CN1484367A - 具有输出电压升高特性控制的电源电路 - Google Patents

Abstract

在电源电路中，控制将能量从输入端传输到输出端的主晶体管，使得根据输入电压的检测电压与表示目标电压的参考电压一致。检测输出电流并设定输出电流限制值，使得当输出电压升高至目标电压时限制值逐步增加。控制主晶体管使输出电流保持为小于或等于限制值的值。由于逐渐增加限制值的控制，因此该结构能够抑制输出电压的过调量。此外，为了避免输入电压振铃分量的影响，提供延迟控制电路以对输出电压的升高开始进行延迟。

Description

具有输出电压升高特性控制的电源电路

发明领域

本发明涉及能够有效控制将被提供给连接于电源电路的电力负载的输出电压升高特性的电源电路。

背景技术

几乎所有电子设备都需要的电源电路可以分成许多类型，其中一种类型是串联调节器型电源电路。

图1例示了通常采用的这种串联调节器型电源电路1的电子构型。这种电源电路1具有输入端2和输出端3，在它们之间以串联方式插入电阻器R1和晶体管Q1。晶体管Q1放置成由IC4控制。在输入端2和地线5之间设置电容器C1以便平稳输入电压，用于平稳输出电压的另一电容器C2和电阻器R2(作为电阻负载的代表)设置在输出端3和地线5之间。

IC4不仅负责对于晶体管Q1的恒压控制以便使输出端13的电压Vo等于目标电压(例如，5伏特)，而且负责电流限制控制以防止过大的输出电流Io。电阻器R3和R4分割输出电压Vo以便检测电压Va，此电阻器R3和R4属于将被连接到输出端3的IC4。同样结合于IC4中的运算放大器6放大在检测电压Va和表示目标电压的参考电压Vr之间的差动电压。IC4还包括晶体管Q2和Q3。一个晶体管Q2采用来自运算放大器6输出电压，从而驱动晶体管Q1。另一晶体管Q3电连接到晶体管Q2的基极和地线5，接受放置在IC4中的限流器7的控制。也就是说，限流器7驱动晶体管Q3，从而防止穿过电阻器R1的电压超过预定值。

作为一种应用，上述电源电路1应用于ECU(电子控制单元)，ECU安装到车辆如汽车中。在这种情况下，将电池电压施加于电源电路1的输入端2将引起输出电压Vo从0伏的水平急速升高(即，引起过调量)。随着输出电压Vo的升高速率变快(即，随着升高时间变短)，此过调量变大。输出电压Vo的升高时间Tr可如下表示：

Tr＝C*Vo/Ic                  (1)，

其中C是连接到输出端3的电容性负载(包括电容器C2)的电容，Ic是流入电容性负载的充电电流。

此表达式(1)表明，随着电容性负载的电容变小和/或充电电流Ic变大，输出电压Vo的升高时间Tr变短，因此引起了过调量的增加。

为了解决这一问题，上述电源电路1包括电流限制电路7。实际上，当电流限制电路7进行工作以具有更小的电流限制时，充电电流Ic的量可以更小。然而，因为在额定电压输出下工作的过程中不可能把电流限制降得比向负载(电阻器R2)的供应电流还要低，因此即使需要更大的负载电流，也不能将充电电流Ic设置为更低值。因而，现有技术不得不采取对策以取代对电流限制的降低，现有技术加大了电容器C2的电容，这样就可以抑制过调量。

这种策略遇到了另外的问题。具体而言，当电容器C2的电容增加时(由此增加了负载电容)，电容器C2的尺寸变大，由此就增加了其上安装有各种电元件的基板的面积。因此，仍旧存在着节省安装空间和降低制造成本的需求。

发明内容

考虑到上述常规构造的缺陷，本发明的第一个目的是提供一种电源电路，该电路能够稳定控制输出电压的升高速度，由此提高输出电压的升高特性。

本发明的第二个实际目的是提供一种电源电路，在连接到输出端的电容器电容保持在较低量的条件下，该电路能够稳定控制输出电压的升高速度，由此抑制输出电压的过调量。

本发明的第三个实际目的是提供一种电源电路，该电路能够稳定控制输出电压的升高速度，由此避免了瞬变(ringing)现象对升高输出电压的影响。

为了实现上述第一和第二目的，本发明提供一种电源电路，包括：设置在连接输入端和输出端的输电路径中的主晶体管；电压检测电路，构造成根据由输出端提供的输出电压进行检测电压的检测；参考电压发生电路，构造成按照目标电压产生参考电压；电压控制电路，构造成控制主晶体管，使得检测电压与参考电压一致；电流检测电路，构造成检测由输出端提供的输出电流；限制电流值设定电路，构造成设定输出电流的限制值，以便在使输出电压升高至目标电压的情况下该限制值逐渐增加；以及电流限制电路，构造成控制主晶体管，以便在使输出电压升至目标电压的情况下输出电流保持在小于或等于限制值的值。

在此结构中，电压控制电路控制主晶体管，这样，除了电源的启动操作之外，输出电压的检测电压与参考电压(目标电压)一致，从而使输出电压等于目标电压(即，电压跟踪控制)。因此，当目标电压是常数时，电压跟踪控制以恒压控制的方式执行。与此同时，电流限制电路控制主晶体管使得输出电流不超过限制值。因而，即使存在过载时也可以防止输出电流超过限制值(即，电流限制控制)。电流限制控制优先于电压跟踪控制。

此外，在输出电压升高至目标电压的情况下(即，当启动电压跟踪控制时，在电压跟踪控制下将电压施加于输入端，或其它)，限制电流值设定电路逐步增加输出电流的限制值。因此，由于电流限制电路的工作，可以使输出电流保持在低于限制值的量，同时，输出电流根据限制值的增加而逐步提高。响应于此，输出电压也慢慢地增加。

因此，降低了连接至输出端的电容器的电容，可以抑制输出电压的过调量。电容器可以制得小一些，因此电源电路可以制得较小，其制造成本降低。在输出电压升高之后的稳定状态，限制电流值设定电路把输出电流的限制量设定为连接电源电路的负载所需的电流量，由此可以确保电压跟踪控制正常进行。

优选的是，限制电流值设定电路构造成在输出电压升高的过程中随着时间的流逝逐步增加限制值。例如，限制电流值设定电路构造成在输出电压升高的过程中以给定的时间间隔逐步增加预定量的限制值。限制电流值设定电路也可以设置有计时器电路和限制值增加电路，该计时器电路计算时间的预定周期，该限制值增加电路在计时器电路完成了预定时间周期的计数时将限制值增加预定量。

优选地，限制电流值设定电路构造成：在输出电压升高的过程中，随着时间流逝，连续地增加限制值。这可以连续地增加输出电压，由此可以更稳定地抑制过调量。

为了实现第一至第三个目的，本发明提供一种根据上述基本结构的电源电路，该电源电路进一步包括延迟控制电路，此延迟控制电路构造成当已经施加于输入端的输入电压的振铃分量(ringingcomponent)减小时输出升高启动信号，其中，限制电流值设定电路构造成：响应于输出的升高启动信号设定输出电流的限制值，从而使限制值逐步地增加；电流控制电路构造成：根据由电路检测电路检测出的输出电流和由限制电流值设定电路设定的限制值，控制主晶体管，从而将输出电流保持在预定值。

在此结构中，特别是，当所施加的输出电压的振铃分量减小时，限制电流值设定电路逐步增加了输出电流的限制值。因此，在使输出电压响应于限制值的增加而增加时，可以显著地降低由于输出电压的振铃分量引起的出现在输出电压中的电压波动。此电源电路可以将能量提供给负载电路，该负载电路构造成利用在其升高操作过程中所获得的输出电压来重新设置。

作为优选，将当延迟控制电路输出升高启动信号时的时间设定为当在输出电压施加于输入端之后过去了预定时间周期时的时间。

仍作为优选，延迟控制电路设置有充电电路和比较电路，该充电电路利用所施加的输入电压进行工作并在输入电压上提供充电电压，该比较电路在充电电压和给定阈值之间进行比较以便输出升高启动信号。

作为优选，延迟控制电路设置有振荡电路和计时器电路，该振荡电路输出参考时钟信号，该计时器电路利用参考时钟信号进行工作，从而当在输入电压施加于输入端之后过去了预定时间周期时输出升高启动信号。

仍作为优选，延迟控制电路设置有比较电路和恒电平检测电路，该比较电路在所施加的输入电压和给定阈值之间进行比较从而输出比较信号，该恒电平检测电路在比较信号对于给定的时间间隔保持在相同值的条件下输出升高启动信号。

作为优选，电源电路还包括切断电路，构造成将主晶体管控制在它的关闭状态，直至输出升高启动信号。

例如，将上述各种模式的电源电路成形为具有电路的串联调节器，在此电路中，设置用作输电路径的电流源路径以连接输入端和输出端，主晶体管设置在电流源路径中。

附图说明

附图中：

图1是表示常规电源电路的一个例子的电路结构；

图2是根据本发明第一实施例的电源电路的电路结构；

图3是表示在第一实施例的电源电路中采用的限流器的电路结构的电路图；

图4例示了说明输出电压Vo的不同启动操作的波形；

图5A至5C是由用于研究电流限制控制所进行的实验所获得的输入电压VB和输出电压Vo的启动波形；

图6A至6C是由用于研究电流限制控制所进行的实验所获得的输入电压VB和输出电压Vo的启动波形；

图7示出根据本发明第二实施例的电源电路的电路结构。

图8示出根据本发明第三实施例的电源电路的电路结构。

图9以方框的形式说明在ECU中安装的各种电路。

图10示出在第三实施例中采用的控制信号发生电路的电路结构。

图11A是表示根据第三实施例的电源电路的工作的时序图；

图11B是表示为了与在第三实施例中的操作相比较而引入的电源电路的操作的另一时序图；

图12示出根据本发明第四实施例的电源电路的电路结构。

图13示出根据本发明第五实施例的电源电路的电路结构。

图14示出根据本发明第六实施例的电源电路的电路结构。

优选实施例

参考图2至6，现在描述本发明的第一实施例。

(第一实施例)

图2以方框的形式局部表示出根据本发明第一实施例的串联调节器型电源电路11的电路。此电源电路11例如被安装到车用ECU(电控制单元)的电源设备所采用，此电路11构造成具有一个基板，在此基板上安装了整个电路。

电源电路11不仅具有输入端12，而且具有输出端13，电池电压VB(例如，14伏特)从车上的电池(图2中未示出)供应给该输入端12，输出电压Vo(例如，5伏特)从该输出端13提供给包括并入其它电路中的控制IC的负载。这种负载安装在与用于电源电路11的基板相同的基板上，由图2中的电阻器R11适宜性表示。

在输入端12和输出端13之间，形成有电流源路径(用作输电路径)。在此电流源路径中，插入由电阻器R12(对应于电流检测电路)和PNP型晶体管Q11(对应于主晶体管)构成的串联电路，从而将晶体管Q11的发射极和集电极分别连接到电阻器R12和输出端13。电源电路11还设置有电容器C11和C12。使输入电压平稳的一个电容器C11的两端分别连接于输入端12和地线14；使输出电压平稳的另一电容器C12的两端分别连接于输出端13和地线14。电容器12例如由电容3.3μF的片式钽电解电容器形成。

晶体管Q11设置在电路中以便受到由双极工艺制成的IC 15的控制。此IC 15具有电压检测电路16、参考电压发生电路17(形成参考电压发生电路)、运算放大器18(形成电压控制电路)、限流器19、晶体管Q12和Q13、以及晶体管R13和R14。

现在详细描述IC15。在电连接到输出端13和地线14的IC端15a之间设置电压检测电路16，该电路16由相互串联连接的分压电阻器R13和R14构成。电阻器R13和R14通过其彼此连接的共用接点由此产生检测电压Va，此检测电压Va是将输出电压Vo除以两个电阻器的电阻值之比计算而得的。

例如，参考电压发生电路17形成为带隙参考电压电路并且产生对应于目标电压(在此例中，5伏特)的给定参考电压Vr。参考电压Vr和检测电压Va分别输送到运算放大器18的非反相和反相输入端。

在与晶体管Q11的基极和地线14电连接的IC端15b之间，设置有NPN型晶体管Q12，从而将其集电极和发射极分别连接到IC端15b和地线14。与运算放大器18的输出端电耦合的晶体管Q12的基极也经过NPN型晶体管Q13的集电极和发射极行至地线14。晶体管Q13的基极与限流器19的输出端耦合。

限流器19决定着通过电阻器R12的限制电流并用作根据本发明的电流限制设定电路和电流限制电路。此限流器19工作以响应到达IC端15c的电池电压VB并借助IC端15c和另一IC端15d接收经过电阻器R12的电压以便控制晶体管Q13的工作。经过电阻器R12的电流等于输送到电容器C12和电阻器R11的电流(即输出电流Io)的量。

图3详细描述限流器19更实际的结构。限流器19由恒压电路20、限制电流值设定电路21和运算放大器22(构成本发明的电流限制电路)构成。

在这些元件中，恒压电路20设置有以串联方式插入在IC端15c和地线14之间的恒流电路23和二极管D11a、D11b、……、D11n以及连接到IC端15c和输电线24的晶体管Q14。恒压电路20利用作为参考电压的二极管D11a的阳极电位进行工作，结果使得此电路20向输电线24提供恒压。

此外，限制电流值设定电路21在经过连接于IC端15c和运算放大器22的非反相输入端的电阻器R15的端子之间产生参考电压，该参考电压相应于对输出电流Io的限制值。在限制电流值设定电路21中，以串联方式彼此连接的NPN型晶体管Q15和Q16设置在IC端15c和地线14之间，以便获得电阻器R15的串联电路。由偏压电路25确定流过这些晶体管Q15和Q16的电流i1。偏压电路25由恒压发生电路26构成，二极管D12、电阻器R16和晶体管Q17以串联方式插入在电路26和地线14之间。

再有，限制电流值设定电路21设置有恒流电路27，该恒流电路27由晶体管Q18，Q19，Q20和电阻器R17构成并插入在输电线24和地线14之间。连接到地线14的晶体管Q20的基极与上述晶体管Q16和Q17的基极共同电耦合。

此外，限制电流值设定电路21设置有四个参考电流发生电路28a至28d，电路28a至28d的每一个都具有相同的电路结构，在此结构中，恒流电路和计时电路彼此结合。示例性地详细描述一个参考电流发生电路28a。由NPN-型晶体管Q21和Q22构成的电流反射镜电路29a与地线14耦合。输入侧晶体管Q21a的集电极借助由恒流电路27偏压的PNP型晶体管Q23的集电极和发射极连接至输电线24。晶体管Q21并联连接NPN型晶体管Q24a，晶体管Q24a的基极与控制用计时电路30a连接。另一方面，晶体管Q22的集电极借助二极管13a与运算放大器22的非反相输入端耦合。在此参考电流发生电路28a中，不同于定时电路30a的电路构成限制值增加电路。

在输出电压Vo的升高操作开始时，各计时器电路30a至30d开始计时t1(t2，t3或t4)。在各计时操作完成之外，各计时器电路30a至30d输出一电压，此电压值(高电平)足以打开各晶体管Q24a(至24a)。并且，在各计时操作完成时，各计时器电路30a至30d输出一电压，此电压值(低值)足以关闭各晶体管Q24a(至24d)。

接下来，详细描述运算放大器22的结构和操作。

运算放大器22的非反相和反相输入端分别接收相应于电流限制值的参考电压和经过电阻器R12的电压(这是由通过电阻器R12的输出电流Io引起的)，上述经过电阻器R12的电压采取在IC端15c的电位(电池电压VB)作为参考电位。

运算放大器22具有设置在IC端15c和地线14之间的差动放大电路31，该差动放电电路31包括晶体管Q25-Q32和电阻器R18-R21，如图3所示。由于进入运算放大器22的电压相对较小(即，输入电压接近于电池电压VB的量)，因此设置晶体管Q25和Q26以接受由NPN型晶体管构成的差分输入。与此相关，构成恒流电路的各晶体管Q27和Q28设置在各晶体管Q25和Q26和用于驱动有源负载的各晶体管Q29和Q30之间。用于将恒定电流供应给晶体管Q27和Q28的晶体管Q31和Q32的基极分别与上述二极管D12的阴极和上述晶体管Q20的基极耦合。

在差动放大器31的输出侧设置有输出电路32，该输出电路32包括晶体管Q33-Q35、二极管D14和D15、电阻器R22、恒流电路33和34以及用于相位补偿的电容器C13。二极管D14和D15以串联方式连接在晶体管Q34的集电极和地线14之间，会限制当晶体管Q34关闭时引起的在晶体管Q34的集电极上电压的增加，因此工作速度加快。

现在，参考图4至6以及图2和3，描述电源电路11的操作。

当电池电压VB施加于电源电路11的输入端12时，运算放大器18工作以放大在参考电压Vr和检测电压Va之间的电压差，从而将所得到的放大电压提供给晶体管Q12的基极。这可以借助晶体管Q12控制在晶体管Q11处的基极电流，由此就可以把输出电压Vo控制在作为目标的5伏恒压下(即，电压跟踪控制)。

除了这种恒压控制之外，电源电路11还可以进行电流限制控制。这种电流限制控制的目的不仅在于即使当过载状态或负载短路状态发生时也防止了过量的输出电流Io流动并由此保护电路，而且还在于当输出电压Vo升高时抑制过调量。此后，详细描述过调量的抑制。

当电池电压VB施加于输入端12时，输出电压Vo从0V开始升高，设置在限流器19中的计时器电路30a-30d立刻开始计数(时间t0)。在各计时器电路30a至30d中设定的时间t1至t4通过下述表达式彼此联系：

t2＝2*t1    …(2)

t3＝2*t2    …(3)

t4＝2*t3    …(4)，

其中时间t1设定为大约几百微秒的时间段。

在各计时器电路30a-30d进行计时操作的过程中，各包含在参考电流发生电路28a-28d中的晶体管24a-24d处于它的打开状态，从而使得晶体管Q21a-Q21d和Q22a至Q22d处于它们的关闭状态，流入各二极管D13a至D13d的电流为零。因此，在从时间t0到计时器电路30a完成其计数操作的时间t1的时间段过程中，仅参考电流i1经过晶体管Q15和Q16流过电阻器R15。

在仅参考电流i1流动的此状态中，分别出现在运算放大器22的非反相和反相输入端的电压VP和VM可由下述表达式(5)和(6)表示：

VP＝VB-i1*R15    …(5)

VM＝VB-Io*R15    …(6)，

其中R12和R15是电阻器R12和R15的电阻值。

此外，基于参考电流i1的限制电流I1可以设定为由下述表达式(7)限定的量：

I1＝(i1*R15)/R12  …(7)，

其中在此实施例中的I1设为150mA。

在建立了VP＜VM的关系的情况下，也就是说，输出电流Io小于限制电流I1，运算放大器22的输出电压变为0V，于是晶体管Q13关闭。因而，上述恒压控制使得输出电压Vo向上提升目标值。相反，当实现了VP＞VM的关系时，运算放大器22的输出电压升高，因此晶体管Q13关闭、晶体管Q12和Q11关闭。因此迫使输出电流Io降低。通过此控制，将输出电流Io限制为达到限制电流I1，并建立起VP＝VM的平衡状态。

图4示出了当输出电压Vo升高时所观察到的不同波形，其中横轴表示时间，纵轴表示电压。在图4中，实线、点划线和虚线分别表示由大负载(R12＝9Ω)、中间负载(R12＝12Ω)和小负载(R12＝40Ω)获得的输出电压波形。当负载小时，电流限制不起作用，这样输出电压Vo在时间瞬间t1之前达到5V的目标电压。相反，正如上面所述的那样，负载越大，对于输出电流Io的限制值越大。因此，当负载大时，输出电路Io最终限制为I1，一实现“I1*R12”输出电压Vo就停止升高。

在获得了电流限制并且在输出电压Vo停止升高后计数器电路30a的计数操作在时间瞬间t 1结束的情况下，晶体管Q24a、Q21a和Q22a打开，因此电流i1流过二极管D13。因此，在从时间瞬间t1到定时器电路30b完成其计数操作的时间瞬间t2的时间段过程中，另一参考电流i2(＝2*i1)流过电阻器R15。基于参考电路i2的另一限制电流I2可设定为由下述表达式(8)限定的量：

I2＝(i2*R15)/R12    …(8)，

其中在此实施例中I2设为330mA。

由于限制电流从I1至I2双倍增进，中间或大负载的输出电压Vo又开始升高，然后在当输出电压Vo变为“I2*R12”时的时间瞬间停止它的升高。在时间瞬间t2之后，输出电压Vo以与上面相同的方式表现，因此，在从时间瞬间t2至时间瞬间t3的时间段、从时间瞬间t3至时间瞬间t4的另一时间段以及从时间瞬间t4至时间瞬间t5的另一时间段的过程中，参考电流i3(＝3*i1)、另一参考电流i4(＝4*i1)和另一参考电流i5(＝5*i1)将分别流过电阻器R15。源自参考电流i3，i4和i5的限制电流I3、I4和I5可以设定为由下面表达式(9)，(10)和(11)限定的量：

I3＝(i3*R15)/R12    …(9)

I4＝(i4*R15)/R12    …(10)

I5＝(i5*R15)/R12    …(11)，

其中，在此实施例中的I3，I4和I5分别设计成450mA、600mA和750mA。

如图4所示，在中间负载的电流限制中，在限制电流达到I3(＝450mA)之后会实现无电流限制，而输出电压Vo达到5V的目标电压。如此，在大负载的电流限制中，在限制电流达到I4(＝600mA)之后会实现无电流限制，而输出电压Vo达到5V的目标电压。

将在输出电压Vo完成其升高之后达到的限制电流I5(＝750mA)设计成比在5V的输出电压Vo下的标准状态中流入负载的可能最大电流大的量。结果，上述电流限制控制不能防止恒压控制。

如上所述，当输出电压Vo升高时，本电流限制控制进行，这样，使输出电流Io以预定恒间隔t1逐步增加150mA的恒流量。因此，随着限制电流的增加，输出电压Vo也慢慢地增加。这种控制降低或抑制了在输出电压Vo达到目标电压5V时的过调量升高。

本发明人以图5A至5C和6A至6C的试验结果为基础，确定了时间间隔t1和电流梯度I1，此电流梯度是随着限定电流逐步增加所需要的。各图中的结果表明，在电阻器R11具有20Ω的电阻、电容器C12具有3.3μF的电容以及限制电流值设定为常数的条件下，在端子12处的电压VB和输出电压Vo都升高。图5A，5B和5C分别表示在100mA、200mA和400mA的限制电流下所获得的结果；图6A，6B和6C分别表示在700mA、1A和1.4A的限制电流下所获得的结果。

在输出电压Vo控制到5V的目标值的条件下，250mA的电流流过电阻器R11。因此，如图5A和5B所示，当限制电流低于250mA时，输出电压Vo不可能达到5V。另一方面，如图5A至5C所示，限制电流越大，流入电容器C12的电流就越大，因此出现了更大的过调量。考虑到这些结果，在400mA的限制电流下获得的图5C的过调量看上去是合理的，因此该过调量被设定为目标值。在此条件下，流过电容器C12的电流(即，充电电流)是150mA(＝400mA-250mA)。

换句话说，假设在输出电压Vo升高至目标电压5V的同时电流在150mA的范围内变化，就可以使过调量抑制到图5C所示的这种程度。基于这种研究，电流梯度I1设定为150mA。此外，由于负载电流最大为750mA(R11＝6.6Ω)，因此当电容器C12的电容设定为3.3μF时所获得的时间常数为几十微秒。因而时间间隔t1设定为几百微秒，包括适当的容限。

以此方式，根据本实施例的电源电路11设置有限流器19，随着时间流逝，该限流器19能够响应使输出电压Vo升高的操作逐步增加输出电流Io的限制值(即，电压跟踪控制起动或者在电压跟踪控制下将电池电压VB施加于输入端12)。因此，利用限制为等于或低于限制电流值的输出电流Io，对输出电流Io进行控制以便随着时间流逝逐步增加。输出电流Io以所控制的方式增加会引起输出电压Vo逐步增加，作为结果，可以降低输出电压Vo的过调量。因此，可以抑制过调量，同时仍降低连接于输出端13的电容器C12的电容。此外，片式电容器可用作电容器C12，由此可以大大减小电源电路11的尺寸，降低该电路的制造成本。

此外，将在输出电压Vo升高至5V的目标电压之后所需的限制电流I5设定为满足以下条件的量(在上例中，750mA)：该量应超过由负载所需的最大电流值并且能够抑制过多电流响应地流入过载和/或短路负载，因此防止电路损坏。结果，在正常工作状态，电压跟踪控制精确地给出作为目标的5V输出电压；而在非正常工作状态，电流限制控制将输出电流Io限制为量I5。

(第二实施例)

参考图7，现在描述本发明的第二实施例。

图7部分以框图形式表示出根据第二实施例的斩波器型开关电源电路35的电路图。该电源电路35逐步降低所输入的电池电压VB以输出5V的目标电压。在图7中，为了简化说明，与图2中的电源11相同或相似的元件选用与图2中相同的参考标记。

如图7所示，电抗器L11电连接在晶体管Q11的集电极和输出端13之间；齐纳击穿二极管D16电连接在晶体管Q11的集电极和地线14之间以便防止过高电压和电流飞轮。在电路中齐纳击穿二极管D16的极性如图7所示的那样取向。电源电路35设置了以双极工艺制造的IC36。设置IC36以控制晶体管Q11的操作。

象图2中所示的IC15，IC36装配有电压检测电路16、参考电压发生电路17、运算放大器18、限流器19、晶体管Q12、斩波发生电路37和比较器38。斩波发生电路37产生了规定振幅的斩波，该斩波被输送到比较器38的反相输入端。比较器38具有第一和第二非反相输入端，它们分别与限流器19和运算放大器18的输出端耦合。比较器38的反相输入端与斩波发生电路37的输出端耦合。比较器38的输出端与晶体管Q12的基极耦合。

在上述结构中，比较器38运行时从限流器19和运算放大器18互相添加输出信号，并且将所得到的添加信号与斩波信号进行比较。结果，当所添加的信号在振幅上大于斩波信号时比较器38能够打开晶体管Q12，因此在当所添加的信号高于斩波信号时的时间段中，借助晶体管Q12使晶体管Q11处于打开状态。由此控制晶体管Q11的占空比(打开状态阶段)从而对输出电压Vo进行恒压控制(即，电压跟踪控制)，这样输出电压Vo就与5V的目标电压一致。另一方面，当迫使输出电流Io过量流动时，限流器19将通过减少其输出信号而预先提供对策。响应输出信号的这种减少，还降低了占空比以降低输出电压Vo，由此将限制提供至输出电流Io。

在此实施例中，响应于电池电压VB向输出端12的施加，限流器19通过时间间隔t1、150mA的特定电流使限制电流值向输出电流Io逐步增加。限制电流值的控制可以响应限制电流值的增加而逐步增加输出电压Vo，结果可以减少由于达到5V的目标电压而引起的过调量。

通常来讲，这种类型的电源电路需要软启动电路，以逐步提升启动电源电路的占空比，但本实施例不需要这种电路。

顺便说一下，如上述第一和第二实施例中所描述的那样，当电源电路投入工作时，有效地并直接地控制输出电压的升高速度，因此基本上防止了或显著抑制了输出电压过调量的产生。然而，在此电源电路应用于例如车用ECU(电控单元)的情况下，还需要改善如下的电源电路的输出电压的升高特性。

ECU通常位于辅助驾驶位的下部附近，相对远离安装在发动机室中的电池。这样从电池到ECU的线路长度为几米，所以沿着此线路分布的电感元件不可忽略并且不影响点火(IG)开关的转换。也就是说，点火开关从关闭状态向打开状态的频繁转换将引起从电池向ECU的涌入电流过多或过少，涌入电流招致了向ECU的输入电压的瞬变现象。

如果在升高输出电压的过程中出现瞬变现象，所出现的瞬变还会叠加在控制为线性增加的输出电压上，由此影响连接于此电源电路的负载电路。一个例子在于，如果负载电路是微机，微机会无法正常响应复位命令，而电源电路处于启动操作。

因此，提供下面的不同实施例，从而进一步改善电源电路输出电压的升高特性。特别是，防止了在当输出电压以控制速率升高时所产生的输出电压中出现的瞬变现象，或这将此现象减少到基本上可忽略的水平。

(第三实施例)

参见图8至11，现在描述本发明的第三实施例。

图3详细描述串联调节器型电源电路的电路结构，该电源电路结合在汽车发动机用ECU100中。

ECU100具有输入端101a，电池102的正极端子经过点火开关103连接至输入端101a。ECU100还具有端子101c和101b，电池102的负极端子分别连接到端子101c和101b。在下述说明中，供应到一个输出端101a的电池电压表示为VB，供应到另一个输入端101c的另一电池电压表示为VBATT。

ECU100具有各种电路框图，在图9中示出。在ECU100中，正如在此示出的那样，这里有由粗实线划出的电路框图，即，电源电路104，缓冲电路/接口电路105、照明/继电器驱动电路106、喷射控制电路107、电子阀驱动电路108以及加热器驱动电路109，所有这些都设计成在电池电压VB供应的电压下工作。这些电路105至109(除了电源电路104)集合在一起并且表示为连接于图8的端子101a和101b的负载电路113。同时，在ECU100中，还有由细实线画出的电路，即，CPU外围电路110、传感器电路111和模拟开关电路112，它们被设计为在由电源电路104提供的5V电压下进行工作。这些电路110至112集合在一起并且表示为连接于图8所示的电源电路104的输出端114a和114b的负载电路115。

如图8所示，平稳(滤波)电容器C101、C102和C103分别连接在终端101a和101b之间、终端101c和101b之间和终端114a和114b之间。在连接终端101a和114b的电流路径(输电路径)中，形成有串联电路，该电路由电阻器R101(即，形成电流检测电路)和PNP-型晶体管Q101(即，形成主晶体管)构成，晶体管Q101的发射极和集电极连接到两端。该晶体管Q101由IC116控制。

在此IC116中，设置有用于分压的电阻器R102和R103。也就是说，在连接于终端114a的IC终端116a和IC116中的地线117的位置之间，连接由电阻器R102和R103构成的串联电路，以形成电压检测电路118。在电阻器R102和R103之间的中间连接处产生检测电压Va，该电压Va是通过按照电阻R102和R103之间的比例分开输出电压Vo所产生的。

IC还设置有由带隙参考电压电路和其他构成的参考电压发生电路119(形成参考电压发生电路)。该电路119产生对应于目标电压(5V)的给定参考电压Vr1。分别向结合在此IC116中的运算放大器120(形成电压控制电路)的非反相和反相输入端施加参考电压Vr1和检测电压Va。

NPN型晶体管Q102设置在IC116中，这样，晶体管Q102的集电极和发射极分别连接于上述晶体管Q101的基极和地线117。晶体管Q102的基极与运算放大器120的输出端连接。此外，NPN型晶体管Q103和Q104彼此平行地设置在IC116中，这样各晶体管的集电极和发射极分别与晶体管Q102和地线117耦合。晶体管Q104形成本发明的切断电路。

晶体管R101的输入侧端依次经过IC端116c和电阻器104连接到比较器121(形成电流限制电路)的非反相输入端；电阻器R101的输出侧端经过IC端116d连接到比较器121的反相输入端。比较器121的输出行进至上述晶体管Q103的基极。

IC116还包括启动控制电路122，该电路122负责响应点火开关103的打开状态来控制电源电路104的升高速度。将此启动控制电路122设计成按照由IC端116e和116f随时提供的电池电压VBATT进行工作，此电路122包括参考电流发生电路123和信号控制电路124。当然，将此参考电流发生电路设计成产生流过电阻器104的参考电流，参考电流逐步增加。将此信号控制电路124设计成产生发送到参考电流发生电路123的转换信号S1至S4和发送到上述晶体管Q104的控制信号Sd(相应于升高启动信号)。

具体来说，参考电流发生电路123放置在比较器121的非反相输入端和地线117之间并且包括四个串联的电路系统，这四个串联电路系统以并联的方式互相连接，各串联电路系统由恒流电路125a(125b，125c和125d)和模拟开关126a(126b，126c和126d)构成。恒流电路125a-125d形成输出参考电流I1至I4，它们全部设定为等于量Ia。并行设置的串联电路系统的数量对应于用于控制启动操作所需的参考电流转换器的数量。当各转换器的信号S1至S4变为“H(高)”电平时，各模拟开关126a至126d打开。

此外，信号控制电路124设置有图10中所示的控制信号发生电路127(对应于延迟控制电路)。此控制信号发生电路127利用对电容器充电的时间产生上述控制信号Sd，该电路127包括：充电电路130，包括由恒流电路128和电容器129构成的串联电路；连接到电容器129的两端的放电开关电路131；产生参考电压Vr2的参考电压发生电路132；以及比较器133(形成比较电路)，对在经过电容器129的终端电压和参考电压Vr2之间进行比较。顺便提及，将恒流电路128设计成仅当点火开关103处于打开状态时才提供恒定电流，而开关131仅当点火开关103处于关闭状态时才保持打开状态。

虽然未示出，但是信号控制电路124具有用于产生转换信号S1-S4的计时电路。响应于信号Sd向H电平的过渡，转换信号S1从L(低)转换为H电平，然后，在各计时电路计算特定时间段T的每一时间。剩余转换信号S2至S4依次从L电平转换为H电平。计时器电路和参考电流发生电路23组成了本发明的限制电流值设定电路。

现在参考图11A和11B说明电源电路104的操作。

图11A和11B表示出在电源响应点火开关103从关闭状态向打开状态的转换而进行起动操作的过程中在电路中的各特定位置处的波形。在这些图中，图11A表示根据本实施例的电源电路104得到的波形，图11B示出在通过从电源电路104中去除控制信号发生电路127和晶体管Q104而形成的结构中得到的波形。图11A和11B的波形从上部依次示出电池电压VB、输出电压Vo、流过电阻器R1的电流Ivb、转换信号S1至S4以及控制信号Sd(仅在图11A中)。

正如之前所述，ECU101常常设置在汽车的辅助驾驶座附近，这样连接装在发动机室中的电池102和ECU101的线路长度趋于更长。电感元件沿着线路分布，因此，点火开关103从关闭状态向打开状态的转换通常会导致涌入电流突然从电池102流入电容器C101和C102。因此，电池电压VB出现振铃分量并随着时间流逝逐渐变弱。

当点火开关103处于关闭状态时，在控制信号发生电路127中的开关电路131处于打开状态，因此经过电容器129的终端电压为0V，因此控制信号Sd处于H电平。这保持晶体管Q104处于打开状态，保持晶体管Q102和Q101处于关闭状态，因此从电源电路104没有提供输出电压。在此状态中，转换信号S1-S4全部处于L电平。

在图11A中，当点火开关103在时间瞬间t1打开时，在控制信号发生电路127中的开关电路131关闭，这使恒流电路128开始输出恒流。因此开始对电容器129充电，在从时间瞬间t1开始的延迟时间Td之后，经过电容器129的终端电压达到参考电压Vr2，由此使控制信号Sd从H电平转变为L电平。由于可以预知叠加在电池电压VB上的瞬变量的降低特性，因此把上述延迟时间Td设定为特定量，该量可以使输出电压Vo响应于对电流限制量的逐步增加控制而稳定地单调增长，跟随如下。

响应控制信号Sd向L电平的转换，信号控制电路124将开关信号Sd从L电平转向H电平。因此，晶体管Q104变为关闭状态，而晶体管Q102和Q101变为打开状态。同时，源自恒流电路25a的参考电流I1流过电阻器R104，这样，由比较器21执行的电流限制控制将产生用作限制电流值的电流Ivb，这可以由下述表达式(12)表示：

Ivb＝I1*R4/R1＝Ia*R4/R1    …(12)

那么只要预定的时间段T从时间瞬间t2继续地流逝，也就是说，在各个时间瞬间t3、t4和t5，信号控制电路124就将剩余的转换信号S2、S3和S4从L电平依次转向H电平。由于比较器121进行了电流限制控制，因此相应于各转换信号S2-S4的电流Ivb依次增加，但限制为由各下述表达式(13)至(15)所示出的电流值：

Ivb＝(I1+I2)*R4/R1＝2*Ia*R4/R1    …(13)

Ivb＝(I1+I2+I3)*R4/R1＝3*Ia*R4/R1    …(14)

Ivb＝(I1+I2+I3+I4)*R4/R1＝3*Ia*R4/R1    …(15)

简言之，如图11A所示，当点火开关103打开时，电源电路104不开始其启动操作，而是等待延迟时间段Td，在此时间段Td，叠加在电池电压VB上的振铃分量减弱。在延迟时间Td之后，电源电路104以步进模式开始其启动操作。

在步进启动操作时，由比较器121提供的电流限制控制变得有效，取代了由运算放大器120提供的恒压控制。因此，对于输出电压的波动的直接反馈控制是无用的，因此输出电压Vo可能由于在输出电压VB中的波动而波动。

然而，当启动操作开始时，叠加在电池电压VB上的振铃分量完全被减弱。结果，由于电池电压VB的振铃分量引起的输出电压Vo的波动(振铃分量)相当小，保证了输出电压Vo以单调提高的方式增加。

负载电路115包含CPU外围电路110，此电路110具有影响输出电压Vo的复位电路。例如，将此复位电路设计成在输出电压Vo超过3V的情况下释放复位，在输出电压Vo超过4V的情况下发出复位信号，以便允许向外部存储器或其它装置的存取。因为在启动操作的过程中确保了输出电压Vo的单调(线性)提高，所以上述复位电路能够以平稳的方式发出复位信号，几乎完全避免了错误的复位操作。

同时，如果没有执行在延迟时间Td的上述延迟控制，在此情况下的工作状态如图11B中所示。也就是说，在点火开关103打开之后立即将转换信号S1-S4以时间间隔T依次改变为H电平，由此开始限制电流值的逐步增加。因此，在电池电压VB的振铃分量仍旧很大(即，在电池电压VB中的波动仍很大)时就迫使输出电压Vo增加，由于剩余分量使得输出电压Vo的波动变得很大。本发明确实改进了此缺陷，如图11A所示。

如上所述，根据本实施例的电源电路104能够进一步增加电源的有利升高特性。也就是说，此电源电路104保证了几乎完全地避免由于在启动操作的过程中叠加在电池电压VB上的振铃分量引起的输出电压的波动，或者将这种波动抑制到低值。输出电压可以尽可能地线性增加。在输出电压方面保证线性的增加使得启动操作和初始化操作在负载电路15中平稳地进行。此外，将延迟时间Td设定为更长的量会引起电容器C101电容的降低，因此有助于制造出更小型的电源电路104并降低了该电路的制造成本。此外，在延迟时间Td的过程中晶体管104使晶体管Q102和Q101处于关闭状态，即使在电池电压VB处于打开状态后的过渡阶段，电源电路104的电压输出操作也可以稳定地停止。

此外，象第一和第二实施例，只要在启动操作过程中过去了特定时间段T，就可以允许电流Ivb逐步增加特定的电流量Ia，因此，随着限制电流值的增加，输出电压Vo也逐步地增加。因此，可以避免或明显抑制当输出电压Vo升高至目标电压Vo时出现的过调量，因此可以采用片状电容器作为电容器C103。所以可以将电源电路104制得更小并降低了它的制造成本。

(第四实施例)

参考图12，现在描述本发明的第四实施例。在此实施例中，取代上述控制信号发生电路127，采用另一种控制发生电路134作为延迟控制电路，如图12所示，与图10相同或相似的元件由与图10相同的参考标记表示。

控制信号发生电路134同样利用时间对电容器充电以产生控制信号Sd，该电路134包括由电阻器135和电容器129的串联电路构成的充电电路136、开关电路131、参考电压发生电路132和比较器133。充电电路136连接终端101a和101b。

在此电路中，响应点火开关103从关闭状态向打开状态的转换，开关电路131关闭，通过电阻器136开始对电容器129进行充电。在延迟时间Td之后，经过电容器129的终端电压超过参考电压Vr2，因此控制信号Sd从H电平转换为L电平。利用此控制信号Sd提供了与涉及电源的启动操作的第三实施例中的那些类似的操作和优点。

(第五实施例)

参见图13，现在描述本发明的第五实施例。在此实施例中，取代了上述控制信号发生电路127，另一种控制信号发生电路137用作延迟控制电路，如图13所示。

此控制信号发生电路137装配有根据电池电压VBATT工作并输出振荡时钟的振荡电路138和利用振荡时钟作为参考时钟进行工作的计时电路139。当点火开关103处于关闭状态，计时电路139输出高电平控制信号Sd。当点火开关103打开时，计时器139计算预定时间段，然后将控制信号从H电平转向L电平。

像上述第三实施例那样，此控制信号Sd可用于启动电源，由此提供与第三实施例中类似的操作和优点。

(第六实施例)

现在参考图14描述本发明的第六实施例。在此实施例中，代替上述控制信号发生电路127，另一控制信号发生电路140用作延迟控制电路，如图14所示。

此控制信号发生电路140构造成直接检测电池电压VB的振铃分量，由此产生控制信号Sd。具体而言，此电路140装配有用于产生参考电压Vr3的参考电压发生电路141、用于在参考电压Vr3和电池电压VB之间进行比较的比较器42(对应于比较电路)和滤波器电路(对应于恒电平检测电路)。

由于参考电压Vr3设为接近于电池电压VB的固定值(平均值)的值，因此只要电池电压VB的振铃分量大，比较器142的输出就会保持变化。间隔地接收比较器142的输出信号的滤波器电路143响应在特定时间段中保持相同水平的输出信号将控制信号Sd从H电平变为L电平。

因此，这种控制信号Sd可用于启动电源，由此提供与第三实施例相同的操作和优点。此外，控制信号发生电路140直接检测电池电压VB的变化。作为结果，可以没有失败地发现减少的振铃分量。因此延迟时间变得精确，这样不再需要无用的等待时间。

正如上述部分解释的那样，根据本发明的电源电路可应用于各种类型的电源电路，例如线性调节器、斩波形开关调节器和反相型开关调节器。在这些调节器中，设置主晶体管以便从其输入端向其输出端插入输电路径并响应来自电压控制电路和电流限制电路的命令，从而有效地控制能量从输入端向输出端的传输。

此外，在上述限制电流值设定电路21或启动控制电路122中并不一定限制为如上所述的下述结构：在此结构中，用于启动输出电压Vo的输出电流Io和用于启动电源的电流Ivb的限制电流值根据以特定时间间隔的特定量逐步增加，而是可以进行如下修改。例如，在相应于各时间段的各阶段中，限制电流值可以在它们的振幅-变化宽度和/或它们的时间间隔中进行区分。此外，用于改变限制电流值的阶段数量不限于上述实施例中所列出的五个或四个阶段，而是可由适当选择的其它数量替代。以下情况通常是正确的：在各阶段限制电流的振幅-变化宽度越小，上述过调量的抑制越稳定。输出电流的限制值还可以连续地增加，从而取代逐步增加的方式，这样可以更稳定地抑制过调量。

为了更为完整，还应说明，至此所描述的各种实施例和修改并非是可能实施例的穷举。应理解，在不脱离主要发明原理的条件下他们可以结合各种结构的细节或者可以根据原有技术已知的措施对这些实施例进行补充或修改。

在此将申请日为2002年1月15日的日本专利申请2002-005993和申请日为2002年7月12日的日本专利申请2002-204371的全部内容(包括说明书、权利要求、附图和概述)引作参考。

Claims (13)

1.一种电源电路，包括：

设置在连接输入端和输出端的输电路径中的主晶体管；

电压检测电路，构造成根据由输出端提供的输出电压进行检测电压的检测；

参考电压发生电路，构造成按照目标电压产生参考电压；

电压控制电路，构造成控制主晶体管，使得检测电压与参考电压一致；

电流检测电路，构造成检测由输出端提供的输出电流；

限制电流值设定电路，构造成设定输出电流的限制值，以便在使输出电压升高至目标电压的情况下该限制值逐渐增加；以及

电流限制电路，构造成控制主晶体管，以便在使输出电压升至目标电压的情况下输出电流保持在小于或等于限制值的值。

2.根据权利要求1的电源电路，其中限制电流值设定电路构造成当输出电压升高时随着时间的流失逐步增加该限制值。

3.根据权利要求2的电源电路，其中限制电流值设定电路构造成在输出电压升高的过程中以给定的时间间隔将该限制值逐步增加预定量。

4.根据权利要求2的电源电路，其中限制电流值设定电路设置有计算预定时间段的计时器电路和当该计时器电路完成对预定时间段的计时的时候将限制值增加预定量的限制值增加电路。

5.根据权利要求1的电源电路，其中限制电流值设定电路构造成在输出电压升高的过程中随着时间的流失持续增加限制值。

6.根据权利要求1的电源电路，其中电源电路形成为具有电路系统的串联调节器，在此电路系统中设置用作输电路径的电流源路径以连接输入端和输出端，主晶体管设置在电流源路径中。

7.根据权利要求1的电源电路，进一步包括延迟控制电路，此延迟控制电路构造成当已经施加于输入端的输入电压的振铃分量减小时输出升高启动信号，

其中，限制电流值设定电路构造成：响应于输出的升高启动信号设定输出电流的限制值，从而使限制值逐步地增加；

电流控制电路构造成：根据由电路检测电路检测出的输出电流和由限制电流值设定电路设定的限制值，控制主晶体管，从而将输出电流保持在预定值。

8.根据权利要求7的电源电路，其中将当延迟控制电路输出升高启动信号时的时间设定为当在输入电压施加于输入端之后过去了预定时间周期时的时间。

9.根据权利要求8的电源电路，其中延迟控制电路设置有充电电路和比较电路，该充电电路利用所施加的输入电压进行工作并在输入电压上提供充电电压，该比较电路在充电电压和给定阈值之间进行比较以便输出升高启动信号。

10.根据权利要求8的电源电路，其中延迟控制电路设置有振荡电路和计时器电路，该振荡电路输出参考时钟信号，该计时器电路利用参考时钟信号进行工作，从而当在输入电压施加于输入端之后过去了预定时间周期时输出升高启动信号。

11.根据权利要求7的电源电路，其中延迟控制电路设置有比较电路和恒电平检测电路，该比较电路在所施加的输入电压和给定阈值之间进行比较以输出比较信号，该恒电平检测电路在比较信号对于给定的时间间隔保持在相同电平的条件下输出升高启动信号。

12.根据权利要求7的电源电路，还包括切断电路，该电路构造成将主晶体管控制在它的关闭状态，直至输出升高启动信号。

13.根据权利要求7的电源电路，其中将电源电路形成为具有电路系统的串联调节器，在此电路系统中，设置用作输电路径的电流源路径以连接输入端和输出端，主晶体管设置在电流源路径中。

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