PT767416E

PT767416E - Fonte de alimentacao de energia para microcomputador

Info

Publication number: PT767416E
Application number: PT96306931T
Authority: PT
Inventors: Harold Ryan Macks
Original assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 2000-04-28
Also published as: DE69604761T2; EP0767416A1; DE69604761D1; US5760625A; EP0767416B1

Description

83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ

DESCRICÃO “Fonte de alimentação de energia para microcomputador” O presente invento refere-se, de modo geral, a circuitos de alimentação de energia para microcomputadores e, mais particularmente, a circuitos de alimentação de energia, que fornecem também energia para reposição (POR) e funcionalidade de inibição de baixa tensão (LVI) ao microcomputador. É bem conhecido que os microcomputadores, que operam com fontes de alimentação de energia reguladas devem ser inibidos tanto durante a fase de arranque como no caso em que a energia DC para a fonte de alimentação de energia regulada é interrompida ou cai abaixo de um nível predeterminado. Os circuitos anteriores, tal como o que é mostrado na patente U.S. N.° 5 313 112, que foi concedida ao presente inventor, pensada para encontrar uma solução de baixo custo para conseguir as funções desejadas. Soluções alternativas ou mais caras estão concretizadas nos circuitos integrados usuais tal como o regulador linear de alta corrente de queda baixa CS-8126, fabricado pela Cherry Semiconductor Corporation.

Uma desvantagem destas abordagens anteriores é, no entanto, que são requeridos elementos de regulação de tensão separados. Um para fornecer a tensão de alimentação regulada e, pelo menos, um outro para utilização como uma referência de comparação para as funções POR/LVI. Estes elementos de regulação de tensão separados aumentam o custo e a complexidade dos circuitos de alimentação de energia do microcomputador. Por consequência, há uma necessidade de um custo mais baixo, de uma solução menos complexa, que combine a alimentação e as funções de reposição, de modo que somente um simples elemento de regulação de tensão seja requerido para conseguir a operação desejada. A patente U.S. 4 469 957 descreve um circuito de reposição para microprocessadores, o qual inclui um regulador de tensão, incluindo um circuito de estabilização de díodo zéner e um bi-estável. O bi-estável é usado para gerar um sinal de reposição para um microprocessador para repor o microprocessador, quando a tensão de alimentação cresce e cai relativamente ao seu valor permissível mínimo. O bi-estável tem uma histerése entre os pontos de comutação para uma tensão de controlo de crescimento e de queda que controla o bi-estável.

83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 2 Ο presente invento fornece agora um circuito para proporcionar energia regulada a um microcomputador a partir de uma fonte DC, que inibe a operação do microcomputador, quando a tensão fornecida pela fonte DC cai abaixo de um valor de limiar predeterminado, e que repõe o microcomputador, quando a tensão fornecida pela fonte DC cresce acima do valor de limiar predeterminado, compreendendo; um circuito regulador, que inclui um díodo zéner, que tem um estado condutor, quando o nível de tensão da fonte DC está acima do valor de limiar e um estado não condutor, quando o nível de tensão da fonte DC está abaixo do valor de limiar; o dito circuito regulador está acoplado à fonte DC para proporcionar uma tensão de alimentação regulada a um terminal de entrada de energia do microcomputador; um circuito de reposição, que tem uma entrada acoplada a um eléctrodo do díodo zéner para receber um sinal de regulação, que tem um primeiro estado, quando o dito díodo zéner está a operar no dito estado condutor, e um segundo estado, quando o díodo zéner está a operar no dito estado não condutor; o dito circuito de reposição respondendo ao dito sinal de regulação para fornecer um sinal de reposição a um terminal de reposição, quando o dito díodo zéner está a operar no dito estado condutor, e um sinal de inibição para o dito terminal de reposição, quando o dito díodo zéner está a operar no dito estado não condutor; caracterizado por: o dito circuito regulador incluir um circuito de retardo de condensador e resistência, ligado ao dito eléctrodo do díodo zéner, o dito circuito de reposição incluir um circuito de transístores, que inclui um primeiro transístor, que tem um eléctrodo de base ligado de modo a ser polarizado e não polarizado pelo circuito de retardo e um segundo transístor, que tem um eléctrodo de base, controlado pelo primeiro transístor,

83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 3 ο tempo de retardo da polarização para o eléctrodo de base do dito primeiro transístor ser controlado pela constante de tempo, definida pelo circuito de retardo, para retardar, por meio disso, a temporização do sinal de reposição, e o segundo transístor ser forçado pelo primeiro transístor a fornecer o sinal de inibição antes da dita tensão de alimentação cair abaixo do dito valor de limiar predeterminado.

Uma vantagem do aspecto acima do invento é que um simples elemento de regulação de tensão proporciona a tensão de alimentação, energia para reposição (POR) e funções inibidoras de baixa tensão (LVI) ao microcomputador com estabilidade de temperatura acrescida e baixo consumo de corrente. Uma vantagem adicional do presente invento é o seu baixo custo e reduzida complexidade. O invento irá agora ser descrito, por meio do exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: a FIG. 1 é uma representação esquemática de um sistema que concretiza o presente invento; e a FIG. 2 ilustra graficamente a tensão como uma função do tempo para nós definidos do circuito mostrado na FIG. 1.

Referindo em primeiro lugar a FIG. 1, o circuito de alimentação de energia 10 é mostrado acoplado ao terminal de entrada da energia Vcc do microcomputador 12. Nesta concretização, bem como a maioria das aplicações num ambiente electrónico de veículo automóvel, requer-se que a tensão aplicada em Vcc seja de 5 volt. O circuito de alimentação de energia 10 recebe um nível não regulado de tensão VBATT de uma bateria de veículo convencional 14, que é idealmente carregada a uma tensão entre 12 e 14 volt DC pelo dispositivo de carga convencional, tal como um sistema de alternador/regulador (não mostrado). Tipicamente, no entanto, a tensão fornecida pela bateria 14 flutua numa gama de 8 volt a 18 volt. Como mostrado na FIG. 1, o comutador de arranque convencional 16 pode ser incluído, de modo que o circuito de alimentação de energia 10 pode ser activado selectivamente pela bateria 14.

No presente invento, o microcomputador 12 é um microprocessador

83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 4 MC6805P9A fabricado pela Motorola Incorporated. No entanto, o circuito de alimentação de energia 10 do presente invento é aplicável a qualquer número de microprocessadores ou microcomputadores, para os quais é desejável um sinal de reposição para iniciar o dispositivo num estado de arranque conhecido ou para inibir a operação, quando a tensão de alimentação cai abaixo da tensão de entrada recomendada pelo construtor (tipicamente cerca de 4,5 volt).

Continuando com a FIG. 1, o circuito de alimentação de energia 10 inclui circuitos de condicionamento de sinal 18, os quais incluem o díodo 20 e os condensadores 22 e 24. O díodo 20 proporciona a protecção da inversão da bateria se os terminais da bateria forem invertidos. O condensador 22 deriva o ruído electromagnético e a interferência de rádio frequência. E, o condensador 24 permite à tensão de saída regulada continuar no terminal de alimentação V^. se a energia da bateria seja momentaneamente interrompida. A saída dos circuitos de condicionamento de sinal 18 fazem o acoplamento da entrada (nó definido A) aos circuitos de regulação, que incluem o transístor NPN 26. A resistência 28 proporciona uma percurso de corrente, de modo que a tensão de base é estabelecida no transístor 26 para polarizar o mesmo como um emissor seguidor. O cátodo do díodo zéner 30 liga-se à base do transístor 26. O ânodo do díodo zéner (nó definido B) faz o acoplamento do condensador 32 à resistência 34. Em conjunto, as resistências 28 e 34 juntamente com o condensador 32 proporcionam um retardo de tempo, que será descrito aqui com mais pormenor a seguir. O ânodo do díodo zéner 30 faz também o acoplamento dos circuitos de reposição, que incluem o transístor 36, ao transístor de inversão 38. O colector do transístor 36 (nó definido C) faz o acoplamento da saída dos circuitos de regulação ao emissor do transístor 26 (nó definido D), através da resistência 40. De modo semelhante, o colector do transístor 38 faz o acoplamento do emissor ao transístor 26, através da resistência 42. O colector do transístor 38 faz também o acoplamento do terminal de reposição ao microcomputador 12.

Tendo descrito os vários componentes do circuito de alimentação de energia 10 e as suas várias interligações, a operação do circuito de alimentação de energia 10 será agora descrita com a referência simultânea às FIG. 1 e 2. As curvas associadas com os respectivos nós definidos, mostrados na FIG. 2 destinam-se a ilustrar a operação do circuito de alimentação de energia 10 no fornecimento da energia para reposição (POR) e as funções de inibição de baixa tensão (LVI). Para estes fins ilustrativos, a tensão da bateria condicionada no nó A é mostrada 5 83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ subindo linearmente para um nível acima do valor de limiar e depois descendo linearmente para um nível abaixo do valor de limiar, após um período de tempo (ver curva A na FIG. 2). Um perito na arte reconhecerá que na prática, esta tensão muda tipicamente muito mais rapidamente e muito provavelmente contém algum ruído transiente.

De uma maneira geral, o circuito de alimentação de energia 10 proporciona um sinal de tensão de saída regulado e estável (5 volt neste exemplo) ao terminal de entrada de energia Vcc quando o comutador de arranque 16 é fechado e o nível de tensão VBATT da bateria 14 é maior que 6,4 volt. Adicionalmente, o circuito de alimentação de energia 10 proporciona um sinal de reposição relativamente baixo (nível da terra) ao microcomputador 12, quando a tensão de alimentação de energia presente no terminal de entrada Vcc está abaixo do seu requisito de tensão especificado.

Quando o nível da fonte DC (bateria 14) é maior que o limite especificado de 6,4 volt, uma corrente de regulação flui através da resistência 28, díodo zéner 30 e a junção base-emissor do transístor 36. Na presente concretização, o díodo zéner 30 é um díodo zéner de 4,7 volt de corrente de teste fraca. Embora o díodo de zéner 30 seja nominalmente um díodo zéner de 4,7 volt, com tensões de bateria entre 8,5 volt e 16,5 volt, é nominalmente estabelecida aproximadamente 5 volt através do dispositivo por causa do fluxo de corrente aumentado através do mesmo. Deste modo, para os fins desta descrição, o díodo zéner 30 é tratado como tendo uma tensão zéner de 5 volt.

Quando é conseguido o percurso da corrente de regulação, a junção da base-emissor do transístor 36 é polarizada directamente, de modo que aproximadamente 0,6 volt estão presentes na base do transístor 36. No entanto, a junção base-emissor do transístor 36 não pode polarizar directamente até o condensador 32 estar carregado a 0,6 volt. O tempo de retardo é controlado pela constante de tempo definida pelo condensador 32 e a combinação em paralelo das resistências 28 e 34. Do mesmo modo, até o condensador 32 estar suficientemente carregado o transístor 36 permanecerá inactivo (ver curva B na FIG. 2).

Uma vez que o díodo zéner 30 esteja a conduzir (tz on) o díodo zéner 30 regula a tensão na base do transístor 26 para um nível de tensão de aproximadamente 5,6 volt. Deste modo, a junção base-emissor do transístor 26 é polarizada directamente, de modo que o mesmo opera como um emissor seguidor 83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 6

para proporcionar uma tensão de saída regulada de aproximadamente 5,0 volt no seu emissor ao terminal de entrada de energia do microcomputador 12 (ver nó D da FIG. 2).

As variações na saída regulada de 5 volt, fornecida ao terminal de entrada de energia devido a mudanças de temperatura são negligenciáveis, porque cada coeficiente de temperatura dos dispositivos no circuito cancelam-se entre si. Por exemplo, porque o díodo zéner 30 é um díodo zéner de 4,7 volt tem um coeficiente de temperatura nominal de 0. As junções base-emissor dos transístores 26 e 36 têm cada uma delas um coeficiente de temperatura de -2 mv/°C; no entanto, as mesmas actuam de modo a cancelarem-se entre si. Por exemplo, quando o transístor 36 tem uma tensão de base mais alta devido à temperatura baixa, a base do transístor 26 terá uma queda de tensão base-emissor correspondentemente mais alta, que cancela a acção do efeito do outro.

As variações na alimentação de 5 volt devidas a variações na tensão fornecida pela bateria 14 são também negligenciáveis, porque a corrente de regulação através do díodo zéner 30 está bem acima da sua corrente no terminal zéner , lzn. Por isso, o díodo zéner 30 opera na região em que a sua resistência zéner está minimizada. Nesta parte da sua gama de operação, as variações na corrente através do dispositivo tem pouco efeito nas variações de tensão através do dispositivo. É por isso obtida uma vantagem de fornecimento de uma tensão de saída regulada, menos susceptível às variações de temperatura ou ao nível da tensão fornecida pela bateria 14. A operação do circuito de alimentação de energia 10 no fornecimento da energia na função de energia para reposição (POR) ao microcomputador 12 será agora descrito. Como notado acima, o transístor 36 não pode polarizar directamente até que o condensador 32 esteja suficientemente carregado a 0,6 volt. Com o transístor 36 no seu estado de corte (ver curva C na FIG. 2) é estabelecido um percurso de corrente através da resistência 40, a qual polariza directamente a junção base-emissor do transístor 38. Está então presente a corrente suficiente através da junção base-emissor do transístor 38 para causar que o mesmo fique em saturação. Com o transístor 38 em saturação, o colector do transístor 38 é levado a um potencial próximo do da terra (ver curva E na FIG. 2). Desse modo, está presente no terminal de reposição do microcomputador 12 um sinal de um nível lógico relativamente baixo. O sinal de nível baixo presente no pino de reposição inibe a operação do microcomputador 12. 7 83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ

Uma vez que ο condensador 32 esteja carregado, a junção base-emissor do transístor 36 polariza directamente, de modo que o transístor 36 é ligado (ver curva C na FIG. 2). Com o transístor 36 em saturação, o colector do transístor 36 é levado para próximo da terra. O transístor 38 é então desligado uma vez que a sua junção base-emissor já não está polarizada directamente (ver curva E na FIG. 2). Com o transístor 38 desligado, um sinal de um nível lógico relativamente alto é aplicado ao terminal de reposição para permitir a iniciação do microcomputador 12 num estado de operação conhecido. O microcomputador 12 continuará assim a operar de acordo com a sua estratégia pré-programada enquanto o comutador de arranque 16 permanecer fechado e a tensão da bateria VBATT for maior que 6,5 volt, de tal modo que o circuito de alimentação de energia 10 continua a fornecer os 5 volt regulados ao terminal de entrada de energia Vcc e o sinal de nível lógico relativamente alto ao terminal de reposição do microcomputador 12.

Uma vez o comutador de arranque 16 seja aberto ou a tensão fornecida pela bateria 14 caia abaixo dos 6,5 volt, o condensador 24 descarrega, para proporcionar energia aos circuitos de alimentação de energia 10. Quando a queda na tensão da bateria é somente uma interrupção momentânea, a descarga do condensador 24 pode evitar que o circuito de alimentação de energia 10 caia fora da regulação. No entanto, uma vez a tensão no nó A cai abaixo dos 5,6 volt, o díodo zéner 30 já não conduz a corrente de regulação (no instante tz off). Neste estado, o condensador 32 descarrega através da resistência 34 e a base do transístor 36 é impelida essencialmente para o potencial da terra. Deste modo, o transístor 36 desliga (ver curva C na FIG. 2). Com o transístor 36 desligado, a sua junção colector-emissor torna-se um circuito aberto e o fluxo de corrente é derivado através da junção base-emissor do transístor 38 forçando, por meio disso o transístor 38 para saturação (ver curva E na FIG. 2). Com o transístor 38 em saturação, o colector do transístor 38 é impelido para próximo da terra e um sinal lógico de baixo nível é aplicado ao terminal de reposição do microcomputador 12. Por conseguinte, logo que o circuito de alimentação de energia 10 sai fora da regulação (aproximadamente 4,8 volt no nó D), um sinal lógico de baixo nível é aplicado ao terminal de reposição, para inibir a operação do microcomputador 12. Uma vantagem é por isso obtida, assegurando que o microcomputador 12 é restabelecido antes da tensão de alimentação atingir 4,5 volt, de modo que o microcomputador 12 não pode operar num estado desconhecido. Uma vantagem adicional da concretização acima do invento é que um elemento de regulação de tensão simples é usado pelo circuito de alimentação de energia 10 para 8 83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ proporcionar uma tensão de saída regulada ao terminal de entrada da energia do microcomputador 12 e para gerar um sinal de reposição/inibição no terminal de reposição .

Isto conclui a descrição de uma concretização do invento.

Lisboa, 1¾ JM 2000

Por FORD MOTOR COMPANY - O AGENTE OFICIAL - α,γμι ιαίτλ

ENG." ANTÓNIO JOÀÔ DA CUNHA FERREIRA

Ag. Of. Pr. Ind.

Ruo dos Fíores, 74 - 4.* 1SQO LISBOA

Claims

83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Circuito para proporcionar energia regulada a um microcomputador a partir de uma fonte DC, que inibe a operação do microcomputador, quando a tensão fornecida pela fonte DC cai abaixo de um valor de limiar predeterminado, e que repõe o microcomputador, quando a tensão fornecida pela fonte DC cresce acima do valor de limiar predeterminado, compreendendo; um circuito regulador, que inclui um díodo zéner (30), que tem um estado condutor, quando o nível de tensão da fonte DC (14) está acima do valor de limiar e um estado não condutor, quando o nível de tensão da fonte DC (14) está abaixo do valor de limiar; o dito circuito regulador está acoplado à fonte DC (14) para proporcionar uma tensão de alimentação regulada a um terminal de entrada de energia (nó D) do microcomputador; um circuito de reposição, que tem uma entrada acoplada a um eléctrodo do díodo zéner (nó B) para receber um sinal de regulação, que tem um primeiro estado, quando o dito díodo zéner (30) está a operar no dito estado condutor, e um segundo estado, quando o díodo zéner está a operar no dito estado não condutor; o dito circuito de reposição respondendo ao dito sinal de regulação para fornecer um sinal de reposição/inibição a um primeiro nível lógico a um terminal de reposição, quando o dito díodo zéner (14) está a operar no dito estado condutor, e um sinal de inibição/reposição a um segundo nível lógico para o dito terminal de reposição, quando o dito díodo zéner está a operar no dito estado não condutor; caracterizado por: o dito circuito regulador incluir um circuito de retardo de condensador e resistência (32, 38), ligado ao dito eléctrodo do díodo zéner (nó B), o dito circuito de reposição incluir um circuito de transístores (36, 38), que inclui um primeiro transístor (36), que tem um eléctrodo de base ligado de modo a ser polarizado e não polarizado pelo circuito de retardo (32, 34) e um segundo transístor (38), que tem um eléctrodo de base, controlado pelo primeiro transístor, 83 427 ΕΡ Ο 767 416/ΡΤ 2/2 ο tempo de retardo da polarização para o eléctrodo de base do dito primeiro transístor (36) ser controlado pela constante de tempo, definida pelo circuito de retardo, para retardar, por meio disso, a temporização do sinal de reposição/inibição, e o segundo transístor (38) ser forçado pelo primeiro transístor (36) a fornecer o sinal de reposição/inibição com o dito segundo nível lógico, antes da dita tensão de alimentação cair abaixo do dito valor de limiar predeterminado.
2 - Circuito de acordo com a reivindicação 1, em que o valor de limiar é dependente da tensão zéner do dito díodo zéner (30).
3 - Circuito de acordo com a reivindicação 2, em que o dito díodo zéner (30) controla o nível da dita tensão de alimentação regulada (Vcc). Lisboa, ta m mo Por FORD MOTOR COMPANY - O AGENTE OFICIAL -

ENG.· ANTÓNIO JOAO DA CUNHA FERREIRA Ag. Of. Pr. Ind. Xwa das Flores, 74 - 4.· 1EQO LISBOA