CN1069765C - 电压平衡电路 - Google Patents
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Abstract
一种电压平衡电路和方法，用于从一个单一的直流电源向一个赋予电源一个正极性负载和一个负极性负载的电路，例如集成电路，提供电能，尽管负载的大小发生变化仍能保证正极性负载电压和负极性负载电压的大小保持基本相等。一个分压器电路提供了一个等于总电源电压一半的基准电压。每个正极性和负极性负载的两端提供有电容器。
Description
本发明涉及一种功率平衡电路，特别是涉及从一单独的一电源向一个正极性负载和一个负极性负载提供直流电能的方法和装置，以便保证即使通过每个正极性和负极性负载使施加在电源上的负荷量发生改变仍能使加于正极性和负极性负载的电压的大小保持相等。
为了正常运行，在集成电路中需要有正电源和负电源是已知的。但是一些集成电路从内部产生正和负电源，所以仅需要一个单一的外部电源。为了保证正和负内部电源具有相同的大小，需要有一个电压平衡电路。例如，运算放大器就需要有正和负电源。如果电源电压不平衡，输出的偏移电压可能对运算放大器运行的精确性造成相应的损失。
因此，本发明的一个首要目的是提供一种电压平衡电路，其用于从一个单一电源向一个正极性负载和一个负极性负载提供电能，同时能保证分别加于正极性和负极性负载的电压的大小保持基本相等。在本说明书中，我们假设直流电源具有第一和第二电源端子，并提供一个跨接于那些端子间的电源电压。如图1所示，正极性负载和负极性负载串联连接并跨接在电源端子之间。在正极性负载和负极性负载中间的公共结点接地。
根据本发明的电压平衡电路包括：一个跨接在电源端子之间的基准电压电路，以提供一个等于总电源电压一半的基准电压。具有相等电容值的第一和第二电容器串联配置并跨接在电源端子之间。第一和第二电容器中间的公共的结点接地。因此可以看出，第一和第二电容器分别与正极性负载和负极性负载并联配置。一个放大器用来把电容器公共接地结点电压与基准电压相比较，以提供一个响应于接地电压和基准电压之间差值的误差信号。最后，设置一个响应该误差信号的放大器，用来驱使地结点电压向基准电压靠近，以便在接地电压与基准电压相等时，使误差信号减至最小。换言之，就是通过调节接地电压电平，使得它总是位于电源端子电压的中点，那么加在正极性负载和负极性负载上的电压的大小将保持基本相等。
在一个优选实施例中，基准电压是由电阻分压器电路确定的。接地电压和基准电压是利用一个运算放大器进行比较的。放大器装置响应误差信号驱使接地电压向基准电压靠近其最好是象一个双极晶体管那样地工作。如同以下将要说明的那样，只要相应地改变电路，NPN型或PNP型晶体管都是可以使用的。
除此之外，可以使用齐纳二极管箝制正极性和负极性负载电压，使它们不会超过预定的齐纳电压。
通过参考附图，对一个优选实施例的详细说明，本发明的上述和其它目的，特征和优点将更为清楚。
图1是根据本发明的功率平衡电路的一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的另一个实施例的示意图；
图3是根据本发明的又一个实施例的示意图。
图4是如图1所示型式的一个电压平衡电路工作电压曲线图。
参考图1，展示了一个在一种典型应用中的根据本发明的电压平衡电路20。该电压平衡电路20连接于一个电源10和一个负载电路30。负载电路30包括：一个连接在第一电源端子和接地点之间的正极性负载31，和一连接在第二电源端子和接地点之间的负极性负载32。由串联连接并跨接在电源端子之间的电阻R1和R2组成的分压器电路提供了一个基准电压VREF。电容器C1和C2也串联连接并跨接在电源端子之间。电容器C1和C2具有相等的电容值。电容器C1和C2之间的公共结点接地。
电源电路10提供标称电压Vdc和具有一个以R1表示的内阻。具有较高正电压的第一电源端子标为(+)，具有较低电压的第二电源端子标为(-)。运算放大器21有一个连接于VREF的同相(+)输入端，和一个连接于电容器C1和C2中间接地结点的反相(-)输入端。运算放大器的输出端经过电阻R3连接于PNP型晶体管TR1的基极。晶体管TR1的发射极连接于电容器C1和C2中间的接地结点，晶体管TR1的集电极经过电阻R4连接于第二电源端子。
在图1的电路工作时，电阻分压器R1，R2提供了一个存在于(+)和(-)电源端子之间的等于总电源电压一半的恒定的VREF。运算放大器21将VREF与接地结点电压相比较，并且在它们之间存在差别时，在运算放大器的终端产生一个误差信号。该误差信号被加到晶体管TR1的基极(经过电阻R3)，并控制晶体管以驱使接地结点电压向基准电压靠近。例如，如果接地结点电压上升到高于基准电压时，误差信号电压将降低，因而使晶体管TR1导通。导通的TR1将通过电阻R4提供电流，并驱使接地结点电压降低。降低接地结点电压包括在提高C1两端的电压的同时降低C2两端的电压。
反之，当接地电压降低至低于基准电压VREF时，误差信号电压将升高，晶体管TR1倾向于关闭，并因此提高接地结点电压。当接地电压实际上与基准电压相等时，误差信号将减至最小。由于基准电压实际上等于总电源电压的一半，其将保证加于正极性负载31两端的第一电压的大小保持与加于负极性负载32两端的第二电压基本相等。
图2说明了本发明的第二个实施例。除增加分别与电容器C1和C2并联连接的第一和第二齐纳二极管D1和D2以外，图2与图1是一样的。每个齐纳二极管箝制着对应的电容器电压，使其不能超过一个预定的界限，即对应齐纳二极管的齐纳电压。因此齐纳二极管可以用来箝制正极性负载和负极性负载电压中的一个或是二者，使它们不超过预定的最大值。齐纳电压不必是相同的。由于电容器C1和C2是相同的，如果齐纳二极管D1和D2的主要目的是要防止电容器过载，那么它们很可能是一样的。在另一方面，在不必考虑电容器击穿的情况下，齐纳二极管可以被用来在电源过压情况下保护负载。
图3展示了本发明的另一个实施例，其中用NPN型晶体管TR2作为误差放大器，而不象图1和图2中的电路那样使用PNP型晶体管。NPN型晶体管TR2具有经过限流电阻R4连接到电容器公共接地结点的集电极端子。TR2的发射极端子连接在第二(-)电源端子上。本电路的工作与前面描述的是基本上相同的。
图4是说明图1和图2的电压平衡电路工作的电压曲线图。在图4中，V代表电源10提供的总电源电压。V1代表加于正极性负载31的电压，V2代表加于负极性负载32的电压。在图中可以看到尽管电源电压V随时间有很大的变化，正极性负载电压V1和负极性负载电压V2仍保持了基本相等的大小。
鉴于上述的说明，熟悉本领域的技术人员会明白可以对优选实施例进行各种的改变。例如，用于确定基准电压的装置并不象所说明的那样仅限于无源分压器。也可以使用其它的分压器电路，包括用其它替代阻抗元件取代电阻。可以用其它的差分放大器来提供运算放大器21的比较器功能。此外，可以使用其它类型的压控电流源替代双极晶体管用来响应误差信号，调节接地结点电压。
在一个优选的实施例中展示和描述了本发明的原则，熟悉本领域的技术人员应当懂得可以对本发明的装置和细节进行修改而不偏离这些原则。因此在本发明权利要求的构思和范围内作出的全部修改均应包括在本发明的权利要求中。
Claims (19)
1、一种电压平衡电路，其用于从一个具有第一和第二电源端子的单一电源向一个正极性负载和一个负极性负载提供电能，该电源提供了端子之间的电源电压，其特征在于：
该串联连接的正极性负载和负极性负载跨接在电源端子之间，并具有一个在正极性负载和负极性负载中间的公共接地结点，
该电压平衡电路包括：
基准电压装置，其用于提供一个等于电源电压一半的基准电压；
第一和第二电容器，其串联配置在电源端子之间，第一和第二电容器具有相同的电容值，并具有在第一和第二电容器中间接地的公共电容器结点；
将公共电容器结点电压与基准电压进行比较并提供一个响应于电容器公共结点电压与基准电压之间差值的误差信号的装置；和
响应于误差信号的放大器装置，其用于驱使电容器公共结点接地电压向基准电压靠近，以便在接地电压等于基准电压时把误差信号降低到最小，因而保证了加于正极性负载的第一电压和加于负极性负载的第二电压的大小保持基本相等。
2、如权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，基准电压装置包括：串联配置在电源端子之间的第一和第二阻抗元件，第一和第二阻抗元件具有相等的阻抗值并用来在第一和第二阻抗元件中间的一个基准电压结点上提供基准电压。
3、如权利要求2所述的电压平衡电路，其特征在于，第一和第二阻抗元件包括相等阻值的电阻器。
4、如权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，比较装置包括：一个运算放大器，该运算放大器具有一个连接于电容器公共结点的第一输入端，一个连接于基准电压的第二输入端和一个连接于放大器装置以便提供误差信号的输出端。
5、如权利要求4所述的电压平衡电路，其特征在于，所述第一输入端是同相输入端，所述第二输入端是反相输入端。
6、如权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，放大器装置包括：一个压控电流源，用来控制电容器公共接地结点和选定的一个电源端子之间的响应于误差信号的电流。
7、如权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于，放大器装置包括：配置一个用来控制电容器公共接地结点和选定的一个电源端子之间的电流的晶体管，该晶体管具有一个连接于接收误差信号的控制端。
8、如权利要求7所述的电压平衡电路，其特征在于，比较装置包括一个具有一个连接于电容器公共结点的第一输入端，一个连接于基准电压的第二输入端，和一个连接于放大器装置用于提供误差信号的输出端的运算放大器；
该放大器装置包括：一个设置在电容器公共结点和选定的一个电源端子之间的晶体管，该晶体管具有一个连接于运算放大器输出端的基极端子用来控制晶体管响应于误差信号。
9、如权利要求6所述的电压平衡电路，其特征在于，第二电容器设置在接地点和第二电源端子之间，该晶体管是一个PNP型晶体管，它具有一个连接于接地结点的发射极端子和一个连接于第二电源端子的集电极端子，用来控制第二电容器的充电和放电，因而调节了响应误差信号的接地电压。
10、如权利要求6所述的电压平衡电路，其特征在于，进一步包括一个电压箝位装置，用来箝制第一和第二电压，以便使其不超过一个预定的电压。
11、如权利要求10所述的电压平衡电路，其特征在于，该电压箝位装置包括与第一和第二电容器分别并联配置的第一和第二齐纳二极管。
12、如权利要求8所述的电压平衡电路，其特征在于，第二电容器设置在接地点和第二电源端子之间，该晶体管是一个NPN型晶体管，它具有一个连接于接地结点的集电极端子和一个连接于第二电源端子的发射极端子，用于第一和第二电容器的充电和放电，因而调节了响应于误差信号的接地电压。
13、如权利要求1-12中任一项所述的电压平衡电路，其特征在于，向其提供电能的正极性负载和负极性负载存在于一集成电路中。
14、一种从一个单一电源向一个正极性负载和一个负极性负载提供直流电能的方法，使加于正极性负载的第一电压和加于负极性负载的第二电压的大小保持基本相等，其特征在于：
该电源具有第一和第二端子，其间存在着一个电源电压，第一端子具有相对于第二端子较高的电压，该方法包括如下步骤：
将正极性负载配置在第一电源端子和一个接地结点之间；
将负极性负载配置在第二电源端子和该接地结点之间；
确定一个等于电源电压一半的基准电压；
将接地结点电压与基准电压相比较；和
按需要调节接地电压以便维持其基本上等于基准电压，因此平衡了加于正极性负载的第一电压和加于负极性负载的第二电压。
15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括提供分别跨接在正极性和负极性负载两端的相等电容值的第一和第二电容器，并且其中所述调节接地电压的步骤包括使一个所述的电容器充电和使另一个所述的电容器放电。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述确定基准电压的步骤包括提供一个跨接在电源两端的无源分压器。
17、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的将接地结点电压与基准电压相比较的步骤包括提供一个具有连接于接收接地结点电压的第一输入端和连接于接收基准电压的第二输入端以及提供误差电压的输出端的差分放大器。
18、如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括箝制加于正极性负载的第一电压，使其不能超过一个预定的电压。
19、如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括箝制加于正极性负载的第一电压和加于负极性负载的第二电压，使两个电压都不能超过一个预定的电压。
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20010815 Termination date: 20120427 |