CN114545998B

CN114545998B - 一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路及实现方法

Info

Publication number: CN114545998B
Application number: CN202210447571.4A
Authority: CN
Inventors: 田培洪
Original assignee: CHENGDU SHIYUAN FREQUENCY CONTROL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHENGDU SHIYUAN FREQUENCY CONTROL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2042-04-27
Also published as: CN114545998A

Abstract

本发明公开了一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路及实现方法，主要用于保护恒温晶体振荡器中加热电路特别是加热功率晶体管不至烧毁，提高产品可靠性。该温度控制电路，包括热敏电桥，与热敏电桥相连的驱动电路，与驱动电路相连的加热电路，以及与加热电路相连的取样反馈电路。本发明可以使恒温晶体振荡器恒温加热控制电路状态，在完成高精度温度控制的同时，保证处于始终处于一种自适应保护状态，防止产品在应用实践中可能的上电误操作或是供电电压剧烈波动引起的加热功率电路元器件损坏失效，大大提高产品可靠性。因此，适宜推广应用。

Description

一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路及实现方法

技术领域

本发明属于恒温晶体振荡器技术领域，具体地说，是涉及一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路及实现方法。

背景技术

随着电子信息技术的高速发展，以恒温晶体振荡器（OCXO）和温补晶体振荡器（TCXO）为代表的高端晶振在电力系统、远程通信、GPS应用、遥感、航空航天、精密测试设备以及各类消费民用电子产品中，均有广泛应用。其中，恒温晶体振荡器是利用恒温槽使振荡器中晶体谐振器的温度保持恒定，将周围温度变化引起的振荡器输出频率变化削减到最小的晶体振荡器。相比与温补晶体振荡器而言，恒温晶体振荡器具有更优的频率精度和稳定性，是一种优秀的信号源，为仪器仪表、通信设备、雷达系统等众多电子设备提供基准频率信号,在这类电子设备中处于绝对的“心脏”地位。

恒温晶体振荡器主要由晶体振荡电路和恒温控制电路构成，恒温控制电路将晶体谐振器恒定在一定温度范围内，保证晶体振荡器输出频率的稳定性指标，在恒温晶体振荡器中起着非常关键的作用。控温电路失效将导致整个晶体振荡器电路性能急剧下降甚至失效。

目前大多数恒温晶振温度控制电路仅考虑了供电电压基本恒定情况下的最大加热电流控制，通常是采用限流电路限制最大加热电流。如图1所示的晶体管限流控温电路，利用晶体管Q100的BE极电压相对稳定的特性，调整功率晶体管Q101发射极电阻R106的值，可以限制最大加热电流Icc。现有美国专利US8981260B2和图1均采用了类似的技术手段。如图2所示，在该类温度控制电路中，当电源电压VCC升高时，虽然最大加热电流被有效限制，但加热功率管两端的压降增大，耗散功率增加，可能超过功率晶体管额定功率，出现失效风险。

中国专利CN103905036B和CN201869162U公布的温度控制电路中，在上电初期，驱动功率晶体管的运算放大器输出端为低电平，加热功率管按设定的最大加热电流工作，当供电电压增加时，流过加热功率晶体管和限流电阻的最大加热电流会随着电源电压升高而升高，如图3所示，加热功率管和电流电阻上耗散的功率（加热电流和电源电压的乘积）显著增加，当耗散功率大于器件额定功率，容易出现因功耗过大出现烧毁失效的风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路及实现方法，主要用于保护恒温晶体振荡器中加热电路特别是加热功率晶体管不至烧毁，提高产品可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路，包括热敏电桥，与热敏电桥相连的驱动电路，与驱动电路相连的加热电路，以及与加热电路相连的取样反馈电路；其中，所述取样反馈电路包括取样电阻R203、取样电阻R204、运算放大器N202、反馈电阻R201和开关晶体管Q200；所述取样电阻R203连接在加热电路和运算放大器N202正向输入端之间，运算放大器N202正向输入端通过取样电阻R204连接到电源供电端，运算放大器N202反向输入端接参考基准电压VREF，运算放大器N202的输出端通过电阻R201连接到开关晶体管Q200的基极；开关晶体管Q200的发射极接地，其集电极与加热电路相连；运算放大器N202的正电源端连接到电源供电端，运算放大器N202的负电源端接地。

进一步地，在本发明中，所述驱动电路由运算放大器N300、电阻R303、电阻R304、电容C300和电容C301构成；运算放大器N300正向输入端连接到热敏电桥的动态臂，运算放大器N300反向输入端通过电阻R303连接到热敏电桥的固定臂，电阻R304和电容C301串联后与电容C300并联，然后连接到运算放大器N300的输出端和反向输入端。

进一步地，在本发明中，所述加热电路由加热功率管Q201、限流电阻R202和偏置电阻R200构成；偏置电阻R200连接于运算放大器N300的输出端和加热功率管Q201的基极之间，限流电阻R202连接于加热功率管Q201的发射极和地之间；其中，所述取样反馈电路中的取样电阻R203一端与加热功率管Q201的发射极相连。

进一步地，在本发明中，所述热敏电桥由电阻R300、电阻R301、电阻R302和负温度系数热敏电阻RT300构成；热敏电阻RT300和电阻R300构成动态臂，其抽头连接到运算放大器N300正向输入端，固定电阻器R301、R302构成固定臂，其抽头通过电阻R303连接到运算放大器N300反向输入端。

进一步地，在本发明中，所述运算放大器N202的反向输入端还连接有分压电阻R205和分压电阻R206；所述分压电阻R205的另一端接参考基准电压VREF，所述分压电阻R206的另一端接地。

基于上述温度控制电路，本发明还提供了一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路的实现方法，包括如下步骤：

（S1）热敏电桥中的热敏电阻RT300作为温度传感器监测恒温晶体振荡器的温度；

（S2）驱动电路中的运算放大器N300将热敏电桥监测到的温度的电压信号进行放大，驱动加热功率管Q201，实现加热电流Icc控制；

（S3）流经加热功率管Q201的加热电流Icc与限流电阻R202的电流相同，加热电流Icc在限流电阻R202两端形成压降，电阻R203将取样电压送至运算放大器N202正向输入端，并将其与固定基准电压的误差放大，并通过反馈电阻R201反馈到开关晶体管Q200的基极，利用开关晶体管Q200导通特性控制加热功率管Q201的加热电流Icc；

（S4）当供电电压VCC上升时，通过取样电阻R204的反馈，运算放大器N200的正向输入端的电压上升，其输出到晶体管Q200基极的电压上升，从而降低加热功率管Q201基极电压，降低加热电流Icc，稳定加热功率管Q201耗散功率，避免加热功率管Q201在电源电压VCC上升时因其耗散功率增加超过极限引起失效的风险。

进一步地，在本发明中，在所述步骤（S3）中，通过调整运算放大器N202反向输入端的基准电压，实现调整最大加热电流的规定范围。

进一步地，在本发明中，在所述步骤（S4）中，当供电电压VCC急剧上升或是使用不当施加了一个过高的供电电压VCC或是应用中偶然的电压过冲时，运算放大器N202正向端电压高于反向端基准电压，运算放大器饱和输出高电平，致使晶体管Q200完全导通，加热功率管Q201的基极电压变为低电平，加热功率管Q201截止，无加热电流，从而保护加热功率管Q201不至损坏。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的自适应保护温度控制电路，与现有的温度控制电路不同，其最大加热电流限制电路从电压取样电阻R203抽取加热电流信息，通过运算放大器N202和开关晶体管Q200反馈到加热功率管Q201基极，通过设置运算放大器N202的基准电压调整最大加热电流，电路通过取样电阻R204获取电源电压的变化，进入反馈运算放大器N202，当加热电流过大或是电源电压增高时，反馈运放的输出电压增高，反馈至开关晶体管Q200基极，开关晶体管集电极电流增大，降低加热功率管Q201基极电压，从而降低加热电流，保护加热功率管Q201。

（2）本发明以尽较少的电路元件实现恒温晶体振荡器温度控制电路的加热电流控制和自适应保护功能。在电源电压或是加热电流异常升高时，可以自动降低或关断加热电流，保护功率电路不至于损坏，从而大大提高恒温晶体振荡器温度控制电路的可靠性，在工程实践上具有很高的应用价值。

附图说明

图1为传统温度控制电路。

图2为传统温度控制电路加热电流随电源电压的变化情况示意图。

图3为现有专利CN103905036B中加热电流随电源电压的变化情况示意图。

图4为本发明的温度控制电路原理图。

图5是本发明-实施例中加热电流随电源电压的变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图4、图5所示，本发明公开的一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路，包括热敏电桥，与热敏电桥相连的驱动电路，与驱动电路相连的加热电路，以及与加热电路相连的取样反馈电路；其中，所述取样反馈电路包括取样电阻R203、取样电阻R204、运算放大器N202、反馈电阻R201和开关晶体管Q200；所述取样电阻R203连接在加热电路和运算放大器N202正向输入端之间，运算放大器N202正向输入端通过取样电阻R204连接到电源供电端，运算放大器N202反向输入端接参考基准电压VREF，运算放大器N202的输出端通过电阻R201连接到开关晶体管Q200的基极；开关晶体管Q200的发射极接地，其集电极与加热电路相连；运算放大器N202的正电源端连接到电源供电端，运算放大器N202的负电源端接地。

在本实施例中，所述驱动电路由运算放大器N300、电阻R303、电阻R304、电容C300和电容C301构成；运算放大器N300正向输入端连接到热敏电桥的动态臂，运算放大器N300反向输入端通过电阻R303连接到热敏电桥的固定臂，电阻R304和电容C301串联后与电容C300并联，然后连接到运算放大器N300的输出端和反向输入端。

在本实施例中，所述加热电路由加热功率管Q201、限流电阻R202和偏置电阻R200构成；偏置电阻R200连接于运算放大器N300的输出端和加热功率管Q201的基极之间，限流电阻R202连接于加热功率管Q201的发射极和地之间；其中，所述取样反馈电路中的取样电阻R203一端与加热功率管Q201的发射极相连。

在本实施例中，所述热敏电桥由电阻R300、电阻R301、电阻R302和负温度系数热敏电阻RT300构成；热敏电阻RT300和电阻R300构成动态臂，其抽头连接到运算放大器N300正向输入端，固定电阻器R301、R302构成固定臂，其抽头通过电阻R303连接到运算放大器N300反向输入端。

在本实施例中，所述运算放大器N202的反向输入端还连接有分压电阻R205和分压电阻R206；所述分压电阻R205的另一端接参考基准电压VREF，所述分压电阻R206的另一端接地。

本发明实施例的工作原理如下：

负温度系数热敏电阻RT300与需要恒温的晶体振荡器模块单元处于同一个温度梯度，并监测控温温度，通过调整热敏电桥中电阻R300、R301或R302的值（根据不同的晶体谐振器温度特定，在出厂前进行调整），可以设定需要的恒温温度。

电路初始上电时，热敏电阻RT300感应温度较低，处于较大阻值，分压较高，运算放大器N300正向输入端电压高于反向输入端电压，输出高电平，通过电阻R305驱动加热功率管Q201以最大加热电流工作，快速发热升温，其最大加热电流由限流电阻R202的阻值和运算放大器N202的反向输出端的基准电压值确定，设计时电阻R203、R205、R206设置恰当的阻值，可以限制加热电路的最大加热电流在规定范围内（主要考虑被加热恒温单元的热容量和规定的最低工作温度，保证在最低工作环境温度时仍有足够的但又不过于高的加热功率将被恒温单元加热到设定温度）。

当加热电路持续加热，温度升高到设定值时，热敏电阻RT300的阻值降到电桥平衡位置，通过运算放大器N300控制加热电路工作电流处于动态平衡状态。当实际温度低于平衡温度点时，运算放大器N300的正向输入端电压升高，输出电压升高，驱动加热功率管Q201工作电流加大，功率耗散增加，升高温度；当实际温度高于平衡温度点时，运算放大器N300正向输入端电压降低，输出电压降低，控制加热功率管Q201工作电流减小，功率耗散下降，降低温度。为保证过高温度时能有效关断加热电流，运算放大器N300需要轨对轨特性，在输出低电平时关断加热功率管Q201。

电阻器R303、R304和电容器C301构成比例积分电路，隔离运算放大器N300的直流反馈通路，通过调整其阻值和容值，可以调整积分时间，保证温度控制电路灵敏度容易达到稳定的平衡状态，保证温度控制精度。电容C300跨接在运算放大器N300的输出端和反向输入端，起交流负反馈的作用，防止运算放大器N300自激。

取样反馈电路中运算放大器N202选型与N300一样为轨到轨特性，通过电阻R203取样限流电阻R202的工作电流，调整分压电阻R205和R206的阻值，可以限制最大加热电流的值。最大加热情况下，当加热电流高于限定值时，限流电阻R202端头电压上升，运算放大器N300正向输入端电压上升，输出电压增高，晶体管Q200的基极电压增高，导通电流加大，加热功率管Q201基极电压降低，加热电流降低；反之，当加热电流低于限定值时，反馈电路输出电压降低，加热功率管Q201的基极电压升高，加热电流增加。

同理，当供电电压VCC升高时，通过取样电阻R204使运算放大器N202正向输入端电压上升，通过取样反馈电路促使加热电流下降，达到稳定加热功率管Q201功率耗散的目的，以保证加热功率管Q201不至因耗散功率上升超过其额定功率烧毁失效。特别地，当VCC上升过高或是有过高的电压过冲，运算放大器输出驱动晶体管Q200饱和导通，迅速把加热功率管Q201基极电压拉至低电平，关断加热电流。

本发明实施例可以使恒温晶体振荡器恒温加热控制电路状态，在完成高精度温度控制的同时，保证处于始终处于一种自适应保护状态，防止产品在应用实践中可能的上电误操作或是供电电压剧烈波动引起的加热功率电路元器件损坏失效，大大提高产品可靠性，具有显著的实践意义。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路，其特征在于，包括热敏电桥，与热敏电桥相连的驱动电路，与驱动电路相连的加热电路，以及与加热电路相连的取样反馈电路；其中，所述取样反馈电路包括取样电阻R203、取样电阻R204、运算放大器N202、反馈电阻R201和开关晶体管Q200；所述取样电阻R203连接在加热电路和运算放大器N202正向输入端之间，运算放大器N202正向输入端通过取样电阻R204连接到电源供电端，运算放大器N202反向输入端接参考基准电压VREF，运算放大器N202的输出端通过电阻R201连接到开关晶体管Q200的基极；开关晶体管Q200的发射极接地，其集电极与加热电路相连；运算放大器N202的正电源端连接到电源供电端，运算放大器N202的负电源端接地；

所述加热电路由加热功率管Q201、限流电阻R202和偏置电阻R200构成；偏置电阻R200连接于驱动电路的输出端和加热功率管Q201的基极之间，限流电阻R202连接于加热功率管Q201的发射极和地之间；其中，所述取样反馈电路中的取样电阻R203一端与加热功率管Q201的发射极相连；

所述运算放大器N202的反向输入端还连接有分压电阻R205和分压电阻R206；所述分压电阻R205的另一端接参考基准电压VREF，所述分压电阻R206的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路，其特征在于，所述驱动电路由运算放大器N300、电阻R303、电阻R304、电容C300和电容C301构成；运算放大器N300正向输入端连接到热敏电桥的动态臂，运算放大器N300反向输入端通过电阻R303连接到热敏电桥的固定臂，电阻R304和电容C301串联后与电容C300并联，然后连接到运算放大器N300的输出端和反向输入端。

3.根据权利要求2所述的一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路，其特征在于，所述热敏电桥由电阻R300、电阻R301、电阻R302和负温度系数热敏电阻RT300构成；热敏电阻RT300和电阻R300构成动态臂，其抽头连接到运算放大器N300正向输入端，固定电阻R301、R302构成固定臂，其抽头通过电阻R303连接到运算放大器N300反向输入端。

4.一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路的实现方法，其特征在于，采用了如权利要求3所述的控制电路，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路的实现方法，其特征在于，在所述步骤（S3）中，通过调整运算放大器N202反向输入端的基准电压，实现调整最大加热电流的规定范围。

6.根据权利要求5所述的一种恒温晶体振荡器自适应保护温度控制电路的实现方法，其特征在于，在所述步骤（S4）中，当供电电压VCC急剧上升或是使用不当施加了一个过高的供电电压VCC或是应用中偶然的电压过冲时，运算放大器N202正向端电压高于反向端基准电压，运算放大器饱和输出高电平，致使晶体管Q200完全导通，加热功率管Q201的基极电压变为低电平，加热功率管Q201截止，无加热电流，从而保护加热功率管Q201不至损坏。