置。自起動及衰減裝置的實例是瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS，相當(dāng)于大齊納二極管)，其可以用于自整流或起動，并通過將多余電流分流至地或者中和，有效地將電壓箝位于預(yù)定閾值。已經(jīng)特別地開發(fā)了雙向TVS 二極管用于AC或雙極DC系統(tǒng)。金屬氧化物變阻器(通常稱為MOV)是另一普遍使用的自起動及衰減裝置，其與雙向TVS 二極管類似地運行。遺憾地是，諸如TVS 二極管、M0V、熱敏電阻等的自起動裝置是不可調(diào)節(jié)的，并且起動閾值根據(jù)環(huán)境溫度和/或生產(chǎn)公差可以有顯著變化。通常在擴音器換能器保護電路中找到的另一起動及衰減裝置是燈。如圖2B所示，通常應(yīng)用在串行配置中，燈被認為是自起動的，原因在于直到流過了足夠電流時燈絲才加熱(點亮)。但是，一旦建立了足夠電流，燈絲發(fā)光，并且其阻抗增加，因此允許光和熱形式的功率衰減/耗散。遺憾地是，燈也有許多不足，諸如燈絲損壞、插入損耗、標(biāo)稱最大阻抗、光輸出、以及過高熱生成。
[0006]已經(jīng)針對單獨作為起動器或電路斷續(xù)器的裝置選擇了其他保護設(shè)計，原因在于這些保護設(shè)計能夠在跳閘時引入斷路情況。最常見的自起動、電路斷續(xù)裝置是保險絲，其中，在出現(xiàn)過電流情況時，特殊尺寸和成型的導(dǎo)體被設(shè)計為燒掉。保險絲是相對廉價并有些作用的；然而，它們被設(shè)計為具有固定的跳閘閾值，它們具有預(yù)定的響應(yīng)時間，并且一旦熔斷，將永久性損毀，即，它們必須被實體地更換。對于大多數(shù)敏感負載應(yīng)用，由于可能使負載遭受永久損壞的過長響應(yīng)時間，因此保險絲并不可用。已經(jīng)開發(fā)了專用正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)，以解決對于保險絲或熔線來說普遍的永久損毀問題，然而它們未能解決固定閾值和響應(yīng)時間問題。諸如繼電器的其他起動裝置，因為它們要求觸發(fā)電路來控制起動，因此被認為是受控起動裝置。由于易于對導(dǎo)致起動的電壓或電流閾值進行改變或編程，因此受控起動是理想的，但是諸如繼電器的許多機電起動器存在有限響應(yīng)時間的問題。例如，標(biāo)準(zhǔn)功率繼電器具有大約5毫秒的典型打開時間，并且在一些情況下，起動中的該延滯可能導(dǎo)致對敏感負載的損壞。受控起動的另一重要方面是用于控制或觸發(fā)起動器的電路。在擴音器保護的技術(shù)中，控制起動器的電路已經(jīng)利用非可編程組件實現(xiàn)，諸如電阻器、電容器、和齊納二極管；沒有致力于利用基于微處理器的裝置用于起動控制。雖然非可編程起動控制電路是有效的，但是它們不允許在沒有改變電路部件值(電阻器和電容器)的情況下調(diào)整閾值和時間系數(shù)。該實現(xiàn)方式根本上需要對跳閘閾值和時間系數(shù)的各個期望組合的不同控制電路。
[0007]AC功率衰減是實現(xiàn)針對敏感負載的高性能保護電路的另一關(guān)鍵方面。一旦起動裝置跳閘，則可以使用衰減裝置將AC功率降低到安全水平。先前的設(shè)計已經(jīng)結(jié)合了功率衰減器，該衰減器以熱的形式以及在一些情況下以光能的形式來耗散不需要的功率。衰減裝置可以分為可變衰減器或固定衰減器。具有恒定阻抗的電阻器可被認為是固定衰減器，而具有依賴于燈絲熱的阻抗的燈可被認為是有限范圍可變衰減器。用于AC功率衰減的常見裝置是電阻器。功率電阻器有許多不同形狀、尺寸、和結(jié)構(gòu)(厚膜、繞線等)，并通常封裝在允許顯著散熱的殼中。雖然電阻衰減已經(jīng)實現(xiàn)了期望的結(jié)果，但是缺點是明顯的。過高的功率耗散要求大的、成本高的電阻器，并且在一些情況下，需要專用散熱器和/或液體冷卻設(shè)備來耗散熱能量。在擴音器保護及衰減的技術(shù)中，電阻器和燈是針對高功率衰減的兩種最常見裝置；沒有致力于使用晶體管化的、可編程衰減器。
[0008]被設(shè)計為對驅(qū)動擴音器的AC功率信號進行連續(xù)衰減的現(xiàn)有電路(諸如被設(shè)計為降低分布式或線陣列系統(tǒng)中的信號幅度的電路)已經(jīng)采用了以下兩種方法之一:電阻衰減或變壓器電壓步降。遺憾地是，這些連續(xù)衰減或步降A(chǔ)C功率信號的現(xiàn)有技術(shù)存在著數(shù)個顯著問題。被設(shè)計為使用電阻衰減來衰減AC功率信號的電路有過高功率損耗的問題，從而需要產(chǎn)生大量熱以及高成本的高功率電阻元件?？蛇x地，使用變壓器步降方法的方法受益于大大降低的損耗(通常IdB至2dB的插入損耗)，但是將以下缺點引入了系統(tǒng):(I)由于低頻磁芯導(dǎo)致的極大的物理尺寸和重量，(2)頻率響應(yīng)退化(低頻滾降)，(3)由于功率增大而成本升高，(4)變壓器鐵芯飽和問題限制了對低功率應(yīng)用(通常10W以下)的有效使用，
(5)固定數(shù)量的次級繞組“抽頭”(通常為4)不允許精細的幅度控制。這些問題已經(jīng)普遍存在了幾十年，在需要連續(xù)衰減的情況下，沒有建立改進的解決方案。
[0009]為了說明在許多現(xiàn)有AC功率保護電路中發(fā)現(xiàn)的不足，給出了若干實例，其中，負載是敏感的電感負載、擴音器，具有隨持續(xù)時間和過度而變化的動態(tài)功率處理特性。參照圖1，給出了典型的擴音器功率處理性能的兩個方面:所需的衰減和持續(xù)時間。典型的擴音器具有額定功率處理規(guī)格，低于該規(guī)格，換能器將在由點線44示出的沒有損壞的情況下運行。左軸40對應(yīng)于以分貝(dB)計的衰減值。實線42表示擴音器在沒有損壞的情況下維持正常運行所需的衰減。右垂直軸46對應(yīng)于以秒(sec)計的時間。虛線48表示作為以秒計的持續(xù)時間的函數(shù)的擴音器功率處理。公共的橫軸50表示增大的功率。在圖1A中顯而易見，隨著輸入功率水平超過擴音器的額定功率，換能器要求增大的衰減。此外，隨著輸入功率增大，換能器沒有損壞地運行的持續(xù)時間穩(wěn)步減小。有效的保護應(yīng)當(dāng)力求在擴音器的額定功率處理之上提供足夠衰減，并能夠控制超過額定值的功率水平的持續(xù)時間。另外，有效的保護應(yīng)當(dāng)力求允許在擴音器額定值以下的所有功率水平未被改變地通過，即，最小的衰減、濾波、和失真。
[0010]參照圖2A，典型的擴音器所需的衰減和持續(xù)時間圖疊加了典型的自起動、自衰減燈。燈的衰減由實線52表示，并且燈的時間響應(yīng)由虛線54表示。在圖2A中顯而易見，燈的自起動和衰減在負載的功率處理額定值44之前，并在衰減中開始線性增加。遺憾地是，燈的衰減達到穩(wěn)定水平并顯著小于負載要保持無損壞運行所需的衰減。陰影區(qū)56示出了負載會遭到比指定的額定值更多的功率的損壞區(qū)。從點線54顯而易見，燈的時間響應(yīng)有些快，顯然比擴音器最初所需的響應(yīng)時間48要快。該初始過快速度將比所需更快地箝位許多安全瞬時功率水平。然而，在極高的功率水平，燈起動和衰減時間滯后于擴音器所需的響應(yīng)時間48，其允許在損壞區(qū)58中運行。燈即使在不起動或照明時，也具有標(biāo)稱阻抗，這導(dǎo)致了可測量的插入損耗。最終，燈具有最大功率額定值(在對裝置過度供電時，燈絲在該額定值處被損壞)，這極大地限制了結(jié)合有不具備后續(xù)燈絲保護的燈的電路的運行功率范圍。圖2B中給出了單個燈、擴音器保護電路的代表性示意圖。
[0011]參照圖2C，典型的擴音器換能器所需的衰減和持續(xù)時間圖疊加典型的自起動熱敏電阻(通常是正溫度系數(shù)器件，PTC)。PTC衰減由實線52表示，并且達到標(biāo)稱衰減的時間響應(yīng)由虛線54表示。從圖1B中顯而易見，PTC在負載的功率處理額定值44之前輕微起動，并且衰減快速步進。在PTC未提供足夠衰減的同時，快速(fast-acting)的步進衰減響應(yīng)不是最佳的，并且當(dāng)用于擴音器保護時容易被人耳覺察。從點線54顯而易見，PTC時間響應(yīng)非常慢，并且明顯慢于負載所需的響應(yīng)時間48。陰影區(qū)56示出了負載將遭受到比指定的額定值更長的功率持續(xù)時間的損壞區(qū)。遺憾地是，盡管選擇較小的PTC器件會加快時間響應(yīng)，但起動閾值通常遠小于負載所需的功率額定值。另外，PTC器件將利用小量的涓流電流來保持起動，導(dǎo)致了不良的釋放和恢復(fù)性能。PTC起動閾值還將根據(jù)環(huán)境溫度而變化極大，這極大地限制了結(jié)合了這種器件的電路的有效工作溫度范圍。由于這些問題，設(shè)計者要找到滿足關(guān)于時間、衰減、起動閾值、和釋放性能的所有期望要求的單個PTC器件有很大的困難。圖2D中給出了自起動PTC擴音器保護電路的代表性示意圖，其中，利用可選的固定衰減器10對PTC 12設(shè)置旁路。
[0012]參照圖2E，典型擴音器換能器所需的衰減和持續(xù)時間圖與非延時繼電器驅(qū)動器和單個燈衰減器疊加。衰減特性(實線52)與單個燈相同；然而，燈不被允許在負載的功率額定值44以下衰減。遺憾地是，燈在較高功率水平的衰減不足仍然是一個問題，并使得在損壞區(qū)56中運行。由于在觸發(fā)電路內(nèi)缺少時序級，因此從點線54顯而易見，繼電器時間響應(yīng)有些快，明顯快于擴音器最初所需的響應(yīng)時間48。該初始過快