CN206339892U - 一种电源电压控制装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于电源控制技术领域，公开了一种电源电压控制装置，包括：电压基准单元，差值比较与控制运算单元，电压调整单元；其中，所述电源输入端分别与所述电压基准单元的输入端、所述差值比较与控制运算单元的电源供电端和所述电压调整单元的电压输入端并联连接，所述电压基准单元的输出端与所述差值比较与控制运算单元的信号输入端串联连接，所述差值比较与控制单元的输出端与所述电压调整单元的控制输入端串联连接，所述电压调整单元的输出端连接电源输出端，能够在电源输入电压过高时通过控制MOS管的导通状态改变MOS管漏极与源极之间的电阻，从而稳定电源输出电压。

Description

一种电源电压控制装置
技术领域
本实用新型属于电源控制技术领域，尤其涉及一种电源电压控制装置，用于电池供电的便携式通信设备中对电源电压进行限制。
背景技术
随着现代移动通信的飞速发展，对电源电路系统提出了更高的要求，不仅要求多种输出电压，而且要求具有更小的尺寸，更高的效率。特别是在一些便携式通信设备中，对电源功耗和小型化提出了更高的要求。
目前，采用电池供电的电路设计中绝大多数采用电源模块设计，而对于部分短时间大电流工作的设备采用电源模块设计存在以下问题：由于短时间大电流工作的设备瞬时功率大，工作时间短，按照最大功率所选择的电源模块体积大，价格昂贵；采用电源模块将输入电压转换为输出电压，当输入电压高于输出电压时需采用降压型DC-DC变换器，当输入电压与输出电压接近时采用电源模块会降低效率，同时会降低输出电压，但在输入电压小于额定输出电压时再进行电压转换则无端的消耗电量，所以采用电源模块设计存在能耗高的问题。
在实际工作中存在这样的现象：电池供电范围为9～14V，而电路中的发射模块工作电压范围为9～13V，直接采用电池供电有可能会因高电压而损坏发射模块，假如采用电源模块将电池电压转换为12V，当电池电压在9～13V时电源模块所起的作用不大，同时还要消耗能量，但是又必须采用电源模块防止电池电压达到14V而损坏发射模块。
实用新型内容
针对上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种电源电压控制装置，能够在电源输入电压过高时通过控制MOS管的导通状态改变MOS管漏极与源极之间的电阻，从而稳定电源输出电压，当电源输入电压不高时控制MOS管全导通(导通电阻几十毫欧)，从而将电源输入电压输出。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现。
一种电源电压控制装置，所述电源电压控制装置设置有电源输入端和电源输出端，所述装置包括：电压基准单元，差值比较与控制运算单元，电压调整单元；其中，所述电源输入端分别与所述电压基准单元的输入端、所述差值比较与控制运算单元的电源供电端和所述电压调整单元的电压输入端并联连接，所述电压基准单元的输出端与所述差值比较与控制运算单元的信号输入端串联连接，所述差值比较与控制单元的输出端与所述电压调整单元的控制输入端串联连接，所述电压调整单元的输出端连接电源输出端。
本实用新型技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)所述差值比较与控制运算单元采用级联的第一级集成运算放大器和第二级集成运算放大器组成；
所述电源输出端通过输出电压反馈网络与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；所述电源输入端通过输入电压采样网络与所述第二级集成运算放大器的正极输入端连接；
所述输出电压反馈网络包含第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一电阻的一端与所述电源输出端连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端并联连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；
所述输入电压采样网络包含第六电阻和第七电阻；所述第六电阻的一端与所述电源输入端连接，所述第六电阻的另一端分别与所述第二级集成运算放大器的正极输入端和所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端接地。
(2)所述装置还包括第五电阻，所述电压调整单元采用MOS管；
所述电源输入端还分别与所述电压基准单元的信号输入端、所述第一级集成运算放大器的电源供电端、所述第二级集成运算放大器的电源供电端以及所述MOS管的源极连接，所述电压基准单元的信号输出端连接第一级集成运算放大器的正极输入端，所述第一级集成运算放大器的信号输出端通过第五电阻连接第二级集成运算放大器的负极输入端，所述第二级集成运算放大器的信号输出端连接MOS管的栅极，所述MOS管的漏极连接电源输出端。
(3)所述装置还包括第四电阻和第八电阻；
所述第一级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第四电阻，所述第一级集成运算放大器的接地端接地；所述第二级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第八电阻，所述第二级集成运算放大器的接地端接地。
(4)所述装置还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述MOS管的栅极连接，所述第一电容的另一端接地。
(5)所述MOS管为P沟道增强型MOS管，所述MOS管的源极连接电源输入端，MOS管的漏极连接电源输出端，当MOS管的栅极电压等于源极电压时MOS管不导通，则漏极电压为零；当MOS管的栅极电压低于源极电压且其差值达到MOS管的开启电压后，MOS管开始导通，MOS管内的电流从MOS管的源极流向漏极。
本实用新型技术方案的有益效果为：(1)由于采用MOS管进行阻值变化设计，同时电路在应用过程中仅仅进行脉冲应用，且脉冲间隔较长，所以MOS管的散热条件完全满足应用要求，与大功率电源模块相比体积小；(2)整个电路设计中仅在电源输入电压超出要求时才会存在电阻消耗，与电源模块相比消耗的时间短，总体消耗低；(3)本实用新型技术方案能够在电源输入电压过高时确保电源输出电压不超标的同时具有额定电流的带载能力，在电源输入电压不高时直接将输入电压输出。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种电源电压控制装置的结构示意图：
其中，R1表示第一电阻，R2表示第二电阻，R3表示第三电阻，R4表示第四电阻，R5表示第五电阻，R6表示第六电阻，R7表示第七电阻，R8表示第八电阻，C1表示第一电容。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供一种电源电压控制装置，如图1所示，所述电源电压控制装置设置有电源输入端和电源输出端，所述装置包括：电压基准单元，差值比较与控制运算单元，电压调整单元；其中，所述电源输入端分别与所述电压基准单元的输入端、所述差值比较与控制运算单元的电源供电端和所述电压调整单元的电压输入端并联连接，所述电压基准单元的输出端与所述差值比较与控制运算单元的信号输入端串联连接，所述差值比较与控制单元的输出端与所述电压调整单元的控制输入端串联连接，所述电压调整单元的输出端连接电源输出端。
进一步的，所述差值比较与控制运算单元采用级联的第一级集成运算放大器和第二级集成运算放大器组成；
所述电源输出端通过输出电压反馈网络与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；所述电源输入端通过输入电压采样网络与所述第二级集成运算放大器的正极输入端连接；
所述输出电压反馈网络包含第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一电阻的一端与所述电源输出端连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端并联连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；
所述输入电压采样网络包含第六电阻和第七电阻；所述第六电阻的一端与所述电源输入端连接，所述第六电阻的另一端分别与所述第二级集成运算放大器的正极输入端和所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端接地。
具体的，当电压调整单元采用MOS管实现时，由所述电压基准单元、所述差值比较与控制运算单元以及所述电压调整单元组成的电源电压控制电路，如图1所示，具体为：
所述装置还包括第五电阻，所述电压调整单元采用MOS管；
所述电源输入端还分别与所述电压基准单元的信号输入端、所述第一级集成运算放大器的电源供电端、所述第二级集成运算放大器的电源供电端以及所述MOS管的源极连接，所述电压基准单元的信号输出端连接第一级集成运算放大器的正极输入端，所述第一级集成运算放大器的信号输出端通过第五电阻连接第二级集成运算放大器的负极输入端，所述第二级集成运算放大器的信号输出端连接MOS管的栅极，所述MOS管的漏极连接电源输出端。
所述装置还包括第四电阻和第八电阻；
所述第一级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第四电阻，所述第一级集成运算放大器的接地端接地；所述第二级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第八电阻，所述第二级集成运算放大器的接地端接地。
更进一步的，所述装置还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述MOS管的栅极连接，所述第一电容的另一端接地。
需要说明的是，所述第一电容C1用来防止电路发生自激。
对于如图1所示的电路，其中：
A点电压：(忽略同相端在该点的电压)
第一级运算放大器正极输入端电压：V+(即电压基准电路输出端电压)
B点电压VB：
C点电压VC：
D点电压VD：
假设电源负载电阻为R，MOS管的跨导为gfs，则电源输出电压Vout＝(Vin-VD)×gfs×R
即：
则
即
对于固定功耗的电源负载电阻为R和固定的MOS管跨导gfs，等式(1)当中为常数，也为常数，通过减小来减少电源输入电压对电源输出电压的影响，当电源输入电压超过一定阈值后，电源输入电压Vin的增长大于电源输出电压Vout的增长，通过该种方式完成电源输出电压的限制。
该设计当中采用P沟道增强型MOS管进行设计，源极作为电源输入，漏极作为电源输出，当栅极电压等于源极电压时MOS管不导通，漏极无输出；当栅极电压低于源极电压且差值达到MOS管的开启电压后MOS管开始导通，电流从MOS管的源极流向漏极，电流大小由MOS管的跨导和栅极与源极之间的电压差值而定。
假设栅极电压为VG，源级电压为VS，负载电阻为R，MOS管的跨导为gfs，则漏极电压VD＝(Vs-VG)×gfs×R。
当输入电压高时栅极电压增高，导致栅极与源极的差值减小，MOS管的导通电流变小，负载阻值不变，则漏极电压(即输出电压)变小；当输入电压较低时栅极电压降低，导致栅极与源极的差值增大，MOS管的导通电流变大，负载阻值不变，则漏极电压(即输出电压)变大。
假设R1＝10k，R2＝10k，R3＝20k，R4＝400k，R5＝10k，R6＝10k，R7＝1k，R8＝10k，gfs＝21，R＝3，V+＝4V；
则
当电源输入电压低于8.4伏时MOS管处于全导通状态，MOS管漏极输出电压等于电源输入电压，假设电源输入电压输入范围为8V～20V，则输出电压为8V～10.4，通过设置阻值及电压基准可改变输出电压幅度和变化范围。
假设阻值变化单元选择三极管进行设计则有：
输出电压Vout＝VD-0.7
即
则有：
从而采用三极管进行设计的电源输出电压更容易看出电源输入电压Vin与电源输出电压Vout之间的关系，但采用三极管进行设计存在0.7V的压差。
本实用新型技术方案的有益效果为：(1)由于采用MOS管进行阻值变化设计，同时电路在应用过程中仅仅进行脉冲应用，且脉冲间隔较长，所以MOS管的散热条件完全满足应用要求，与大功率电源模块相比体积小；(2)整个电路设计中仅在电源输入电压超出要求时才会存在电阻消耗，与电源模块相比消耗的时间短，总体消耗低；(3)本实用新型技术方案能够在电源输入电压过高时确保电源输出电压不超标的同时具有额定电流的带载能力，在电源输入电压不高时直接将输入电压输出。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电源电压控制装置，所述电源电压控制装置设置有电源输入端和电源输出端，其特征在于，所述装置包括：电压基准单元，差值比较与控制运算单元，电压调整单元；其中，所述电源输入端分别与所述电压基准单元的输入端、所述差值比较与控制运算单元的电源供电端和所述电压调整单元的电压输入端并联连接，所述电压基准单元的输出端与所述差值比较与控制运算单元的信号输入端串联连接，所述差值比较与控制单元的输出端与所述电压调整单元的控制输入端串联连接，所述电压调整单元的输出端连接电源输出端。
2.根据权利要求1所述的一种电源电压控制装置，其特征在于，所述差值比较与控制运算单元采用级联的第一级集成运算放大器和第二级集成运算放大器组成；
所述电源输出端通过输出电压反馈网络与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；所述电源输入端通过输入电压采样网络与所述第二级集成运算放大器的正极输入端连接；
所述输出电压反馈网络包含第一电阻、第二电阻和第三电阻；所述第一电阻的一端与所述电源输出端连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第二电阻的一端、所述第三电阻的一端并联连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端与所述第一级集成运算放大器的负极输入端连接；
所述输入电压采样网络包含第六电阻和第七电阻；所述第六电阻的一端与所述电源输入端连接，所述第六电阻的另一端分别与所述第二级集成运算放大器的正极输入端和所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种电源电压控制装置，其特征在于，所述装置还包括第五电阻，所述电压调整单元采用MOS管；
所述电源输入端还分别与所述电压基准单元的信号输入端、所述第一级集成运算放大器的电源供电端、所述第二级集成运算放大器的电源供电端以及所述MOS管的源极连接，所述电压基准单元的信号输出端连接第一级集成运算放大器的正极输入端，所述第一级集成运算放大器的信号输出端通过第五电阻连接第二级集成运算放大器的负极输入端，所述第二级集成运算放大器的信号输出端连接MOS管的栅极，所述MOS管的漏极连接电源输出端。
4.根据权利要求2所述的一种电源电压控制装置，其特征在于，所述装置还包括第四电阻和第八电阻；
所述第一级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第四电阻，所述第一级集成运算放大器的接地端接地；所述第二级集成运算放大器的输出端和其负极输入端之间还连接有第八电阻，所述第二级集成运算放大器的接地端接地。
5.根据权利要求3所述的一种电源电压控制装置，其特征在于，所述装置还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述MOS管的栅极连接，所述第一电容的另一端接地。
6.根据权利要求3所述的一种电源电压控制装置，其特征在于，所述MOS管为P沟道增强型MOS管，所述MOS管的源极连接电源输入端，MOS管的漏极连接电源输出端，当MOS管的栅极电压等于源极电压时MOS管不导通，则漏极电压为零；当MOS管的栅极电压低于源极电压且其差值达到MOS管的开启电压后，MOS管开始导通，MOS管内的电流从MOS管的源极流向漏极。
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CN109709362A (zh) * 2019-01-18 2019-05-03 南京优倍电气有限公司 利用dac实现模拟电阻的电路

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