CN103792978B - 软启动电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种由主动元件和被动元件组成的软启动电路，以及应用此软启动电路的软启动电压调节器，此软启动电压调节器电连接发电机、电池组及启动装置；在启动装置启动时，软启动电压调节器接收该电池组的电压来产生软启动信号，发电机利用软启动信号建立电压；另外，在发电机建立电压后，截止软启动电压调节器输出软启动信号。

Description

软启动电压调节器

技术领域

本发明涉及应用于运载工具的电压调节器，特别是指一种由主动元件和被动元件组成的软启动电路，应用此软启动电路的软启动电压调节器及其系统。

背景技术

汽车运行中所需的电能由发电机供应，发电机尚未启动运转时，发电机中的定子(stator)与励磁线圈是无电流且不发电的，必需提供电流给励磁线圈才能使定子作动继而使发电机发电。发电机励磁电流来源与控制方法可通过预励磁电路实现，有的预励磁电路会包含励磁二极管(triodiode)，有的则未包含励磁二极管。包含励磁二极管(triodiode)，如图1所示，发电机未运转之前，励磁电流I_g从节点N流过导通的启动开关71及指示灯72，表示，励磁电流I_g来自于启动开关71，发电机运转建立起电压后，励磁电流I_g经由励磁二极管73提供励磁电流。不包含励磁二极管的控制方式，如图2及图3。

目前调节器，如图2、图3的局部电路70a、70b通常是以集成电路的方式制成，占空比(dutycycle)会在集成电路制造时就已经固定在特定值，例如：12％、18％或30％，而缺乏调整弹性，且集成电路的开发费用高昂。因此，为寻求占空比为可弹性设计的电路，并且降低成本，发明人努力于研究替代集成电路的软启动电路设计。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种软启动电路，软启动电路具有电压调节器及连接电压调节器的无稳态多谐振荡单元。电压调节器用以产生操作电压，无稳态多谐振荡单元用以接收操作电压，并振荡产生软启动信号。此软启动电路是以被动元件和主动元件组成，其成本相较于背景技术所述的集成电路便宜，并且，可通过调整主动或被动元件的数值而达到不同占空比的设定，另外，主动元件与被动元件的设计方式，其占空比的调整幅度较集成电路更大。

本发明的另一目的在于提供一种应用此软启动电路的软启动电压调节器，以及应用此软启动电压调节器的发电机电压调节系统，能够让汽车在熄火情况时达到几乎零漏电流。

本发明所提供的软启动电压调节器是连接发电机、电池组及启动装置。软启动电压调节器具有第一侦测电路、第二侦测电路、软启动电路、调节电路、励磁驱动器及电源管理电路。第一侦测电路用以侦测启动装置，且在启动装置被启动时产生第一信号。第二侦测电路用以侦测发电机，且在发电机建立电压后产生第二信号。调节电路电连接软启动电路。励磁驱动器电连接调节电路。电源管理电路电连接第一侦测电路、第二侦测电路及软启动电路，且具有电源端，电源端连接电池组及发电机。其中，在电源管理电路接收到第一信号时，电源端电压供应至软启动电路，以供软启动电路产生软启动信号，并经由调节电路传送至励磁驱动器，来供发电机建立电压。在电源管理电路接收到第二信号时，电源管理电路依据第二信号截止软启动电路运作，且电源端的电压供应至调节电路，以控制励磁驱动器。

较佳地，无稳态多谐振荡单元具有两晶体管、第一电阻电容组及第二电阻电容组。第一及第二电阻电容组用以接收操作电压，以供两晶体管运作。

附图说明

图1至图3是绘示现有技术的电压调节器的电路图。

图4是绘示本发明的一较佳实施例的发电机电压调节系统的示意图。

图5是绘示图4中软启动电压调节器的方块图。

图6是绘示图4中软启动电压调节器的电路图。

图7是绘示图5中无稳态多谐振荡单元的电路图。

图8及图9是绘示另外两种无稳态多谐振荡单元的电路图。

图10是绘示图4中另一软启动电压调节器的方块图。

(符号说明)

10发电机11转子

12定子20电池组

30启动装置31、71启动开关

32指示器50软启动电压调节器

51第一侦测电路52第二侦测电路

53软启动电路531电压调节器

532、532a、532b无稳态多谐振荡单元

533第一电阻/电容组534第二电阻/电容组

535、536反相器537运算放大器

54调节电路541温度补偿器

542调节回路55、55a励磁驱动器

56电源管理电路561开关单元

57、57a飞轮二极管72指示灯

73励磁二极管Q₁～Q₄晶体管

C₁～C₅电容R₁～R₇电阻

D₁～D₂二极管B电源端

IG、L、P、F、G端点N、N1～N6节点

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术特点所在，在此列举以下的一较佳实施例并结合附图说明如下，其中：

如图4所示，图4是绘示本发明的一较佳实施例的一发电机电压调节系统的示意图。发电机电压调节系统应用于交通工具。交通工具指汽车、卡车、货车、休旅车、连结车、摩托车、船等。在此实施例中，交通工具是以汽车为例。

软启动电压调节系统包括发电机10、电池组20、启动装置30及软启动电压调节器50。发电机10具有转子11和定子12，实际上，发电机10的定子还连接整流电路，以整流发电机10建立的电压。电池组20通过节点N1电连接发电机10与启动装置30。软启动电压调节器50具有六个端点B、IG、L、P、F、G，分别连接电池组20、启动装置30、发电机10的转子11及定子12与接地端，且用以控制发电机10的转子11产生励磁，以使发电机10运转而建立电压提供汽车运行中所需的电能。其中，启动装置30包括启动开关31和指示器32，启动开关31通常是以钥匙、旋钮或按钮启动，指示器32是可发光元件，例如灯泡或发光二极管(LED)。

图5是绘示图4中软启动电压调节器50的方块图。请一并参照图4及图5所示，软启动电压调节器50包括第一侦测电路51、第二侦测电路52、软启动电路53、调节电路54、励磁驱动器55、及电源管理电路56。

第一侦测电路51电连接端点IG及L，用以侦测启动装置30，并在启动装置30被启动时产生第一信号S₁。

第二侦测电路52电连接端点P，且用以侦测发电机10，并在发电机10建立电压后产生第二信号S₂。

软启动电路53具有电压调节器531及电连接电压调节器531的无稳态多谐振荡单元532。电压调节器531提供操作电压V_D，无稳态多谐振荡单元532用以接收操作电压V_D，并振荡产生软启动信号S_S。

调节电路54电连接软启动电路53。

励磁驱动器55电连接调节电路54、及两端点F、G。

电源管理电路56电连接第一侦测电路51、第二侦测电路52、及软启动电路53，并通过端点B(即图4的端点B)电连接电池组20及发电机10。其中，在电源管理电路56接收到第一信号S₁时，端点B电压V_B供应至软启动电路53，以供软启动电路53产生软启动信号S_S，并经由调节电路54传送至励磁驱动器55，来供应发电机建立电压，此时，端点B电压V_B由电池组提供，且励磁驱动器55将软启动信号S_S传给发电机10的转子11建立电压。在电源管理电路56接收到第二信号S₂时，截止软启动电路53运作，此时软启动电路53不再产生软启动信号S_S，但端点B电压V_B仍供应至调节电路54，以控制励磁驱动器55。

调节电路54具有温度补偿器541及连接温度补偿器541的调节回路(regulationloop)542，温度补偿器541具有参考电压V_R，当调节回路542判断参考电压V_R大于端点B电压V_B时，调节回路542控制励磁驱动器55导通，当调节回路542判断参考电压V_R小于端点B电压V_B时，该调节回路542控制该励磁驱动器55截止。如此，发电机建立电压后，就可藉由调节电路54来控制发电机的运作。

关于发电机被起动的前、中、后的说明，之后以电路图详述。

图6是绘示图4中软启动电压调节器的电路图。如图6所示，电源管理电路56具有开关单元561、第一晶体管Q_S1、第二晶体管Q_S2及第三晶体管Q_S3，开关单元561是用以接收第一和第二信号S₁、S₂，及输出第一和第二信号S₁、S₂的其中一方。在此实施例中，开关单元561是具有第一二极管D₁及第二二极管D₂，第一二极管D₁的P接面电连接第一侦测电路51，第一二极管D₁的N接面连接第二二极管D₂的N接面，第二二极管D₂的P接面通过节点N3电连接第一侦测电路51及第二侦测电路52。第一晶体管Q_S1的基极B电连接第一晶体管D₁的N接面，第一晶体管Q_S1的射极E电连接至接地端，第一晶体管Q_S1的集极C电连接第二晶体管Q_S2的基极B，第二晶体管Q_S2的射极E电连接端点B，第二晶体管Q_S2的集极C通过节点N2电连接软启动电路53、调节电路54及电源管理电路56。第三晶体管Q_S3的基极B电连接节点N3，其射极E电连接至端点G，即接地端，其集极C电连接节点N2。

软启动电路53的电压调节器531例如是齐纳二极管，无稳态多谐振荡单元532具有输入端、输出端N4及接地端N5，输入端电连接节点N2，输出端N4电连接节点N6，节点N6电连接励磁驱动器55及调节电路54。在此实施例中，输出端N4输出讯号S_S至晶体管Q₁，通过晶体管Q₁控制Q4间歇性的开启或关闭。

调节电路54的温度补偿器541选用齐纳二极管。调节回路542具有两晶体管Q₂、Q₃。齐纳二极管的两端分别电连接晶体管Q₂的基极B及晶体管Q₃的射极E，晶体管Q₂的集极C电连接节点N6。

励磁驱动器55是以一个金属半场效晶体管(MOSFET)Q₁为例，金属半场效晶体管Q₄的漏极(drain)D连接端点F及飞轮二极管57，栅极(gate)G连接调节电路54，源极(source)S连接端点G。实务中，励磁驱动器55可以采用达灵顿电路或其他晶体管的组成。

在发电机被启动前，启动装置30还在截止状态，第一晶体管Q_S1及第二晶体管Q_S2也都属于截止状态，以隔离端点B电压，即电池组的电能，并避免汽车在熄火状态消耗电池组的电能，来达到趋近零漏电流(1eakagecurrent)的目的。

在发电机被启动过程中，第一侦测电路51侦测到启动装置30被导通，而输出第一信号S₁至开关单元561，使第一晶体管Q_S1导通，而使端点B的电压V_B经由第二晶体管Q_S2的射-集极(E-C)供应给软启动电路53。如此，电压调节器531就会接收电压V_B并调节成稳定的操作电压V_D，以供应无稳态多谐振荡单元532产生振荡，而输出软启动信号S_S至励磁驱动器55，此时，励磁驱动器55会被导通而输出软启动信号S_S至端点F，供发电机的转子建立电压。

在发电机10建立电压后，汽车的发电机已经可以提供汽车所需的电力，第二侦测电路52侦测到发电机的电压相位S_P，而输出第二信号S₂至第三晶体管Q_S3的基极B，第三晶体管Q_S3的基-射极(B-E)导通，而使操作电压V_D被拉低，进而截止软启动电路53。如此，在发电机建立电压后，软启动电路53就被截止而停止运作。

另外，第二侦测电路52也会输出第二信号S₂至电源管理电路56的开关单元561，而使端点B的电压V_B能通过第二晶体管Q_S2的射-集极(E-C)传送至调节电路54，此时，调节电路54就会开始运作。调节回路542的两晶体管Q₂、Q₃会接收到由端点B的电压V_B，以使晶体管Q₃导通，且温度补偿器541建立参考电压V_R，现在电压V_B会大于参考电压V_R，如此，晶体管Q₂也会被导通，使得金属半场效晶体管Q₄导通的栅-源极(G-S)被短路，而被截止，如此，励磁驱动器56就被截止。另外，随着转子的电能降低，使得电压V_B也会逐渐降低，这样，电压V_B就会小于参考电压V_R，使晶体管Q₂截止，而金属半场效晶体管Q₄再次被导通，来对发电机的转子进行励磁。

软启动电压调节器50还包括飞轮二极管57电连接端点B及励磁驱动器55。当金属半场效晶体管Q₄被截止时，发电机的转子借由飞轮二极管57进行释能。

特别地，若汽车在运行中发生端点IG或L脱落时，本发明仍可供应电压V_B给电源管理电路56、调节电路54及励磁驱动器55，以避免汽车在运行中因为端点IG或L脱落而瞬间失去电力。

图7是绘示晶体管式无稳态多谐振荡单元的电路图。其中，无稳态多谐振荡单元532具有两晶体管Q₅、Q₆、第一电阻电容组533及第二电阻电容组534，两晶体管Q₅、Q₆的射极E分别接地(即节点N5)，晶体管Q₅的基极B连接第二电阻电容组534，晶体管Q₅的集极C连接节点N4。晶体管Q₆的基极B连接第一电阻电容组533，晶体管Q₆的集极C连接第二电阻电容组534。第一及第二电阻电容组533、534连接节点N2，以接收操作电压V_D，如此，无稳态多谐振荡单元532会振荡并输出软启动信号S_S，来达到预励磁软启动的目的。特别地，本发明可通过调整第一及第二电阻电容组533、534中的电容值C₁、C₂，来控制软启动信号的占空比(dutycycle)，或通过调整电阻值R₁～R₄来控制占空比，因此，本发明可通过控制第一及第二电阻电容组中的被动元件(即电容C₁、C₂或电阻R₁～R₄)来获得12～35％的占空比。

图8和图9是分别绘示另两种无稳态多谐振荡单元的电路图，这两种无稳态多谐振荡单元可替换图6中的无稳态多谐振荡单元。

如图8所示，无稳态多谐振荡单元532a采用两个反相器(Notgate)535、536及两电容C₃、C₄，其中一电容C₃串接在其中一反相器535的输入端及另一反相器536的输出端，另一电容C₄被串接在其中一反相器535的输出端及另一反相器536的输入端，两反相器535、536分别电连接节点N2及N5，用以接收操作电压V_D及接地，反相器535的输出端电连接节点N4，即励磁驱动器55。

如图9所示，无稳态多谐振荡单元532b具有运算放大器537、第一电阻R₅、第二电阻R₆、第三电阻R₇及电容C₅，运算放大器537分别连接节点N2及N5，用以接收操作电压V_D及接地。第一电阻R₅分别连接运算放大器537的正相输入端及输出端，第二电阻R₆连接于运算放大器537的正相输入端及节点N5之间，第三电阻R₇连接于运算放大器537的反相输入端及输出端之间，电容C₅连接于反相输入端及节点N5之间。其中，运算放大器537的输出端连接励磁控制电路55，即节点N4。

上述的两种无稳态多谐振荡单元532a、532b也可以通过改变其中被动元件的电容值或电阻值来达到控制软启动信号的占空比。

图10是绘示另一软启动电压调节器的方块图。相较于图5，图10中的励磁驱动器55a电连接在端点B、F之间，飞轮二极管57a电连接在端点F、G之间，其运作方式与上述实施例相似，在此不再多加说明。在此实施例中，励磁驱动器55a及飞轮二极管57a也可以如图10中的配置，所以不以图5所绘为限制。

相较于现有技术，本发明采用分离元件，即主动元件和被动元件的组合，分离元件可达到无漏电流，并且，只需调整被动元件即可获得12～35％占空比的弹性设计空间，可以容易地满足不同客户需求，成本低、可适用范围大。此外，本发明的软启动电压调节器可应用于严苛的环境，例如最大耐受温度达摄氏150度，这也比集成电路的耐受温度更佳。

Claims (10)

1.一种软启动电路，具有电压调节器和与所述电压调节器电连接的无稳态多谐振荡单元，

所述无稳态多谐振荡单元具有输入端、输出端及接地端，

所述电压调节器用以提供操作电压，

所述无稳态多谐振荡单元用以接收所述操作电压，且振荡产生软启动信号并通过所述输出端输出，

所述软启动电路的特征在于，

所述无稳态多谐振荡单元的输出端电连接调节电路和励磁驱动器，使所述软启动信号经由所述调节电路传送至所述励磁驱动器，来供应发电机建立电压。

2.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，

所述无稳态多谐振荡单元具有两晶体管、以及第一电阻电容组和第二电阻电容组，

所述两晶体管的射极分别被接地，其中一晶体管的基极连接在所述第二电阻电容组，该一晶体管的集极连接所述第一电阻电容组及所述无稳态多谐振荡单元的输出端，另一晶体管的基极连接所述第一电阻电容组，该另一晶体管的集极连接所述第二电阻电容组，

所述第一和第二电阻电容组用以接收所述操作电压。

3.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，

所述无稳态多谐振荡单元具有两反相器及两电容，

所述两反相器用以接收所述操作电压，

所述两电容中的一电容串接在所述两反相器中的一反相器的输入端及另一反相器的输出端，另一电容串接在所述一反相器的输出端及所述另一反相器的输入端，其中，所述无稳态多谐振荡单元的输出端连接在所述一反相器的输出端。

4.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，

所述无稳态多谐振荡单元具有运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及电容，

所述运算放大器用以接收所述操作电压，

所述第一电阻分别连接在所述运算放大器的正相输入端及输出端，

所述第二电阻连接在所述运算放大器的正相输入端及接地端，

所述第三电阻连接在所述运算放大器的反相输入端及输出端，

所述电容连接在所述反相输入端及接地端，其中，所述运算放大器的输出端连接在所述无稳态多谐振荡单元的输出端。

5.一种软启动电压调节器，与发电机、电池组及启动装置电连接，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的软启动电路；

第一侦测电路，其用以侦测所述启动装置，且在所述启动装置被启动时产生第一信号；

第二侦测电路，其用以侦测所述发电机，且在所述发电机建立电压后产生第二信号；

调节电路，其与所述软启动电路电连接；

励磁驱动器，其连接在所述调节电路，以及

电源管理电路，其与所述第一侦测电路、所述第二侦测电路及所述软启动电路电连接，且具有电源端，所述电源端连接在所述电池组及所述发电机；其中，在所述电源管理电路接收到所述第一信号时，所述电源端的电压供应至所述软启动电路，以供所述软启动电路产生软启动信号，并经由所述调节电路传送至所述励磁驱动器，来供应所述发电机建立电压；在所述电源管理电路接收到所述第二信号时，所述电源管理电路根据所述第二信号截止所述软启动电路运作，且所述电源端的电压供应至所述调节电路，以控制所述励磁驱动器。

6.如权利要求5所述的软启动电压调节器，其特征在于，

所述调节电路具有温度补偿器及与所述温度补偿器连接的调节回路，

所述温度补偿器具有参考电压，

当所述调节回路判断所述参考电压大于所述电源管理电路的电源端电压时，所述调节回路控制所述励磁驱动器导通，当所述调节回路判断所述参考电压小于所述电源管理电路的电源端电压时，所述调节回路控制所述励磁驱动器截止。

7.如权利要求5所述的软启动电压调节器，其特征在于，

所述电源管理电路具有开关单元、第一晶体管、第二晶体管及第三晶体管，

所述开关单元与所述第一和第二侦测电路电连接，且用以接收所述第一和第二信号，

所述第一晶体管的基极电连接在所述开关单元，所述第一晶体管的射极被接地，所述第一晶体管的集极电连接在所述第二晶体管的基极，

所述第二晶体管的射极用以接收所述电池组的电压，所述第二晶体管的集极电连接在所述软启动电路及所述调节电路，

所述第三晶体管的基极电连接所述第二侦测电路，且用以接收所述第二信号，所述第三晶体管的射极电连接至接地端，所述第三晶体管的集极电连接在所述软启动电路。

8.如权利要求5所述的软启动电压调节器，其特征在于，还包括飞轮二极管，所述飞轮二极管与所述励磁驱动器及所述电源管理电路电连接。

9.如权利要求5所述的软启动电压调节器，其特征在于，还包括飞轮二极管，所述飞轮二极管与所述励磁驱动器电连接。

10.一种应用于运载工具的发电机电压调节系统，其至少包括权利要求5的软启动电压调节器。