專利名稱：采用備用電池電源的電穩(wěn)壓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及穩(wěn)壓電路，尤其涉及由電池提供穩(wěn)壓電壓的電路。
在計算機工業(yè)中，移開主電源或基本電源時，無論這是出于有意或無意，移去以后，通常采用某種型式的備用電源來維持各種數(shù)據(jù)處理電路的工作。這種備用電源經(jīng)常采用電池形式，它例如可用來在主電源移去時保持存儲在存儲器或其它存儲裝置中的數(shù)據(jù)。另一種采用本發(fā)明的應(yīng)用是在沒有主電源時，用該備用電源來維持實時時鐘系統(tǒng)的工作。
典型地，較大型(即，所謂的大型機)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中將鉛酸電池或其它類似電池用作備用電源，它提供24伏額定直流電壓。其實際電壓范圍能從26伏或更大一些的直流電壓(充電時或充滿電時)變到約19伏衰減端電壓，在使用初始電源時采用這種型式的電池備用裝置來保持低電壓(例如，3-5伏直流電壓)電路工作，由于初始電壓有7伏電壓變化，而這種端電壓的下降又不能反映到備用電路中來，因此穩(wěn)壓中存在問題。
目前市場上已有能夠解決這種較大的端電壓波動問題的穩(wěn)壓電路。但其代價為消耗了大量的過量電流。(在一些情況下過量電流可能小到僅為1毫安。當(dāng)使用備用電源的電路連續(xù)工作幾個月時，這個小數(shù)值將變得“過量”)。這進(jìn)而造成了備用電池的短壽命及由于過深放電而損壞電池，或同時造成上述這兩個問題。
因此，由上文可知，需要這樣一些裝置，在對由于穩(wěn)壓作用而損耗的電流進(jìn)行限制的同時，盡管電池隨著時間而消耗仍能保持穩(wěn)定的低電壓輸出，它以這種方式由備用高直流電壓源(例如，24伏直流)提供經(jīng)穩(wěn)壓的低電壓(例如，約3伏直流)。
本發(fā)明提供了一種穩(wěn)壓電路，它從備用的、未穩(wěn)壓的、用來輔助存儲器的額定24伏直流電池中產(chǎn)生額定值3.2伏的直流備用電壓，在進(jìn)行穩(wěn)壓的同時，該穩(wěn)壓電路消耗最小量的電流，并在鉛酸電池所預(yù)期的電壓值范圍內(nèi)維持額定穩(wěn)壓的(3.2)伏電壓。此外，以這樣一種方式來進(jìn)行穩(wěn)壓工作，即，使兩個備用電池間互相隔絕。
本發(fā)明較佳實施例中，將形式為晶體管的可變阻抗連接入電路以接受未穩(wěn)壓的直流電壓，從而從中提供約為3.2伏的穩(wěn)壓直流電壓?？刂齐娐穼⒎€(wěn)壓電壓維持在固定電壓電平上，且還產(chǎn)生一誤差信號，它表示穩(wěn)壓電壓的上升或下降，將誤差信號耦合到可變阻抗，以改變由晶體管導(dǎo)通的電流。因而，改變了晶體管電壓降，使所提供的穩(wěn)壓電壓維持在所需電平上。
本發(fā)明的目的在于由未穩(wěn)壓的直流電壓源提供穩(wěn)壓電壓，所述未穩(wěn)壓的直流電壓源包括一對備用電池。為了避免電池過度放電，穩(wěn)壓電路包括用于每一備用電池的電池檢測電路，當(dāng)相應(yīng)電池的端電壓下降至低于預(yù)定電平時，用所述檢測電路來進(jìn)行檢測。兩個電池均下降至低于額定電平時，相應(yīng)的電池檢測電路同時將該信號傳輸至控制電路，從而令誤差信號不定，使晶體管停止導(dǎo)通，并使穩(wěn)壓器停止工作。隨后，僅流出最小電流。
本發(fā)明可具有多個優(yōu)點。首先，當(dāng)從大得多的(額定24伏)備用電池對中產(chǎn)生穩(wěn)壓的低直流電壓(3.2伏)，從而進(jìn)行穩(wěn)壓工作時，在每一電池的電壓范圍上可消耗最少的電流。
此外，本發(fā)明除了穩(wěn)壓作用外，還具有監(jiān)控電池之端電壓的功能，從而停止大量電流從電池流出以防止電池的過度放電，并由此防止電池?fù)p壞。
進(jìn)而，與這些優(yōu)點相共存的還有另外一個優(yōu)點，即，在所使用類型的電池(即，鉛酸電池)在預(yù)期的相應(yīng)較寬的直流電壓范圍變化時仍能進(jìn)行穩(wěn)壓，并使將所提供的、穩(wěn)壓的電壓保持在固定電位上。
通過結(jié)合附圖閱讀下文的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人員可以認(rèn)識到本發(fā)明的這些及其它優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明之穩(wěn)壓電路的方框圖，它示出了由一對備用電池來產(chǎn)生穩(wěn)壓電壓(Vr);
圖2是穩(wěn)壓電路的簡圖;且圖3是由備用電源向穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓裝置提供未穩(wěn)壓的另一種方法。
參見附圖，圖1中用參考標(biāo)號10圖示并標(biāo)明了根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的穩(wěn)壓器系統(tǒng)，如圖所示，穩(wěn)壓器系統(tǒng)10由未穩(wěn)壓直流電源輸出穩(wěn)壓電壓Vr，該直流電源由額定電壓均為24伏的電池VB(1)和VB(2)(宜為鉛酸電池)組成。
穩(wěn)壓器系統(tǒng)10包括一可變阻抗12，兩個電池VB(1)和VB(2)的正極(+)端輸入可變阻抗12上，該可變阻抗10提供穩(wěn)壓電壓Vr?？刂齐娐?4監(jiān)控穩(wěn)壓電壓Vr，將其維持在所需電壓電平上。穩(wěn)壓電壓偏離所需電壓電平的任何變化將使得控制電路14產(chǎn)生誤差電壓Ve，該電壓控制可變阻抗12兩端直流壓降。
簡單地說，穩(wěn)壓器系統(tǒng)10工作如下?？勺冏杩?2功能是用來平衡從電池VB(1)和VB(2)中流出的電流，并將它們所提供的直流電壓降至遠(yuǎn)比前者為小的電壓Vr(宜為約3.2伏直流電壓)。偏離所需穩(wěn)壓電壓Vr的任例變化將使得控制電路14產(chǎn)生誤差信號(Ve)?？刂菩盘朧e被加在可變阻抗12上以調(diào)節(jié)由可變阻抗12所產(chǎn)生的壓降，并進(jìn)而相應(yīng)地校正穩(wěn)壓電壓Vr值。通過這種方式，無論經(jīng)過一段時間電池VB(1)和VB(2)的電壓變化如何，均可將穩(wěn)壓電壓Vr保持在固定的電壓電平上。
對于每一電池VB(1)和VB(2)，穩(wěn)壓器系統(tǒng)10還分別包括相關(guān)的電池檢測電路16a、16b。電池檢測電路16跟蹤每一電池的端電壓。如果電池組中一電池的端電壓降至低于預(yù)定安全電平，則相應(yīng)的電池檢測電路將實際上切斷由該電池流出穩(wěn)壓器電路10的電流。如果兩個電池均下降至或低于預(yù)定安全值，則斷開控制電路14。實際上，這斷開了由可變阻抗12中電池的未穩(wěn)電壓和輸出穩(wěn)定電壓間的連接。這樣，用穩(wěn)壓器系統(tǒng)10的檢測電路16來保護(hù)電池不致遭受過放電的損壞。
現(xiàn)參見圖2，從穩(wěn)壓器系統(tǒng)10的詳細(xì)電路圖中可以看到，可變阻抗12包括PNP晶體管Q1，該晶體管的發(fā)射極端通過電阻器R1和R2連接至每一電池VB(1)和VB(2)，晶體管Q1的集電極端提供穩(wěn)壓電壓Vr。
由控制電路14對晶體管Q1進(jìn)行控制，如圖2所示，控制電路14包括兩個NPN晶體管Q2、Q3和與電阻器R7串聯(lián)并連接至地的穩(wěn)壓二極管D5。穩(wěn)壓二極管D5的擊穿(齊納)電壓為2.5伏電壓。由電阻器R7產(chǎn)生的小電流對二極管D5進(jìn)行偏置，從而在遠(yuǎn)超過拐點區(qū)的更為線性的擊穿電壓電流區(qū)域內(nèi)工作。穩(wěn)壓電壓Vr是由二極管D5的擊穿電壓(即，2.5伏直流)加上基極-發(fā)射極電壓Vbe(即，0.6-0.7伏直流)所形成的，并以下文將描述的方式對它進(jìn)行控制。
二極管D1、D2將電池VB(1)和VB(2)連接至晶體管Q1的發(fā)射極端(通過電阻器R1、R2)，從而防止電池VB(1)和VB(2)中電充得較高的一個電池對較低充電電池進(jìn)行充電。限流電阻器R9、R10與每一二極管D1、D2相串聯(lián)以防止電池發(fā)生可能的過電流損壞(電阻器R11和12以同樣的方式對分別向檢測電路供電的電流進(jìn)行限流)。
電池VB(1)和VB(2)同樣通過檢測電路16來防止它們過量地放電。如圖2所示，第一感應(yīng)電路16分別由耗盡型場效應(yīng)晶體管FET、電阻器、穩(wěn)壓二極管Q4/R4/D3和Q5/R5/D4及電阻器R6串聯(lián)組成。
穩(wěn)壓系統(tǒng)10由大得多的直流電壓產(chǎn)生穩(wěn)壓(低)電壓例如3.2伏直流，在較大型數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中經(jīng)常可以看到這種情況當(dāng)主電源或基本電源掉電或移開時，用所述24伏直流電壓向存儲器提供備用電源。這種電池用來提供電流，該電池結(jié)構(gòu)上輸出電流的能力將隨時間而衰減。然而，使用電池時，額定端電壓可能顯著地降低。穩(wěn)壓器電路10在整個電池電壓變化為6-7伏特(例如，由完全充電后的26伏降至約20伏的衰減電壓)的過程中用來保持所需的穩(wěn)壓電壓值Vr，穩(wěn)壓電壓的大小(大約為3.2伏)是備用電源電壓變化范圍的大約一半，因而穩(wěn)壓不是一件容易的事。
穩(wěn)壓器系統(tǒng)10的工作如下，電阻器R1、R2(與電阻器R9和R10相連接)用來平衡由電池產(chǎn)生的電流，并對能向穩(wěn)壓器系統(tǒng)10和接受穩(wěn)壓電壓Vr的負(fù)載供電的電流最大值進(jìn)行限制。如上所述，二極管D1、D2防止一個電池以較高的端電壓對另一電池進(jìn)行充電。
電阻器R1、R2(和相應(yīng)的二極管D1、D2)將來自電池VB(1)和VB(2)的穩(wěn)壓電壓(正極)共同耦合到節(jié)點A，以用于晶體管Q1的發(fā)射極。節(jié)點A上的未穩(wěn)壓電壓還用來對晶體管Q1進(jìn)行偏置，這是由通過電阻器R3、R8將它加在晶體管Q1的基極上而實現(xiàn)的。
晶體管Q1在電池VB(1)和VB(2)和接受穩(wěn)壓Vr的負(fù)載(未示出)間的串連通路中提供一阻抗。使晶體管Q1導(dǎo)通，并相應(yīng)地在電池和負(fù)載串連通路中形成一阻抗，該阻抗由晶體管Q2、Q3進(jìn)行控制，構(gòu)成控制電路14。晶體管Q3實際上用來比較穩(wěn)壓電壓Vr與電壓參考設(shè)定值。該值事實上是由穩(wěn)壓二極管D5和晶體管Q3的基極-發(fā)射極電壓(Vbe)來實現(xiàn)的。當(dāng)穩(wěn)壓電壓Vr上升時，這種上升將反映到晶體管Q3的基極上，使晶體管Q3增大其導(dǎo)通電流。晶體管Q3增大的導(dǎo)通電流使其從檢測電路16a、16b中引出增大的電流，從而使電阻器R6兩端的電壓下降，將晶體管Q2的基極電位拉低，使之導(dǎo)通電流減小。進(jìn)而，晶體管Q2的導(dǎo)通電流下降又使得流過電阻器R5的相應(yīng)電流減少，因而減小了R3兩端的壓降。因此，可將晶體管Q1的基極電位相對于發(fā)射極上的未穩(wěn)壓電壓升高，從而降低該晶體管的導(dǎo)通能力，進(jìn)而增大其位于節(jié)點A上的未穩(wěn)壓電壓和接收穩(wěn)壓Vr的負(fù)載之間的串聯(lián)電路中的阻抗。
相反，如果穩(wěn)壓電壓Vr欲降低，則該壓降將反映到晶體管Q3的基極上，降低其電流導(dǎo)通能力。這增大了向電阻器R6提供的電流量，導(dǎo)致晶體管Q2的基極電位上升。晶體管Q2將更難以導(dǎo)通，使晶體管Q1的基極電位降至更低，因而增大Q1導(dǎo)通電流，并有效地減小了其有效阻抗，所述阻抗存在于發(fā)射極(它接受未經(jīng)穩(wěn)壓的電壓)和集電極(它提供穩(wěn)壓電壓)之間。其最后結(jié)果是穩(wěn)壓電壓Vr被維持固定在一值上，該值由穩(wěn)壓二極管D5和晶體管Q3的基極-發(fā)射極共同電壓Vbe形成。
晶體管Q1的基極電阻R3具有兩種作用首先，它對提供給(并引自)晶體管Q2的電流進(jìn)行限流，其次，它將晶體管Q1的基極電位拉高。當(dāng)穩(wěn)壓電壓被首先加在可能為高電容性的負(fù)載上時，電阻器R8可避免這時可能出現(xiàn)的閉鎖超載。眾所周知，當(dāng)電源剛開始供電時，電容性負(fù)載時會產(chǎn)生過量電流。這一初始的電流沖擊會導(dǎo)致晶體管Q2飽和。如果沒有電阻器R8，則將晶體管Q1的基極直接拉至地電位，防止晶體管Q3再導(dǎo)通。晶體管Q3保持在非導(dǎo)通狀態(tài)時，無法控制流過晶體管Q2的電流(正如當(dāng)Q3導(dǎo)通時所發(fā)生的那樣)。這樣，不能使晶體管Q2之集電極上的電壓上升，以便使相應(yīng)晶體管的Q1基極電壓上升以減小Q1電流，與電阻器R3并聯(lián)的電阻器8和電阻器R1、R2形成分壓器，以限制晶體管Q1之發(fā)射極電壓(即該晶體管的基極電壓)所能被降低的量。這進(jìn)而使晶體管Q1的集電極處于足夠高的電壓，從而使晶體管Q3導(dǎo)通并提供反饋穩(wěn)壓。
兩個電池VB(1)和VB(2)的端電壓下降至低于預(yù)定電壓時(在這里約為20伏直流電壓)，用檢測電路16來切斷穩(wěn)壓系統(tǒng)。當(dāng)兩電池電壓下降低于該預(yù)定電壓時，檢測電路16的導(dǎo)通電流將急劇地減少，從而產(chǎn)生在電阻器R6兩端的電壓下降，將晶體管Q2的基極電壓拉低并減少其導(dǎo)通電流。這使得晶體管Q1的基極電位上升至未穩(wěn)壓電壓所能達(dá)到的電位。晶體管Q1停止導(dǎo)通以提供一高阻抗，該阻抗位于節(jié)點上的未穩(wěn)壓電壓與負(fù)載之間，事實上這使穩(wěn)壓電壓Vr與負(fù)載相斷開。
兩個檢測電路16的結(jié)構(gòu)與功能均相同，因此，僅對檢測電路16a進(jìn)行描述。然而，可以理解，除了另作注明之處以外，對檢測電路16a所作的描述同樣適用于檢測電路16b。
繼續(xù)參見圖2，F(xiàn)ETQ4和檢測電路16a的電阻器R4用來形成一電流源，它向穩(wěn)壓二極管D3(具有20伏擊穿電壓)和電阻器R6，以及晶體管Q3的集電極與晶體管Q2的基極供電流。(二極管D3、D4還具有一功能，即，當(dāng)電池中僅一者降低至預(yù)定值且另一者仍能提供足夠電壓時，它防止電池對另一者進(jìn)行充電)。在電阻器R4兩端產(chǎn)生FETQ4的箍斷電壓。
當(dāng)由電池VB(1)提供的電壓下降至或低于約20伏電流電壓時，穩(wěn)壓二極管D3的陰極電位將降低至低于其擊穿電壓，因此，停止導(dǎo)通，終止由電池VB(1)流出的端電流。然而，如果電池VB(2)仍高于20伏電平，它將繼續(xù)向電阻器R6和晶體管Q2、Q3供電。
如果兩個電池VB(1)和VB(2)均下降低于預(yù)定電壓值，兩個二極管D3和D4均將斷開，從而除去向晶體管Q2的基極和晶體管Q3的集電極供電的電流。事實上，無論晶體管Q3是否完全停止導(dǎo)通;晶體管Q2也將停止導(dǎo)通，這樣使晶體管Q1的基極電位升高以相應(yīng)地使晶體管Q1不導(dǎo)通。
這樣，電池VB(1)和VB(2)的端電壓均下降壓低于20伏直流值的結(jié)果是徹底切斷穩(wěn)壓電路10，且由于僅由元件Q4/D3、Q5/D4及晶體管Q1產(chǎn)生泄漏電流，使由電池流出的電流顯著減小。
本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)技術(shù)人員可以認(rèn)識到，用在穩(wěn)壓電路10中的器件應(yīng)具有良好的小電流工作特性。尤其是對晶體管而言，它在小電流值時應(yīng)具有較好的β值，而在截止條件下應(yīng)具有小的泄漏電流。一種較佳的情況是，晶體管Q1型號為2N 2907A、晶體管Q2、Q3為2N2222A型三極管。場效應(yīng)管Q4、Q5為NF5101型器件。穩(wěn)壓三極管各自的擊穿電壓為20伏直流。其它數(shù)值如下電阻器R1、R2為36KΩ;電阻器R3為100KΩ;電阻器R4、R5為22.1KΩ;電阻器R6、R7為62KΩ;電阻器R8為100KΩ;電阻器R9、R10為10KΩ;二極管D1、D2為MLL 4001型器件。
如上文所述，穩(wěn)壓器電路10用來對來自直流電壓備用電源的電壓進(jìn)行工作，該直流電壓亦可在主電源失效或連接至其它器件的情況下向其它負(fù)載(例如主存儲器-未示出)提供直流電壓。然而，可能會發(fā)生這樣的情況，即，所述負(fù)載使電池VB(1)和VB(2)中一者的放電速度大于另一者，從而該電池可達(dá)到一電壓值(20伏直流)，該電壓為所連接的檢測電路16將終止來自電池之電流時的電壓。同時，另一電池的充電量可能僅比20伏直流高幾伏。在這種情況下，節(jié)點A處的電壓可能低于20伏特，從而，包括已被放電至20伏電平的電池在內(nèi)，這兩個電池均能繼續(xù)產(chǎn)生電流。
在另一種情況下，流過帶有D1/R1或D2/R2的通路上的電流將使其產(chǎn)生某一幅值的電壓降。如果電池VB(1)和VB(2)端電壓之差小于該壓降值，且至少一電池的端電壓大于20伏電壓，則兩個電池均產(chǎn)生電流。當(dāng)然，兩個電池VB(1)和VB(2)均高于20伏直流電平時這不成為問題。當(dāng)一電池降至20伏電平時這將成為問題。
例如，假設(shè)電池VB(2)已放電至20伏(或其附近)，從而不應(yīng)再從中流出電流，以使保護(hù)電池不會過度放電。再假設(shè)電池VB(1)已放電至約22伏電壓。同樣假設(shè)穩(wěn)壓電路10和接受穩(wěn)壓電壓Vr的負(fù)載共同流出100微安的電流?？梢钥吹剑呻姵豓B(1)提供給節(jié)點A的電流所產(chǎn)生壓降約為4伏特，從而使節(jié)點A的電壓約為18伏特。這使得電池VB(2)產(chǎn)生電流，會出現(xiàn)電池VB(2)放電至低于被認(rèn)為安全的電壓值的情況。
為了使產(chǎn)生于通路R1/D2、R2、D2上兩端的壓降幅值最小，圖3中示出了將未穩(wěn)壓電壓加至晶體管Q1之發(fā)射極的另一種方法。圖3中所示的電路可以減小電池VB(1)和VB(2)的端電壓的電壓差值，從而能出現(xiàn)上述情況。
如圖3所示，用單個電阻器R14來代替電阻器R1、R2。且三極管D1、D2的陰極互相連接，并連接至電阻器R14之一端。電阻器R14之另一端連接至晶體管Q1的發(fā)射級。如圖2中所示，二極管D1、D2的陽極繼續(xù)分別連接至電阻器R9、R10。二極管D1、D2之陰極連接降低了兩電池VB(1)和VB(2)間的差值電壓，若超過所述電壓，低充電量的電池將產(chǎn)生電流。
圖3中，用電阻器R9和R10來平衡由電池VB(1)和VB(2)產(chǎn)生的電流。用電阻器14對向穩(wěn)壓器系統(tǒng)10和接受穩(wěn)定電壓Vr之負(fù)載供電電流的最大值進(jìn)行限制，可將電阻器14的規(guī)格制得使其將允許通過的電流限制在很小的值。且不會有增大差值電壓的壞作用，當(dāng)超過所述差值電壓時，具有較低端電壓的電池將輸出電流。此外，所述差值電壓取決于電阻器R9和R10的值及節(jié)點A上提供的電流。
權(quán)利要求
1.一種電壓穩(wěn)壓器，對正極未穩(wěn)壓電壓進(jìn)行穩(wěn)壓以提供穩(wěn)壓直流電壓，其特征在于，所述電壓穩(wěn)壓器包括可變阻抗裝置，它連接在電路中，接受未穩(wěn)壓電壓，從中產(chǎn)生穩(wěn)壓電壓，所述可變阻抗裝置包括接受控制信號的控制端，可變阻抗響應(yīng)于控制信號，從而將穩(wěn)壓電壓維持在一固定值上；控制電路裝置，它連接至控制端以接受穩(wěn)壓電壓，使穩(wěn)壓電壓維持在一固定值，控制電路裝置包括參考電路裝置，它連接在電路中，檢測穩(wěn)壓電壓和固定值間的差值，從中控制電路可產(chǎn)生表示該差值的控制信號；和檢測裝置，它連接至未穩(wěn)壓電壓及控制電路，當(dāng)未穩(wěn)壓電壓已降低至預(yù)定電壓值時，它使控制電路不確定控制信號，以使可變阻抗裝置設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的電壓穩(wěn)壓器，其特征在于，所述可變阻抗器裝置包括-PNP晶體管，該晶體管發(fā)射極端連接以接受未穩(wěn)壓電壓，其集電極端上加有穩(wěn)壓電壓，基極端接收控制信號。
3.如權(quán)利要求1所述的電壓穩(wěn)壓器，其特征在于，由電池來提供所述正極未穩(wěn)定電壓。
全文摘要
一種穩(wěn)壓器電路，它對來自一對備用電池的未穩(wěn)定電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，以提供低壓穩(wěn)定的直流電壓。所述穩(wěn)壓器電路包括穩(wěn)壓控制，它通過監(jiān)控穩(wěn)壓電壓而產(chǎn)生的反饋信號將穩(wěn)壓電壓維持在所需值。電池監(jiān)控裝置對所用電池的電壓值進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電池電壓降至低于預(yù)定電壓值時它切斷穩(wěn)壓器以維護(hù)電池壽命。
文檔編號G05F1/56GK1106959SQ9410669
公開日1995年8月16日 申請日期1994年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月2日
發(fā)明者馬克·A·泰勒, 薩姆森·K·托伊 申請人:協(xié)力計算機股份有限公司