专利名称：电压调节器和方法
技术领域：
本发明一般地涉及调节器，更具体地涉及转换电源。
马达保护电路在许多种马达上都能发现，其用于检测故障，当故障发生时停止马达。装有马达保护电路的一种常用的马达是三相马达。用于三相马达的马达保护电路通常由监测每一个绕组中电流幅值的电路组成。必须将电流限制在预先规定的范围以内，马达才能按规程运行。如果有一个绕组中的电流超过预先规定的范围，便表示马达绕组可能出了故障。
起初，所采用的马达保护电路本质上是机电型。机电系统由分立元件装配而成。马达制造商一直在继续固态马达保护电路的开发来降低造价和生产的复杂性。固态马达保护电路的问题在于它们需要一些电压源向电路供电。
可以用电池作为电源，但是要求马达的使用者定期更换电池。用单独电源向马达保护电路供电并不经济。一个好方法是从马达绕组自身引出电源使电路运行。马达绕组中的电流可以用电流互感器感应耦合到几个绕组来监测。模拟电流互感器的输出作为被控电流源，其取决于马达的负载。例如，重负载马达需要较大电流通过绕组，它也增大了电流互感器的电流。相反地，轻负载马达需要较小的电流通过绕组，它也减小了电流互感器的电流。这一电流也可以用来产生马达保护电路的供电电压。
从感应电流(从马达绕组)来产生被调节的电压源的一个方法是用电流对电容器充电。与电容器并联的齐纳二极管限制电容器的电压。超过预先规定的电压值时，齐纳二极管便击穿。采用这一技术形成的被调节电压并不理想，原因有两条第一，齐纳二极管在大输入电流时功率消耗也大；第二，在马达绕组的大运行范围以内电压的调节性很差。由于齐纳二极管的内阻，在大电流时调节性很差。
如果能够研制一种电压调节电路，由输入电流来提供被调节的电压，运行于输入电流的大变化范围，并且降低功率消耗，将是非常有利的。
图1为本发明电压调节器的方块图；图2所示为图1中电压调节器的输出电压随时间的变化曲线；图3为本发明电压调节器的原理图。
图1所示为功率消耗最小的电压调节器11的方块图。电压调节器11有一输入端12和提供被调节电压的输出端13。电压调节器由二极管14，电容器16，比较器17和18，逻辑电路19以及开关电路21组成。
二极管14的第一端联至输入端12上，第二端联至输出端13上。二极管14用于分隔输入端12和输出端13。电容器16储存电荷，其第一端联至输出端13，第二端联接为接受供电电压(例如，接地端)。
比较器17和18用于检测输出端13的电压。在最佳实施例中，比较器17有一非反相输入端联接到输出端上，有一反相输出端联接以接受参考电压VREF1，还有一输出端。比较器18有一反相输入端联到输出端13上，有一非反相输出端联接以接受参考电压VREF2，只有一输出端。比较器17和18均由输出端13提供电压。
逻辑电路19有第一和第二输入端，分别联至比较器17和18的输出端上，还有一输出端。逻辑电路19控制开关电路21。开关电路21使加在输入端12的电流对地分流。开关电路21联接在输入端12和供电电压(例如，接地)之间，其控制输入端联接到逻辑电路19的输出端上。
以下讲述电压调节器11的运行。电压调节器11用加于输入端12的输入电流，在输出端13处产生被调节电压，使功率消耗为最小。虽然图1中未画出来，输出端13联接到需要被调节电压运行的电路上，并且使电容器16放电。必须在输入电流的大范围内提供被调节电压。例如，输入电流可以从50微安培到大于200毫安培的范围内。标准的电压调节技术在大输入电流范围内并不适用，因为增加的功率会在大输入电流情况下被消耗掉。例如，与电容器16并联的齐纳二极管可以提供被调节电压已是众所周知的。齐纳二极管在大输入电流下产生的功率消耗带来了功率消耗问题。10伏的齐纳二极管通过200毫安电流时，功率消耗为2瓦特。电压调节器11不需要高电源组成装置。
参考图1，在输入端12上加输入电流。根据在输出端13上的被调节电压，有两种运行模式。第一种运行模式是输入电流通过二极管14对电容器16充电，电容器16储存电荷供电给联在输出端13上的电路(未画出)。比较器17检测在输出端13上的被调节电压。比较器17向逻辑电路19提供信号，指示被调节电压已经超过了基准电压VREF1。然后，逻辑电路19向开关电路21提供控制信号，使开关电路21实现将输入电流对地分流。这样，电容器16不再由输入电流充电。二极管14防止转换电路使电容器放电。必须注意到在最佳实施例中，开关电路21使输入端12接近于地电位。在分流时，使开关电路21的电压降最小以降低功率消耗。逻辑电路19能使开关电路21将输入电流分流，直至被调节电压低于基准电压VREF2为止。
在第二种运行模式中，电容器16向联接在输出端13上的电路(未画出)供电(开关电路21将输入电流对地分流)。电容器16放电，被调节电压从接近于VREF1的峰值下降。比较器18检测输出端13上的被调节电压。比较器18向逻辑电路19提供信号，指示被调节电压已经低于基准电压VREF2。然后逻辑回路19向开关电路21提供一个控制信号，使开关电路21不再分流。输入电流给电容器16充电，使被调节电压从约等于VREF2的最小值升高。重复这一循环，即将电容器16充电到电压VREF1，输入电流通过开关电路21对地分流，电容器16放电到VREF2，以及开关电路21截止以使输入电流对电容器16再充电。
图2所示为图1中低功率电压调节器11的输出端13上的电压随时间的变化曲线。起初，电容器16(图1)为地电位。在输入端12(图1)上的输入电流对电容器16充电，直到输出端13的电压超过VREF1为止，此时，开关电路21(图1)对输入电流分流。如上文所述，输出端13的被调节电压保持在VREF1和VREF2之间。
图3为消耗低功率的电压调节器31的原理图。电压调节器31有输入端32和输出端33。电压调节器31由二极管34，电容器36，比较器37和38，分压器39，逻辑电路41和开关电路42组成。
二极管34的第一端联到输入端32，第二端联到输出端33。二极管34用于分隔输入端32和输出端33。电容器36蓄存电荷，其第一端至输出端33，第二端联接为接受供电电压(例如，接地)。
比较器37和38包括晶体管44，46，49和52-54，每一个晶体管有集电极，基极和射极，分别对应第一电极，控制电极和第二电极。比较器37包括晶体管44和46，电流镜式电路43，以及电阻47和48。在最佳实施例中，电流镜式电路43晶体管49组成。晶体管49是分裂集电极PNP晶体管，其中，第一个集电极对应于第一电极，第二集电极对应于第三电极。晶体管49反射晶体管44的集电极电流到节点66，第一集电极联到节点64，第二集电极联于节点66，基极联于节点64，射极联于输出端33。晶体管44和46是npn晶体管。晶体管44的发射区面积或导电面积(NA)比晶体管46的发射区面积(A)大N倍。晶体管44的集电极联于节点64，基极联于节点68。晶体管46的集电极联于节点66，基极联于节点68，射极联于节点67。电阻47的第一端联于晶体管44的射极，第二端联于节点67。电阻48的第一端联于节点67，第二端联接为接受供电电压(例如，接地)。
比较器38在设计上与比较器37相同。比较器38包括晶体管53和54、电流镜式电路51、电阻56和57。在最佳实施例中，电流镜式电路51由晶体管52组成。晶体管52是分裂集电极PNP晶体管，其中，第一集电极对应于第一电极，第二集电极对应于第三电极。晶体管52将晶体管54的集电极电流反射到节点71，其第一集电极联于节点72，第二集电极联于节点71，基极联于节点72，发射极联于输出端33。晶体管53和54为NPN晶体管。晶体管54的发射区面积或导电面积(XA)比晶体管53的射极面积(A)大X倍。晶体管54的集电极联于节点72，基极联于节点69。晶体管53的集电极联于节点71，基极联于节点69，发射极联于节点73。电阻56的第一端联于晶体管54的发射极，第二端联于节点73。电阻57的第一端联于节点73，第二端联接为接受供电电压(例如，接地)。
分压电路39提供了与输出端33电压对应的比例电压。在最佳实施例中，分压电路39是一个电阻分压器。也可以采用其它分压电路，例如比例晶体管。分压电路39由电阻58，59和61组成。电阻61的第一端联于输出端33，第二端联于节点69。电阻59的第一端联于节点69，第二端联于节点68。电阻58的第一端联于节点68，第二端联接为接受电源电压(例如，接地)。电阻分压器将在输出端33上的被调节电压减小后加到比较器37和38上，并不会造成温度漂移误差，这是因为电阻58，59和61随温度作相同的变化。
逻辑电路41控制开关电路42。在最佳实施例中，逻辑电路41为触发器62。触发器62有设置输入端，联于节点66，复位输入端，联于节点71，及一个Q输出端。触发器62由输出端33的电压供电。
开关电路42使电流对地分流。当分流电流使电压调节器31的功率消耗为最小的时候，开关电路42上的电压幅值小。换言之，当开关电路42导通时，将输入端32拉到地。在最佳实施例中，开关电路42是一个晶体管63。晶体管63为NPN晶体管，有集电极、基极和发射极，对应于第一电极，控制电极和第二电极。晶体管63的集电极联于输入端32，基极联于触发器62的Q输出端，发射极联接为接受供电电压(例如，接地)。对于本领域技术人员来说，很显然可以采用其它变化作为对地分流，例如SCR，MOSFET，或机械开关。
下面讲述电压调节器31的运行。输入电流加于输入端32，以对电容器36充电。二极管34将输入端32和输出端33隔离。电容器36作用如同电池，在没有输入电流时仍保持输出端33的被调节电压。
比较器37决定了被调节电压的上界。比较器37用于在输出端33的被调节电压大于第一预先规定电压值时便检测。比较器37响应于分压电路39在节点68提供的电压。当输出端33的被调节电压等于在第一予先规定电压时，分压电路39在节点68处提供了第一基准电压VREF1。比较器37向逻辑电路41提供零逻辑电平，表示在输出端33的被调节电压已经超过第一预先规定电压。由比较器37所提供的零逻辑电平设置逻辑电路41的触发器62，从而使开关电路42中的晶体管63导通。在最佳实施例中，晶体管63将输入电流对地分流，使得晶体管63的集电极到发射极间电压降尽可能地小，以使功率消耗为最小。在这一状态下，电容器36不再由输入电流充电。
在当分压电路39在节点68的电压低于VREF1时，比较器37向逻辑电路41提供1逻辑电平。在最佳实施例中，比较器37从零逻辑电平反转到1逻辑电平并不影响逻辑电路41。逻辑电路41将开关电路42保持在导通状态。
比较器38决定了被调节电压的下界。比较器38用于在输出端33的被调节电压小于第二预先规定电压值时检测。导通开关电路42(如上面所述)，使输入电流不对电容器36充电。电容器36向电压调节器电路31和其它联于输出端33的电路(未画出)充电。电容器36随时间的放电降低了输出端33的被调节电压。当输出端33的被调节电压等于第二预定电压值时，分压电路39在节点69处提供了第二基准电压VREF2。当被调节电压小于第三预先规定电压值时，比较器38提供1逻辑电平到触发器62的复位输入端。该1逻辑电平关断开关电路42，使输入电流对电容器36充电。
当分压电路39在节点69处超过VREF2时，比较器38向逻辑电路41提供一个零逻辑电平。在最佳实施例中，比较器38从1逻辑电平反转到零逻辑电平并不影响逻辑电路41。逻辑电路41将开关电路42保持在关断状态。
通过选择晶体管44和46的具体导电面积之比，以及电阻47和48的具体大小，将比较器37设计成提供零逻辑电平表示被调节电压已经超过了第一预先规定电压值。比较器37的内部开关点由在第一基准电压VREF1下等电流偏置晶体管44和46确定。满足这一条件时，节点68的电压(V68)由方程式1来表示V68＝VREF1＝2*(R48/R47)*(kT/q)*In(N)+Vbe(T46)1)N是晶体管44和46的导电面积(发射区面积)之比，其中，晶体管44的导电面积比晶体管46大N倍。T为温度，K为波兹曼常数，q为电荷，Vbe(T46)为晶体管46的基极与发射极间的电压。方程式的第一项(2*(R48/R47)*(KT/q)*Ln(N))为正温度系数，第二项(Vbe(T46))为负温度系数。选择VREF1等于硅的带隙电压(约为1.2V)，使正和负的温度系数抵消，在内部开关点得到零温度系数。
在比较器37的内部开关点上或下运行产生一个输出逻辑状态。例如，当分压器电路39所提供的电压大于第一基准电压VREF1时，晶体管46的电流大于晶体管44的电流。这便对应于在输出端33的被调节电压超过第一预先规定电压时的条件。在此状态下，晶体管46的电流大于晶体管44的电流。因为电阻47退化了晶体管44的指数电压—电流特性，正如本领域技术人员所周知的。从晶体管44的电流使晶体管49偏置，晶体管49提供电流基本等于节点66的幅值。这样一来，由晶体管49提供的电流小于晶体管46的电流，造成节点66的负电压反转，产生零逻辑电平。
相反，当分压电路所提供的电压小于第一基准电压VREF1时，晶体管44的电流大于晶体管46的电流。这便对应于被调节电压小于第一预先规定电压值。在此状态下，晶体管44的电流大于晶体管46的电流，因为晶体管44的导电面积(发射区面积)比晶体管46大，使电阻47上的电压不能大到足以使晶体管44明显地去偏置。晶体管49反射晶体管44到节点66的电流。因而，晶体管49所提供的电流大于晶体管46的电流，造成节点66上的正反转，产生1逻辑电平。
比较器38的运行与比较器37相似，只是内部开关点改变为第二基准电压VREF2。在第二基准电压VREF2时，比较器38的内部开关点由等电流偏置晶体管53和54确定。这一条件满足时，节点69的电压(V69)由方程式2表示。V69＝VREF2＝2*(R57/R56)*(kT/q)*In(X)+Vbe(T53)2)X是晶体管53和54的导电面积(发射区面积)之比，其中，晶体管54的导电面积比晶体管53大X倍。晶体管52将晶体管54的电流反射到节点71。在比较器38的第一运行模式下(如上所述)，晶体管53的电流比晶体管54大。当分压器电路39的节点69处电压大于VREF2时，便造成节点71的负电压反转，产生零逻辑状态。在比较器38的第二运行状态下，晶体管54的电流大于晶体管53。当节点69的电压小于VREF2时，节点71产生正电压反转，产生1逻辑电平。
到此已经介绍了电压调节器电路。这一电压调节器电路可以经受高电流输入驱动，但并不消耗大量功率，不需要大电源装置，并且是自偏置的(并不需要外部电压源)。
在图示并叙述了本发明的特定实施例的同时，熟悉本领域的技术人员可以作进一步的修正及改进。可以理解，本发明不仅局限于所示的特定形式，企图使附属的权利要求能包括不偏离本发明精神和范围的全部修正。
权利要求
1.电压调节器电路(11)，有接受输入电流的输入端，和提供被调节电压的输出端，其特征在于二极管(14)，有第一端和第二端，分别联于电压调节器电路(11)的输入端和输出端上；电容器(16)，用于储存电荷，有一端联于电压调节器电路(11)的输出端上；响应被调节电压的第一比较器(17)，用于当被调节电压大于第一基准电压时，检测；响应被调节电压的第二比较器(18)，当被调节电压小于第二基准电压时，检测；响应所述第一和第二比较器的逻辑电路(19)，用于提供控制信号；响应所述控制信号的开关电路(21)，用于将电压调节器回路的输入电流分流，免于向所述电容器充电。
2.电压调节器电路(31)，有接受输入电流的输入端，和提供被调节电压的输出端，其特征在于二极管(34)的第一端和第二端，分别联于电压调节器电路(31)的输入端和输出端上；电容器(36)用于储存电荷，有一端联于电压调节器电路的输出端上；分压器电路(39)用于提供第一电压和第二电压，所述第一和第二电压各自与被调节电压有预先规定的比例；响应所述第一电压的第一比较器(37)，用于当被调节电压大于第一预先规定电压时，检测；响应所述第二电压的第二比较器(38)，用于当被调节电压小于第二预先规定电压时，检测；响应所述第一和第二比较器(37，38)的逻辑电路(41)，用于提供控制信号；响应所述控制信号的开关电路(42)，用于使电压调节器电路(31)的输入电流分流，免于向电容器(36)充电。
3.权利要求2所述的电压调节器电路，其特征在于所述分压器电路(31)包括电阻分压器，所述电阻分压器包括第一电阻(61)，其第一端联到电压调节器电路(31)的输出端，第二端用于提供所述第二电压；第二电阻(59)，其第一端联到所述第一电阻(61)的所述第二端上，其第二端提供所述第一电压；还有第三电阻(58)，其第一端联到所述第二电阻(59)的所述第二端上，其第二端联接以接受电源。
4.权利要求2所述的电压调节器电路(31)，其特征在于所述第一比较器(37)包括电流镜式电路(43)，有第一端和第二端；所述第二导电型的第一晶体管(44)，其第一电极联至所述电流镜式电路的所述第一端上，有一响应所述第一电压的控制电极，还有一第二电极；所述第二导电型的第二晶体管(46)，其第一电极联至所述电流镜式电路(43)的所述第二端上，有一响应所述第一电压的控制电极，还有一第二电极；第一电阻(47)，其第一端联至所述第一晶体管的所述第二电极上，其第二端联至所述第二晶体管(46)的所述第二电极上；第二电阻(48)，其第一端联至所述第二晶体管的所述第二电极上，有第二端联接的接受电源电压。
5.权利要求4所述的电压调节器电路(31)，其特征在于所述第一比较器(37)的所述第一和第二晶体管(44，46)有一预定比率的导电面积，所述第一晶体管(44)的导电面积大于所述第二晶体管(46)的导电面积。
6.权利要求2所述的电压调节器电路，其特征在于所述第二比较器(38)包括电流镜式电路(51)，有第一端和第二端；第二导电型的第一晶体管(54)，其第一电极联至所述电流镜式电路(51)的所述第一端，有一响应所述第二电压的控制电极，还有一第二电极；所述第二导电型的第二晶体管(53)，其第一电极联至所述电流镜式电路(51)的所述第二端，有一响应所述第二电压的控制电极，还有一第二电极；第一电阻(56)，其第一端联至所述第一晶体管(54)的所述第二电极，其第二端联至所述第二晶体管(53)的所述第二电极；第二电阻(57)，其第一端联至所述第二晶体管(53)的所述第二电极，其第二端联接以接受电源电压。
7.权利要求2所述的电压调节器电路，其特征在于当被调节电压大于所述第一预定电压时，所述逻辑电路(41)响应所述第一比较器(37)，使所述开关电路(42)导通，将输入电流分流，免于向所述电容器(36)充电。
8.权利要求2所述的电压调节器电路(31)，其特征在于所述逻辑电路(41)包括触发器(62)，它有一响应所述第一比较器(37)的设置输入端，有一响应所述第二比较器(38)的复位输入端，还有一Q输出端。
9.权利要求2所述的电压调节器电路，其特征在于所述开关电路(42)包括一晶体管(63)，其第一电极联至电压调节器电路(31)的输入端，有响应所述逻辑电路(41)的控制电极，还有第二电极联接以接受电源电压。
10.一种产生被调节电压的方法，其特征在于提供电流以产生充电电压；检测所述充电电压；当所述充电电压超过第一预先规定电压值时，使所述电流分流；当所述充电电压低于第二预先规定电压值时，停止对所述电流分流。
全文摘要
电压调节器(11)，有输入端(12)和输出端(13)。其特征在于，有二极管(14)，电容器(16)，第一比较器(17)，第二比较器(18)，逻辑电路(9)和开关电路(21)。电容器(16)由经过二极管(14)的输入电流充电。当电容器(16)上的电压超过第一基准电压时，接通开关电路(21)，将输入电流分流，免于向电容器(19)充电。当电容器(16)上的电压低于第二基准电压时，关断开关电路(21)，使输入电流向电容器(19)充电。这样，使输出端(13)上的电压维持在第一和第二预定电压值之间。
文档编号H02M3/156GK1112250SQ9510112
公开日1995年11月22日 申请日期1995年1月6日 优先权日1994年1月10日
发明者特洛伊·L·斯托克斯塔德, 罗伯特·L·维恩, 托马斯·D·皮蒂 申请人:莫托罗拉公司