CN103618544A - 一种瞬时受保护的隔离器 - Google Patents

Abstract

一种瞬时受保护的隔离器，公开了一种自动稳压器，它具有多个稳压输出，这些稳压输出使用瞬时受保护的隔离器输出级，以防止任何一个输出上的系统故障条件，对其它输出产生不利影响。在一个自动环境中，采用标称14伏的电源，一个单独的输出可以取自-4伏至+26伏，而不会造成损害或在非故障输出上有任何显著的反应。该电路采用了相对较小的NPN输出晶体管，因此，需要一个相对较低的值，来稳定旁路电容。

Description

一种瞬时受保护的隔离器

技术领域：

本发明涉及稳压器，尤其是那些打算在自动应用中使用的稳压器。在一定的条件下，将需要一个自动稳压器来提供多个输出，使几个独立的装置可以提供一个稳定的电压。这些输出各自采用一个隔离级，允许独立或隔离的负载电源。

背景技术：

一个自动系统的主要特点之一，是各部分的机壳接地来呈现不同的电位的倾向。在自动领域内，这是一个众所周知的事实。不同的机壳接地可能会形成多达+4伏的差分。因此，当一个输出变为短路到地时，它可以低至-4伏，另一个问题，就是稳压器输出会短路到高于正常的正电位。例如，高达26伏的电压可以在不经意间与输出端子相关联。其结果是，在不利的条件下的自动稳压输出，可能会在26伏至-4伏的范围内变化。期望的是稳压器在这样的极端条件下幸存下来而且没有损害，对于多个输出端，应用到一个输出上的故障条件，将不会对其它输出产生不利影响。

另一种稳压器的特征涉及其输出阻抗。如果电路中的导通晶体管是PNP极性，这是常有的情况，集电极连接到输出端子。这是高阻抗的晶体管元件，并就此产生的不稳定性，需要相对较大的旁路电容来解决。通常情况下，使用一个PNP输出晶体管将需要一个至少为10微法的旁路电容。最好是钽电容。在本发明中，采用的NPN输出晶体管，要求低阻抗的发射极端子连接到输出端子。该配置允许使用一个相对较小的0.06的微法电容。虽然使用一个小电容在一个单一的稳压器中没有很大的经济意义，多个输出设备可能需要使用一些比较昂贵的电容。这可能是有意义的。

随着进一步的考虑，当稳压器是以一个单片集成电路（IC）的形式制作时，芯片面积基本上被输出晶体管占据。当使用NPN型的输出晶体管时，我们已经发现，相对于使用PNP型，这需要少得多的芯片面积。因此，本发明还产生一个IC的区域经济。

发明内容：

本发明的一个目的是提供一个电压调节器，具有多个隔离的输出级，它们可以提供多个稳定的电压源，在一个单一的参考源中共同操作，并基本上相互隔离。

本发明的再一个目的是提供一个稳压器的输出级，可以承受，而不会损坏，负载瞬变上升时基本高于稳压输出，下降时基本低于地面电位。

本发明的进一步目的是采用单片IC的结构形式，并采用一个NPN输出晶体管，来生成一个芯片面积经济，减少稳定的并联电容器的大小。

本发明的技术解决方案：

这些和其它的目的是在按照如下方法配置的电路中实现的。该稳压器电路包括一个参考电压发生器，形成一个恒定电位下的温度补偿源。这个温度补偿源通常操作多个瞬时受保护的隔离器输出级（TPIOS），其中每一个TPIOS产生一个不同的稳定电压。每个TPIOS电路包括一个NPN导通晶体管，其导通是由一个高增益负反馈回路控制的，通过晶体管的操作来控制相对于参考电压源的输出。每个TPIOS电路还包括一种装置，允许输出端基本上被拉到低于地面，以及基本上高于负载电源电压，而不会在电路元件上产生任何多余的压力。

此外，NPN输出导通晶体管致力于将功率晶体管的发射极连接到输出端子。这种低阻抗连接使稳压器稳定下来，并允许使用一个相对较小的旁路电容。

对比专利文献：CN2652014Y锂离子电池组安全充放电控制器200320112013.5

附图说明：

图1是一个使用PNP输出晶体管的传统的现有技术设备的原理方框图。

图2是本发明的基本电路的原理方框图。

图3是一个自动的多个输出稳压器的方框图。

图4是根据本发明的一个TPIOS的原理方框图。

图5是一个优选集成电路TPIOS的示意图。

具体实施方式：

图1示出了典型的现有技术的稳压器。该电路的运行是从V_电源（典型的自动电池和充电电源）接+到端子10，接-到接地端子11。一个较大面积的功率PNP晶体管12，将端子10耦合到提供一个稳定电位的输出端子13上。通常情况下，端子13上的电压约8伏。晶体管12的基极被电路14驱动，已知的电路提供给电路14一个温度稳定的电压，并施加到参考端子15上。电阻器16和17形成一个分压器，将代表稳压输出电压的一小部分的反馈电压，施加到运行中的驱动器电路上。应注意的是，晶体管12的集电极连接到输出端子13上。由于这种电极是一个高阻抗节点，旁路电容器19必须有实质性的值，以提供一个低电源端子阻抗。通常情况下，电容器19将是一个10微法的钽电容器，该电容器在传统的电源线路频率中具有适当低的阻抗。

将会注意到，如果端子13上电压降低了，由于一些系统故障，驱动器14的反馈将被打乱。如果驱动器14使晶体管12上的基极电压降低，这将产生灾难性的过剩的功率晶体管的功耗。

此外，如果端子13上的电压高于V_电源，根据系统发生故障，可以看出，晶体管12的集电极将承担发射极的角色。由于这样的PNP晶体管通常是横向建设，该设备可以在这个倒置的状态工作得很好。由于驱动电路在一个接近V_电源的电位的基极上运作，晶体管12将大力传送一个可能是灾难性的电流。在同一时间，晶体管12和IC基板之间形成的寄生晶体管将会导通，因此，较大的衬底电流将会变低，由于上述的结果，由于系统故障，图1的电路被视为容易导致失败的电路。

图2是类似于图1的原理方框图，但是示出了本发明的核心。公开了TPIOS。凡涉及相同的元件的地方，采用相同的标号。NPN晶体管20是输出导通元件，和一个大小相等的晶体管21通过二极管连接，并与晶体管20串联耦合。对于具有相同的输出电流能力的晶体管20，只需要图1中PNP晶体管12的约三分之一的区域。因此，NPN晶体管20和21的结合区仍然只有PNP晶体管区域的三分之二，并得到一个显著的集成电路芯片节省的面积。由于输出端子13连接着晶体管20的发射极，该电路呈现一个低阻抗，因此，本质上是稳定的。虽然图1中的电容器19是10微法拉（最少），有相同的额定输出，图2中的电容器22可低至约0.06微法或是更小的167倍。

如果端子13上电压升高，由于系统故障，可以看到的是，与横向PNP晶体管不同，NPN晶体管20将无法在倒立状态有效地发挥作用。电路中包括晶体管21，是为了在端子13上的电压上升到上述晶体管20的V_电源电位，并超过齐纳电压时，防止齐纳二极管导通。因此，有可能出现一种破坏性的电流，甚至高过电位。

最后，如果端子13上的电压接地，由于不利的系统故障，可以看出，驱动器14的反馈也被降低。电路结合驱动器14，以减少晶体管20的传导性。此操作将在随后更详细地描述。因此，这样的故障不会导致过多的晶体管导通。

图3是一个本发明的自动应用中的方框图，其中多个TPIOS电路被一个调节器操作，它产生温度下的不变量V_参考。可以看出，该设备在那些23-25端子上提供了稳定的输出电压。显然，如果需要的话，可以采用额外的输出。当系统发生故障时，一个输出被扰乱，其他的输出将不会受到影响，这是很重要的。三个输出显示，每一个都包括三个小的旁路电容器26-28，并分别由TPIOS电路29-31提供。一个单一的参考电压发生器32，在节点15处为三个TPIOS输出级提供了一个温度下稳定的参考电压。在将要描述的优选实施例中，输出电压和V_参考是8伏。标称14伏的电源，它代表一个充满电的蓄电池，3个8伏的输出可以用来为三个独立的系统提供服务。每个输出可以在+26伏和314伏之间变动，对其他输出没有任何不利影响。即使在这样的系统故障下，受影响的电路不会受到损害。

图4是一个TPIOS电路的详细的方框图。通过举例的方式，详述了图3中的方框29。正如上面指出的，NPN输出晶体管20与等效晶体管21串联耦合，在电源端子10和输出端子25之间通过二极管连接。因此，晶体管20和21构成输出元件。

差分放大器35和缓冲器36在晶体管20的发射极-基极电路周围构成负反馈环路。从而在端子25上保持了一个稳定的输出。稳定的输出被耦合到差分放大器35的反相输入端，端子15的V_参考被耦合到同相输入端。因此，差分放大器35将通过缓冲器36驱动晶体管20的基极，直到晶体管的发射极20上的电位匹配V_参考，并稳定负载电流和线路输入电压的变化。这种高增益反馈回路，确保在普通工作条件下，输出电压和V_参考非常匹配。

如果没有呈现其他的电路功能，是本系统发生故障，将使端子25的电压降至地面以下，可能会在晶体管20和21上产生过度或潜在的破坏性电流。然而，结合次级反馈回路可以防止这样的情况发生。

将会注意到的是，差分放大器35的输出是由可变电流源37所提供，下面将要描述的，在一定条件下，该输出可以提供输入给缓冲器36。差分放大器38包括次级反馈回路的核心部分。它的输出控制电流源37中的电流。晶体管39的基极到发射极电路，与晶体管20的基极到发射极电路相并联，驱动差分放大器38的同相输入。然而，由于晶体管39有晶体管20的1/30的面积，所以将只导通输出级29的输出电流的1/30。晶体管39吸收的电流流过电阻器40和通过二极管连接的晶体管41和42。因此，差分放大器38的同相输入端，是在电阻器40和通过二极管连接的晶体管41的两端的低于V_电源的电压降。差分放大器38的反相输入端直接耦合到参考电路，是由恒流源43控制的，它提取由二极管连接的晶体管44和电阻器45上的电流。因此，由于电阻器45和二极管连接的晶体管44两端的电压降，差分放大器38的反相输入端低于V_电源。恒流源43，用来传输稍微大于电流源37中流动的额定电流。因此，在静态条件下的差分放大器38的输出，通过电流源37，产生一个电流输入到缓存器36，使晶体管20和39偏置导通。值得注意的是，恒流源43，通过使电阻45的值变为电阻器40的10倍，在晶体管39的电流成为额定电流的十分之一时工作，另外，二极管连接的晶体管41是二极管连接的晶体管44的面积的十倍。因此，端子25上的输出电流有一个最大值，它是恒流源43上的电流的300倍。在下面给出的操作实例中，恒流源43工作在约330微安，端子25产生最大的电路输出，近100毫安。显然，部件可能和采用的最大电流值一样，会是其他值和其它静态值的比值。

重要电路的特点是，由于系统出现故障，使得端子25的电压降低，差分放大器38将降低其同相输入的电压，其输出端将减少电流源37上的电流。反过来，这将降低晶体管39的基极上的偏压，使晶体管39的发射极-基极电压保持不变。这意味着，端子25处的电势降低不会导致一个更大的电流流过晶体管20。

正如上文所指出，对电路来说，保留输出端故障的条件，这是可取的，这可以提高电压到26伏。这将会使端子25上的电压，高于标称值为14伏的V_电源12伏左右。可以看出，这使得晶体管20的发射极高于其基极，以便反向偏置其发射极—基极结。如果不是为了晶体管21的存在，晶体管20将进入齐纳传导，就可以摧毁它。然而，晶体管20和21结合的齐纳电压超过施加的12伏，设备将会被保护。同样，二极管连接的晶体管42的作用，是当端子25被升高到26伏的故障条件时，保护晶体管39免于齐纳作用。

图5是在执行图4中TPIOS电路的功能时，优选的一个集成电路示意图。TPIOS使用传统的单片外延PN结隔离建设。相同的部位，使用相同的标号。差分放大器35是由差动连接的晶体管47和48组成的，它们由恒流源49提供恒定的末端电流。

电阻器58A，58B，58C和58D包括一对电压分压器，它们操作低于V_参考和V_输出电位的晶体管47和48的基极。如果这四个电阻值相等，一个2:1的分频器将会操作，结果是V_参考/2。

恒流源37实际上是一个电流镜，是由二极管连接的输入晶体管50和输出晶体管51组成的。因此，在恒流源52中流过的电流，将反映到晶体管48的集电极。镜像输出晶体管51作为晶体管48的负载。应注意的是，晶体管51的大小是晶体管50的两倍。电阻器53和54用来稳定电流镜，电阻器53的阻值是电阻器54的两倍。因此，电流镜37有一个稳定的电流增益，其值为2。通过示例的方式，在恒流源52中流动的150微安将使晶体管51产生300微安的电流。由二极管连接的晶体管55，作为晶体管48的隔离元件，在故障情况下，输出端25的电压被降低时，将断开晶体管48的集电极。这避免了晶体管48的集电极注入少数载流子到IC基板上的可能性，如果NPN晶体管的集电极被降低至接地时，这可能会发生。

缓冲器36是由跟随器晶体管56发射极组成的，它有一个和其发射极-基极电路并联耦合的电阻57。晶体管56的集电极，通过二极管连接的晶体管58，被返回到电源终端10上的“+”极。这种晶体管的出现，是为了在系统故障使得输出端电压变为+26伏时，避免齐纳反应。因此，晶体管21和42的出现，也是如上所述的相同的理由。

可以看出，当端子25上的电压低于标称电平时，导通晶体管的电流就会上升。为了确保这样一个系统故障不会造成过大的电流流出，一个电流折返式的保护电路63，被纳入到TPIOS29中。

相关的参考电压是通过一个分压器形成的，这个分压器是由二极管连接的晶体管65和电阻器66和67组成的。因此，晶体管64的基极是在一个正电位上。在优选的实施例中，在300°K时，晶体管64的基极电位约为4.3伏。因此，由于其发射极的跟随作用，晶体管64的发射极约为3.6伏。晶体管64的发射极的电位等于电阻器68上的电位，也是晶体管69的基极的偏置电压。对于正常的操作条件下，晶体管69的发射极约为8伏，这将是不导电的。然而，由于故障情况下，端子25的电压被降低至某个电位，晶体管69将开始导通，并使得晶体管60的基极电压降低。导通阈值将是约2.9伏的输出端子的电位。输出电压上任何进一步的降低，将导致晶体管69的传导性增加。由于电阻器70的优选值为1.4千欧，约-0.2伏的输出电位将导致晶体管69传输一个1.5毫安的电流。

可以看出，晶体管69作为比较器来起作用。其反相输入端工作在约3.6伏的参考电位，它的同相输入端，被耦合到端子25上，因此将有一个约2.9伏的导通阈值。在任何输入电位的导通将由电阻器70的值决定。这将导致在电阻器40上的一个约76毫伏的电压降，鉴于正常的运算放大器38偏置下的165毫伏，这个76毫伏是比较小的。然而，输出电压上任何进一步的降低，将导致晶体管69的传导性增加。

在-4伏的故障条件下，电阻70的电位将上升至约6.9伏。在这种条件下，晶体管69中的电流将上升至约4.9毫安。这将导致电阻器40两端的电压降约为245毫伏，超越了约165毫伏的正常电压降。涉及运算放大器38和缓冲器36的反馈回路，将使晶体管20的导通值减少到一个非常低的值（小于约20毫安）。在端子25上的电压达到零伏时的输出故障情况下，晶体管20中的电流被限制在约40毫安或小于额定电源容量的一半。在端子25上的电压较低时，电流仍可进一步降低。

举例：

本发明的电路，是用单片IC芯片实验电路板的形式构造，使用常规的外延，PN结型隔离。NPN晶体管是传统的平面器件，它是垂直建设的。PNP晶体管是传统的平面横向建设。载体是采用TPIOS电路的一个自动的多个输出稳压器。它提供了10个孤立的受保护的输出，该输出标称8伏，其中每一个可以提供一个约为90毫安的最大的指定电流。它将被安置在一个15引脚，TO-220封装。

下表列出图5电路的元件值，它构成了本发明的优选实施例：

在一个标称14伏的电源下操作的电路，提供了一个在7.2至8.5伏的范围内变化的输出。对于十个隔离输出中的每一个，额定输出电流都为100毫安。电压降是V_电源-2.2伏。静态电流小于35毫安。负载调节为300毫伏，大于5到70毫安的电流范围。当一个1000欧姆的负载被接通和切断到一个输出时，独立的输出端之间的串扰小于20毫伏。短路电流（零输出电压）小于50毫安。

Claims (9)

1.一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：在一个单一的直流电源下工作的复杂的输出电压稳压器，其中，一个单一的电路提供多个稳定的输出电压和电流，它们单独操作彼此独立，以承受由不利的负载条件造成的输出故障，如短路到地面或者较低处，或接到高电压线上，多个瞬时受保护的隔离器输出级（TPIOS）电路，每一个都包括：输入端，用于提供一个参考电压到TPIOS电路，一个具有发射极，基极和集电极的NPN输出晶体管，提供了一个在其发射极的输出电压，一个主要的负反馈回路，把输出电压与参考电压作比较，并驱动输出晶体管的基极，从而使输出电压稳定，一个次要的负反馈回路，把一小部分的输出电流与参考电流进行比较，并控制输出晶体管的基极，以限制输出电流达到预定的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：参考电压是从一个恒定电压的温度不敏感的源中获得的。

3.根据权利要求2所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器中所述的主负反馈回路，包括：第一差分放大器，它具有耦合到参考电压上的同相输入端，耦合到输出电压的反相输入端，和通过同相缓冲区耦合到输出晶体管基极上的输出端。

4.根据权利要求3所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器中所述的第一差分放大器，包括一个电流源负载。

5.根据权利要求4所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器中所述的第二负反馈回路包括一个第二差分放大器，其反相输入端被耦合，以感测一个代表参考电流的电压，其同相输入端被耦合，以感测一个电压，这个电压代表在电路输出端中流动的电流，其输出端被耦合，以控制在第一差分放大器的负载中流动的电流，因此第二负反馈回路开始起作用来限制在电路输出端流过的电流。

6.根据权利要求5所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器中的电压，代表在电路输出端流动的电流，并且这个电压是由一个小的NPN晶体管发展而来，该晶体管具有与NPN输出晶体管的一小部分成比例的区域，它的发射极-基极电路与NPN输出晶体管并联连接，从而使第二差分放大器的参考电流是输出电流的一小部分，参考电流值确定电路输出的最大电流。

7.根据权利要求6所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器还包括一个电流折返电路，它在稳压输出电压下降到低于预定的阈值时开始起作用，折返电路包括：用于比较参考电压与电路输出电压的装置，当稳压输出电压下降为零或负值时，折返电路将增加的电流传送到第二差分放大器的同相输入端，因此输出电压将导致响应系统故障的输出电流大幅降低。

8.根据权利要求6所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器的输出晶体管与基本上相同的NPN晶体二极管串联耦合，以传导输出晶体管中的正向电流，由于TPIOS电路齐纳二极管导通，输出晶体管的阈值将增加一倍，从而在系统故障条件下，增加电路的输出端可以承受的最大正瞬变电压。

9.根据权利要求8所述的一种瞬时受保护的隔离器，其特征是：多个输出稳压器中的小NPN晶体管还包括一系列二极管，连接具有相同面积和同样大小的晶体二极管，并传导小NPN晶体管中流动的电流。

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