CN1037307C - 带备用设置的电源电路 - Google Patents

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Abstract

一个电源电路，包括：一个输入端(4)，一个输出端(10)和一个参考端(6)，用以将一直流电压源(2)接到输入端和参考端之间。将一负载(8)接到输出端和参考端，一个驱动电路(22)，用以使第一电子开关(20)的主电流通路周期性地通断。其特征在于驱动电路包括一个第一开关器件(40)，用以响应SBS信号使第一电子开关(20)的主电流通路永久地不导通。该电源电路还包括：一个第二电子开关(50)，一个第二开关器件(52)，用以响应SBS信号使第二电子开关的主电流通路永久导通。

Description

带备用设置的电源电路
本发明涉及一种电源电路，它包括一个输入端，一个输出端和一个参考端，用来将一个直流电压源接到输入端和参考端，将一负载接到输出端和参考端，它还包括一个电感元件和一个二极管的串联布置，二者在第一节点处相互连接，电感元件接在输入端和第一节点之间，二极管接在第一节点和输出端之间，它还包括一第一电子开关，其主电流通路接在第一节点和参考端之间以及一个使第一电子开关的主电流通路周期性通断的驱动电路。
本发明还涉及包括这样一个电源电路的电力设备。
从美国专利US4,970,451可对这种电源电路有所了解。在文献中这种已知电源电路的结构被称作“增压变换器”。负载两端的输出电压比直流电压源的电压高。这种变换器多用于电池供电的装置，以将较低的电池电压升高到装置中电路的工作电压。可见其目的是以最小数目的串联电池，即尽可能低的电池电压维持运行。许多由电池供电的装置有一个所谓备用模式，以防止某些测量数据丢失。这样如微处理器，随机存取存储器等可维持在足以避免信息丢失的最小工作电压。
本发明的一个目的是提供一种电源电路，它使负载在备用模式下无机械开关且电压损失最小地与直流电压源联接起来。
为此目的，按照本发明，这种第一段中说明的电源电路的特征在于：驱动电路包括一个第一开关器件，用以响应一备用信号而使第一电子开关的主电流通路永久断开；电源电路还包括一个带一控制电极，第一和第二主电极的第二电子开关，这些电极构成一主电流通路，该通路与电感元件和二极管的串联布置的至少二极管并联，还包括一个第二开关器件，用以响应备用信号而使第二电子开关的主电流通路永久导通。
第一开关器件断开变换器，第二电子开关将输出端与参考端短路。这样减小了跨电感元件和二极管的电压损耗。尤其是当直流电压源包括一个或二个串联电池时，二极管两端电压是较高的。
第二电子开关自身也产生一电压损失。为最大限度降低此损失，根据本发明的电源电路的第一实施例的特征在于：第二电子开关是一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，它在一半导体内设有一源极，一漏极和一栅极，分别对应于第二电子开关的第一主电极，第二主电极和控制电极。
一个导通的MOSFET晶体管的低漏-源极电阻将负载与直流电压源连接起来。而基本上无电压损失。这与双极晶体管情形不同，双极晶体管总带有一饱和电压。与双极晶体管相比，MOSFET晶体管的另一优点是：驱动MOSFET晶体管的控制电极几乎不需要任何电流，所以在备用模式下无须不必要地给直流电压源加负载。
本发明的第二实施例，有效地简化了电源电路，其特征在于；第二电子开关的主电流通路接在第一节点和输出端之间，二极管内MOSFET晶体管中寄生的主体-漏极二极管构成。
MOSFET晶体管的寄生主体-漏极二极管现在也起转换器二极管的作用。这样就能省去一个二极管。
根据本发明的电源电路的第三个实施例特征在于：该电源电路还包括一个辅助电压端和一个倍压器，倍压器中包括一个限幅电容器(bootstrap capacitor)，一个平滑电容器，第一和第二整流二极管，限幅电容器接在电感元件的一个抽头与一节点之间，第一整流二极管接在输出端与该节点之间，第二整流二极管接在该节点与辅助电压端之间，平滑电容器接在辅助电压端与参考端之间。
当第一电子开关工作时，产生一是输出端电压二倍的辅助电压。限幅电容器接到第一节点或电感元件一抽头之间。
下面参照附图来描述与阐明本发明的这些及其它目标。其中，
图1显示本发明的电源电路的第一实施例。
图2显示本发明的电源电路的第二实施例。
图3，4，5和6显示图1和2中实施例的变型。
在这些附图中，功能或目的相同的部分标号相同。
图1显示本发明的电源电路的一实施例。一直流电压源2正极与一输入端4相接，负极与一接地的参考端6相接。在这里作为举例，直流电压源2标为直流电压电池，但也可用任何其它形式的直流电压源，如带整流器的交流电压源。负载8跨接在输出端10和地之间。接在输出端10的平滑(滤波)电容12扼制可能出现在输出端10的波纹电压。在节点18处相互连接的一个由二极管16与线圈14形式的电感元件组成的串联布置接在输入端4和输出端10之间。而且，线圈14接在输入端4，二极管16的阴极接输出端10。
由NPN晶体管20构成的电子开关的主电流通路接在节点18和地之间。NPN晶体管20的第一主电极，或发射极接地。NPN晶体管20的第二主电极，或集电极接节点18。NPN晶体管20的控制电极或基极由驱动电路22来驱动，驱动电路22周期性地给NPN晶体管20的基极提供电流，以使NPN晶体管20通和断。
驱动电路22包括一个PNP晶体管24，其发射极通过电阻26耦接到输入端4，其集电极接在NPN晶体管20的基极，其基极通过电阻28与地相连，并通过电容30与NPN晶体管20的集电极相连。驱动电路22还包括一个NPN晶体管32，其发射极接地，其集电极接NPN晶体管20的基极，其基极接于齐纳二极管34与电阻36间的节点上。齐纳二极管34与电阻36串联在节点38和地之间，它们共同构成一参考电压源，在节点38和NPN晶体管32之间形成一恒定电势差。
驱动电路还包括一开关器件40，它通过向信号端42加一备用信号SBS的方法来启动或停止驱动电路22的运行。开关器件40包括一个PNP晶体管44和电阻46和48。PNP晶体管44的基极通过电阻46与输入端4相连，并通过电阻48与信号端42相连。PNP晶体管44的发射极接输入端4，集电极接电阻26。
一个用作电子开关的PMOS晶体管50与二极管16并联，其源极、漏极和栅极分别构成其第一主电极，第二主电极和控制电极，并分别与输出端10，节点18和38相接。PMOS晶体管50的栅极由包括一晶体管54，和电阻56，58和60的驱动电路52驱动。电阻56接在节点38和地之间，电阻58接在输出端10和PNP晶体管54的基极之间，电阻60接在信号端42和PNP晶体管54的基极之间。PNP晶体管54的发射极接输出端10，集电极接节点38。
备用信号SBS可用多种方法产生。一种方法是用一开关将信号端42与地接通和断开。这样，断开状态便代表备用模式。此时，PNP晶体管44和54不导通。结果，驱动电路22不被激励，NPN晶体管20不导通。电源电路此时处于无源状态。因为跨二极管16的压降，输出端10电压比输入端4电压低约一个二极管电压。由于PMOS晶体管50的栅极通过电阻56与地相连，所以PMOS晶体管50的主电流通路导通，形成跨二极管16的短路。这样实现了在备用状态下，跨负载8的电压基本是等于直流电压源2的电压。若直流电压源2只包括一或二节电池时，这种方法起到特别的作用。因为此时跨二极管16的电压损耗相对较大，可能在备用状态下产生负载的过早错误操作。举例来说，负载可以是微处理器，随机存取存储器和其它数字和/或模拟电路，这些负载在备用模式下要保持运行，以免丢失信息。要注意开关器件40和52在备用状态下不以直流电压源2引出任何电流。这在使用电池时是有利的。除了PMOS晶体管50，也可采用双极PNP晶体管，如图3所示那样。然而，即使在负载电流很小的情况下，这种晶体管的饱和压降也会造成输出端10与输入端4间的电压损失。这是不希望的。另外，需要一定量的基极电流来驱动双极晶体管，在备用模式下，此基极电流必须由直流电压源2来提供。
当备用信号SBS把信号端42与地相连时，电源电路被启动。这时，PNP晶体管44和54导通。PNP晶体管54把节点38与输出端10相连。PMOS晶体管50的栅-源电压基本为零，PMOS晶体管50关断。通过PNP晶体管44，PNP晶体管24的发射极经过电阻26与输入端4相连。这时，一基极电流可经过电阻28流入PNP晶体管24，产生的集电极电流流到饱和的NPN晶体管20的基极。使得NPN晶体管20的集电极电压呈现一负暂态，它被通过电容30传送到PNP晶体管24的基极，结果使PNP晶体管24也饱和。电阻26限制流过PNP晶体管24的电流。NPN晶体管20的集电极电流也流过线圈14，并随时间线性增大。二极管16因而截止。当NPN晶体管20的集电极电流达到一定值时，此晶体管不再饱和，集电极电压出现快速的正跳变。电容器30将此电压增值传送到PNP晶体管24的基极，因此该晶体管，以及NPN晶体管20截止。这时通过线圈的电流经由现在正导通的二极管16流到负载8和滤波电容器12。之后流过线圈14的电流降到零，NPN晶体管20集电极电压降到与输入端4的电压相等。然后，电容器30可通过电阻28向地放电；并驱动PNP晶体管24的基极使之导通。此循环这样持续下去。电源是自振荡的(SOPS)。如果输出端10的电压，和节点38处的电压超过一给定值，齐纳二极管34就导通。NPN晶体管32因而导通，并使NPN晶体管20过早截止。线圈14的峰值电流受到限制，以使输出端10的电压不再增加。此电压等于NPN晶体管32的基极-发射极电压，齐纳二极管34的齐纳电压和PNP晶体管54的集电极-发射极饱和电压之和。此SOPS工作频率基本恒定，这有利于选择线圈14的几何尺寸。
PMOS晶体管的内部体-漏二极管也可起二极管16的作用，这种情况下就不再需要单独的二极管16。如果需要，PMOS晶体管50可接在输入端4和输出端10之间，如图4所示，所以，在备用模式下线圈也被分流。这种情况下，单独二极管16是必要的。
在可选方案中，电源电路可进一步包括一个二极管62，其正极接在节点38，其负极接在输出端64，输出端64可接负载66，还包括一个滤波电容器68，用以抑制输出端64上的波纹电压。在备用模式，二极管62将负载66与电源电路分离，使负载不带电。如此可见，负载8与负载66的区别是在备用模式下，负载8带电，而负载66不带电。
其它可选部件有：一个辅助电压端69，用以连接负载70，一个限幅电容(bootstrap capacitor)72，一个平滑电容器74，以及二极管76和78，这些部件用来构成一倍压器。自举电容器72，二极管76的负极和二极管78的正极接在一起。这些元件的另一端分别接在节点18，输出端10和辅助电压端69，辅助电压端69上还接有平滑电容器74。在备用模式下，负载70象负载66一样被一个二极管，即二极管78与电源电路隔离开。
如图5所示，限幅电容器72可接在线圈14的一个抽头上。图6显示采用一变压器80的一个绕组作线圈14的可能性。
图2显示根据本发明的电源电路的另一实施例。此实施例与图1的实施例大部分相同。这里，电阻26直接与输入端4相连。电阻28被取消，NPN晶体管3 2被NPN晶体管82取代，NPN晶体管82的发射极接地，集电极接PNP晶体管24的基极。NPN晶体管82的基极-发射极结与NPN晶体管84中相应的基极-发射极结并联，NPN晶体管84的集电极与基极接在一起。两个NPN晶体管82和84构成一电流反射镜，其输入端由NPN晶体管84的集电极构成，接在差动放大器88的一个输出端86。此放大器的第一反向输入端90接一分压器的一个抽头90，该分压器包括在节点38和地之间串联的二个电阻94和96。两个电阻94和96也起图1所示实施例中电阻56的作用。第二非反向输入端98接到参考电源100，该参考电压源产生一个对地的参考电压并且从节点38，通过电阻101得到激励。
差动放大器88包括一个由PNP晶体管102和104构成的差动对，它们的发射极通过电阻106与节点38相连。输入端90和98分别由PNP晶体管102和104的基极构成。PNP晶体管104的集电极接在连成二极管的NPN晶体管108的集电极，NPN晶体管108的基-射结与NPN晶体管110中相应的基-射结并联。PNP晶体管102集电极和NPN晶体管110的集电极接在一起，其节点构成差动放大器88的输出86。
本例电路结构中，NPN晶体管82起一个可变电阻的作用，其电阻由差动放大器根据抽头92的电压与参考电压源的参考电压之压差值来控制。这引起电容器30的充电时间常数的改变。SOPS的开关频率将降低，以抵抗节点38上，及由此引起的输出端10上的电压增加。在备用模式，差动放大器不再得到供电。NPN晶体管82因此无基极电流而截止，所以PNP晶体管24也无基极电流。振荡停止。本例电路结构不需要类似图1所示实施例中开关器件40那样的开关器件。
本发明并不限于这里所示的实施例。双极晶体管可用对应的单极晶体管代替。在这种情况下，单极晶体管的源极，漏极和栅极分别代替双极晶体管的发射极，集电极和基极。
这种电源电路特别适用于带可充电电池的消耗电器，如带有用以测量，监控和显示电池状态，和测量马达耗电情况的复杂电子器件的剃须刀。当剃须刀关闭时，测量数据不应丢失。采用根据本发明的电源电路就可在较低的电池电压下使用常规数字电路，如微处理器。否则在备用模式下，若电源电压过低，它就不能直接与输出端10相连。另外，该电源电路也适用于便携通讯设备，另外，该电源电路也适用于便携通讯设备，如无线电和电视接收机，电话机等，也适用于便携式计算机及其它数字设备。

Claims (9)

1.一个电源电路，它包括：一个输入端(4)，一个输出端(10)和一个参考端(6)，用以将一直流电压源(2)接到输入端(4)和参考端(6)，将一负载(8)接到输出端(10)和参考端(6)，它还包括一个电感元件(14)和一个二极管(16)的串联布置，二者在第一节点(18)处相互连接，电感元件(14)接在第一节点(18)和输入端(4)之间，二极管(16)接在第一节点(18)和输出端10之间，它还包括一个第一电子开关(20)，其主电流通路接在第一节点(18)和参考端(6)之间，它还包括一个驱动电路(22)，用以使第一电子开关(20)的主电流通路周期性地导通、断开，其特征在于：驱动电路(22)包括一个第一开关器件(40)，用以响应一备用信号(SBS)而使第一电子开关(20)的主电流通路永久不导通，电源电路还进一步包括一个第二电子开关(50)，该电子开关(50)带有一控制电极和第一和第二主电极，这些电极构成一主电流通路，该通路与电感元件(14)和二极管(16)的串联布置中至少一个二极管(16)并联，电源电路还包括一个其一个输出与第二电子开关(50)的控制极相连的第二开关器件(52)，用以响应备用信号(SBS)使第二电子开关永久地导通。
2.一个如权利要求1的电源电路，其特征在于：第二电子开关(50)是一MOSFET晶体管，它有在一半导体内形成的一个源极，一个漏极和一个栅极，分别对应于第二电子开关(50)的第一主电极，第二主电极和控制电极。
3.一个如权利要求1的电源电路，其特征在于第二电子开关(50)的主电流通路接在第一节点(18)和输出端(10)之间。
4.一个如权利要求3的电源电路，其特征在于二极管(16)由MOSFET晶体管(50)的寄生体-漏二极管构成。
5.一个如权利要求3的电源电路，其特征在于第二开关器件(52)包括：一个第一电阻(56)，它接在位于第二电子开关(50)和参考端(6)之间第二节点38；一个开关晶体管(54)，其主电流通路接在输出端(10)和第二节点(38)之间，其控制极用以接收备用信号(SBS)。
6.一个如权利要求1，2，3，4或5的电源电路，其特征在于：第一电子开关(20)是一晶体管，其第一主电极，接参考端(6)，其第二主电极，接第一节点(18)，以及一控制电极，驱动电路(22)包括：一个第二电阻(26)，一个第二晶体管(24)，它的传导类型与第一电子开关(20)的传导类型相反，一第三晶体管(32)，它的传导类型与第一电子开关(20)的传导类型相同，第二和第三晶体管(24)和(32)各有一个第一主电极，一第二主电极，和一个控制电极，第二晶体管(24)的第二主电极和第三晶体管(32)的第二主电极接到第一晶体管(20)的控制电极，第三晶体管(32)的第一主电极接到参考端(6)，电容器(30)接到第一晶体管(20)的第二主电极和第二晶体管(24)的控制电极之间，一个第三电阻(28)接在第二晶体管(24)的控制电极与参考端(6)之间，一个参考电压源(34，36)接在第三晶体管(32)的控制电极和第二节点(38)之间，第一开关器件(40)包括一个与第二晶体管(24)的传导类型相同的第四晶体管(44)，它有一个主电流通路，与第二电阻(26)串联，接在输入端(4)和第二晶体管(24)的第一主电极之间，还有一控制电极，用来接收备用信号(SBS)。
7.一个如权利要求1，2，3，4或5的电源电路，其特征在于：第一电子开关(20)是一晶体管，它有一个第一主电极，接到参考端(6)，一个第二主电极接第一节点(18)，以及一个控制电极，驱动电路(22)包括：一个第二电阻(26)，一个第二晶体管(24)，它的传导类型与第一电子开关(20)的传导类型相反，一个第三晶体管(82)，它的传导类型与第一电子开关的传导类型相同，第二晶体管(24)和第三晶体管(82)各有一个第一主电极，一个第二主电极，和一个控制电极，第二晶体(24)的第一主电极通过第二电阻(26)与输入端(4)相连，第二晶体管(24)的第二主电极接第一晶体管(20)的控制电极，第三晶体管(82)的第一主电极接参考端(6)，一个电容器(30)接在第一晶体管(20)的第二主电极和第二晶体管(24)的控制电极之间，一个参考电压源(100)，一个分压器(94，96)接在第二节点(38)和参考端(6)之间，并有一抽头，用以提供第二节点(38)和参考端(6)之间的电势差的一部分，一个差动放大器(88)，它有一个第一输入端(90)，接抽头(92)，一个第二输入端(98)接参考电压源(100)，它还有一个输出端(86)接第三晶体管(82)的控制电极。
8.一个如权利要求5的电源电路，其特征在于该电源电路进一步包括：另一输出端(64)和另一二极管(62)，此二极管接在第二节点(38)和该输出端(64)之间。
9.一个如权利要求1，2，3，4或5的电源电路，其特征在于该电源电路进一步包括：一个辅助电压端(69)和一倍压器，该倍压器包括一个限幅电容器(72)，一个平滑电容器(74)，第一(76)和第二(78)整流二极管，限幅电容器(72)接在电感元件(14)的一个抽头和一节点之间，第一整流二极管(76)接在输出端(10)和该节点之间，第二整流二极管(78)接在该节点和辅助电压端(69)之间，平滑电容器(74)接在辅助电压端(69)和参考端(6)之间。
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