专利名称：检测电源电压状况的方法和装置的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及电力监控，尤其是涉及检测电源电压状况的方法和装置。
背景技术：
电子设备常常采用一个或更多监控器监控电源的状况，电源可以包括例如一个或更多锂离子电池、一个或更多镍金属氢化物(NiMH)电池、超级电容器、燃料电池单元等。监控器能够确定电源何时操作在期望的或正常的操作电压范围之内或之外。操作在期望电压范围之外的示例包括电源操作在过压状况、欠压状况和/或在任何预定的电压阈值之上或之下。
发明内容
本文描述的产品的示例方法、装置、系统和/或设备能够检测电源的一个或更多状况。由本文描述的方法和装置检测的示例状况包括正常操作状况和在期望电压范围之外的状况，例如过压状况、欠压状况和/或在预定范围之外的任何电压状况。为了检测这样的状况，本文描述的示例方法包括将示例电容器通信耦合到被监控的电源。示例方法的示例电容器被配置为响应于电源具有与第一状况关联的电压而改变状态。电容器的状态改变导致生成指示第一状况的信号。
参考附图描述了示例实施例，其中:图1是根据本文描述的示例方法和装置的示例电源监控器的示意图，电源监控器包括被配置为监控电源的过压状况和自过压状况的恢复的示例电容器。图2是根据本文描述的示例方法和装置的示例电源监控器的示意图，电源监控器包括被配置为监控电源欠压状况和自欠压状况的恢复的示例电容器。图3是图1和图2的示例电容器的横截面视图。图4是图1、图2和/或图3的示例电容器的极板之间的间隙距离以电池电压为函数的曲线图。图5是用于实现图1的示例电源监控器的示例处理的流程图表示，示例处理可以利用机器可读指令实现。图6是用于实现图2的示例电源监控器的示例处理的流程图表示，示例处理可以利用机器可读指令实现。图7是在检测图1和图2的示例电源的过压状况和欠压状况的示例电路中实现的图1的示例电源监控器和图2的示例电源监控器的示意图。图8是可以执行例如图5和/或图6的机器可读指令以实现图1、图2和/或图3的示例电源监控器的示例计算机的框图。
具体实施例方式本文描述的示例方法和装置能够检测电源何时操作在故障状况，例如过压状况、欠压状况或被确定在预定范围之外的任何电压状况。过压状况指的是电源的电压在电源被视为正常操作的电压范围的上限之上。欠压状况指的是电源的电压在电源被视为正常操作的电压范围的下限之下。电源被视为正常操作的电压范围有时候在本文中被称为期望电压范围。期望电压范围可以由例如电源制造商定义，或者由实现电源的电路或设备的设计者定义。定义过压状况的期望电压范围的上限有时候在本文中被称为过压阈值。定义欠压状况的期望电压范围的下限有时候在本文中被称为欠压阈值。一般来说，本文描述的示例方法和装置采用可调谐MEMS (微机电系统)电容器来检测被监控的电源何时操作在故障状况。如下面详细描述的，本文描述的示例MEMS电容器被调谐为在被监控的电源中，分别响应于过压状况或欠压状况而以可恢复方式塌陷(collapse)和/或打开(open)。此外，本文描述的示例MEMS电容器被调谐为分别响应于电源从过压状况或欠压状况恢复而再次打开或再次闭合。本文描述的示例MEMS电容器的塌陷、打开、再次打开和再次闭合生成指示被监控的电源的操作状况的一个或更多信号。这些信号可以以多种方式用来例如保护电源和/或与电源关联(例如，从电源接收电力)的电路和设备。与以前的电源监控系统(例如使用消耗微瓦量级功率的CMOS (互补金属氧化物半导体)器件的监控器)相比，本文描述的示例方法和装置可以提供零电流消耗(受限于一个或更多电容的漏电)。此外，本文描述的示例电源监控器可以承受比以前的监控器(例如使用CMOS电路的监控器)高的电压。这种在较高电压击穿水平下监控电源的能力在例如混合动力交通工具中使用的多单元电池组是特别有优势的，在混合动力交通工具中串联使用了几百个单元。此外，本文描述的示例MEMS电容器向电源监控器提供磁滞而不消耗额外的功率。相比之下，以前的系统，例如使用CMOS电路的那些系统，需要额外的磁滞电路，其消耗了额外的功率。所公开的示例的其他优势或替换优势和益处从图1-5及其相应的描述中是显而易见的。图1是示例电源监控器100的示意图，电源监控器100被配置为监控示例电源102的过压状况以及自过压状况的恢复。图2是示例电源监控器200的示意图，电源监控器200被配置为监控示例电源102的欠压状况以及自欠压状况的恢复。如下面详细描述的，图1的示例电源监控器100和图2的示例电源监控器200可以一起用于监控与电源102关联的整个期望电压范围。在图1和图2的说明性示例中，电源102是电池。然而，本文描述的示例方法和装置可以用于监控可替换类型的电源以及包括不止一个电池或单元的电源。图1的示例电源监控器100被配置为检测示例电源102的电压(U何时超出针对电源102规定的期望电压范围的过压阈值。在说明性示例中，期望电压范围被定义为包括示例电源102可以正常操作的电压以及不对其自身或任何关联设备或电路产生损害的电压。图1的示例电源监控器100包括与电阻器106串联耦合的可调谐MEMS电容器104。图1的示例电源监控器100还包括施密特触发器108和锁存器110。通常，电容器104、电阻器106、施密特触发器108以及锁存器110配合生成指示电源102操作状况的输出112。示例电容器104通信耦合于电源102并且具有根据V。.而变化的电容(Cv)。图1的示例电容器104被调谐或被配置为，响应于V.超出与电源102关联的过压阈值，电容器104的极板以非破坏性和可恢复方式塌陷。施加到电容器104的、导致这种塌陷的电压在本文中被称为吸合电压(pull-1n voltage)。在下面结合图3详细描述了对示例电容器104进行调谐，使其具有对应于过压阈值的吸合电压。在电源102在期望电压范围内操作期间，电容器104的极板是打开的。因此，当电源102在期望电压范围内操作时，施密特触发器108的输入是逻辑高。当电容器104响应于超出过压阈值而塌陷时，在施密特触发器108的输入端生成负走向尖峰。施密特触发器108将该尖峰转换为干净的负走向沿，并将其输出到锁存器110。在图1的说明性示例中，锁存器110的输出112被初始设置为逻辑高。当施密特触发器108将负走向沿输送到锁存器110时，锁存器110被复位。在图1的说明性示例中，锁存器110的复位使输出112指示电源102的电压超出了过压阈值。可以以任何合适的方式使用输出112来保护电源102和/或任何关联的电路免受损害错误操作等。例如，输出112可以被输送返回到电源102作为禁用信号。额外地或替换地，输出112可以被输送到控制器或处理器(例如下面结合图8描述的示例计算机800的处理器812)，该控制器或处理器能够禁用电源102和/或可能被电源102的操作影响的任何关联电路。在某些示例中，输出112可以被用于约束或限制电源102的操作，而不是禁用电源102。当电源102由于检测到过压状况而被禁用或限制一段时间时，V。.降低，并且除非发生意外情况，否则其最终返回到期望的电压范围。也就是说，V。.跌落到低于过压阈值。图1的示例电容器104被调谐为，响应于V.跌落到低于过压阈值的某个值，电容器104的极板(从上述的塌陷状态)再次打开。低于过压阈值的这个值被选择为将磁滞引入到电源监控器100中。这个值在此被称为释放电压(pull-out voltage)。此外，图1的示例电源监控器100的磁滞基本等于电容器104的吸合电压和电容器104的释放电压之间的差。下面结合图3详细描述了将示例电容器104调谐到特定的释放电压。当示例电容器104的极板响应于达到电容器104的释放电压而再次打开时，在施密特触发器108的输入端生成正走向尖峰。施密特触发器108将该尖峰转换为干净的正走向沿，并将其输出到锁存器110。当锁存器之前响应于过压状况而被复位时，响应于由施密特触发器108生成的正走向沿而设置锁存器110。示例锁存器110的设置使输出112返回到指示已经返回或恢复到期望电压范围的逻辑高。可以以任何合适的方式使用输出112来将之前由于过压状况而被禁用或限制的电源102和/或任何关联电路的操作激活或解除限制。例如，输出112可以被输送返回到电源102作为使能信号。额外地或替换地，输出112可以被输送到控制器或处理器(例如下面结合图8描述的示例计算机800的处理器812)，该控制器或处理器能够将电源102和/或可能被电源102的操作影响的任何关联电路使能或解除限制。图2的示例电源监控器200被配置为检测V。.何时跌落到针对电源102规定的期望电压范围的欠压阈值。如下面的描述所示，图2的示例电源监控器200以类似于图1的示例电源监控器100的方式，但是反向地操作。图2的示例电源监控器200包括与电阻器206串联耦合的可调谐MEMS电容器204。图2的示例电源监控器200还包括施密特触发器208和锁存器210。通常，电容器204、电阻器206、施密特触发器208以及锁存器210配合生成指示电源102的操作状况的输出212。
示例电容器204通信耦合于电源102，并且具有根据V。.而变化的电容(Cv)。图2的示例电容器204被调谐或配置为，使得当在期望电压范围内时，电容204的极板(以非破坏性和可恢复方式)塌陷。进一步地，图2的示例电容器204被调谐为，使得电容204的极板响应于V。.跌落到低于与电源102关联的欠压阈值而打开。如上所述，施加到电容器204的、导致极板打开的电压在本文中被称为释放电压。在下面结合图3详细描述了对示例电容204进行调谐，使其具有对应于欠压阈值的释放电压。由于在电源102操作在期望电压范围内期间，电容器104的极板塌陷，所以当电源102操作在期望电压范围内时，施密特触发器208的输入是逻辑低。当电容器204响应于V。.跌落到低于欠压阈值而打开时，在施密特触发器208的输入端生成正走向尖峰。施密特触发器208将该尖峰转换为干净的正走向沿，并将其输出到锁存器210。在图2的说明性示例中，锁存器210的输出212被初始设置为逻辑低。当施密特触发器208将正走向沿输送到锁存器210时，锁存器210的输出212被切换，以指示电源102的电压跌落到低于欠压阈值。可以以任何合适的方式使用输出212来保护电源102和/或任何关联电路免受损害错误操作等。例如，输出212可以被输送返回到电源102作为禁用信号。额外地或替换地，输出212可以被输送到控制器或处理器(例如下面结合图8描述的示例计算机800的处理器812)，该控制器或处理器能够禁用电源102和/或可能被电源102的操作影响的任何关联电路。在某些示例中，输出212可以被用于约束或限制电源102的操作，而不是禁用电源102。当电源102由于检测到欠压状况而被禁用或限制一段时间时，V。.增加，并且除非意外情况，否则最终返回到期望的电压范围。也就是说，V。.超出欠压阈值。图2的示例电容器204被调谐，使得电容器204的极板响应于V。.超出高于欠压阈值的某个值而(从上述的打开状态)再次塌陷。高于欠压阈值的这个值被选择为将磁滞引入到电源监控器200中。如上所述，这个值在此被称为吸合电压。因此，图1的示例电源监控器200的磁滞基本等于电容器204的释放电压和电容器204的吸合电压之间的差。下面结合图3详细描述了将示例电容器204调谐到特定的吸合电压。当示例电容器204的极板响应于达到电容器204的吸合电压而再次塌陷时，在施密特触发器208的输入端生成负走向的尖峰。施密特触发器208将该尖峰转换为干净的负走向沿，并将其输出到锁存器210。干净的负走向沿切换锁存器210的输出212，以指示已经返回或恢复到期望的电压范围。可以以任何合适的方式使用输出212来将之前由于欠压状况而被禁用或限制的电源102和/或任何关联电路的操作激活或解除限制。例如，输出212可以被输送返回到电源102，作为使能信号。额外地或替换地，输出212可以被输送到控制器或处理器(例如下面结合图8描述的示例计算机800的处理器812)，该控制器或处理器能够将电源102和/或可能被电源102的操作影响的任何关联电路使能或解除限制。施密特触发器108-b、锁存器110-b以及输出112-b的配置有时候在本文中被称为检测器电路，并且可以通过如下任何合适的电路、器件和/或配置实现，这些电路、器件和/或配置能够检测由电容器104和204生成的电压尖峰并且生成对应的输出112和212，以指示电源102的故障状况和自故障状况的恢复。虽然在图1和图2中示出了本文描述的实现电源监控器的示例方式，但是在图1和图2中示出的元件、处理和/或器件中的一个或更多可以以任何其他方式组合、分拆、重新布置、省略、消除和/或实现。进一步地，示例电容器104、204，示例电阻器106、206，示例施密特触发器108、208，示例锁存器110、210，和/或更一般地说，图1和图2的示例电源监控器100和200可以由硬件、软件、固件和/或硬件、软件和/或固件的组合实现。因此，例如，示例电容器104、204，示例电阻器106、206，示例施密特触发器108、208，示例锁存器110、210，和/或更一般地说，图1和图2的示例电源监控器100和200中的任意一个可以由一个或更多电路、可编程处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)和/或现场可编程逻辑器件(FPLD)等实现。当随附的装置权利要求中的任意一项被解读为覆盖纯软件和/或固件实现时，示例电容器104、204，示例电阻器106、206，示例施密特触发器108、208，示例锁存器110、210，和/或更一般地说，图1和图2的示例电源监控器100和200中的至少一个由此被明确地定义成包括存储软件和/或固件的计算机可读介质，例如存储器、DVD、⑶等。再进一步，图1和图2的电源监控器100和200可以包括除了在图1和图2中示出以外的或替换在图1和图2示出的一个或更多元件、处理和/或器件，和/或可以包括不止一个任何或所有示出的元件、处理和器件。图3是能够实现图1和图2的示例电容器104和204的电容器300的横截面视图。如上所述，图1和图2的示例MEMS电容器104和204可以被调谐到具有吸合电压和释放电压。根据本文所述的方法和装置，图1和图2的电容器104和204被调谐到具有能够指示电源102的故障状况和自故障状况的恢复的吸合电压和释放电压。图3的示例可调谐电容器300包括可动极板302和固定极板304。响应于吸合电压被施加到电容器300，可动极板302沿参考标号306标示的箭头指示的方向向固定极板304移动。通常，极板302和304的这种塌陷会损害电容器300，因此通常被避免。然而，本文描述的示例方法和装置使用这种塌陷分别生成图1的输出112和图2的输出212，以指示故障状况或自故障状况的恢复。为了防止损害电容器300，在固定极板304的面对可动极板302的表面上淀积隔离层308。因此，当可动极板302响应于吸合电压被施加到电容器300而塌陷时，可动极板302被强制在隔离层308上 ，从而防止例如短路。可以通过配置电容器的尺寸和纵横比来调谐电容器300的吸合电压和释放电压。电容器300的吸合电压由等式I给出，电容器104的释放电压由等式2给出。
权利要求
1.种用于检测电源的电压状况的方法，所述方法包括: 将通信耦合于电源的容性元件配置为，响应于所述电源具有与所述电源的第一状况关联的第一电压而在塌陷状态和打开状态之间改变状态；以及 使检测器与所述容性元件通信，以检测从所述容性元件的状态改变生成的电压尖峰，其中所述检测器响应于所述电压尖峰而生成指示所述电源处于所述第一状况的信号。
2.据权利要求1所述的方法，其中所述第一状况是过压状况，并且其中所述容性元件被配置为响应于所述电源具有所述第一电压而处于所述塌陷状态。
3.据权利要求2所述的方法，其中所述容性元件被配置为当所述电源的电压在期望电压范围内时处于所述打开状态。
4.据权利要求1所述的方法，其中所述第一状况是欠压状况，并且其中所述容性元件被配置为响应于所述电源具有所述第一电压而处于所述打开状态。
5.据权利要求4所述的方法，其中所述容性元件被配置为当所述电源的电压在期望电压范围内时处于所述塌陷状态。
6.据权利要求1所述的方法，其中所述容性元件的塌陷包括可动极板接合固定极板，所述固定极板具有布置在要被所述可动极板接合的表面上的隔离层。
7.据权利要求1所述的方法，其中所述电源包括具有多个电池单元的电池组、一个或更多超级电容器或一个或更多燃料电池单元中的至少一个。
8.据权利要求1所述的方法，其中所述容性元件包括可调谐的微机电系统(MEMS)电容器。
9.种检测电源中电压状况的电源监控器，所述电源监控器包括: 容性元件，其通信耦合于所述电源，所述容性元件被配置为，响应于所述电源具有与所述电源的第一状况关联的第一电压而在塌陷状态和打开状态之间改变状态； 检测器，其通信耦合于所述容性元件，以检测从所述容性元件的状态改变生成的电压尖峰；以及 信号发生器，其响应于所述电压尖峰而生成指示所述电源处于所述第一状况的信号。
10.据权利要求9所述的监控器，其中所述容性元件包括可调谐的微机电系统电容器。
11.种检测电源的电压状况的电源监控器，所述电源监控器包括: 第一电容器，其通信耦合于所述电源，所述第一电容器具有第一可动极板，当所述电源处于非故障状况时，所述第一可动极板与第一固定极板隔开第一距离，其中所述第一可动极板响应于所述电源中的过压状况而塌陷在所述第一固定极板的第一隔离层上； 第一检测器电路，其通信耦合于所述第一电容器，以响应于检测到所述第一可动极板塌陷在所述第一固定极板的所述隔离层上而生成第一故障信号； 第二电容器，其通信耦合于所述电源，所述第二电容器具有第二可动极板，当所述电源处于非故障状况时，所述第二可动极板接合第二固定极板的隔离层，其中所述第二可动极板响应于所述电源中的欠压状况而与所述第二固定极板的所述隔离层脱离；以及 第二检测器电路，其通信耦合于所述第二电容器，以响应于检测到所述第二可动极板与所述第二固定极板脱离而生成第二故障信号。
12.据权利要求11所 述的监控器，其中所述第一可动极板被配置为，响应于从所述过压状况的恢复而与所述第一固定极板的所述隔离层脱离。
13.据权利要求12所述的监控器，其中所述第二可动极板被配置为，响应于从所述欠压状况的恢复而接合所述 第二固定极板的所述隔离层。
全文摘要
公开了检测电源的电压状况的方法和装置。检测电源(102)中的故障状况的示例电源监控器(100)包括通信耦合于电源(102)的容性元件(104)，容性元件(104)被配置为，响应于电源(102)具有与电源(102)的第一故障状况关联的第一电压而在塌陷状态和打开状态之间改变状态；检测器(108)，其通信耦合于容性元件(104)，以检测从容性元件(104)的状态改变生成的电压尖峰；以及信号发生器(110)，其响应于电压尖峰而生成指示电源(102)处于第一故障状况的故障信号(112)。
文档编号G01R31/28GK103097898SQ201180043026
公开日2013年5月8日 申请日期2011年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者K·卡德沃, J·H·小卡朋特 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司
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