CN1043929C - 跟踪式运行/辅助电源 - Google Patents

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Abstract

第一稳压器给第一可变负荷以第一电压电平供电，并产生随第一可变负荷变化的第一控制电流。基准电压电平电源与第一稳压器相连接，以确定第一电压电平，所述基准电压电平为第一控制电流所偏置。第二稳压器给第二或变负荷以第二电压电平供电，并产生随所述第二可变负荷变化的第二控制电流。基准电压电平的电源也与第二稳压器连接，供确定第二电压电平，基准电压电平也为第二控制电流所偏置。第一和第二稳压电平各自跟踪第一和第二稳压电平中另一个的变化。

Description

跟踪式运行/辅助电源
本发明涉及电视设备以及诸如此类的设备的稳压电源，这种稳压电源无论负荷如何变化各个都必须能在基本上同样的稳压电平下给不同的负荷供电。
电视机、盒式磁带录象机和诸如此类的设备(这里通称为电视设备)往往具有一些在电视设备关断时必须仍然处于供电状态的电路，例如，即时接通电路，同步脉冲发生器和定时器，能通/断切换电源、具有复杂的控制或调谐功能、数字存储器和诸如此类器件的遥控器等等。这些元件在每当电视设备耦接交流电源时通常都处于供电状态。
在运行状态下，电视设备可从水平偏转电路和回扫变压器得到供电，两者在水平扫描的过程中都是工作的。为在不扫描时(即处于辅助状态时)给辅助负荷供电，配备有辅助电源。这也可以采用切换式电源，这种电源可以在运行和辅助状态之间切换，满足在辅助和运行状态下不同的电流需求量。
辅助电源通常是不切换的，具有一个变压器，变压器的初级绕组耦接设备的电源插头，次级绕组耦接诸如全波整流电桥之类的整流器的输入端子。整流器的输出端子耦接存储电容器或滤波电容器，该电容器则按变压器的匝数比充电到与交流电源的非稳压相关的电压电平。滤波电容器接有稳压器，由该稳压器对加到那些始终处于供电状态的负荷(即辅助负荷)的供电电压进行稳压。
辅助负荷往往是一些控制电路，可包括象微处理器、随机存取存储器和诸如此类器件的集成电路。可以配备遥控接收器来经常监控启动信号，以便从辅助状态切换到运行状态。切换到运行状态时，可以切断备用电源或切断全部或部分来自辅助电源的电流。但有许多电视设备采用辅助电源在运行状态和辅助状态下都给辅助负荷供电。在这种情况下，运行状态负荷(即在辅助状态下得不到供电的负荷)由一个或多个独立的电源供电，例如，由一个与水平偏转电路有关的切换式电源供电。
为减少不必要的功率消耗和降低所需各元件的成本(特别是辅助电源变压器的成本)，同时也为了减小作用到辅助电源各元件的应力，总希望能最大限度地减少辅助电源所供电的负荷的数量。在辅助状态下无需供电的控制电路由运行电源供电。然而，给某些控制电路和其它的控制电路提供不同的电源有问题，因为这些分别供电的控制电路彼此相连接。运行状态和辅助状态下使用的控制电路在运行状态下通过公用的信号线彼此连通。这里需要使运行中和辅助的稳压电压基本上保持相等。然而这样做可是个复杂的问题，因为辅助电源和运行电源的负荷情况变化很大。
辅助电源(例如直流5伏)可能只需要供应40毫安的电流。运行电源在同样的电压下可能需要供应高达1安培的电流。目前给运行电源和辅助电源保持相等的稳压电压的已知方案有这样的基本问题即运行电源的稳压晶体管其基极/发射极电压的变化幅度在200毫伏的数量级。
象CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路之类的控制电路适合开关特性要求快速、长期性能要求可靠的用途。大规模CMOS集成电路特别是电视设备的微处理器控制目前得到广泛的应用。CMOS电路有这样的特性，即当共同连接的电路是由不同的电源供电时，各电源稳压方面的要求就变得非常高。CMOS电路由于超过过其对集成电路的VDD电源与加到集成电路各输入端的电大电压之间差值的容许极限就会产生叫做SCR(可控硅整流器)的自锁问题。发生SCR自锁的原因在于在公用通路上加到第一集成电路的电源电压在其输出端产生超过加到输入端接第一集成电路输出端的第二集成电路的电源电压所致。一个电路如果其某些集成电路接辅助电源，其它集成电路接运行电源，其中各输入和输出信号线通过例如联络(communication)总线连接，则需要采取某些指施来确保电源电压相等。
生产中的大多数CMOS集成电路规定插脚的最大输入电压为VDD+0.3伏，以保证各集成电路按规定运行。大于VDD+0.3伏时，未受保护的(unguarded)各触发器、RAM(随机存取存储器)存储元件和其它集成功能元件(integrated functions)可能会改变状态，使工作不正常，或可能发生SCR自锁，从而使受影响的电路不能进一步工作，直到电源被切断为止。
各元件和条件改变时，就不能指望一般稳压器与标称输出电压匹配，或即使可借助于电位计等手动加以调节地也不能永远保持标称输出电压达到所要求的容限。一般串联稳压器采用一个串联功率晶体管，晶体管的集电极接未稳压的输入端，基极接一个反向偏置的齐纳二极管，且经一个电阻器接未稳压的输入端。齐纳二极管两端的电压形成与基极/发射极压降一起确定功率晶体管发射极上的经稳压的输出电压的基准电压。假设两个CMOS集成电路分别由5伏运行电源和5伏辅助电源驱动，且假设两者的齐纳二极管的最大容限为5％，则其中一个电源可调节到5.25伏，另一个电源可调节到4.75伏。两者之差，即0.5伏，足以违反最大输出电压为VDD+0.3伏这个规则。
可以利用其中一个电源的稳压电平去影响另一个电源的稳压过程。制造装有这两种电源的设备时，这类电路需要有电位计来确定两个电源之间的耦接。电位计可能会较贵。此外，两个稳压器之间的最佳关系还会受这个或那个电源电流负荷的影响。在串联稳压电源的电流负荷增加的情况下，稳压器中串联调整(seriespass)晶体管的基极/发射极电压增加。因此，电流负荷使串联调整晶体管的发射极电压(即稳压输出)与基极之间产生与负荷有关的变化，而串联调整晶体管一般耦接一个具有基准电压电平的电源。
温度漂移容限和齐纳标称容限这两个因素一起起作用时，可轻易地将稳压电源调节10％。此外，齐纳二极管所确定的基准电压电平能随偏置齐纳二极管的电流的大小而变化。基准电压电平会随偏置电流的下降而下降。以采用标称电压为5伏的供电电压为例，接较低电源电压的CMOS电路的输入由接较高电源电压的CMOS电路的输出驱动时，上述输入电压可能会超过较低的VDD1伏。如果进一步考虑运行电源稳压器的基极/发射极电压中因负荷引起的变化而引起的各种变化，则不正常运行(例如SCR自锁)的风险是个严重的问题。
上述问题是用这样一种电源系统解决的，该电源系统包括：一个第一稳压器，用来以第一电压电平给第一可调节的负荷供电，并产生随第一可变负荷而变化的控制电流；以及一个基准电压电平电源，接第一稳压器，供确定第一电压电平之用，基准电压电平由第一控制电流偏置。第二稳压器以第二电压电平给第二可变负荷供电，并产生随第二可变负荷而变化的第二控制电流。基准电压电平电源也接第二稳压器供确定第二电压电平之用，基准电压电平也由第二控制电流偏置。因此，第一和第二稳压电平各自跟踪另一个第二或第一稳压电平。具体地说第二电压电平因第二可变负荷变化而变化时，第一电压电平跟踪第二电压电平的变化，与此同时，第一电压电平因第二可变负荷变化而变化时，第二电压电平跟踪第一电压电平。这样，在第一和第二负荷得到供电的过程中跟踪总是双向进行的。在电视设备中，举例说，第一稳压器只在运行工作状态过程中工作，第二稳压器则既在辅助工作状态过程中工作也在运行工作状态过程中工作。
第一和第二负荷可以是一类互连的集成电路，这些集成电路是那种各自的电源电压的差值超过容限值时会引起SCR自锁的集成电路。这种系统中的第一和第二稳压电平其彼此之间的差别不会大于容限值。
第一和第二稳压器可以有这样的特点，即它们包括相应的用以产生第一和第二控制电流的有源反馈电路。第一和第二稳压器也可具有这样的特点，即它们包括相应的比较器，这些比较器用以在第一和第二负荷变化时产生大小分别和基准电压级与第一和第二电压级之间的差值有关的控制电流。各稳压器也可以具有这样的特点，即在第一和第二负荷变化时通过可调节地改变流入各稳压器的相应输入电流的各部分的方向而产生相应的控制电流。基准电压电平电源可以包括一个齐纳二极管，基准电压电平随第一和第二控制电流之和而改变。
图1是本发明应用于电视的简化原理图。
图2是表示辅助电源和运行电源与各负荷之间的关系的原理方框图。
图3是示出辅助/运行稳压器另一个实施例的局部原理图。
图1中，电视设备由交流电源供电，一般用导线连接到插头22上，插头22再插入墙上始终带电的电源插座中。当电视机已“关机”即不接收信号或不显示出信号时，电视设备的某些元件仍然通过辅助电源30由交流电源供电。仍然处于辅助状态下接受供电的电路有例如即时接通电路，时钟脉冲发生器和定时器，能通/断切换电源具有复杂的控制或调谐功能、易失性数字存储器等的遥控器等，当然不限于这些。为了说明起见，这类电路在图1中用辅助负荷32表示，辅助负荷32包括对遥控器44起反应的红外接收器42。上述电路在运行状态下也得到供电，但按照本发明，这些电路系分隔成辅助负荷和运行负荷，前者由辅助稳压器45供电，后者由单独的运行稳压器55供电。
每当电视设备耦接有效交流电源，总设有用以产生未稳压的直流备用电压V1的装置，同时辅助稳压器45接未稳压的直流辅助电压V1，工作时产生经稳压的辅助电压VSTBY。具体的稳定电压例如可以取直流5伏，这适宜于功率CMOS集成电路。辅助变压器60的初级绕组62跨接交流电源，次级绕组64接象全波桥式整流器66之类的整流器。此外，还可以装有熔丝、扼流圈、限流电阻器等等，但为避免图面复杂化，图中没有画出这些元件。桥式整流器66的全波整流输出加到滤波电容器68上，该电容器充电到未稳压的电压值V1。该电压比所要求的稳定电压值略高一些，从而提高足够的稳压范围。为获取经稳压的5伏输出电压，V1可以取例如12伏至16伏。
未稳压的电压V1加到辅助稳压器45的串联调整晶体管72的集电极。晶体管72由串联连接的反馈或控制晶体管74和齐纳二极管80控制，传导足以使其发射极的电压维持在所要求的输出电平的电流。齐纳二极管80是基准电压电平Vz的电源。反馈或控制晶体管74的基极经反馈电阻器82接稳压输出端VSTBY。反馈或控制晶体管74的集电极接串联调整晶体管72的基极和电阻器84，电阻器64给电路提供偏压，从未稳压的电源电压提供电流。滤波电容器86连接在反馈晶体管74的基极与地之间。
反馈控制晶体管74的发射极耦接反向偏置的齐纳二极管80的阳极，齐纳二极管80的阴极接地。齐纳二极管在反向击穿电压下的电流/电压特性曲线很陡。因此，齐纳二极管80大致上确定了保持在串联调整晶体管72发射极处的稳压电压。但控制或反馈晶体管74通过反馈在稳压输出端的实际电平改善稳压情况，降低稳压器对可能会使串联调整晶体管72的基极/发射极电压产生相应变化的电流负荷变化的敏感程度。晶体管74所产生的控制电流I1偏置了齐纳二极管80的基准电压电平。
此外还设有为运行稳压器产生未稳压的电压的装置，在从辅助状态变为运行状态时起作用。产生未稳压的运行电压可以有多种方法。举例说，象切换式电源100那样的电源可以切换成使其只在运行状态下提供某些输出，即其某些输出VA、VB、VC在辅助状态下不起作用，这些输出就可用作未稳压的运行电压。
在图1所示的实施例中，未经稳压的电压获自回扫变压器106，变压器106只在水平偏转过程中起作用。此外还可以从“辅助”电源提取电流输入到运行状态稳压器，只要被切换的装置可用来使这种电流的提取在辅助状态下不起作用即可。本发明适用于任何只在运行状态使用且可调节到较低的电压的电压源。
交流电源接第二桥式整流器102，整流器102的输出端接滤波电容器104，电容器104充电到B+电压。该电压耦合到回扫变压器106的初级绕组，且每当电视机接交流电源时可按与未稳压的辅助电压同样的方式使用。但除非水平偏转电路起作用否则就不会从B+电源提取电流。
驱动水平偏转电路的水平振荡器和驱动电路150在转换到运行状态或辅助状态时分别起作用或不起作用。这种装置适宜提供运行状态电源，在这里只是举例说明而已。
从辅助转变成运行的辅助负荷输出加到水平振荡器和驱动电路150上，水平振荡器和驱动电路150有一个水平振荡器与适当的同步装置(图中未示出)相连接。水平振荡器驱动电路与水平输出晶体管152相连接，晶体管152连接在回扫变压器的初级绕组与地之间。按照所示的简化实施例，箝位二极管DC和回扫电容器CR接在水平输出晶体管152的集电极(也接到回扫变压器的初级绕组)与地之间。水平偏转线圈Y和扫描电容器C彼此串联连接且与水平输出晶体管并联连接。在水平扫描的过程中，扫描逆程脉冲、即回扫脉冲出现在回扫变压器的初级绕组和次级绕组108上。可采用各种不同的次级绕组，用于不同的用途，例如提供高压输出U，和按需要提供在不同电压电平下的未稳压运行状态电压。
对遥控器起反应的辅助负荷工作时(在运行状态下)可接通水平偏转电路，(在辅助状态下)可断开水平偏转电路。未稳压的直流运行电压取自回扫变压器的其中一个次级绕组108。次级绕组108接整流器，图中以串联的二极管122表示，该整流器将滤波电容器124充电到未稳压的直流运行电压。运行稳压器55加有未稳压的直流运行电压V2，工作时能产生经稳压的运行电压VRUN。运行稳压器55与辅助稳压器45相类似，即有一个串联调整晶体管126，晶体管126的集电极加有未稳压的运行电压，晶体管126本身则传导足以维持其发射极处于所要求的输出电压电平的电流。串联调整晶体管126的基极接反馈或控制晶体管128和同一个齐纳二极管80，二极管80提供辅助稳压器45的基准电压。晶体管128所产生的控制电流也偏置齐纳二极管80的基准电压电平。反馈或控制晶体管128的基极经反馈电阻器132接稳压输出VRUN。反馈或控制晶体管128的集电极接串联调整晶体管126的基极和电阻器136，电阻器136给电路提供偏压，提供来自未稳压运行电源的电流。滤波电容器138连接在晶体管128的基极与地之间。
因此，运行和辅助稳压器的控制晶体管74、128的发射极都在求和节点、即在反向偏置齐纳二极管80的阳极连接在一起，二极管80的阴极接地。齐纳二极管80在反向击穿电压下的电流/电压特性曲线很陡。这样，齐纳二极管80基本上限定了保持在串级调整晶体管72、126两者发射极上的稳压电压。但两个控制或反馈晶体管74、128通过反馈在各稳压输出端的实际电压电平而改善稳压情况，并在使运行和辅助稳压输出电压彼此互相跟踪的同时适应电流负荷的变化。
图1中，辅助和运行负荷32、52可以看成两个集成电路，一个由稳压辅助电压VSTBY供电，另一个由稳压运行电压VRUN供电。辅助和运行负荷32、52由信号线142连接起来在运行状态下工作，即其中一个电路的至少一个输出端接另一个电路的至少一个输入端。另一方面，辅助稳压器45和运行稳压器55经过反馈通路相连接，这些反馈通路使辅助稳压器或运行稳压器所产生的稳压直流电压成为另一个稳压器稳压的因素，在运行状态下，稳压辅助电压和稳压运行电压彼此相互跟踪，且无论负荷如何变化仍然几乎相同。
从图2可以了解到跟踪式稳压器的工作情况，图2示出了图1的电源、稳压和负荷部分的方框图。未稳压的辅助和运行状态电源16、18耦接交流电源22，但可以使运行电源供电或不供电。运行电源可以是象图1那样的独立电源，也可以是仅仅由切换式电源的某输出端形成，例如，由切换式控制器操纵。未稳压输出V1和V2由辅助稳压器45和运行稳压器55进行稳压，以产生经稳压的电力供电给相应的辅助负荷32和运行负荷52，该两负荷由信号线142连接起来。跟踪是通过各基准输入端与两个稳压器连接在一起、特别是与同一个基准齐纳二极管80相连接而进行的。这给控制电流I和I提供了通路。由于联络负荷电路32、52是由相同的电压供电的，加到任一个电路的输入大致上不会超过其电源电压。各负荷电路仍然具有在运行状态下工作和在辅助状态下工作的功能，例如，通过使运行电源起作用而把辅助状态转换到运行状态。
图3举出了本发明的另一个实施例，示出了许多运行和辅助的电源电压，这些电源电压最好是为使各种负荷工作而产生的。图3示出了容限更高的一些稳压器，这些稳压器可以接入电路中代替图1中所示的各简化稳压器，其元件的特定值可以提供5.15伏±3％的标称值，辅助电源的负荷约为40毫安，运行电源的负荷可达1安。图中所示的运行电源和辅助电源其稳压输出在150毫伏内可彼此跟踪。
为简明起见，图3中没有示出本实施例中未经稳压的辅助电源电压和运行电压。该电路能满足运行状态和辅助状态下对电流的完全不同的要求。在运行状态下，辅助稳压器的16伏未稳压的标称辅助输入为16伏，但在辅助状态下，由于切换式电源控制器的作用可能使该输入降到12伏。这个电平仍然足以在运行状态和辅助状态下以适当精度提供5伏、12伏和4.6伏的稳压辅助电压。所示实施例中运行状态稳压器的电流实际上获自7.5伏辅助电源。但只在运行状态下出现的12伏未稳压运行电源经电阻器R00接晶体管Q07的基极，它根据是否有12伏运行电源存在而使运行稳压器的串联调整晶体管起作用或不起作用。串联调整晶体管Q00在运行状态下将7.5伏的辅助电源调节到5伏的运行电源电压，在辅助状态下则不导通。12伏和4.6伏辅助电压分别由反向偏置齐纳二极管CR09和CR02提供，CR02是提供5伏稳压辅助输出和5伏稳压运行输出的跟踪稳压器的基准齐纳二极管。齐纳二极管CR02的基准电压电平Vz会随加到其上的电流而变化。基准电压电平Vz在5毫安下为4.6伏，但在4.5毫安下会下降至4.5伏，在0.25毫安下则下降到4.0伏。二极管CR09经电阻器R01接至标称值为16伏的未稳压辅助电压，且还经电阻器R17接齐纳二极管CR02的阳极。电容器C08是较大的存储电容器，与齐纳二极管CR02并联连接。电容器C01和C14是滤波电容器，与4.6伏和12伏稳压输出并联连接。
在图3的实施例中，串联调整晶体管作为达林顿对管配置，小电阻R18、R19连接在与反馈晶体管Q11、Q10相连接的相应达林顿晶体管Q09、Q07的发射极与载有更大量电流的另一对达林顿管Q04、Q00基极之间。小电阻R18、R19起协助衰减高频噪声的作用，且防止可能有的振荡。接到运行稳压器达林顿对管的基极上的1微法电容器C15起协助滤除来自未稳压的12伏运行电源的噪声，未稳压的12伏运行电源通过电阻器R00给晶体管Q10提供电流。电流是从16伏辅助电源通过电阻器R02提供给辅助稳压器的。
功率器件Q00和Q04基极/发射极电压的变化是通过来自反馈晶体管Q11、Q10分别呈控制电流I1和I2的形式的反馈消除的。只有两个反馈晶体管Q11、Q10是造成因基极/发射极电压随负荷的变化而变化而引起的误差的原因之一。但反馈晶体管Q11、Q10的集电极/发射极电流小，且其值为相同的数量级。因此，稳压输出电压的变化量极小。
标称值16伏的未稳压辅助电源电压在辅助状态下会下降到大约12伏，在运行状态下为16伏，这是通过采用12伏的第二齐纳二极管CR09而加以控制的，以便调节加到4.6伏齐纳二极管CR02的电压。齐纳二极管CR02最好是2％的齐纳二极管。
在本发明的电路中，稳压运行电压和稳压辅助电压对各元件之间的几乎所有变化都是不敏感的。电源变化不会影响跟踪过程，只会使电压失调。变化量应小于2％，这是基准齐纳二极管CR02的容限值。在最坏的情况下，两个稳压电源电压在100毫伏至150毫伏范围内跟踪。

Claims (8)

1．一种电源系统，包括：
一个非切换式电压源(30)，在第一和第二工作状态期间受激励，
第一稳压装置(45)，由所述非切换式电压源激励，用以给第一可变负荷(32)以第一稳压电平(VSTBY)供电，并产生随所述第一可变负荷变化的第一控制电流(I1)；和
基准电压电平(Vz)形成部分(80)，与所述第一稳压装置(45)相连接，供确定所述第一稳压电平用，所述基准电压电平是由所述第一控制电流所偏置的；其特征在于：
一个仅在所述第二工作状态期间受激励的切换式电压源(106)，
第二稳压装置(55)，由所述切换式电压源激励，用以给第二可变负荷(52)以第二稳压电平(VRUN)供电，并产生随所述第二可变负荷变化的第二控制电流(I2)；
所述基准电压电平(Vz)形成部分(80)还与所述第二稳压装置(55)相连接，供确定所述第二稳压电平，所述基准电压电平(Vz)形成部分(80)也为所述第二控制电流所偏置，所述第一和第二稳压电平(VSTRY,VRUN)各自跟踪所述第一和第二稳压电平中另一个稳压电平的变化。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一工作状态对应于辅助状态，所述第二工作状态则对应于运行状态。
3．如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一稳压装置(45)和第二稳压装置(55)有各自的有源反馈电路(Q11,Q10)，供产生所述第一和第二控制电流之用。
4．如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二稳压装置(45,55)包括各自的比较器(Q11,Q10)，用以在所述第一和第二负荷(32,52)变化时分别产生所述大小与所述基准电压电平(V)和所述第一及第二稳压电平(VSTBY,VRUN)之间的差值有关的控制电流(I1,I2)。
5．如权利要求1所述的系统，其特征在于，各所述稳压装置(45,55)包括装置(Q11,Q10)，用以在所述第一和第二负荷(32,52)变化时可调节地改变流入所述稳压装置的各输入电流各部分的方向从而产生所述相应的控制电流(I1,I2)。
6．如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基准电压电平(Vz)形成部分(80)包括一个齐纳二极管(CRO2)，所述基准电压电平随所述第一和第二控制电流(I1,I2)之和而变化。
7．如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二负荷(32,52)是在所述第一和第二稳压装置所产生的所述稳压电平之间的差值超过某一容限值时经受可控硅整流器自锁效应的那一类互连集成电路，所述第一和第二稳压装置所产生的所述稳压电平彼此之间的差值在所述第二工作状态期间不大于所述容限值。
8．如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述基准电压电平(Vz)形成部分(80)在所述第一工作状态期间仅由所述第一控制电流(I1)偏置，而在第二工作状态期间则由所述第一和第二控制电流(I1、I2)偏置。
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