专利名称：接地故障电路中断器监控器及接地故障模拟方法
技术领域：
本发明总体涉及电子保护设备，具体地说，涉及接地故障电路中断器(GFCI)监控器。
背景技术：
电路通常使用ー个或多个保护设备，所述保护设备被配置为响应于检测到的故障状况而禁用供给负载的电源。ー种此类保护设备是接地故障电路中断器(GFCI)控制器。在一个示例中，GFCI控制器可以被配置为检测故障等，例如检测危险电流路径(例如，短路或其它低阻抗或高电流路径，其在从诸如电源引出线插座(例如，120V、60Hz的 电源引出线插座等)的源线(例如，火线)之类的电源流出的电流与流过诸如电源引出线插座的返回线(例如，零线)等返回的电流之间产生差)，如果这些故障未被检测到，那么可能导致触电或电击、火灾、连接到所述电源引出线插座的一个或多个连接的电子部件损坏。一旦检测到故障，GFCI电路就可以被配置为从源头中断电源，从而消除故障。GFCI产品需要包括诸如测试开关之类的测试和复位按钮，以手动地验证该GFCI系统在正确工作。某些エ业标准推荐每月测试一次GFCI系统以确保正确的操作。然而，在操作中，对于很多GFCI系统，它们的正确运行状况(functionality)并没有被定期地测试。
发明内容
除其它内容之外，本文讨论了ー种接地故障电路中断器(GFCI)系统，包括自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器，其被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到AC电源的第一周期的后半周期的时段生成模拟接地故障，其中，AC电源的第一周期的前半周期先于AC电源的第一周期的后半周期。此外，ST GFCI监控器可以检测对模拟接地故障的响应。其中，所述AC电源的第一周期的前半周期先于所述AC电源的第一周期的后半周期。本文还讨论了ー种接地故障模拟方法，包括在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到所述AC电源的第一周期的后半周期的时段，使用自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器生成模拟接地故障；以及检测对所述模拟接地故障的响应，其中，所述AC电源的第一周期的前半周期先于所述AC电源的第一周期的后半周期。本发明内容g在提供对本专利申请的主题的概述，而并非g在提供对本发明的排 他性或穷尽性解释。本发明包括具体实施方式
以提供与本专利申请有关的其它信息。
在附图(其不一定按比例绘制)中，相似的数字可以描述不同视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示类似部件的不同例子。附图以举例说明而非限制的方式大体地示出了本文中讨论的各个实施例。图I大体地示出了示例性的接地故障电路中断器(GFCI)应用。
图2大体地示出了被配置为在AC电源的正半周期和负半周期期间执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的示例。图3大体地示出了被配置为例如在不断开GFCI检测电路的负载触点的情况下验证几个GFCI检测电路部件的运行状况的接地故障电路中断器(GFCI)检测电路的示例。图4大体地示出了被配置为提供寿命结束(EOL)信号的自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器的示例。图5大体地示出了被配置为在AC电源的正半周期期间而不是在AC电源的负半周期期间执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的示例。图6大体地示出了被配置为例如在不断开GFCI检测电路的负载触点的情况下验证几个GFCI检测电路部件的运行状况的接地故障电路中断器(GFCI)检测电路的示例。
图7大体地示出了被配置为在无需上电复位(POR)的情况下执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的示例。图8A至图IlB大体地示出了针对诸如图2的示例中所示的GFCI应用电路200之类的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的有效(functional)螺线管、无效(non-functional)螺线管、模拟接地故障和无效可控娃整流器(SCR)的模拟结果的示例。图12A至图13B大体地示出了诸如图5的示例中所示的GFCI应用电路500之类的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的模拟接地故障和无效可控硅整流器(SCR)的模拟结果的示例。
具体实施例方式图I大体地示出了示例性的接地故障电路中断器(GFCI)应用100，其包括感应线圈105、中性线圈110、测试开关115、螺线管120、开关S1-S4121、可控硅整流器(SCR) 125和GFCI控制器130。在该示例中，感应线圈105可以被配置为监控诸如火线(line hot) 160之类的源(source)与诸如零线(line neutral) 107之类的返回(return)之间的电流差。如果电流差为零，则所有电流流入负载(在图I中示为负载电阻(RlMd)108)。然而，如果在源与返回之间存在电流差，则可能存在泄漏电流，例如，存在通过接地故障电阻(Rgnd故障)109到地的泄漏电流。在一个示例中，泄漏电流可以由感应线圈105感测并且由GFCI控制器130处理(例如，快捷半导体公司的低功耗接地故障电路中断器(GFI) RV4141A产品等)。如果泄漏电流超过阈值(例如，4mA RMS、5mARMS、6mARMS、8mARMS等)，则GFCI控制器130可以生成被配置为开启或启用SCR 125的故障信号，SCR 125可以给螺线管120通电以断开开关S1-S4 121，从而使电源不再通过接地故障电阻器109 (例如，使人们不再受到从负载火线到地的电击等)。本发明人已经认识到的，除了其它内容之外，可以模拟接地故障以定期地测试GFCI系统的ー个或多个部件的运行状况的自测(ST)GFCI监控器。在一个示例中，一个或多个被测部件可以包括GFCI系统的ー个或多个重要部件，例如，感应变压器、SCR、GFCI控制器、螺线管、整流器ニ极管、限流降压电阻或ー个或多个其它无源或其它GFCI电路部件。在某些示例中，GFCI电路可以被配置为以最小数量的部件、最小的系统材料清单(BOM)成本、最大板空间节省或最小功耗且在不解扣(tripping)负载触点或者放弃供给负载的电源的情况下测试GFCI系统部件的运行状况。在一个示例中，GFCI电路可以具有针对错误相位检测或者错误自测检测的抗扰度，并且可以在不对正常接地故障检测进行折衷的情况下提供运行状况自測。在一个示例中，在AC电源的正半周期期间，其中火线电压相对于零线电压为正，STGFCI监控器可以被配置为监控可控硅整流器(SCR)的阳极处的电压，以确定被配置为将AC电源与负载连接或断开的SCR和螺线管的连续性。如果电压未超过阈值(例如，在65V RMS和105V RMS之间的85V RMS等)，则ST GFCI可以提供关于ー个或多个部件已经失效的指示(例如，寿命结束(EOL)信号)。在一个示例中，在从AC电源的正半周期结束时开始并继续进入紧接着的负半周期的时段，ST GFCI监控器可以将SCR的阳极偏置，生成模拟接地故障，并且确定GFCI控制器是否检测到模拟接地故障并且作为响应启用SCR。在一个示例中，与SCR和螺线管串联的ニ极管可以防止SCR在AC电源的负半周期期间给螺线管通电。此外，即使模拟接地故障在正半周期结束时开始，在很多示例中，在时钟被触发的点处(例如，170°等)，也没有足够 的电流来偏置螺线管以中断供给负载的AC电源。虽然本文讨论的各个示例參照了在AC电源的正半周期或负半周期中的一个或多个正半周期或负半周期中的具体测试，但是在其它示例中，在整体电路设计中可以通过一些改变来翻转上面的半周期參照。在一个示例中，ST GFCI监控器可以被配置为在AC电源的负半周期期间监控SCR的阳极处的电压，并且ST GFCI监控器可以被配置为在AC电源的负半周期结束并继续进入AC电源的紧接着的正半周期时生成模拟接地故障。此外，本发明人已经认识到由GFCI控制器和自测(ST)GFCI监控器组成的双集成电路(IC)方案。在一个示例中，GFCI控制器的模拟接地故障电路中断器(GFCI)功能块在电压高于5V时具有较好的性能。因此，在某些示例中，GFCI控制器可以使用15V的低成本高精度双极エ艺(BCH5)来实现。相反，在某些示例中，ST GFCI监控器可能需要大量的数字门(例如，500个等)，因此，不能使用15V的低成本高精度双极エ艺(BCH5)。此外，通过将GFCI控制器与ST GFCI监控器分离为独立的1C，针对每个IC可以使用低成本且高密度的封装(例如，SS0T6等)。在一个示例中，两个SS0T6封装的成本可能小于具有组合设备的所有功能所需的足量管脚的单个更大封装(例如，MLP14、S0IC14等)的成本。在其它示例中，双IC方案可以提供更大的板布局灵活性，或者可以允许用于仅将ST GFCI监控器IC添加到他们已有的GFCI应用上。此外，在失效模式下，在ST GFCI监控器电路失效的情况下，与ST GFCI电子设备的故障可能会负面影响整个IC的单IC方案相比，GFCI控制器操作未受影响。因此，双IC方案可以增加GFCI应用的整体安全性和鲁棒性。在某些示例中，在检测到一个或多个失效的GFCI测试或者检测到ー个或多个失效的GFCI系统部件的情况下，GFCI电路可以被配置为生成锁存的寿命结束(EOL)指示符，例如，EOL指示符警报或其它信号。可以使用欠压上电复位(POR)检测信号等来对锁存的EOL指示符进行复位。在一个示例中，可以在检测到手动自测周期或者正常接地故障并且断开负载触点的情况下复位锁存的EOL指示符。图2大体地示出了被配置为在AC电源的正半周期和负半周期期间执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路200的示例。GFCI应用电路200包括连接到GFCI应用100的自测(ST)GFCI监控器135 (例如，快捷半导体公司的FAN4150自测GFI监控器)、包括GFCI控制器130 (例如，快捷半导体公司的FAN4149GFI控制器)在内的GFCI应用100。在图2的示例中，ST GFCI监控器135包括连接到GFCI应用100的独立1C。在其它示例中，GFCI控制器130或一个或多个其它GFCI应用100部件可以包括ST GFCI监控器 135。在一个示例中，GFCI应用100可以包括测试开关115，该测试开关115被配置为触发手动自测，从而生成通过测试电阻器(Rtesti)的接地故障电流并且使ST GFCI监控器135复位。模拟接地故障电流可以在感应线圈105中生成可以由GFCI控制器130检测到的差分电流。如果接地故障电流超过由设置电阻器(RSET)设置的阈值，则GFCI控制器130可以向可控硅整流器(SCR) 125的栅极输出高信号。SCR 125可以给螺线管120通电并且断开负载触点(例如，开关121)，从而消除接地故障并且验证GFCI应用100在正确工作。在其它示例中，可以始终使用一个或多个其它半导体开关来替代SCR 125，或者负载触点可以包括一个或多个其它继电器等。ST GFCI监控器135可以被配置为在不断开负载触点并且不中断供给负载的电源 的情况下定期地监控GFCI应用100的部件。当电源首先施加于线路端子时，可以使用全波桥式ニ极管(D2-D5) 122和电阻器(R2)来给ST GFCI监控器135加电。在一个示例中，ST GFCI监控器135可以包括欠压封锁(UVLO)检测电路，其被配置为当VCC电压达到诸如约2. 5V之类的阈值时复位所有逻辑。ST GFCI监控器135可以包括可以钳位VCC电压的5. 25V并联调节器。在某些示例中，ST GFCI监控器135可以在ー个或多个时间阈值以后被触发例如以确保上电或复位以后的正确操作，并且在此之后定期地被触发。在一个示例中，ST GFCI监控器135可以在上电或复位以后一秒时被触发并且在此之后每隔90分钟被触发。在其它示例中，可以使用ー个或多个其它时间阈值或周期，其从一秒的若干分之几到数天或数月不等。在一个示例中，ニ极管(Dl)可以防止SCR 125的阳极在AC电源的负半周期期间给螺线管120通电。在某些示例中，图2中所示的电阻器(R2-R5)可以分别包括75kQ、1ΜΩ、1ΜΩ和100Ω的值，测试电阻器(RTEST2)可以包括15kQ的值，电容器(C5)可以包括I μ F的值，晶体管(Q2)可以包括FMMT458。在其它示例中，可以使用一个或多个其它部件或部件值。图3大体地示出了被配置为例如在不断开GFCI检测电路300的负载触点的情况下验证几个GFCI检测电路部件的运行状况的接地故障电路中断器(GFCI)检测电路300的示例。在一个示例中，当时钟相位(CLK相位)为高(例如，參考电压约为2. IV等)并且第一比较器(Cl) 140的输出为高时，例如，当VAC(例如，火线上的电压)高于80V RMS或者一个或多个其它阈值时，第一触发器141的输出(Ql)可以为高。在其它示例中，可以使用ー个或多个其它电阻器值或參考电压。类似地，在一个示例中，当时钟B相位(CLKB相位)为高时，第二比较器(C2) 145可以在可控硅整流器(SCR) 125被触发并且SCR测试变低时变高，并且第二触发器146的输出(Q2)可以为高。自测脉冲可以触发可以设置通过自测周期锁存的一次通过(one shot)。在一个示例中，自测周期可以在时钟信号为高时开始，这意味着VAC正在启动AC电源的正半周期(例如，火线相对于零线是正的)。通过连接到火线电压的ニ极管，可以将螺线管120的阳极充电到高电压。螺线管120可以通过电阻器(R4)连接到ST GFCI监控器的SCR TEST管脚。在一个示例中，例如可以通过PNP晶体管139或者通过ー个或多个其它部件(例如，PMOS晶体管、JFET晶体管等)将SCR TEST管脚钳位到VDD (例如，5. 25V)，并且可以将SCR TEST管脚处的电流镜像到检测电路，例如，第一比较器(Cl)140。流过电阻器R4的电流可以流入电阻器R1。在一个示例中，电阻器R4/R1的比值可以是50 1，使得当连接到SCR 125的阳极的螺线管120上的电压超过100V时，第一比较器(Cl) 140可以向第一触发器141输出高信号。因为这是在时钟为高时发生的，因此第一触发器141的输出(Ql)可以变高，这可以触发对螺线管120或其它电路的运行状况的针对有效或无效操作的检查。在AC电源的负半周期期间，当时钟B为高时，火线与螺线管120的阳极之间的ニ极管可以被反向偏置，从而限制电流流过螺线管120。当时钟B为高时，可以 通过使用图2的示例的晶体管(Q2)和电阻器(Rtest2)来模拟接地故障信号。在一个示例中，ST GFCI监控器135可以针对管脚“故障测试”生成高信号，从而启用晶体管(Q2)并且生成模拟接地故障。在一个示例中，可以在从AC电源的正半周期结束时(例如，在约165°处，当时钟B转换时)开始通常到在负半周期期间当SCR 125被触发时结束(例如，通常，在AC电源的负半周期的前一半，例如，在约225°处等)的时段内，模拟接地故障。然而，如果例如在自测故障期间SCR 125未触发，那么自测周期可以在AC电源的下ー个正半周期开始时或附近(例如，在下ー个负半周期的约1°处)结束。在正半周期结束时，控制信号可以例如通过使用电阻器R2来将SCR TEST管脚偏置到等于VDD的电压，从而模拟接地故障。模拟接地故障可以使GFCI控制器启用SCR 125。在一个示例中，第二比较器(C2) 145可以被配置为在模拟接地故障期间感测SCR TEST。然而，当SCR 125被启用吋，SCR TEST节点电压可以被放电并且第二比较器(C2) 145的输出可以变高。在一个示例中，这可以在时钟B为高并且第二触发器146的逻辑信号Q2被锁存为高时发生。当NAND门150的所有三个输入都为高时，可以生成自测通过脉冲以触发自测通过状态。如果第一触发器141或第二触发器146的输出(Ql或Q2)中的任意一个未能在自测周期期间进入逻辑高状态，那么可以启用寿命结束(EOL)信号。在它示例中，在EOL信号可以被启用之前，必须将EOL标准维持阈值数量的连续周期(例如，4个等)，以确保准确的EOL检测。在自测周期时间窗ロ期间，在超时电路期满(例如，66ms等)以后，可以发出EOL信号。在某些示例中，EOL信号可以是视觉或听觉生成信号。EOL信号还可以用于在正半周期期间触发SCR并且断开负载触点。在一个示例中，上面所描述的自测可以测试GFCI应用电路的各种部件(例如，关键部件)，例如，GFCI控制器130、电阻器R1、ニ极管D7、SCR 125、感应线圈105、螺线管120、或者这里所阐述的ー个或多个部件。图4大体地示出了被配置为提供寿命结束(EOL)信号的自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器135的示例。在该示例中，VAC输入的相位是时钟信号，并且在正半周期期间为高，在负半周期期间为低。在某些示例中，时钟检测仅能在正半周期开始和结束附近时发生，这是因为ー个或多个部件是从正VCC(例如，5. 25V)偏置的，并且逻辑输入阈值通常为VCC/2。因此，作为简单相位检测与鲁棒相位检测的折衷，时钟转换可能不能刚好在过零处发生。图5大体地示出了被配置为在AC电源的正半周期期间而不是在AC电源的负半周期期间执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路500的示例。GFCI应用电路500包括连接到GFCI应用100的自测(ST)GFCI监控器135 (例如，快捷半导体公司的FAN4150自测部件)、包括GFCI控制器130 (例如，快捷半导体公司的FAN4149GFI控制器)在内的GFCI应用100。GFCI应用电路500包括直接连接到可控硅整流器(SCR) 125的阳极的螺线管120。与图2的示例相比，GFCI应用电路500不包括连接在螺线管120与SCR 125之间的ニ极管。因此，GFCI应用电路700中的故障电流独立于VAC。在一个示例中，可以在不偏置螺线管120并且不断开负载触点(例如，开关121)的情况下执行GFCI应用电路500的关键部件的自测。螺线管120通常需要I至3安培的偏置电流来断开负载触点。在一个示例中，可以在正半周期结束时(其中火线不能提供足够的功率来操作螺线管120)但是在过零点之前检查GFCI应用电路500的关键部件的运行状況。
ST GFCI监控器135可以针对管脚“故障检测”生成高信号以启用晶体管Q2并且生成模拟接地故障。晶体管Q2可以被配置为射极跟随器，并且如果VAC电压大于VCC (5. 25V)，那么集电极电流可以在正半周期期间独立于VAC电压流动。在某些示例中，用户可通过电阻器RTEST2对集电极电流编程。在一个示例中，电阻器RTEST2可以具有被选择以提供足以使GFCI控制器130可以使用感应线圈105检测接地故障的集电极电流(例如，15mA等)的值(例如，约200 Ω等)。在某些示例中，一旦已经检测到模拟接地故障，GFCI控制器130就可以触发内部时间延迟电路，并且当VAC电压达到诸如30V等的阈值时启用SCR 125的栅极。当SCR 125被启用时，其可以使SCR 125的阳极放电例如到约IV等的电平。图6大体地示出了被配置为例如在不断开GFCI检测电路600的负载触点的情况下验证几个GFCI检测电路600部件的运行状况的接地故障电路中断器(GFCI)检测电路600的示例。在一个示例中，当时钟相位(CLK相位)为高时，Vref约为2. IV，在VAC高于IlOV时，第一比较器(Cl) 140可以变高，从而将第一触发器141的输出(Ql)设置为高。当火线处于8V到30V之间时，可控硅整流器(SCR) 125可以被启用，并且第二比较器(C2) 145可以检测SCR 125何时被触发，从而将第二触发器146的输出(Q2)设置为高。在一个示例中，自测脉冲可以触发可以设置通过自测周期锁存的一次通过。在一个示例中，GFCI检测电路600可以包括窗ロ检测器151，该窗ロ检测器151被配置为当VAC线电压处于正半周期并且在ー个或多个阈值之间(例如，在约90V至IOV之间或者在ー个或多个其它阈值之间)时生成窗ロ检测脉冲(Win Det) 0在一个示例中，例如，窗ロ检测脉冲可以是用户可编程的，例如可使用外部电阻器(例如，电阻器R4等)来编程。在一个示例中，当图5的示例的SCR 125被启用吋，例如，在模拟接地故障测试期间，第二比较器(C2) 145可以输出逻辑高信号。因为在ー个示例中窗ロ检测脉冲(Win Det)为高，因此，第二触发器146的输出(Q2)可以被锁存为逻辑高。在一个示例中，例如，如上面參照图2至图3所描述的，第一触发器141的输出(Ql)可能已经被锁存为逻辑高，因此，可以使用NAND门150来生成自测通过脉冲。在一个示例中，自测通过脉冲可以复位自状态周期定时器。在一个示例中，因为螺线管120在60Hz处的阻抗通�？赡艽笥�50欧姆，因此小于IA的电流可以流过螺线管120，而该电流在某些示例中不是足以断开负载触点121的电流偏置。图7大体地示出了被配置为在无需上电复位(POR)的情况下执行自测操作的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路700的示例。GFCI应用电路700包括自测(ST)GFCI监控器135 (例如，快捷半导体公司的FAN 4150自测部件)和GFCI控制器130 (例如，快捷半导体公司的FAN4149GFI控制器)。在图2的示例中，如果按下测试开关115，那么可以启动手动自测，并且通过使电容器(C5)通过电阻器(R5)放电来触发ST GFCI监控器135的POR周期。该方案可以允许用户在已经发生假警报的情况下复位寿命结束(EOL)警报。然而，在某些示例中，该方案可能需要双极复位开关，与单极开关相比，该双极复位开关更加昂贵并且需要更宽的空间。相反，在一个示例中，GFCI应用电路700可以包括单极测试开关115，该单极测试开关115被配置为当被按下时生成手动自测。然而，在某些示例中，如果电源与VAC输入端断开，则ST GFCI监控器135可以仅检测P0R(并且复位该逻辑)。当在AC电源的正半周期期间发生正常接地故障时，则GFCI控制器130可以感测接地故障电流并且启用可控硅整流器(SCR) 125。SCR 125可以使阳极电压放电(例如，通常放电到小于3V)。ST GFCI监控器135的SCR测试管脚可以通过连接的ニ极管(D6)和电阻器(R4)被放电至低电压。正常情况下，在AC电源的正半周期期间，该电压为高(钳位于5. 25V)。ST GFCI监控器135逻辑可以检测到SCR TEST管脚电压在“非”自测周期期间被放电并且可以检测到已经发生正常接地故障。在一个示例中，用于该检测的逻辑电路还可以被配置为在手动接地故障中断器(GFI)测试、螺线管120上的有缺陷的连接(例如，开路)和自动自测周期测试之间进行区分。在一个示例中，ST GFCI监控器135可以被配置为例如通过查找特定的检测模式来区分手动自测和断开的螺线管120。在一个示例中，ST GFCI监控器135可以在AC正半周期期间检测到四个连续的SCR高脉冲，并且之后检测到一低SCR。在某些示例中，ST GFCI监控器135可以包括用于在AC正半周期期间检测SCR电压状态的ー个或多个置位复位(SR)锁存器以及五位串入并出输出移位寄存器。ST GFCI监控器135可以检测何时四个高状态被一低状态跟随，并且使用所述信息做出决定。在它示例中，可以使用ー个或多个其它锁存器或寄存器来检测ー个或多个其它数量的状态。此外，ST GFCI监控器135可以被配置为在手动测试和自动自测之间进行区分，并且例如如果自动自测周期在进行中，则可以禁用上面讨论的示例的五位移位寄存器的“复位”信号。图8A至图IlB大体地示出了诸如图2的示例中所示的GFCI应用电路200之类的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的有效螺线管、无效螺线管、模拟接地故障和无效可控硅整流器(SCR)的模拟结果的示例。图8A大体地示出了针对正常运行的螺线管测试的模拟结果800的示例。在ー个示例中，可以在AC电压的正半周期期间检查可控硅整流器(SCR)的阳极电压。在一个示例中，比较器(Cl)可以检测到SCR的阳极电压大于阈值(例如，IlOV等)。图8B大体地示出了模拟结果801的示例，包括图8A中所示的模拟结果800的一部分的分解图。图9大体地示出了针对不运行的螺线管测试的模拟结果900的示例。在一个示例中，在ST_Cycle处，检测逻辑(例如，诸如图3的示例中所示的接地故障电路中断器(GFCI)检测电路300之类的GFCI检测电路的逻辑)可能要求自测在某一数量的时钟周期(例如，4个时钟周期)内通过，或者可以生成或锁存寿命结束(EOL)信号或警报。在一个示例中，可以在正半周期期间检查可控硅整流器(SCR)的阳极电压，并且比较器(Cl)可能从未使第一触发器的输出(Ql)锁存高。图IOA大体地示出了模拟接地故障的模拟结果1000的示例。在一个示例中，模拟接地故障可以测试如图2的示例中所示的那些可控硅整流器(SCR)、接地故障电路中断器(GFCI)控制器、感应线圈等的正常运行状况。在一个示例中，SCR可以在负半周期期间触发，并且比较器(C2)可以检测到放电的SCR阳极电压。图IOB大体地示出了模拟结果1001的示例，包括图IOA中所示的模拟结果1000的一部分的分解图。图11大体地示出了无效可控硅整流器(SCR)、接地故障电路中断器(GFCI)控制器或感应线圈的模拟结果1100的示例。在一个示例中，在SCR测试期间，可以偏置SCR阳 极电压，并且检测逻辑(例如，图3的示例中所示的GFCI检测电路300的逻辑)可以检测SCR是否触发。如果SCR测试未在阈值数量的时钟周期(例如，4个时钟周期等)内通过，那么可以生成并且在某些示例中锁存寿命结束(EOL)信号或警报。图12A至图13B大体地示出了诸如图5的示例中所示的GFCI应用电路500之类的接地故障电路中断器(GFCI)应用电路的模拟接地故障和无效可控硅整流器(SCR)的模拟结果的示例。图12A大体地示出了模拟接地故障的模拟结果1200的示例。在一个示例中，模拟接地故障可以测试可控硅整流器(SCR)、接地故障电路中断器(GFCI)控制器、感应线圈或如图5的示例中所示的部件之类的ー个或多个其它部件等的正常运行状况。在一个示例中，SCR可以在正半周期结束时触发，例如，当SCR阳极电压约为30V并且正在下降(例如，电流不足以断开负载触点)时触发。图12B大体地示出了模拟结果1201的示例，包括图12A中所示的模拟结果1200的一部分的分解图。图13A大体地示出了无效可控硅整流器(SCR)、接地故障电路中断器(GFCI)控制器或感应线圈的模拟结果1300的示例。在一个示例中，在SCR测试期间，可以在正半周期结束时触发SCR。如果SCR测试未在阈值数量的时钟周期(例如，4个时钟周期)内通过，那么可以生成并且在某些示例中锁存寿命结束(EOL)信号或警报。在一个示例中，无效SCR在正半周期结束时不会使SCR阳极电压放电。图13B大体地示出了模拟结果1301的示例，包括图13A中所示的模拟结果1300的一部分的分解图。补充注释&示例在示例I中，系统可以包括自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器，其被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到AC电源的第一周期的后半周期的时段，生成模拟接地故障，并且检测对模拟接地故障的响应，其中，AC电源的第一周期的前半周期先于AC电源的第一周期的后半周期。在示例2中，示例I的ST GFCI监控器可以可选择地被配置为在不中断供给负载的AC电源的情况下生成所述模拟接地故障以测试半导体开关的运行状况，所述半导体开关被配置为可选择地控制所述AC功率与所述负载的连接或断开。在示例3中，示例I至2中的任意ー个或多个的半导体开关可选择地包括可控硅整流器(SCR)，并且示例I至2中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为检测所述SCR是否响应于所述模拟接地故障而被启用。在示例4中，示例I至3中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为如果所述SCR未响应于所述模拟接地故障而被启用，则生成寿命结束(EOL)信号。在示例5中，示例I至4中的任意ー个或多个可选择地包括负载触点、被配置为断开或闭合所述负载触点的螺线管以及半导体开关，所述半导体开关包括可控硅整流器(SCR)，所述SCR被配置为控制所述螺线管，其中，闭合的负载触点被可选择地配置为将所 述AC电源与所述负载连接，而断开的负载触点被可选择地配置为断开所述AC电源与所述负载的连接。在示例6中，示例I至5中的任意ー个或多个可选择地包括ニ极管，其被配置为防止所述螺线管在所述AC电源的第一周期的所述后半周期期间断开所述负载触点，其中，所述ST GFCI监控器被可选择地连接到所述SCR和所述ニ极管，其中，所述ニ极管被可选择地连接到所述SCR、所述ST GFCI监控器和所述螺线管，其中，所述螺线管被可选择地连接到所述ニ极管和所述负载触点，并且其中，所述SCR被可选择地配置为控制通过所述螺线管的电流。在示例7中，示例I至6中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器可选择地包括比较器，所述比较器被配置为在AC电源的所述前半周期期间将可控硅整流器(SCR)的阳极电压与阈值电压进行比较，所述SCR被配置为控制螺线管，并且其中，所述ST GFCI监控器被可选择地配置为使用所述SCR的所述阳极电压与所述阈值电压的所述比较来检测在AC电源的所述前半周期期间的开路或高阻抗状況。在示例8中，示例I至7中的任意一个或多个的阈值电压可选择地包括在约60VRMS至约105V RMS范围内的电压。在示例9中，示例I至8中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为如果所述SCR的阳极电压小于阈值电压，则生成寿命结束(EOL)信号。在示例10中，示例I至9中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为检测手动自测，并且如果检测到手动自测，则复位ST GFCI监控器。在示例11中，示例I至10中的任意ー个或多个的AC电源的前半周期可选择地包括AC电源的正半周期，并且示例I至10中的任意ー个或多个的AC电源的后半周期可选择地包括AC电源的负半周期。在示例12中，示例I至11中的任意ー个或多个的AC电源的前半周期可选择地包括AC电源的负半周期，并且示例I至11中的任意ー个或多个的AC电源的后半周期可选择地包括AC电源的正半周期。在示例13中，示例I至12中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为在不中断供给所述负载的AC电源的情况下，生成所述模拟接地故障以测试可控硅整流器(SCR)的运行状况，在AC电源的第一周期的后半周期期间偏置SCR，以及自动检测SCR是否响应于模拟接地故障而被启用以测试SCR的运行状况。
在示例14中，示例I至10中的任意ー个或多个可选择地包括连接到ST GFCI监控器的GFCI控制器，该GFCI控制器被配置为使用感应线圈来检测接地故障并且响应于所检测到的接地故障向半导体开关提供启用信号，所述半导体开关被可选择地配置为响应于所检测到的接地故障而中断供给负载的AC电源。在示例15中，示例I至14中的任意ー个或多个的半导体开关可选择地包括可控硅整流器(SCR)，示例I至14中的任意ー个或多个的GFCI控制器被可选择地配置为响应于所检测到的接地故障，启用SCR以中断供给负载的AC电源。在示例16中，示例I至15中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为以周期性间隔自动生成模拟接地故障。在示例17中，示例I至16中的任意ー个或多个的ST GFCI监控器被可选择地配置为在ST GFCI监控器的上电和复位中的至少ー个之后的第一时间段生成模拟接地故障，并且在首个模拟故障以后以周期性间隔生成模拟接地故障。 在示例18中，示例I至17中的任意ー个或多个可选择地包括第一集成电路，其包括ST GFC监控器，和第二集成电路，其包括GFCI控制器，所述GFCI控制器被配置为检测接地故障并且响应于检测到的接地故障而向半导体开关提供启用信号，半导体开关被配置为响应于检测到的接地故障而中断供给负载的AC电源。在示例19中，方法包括使用自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器，在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到AC电源的所述第一周期的后半周期的时段，生成模拟接地故障；以及检测对所述模拟接地故障的响应，其中，AC电源的所述第一周期的所述前半周期先于AC电源的所述第一周期的所述后半周期。在示例20中，示例I至19中的任意ー个或多个可选择地包括使用半导体开关选择性地将AC电源与负载连接或断开；以及在不中断供给所述负载的AC电源的情况下使用所述模拟接地故障测试所述半导体开关的运行状况。在示例21中，示例I至20中的任意ー个或多个可选择地包括检测所述半导体开关是否响应于所述模拟接地故障而被启用，其中，半导体开关可选择地包括可控硅整流器(SCR)。在示例22中，示例I至21中的任意ー个或多个可选择地包括如果所述SCR未响应于所述模拟接地故障而被启用，则生成寿命结束(EOL)信号。在示例23中，示例I至22中的任意ー个或多个可选择地包括在AC电源的所述前半周期期间将可控硅整流器(SCR)的阳极电压与阈值电压进行比较；以及使用所述将所述阳极电压与所述阈值电压的比较来检测在所述AC电源的所述前半周期期间的开路或高阻抗状況。在示例24中，示例I至21中的任意ー个或多个可选择地包括如果所述SCR的所述阳极电压小于所述阈值电压，则生成寿命结束(EOL)信号。在示例25中，示例I至21中的任意ー个或多个可选择地包括检测手动自测；以及如果检测到手动自测，则复位所述ST GFCI。在示例26中，示例I至25中的任意ー个或多个的AC电源的前半周期可选择地包括AC电源的正半周期，示例I至25中的任意ー个或多个的AC电源的后半周期可选择地包括AC电源的负半周期。
在示例27中，示例I至26中的任意ー个或多个的AC电源的前半周期可选择地包括AC电源的负半周期，示例I至26中的任意ー个或多个的AC电源的后半周期可选择地包括AC电源的正半周期。在示例28中，示例I至27中的任意ー个或多个可选择地包括在不中断供给负载的AC电源的情况下测试可控硅整流器(SCR)的运行状况，在AC电源的所述第一周期的所述后半周期期间偏置所述SCR ；以及检测所述SCR是否响应于所述模拟接地故障而被启用。在示例29中，示例I至28中的任意ー个或多个可选择地包括使用感应线圈来检测接地故障，并且响应于检测到的接地故障而向半导体开关提供启用信号，半导体开关被配置为响应于检测到的接地故障而中断供给负载的AC电源。
在示例30中，示例I至29中的任意ー个或多个可选择地包括响应于检测到的接地故障，启用半导体开关以中断供给负载的AC电源。在示例31中，示例I至30中的任意ー个或多个的生成模拟接地故障可选择地包括以周期性间隔自动生成模拟接地故障。在示例32中，示例I至31中的任意ー个或多个的生成模拟接地故障的步骤可选择地包括在ST GFCI监控器的上电和复位中的至少ー个之后的第一时间段生成模拟接地故障，并且在首个模拟故障以后以周期性间隔生成模拟接地故障。在示例33中，系统包括负载触点；被配置为断开或闭合负载触点的螺线管，其中，闭合的负载触点被配置为将AC电源与负载连接，并且断开的负载触点被配置为断开AC电源与负载的连接；可控硅整流器(SCR)，其被配置为控制所述螺线管；自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器，其被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到AC电源的第一周期的后半周期的时段，自动生成模拟接地故障，在不中断供给负载的AC电源的情况下，在ST GFCI监控器的上电和复位中的至少ー个之后的第一时间段测试SCR的运行状况并且首个模拟故障以后以定期间隔测试SCR的运行状况，以及如果SCR未响应于模拟接地故障而被启用则生成寿命结束(EOL)信号；ニ极管，其被配置为防止所述螺线管在AC电源的所述第一周期的所述后半周期期间断开所述负载触点，所述GFCI控制器，其被配置为使用感应线圈来检测接地故障，并且响应于所检测到的接地故障而向SCR提供启用信号，所述ST GFCI监控器包括比较器，所述比较器被配置为在AC电源的所述前半周期期间将可控硅整流器(SCR)的阳极电压与阈值电压进行比较以检测开路或高阻抗状况，其中，所述ST GFCI监控器被配置为如果所述SCR的阳极电压小于阈值电压，则生成EOL信号，其中，阈值电压包括在约60V RMS至约105V RMS范围内的电压，其中，AC电源的所述第一周期的所述前半周期先于AC电源的所述第一周期的所述后半周期，并且其中，所述ST GFCI监控器被配置为检测手动自测，并且如果检测到手动自测，则复位所述ST GFCI监控器。在示例34中，示例I至33中的任意ー个或多个的AC电源的前半周期可选择地包括AC电源的正半周期，示例I至33中的任意ー个或多个的AC电源的后半周期可选择地包括AC电源的负半周期。在示例35中，系统或装置可以包括以下各项或者可选择地可以与示例I至34中的任意ー个或多个的任意部分或任意部分的组合相结合以包括以下各项用于执行示例I至34的功能中的任意一个或多个的模块或者包括当由机器执行时使机器执行示例I至34的功能中的任意ー个或多个的指令的机器可读介质。
上述详细说明书參照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本发明的具体实施例。这些实施例在本发明中被称作“示例”。这些示例可包括除了所示或描述的元件以外的元件。然而，发明人还设想到其中仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，发明人还设想到针对本文所示的或所描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或针对本文所示的或所描述的其它示例(或其ー个或多个方面)，使用所示或所描述的那些元件的任意组合或排列(或其ー个或多个方面)的示例。本发明所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本发明的參考内容，尽管它们是分别加以參考的。如果本发明与參考文件之间存在用途差异，则将參考文件的用途视作本发明的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本发明的用途为准。 在本发明中，与专利文件通常使用的一祥，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少ー个”或“ー个或多个”时应除外。在本发明中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A” 以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其 中”的通俗英语。同样，在本文中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、设备、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些部件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。本文所述的方法示例至少部分可以是机器或计算机执行的。一些示例可包括计算机可读介质或机器可读介质，其被编码有可操作为将电子装置配置为执行如上述示例中所述的方法的指令。这些方法的实现可包括代码，例如微代码，汇编语言代码，高级语言代码等。该代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。所述代码可构成计算机程序产品的部分。此外，在一个示例中，所述代码可例如在执行期间或其它时间被有形地存储在ー个或多个易失、非暂时或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例包括但不限于，硬盘、移动磁盘、移动光盘(例如，压缩光盘和数字视频光盘)，磁带，存储卡或棒，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)等。上述说明的作用在于解说而非限制。例如，上述示例(或示例的ー个或多个方面)可结合使用。可以在理解上述说明书的基础上，利用现有技术的某种常规技术来执行其他实施例。遵照37C.F.R. § 1.72(b)的规定提供摘要，允许读者快速确定本技术公开的性质。提交本摘要时要理解的是该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意义。同样，在上面的具体实施方式
中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本发明的主题可在于的特征少于特定公开的实施例的所有特征。因此，下面的权利要求据此并入具体实施方式
中，每个权利要求均作为ー个单独的实施例，并且可设想到这些实施例可以在各种组合或排列中彼此結合。应參看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种接地故障电路中断器(GFCI)系统，包括 自测(ST)GFCI监控器，其被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到所述AC电源的第一周期的后半周期的时段，生成模拟接地故障，并检测对所述模拟接地故障的响应， 其中，所述AC电源的第一周期的前半周期先于所述AC电源的第一周期的后半周期。
2.根据权利要求I所述的GFCI系统，其中，所述STGFCI监控器被配置为在不中断供给负载的AC电源的情况下生成所述模拟接地故障以测试半导体开关的运行状况，所述半导体开关被配置为控制所述AC电源与所述负载的连接或断开。
3.根据权利要求2所述的GFCI系统，其中，所述半导体开关包括可控硅整流器(SCR)， 其中，所述ST GFCI监控器被配置为检测所述SCR是否响应于所述模拟接地故障而被启用；并且 其中，所述ST GFCI监控器被配置为如果所述SCR未响应于所述模拟接地故障而被启用，则生成寿命结束(EOL)信号。
4.根据权利要求2所述的GFCI系统，包括 负载触点； 螺线管，其被配置为断开或闭合所述负载触点，其中，闭合的负载触点被配置为将所述AC电源与所述负载连接，而断开的负载触点被配置为断开所述AC电源与所述负载的连接；所述半导体开关，其包括被配置为控制所述螺线管的可控硅整流器(SCR);以及ニ极管，其被配置为防止所述螺线管在所述AC电源的第一周期的后半周期期间断开所述负载触点， 其中，所述ST GFCI监控器被连接到所述SCR和所述ニ极管， 其中，所述ニ极管被连接到所述SCR、所述ST GFCI监控器和所述螺线管， 其中，所述螺线管被连接到所述ニ极管和所述负载触点，并且 其中，所述SCR被配置为控制通过所述螺线管的电流。
5.根据权利要求I所述的GFCI系统，其中，所述STGFCI监控器包括比较器，所述比较器被配置为在所述AC电源的所述前半周期期间将可控硅整流器(SCR)的阳极电压与阈值电压进行比较，所述SCR被配置为控制螺线管，并且 其中，所述ST GFCI监控器被配置为使用所述SCR的阳极电压与所述阈值电压的所述比较来检测在所述AC电源的所述前半周期期间的开路或高阻抗状況，并且如果所述SCR的阳极电压小于所述阈值电压，则生成寿命结束(EOL)信号。
6.根据权利要求I所述的GFCI系统，其中，所述STGFCI监控器被配置为检测手动自测，并且如果检测到手动自测，则复位所述ST GFCI监控器。
7.根据权利要求I所述的GFCI系统，其中，所述STGFCI监控器被配置为以周期性间隔自动生成所述模拟接地故障。
8.根据权利要求I所述的GFCI系统，包括 第一集成电路，其包括所述ST GFCI监控器；以及 第二集成电路，其包括GFCI控制器，所述GFCI控制器被配置为使用感应线圈来检测接地故障，并且响应于所检测到的接地故障而向半导体开关提供启用信号，所述半导体开关被配置为响应于所检测到的接地故障而中断供给负载的AC电源。
9.一种接地故障模拟方法，包括 在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到所述AC电源的第一周期的后半周期的时段，使用自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器生成模拟接地故障；以及检测对所述模拟接地故障的响应， 其中，所述AC电源的第一周期的前半周期先于所述AC电源的第一周期的后半周期。
10.根据权利要求9所述的接地故障模拟方法，包括 使用半导体开关选择性地将所述AC电源与负载连接或断开； 在不中断供给所述负载的AC电源的情况下，使用所述模拟接地故障来测试所述半导体开关的运行状况； 检测所述半导体开关是否响应于所述模拟接地故障而被启用；以及 如果所述SCR未响应于所述模拟接地故障而被启用，则生成寿命结束(EOL)信号。
11.根据权利要求10所述的接地故障模拟方法，其中，所述半导体开关包括可控硅整流器(SCR)，所述方法进ー步包括 在所述AC电源的所述前半周期期间，将可控硅整流器(SCR)的阳极电压与阈值电压进行比较； 使用所述将所述阳极电压与所述阈值电压的所述比较，检测在所述AC电源的所述前半周期期间的开路或高阻抗状況；以及 如果所述SCR的所述阳极电压小于所述阈值电压，则生成寿命结束(EOL)信号。
12.根据权利要求9所述的接地故障模拟方法，包括 检测手动自测；以及 如果检测到手动自测，则复位所述ST GFCI。
13.根据权利要求I所述的GFCI系统或者根据权利要求9所述的接地故障模拟方法，其中，所述AC电源的所述前半周期包括所述AC电源的正半周期，并且其中，所述AC电源的所述后半周期包括所述AC电源的负半周期。
14.根据权利要求I所述的GFCI系统或者根据权利要求9所述的接地故障模拟方法，其中，所述AC电源的所述前半周期包括所述AC电源的负半周期，并且其中，所述AC电源的所述后半周期包括所述AC电源的正半周期。
15.根据权利要求10所述的接地故障模拟方法，包括 在不中断供给负载的AC电源的情况下，测试可控硅整流器(SCR)的运行状况，其包括 在所述AC电源的第一周期的所述后半周期期间偏置所述SCR ;以及 检测所述SCR是否响应于所述模拟接地故障而被启用。
16.根据权利要求I所述的接地故障模拟方法，其中，生成模拟接地故障包括以周期性间隔自动生成所述模拟接地故障。
全文摘要
除其它内容以外，本文讨论了自测(ST)接地故障电路中断器(GFCI)监控器及接地故障模拟方法，ST GFCI监控器被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到AC电源的所述第一周期的后半周期的时段，生成模拟接地故障，其中，所述AC电源的第一周期的所述前半周期先于所述AC电源的第一周期的所述后半周期。此外，ST GFCI监控器可以检测对所述模拟接地故障的响应。
文档编号G01R31/327GK102694364SQ20121007370
公开日2012年9月26日 申请日期2012年3月5日 优先权日2011年3月4日
发明者布鲁斯·阿姆斯特朗 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司
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