TWI450465B - 具有溫度補償之電源箝制電路 - Google Patents

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Description

具有溫度補償之電源箝制電路
本發明係指一種具有溫度補償之電源箝制電路，尤指一種可藉由調整電阻比值，以改變正、負溫度係數電壓的大小，產生一大致為零溫度係數的系統電壓的電源箝制電路。
傳統的電源箝制電路可僅由單一齊納(Zener)二極體，或由數個串聯的電晶體所構成。請參考第1A、1B圖，第1A、1B圖分別為上述兩種形式的電源箝制電路10、15之示意圖。如第1A圖所示，一齊納二極體VZ的陰極耦接於一系統電壓VBAT ，陽極耦接於地端，則齊納二極體VZ上形成一逆向偏壓。如本領域具通常知識者所熟知，當齊納二極體VZ的逆向偏壓(即系統電壓VBAT )大於其崩潰電壓時，齊納二極體產生一崩潰電流，將超量的逆向偏壓拉低於崩潰電壓。如此一來，透過適當地選擇齊納二極體VZ的崩潰電壓，可使系統電壓VBAT 維持在崩潰電壓之下的電壓值，因此達到電源箝制的目的。
相似地，如第1B圖所示，電源箝制電路15係由電晶體M1 ~MM 組成，當系統電壓VBAT 大於電晶體M1 ~MM 的導通電壓VTH1 ~VTHM 之總合時，電晶體M1 ~MM 開啟以將超量的系統電壓VBAT 拉低於導通電壓VTH1 ~VTHM 之總合，達到電源箝制的功能。
然而，上述的傳統電源箝制電路皆不具有溫度係數補償之功能。舉例來說，齊納二極體運作在低操作電壓時具有負溫度係數，在高操作電壓時具有正溫度係數，因此齊納二極體的崩潰電壓隨不同溫度變化而變化。再者，電晶體的導通電壓隨溫度上升而下降，造成在高溫時，電晶體M1 ～MM 將系統電壓VBAT 拉至較低的電壓值，造成負載效率降低的機率上升。因此，為了改善溫度對電源箝制電路的影響，習知技術實有改善之必要。
因此，本發明之主要目的在於提供一種具有溫度補償之電源箝制電路，尤指一種可藉由調整電阻比值，以改變正、負溫度係數電壓的大小，以產生一約零溫度係數的系統電壓的電源箝制電路。
本發明揭露一種具有溫度補償之電源箝制電路，用於一系統電壓，包含有一第一二極體，包含有一陽極及一陰極耦接於一地端，用來產生一負溫度係數電壓；一正溫度係數電阻；一第二二極體，包含有一陽極耦接於該正溫度係數電阻，及一陰極耦接於一地端；一比較器，包含有一負輸入端及一正輸入端，該負輸入端耦接於該第一二極體之該陽極，該正輸入端耦接於該正溫度係數電阻；一電晶體，包含有一閘極、一汲極及一源極，該閘極耦接於該比較器之一輸出端，該汲極耦接於該系統電壓，該源極耦接於該地端；一第一電阻，耦接於該系統電壓；一第二電阻，耦接於該第一電阻與該正溫度係數電阻之間；一第三電阻，耦接於該第一電阻與第一二極體之間；一第四電阻，耦接於該比較器之該正輸入端，另一端耦接於該地端；以及一第五電阻，耦接於該比較器之該負輸入端，另一端耦接於該地端。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電源箝制電路20之示意圖。如第2圖所示，電源箝制電路20係由電阻R1 ～R4 、R1 ’、R3 ’、二極體D1 、D2 、一比較器200以及一電晶體202所組成。電阻R1 ’、R3 ’分別與電阻R1 、R3 具有相同的電阻值。比較器200可替換為一運算放大器，亦可另包含一電源正常指示(Power-OK)單元204，用來確保比較器200之運作，避免在低系統電壓時誤動作。如本領域所熟知，電阻、二極體分別為具有正、負溫度係數的電子元件，因此透過串接或耦接電阻與二極體，可得到具有正、負溫度係數的電壓、電流訊號。因此，電阻R2 串接二極體D1 後，耦接於比較器200的正輸入端，使得比較器200的正輸入端接收一具有正、負溫度係數的電壓VP ；電阻R1 ’、二極體D2 耦接於比較器200的負輸入端，使得比較器200的負輸入端接收一具有正、負溫度係數的電壓VN 。如此一來，比較器200可藉由比較電壓VP 、VN ，消去電壓VP 、VN 的溫度係數，於比較器200的輸出端產生一約(或大致為)零溫度係數的電壓VOUT 。當系統電壓VBAT 過高時，電壓VOUT 可用來導通電晶體202，產生一電流IBAT ，對系統電壓VBAT 放電以降低電壓值，達到電源箝制的目的，同時避免溫度對電源箝制電路20的影響。
值得注意的是，電源箝制電路20係以一帶隙(Bandgap)電路為基礎所設計的電源箝制電路，利用帶隙電路的回授特性，隨著溫度與系統電壓VBAT 的變化，控制電晶體202的啟閉，進行電源箝制的功能。以下將藉由電流、電壓分析以逐步說明電源箝制電路20的運作方式。
假設電阻R2 的跨壓為VBE 、二極體D1 的跨壓為VD ，因此電壓VP 可表示為跨壓VBE 、VD 的總和，即V P =V BE +V D 。令流經電阻R1 ～R4 的電流分別為電流I1 ～I4 ，根據歐姆定律，電流I1 、I2 可分別表示為：
一般來說，比較器200的正、負輸入端之輸入阻抗皆設計為遠大於電阻R1 ～R4 、R1 ’、R3 ’的電阻值，因此沒有電流流入比較器200的正、負輸入端，使得電阻R3 上的電流I3 經由電阻R1 、R2 分為兩路流至地端，電流I3 可表示為I 3 =I 1 +I 2 。進一步地，電阻R4 的一端耦接於電壓源VBAT ，另一端耦接於電阻R3 、R3 ’，使得電阻R4 上的電流I4 ，藉由電阻R3 、R3 ’分為兩路電流。透過適當選擇電阻R1 ～R3 、R1 ’、R3 ’的電阻值，可使電流I4 平均流入電阻R3 、R3 ’中，因此電流I4 可表示為I 4 =2(I 1 +I 2 )。
如此一來，假設電源箝制電路20的系統電壓VBAT 大致等於一箝制電壓VREF ，即V BAT V REF ，箝制電壓VREF 可表示為下列運算式：
將I 3 =I 1 +I 2 、I 4 =2(I 1 +I 2 )關係式代入運算式(2)，重新分配後可得到下列運算式：
接著，將運算式(1)的電流I1 、I2 關係式代入運算式(3)並重新分配：
由運算式(4)可知，箝制電壓VREF 係由跨壓VD 、VBE 所組成。由於跨壓VBE 具有一正溫度係數TVBE ，跨壓VD 具有一負溫度係數TVD ，透過適當地設計電阻R1 ～R4 的電阻值，可調整跨壓VD 、VBE 在箝制電壓VREF 中的分配比例，以互補兩者的正、負溫度係數。換句話說，將跨壓VD 、VBE 以適當比例加總之後，可得到大致為零溫度係數的箝制電壓VREF 。下列為運算式(4)的溫度關係式：
將運算式(5)重新分配：
其中，假設電阻比值、電阻比值，因此運算式(4)、(6)可簡化為如下：
一般來說，二極體D1 的溫度係數TVD 約為電阻R2 的溫度係數TVBE 的10倍，將此數值代入運算式(8)計算並重新分配，可知K 2 =9K 1 +9。二極體D1 的導通電壓值(即跨壓VD )約為0.7V，跨壓VBE 約為0.055V。在此情況下，將上述數值代入運算式(7)，可得：
值得注意的是，由運算式(9)的結果可知，藉由調整電阻比值K1 ，可將箝制電壓VREF 的值調整為一大於或等於1.25V的電壓值。假設電源箝制電路20的系統電壓VBAT 等於5V(即V BAT =V REF =5V )，可計算出電阻比值K1 =3、K2 =36，進而得知電阻R1 ～R4 的電阻值，如下表：
接著，將上表的電阻值代入電源箝制電路20，並利用模擬軟體模擬電源箝制電路20在不同溫度下的電源輸出情況。請參考第3圖，第3圖為電源箝制電路20於不同溫度的系統電壓VBAT 輸出結果。如第3圖所示，當溫度由-40度上升至150度，系統電壓VBAT 仍維持在4.94～4.96V附近，非常接近預設的5V，並且電壓變動的範圍僅有約0.02V，即約0.4%。因此，電源箝制電路20可於溫度變化下，對系統電壓VBAT 進行穩壓，有效地達到電源箝制的目的。
綜上所述，傳統的電源箝制電路深受溫度之影響，因此在溫度變化之下，無法善盡穩壓的功能，增加負載因過量電源而損壞的機率。相較之下，本發明之電源箝制電路藉由選擇特定的電阻比值，調整正、負溫度係數電壓在箝制電壓中所佔的比例，以消去溫度對電源箝制電路的影響。除此之外，電阻比值亦用來決定電源箝制電路的箝制電壓，因此可增加電源箝制電路的應用範圍，使其符合不同電源系統的需求。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
VZ‧‧‧齊納二極體
10、15、20‧‧‧電源箝制電路
200‧‧‧比較器
202、M1 ~MM ‧‧‧電晶體
204‧‧‧電源正常指示單元
R1 ~R4 、R1 ’、R3 ’‧‧‧電阻
I1 、I2 、IBAT ‧‧‧電流
D1 、D2 ‧‧‧二極體
VBAT ‧‧‧系統電壓
VREF ‧‧‧箝制電壓
VP 、VN 、VOUT ‧‧‧電壓
VTH1 ~VTHM ‧‧‧導通電壓
VD 、VBE ‧‧‧跨壓
TVBE ‧‧‧正溫度係數
TVD ‧‧‧負溫度係數
K1 、K2 ‧‧‧電阻比值
第1A圖為習知齊納二極體形式的電源箝制電路之示意圖。
第1B圖為習知串聯電晶體的電源箝制電路之示意圖。
第2圖為本發明實施例一電源箝制電路之示意圖。
第3圖為電源箝制電路於不同溫度的系統電壓比較圖。
20‧‧‧電源箝制電路
200‧‧‧比較器
202‧‧‧電晶體
204‧‧‧電源正常指示單元
R1 ~R4 、R1 ’、R3 ’‧‧‧電阻
I1 、I2 、IBAT ‧‧‧電流
D1 、D2 ‧‧‧二極體
VBAT ‧‧‧系統電壓
VP 、VN 、VOUT ‧‧‧電壓
VD 、VBE ‧‧‧跨壓

Claims (9)

  1. 一種具有溫度補償之電源箝制(Power Clamping)電路，用於一系統電壓，包含有：一第一二極體，包含有一陽極及一陰極耦接於一地端，用來產生一負溫度係數電壓；一正溫度係數電阻；一第二二極體，包含有一陽極耦接於該正溫度係數電阻，及一陰極耦接於一地端；一比較器，包含有一負輸入端及一正輸入端，該負輸入端耦接於該第一二極體之該陽極，該正輸入端耦接於該正溫度係數電阻；一電晶體，包含有一閘極、一汲極及一源極，該閘極耦接於該比較器之一輸出端，該汲極耦接於該系統電壓，該源極耦接於該地端；一第一電阻，耦接於該系統電壓；一第二電阻，耦接於該第一電阻與該正溫度係數電阻之間；一第三電阻，耦接於該第一電阻與第一二極體之間；一第四電阻，耦接於該比較器之該正輸入端，另一端耦接於該地端；以及一第五電阻，耦接於該比較器之該負輸入端，另一端耦接於該地端。
  2. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中當該比較器之該正輸入端大於該負輸入端時，該比較器之該輸出端導通該電晶體，使該電晶體汲取該系統電壓之一過電流。
  3. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中該正溫度係數電阻與該第二二極體串接以產生一具有正負溫度係數之電壓，該具有正負溫度係數之電壓藉由該比較器與該負溫度係數電壓相互抵消溫度係數。
  4. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中該第二電阻與該第三電阻具有大致相等之電阻值。
  5. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中該第一電阻、該第二電阻以及該正溫度係數電阻之電阻值組合成一第一比值。
  6. 如請求項5所述之電源箝制電路，其中該第一比值決定該電源箝制電路之一箝制電壓。
  7. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中該第四電阻以及該第五電阻具有大致相等之電阻值。
  8. 如請求項1所述之電源箝制電路，其中該第一電阻、該第二電阻以及該第四電阻之電阻值組合成一第二比值。
  9. 如請求項8所述之電源箝制電路，其中該第二比值決定該電源箝制電路之一箝制電壓。
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