CN1152361A - 带限流过载保护的双电压的电压调节器 - Google Patents

Abstract

电压调节器可以在较低的已调节直流输出电压和较高的已调节直流输出电压之间转换。当超过限流阈值时，根据由负载引起的电流启动限流过载保护。限流阈值由一对分压器相应抽头上的电压关系确定，所述关系由与负载串联连接的电流检测电阻上显现的电压影响。对于较低和较高的已调节的直流输出电压限流阈值被调整到近似相等。通过非线性电压可控装置完成调整，这个装置耦合到分压器中之一，并且在较高输出电压模式下启动。

Description

带限流过载保护的双电 压的电压调节器

本申请与题目为“电压调节器”的第87,648号专利申请有关，在此同时申请。

本发明涉及到电压调节器，特别涉及一种限流过载保护双电压电压调节器，其中对于每个输出电压用于启动限流的阈值保持在大约相同的输出电流上。

如果短路或其他故障发生于调节器输出端，则使用用于维持一个已调节输出电压耦合到负载的可控串联阻抗装置的电压调节器易受到损坏。这样的损坏常常会由串联阻抗装置过度的热损耗或串联装置严重超过电流定额引起。由于这个原因，为了防止调节器受到这样的损坏，通常需要提供过载保护。

一种类型的过载保护是在被称为“限流过载保护”电压调节器中进行电流限制，如复活节时的美国专利第3,445,751号中所公开的。这样一种调节器对一个变化的负载提供输出电压调节直至达到一个过载电流阈值。对于这个阈值以上的负载电流，当负载增加时，可得到的输出电流减小，对应的输出电压也减小。短路电流可被调节，但它只是全负载电流的一小部分，这样就使串联通过晶体管的损耗最小。本发明的电压调节器就是这样的“限流过载保护”电压调节器。

一些应用要求电压调节器能够提供多种输出电压。由此，希望提供的多路电压的电压调节器具有对两种输出电压设置都有限流过载保护。

本发明的目的主要是提供一种可以在较低的已调节的直流输出电压和较高的已调节的直流输出电压之间转换的电压调节器。当超过限流阈值时，响应由负载引起的电流启动限流过载保护。限流阈值由一对分压器相应的抽头的电压关系确定，所述的关系受到与负载串联连接的电流检测电阻上出现的电压影响。限流阈值被调整到使较低和较高已调节的直流输出电压近似相等。这种调整由转换装置完成，其耦合在分压器中的一个上，在较高输出电压模式启动。

图1展示了根据本发明的方面的当前调节器的示意图。

现在参考图1，这里根据本发明的方面展示了一个电压调节器10。电压调节器10能够在较高的已调节直流输出电压模式和较低的已调节直流输出电压模式之间转换。

一个未调节的直流电流源(未示出)连接在端子12和参考电位点11(例如，地)之间。串联通路PNP晶体管Q1的发射极14耦合到端子12。晶体管Q1的集电极16经过电阻20耦合到输出端18。负载(LNB)连接在输出端18和参考点11(未示出)之间。晶体管Q1的基极耦合到NPN放大晶体管Q2的集电极并经过电阻22耦合到输入端12。晶体管Q2的发射极经过电阻24耦合到输出端18以及经过电阻30耦合到参考点11。晶体管Q2的基极被耦合接收一个控制信号，这在下面将更全面的讨论。

从耦合到端子12的直流电源提供的电流经过晶体管Q1的发射极-集电极路径和电阻20流向输出端18和负载。这个电流量由经过引线26耦合到晶体管Q2基极的控制信号控制，通过调节经过晶体管Q1的电压降来保持端子18的已调节输出电压。即使晶体管Q1完全断开，连接在Q1的发射极和集电极之间的电阻32继续提供一些电流给负载。连接在晶体管Q1的发射极和基极之间的电阻22降低了晶体管Q1集电极到基极的漏电流的影响。

由于晶体管Q2的集电极耦合到晶体管Q1的基极，并且串联通路配置的输出是从晶体管Q1的集电极16得到的，所以晶体管Q1、Q2的互补配置提供了电压和电流增益。这样，晶体管Q1、Q2在反馈环路中被安排作为放大器，而环路增益由从输出端18连接到晶体管Q2的发射极的电阻24以及连接到地的电阻30组成的反馈网络确定。

为了使调节器以一个较小的输入电压Vin和输出电压Vo的差值电压工作，并且减少在晶体管Q1的功率损耗，在高电压模式就要求晶体管Q1被驱动到最高输出电压的饱和状态。分压器电阻24、30可以改善串联通路电路的效率，以获取这些特性。

引线26上的电压V26的数学表示如下：

V26＝Vbe(Q2)＋Vo(电阻30/＋(电阻30＋电阻24))。如果Q2的Vbe为0.7伏，并且电阻24的值等于电阻30的值，则：

V26＝0.7伏＋Vo/2因为这种配置降低了晶体管Q2发射极的电压，使它实质上低于电压Vo，由于电压V26可以是一个较低的电压使得驱动Q2较难的工作变得更容易了，这样使得晶体管Q1更容易被驱动到饱和状态而晶体管Q2仍然保持在有效的非饱和状态。这样正如上面说明的，利用分压器电阻24，30，串联通路晶体管Q1可以被驱动以使Vo＝Vin－0.2伏(晶体管Q1的典型的饱和电压)代替至少1.4伏的电压。这样调节器可以工作在输入电压Vin和输出电压Vo之间较低的差值上，当晶体管Q1被完全驱动时使得其上的功率损耗降低。

由于电压Vin的最大值是有限的，使输入和输出电压之间的差值较小在较高输出电压模式中特别重要。此外，由于现在作用于引线26的控制电压比B+低许多，正如下面将要详细讨论的，为了驱动晶体管Q2到饱和晶体管Q1，提供控制信号V26的运算放大器46不需要在大约为B+值的输出电压上工作。

电阻28耦合在晶体管Q1的发射极14与晶体管Q2的发射极之间，以防止Q2的发射级在输出短路时降压太低，运算放大器46不能反向偏置晶体管Q2的基极-发射结使晶体管Q1截止。导致晶体管Q1截止的能力对于限流是重要的，下面将更全面的讨论这个问题。

通过串联连接在输入端12和地之间的电阻34和齐纳二极管36提供参考电压，并且参考电压被电容38滤波。参考电压耦合到运算放大器46的同相(ni)输入端46ni与耦合到反相(i)输入端46i的Vo的分压值相比较。Vo的分压值从耦合在输出端18和地11之间的串联分压电阻42和44之间的抽头得出。放大器46的输出信号经过隔离电阻50在引线26提供控制信号V26。如果在已调节的输出电压Vo存在一个相应的增加或降低，这种配置提供了负反馈以降低或增加对晶体管Q1的驱动。耦合在放大器46的输出和端子46i之间的电容49抑制振荡。

晶体管Q3使得较低和较高输出电压模式的转换成为可能，它能由通过电阻分压器51、52，由一个控制单元(未示出)例如微处理器耦合到其基极的控制信号驱动到饱和状态。晶体管Q3的集电极经过电阻54耦合到端子46i，当晶体管Q3被驱动为饱和时，电阻54以并联方式与分压电阻44相连，这样就改变了电阻42、44的分压比。通过比较放大器46提供的V26的结果变化引起端子18的输出电压转换到较高电压。

现在回到本调节器的过载限流方面，由串联电阻60、62、64组成的分压器58耦合在晶体管Q1的集电极16和地之间，在电阻62和64之间有一抽头耦合到运算放大器66的反相输入端66i。由串联电阻70，72组成的分压器68耦合在输出端18和地之间，在电阻70和72之间有一抽头耦合到放大器66的同相(ni)输入端66ni。放大器66的输出端74耦合到二极管76的阴极，二极管76的阳极耦合到控制引线26。正如下面将要更详细讨论的，二极管76防止运算放大器66在正常工作时影响V26。耦合在输出端74和端子66i之间的电容79抑制振荡。通过电阻72耦合的电容80防止从LNB负载接收的任何交流信号影响放大器66。分压器58、68的电阻元件值如下所述：

电阻60＝1K欧姆     电阻62＝3K欧姆

电阻64＝12K欧姆    电阻70＝2.8K欧姆

电阻72＝12K欧姆

电阻20(3.3欧姆)产生一个与输出电流成正比的电压。这样，经过分压器58和68的电压有少许的差别，在两个分压器抽头的电压也设置为有少许差别。当经过电阻20的电流小于限流过载保护电流的阈值时，分压器58和68的作用是使端子66ni的电压比端子66i的电压更大，并且端子74的输出电压等于或接近B+电压。在正常工作情况下这反向偏置了二极管76并防止放大器66的输出受到引线26驱动的干扰。这样除非电路是在限流模式下，引线26正常的控制是由放大器46提供的。然而，如果经过电阻20的电流超过限流过载保护阈值电流，电阻20两端的电压降将引起端子66ni的电压稍微低于端子66i的电压。由于运算放大器66的大增益这就迫使端子74的输出电压变低。这使得二极管76正向偏置并导致放大器46的工作被取消以致于线26上的控制电压减到接近于零伏。由此带来的结果是端子18的输出电流减小到接近于零以及输出电压Vo也减小到接近于零伏。以这种方式，当输出短路或在负载发生故障时，输出电流被按照在正常工作情况下提供给负载的额定输出电流作限流过载保护。例如，输出电流的限流过载保护可以从正常值350毫安培到大约10毫安培。这样，就可以防止因负载故障而造成晶体管Q1过度热损耗或过流状态。当负载故障排除后，电压调节器10恢复并回到正常工作。

电压调节器10是一个双电压的电压调节器。当输出电压Vo变得较高时，启动限流的限流过载保护阈值电流也将改变。由于对任何特定的电流在电流检测电阻20的电压降将保持相同，限流过载保护阈值电流的变化就发生了，但是由于经过分压器58、68的电压的增加而导致耦合到输入端66ni和66i的差值电压。因为提供的晶体管Q1和负载的保护可能降低，这是不希望的。

在本实施例中，在较高电压模式下要保持相同的限流阈值，分压器58的电压分压被经过电阻60耦合的二极管78改变。在较低输出电压模式下通过电阻60的电压降被选择为小于二极管78的正向导通阈值。然而，当调节器10转换到较高电压模式时，经过电阻60的较高电压降就足以导致二极管78正向导通，这样就改变了分压器58的分压和作用于端子66i和66ni的差值电压关系。分压器58的这一改变实际上在较高电压输出模式下与较低电压输出模式一样保持了相同的限流过载保护阈值电流。例如，若没有分压器58的改变，在实施范例中，在较低已调节输出电压的限流阈值，大约是350mA，在较高已调节输出电压的限流阈值大约是600mA。随着分压器58的改变，对于双输出电压中每一电压限流阈值大约为350mA。

在本实施例中，二极管78是一个具有相当尖锐“拐点”的1N914二极管。如果希望降低导通拐点的锐度，可以紧接着与二极管78串联一个电阻(未示出)。另一种方法是，二极管78可以由若干个串联连接的二极管替代。还可以使用其他的电压检测装置，如锗二极管，发光二极管LED，压敏电阻，或齐纳二极管。在LED情况下，二极管本身可以作为调节器工作模式的可视指示器。另外，一个继电器或开关晶体管也可以替代二极管78。在这种情况下，当微处理器信号激发输出电压变化时，比如可在端子53得到的同一微处理器信号的存在或缺少可以用来启动分压器电阻的转换。更进一步地，电压检测装置可以在别处连接在分压器中之一上。

值得注意的是在实施范例中，运算放大器46和66是由美国国家半导体公司制造的LM348运算放大器。这种运算放大器具有PNP输入电路，该输入电路允许在输入端电压很低时放大器仍然可以工作。然而，业已发现具有NPN输入电路的运算放大器当输入端电压低于大约1伏时它一般不工作。已发现如果运算放大器应用这样的NPN输入电路，放大器66可以锁在过载限流保护模式，即输出端74锁在零输出电压，当输出端1 8的故障被排除后它将不能恢复到正常工作模式。但是，也许存在可能需要在“故障保险”模式下的这种闩锁的情况。

本电压调节器在一个直接广播卫星接收机系统中是很有用的，这个系统包括对准卫星以便从卫星接收信号的一个户外微波天线。从卫星接收的信号由安装在非常接近天线或在天线上的“低噪声分组变换器”(LNB)来放大。

来自LNB的输出信号通过一根同轴电缆传送到室内接收机。为了从室内接收机给LNB提供电源，以及控制LNB的极性，一个直流电压被多路传输到同轴电缆的中心导线。LNB的电路被设计为能在较低电源电压或者能在较高电源电压下工作，双电源电压被用于控制LNB的极性设置，例如较低的电压选择右圆极化(RHCP)，较高的电压选择左圆极化(LHCP)。对于两种中任一种已调节的电源电压LNB的电流消耗是相当恒定的。

因为电源提供的安全特性，上面描述的多路输出电压限流配置很适合提供多路电压给LNB的电源。然而，本发明并不只限于这种应用。

Claims (14)

1、提供多个已调节的输出电压，并对所述多个电压设置中的每一个限流的一种电压调节器，包括：

一个用于接收未调节的直流输入电压的输入端；

一个用于提供直流输出电压的输出端；

响应控制信号并耦合在输入端和输出端之间的装置，用于调节所述直流输出电压；

响应已调节的直流电压量改变控制信号的装置，控制信号量也可以转换用来在输出端提供第一和第二已调节的直流电压；

包括第一分压器的第一检测装置，用于提供相对于已调节直流电压值的第一检测电压；

包括第二分压器的第二检测装置，用于提供相对于由负载引起的电流值的第二检测电压；

当由负载引起的所述电流量超过阈值数值时，根据第一和第二检测电压用于限定提供给负载的电流的装置；和

耦合到第一和第二分压器中之一的装置，当已调节的直流电压在第一和第二已调节直流电压之间转换时，用于改变第一和第二检测电压中的一个。

2、根据权利要求1的调节器，其中耦合到第一和第二分压器中之一的装置是一个在已调节直流电压转换到第一和第二已调节直流电压中较高一个时连接导通的二极管。

3、根据权利要求1的调节器，其中响应检测电压的装置产生一个修改控制信号的信号。

4、提供多个已调节的输出电压，并对所述多个电压设置中的每一个限流的一种电压调节器，包括：

一个用于接收未调节的直流输入电压的输入端；

一个用于提供直流输出电压的输出端；

响应一个控制信号并耦合在输入端和输出端之间的装置，用于调节所述直流输出电压；

响应已调节的直流电压量改变控制信号的装置，控制信号量也可以转换用来在输出端提供第一和第二已调节的直流电压；

包括第一分压器的第一检测装置，用于提供相对于已调节的直流电压值的第一检测电压；

包括第二分压器的第二检测装置，用于提供相对于由负载引起的电流值的第二检测电压；

当由负载引起的所述电流量超过阈值数值时，根据第一和第二检测电压用于限定提供给负载电流的装置；和

耦合到第一和第二分压器中之一的装置，当已调节的直流电压在第一和第二已调节的电压之间转换时，用于改变第一和第二检测电压中的一个，当输出直流已调节的电压转换到第一和第二输出电压中较高一个时，所述装置是一个用作导通的电压可控器件。

5、根据权利要求4的调节器，其中电压可控器件是一个在已调节直流电压转换到第一和第二已调节的直流电压中较高一个时连接导通的二极管。

6、根据权利要求4的调节器，其中响应检测电压的装置产生一个修改控制信号的信号。

7、提供多个已调节的输出电压，并且对所述多个电压设置中的每一个限流的一种电压调节器，包括：

一个用于接收未调节的直流输入电压的输入端；

一个用于提供直流输出电压的输出端；

响应控制信号并耦合在输入端和输出端之间的装置，用于调节所述直流输出电压；

响应已调节的直流电压量改变控制信号的装置，控制信号量也可以转换来在输出端提供第一和第二已调节的电压；

第一检测装置，用于提供相对于已调节的直流电压值的第一个检测电压；

第二检测装置，用于提供相对于由负载引起的电流值的第二检测电压；

当由负载引起的所述电流量超过阈值数值时，根据第一和第二检测电压用于限定提供给负载电流的装置；和

耦合到第一和第二检测装置中之一的装置，当已调节的直流电压在第一和第二已调节的直流电压之间转换时，用于改变检测已调节的直流电压和由已调节直流电压提供到负载的电流之一。

8、如权利要求7的调节器，其中第一和第二检测装置是相应的第一和第二分压器，并且当已调节的直流电压转换到第一和第二已调节的直流电压中较高一个时，耦合到第一和第二分压器中之一的装置是一个连接导通的二极管。

9、根据权利要求7的调节器，其中响应检测电压的装置产生一个修改控制信号的信号。

10、根据权利要求7的电压调节器，其中调节装置包括：第一种类型并具有耦合到输入端的第一发射极、第一基极、以及耦合到输出端的第一集电极的第一晶体管，以及一个与第一晶体管类型为互补类型并具有耦合用于接收控制信号的第二基极，耦合到输出端的第二发射极，耦合到第一基极的第二集电极的第二晶体管。

11、根据权利要求10的电压调节器还包括耦合到第二发射极以保持第二发射极在输出端的电压小于已调节的直流电压的装置。

12、用于向卫星接收机系统的低噪声分组转换器(LNB)提供已调节的电压的电压调节器包含：

向LNB提供第一和第二已调节的输出电压的装置，所述第二已调节的电压与第一已调节的电压不同，以及

对相应的第一和第二已调节的输出电压提供第一和第二电流限定量的装置，第一和第二电流限定量实际上相等。

13、提供多个已调节的输出电压，并且对所述多个电压设置中的每一个限流的一种电压调节器，包括：

一个用于接收未调节的直流输入电压的输入端；

一个用于提供直流输出电压的输出端；

响应一个控制信号并耦合在输入端和输出端之间的装置，用于调节所述直流输出电压；

响应已调节的直流电压量改变控制信号的装置，控制信号量也可以转换用来在输出端提供第一和第二已调节的电压；

检测装置，包括第一和第二检测装置，分别用于检测已调节的直流电压和由已调节的直流电压提供给负载的电流；当所述电流量超过阈值数值时，所述检测装置根据检测的电流限定提供给负载的电流；

耦合到第一和第二检测装置中之一的装置，当已调节的直流电压在第一和第二已调节的直流电压之间转换时，用于改变一个检测装置；

调节装置，包括第一种类型并具有耦合到输入端的第一个发射极、第一个基极，以及耦合到输出端的第一个集电极的第一晶体管，以及一个与第一晶体管类型为互补类型并具有耦合用于接收控制信号的第二基极、耦合到输出端的第二发射极、耦合到第一基极的第二集电极的第二晶体管，以及

耦合到第二发射极以保持第二发射极在输出端的电压小于已调节的直流电压的装置。

14、根据权利要求13的调节器，其中检测装置产生一个修改控制信号的信号。