CN87100300A

CN87100300A - 互补金属-氧化物-半导体锁住状态的恢复电路

Info

Publication number: CN87100300A
Application number: CN198787100300A
Authority: CN
Inventors: 吉姆·皮纳德
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1986-04-22
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1987-11-04
Also published as: IT1198188B; GB2191050A; IT8622486A0; US4761702A; GB8627880D0; GB2191050B; CA1287103C; DE3713378A1; FR2599870A1; JPS62250827A

Abstract

一种用于开关稳压电源的过电流断路电路由以下电路组成，这些电路用以检测经脉冲宽度调制输入信号的平均电流，将该平均电流与预定的阈值电平相比较，一旦被检测的电流超过阈值电平，表示输出电路从电源输出了过量的电流便使经脉冲宽度调制的信号的占空比降为零，从而断开该电源。该过电流断路电路保证电源从CMOS锁住或其他过电流引起的故障状态中恢复，而不必手动断开该电源。该电路结构简单、造价低，而且电路所占的面积很小。

Description

本发明一般涉及电源电路，尤其涉及用于瞬时断开开关式稳压电源的过电流断路电路，如果接到该电源的电路中出现CMOS锁住或其他强电流引起的故障状态，过电流断路电路便瞬时断开该电源。

如果极大的输入信号加到放大器上，有源器件（如晶体管）可能被迫处于饱和或截止状态。在饱和状态下，由于在有源器件的P和N型区域和基片之间无意中形成的寄生晶体管的缘故，可能会产生局部的反馈回路。该局部正反馈结果产生被称为锁住的状态。

因此，在电源对有源器件供电的同时，如果大输入信号（起因于静电冲击等）施加于该器件，便可能发生锁住。一般来说，只有手动短时间断开或拔掉电源，才有可能从锁住状态恢复。

在防止锁住这一领域已作了大量的研究。1980年6月24日授予东京SHIBAURA电气有限公司的美国专利4，209，713描述了一种用于消除寄生传导影响的电路。典型呈电阻形式的消噪声装置接在CMOS电路的源极和外电源的正端之间。

然而，在CMOS集成电路中难以制造阻值适当的电阻。另外，受电阻的限制，该CMOS器件不能得到其电源的全电压。

在努力防止形成导致锁住的寄生晶体管的过程中，已研制出许多电路，用以控制对CMOS电路施加高电压源和低电压源的时限。例如1984年4月3日批准并授予米特尔（MITEL）公司的美国专利4，441，035揭示了一个电路，用以控制对一个CMOS电路施加同极性的高压和低压直流电源的时限。按照米特尔的电路，直到较高电压的电源已经加上，才允许施加较低电压的电源，以便基本上消除寄生晶体管的形成。

1982年10月5日批准并授予国家半导体公司的美国专利4，353，105描述一种用于体效应硅CMOS电路的保护电路，该电路检测锁住，并据此使CMOS电路停电一段预定的时间，一旦锁住状态解除，使CMOS电路恢复正常工作。

米特尔专利和国家半导体公司的专利所描述的器件，一般安置在CMOS的自身电路之内，因此其结构复杂，对制造技术要求很高且造价贵。此外，国家半导体公司的保护电路向CMOS电路提供一个控制信号，该信号使CMOS电路处于小电流等待状态。因此，该CMOS电路还包含用以中断该控制信号的附加电路，这是造成电路复杂和造价高的具有代表性的原因之一。

已设计为数众多的电源电路，用以提供对有源器件施加高电压电源和低电压电源的正确加压时序。例如，在1973年9月26日公布的MATSUSHITA电气有限公司的英国专利1，331，962，和1976年1月28日公布的菲利普电子及联合工业有限公司的英国专利1，423，149中，对这样一些电路进行了说明。这些先有技术的电源电路使用复杂的定时和定序电路，致力于防止CMOS锁住和其他强电流引起的故障状态，但尚未提供针对从万一发生的故障中恢复的手段。

尤其是，根据菲利普的专利，电源所配备的电路装置，如在故障状态下工作，则将电源输出电压降低约其正常值的一半，但不降到零伏。因此，如果发生锁住，尽管电压降低，该CMOS电路仍然处于锁住状态。同样，根据MATSUSHITA专利，所描述的电源系统中有一套电路，其设置的目的在于：如果出现极大的输入信号或发生负载短路，便中断该电源装置的供电。这一公知的过电压保护技术的不足之处在于，即使过电流消失后，可控硅电路也不能自己恢复，为了恢复供电，需要一个开关来使可控硅电路恢复到其初始状态。因此MATSUSHITA专利的缺点在于，需要手动重新起动该电源。

根据本发明，一个过电流断路电路包含在电源之中，该电路监视输入电流，如果该电流超过预定的阈值，便关断电源一段预定的时间，之后便自动复原。该断路电路安置在电源之内，从而克服了与先有技术有关的需将CMOS电路中的保护电路本身复合在整机线路上而造成的结构复杂、造价高的缺陷。

根据本发明的电路，实际上提供了使电源从万一发生的故障状态中恢复，而不象先有技术所使用的定序电源电路那样，仅仅用复杂的定时和延时电路来力图防止这种故障的发生。

参考下文结合附图所作的详细说明，将对本发明有更深入的了解。

图1为根据本发明，用于开关稳压电源的过电流断路电路的原理图。

参照图1，有一对在诸如专用自动小交换台的电话系统中的常见的平衡引线对，塞尖（TIP）和塞环（RING），未调输入电压V_IN加到其中一引线（塞尖）上，塞环引线接地。

控制器电源1接收该未调输入电压（一般在25至60伏左右）并产生一个输出电压+V，其电压范围为4至6伏。控制电源1用串联稳压器件的形式，以公知的方式提供该基准电压+V。

由塞尖引线传输的输入电流I_IN通过互感器3的初级绕组3A，并在包括三角波振荡器7和比较器9的脉冲宽度调制电路的控制下，经场效应功率晶体管5被脉冲宽度调制，对此下面将作更详细的说明。

在每个晶体管5导通周期，输入电流互感器3储存直接从平衡的塞尖和塞环引线端得到的能量。在每个晶体管5不导通周期，初级绕组3A按照公知的电磁耦合原理，把所储存的能量释放给次级绕组3B。由此在绕组3B两端便感应出电压，该电压经二极管11整流。

由二极管11输出的整流电压，经电容器15滤波。电容器15（在该成功的范例中其值为100法拉）接在二极管11的输出和单独接地之间。滤波后产生的输出信号V_OUT加到输出端17，可供外部电路，如CMOS电路等使用。

按公知的方式，为调节该电源设置输出电压信号V_OUT的电压串联负反馈。尤其是，三角波振荡器7产生一个三角形信号（在成功的范例中该信号频率为28千赫芝）用于比较放大器9的反向输入。表示为故障（ERROR）的输出电压信号V_OUT′经包含光敏二极管21和光敏晶体管23的光隔离电路传输，用于比较器9的正向输入。在比较器9中，该故障信号的直流电平与所产生的三角波信号相比较，以使比较器9产生一个用于晶体管5的脉冲控制信号，其占空比随故障信号的直流电平而线性地变化。

比较器9的开路集电极输出，经上拉电阻25接到基准电压+V，并同时还直接接到场效应管5的栅极端，以便通过晶体管5的源-漏极电路，如上文所描述的那样对输入电流I_IN产生脉冲宽度调制。

在操作中，一旦输出电压信号V_OUT的直流电平达到预期的输出电平（例如+5伏），通过检测出现在连接分压电阻器27和29节点上的预定电压（例如2.5伏），精密比较器31便触发，其结果产生通过光敏二极管21、电阻器32和比较器31流向隔离接地的电流。最好使光敏二极管21和光敏晶体管23，按照公知的技术构成一个光隔离电路。光敏晶体管23起共射极电路的作用，以便产生代表输出电压信号V_OUT的上述故障信号。这样，当流过光敏二极管21的电流减小时，由光敏晶体管23的集电极端传输的故障信号的直流电平增大。而这本身又使经过脉冲宽度调制的、来自比较放大器9的控制信号的占空比增大，其结果使流过电流互感器5和初级绕组3A的输入电流增大，因此传递给次级绕组3B的功率增加，从而使传递给输出端17的功率也必然增加。

来自晶体管23的故障信号，其电压受电阻器33和35限止，并经接地的电容器37滤波。这便限止了比较放大器9在功率增加/减少和低线路电压情况下的占空比。

通过一个过电流断路电路来监视流过初级绕组3A和功率晶体管5的平均直流输入电流I_IN，一旦发生过电流，则使电源输出中断一段预定的时间后使电源再起动。因此过电流断路电路防止电流过载及一般意外的CMOS锁住。

输入电流I_IN被转化为加在敏感电阻器41（在成功的范例中其电阻值约为10欧姆）上的电压，接着通过接到电容器45上的电阻器43滤波为平均直流电平，该平均直流信号加到比较器39的反向输入。比较器39的正向输入，经电阻器40连接到预定的阈值电压V₂。用于为输入电流I_IN的上限规定一个阈值，超过此上限，电源被中断。

比较器39的输出，经上拉电阻器47接到基准电压+V，并经由电阻器49和电容器51组成的定时电路接地。连接比较器39的输出，电阻器47和49以及电容器51的节点还接至另一个比较器53的正向输入，该比较器的反向输入接阈值电压源V₁（例如1.5伏）。

如果平均直流输入电流I_IN超过预定的阈值电压，比较器39的输出便转至低电平，这使比较器53的输出达到零电平，从而使用于比较器9的正向输入的直流故障信号接地。直流故障信号被接地一段预定的时间，该时间由电阻器49和电容器51的时间常数所决定，在成功的范例中该时间大约为50毫秒，足以使CMOS电路从锁住状态中恢复。

比较器9的输出，随直流故障信号接地而转至逻辑低电平，从而使晶体管5截止并中断该电源。

一旦初级绕组3A中的电流停止流动，电容器51便开始重新充电，于是该电源电路在预定的时限（50毫秒）内恢复到正常操作状态。

比较器53的输出为集电极开路，所以在正常操作期间，过电流断路电路对比较器9的正向输入呈现为高阻抗或开路。

总之，本文所揭示的开关式回扫稳压电源装有过电流断路或锁住状态的恢复电路，一旦发生CMOS锁住或诸如短路这类意外电源故障时，该恢复电路使电源循环供电。由于该电源本身的内部装有这种恢复电路，因而免去了昂贵而复杂的先有技术的CMOS保护电路。

理解本发明者可从中设想出其他的实施例。所有这些改型均被认为包括在由所附权利要求书所限定的本发明范围之内。

Claims

1、一种开关稳压器包括：用以接收输入信号的输入(TIP)，用以对所述输入信号进行脉冲宽度调制的电路装置(5)和使所述已调制的输入信号与输出(17)耦合的装置(3)，以便产生其直流电平和所述已调制的输入信号的占空比成正比的输出信号；用以监视所述输出信号，并产生经直流反馈电路(23)、应用于电路装置(7，9)的故障信号的装置(21，27，29，31)，电路装置(7，9)接收来自该反馈电路的故障信号，并改变与所述故障信号的直流电平的变化成正比的所述已调制输入信号的占空比；其特征在于，装有由下述装置组成的过电流断路电路。

(a)用以监视所述已调制输入信号的平均直流电平，并据此产生平均的直流输入信号的装置(41，43，45)，和

(b)用以把所述平均直流输入信号同预定的阈值信号(V₂)比较，并在所述平均直流输入信号大于所述阈值信号的情况下使该反馈电路(23)接至零电平的装置(39)，

从而所述已调制输入信号的占空比降为零，其结果使所述输出信号的直流电平降为零。

2、如权利要求1所述的过电流断路电路，其特征还在于：它包括延时装置（49，51），用以使该反馈电路（23）脱离零电平，从而使所述故障信号重新施加于所述电路装置（9）并使所述输出信号的直流电平恢复到正常电平。

3、如权利要求2所述的过电流断路电路，其特征还在于，其内设置集电极输出开路装置（53），以便在该稳压器正常操作期间对所述反馈电路（23）呈现高抗阻。

4、如权利要求1，2或3所述的过电流断路电路，其特征在于，所述的用于比较的装置由比较器电路（39）组成;该比较器电路（39）的第一输入（-）经低通滤波器电路（43，45）和敏感电阻（41）接到用以对该输入信号进行脉冲宽度调制的所述装置（5），其第二输入（+）连接到所述预定的阈值信号源（V₂），而其输出经延时电路（49，51）和集电极开路的比较器（53）连接到所述的反馈电路。

5、如权利要求2所述的过电流断路电路，其特征在于，所述的延时装置由电阻电容器电路（49，51）组成，以便在所述输出信号的直流电平恢复到正常电平以前，产生约50毫秒的延时。