专利名称：用于电压触发的电流阱电路的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电路，更具体的，涉及电压触发的电流阱电路，其中当施加到电流阱电路两端的电压超过电压阈值电平时，调控该阱电流。
背景技术：
在电子电路的某些应用中，希望从将电源电压施加到电路两端的电源吸入受控电流。而且，在某些应用中，要求仅当施加到该电路两端的电压超过某个电压阈值电平时才调控所述阱电流。在低于该电压阈值电平的电压下，电流阱电路可设计为传导基本为零的电流，从而减少电源功耗或者作为分类/识别程序的一部分。
这种分类/识别程序的一个实例是IEEE 802.3af标准的一部分。该标准描述了连接到电源的电子设备必须呈现的分类/识别特性，所述电源使用以太网(Ethernet)线路提供电源电压给电子设备。在这些应用中，根据IEEE 802.3af标准，作为从以太网线缆接收电源电压的电子设备的工作的一部分，该电子设备必须包括电流阱电路，该电路设计为在施加到其两端的电源电压的一定范围内吸入受控电流。用于此目的的电流阱电路在低于阈值的电压下应当吸入基本为零的电流。因此，采用的电流阱电路必须对施加至其两端的电压进行响应，以作为电压触发的电流阱电路工作。呈现这些特性的已知电路包括电压阈值电平设置元件和单独的电流调控参考值元件。
发明内容
一种电流阱电路，包括感测元件；连接到所述感测元件的通过元件；以及连接到所述通过元件的设置元件，所述设置元件既提供电压阈值电平又提供电流调控参考值，所述通过元件响应所述设置元件而让经所述电流阱电路传导的电流通过，其中当施加到所经述电流阱电路两端的电压低于所述电压阈值电平时，经所述电流阱电路传导的电流基本为零，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，响应所述电流调控参考值，通过调控经所述通过元件传导的电流而调控由所述感测元件产生的信号。
一种触发电流阱电路的方法，包括用连接在电流感测电路的输入端子之间的设置元件产生电压阈值电平和电流调控参考值；让电流通过连接到所述设置元件的通过元件，以响应所述设置元件而让经所述电流阱电路传导的电流通过，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压低于所述电压阈值电平时，经所述电流阱电路传导的电流基本为零；以及当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，响应于所述电流调控参考值，通过调控流过所述通过元件的电流而调控由连接到所述通过元件的感测元件产生的信号。
结合以下附图描述了本发明的非限制性的和非穷举的实施例，其中除非特别指明，在各个附图中，相似的附图标记表示相似的部件。
图1是具有单独的电压阈值电平设置和电流调控参考值元件的电压触发的电流阱电路的示意图。
图2是具有单独的电压阈值电平设置和电流调控参考值元件的电压触发的电流阱电路的框图。
图3是具有组合的电压阈值电平设置和电流调控参考值元件的电压触发的电流阱电路的框图。
图4是具有组合的电压阈值电平设置和电流调控参考值元件的电压触发的电流阱电路的示意图。
图5是具有组合的电压阈值电平设置和电流调控参考值元件，且温度稳定性得到改善的电压触发的电流阱电路的示意图。
图6示出了电压触发的电流阱电路的V-I特性。
具体实施例方式
公开了实施改进的电压触发的电流阱电路的设备和方法的实例。在下面的描述中，给出了大量具体细节以促进对本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员而言，显而易见，不必采用这些具体细节便可以实施本发明。未详细描述与实施相关的公知方法，以避免干扰对本发明的说明。
贯穿本说明书始终的对“一个实施例”或“某一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的某一具体特征、结构或特性被包括在了本发明的至少一个实施例中。因此，在说明书中各个位置出现的短语“一个实施例中”或“在某一实施例中”不一定均表示同一实施例。而且，在根据本发明教导的一个或多个实施例中，可以以任何合适的组合或子组合方式来组合上述具体特征、结构或特性。
公开了根据本发明的教导的改进的电压触发的电流阱电路和用于实施该电路的方法。本发明的实例包括简化电压触发的电流阱电路的方法和设备，从而使得单个电路元件组合了电流调控参考值和电压阈值电平设置功能。在整个说明书中，以实例的方式公开了连接到直流电源的电路。然而，根据本发明的教导，通过引入合适的整流级来将交流转换成直流，可以将公开的技术应用于设计成接收交流电压的电路。
图1示出了电压触发的电流阱电路101的一个实例的示意图。连接电压触发的电流阱电路101，以便从连于电压触发的电流阱电路101的输入端子105和107之间的电源接收直流电源电压103。在图中实例所示，电压触发的电流阱电路101采用第一电路元件Zener二极管VR1 109来设置电压阈值(在等于该阈值的电源电压下，该电路将开始吸收电流)，并采用单独的第二电路元件精度参考IC1 111来设置电流调控参考值，该电流调控参考值将决定从电源吸入的电流调控电平。偏置电路121包括电阻R1 113和R2 115以及晶体管Q2 117和Q3 119，这形成了简单的偏置电流源电路，该电路为精度参考IC1111提供偏置电流Ibias123，以确保它在制造商的规程内工作。应当理解，用电阻R1 113和R2 115以及晶体管Q1 117和Q2 119形成的偏置电路121仅是可用于提供偏置电流Ibias123的偏置电路的一个实例，且可以使用包括单个晶体管或者电阻在内的一些其他的偏置电路配置。
在所示实例中，图1中的电压触发的电流阱电路101传导基本为零的电流，直到直流电源电压103超过由Zener二极管VR1 109设置的阈值为止。在高于该电压阈值的直流电源电压103下，电流流入Zener二极管VR1 109，且偏置电路121提供偏置电流Ibias123给偏置精度参考IC1 111和晶体管Q1 125的基极，这便允许电流流入阱电流感测元件电阻Rs 127。在所示实例中，电流感测信号129指明了阱电流感测元件电阻Rs 127两端的电压。当出现在电阻Rs 127两端的电压上升到精度参考IC1 111的参考值电压电平时，IC1 111调控流入晶体管Q1 125基极的电流、流过Zener二极管VR1 109的电流以及在此电平下来自电源的电流。在此实例中，IC1 111的参考电压电平是上述的电流调控参考值。
因此，当施加到电流阱电路101两端的直流电源电压超过由Zener二极管VR1 109决定的电压阈值电平时，经电压触发的电流阱电路101传导的电流开始上升，并在施加到电压触发的电流阱电路101两端的大于Zener二极管VR1 109决定的电压阈值的一定电压范围内被调控为基本恒定的值。阱电流值得到完全调控时的实际电压实际上是晶体管Q1 125的集电极与发射极之间的电压和电阻Rs 127上的电压降的函数。阱电流被调控在基本恒定的值时施加到电压触发的电流阱电路101两端的电压的范围由实际应用决定。例如，可以在某个较高的直流电源电压103下关断晶体管Q1 125，以限制电流阱电路101中的功耗。未示出用于关断电流阱电路101的电路，以避免干扰对本发明的说明。
图2示出了具有用于设置电压阈值电平和电流调控参考值电压电平的元件的电压触发的电流阱电路201的框图。图2中所示的各个框类似于图1中的电压触发的电流阱电路的以类似方式标注的框。具体而言，电压触发的电流阱电路201包括连接到电源以接收直流电源电压203的输入端子205和207。电压阈值电平设置元件209连接到输入端子205，且电流阱电流感测元件227和通过元件225连接到电压阈值电平设置元件209。连接电流调控参考值元件，以从电流阱电流感测元件227接收电流感测信号229。通过元件225连接到电流调控参考值元件211，后者通过控制通过元件225而控制流经电流阱电流感测元件227的电流。应当懂得，在图2所示的实例中，通过元件225对应于图1中的晶体管Q1 125。在另一个实例中，应当懂得，也可以使用场效应晶体管(FET)代替图1中所示的双极晶体管来作为通过元件225。
图3示出了根据本发明的教导的电压触发的电流阱电路301的实例框图。如图所示，电流阱电路301包括电流阱电路感测元件327，连接到电流阱电路感测元件327的通过元件325，以及连接到通过元件325的电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331。如图可见，图2中的电压阈值电平设置元件209和电流调控参考值元件211被组合为图3中的单一电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331，且该元件331连接于电流阱电路301的输入端子305和307之间。输入端子305和307连接到电源，以接收电源电压303。根据本发明的教导，电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331为电流阱电路301提供了电压阈值参考值和电流调控参考值。
在工作中，响应由电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331产生的电流调控参考值而调控由上述电流阱感测元件产生的电流感测信号329。当施加到电流阱电路301两端的电压超过由电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331设置的阈值电平时，通过调控经通过元件325传导的电流而调控电流感测信号329。在所示实例中，根据本发明的教导，响应电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331，通过元件325让经电流阱电路301传导的电流通过。
在所示实例中，当施加到电流阱电路301两端的电压低于由电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331设置的电压阈值时，流过通过元件325并经电流阱电路301传导的电流基本为零。根据本发明的教导，当施加到电流阱电路两端的电压超过由上述的单个电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331设置的阈值电平时，经电流阱电路301传导的电流被调控为由电流调控参考值和电压阈值电平设置元件331设置的电流调控参考值。
图4示出了根据本发明教导的电压触发的电流阱电路401的示意图。与图3中的电流阱电路301相似，图4中的电流阱电路401包括电流阱电路感测元件427，连接到电流阱电流感测元件427的通过元件425，以及连接到通过元件425的电流调控参考值和电压阈值电平设置元件431。在所示实例中，电流调控参考值和电压阈值电平设置元件431包括Zener二极管VR1，从而电压阈值电平和电流调控参考值基本等于在Zener击穿条件下Zener二极管VR1上的参考电压降。在所示实例中，电流调控参考值和电压阈值电平设置元件431经通过元件425的双极晶体管Q1的基极-发射极结而连接到通过元件425。如图所示，连接电源，以提供电源电压403给输入端子405和407。用电阻R1 413、R2 415以及晶体管Q2 417、Q3 419形成偏置电路，这样便形成了如图所示的低成本的偏置电流源。电阻R1413连接在晶体管Q2 417的基极和集电极之间来向晶体管Q2 417的基极提供偏置电流，以最初地开通晶体管Q2 417。
流过晶体管Q2 417的电流Ibias423在电阻R2 415上产生电压降。在所示实例中，电阻R2 415两端的电压由晶体管Q3 419的基极发射极电压VbeQ3进行箝位，而该电压又将晶体管Q2 417的基极发射极电压拉低，这样便导致形成了闭合回路，并导致根据电阻R2 415两端的基极发射极电压降VbeQ3来调控流过电阻R2 415的电流。由于晶体管Q3 419的基极发射极电压VbeQ3的负温度系数(在一个实例中大约为-2mV/℃)的缘故，流过电阻R2 415的电流也会呈现负的温度系数。根据本发明的教导，偏置电路421向电流调控参考值和电压阈值电平设置元件431的Zener二极管VR1提供偏置电流Ibias423，以在Zener二极管VR1两端产生稳定的参考电压VREF430。
应当理解，用电阻R1 413、R2 415以及晶体管Q2 417、Q3 419形成的偏置电路421仅是可用于提供偏置电流Ibias423的电路的一个例子，并且，根据本发明的教导，可以采用一些其他的偏置电路配置。
如图4所示，电流调控参考值和电压阈值电平设置元件431的Zener二极管VR1是组合的电流调控参考值和电压阈值电平设置元件。在所示实例中，图4中的电路401的主电流阱电流Isink437流过晶体管Q1 425、晶体管Q4 435和电流阱电流感测元件电阻Rs 427。在所示实例中，晶体管Q1 425作为通过元件工作。Zener二极管VR1上的组合电压降VREF430和晶体管Q4 435的基极发射极电压与流过晶体管Q1 425、Q4 435和电流阱电流感测元件427(电阻Rs)的电流相关，如下所示VbeQ4+VREF＝VbeQ1+Rs×Isink(公式1)注意，公式1中的项“Rs×Isink”等同于所示实例中的电流感测信号429或者VRS。还应注意，忽略了晶体管Q4 435的集流极发射极两端的较小的饱和电压降，该电压降在一个实例中大约为0.1伏或者更低，与通过元件晶体管Q1 425和电流阱电流感测元件电阻Rs 427两端的总电压降(通常约为12伏)相比非常小。Zener二极管VR1两端的组合电压降VREF430和Q4 435的基极发射极电压VbeQ4决定了电流Isink437开始上升时的电源电压403的阈值电压电平。然而，在该实例中，Zener电压VREF430被称为电压阈值电平设置要素，因为Q4 435的基极发射极电压VbeQ4为固定值，因此电路设计者通过选择适当规格的Zener二极管VR1来设置电压阈值电平，以满足具体应用的需要。
在一个实例中，由于VbeQ4和VbeQ1基本相等，VREF等于VRS，且上述公式1可以简化并重写为Isink＝VREF/Rs (公式2)因此，根据本发明的教导，通过调控经通过元件晶体管Q1 425传导的Isink电流437，响应电流调控阈值VREF430而调控了由电流感测元件电阻Rs 427产生的电流感测信号VRS429。晶体管Q1 425和晶体管Q4 435的基极发射极电压互相抵消并且抵消这些结的温度效应的事实意味着Isink437仅取决于Zener二极管VR1的温度系数。因此，晶体管Q4 435在图4的实例中实现两个关键功能。首先，如上所述，它抵消了晶体管Q1 425的温度效应。并且，晶体管Q4 435也确保了电源电压在阈值电压电平以下时电流阱电路401吸入基本为零的电流。如果电路中没有晶体管Q4 435，则在电源电压低于电压阈值电平时，流入偏置电路421的电流将倾向于开通晶体管Q1 425，这便允许流动一定的电流Isink437。晶体管Q4 435的存在防止了该电流的出现，因为电阻R3确保在电源电压达到阈值电压之前晶体管Q4435基本保持关断。在一个实例中，Zener二极管VR1是11伏的Zener二极管，具有约为+7.5mV/℃的正温度系数。从上述公式2可以清楚地看出，Isink437的值也将具有正温度系数。该正温度系数由上述偏置电路的负温度系数进行抵消，这样便能形成百分比相对较大的从电源吸入的总电流。
例如，使用图4的示意图中所示的元件值，偏置电路421设计为传导约2.3mA的Ibias423，而Isink437约为7.86mA，在这种情况下，偏置电路421传导超过20％的从电源吸入的总电流。因此，在该实例中，值为7.86mA的Isink437具有正温度系数VR1温度系数/Rs＝5.4uA/℃ (公式3)而Ibias423具有负温度系数VbeQ3温度系数/R2＝-6.7uA/℃(公式4)因此，总的电流阱温度系数为5.4-6.7＝-1.3uA/℃。
可以将电流阱电路的设计进一步细化，以补偿图5中的电流阱电路501的示意图中所示的温度效应。如图所示，电流阱电路501与图4的电流阱电路401类似，并均具有某些元件。在所示实例中，与晶体管Q1 425类似，晶体管Q1 525也作为通过元件工作，且电流阱电流感测元件527电阻Rs与图4中的电流阱电流感测元件427电阻Rs功能类似。图5中的电流阱电路501的一个不同之处在于，组合的电流调控和电压阈值电平设置元件531包括至少一个直接连接到第二Zener二极管VR2的第一Zener二极管VR1，以利用Zener二极管的温度系数随它们的电压额定值而改变的事实。因此，根据本发明的教导，参考电压VREF530是组合的电流调控和电压阈值电平设置元件531的Zener二极管VR1以及VR2上的电压降。
在图5的实例中，使用如前所述的分析，Ibias523电流具有-2.9uA/℃的温度系数。在所示实例中，Zener二极管VR1和VR2上的组合电压降VREF530具有约+4.2mV/℃的温度系数。如图所示，各个Zener二极管VR1和VR2为6V2 Zener二极管并且具有+2.1mV/℃的正温度系数，产生的Isink537的温度系数为4.2mV/℃/1.4k＝3uA/℃，几乎正好抵消了Ibias523的负温度系数。因此，根据本发明的教导，在该具体实例中，与使用单个12V的Zener二极管和适当调节Rs的值而获得的温度系数相比，在组合的电流调控和电压阈值电平设置元件531中用两个6V2 Zener二极管VR1和VR2作为设置元件改善了温度系数。应当懂得，在其他实例中，可以将多个Zener二极管直接连接在一起，以形成电流调控参考值和电压阈值电平设置元件531，且图5中所示的实例仅是可用于提供根据本发明的教导的电流调控参考值和电压阈值电平设置元件的可能配置的其中一个例子。
图6示出了根据本发明的教导的电压触发的电流阱电路的一个实例的典型V-I特性601。在图中，电压阈值电平是沿x轴的电源电压值，在该阈值电平处，经电流阱电路传导的电流开始从基本为零的值增大。然后在施加到该电路两端的超过上述电压阈值的一定电压范围内，该电流被调控到沿图中所示的y轴的第一阱电流电平和第二阱电流电平之间。在一个实例中，所述电源电压范围可处于施加到电路阱电路两端的约10伏的第一电压和约30伏的第二电压之间。根据本发明的教导，该第一和第二阱电流值与所述电压触发的电流阱电路中使用的所有部件的综合容限有关，并且也包括了以上所述的电流阱电路的热系数。
如上所述，根据本发明的教导，温度系数可得到基本抵消，从而，通过选择正确的组件，在施加到电路阱电路两端的电压超过电压阈值时，在该电压的一定范围内，经该电流阱电路传导的电流基本保持恒定。在该实例中，根据本发明的教导，第一和第二阱电流电平基本相同，从而，在所述电压范围内，流过该电流阱电路的电流被调控为基本恒定的值。
在之前的详细描述中，结合本发明的具体典型实例描述了本发明的方法和设备。然而，显而易见，可以对这些实施例进行各种修改和变更，而不至于背离本发明的更宽广的精神和范围。因此，应将本说明书和附图视为说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种电流阱电路，包括感测元件；连接到所述感测元件的通过元件；以及连接到所述通过元件的设置元件，所述设置元件既提供电压阈值电平又提供电流调控参考值，所述通过元件响应所述设置元件而让经所述电流阱电路传导的电流通过，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压低于所述电压阈值电平时，经所述电流阱电路传导的电流基本为零，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，响应所述电流调控参考值，通过调控经所述通过元件传导的电流而调控由所述感测元件产生的信号。
2.根据权利要求1所述的电流阱电路，其中所述设置元件为Zener二极管。
3根据权利要求2所述的电流阱电路，其中在Zener击穿条件下通过所述Zener二极管设置所述电压阈值电平和电流调控参考值。
4.根据权利要求1所述的电流阱电路，其中所述设置元件包括连接到第二Zener二极管的至少一个第一Zener二极管。
5.根据权利要求1所述的电流阱电路，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，在一定电压范围内，经所述电流阱电路传导的电流保持基本恒定。
6.根据权利要求1所述的电流阱电路，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压超过所述电压阈值电平时，经所述电流阱电路传导的电流开始上升，并在施加到所述电流阱电路两端的大于所述电压阈值的一定电压范围内被调控为基本恒定的值。
7.根据权利要求1所述的电流阱电路，其中在施加到所述电流阱电路两端的大于所述电压阈值的一定电压范围内，经所述电流阱电路传导的电流被调控在第一和第二阱电流电平之间。
8.根据权利要求7所述的电流阱电路，其中施加到所述电流阱电路两端的所述电压的范围处于施加到所述电流阱电路两端的第一和第二电压之间。
9.一种触发电流阱电路的方法，包括用连接在电流感测电路的输入端子之间的设置元件产生电压阈值电平和电流调控参考值；响应所述设置元件而让电流通过连接到所述设置元件的通过元件，以让经所述电流阱电路传导的电流通过，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压低于所述电压阈值电平时，经所述电流阱电路传导的电流基本为零；以及当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，响应于所述电流调控参考值，通过调控流过所述通过元件的电流而调控由连接到所述通过元件的感测元件产生的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中用设置元件产生所述电压阈值电平和所述电流调控参考值包括用连接在所述电流阱电路的输入端之间的Zener二极管产生所述电压阈值电平和所述电流调控参考值。
11.根据权利要求9所述的方法，其中用设置元件产生所述电压阈值电平和所述电流调控参考值包括用连接到处于所述电流阱电路的输入端之间的第二Zener二极管的至少一个第一Zener二极管产生所述电压阈值电平和所述电流调控参考值。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，调控流过所述通过元件的电流包括在施加到所述电流阱电路两端的大于所述电压阈值电平的一定电压范围内，将流过所述通过元件的电流调控为基本恒定的值。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括当施加到所述电流阱电路两端的电压上升到超过所述电压阈值电平时，从所述基本为零的电流起提高经所述电流阱电路传导的所述电流的电平。
14.根据权利要求9所述的方法，其中当施加到所述电流阱电路两端的电压高于所述电压阈值电平时，调控流过所述通过元件的电流包括在施加到所述电流阱电路两端的大于所述电压阈值电平的一定电压范围内，将流过所述通过元件的电流调控在第一和第二阱电流电平之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中施加到所述电流阱电路两端的电压的范围处于施加到所述电流阱电路两端的第一和第二电压之间。
全文摘要
公开了一种电流阱电路。根据本发明的设备包括感测元件，连接到该感测元件的通过元件以及连接到该通过元件的设置元件。该设置元件既提供电压阈值电平，又提供电流调控参考值。通过元件响应设置元件而让经电流阱电路传导的电流通过。当施加到电流阱电路两端的电压低于电压阈值电平时，经电流阱电路传导的电流基本为零。当施加到电流阱电路两端的电压高于电压阈值电平时，响应电流调控参考值，通过调控经所述通过元件传导的电流而调控由感测元件产生的信号。
文档编号G05F1/613GK101046697SQ20071009363
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月28日 优先权日2006年3月29日
发明者R·迈尔 申请人:电力集成公司