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CN107211519B - 具有欠压检测的应急系统 - Google Patents

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CN107211519B
CN107211519B CN201680009530.XA CN201680009530A CN107211519B CN 107211519 B CN107211519 B CN 107211519B CN 201680009530 A CN201680009530 A CN 201680009530A CN 107211519 B CN107211519 B CN 107211519B
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Abstract

本发明涉及一种应急系统，其包含辅助电力供应器、充电电路、欠压电路及控制器单元。所述辅助电力供应器连接到装置。所述充电电路具有由主电力供应器提供的输入电压及经配置以将电力提供到所述辅助电力供应器的输出。所述欠压电路可操作地连接到所述充电电路且经配置以对所述输入电压取样。所述控制单元接收所述取样输入电压且在检测到欠压状况时激活所述装置，所述检测是基于所述取样输入电压。

Description

具有欠压检测的应急系统
相关案例的交叉参考
本申请案主张2015年1月9日申请的第62/101,526号美国临时专利申请案的权益，所述美国临时专利申请案以全文引用方式并入本文中。
背景技术
本申请案涉及应急照明设备。
发明内容
应急照明设备及单元在(例如)主电力供应器发生故障的情况下为单体建筑或综合建筑提供必要照明覆盖，所以可安全地执行疏散。在这个前提下，应急照明单元通常用于照亮出口的路径，例如走廊、走道、楼梯及出口。响应于停电或电力减少，应急照明单元自动转变到应急模式，从而在协助建筑疏散时提供必要照明。
应急照明单元通过检测欠压事件检测紧急情况的存在。欠压事件是一种类型的紧急情况，在其期间，提供到建筑物的主电压被减小。欠压事件在对电力的需求相当高使得主电压归因于重负载从其标称电平下降时发生。主电压电平可减小到在其处部分通常接通的照明器材不能进行操作的点。
传统应急照明单元中的欠压检测电路的设计通常涉及行频变压器或电容分压器电路。在变压器的初级侧或电容分压器上使用多个输入电压分接头，在此系统中实施欠压电路相对简单。使用多个输入电压分接头以检测欠压的方法的缺点中的一者是负载效应。在多数情况中，行频变压器或电容分压器的输出还需要取决于电池的充电状态对呈现为可变负载的下游电池充电器电路供电。
归因于高频开关模式电力转换技术优于发现于传统应急照明产品中的传统行频变压器或电容分压器电路的成本及尺寸优点，已在应急照明应用中部分采用高频开关模式电力转换技术。利用开关模式电力转换拓扑允许广泛的输入电压范围，其通常在从102到305VAC 50/60Hz内。这消除了行频变压器或电容分压器输入电路所需的多个电压分接头。能够处置通用输入电压具有包含避免接线错误及设计中的总尺寸及成本减小的若干优点。
然而，传统欠压检测方法不能用于开关模式电力转换拓扑中。多个电压分接头因为开关模式电力转换拓扑固有地能够处置通用输入电压而可不用。不同于行频变压器或电容分压器，开关模式电力转换器的次级输出电压通常被调节，且其与输入电压不成比例。此外，通常实施于离线开关模式电力转换拓扑中的电流隔离在检测主电压电平时增加复杂性。这是因为应在初级侧处进行主电压测量，而通常呈微控制器单元(MCU)形式的控制单元定位在次级侧处。欠压信号必须传输通过隔离屏障以响应于主电压降激活应急模式。因此，已知的欠压检测方法可能导致对欠压事件的不准确检测。
因此，在一个实施例中，本申请案提供一种应急系统，其包括辅助电力供应器、充电电路、欠压电路及控制器单元。所述辅助电力供应器连接到装置。所述充电电路具有由主电力供应器提供的输入电压及经配置以将电力提供到所述辅助电力供应器的输出。所述欠压电路可操作地连接到所述充电电路且经配置以对所述输入电压取样。所述控制单元接收所述取样输入电压且在检测到欠压状况时激活所述装置，所述检测是基于所述取样输入电压。
在另一实施例中，本申请案提供一种应急系统，其包括外壳、电池、充电电路、欠压电路及控制单元。所述外壳含有灯具及将电力供应到所述灯具的驱动器。所述电池选择性地将电力供应到所述驱动器。所述充电电路具有来自主电力供应器的输入电压及将电力提供到所述电池的输出。所述欠压电路可操作地连接到所述充电电路以对所述输入电压取样。所述控制单元接收所述取样输入电压且在检测到欠压状况时激活所述灯具，所述检测是基于所述取样输入电压。
在另一实施例中，本申请案提供一种操作应急系统的方法。所述方法包含：从充电电路接收AC输入电压；基于所述输入电压在第一欠压阈值与第二欠压阈值之间做出选择；及如果所述输入电压低于所述所选择的欠压阈值，那么起始欠压状况。
通过考虑详细描述及附图将明白本申请案的其它方面。
附图说明
图1说明根据本申请案的一些实施例的应急照明系统的框图。
图2说明根据本申请案的一个实施例的图1的应急照明系统的充电单元的反激电路的电路图。
图3说明根据本申请案的另一实施例的图1的应急照明系统的充电单元的反激电路的电路图。
图4A说明根据本申请案的一些实施例的电连接到图1的应急照明系统的欠压检测电路的反激电路的电路图。
图4B说明根据本申请案的一些实施例的图1的应急照明系统的欠压检测电路的电平移位器电路的电路图。
图4C说明根据本申请案的一些实施例的图1的应急照明系统的欠压检测电路的峰值检测器电路的电路图。
图5说明根据本申请案的一些实施例的用于检测欠压状况的图1的应急照明系统的操作。
图6说明根据本申请案的一些实施例的用于检测第二欠压状况的图1的应急照明系统的操作。
具体实施方式
在详细解释本申请案的任何实施例之前，应理解，本申请案不受以下描述中陈述或附图中说明的组件的构造及布置的细节限制。本申请案能够具有其它实施例，且能够以各种方法来实践或实施。
图1说明根据本申请案的一些实施例的应急照明系统100的框图。应急照明系统100包含电耦合到主电力供应器110及电池或辅助电力供应器115的充电电路或充电单元105。充电单元105经配置以从主电力供应器110接收电力(例如，大约102VAC到大约305VAC的主电压)且对电池115充电。当主电力供应器110不可用时，应急照明系统100经配置以使用电池115将电力提供到一或多个灯具120。
应急照明系统100进一步包含欠压电路125、控制器或微控制器单元(MCU)130及驱动器135。欠压电路125从充电单元105提取主电压的电压信息且输出与所述主电压成比例的欠压信号(例如，直流电压)。
控制器130从欠压电路125接收欠压信号且监测所述欠压信号以检测欠压事件。控制器130可包含电力组件及处理逻辑以支持已知或常规特征。举例来说，控制器130可包含处理单元及存储器。所述处理单元是用于执行软件指令的硬件装置。所述处理单元可为微处理器或其它类似装置。所述存储器包含例如程序存储区域及数据存储器区域。所述程序存储区域及所述数据存储区域可包含不同类型存储器(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)或其它合适的磁性、光学、物理或其它非暂时性计算机可读媒体)的组合。所述处理单元连接到所述存储器且执行能够被存储于存储器的随机存取存储器(RAM)(例如，在执行期间)、存储器的只读存储器(ROM)(例如，在通常永久基础上)中的软件指令。所述软件可包含一或多个应用程序、程序数据、滤波器、规则、一或多个程序模块及其它可执行指令。
驱动器135经配置以将电力提供到灯具120且操作灯具120。驱动器135从电池115接收电力。驱动器135进一步从控制器130接收控制信号。驱动器135基于来自控制器130的控制信号将电力输出到灯具120。灯具120可包含一或多个灯，例如(但不限于)一或多个发光二极管(LED)。
图2说明根据本申请案的一个实施例的充电单元105的反激电路200的电路图。反激电路200包含输入205、整流器210、滤波电容器215、开关220、反激变压器225、二极管230、输出电容器235及输出240。
输入205从主电力供应器110接收主电压。整流器210对所述主电压进行整流。在一些实施例中，整流器210包含一或多个二极管(例如，D1、D2、D3、D4等等)。在其它实施例中，整流器210是半桥整流器或全桥整流器。滤波电容器215对经整流主电压滤波。
反激变压器225包含具有引脚1及引脚2的初级侧245a及具有引脚3及引脚4的次级侧245b。反激变压器225经配置以存储能量，且接着，传输所存储的能量，同时在初级侧245a与次级侧245b之间提供电隔离。反激变压器225由开关220控制。开关220可为任何类型的电子开关，其包含(但不限于)半导体装置，例如晶体管(例如，双极结型晶体管[BJT]、场效应晶体管[FET]、结型栅场效应晶体管[JFET]、金属氧化物半导体场效应晶体管[MOSFET]等等)。二极管230及输出电容器235经配置以在从次级侧245b输出的电压从输出240输出之前对所述电压进行整流及/或滤波。
在操作中，在接通(ON)周期期间，开关220接通且变压器225(经由初级侧245a)接收经整流经滤波主电压且将所述电压存储于变压器225的芯的气隙中。另外，在接通周期期间，输出电容器235中存储的经变压电压从输出240输出。在断开(OFF)周期期间，开关220断开且变压器225(经由次级侧245b)将经变压电压输出(即，释放)到二极管230及输出电容器235。经变压电压由二极管230整流且被存储于输出电容器235中。
在接通周期期间，施加到变压器225的初级侧245a的经整流经滤波主电压在次级侧245b处同时得到反映。在一些实施例中，次级侧245b的引脚4与3之间的电压电势在接通周期期间可由下文的方程式1确定。
Figure BDA0001374199790000041
其中VPin4是引脚4处的电压；VPin3是引脚3处的电压；VPin2是引脚2处的电压；VPin1是引脚1处的电压；NS是次级侧245b上的匝数；NP是初级侧245a上的匝数；且VCin是滤波电容器215处的电容器电压。
由于次级侧245b的引脚4电连接到次级接地250，可将方程式1重新写成下文的方程式2。
在断开周期期间，引脚3处的电压VPin3可通过下文的方程式3确定。
VPin3＝Vout-VD6 [方程式3]
其中Vout等于输出240处的电压，而VD6等于二极管230的电压。在一些实施例中，引脚3处的电压VPin3仅载送关于接通周期期间的输入主电压的信息。
图3说明根据本申请案的另一实施例的反激电路300的电路图。此实施例基本上类似于反激电路200，除了二极管330的定位之外。在所说明的反激电路300的实施例中，二极管330电连接于次级侧345a的引脚4与次级接地350之间。在此实施例中，次级侧345a上的电压(例如，VPin4-VPin3)在接通周期期间是正。因此，次级侧345a上的引脚的电压可通过下文的方程式4来确定。
Figure BDA0001374199790000052
图4A到4C说明根据本申请案的一些实施例的欠压检测电路400的电路图。尽管说明为电耦合到反激电路300，但在其它实施例中，欠压检测电路400可电耦合到反激电路200。
欠压检测电路400包含电平移位器电路405及峰值检测器电路410。电平移位器电路405包含输入415、整流器二极管420、滤波电容器425、开关430及电阻器435。如所说明，电平移位器电路405可包含额外组件，例如(但不限于)电阻器、电感器及电容器，其除了其它用途之外可用于滤波用途。
电平移位器电路405在输入415处接收次级侧245a的次级电压(VPin4-VPin3)。次级电压由整流器420及滤波电容器425整流及滤波。开关430由引脚3的电压VPin3控制。尽管说明为BJT，但开关430可为任何类型的电子开关，其包含(但不限于)半导体装置，例如晶体管(例如，FET、JFET、MOSFET等等)。电平移位器电路405经配置以将次级电压(VPin4-VPin3)转换成经重新按比例缩放以适应ADC接口要求的接地参考电压。经转换的接地参考电压是跨越电阻器435的电压(VR32)。经转换的接地参考电压VR32可通过使用下文的方程式5确定。
Figure BDA0001374199790000061
其中VD33是跨越整流器二极管420的电压降，Vbe是开关430的基极与开关430的发射极之间的电压，且β是开关430的电流增益。
在示范性实施例中，VR32与滤波电容器215的VCin成比例。然而，VCin可取决于负载要求及滤波电容器215的电容波动。对于常规离线反激转换器，当不存在负载要求时，将VCin充电到输入线电压的峰值。另外，对于常规离线反激转换器，随着负载要求的增加，在输入线电压的峰值之后的每个半线循环使VCin放电。对于高功率因数单级离线反激转换器，当不存在负载要求时，将VCin充电到输入线电压的峰值，且当加载时，VCin遵循瞬时经整流输入电压波形。因此，VCin的峰值可用于准确地表示输入电压电平，而非使用平均电平。
峰值检测器电路410经配置以取样且保持跨越电阻器435的瞬时电压VR32的峰值，其与VCin成比例。峰值检测器电路410使对VCin的负载效应最小化。峰值检测器电路410包含第一运算放大器450、第二运算放大器455、开关460及峰值取样输出465。如所说明，峰值检测器电路410可包含额外组件，例如(但不限于)电阻器、电感器及电容器，其除了其它用途之外可用于滤波用途。
第一运算放大器450接收跨越电阻器435的瞬时电压VR32。第一运算放大器450与第二运算放大器455一起保持瞬时电压VR32的峰值，且从峰值取样输出465输出保持电压VR32。接着，从峰值取样输出465输出的保持电压VR32可由控制器130接收。开关460用于复位峰值检测器电路410。在一些实施例中，峰值检测器电路410的复位与取样调度同步以允许实时跟踪主电压电平。
图5是说明用于检测欠压状况的示范性操作或算法500的流程图。操作500可由控制器130执行。控制器130对周期性地从峰值取样输出465输出的保持电压VR32(即，取样输入电压)取样(步骤505)。在一些实施例中，根据预先确定的时间周期(例如，大约每1ms)对保持电压VR32取样。控制器130确定保持电压VR32是否等于大约277V(步骤510)。如果保持电压VR32等于大约277V，那么系统100进入277VAC状态(步骤515)。如果保持电压VR32不等于大约277V，那么系统100在120VAC状态中操作，且操作500继续到步骤520。在120VAC状态中，控制器130确定取样保持电压VR32是否低于预先确定的欠压故障时间周期的预先确定的欠压阈值或电平(步骤520)。在一些实施例中，预先确定的欠压阈值是主线电压的大约77％(例如，对于120V的主线电压来说是大约92V)。另外，在一些实施例中，欠压故障时间周期是大约两秒。
如果确定保持电压VR32低于预先确定的欠压阈值，那么确认欠压事件，且系统100进入欠压状态，其中灯具120由电池115供电(步骤525)。在欠压状态期间，控制器130再一次对保持电压VR32取样(步骤530)。控制器130再一次确定保持电压VR32是否等于大约277V(步骤535)。如果保持电压VR32等于大约277V，那么系统100进入277VAC状态(步骤540)。如果保持电压VR32不等于大约277V，那么控制器130确定保持电压VR32是否高于预先确定的过压(brown-in)故障时间周期的预先确定的过压阈值(步骤545)。在一些实施例中，预先确定的过压阈值是主线电压的大约83％(例如，对于120V的主线电压来说是大约99V)。另外，在一些实施例中，过压故障时间周期是大约一秒。
如果保持电压VR32高于预先确定的过压故障时间周期的预先确定的过压阈值，那么系统100进入过压状态，其中系统100正常操作(例如，灯具120断电)(步骤550)且行进回到步骤505。如果保持电压VR32不高于预先确定的过压故障时间周期的预先确定的过压阈值，那么操作500行进回到步骤530。
图6是说明当系统100在277VAC状态中时用于检测欠压事件的示范性操作或算法600的流程图。控制器130对周期性地从峰值取样输出465输出的保持电压VR32(即，取样输入电压)取样(步骤605)。在一些实施例中，根据预先确定的时间周期(例如，大约每1ms)对保持电压VR32取样。控制器130确定取样保持电压VR32是否低于预先确定的欠压故障时间周期的预先确定的第二欠压阈值(步骤610)。在一些实施例中，预先确定的第二欠压阈值是主线电压的大约77％(例如，对于277V的主线电压来说是大约213V)。另外，在一些实施例中，欠压故障时间周期是大约两秒。
如果确定保持电压VR32低于预先确定的第二欠压阈值，那么确认欠压事件，且系统100进入欠压状态，其中灯具120由电池115供电(步骤615)。在欠压状态期间，控制器130再一次对保持电压VR32取样(步骤620)。控制器130确定保持电压VR32是否高于预先确定的过压故障时间周期的预先确定的第二过压阈值(步骤625)。在一些实施例中，预先确定的第二过压阈值是主线电压的大约83％(例如，对于277V的主线电压来说是大约230V)。另外，在一些实施例中，过压故障时间周期是大约一秒。
如果保持电压VR32高于预先确定的过压故障时间周期的预先确定的第二过压阈值，那么系统100进入过压状态，其中系统100正常操作(例如，灯具120断电)(步骤630)且行进回到步骤605。如果保持电压VR32不高于预先确定的过压故障时间周期的预先确定的第二过压阈值，那么操作500行进回到步骤620。
在图5及6中说明的上文实施例中，当系统100在277VAC状态时，系统100将不会移位回到120VAC状态，除非事件发生。在一些实施例中，事件可为复位事件或通电事件。此实施例消除针对可能的不同标称电压状况不断重新校准输入电压的需要。
上文描述的系统100及方法500、600的实施例还可用于其它应用中，例如(但不限于)逆变器及电池组，其中使用基于反激拓扑的离线电力转换器。
因此，本发明(除了其它之外)提供用于检测欠压状况的系统及方法。在所附权利要求书中陈述本发明的各种特征及优点。

Claims (20)

1.一种应急系统，其包括：
辅助电力供应器，其连接到照明装置；
充电电路，其包含初级侧，所述初级侧接收由主电力供应器提供的输入电压，所述充电电路进一步包含次级侧，所述次级侧具有经配置以将电力提供到所述辅助电力供应器的输出；
欠压电路，其可操作地连接到所述充电电路的所述次级侧且经配置以对所述输入电压取样；及
控制单元，其接收所述取样输入电压且在检测到欠压状况时激活所述照明装置，所述检测是基于所述取样输入电压。
2.根据权利要求1所述的应急系统，其中所述充电电路进一步包含将所述初级侧及所述次级侧彼此隔离的反激变压器。
3.根据权利要求1所述的应急系统，其中所述欠压电路将所述输入电压按比例缩放到成比例的DC电压。
4.根据权利要求1所述的应急系统，其中所述欠压电路包含电平移位器电路及峰值检测器电路。
5.根据权利要求4所述的应急系统，其中所述峰值检测器电路利用连接到所述电平移位器电路的输出的双运算放大器。
6.根据权利要求1所述的应急系统，其中如果所述输入电压低于第一值，那么所述控制单元建立第一欠压电平，且如果所述输入电压高于第二值，那么所述控制单元建立第二欠压电平。
7.根据权利要求6所述的应急系统，其中所述第一欠压电平与120V的供应器相关联，且所述第二欠压电平与277V的供应器相关联。
8.根据权利要求1所述的应急系统，其中所述辅助电力供应器包含电池，且所述照明装置包含灯具。
9.一种应急系统，其包括：
外壳，其含有灯具及将电力供应到所述灯具的驱动器；
电池，其选择性地将电力供应到所述驱动器；
充电电路，其包含初级侧，所述初级侧接收来自主电力供应器的输入电压，所述充电电路进一步包含次级侧，所述次级侧具有将电力提供到所述电池的输出；
欠压电路，其可操作地连接到所述充电电路以对所述输入电压取样；及
控制单元，其接收所述取样输入电压且在检测到欠压状况时激活所述灯具，所述检测是基于所述取样输入电压。
10.根据权利要求9所述的应急系统，其中所述充电电路包含将所述初级侧及所述次级侧彼此隔离的反激变压器。
11.根据权利要求9所述的应急系统，其进一步包括欠压阈值及过压阈值。
12.根据权利要求11所述的应急系统，其中所述控制单元在所述输入电压处于或低于所述欠压阈值时激活所述灯具，且在所述输入电压处于或高于所述过压阈值时取消激活所述灯具。
13.根据权利要求11所述的应急系统，其进一步包括欠压状态及正常状态，且其中所述系统在所述输入电压低于所述欠压阈值时从正常状态切换到欠压状态，且所述系统在所述输入电压处于或高于所述过压阈值时从所述欠压状态切换到所述正常状态。
14.一种操作应急系统的方法，其包括：
从充电电路接收AC输入电压，所述充电电路包含初级侧和次级侧，所述初级侧接收所述AC输入电压，所述次级侧具有经配置以将电力提供到辅助电力供应器的输出；
使用欠压电路对所述输入电压取样，所述欠压电路连接到所述充电电路的所述次级侧；
基于经取样输入电压在第一欠压阈值与第二欠压阈值之间做出选择；及
如果所述经取样输入电压低于所选择的欠压阈值，那么进入欠压状况。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
使第一过压阈值与所述第一欠压阈值相关联；及
使第二过压阈值与所述第二欠压阈值相关联。
16.根据权利要求15所述的方法，其中如果所述电压高于所述第二过压阈值，那么选择所述第二欠压阈值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中维持所述第二欠压阈值直到复位事件发生。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一欠压阈值是120V的大约77％，且所述第一过压阈值是120V的大约83％，且所述第二欠压阈值是277V的大约77％，且所述第二过压阈值是277V的大约83％。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一欠压阈值与120V相关联，且所述第二欠压阈值与277V相关联。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述充电电路进一步包含将所述初级侧及所述次级侧彼此隔离的反激变压器。
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