CN101490922B

CN101490922B - 用于o形环场效应晶体管的改进控制器

Info

Publication number: CN101490922B
Application number: CN2007800276611A
Authority: CN
Inventors: 布鲁斯·A·弗雷德里克; 达里尔·韦斯普芬尼格
Original assignee: Artesyn Technologies Inc
Current assignee: Artesyn Embedded Technologies Inc
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: WO2008013895A1; US20080030263A1; US7636011B2; CN101490922A; WO2008013724A2; WO2008013724A3

Abstract

本发明提供了一种用于电源和/或电力系统的ORing元件。该ORing元件可包括场效应晶体管(FET)、第一双极晶体管和第二双极晶体管。该FET可以电连接在输入和输出之间。该第一双极晶体管的发射极可电连接到该FET的源极，该第一双极晶体管的集电极可电连接到该FET的栅极。该第二双极晶体管可以被连接成二极管形式，其发射极电连接到其基极。该第二双极晶体管的发射极还可以电连接到该第一双极晶体管的基极。该第二双极晶体管的集电极可以电连接到该FET的漏极。

Description

用于O形环场效应晶体管的改进控制器

背景技术

很多电力系统(power system)的结构包括通过公共电源总线(power bus)并联连接的多个电源模块(power module)。O形环(ORing)电路元件一般被包括在电源模块(power supply module)的输出和电源总线之间，以防止一个电源模块的故障拉低电源总线而导致电力系统完全故障。现有若干种常见的ORing元件设计，每一种设计都有一定的缺点。

一种常见的ORing元件是串联布置在电源模块的输出和电源总线之间的简单二极管。当电源模块的输出电压充分大于电源总线上的电压时，该二极管被正向偏置，允许电流从电源模块流向电源总线。然而，如果电源模块的输出下降到低于电源总线的输出，则二极管将被反向偏置。当该二极管被反向偏置时，基本可防止电源模块从电源总线获取反向电流，由此，防止电力系统的潜在故障。

理想的二极管将是理想的ORing元件，但是实际的二极管具有相当大的正向电压降，且对于很多应用，与此相关联的功耗使得简单晶体管的使用不具备吸引力。因此，在一些应用中，一般惯例是使用一个或多个场效应晶体管(FET)作为ORing元件。基于标准、额定电压、成本、尺寸等的某一组合，来选择具有足够低的导通电阻以便在合适的输出电流条件下产生可接受的功耗的一个FET或多个FET。

另一常见ORing元件设计包括由比较器电路控制的一个或多个FET。比较器电路检测电源模块的输出电压和电源总线上的电压之差，并相应地导通或关断FET。即，当电源模块和电源总线之间的电压差大于阈值电压时，(一个或多个)FET被导通。那么，允许输出电流从电源模块流向电源总线，压降基本等于输出电流的量值与FET的导通电阻(或并联的FET的等效电阻)的乘积。当电压差小于阈值电压时，FET被偏置截止。

用于控制基于FET的ORing元件的比较器电路的缺点在于：理想比较器具有与它们的输入电路相关联的有限的偏移电压。该偏移电压意味着在设置(或判断)阈值电压时总是存在某些误差，而控制功能将在该阈值电压导通和关断FET。如果阈值为正，对于某些足够低的输出电流，比较器将在开和关之间振荡，且导致电源总线上出现阶跃电压。由于这一原因，基于比较器的ORing控制电路一般被设计成具有小的但总为负的阈值。如果阈值为负，则在该反方向的压降足够高以达到阈值并导致FET关断之前，将允许相当大的反向电流从电源总线流向电源。

作为一个例子，市场上可购得的ORing FET集成电路的典型阈值为-10毫伏。在采用100A电源(或电源模块)的典型系统中，并联的ORing FET电阻可以为500微欧或更小。-10毫伏的反向电压将对应于这样的不希望的情况，即，在FET截止之前，有至少20安培的电流从电源总线流到电源。

发明内容

在一个广义方面，本发明涉及一种在电源中使用的ORing元件。该ORing元件可以包括场效应晶体管(FET)、第一双极晶体管和第二双极晶体管。该FET可以电连接在电源模块的输出和电源总线之间。该第一双极晶体管的发射极可以电连接到FET的源极，并且第一双极晶体管的集电极可以电连接到FET的栅极。第二双极晶体管可以连接成二极管形式，其发射极电连接到其基极。第二双极晶体管的发射极还可以电连接到第一双极晶体管的基极。第二双极晶体管的集电极可以电连接到FET的漏极。这样，该ORing电路可以选择性地从电源总线连接和隔离电源模块。另外，多个电源模块和ORing元件可以被组合以形成单个电力系统。

附图说明

结合附图，本文通过举例的方式描述了本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据各个实施例的ORing元件的示意图；和

图2示出了根据各个实施例的电力系统的框图。

具体实施方式

本发明的实施例一般涉及ORing电路元件和实施其的电源。图1示出了根据本发明的各个实施例的示例性ORing电路元件100的示意图。电路元件100具有用于接收电源模块(图1中未示出)提供的电压的输入节点108和用于向电源总线(图1中未示出)提供电压的输出节点110。电路元件100还可以具有接收偏置电压的偏置节点112。电路元件100包括场效应晶体管(FET)102，其可以电连接在输入节点108和输出节点110之间。例如，如图1所示，FET 102的源极端子152可以耦合到输入节点108，且漏极端子154可以耦合到输出节点110。这样，通过改变FET 102的状态，可以控制输入节点108和输出节点110之间的电流。例如，当FET 102被偏置为导通状态时，电流可以从输入节点108流向输出节点110。当FET 102不被偏置为导通状态时，电流可能受限和/或被完全阻止。

ORing电路元件100还可以包括用于选择性偏置FET 102的各种组件，包括，例如，双极晶体管104和106。晶体管104可以被连接成，使得其集电极端子158耦合到FET 102的栅极端子156。晶体管104的发射极160被耦合到FET 102的源极端子152。晶体管106可以被连接成，使得其发射极164被短接到其基极166。这样，晶体管106可以用作具有类似于二极管的特性的两端子器件(例如，“连接成二极管形式”)。晶体管106的发射极164和基极166可以被耦合到晶体管104的基极162。晶体管106的集电极168可以被耦合到FET 102的漏极154。

在各个实施例中，晶体管104、106可以通过偏置电流而被偏置。例如，可以在晶体管104的集电极158提供第一偏置电流，且可以在晶体管106的发射极164提供第二偏置电流。在各个实施例中，可以通过在与晶体管104的集电极158相连的电阻器116和与晶体管106的发射极164相连的电阻器118处提供偏置电压，分别产生相应的偏置电流。在图1中示出的非限制实施例中，由偏置电压源112向电阻器116、118提供偏置电压，且通过齐纳二极管120和电阻器114相对于FET 102的源极152而被调整。应当意识到，图示的偏置组件112、114、116、118仅用于示例性目的，且可以使用任意合适的电路组件或其组合向晶体管104、106提供偏置电流。

在操作中，FET 102基于输入电压108和输出电压110之差被选择性地偏置。当输出110高于输入108时，则FET 102保持在其截止状态，从任意电源模块和/或与输入108电连接的其他组件隔离输出110。这可能是希望的，因为输入电压108相对于输出电压110的下降可能指示电源模块或与输入108电相接的其他组件的故障。当输出110低于输入108时，则FET 102可以被偏置成活动模式(active mode)或完全导通，允许电流在输入108和输出110之间流动。

当输出110充分高于输入108时，FET 102的体二极管将被反向偏置。由于110处的电压比较高，被连接成二极管形式的晶体管106也被反向偏置。应当意识到，因为晶体管106在基极-集电极结两端连接为二极管形式，它可以比其他连接成二极管形式的配置承受更高的反向偏置电压。在各个实施例中，这可以使电路100在电源应用中有用，其中晶体管106上的反向偏置电压可能相当大。晶体管104可处于其饱和模式，其基极-集电极结和基极-发射极结都被正向偏置。这导致晶体管104的集电极电压比较低，这使得FET 102的栅极156的电压保持在比较低的水平，从而使FET 102保持在截止状态。

当输入108相对于输出110开始上升时，FET 102的体二极管可能变得稍微地正向偏置。连接成二极管形式的晶体管106也可能变成正向偏置且可以开始从晶体管104提取基极电流。这因而可以使晶体管104离开饱和状态，减小其集电极电流且增加其集电极电压。当晶体管104的集电极158的集电极电压增加时，FET 102的栅极156的电压开始上升，当达到栅极阈值电压时，FET 102转变到活动模式。在各个实施例中，当输出110的电流比较低(例如，小于100mA)且具有低的体二极管偏置电压(例如，小于10mV)时，达到栅极阈值电压。当输出110处的电流进一步增加时，FET 102的导通电阻可能变得突出，导致FET 102两端的压降以及FET 102的栅极156的电压更加快速地增加。因此，FET 102最终可能转变为完全导通状态。在操作中，该电路的功能不同于比较器电路之处在于，FET 102的栅极-源极电压156-152与110处的输出电流具有成比例的关系，而不是基于比较器的电路的简单的开或关。

FET 102被偏置导通的输入108与输出110之间的最低压降(例如，FET102两端的压降)可以称为电路100的“阈值电压”。应当意识到，因为连接成二极管形式的晶体管104的正向偏置电压将比简单的二极管更加紧密地匹配晶体管106的基极-发射极电压，电路100可以获得更可重复和更低的阈值电压。为潜在地进一步增加电路元件100的可重复性，晶体管104和106可以被容纳在单个封装中，例如，被容纳在6-pin-SOT-23封装(诸如从ZETEX可购买到的零件号ZXTD09N50DE6)中。这样，晶体管104和106可以彼此地热跟踪，进一步导致它们的行为相似。

应当意识到，当输出110处的电流比较低时，FET将工作在其活动状态。在这种状态中，FET 102以非欧姆方式作用(例如，其动态阻抗高于欧姆定律的得出的静态计算)。因此，输出110处的电流中的小变化会倾向于导致FET 102两端压降中的大变化。因此，即使ORing电路元件100的组件通常导致负的阈值电压，反向电流仍然受限。因为接近阈值，输出电流中的小变化会带来FET 102两端的压降的大变化，如果输出110的电流开始变为负值，它将带来FET两端的压降中的大变化。这可以导致晶体管104、106将FET102的栅极156拉低且阻止基本负的输出电流。

图2示出了根据示例性电力系统200的各个实施例的框图。该电力系统包括多个电源模块202。每个电源模块202经由类似于或等同于上述ORing元件100的ORing元件100电连接到电源总线204。ORing元件100的输入108被连接到其相应的电源模块202，而ORing元件100的输出110被连接到电源总线204。这样，如上所述，ORing元件可以在相应的电源模块202和电源总线204之间提供缓冲器。应当意识到，电源模块202和ORing元件100的数目可以根据特定应用而变化。

在操作中，当各个电源模块202正常工作时，它们在输入108处提供比输出110和电源总线204上的电压至少稍高一些的电压。因此，相应ORing元件100的FET 102(图2中未示出)处于活动状态或饱和状态，允许电源模块202和电源总线204之间的正向电流。如果电源模块202故障，则它可以拉低其相应ORing元件100的输入108。因此，ORing元件的FET 102将被转变为截止状态，防止故障的电源模块202拉低电源总线204上的电压。

当在本文中使用时，术语“电力系统”是指任意电力结构，包括独立的电源、电源组合等。而且，当在本文中使用时，术语“电源模块”或“模块”是指任意种类的来源功能：电源、整流器、电力调节器、功率调节器、电压调节器、电流源、电池、发生器、变压器等。

应当理解，本发明的附图和描述已经被简化且仅用于说明与清晰理解本发明目的相关的元件，同时为了清楚起见，排除了其他元件，例如，诸如上述装备的某些特定项等。本领域技术人员将意识到这些和其他元件可能是所希望的。然而，因为这种元件在本领域中是已知的，且因为它们并不有助于更好地理解本发明，本文中没有提供对这些元件的讨论。

尽管已经描述了本发明的若干实施例，显然本领域技术人员将容易想到这些实施例的各种调整、变更和修改，以获得本发明的一些或全部优点。例如，各个组件的值可以变化。而且，还可以将各种组件(例如，电阻器、滤波电容器等)添加到电路中或从电路中移除。因此本描述旨在覆盖不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围和精神的所有的这种调整、变更和修改。

Claims

1.一种用于电源的O形环元件，该O形环元件包括：

场效应晶体管FET，其电连接在所述电源的输出和总线之间；

第一双极晶体管，其中该第一双极晶体管的发射极电连接到所述FET的源极，并且其中该第一双极晶体管的集电极电连接到所述FET的栅极；以及

第二双极晶体管，其中该第二双极晶体管的发射极电连接到该第二双极晶体管的基极和所述第一双极晶体管的基极，并且其中该第二双极晶体管的集电极电连接到所述FET的漏极。

2.根据权利要求1所述的O形环元件，其中所述第一双极晶体管的集电极电连接到第一偏置电流。

3.根据权利要求2所述的O形环元件，还包括偏置电压和连接到所述第一双极晶体管的集电极的第一电阻器，该偏置电压被耦合到该第一电阻器以用于产生所述第一偏置电流。

4.根据权利要求3所述的O形环元件，其中所述第二双极晶体管的发射极电连接到第二偏置电流。

5.根据权利要求4所述的O形环元件，还包括连接到所述第二双极晶体管的发射极的第二电阻器，所述偏置电压被耦合到该第二电阻器以用于产生所述第二偏置电流。

6.根据权利要求5所述的O形环元件，还包括电连接在所述偏置电压和所述FET的源极之间的齐纳二极管。

7.根据权利要求1所述的O形环元件，其中所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管被容纳在单个封装中。

8.根据权利要求7所述的O形环元件，其中所述单个封装是6-pinSOT-23封装。

9.一种电力系统，包括：

第一电源模块；

公共电源总线；以及

连接在所述第一电源模块和所述公共电源总线之间的O形环元件，其中该O形环元件包括：

场效应晶体管FET，其电连接在所述第一电源模块和所述公共电源总线之间；

10.根据权利要求9所述的电力系统，其中所述第一双极晶体管的集电极电连接到第一偏置电流。

11.根据权利要求10所述的电力系统，还包括偏置电压和连接到所述第一双极晶体管的集电极的第一电阻器，该偏置电压被耦合到该第一电阻器以用于产生所述第一偏置电流。

12.根据权利要求11所述的电力系统，其中所述第二双极晶体管的发射极电连接到第二偏置电流。

13.根据权利要求12所述的电力系统，还包括连接到所述第二双极晶体管的发射极的第二电阻器，所述偏置电压被耦合到该第二电阻器以用于产生所述第二偏置电流。

14.根据权利要求13所述的电力系统，还包括电连接在所述偏置电压和所述FET的源极之间的齐纳二极管。

15.根据权利要求9所述的电力系统，其中所述第一双极晶体管和所述第二双极晶体管被容纳在单个封装中。

16.根据权利要求15所述的电力系统，其中所述单个封装是6-pinSOT-23封装。

17.根据权利要求9所述的电力系统，还包括第二电源模块；以及连接在该第二电源模块和所述公共电源总线之间的第二O形环元件。