專利名稱：電壓調(diào)節(jié)器的制作方法
本申請與題目為“帶限流過載保護的雙電壓的電壓調(diào)節(jié)器”的第87,004號專利申請有關(guān)，在此同時申請。
本發(fā)明涉及到電壓調(diào)節(jié)器，特別涉及一種調(diào)節(jié)器效率得到改善的電壓調(diào)節(jié)器。
本電壓調(diào)節(jié)器在一個直接廣播衛(wèi)星接收機系統(tǒng)中是很有用的，這個系統(tǒng)包括對準衛(wèi)星以便從衛(wèi)星接收信號的一個戶外微波天線。從衛(wèi)星接收的信號由安裝在非常接近天線或在天線上的“低噪聲分組變換器”(LNB)來放大。
來自LNB的輸出信號通過一根同軸電纜傳送到室內(nèi)接收機。為了從室內(nèi)接收機給LNB提供電源，以及控制LNB的極性，一個直流電壓被多路傳輸?shù)酵S電纜的中心導(dǎo)線。LNB的電路被設(shè)計為能在較低電源電壓或者能在較高電源電壓下工作，雙電源電壓被用于控制LNB的極性設(shè)置，如較低的電壓選擇右圓極化(PHCP)，較高的電壓選擇左圓極化(LHCP)。對于兩種中任一種已調(diào)節(jié)的電源電壓LNB的電流消耗是相當恒定的。
如果短路或其他故障出現(xiàn)于調(diào)節(jié)器輸出端，則使用可控串聯(lián)阻抗裝置以保持已調(diào)節(jié)輸出電壓耦合到一個負載的電壓調(diào)節(jié)器易受到損壞。這樣的損壞常常會由串聯(lián)阻抗裝置過度的熱損耗或串聯(lián)裝置超過電流定額引起。由于這個原因，為了防止調(diào)節(jié)器受到這樣的損壞，通常需要提供過載保護。
一種類型的過載保護是在被稱為“限流過載保護”電壓調(diào)節(jié)器上限制電流，它公布于復(fù)活節(jié)時的美國專利第3,445,751號。這樣一個調(diào)節(jié)器對一個變化的負載提供輸出電壓調(diào)節(jié)直至達到一個過載電流閾值。對于這個閾值以上的負載電流，當負載增加時，可得到的輸出電流減小，對應(yīng)的輸出電壓也減小。短路電流可被調(diào)節(jié)，但它只是全負載電流的一小部分，這樣就使串聯(lián)通路晶體管的損耗最小。本發(fā)明的電壓調(diào)節(jié)器就是這樣的“限流過載保護”電壓調(diào)節(jié)器。
從直流電源提供的電流通過串聯(lián)通路晶體管的發(fā)射極-集電極路徑流向負載。經(jīng)過一個放大晶體管和以負反饋電路配置安排的其他電路，這個電流量由從輸出電壓到串聯(lián)通路晶體管的基極耦合的控制信號控制。以這種方式，經(jīng)過串聯(lián)通路晶體管發(fā)射極-集電極路徑的電壓降被調(diào)整并保持在一個已調(diào)節(jié)的輸出電壓。
串聯(lián)通路晶體管在全負載下引起電壓降，因此作為調(diào)節(jié)功能的一部分它損耗功率。在串聯(lián)通路晶體管中希望這個功率損耗最小，以改善串聯(lián)通路晶體管的可靠性，減少與相應(yīng)的散熱片一起的串聯(lián)通路晶體管的成本，并且通過使未調(diào)節(jié)的輸入電壓和已調(diào)節(jié)的輸出電壓之間的電壓差最小來改善最大輸出電壓的調(diào)節(jié)效率。
本發(fā)明的目的主要是提供一種電壓調(diào)節(jié)器，其中串聯(lián)通路晶體管和放大晶體管是互補類型。從直流電源提供的電流經(jīng)過串聯(lián)通路晶體管的發(fā)射極-集電極路徑流向負載。這個電流量被從已調(diào)節(jié)的輸出電壓到放大晶體管的基極耦合的負反饋控制信號控制。它反過來驅(qū)動串聯(lián)通路晶體管的基極。放大量體管的發(fā)射極耦合到一個小于已調(diào)節(jié)的直流輸出電壓的電壓，使得用于晶體管對的驅(qū)動要求減小。
參見附圖，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的一個調(diào)節(jié)器的示意圖；圖2示出了圖1中調(diào)節(jié)器一部分的修改的說明。
現(xiàn)在參考圖1，這里根據(jù)本發(fā)明的方面示出了一個電壓調(diào)節(jié)器10。電壓調(diào)節(jié)器10能夠在較高的已調(diào)節(jié)的直流輸出電壓模式和較低的已調(diào)節(jié)的直流輸出電壓模式之間轉(zhuǎn)換。
一個未調(diào)節(jié)的直流電流源(未示出)連接在端子12和參考電位點11(例如，地)之間。串聯(lián)通路PNP晶體管Q1的發(fā)射極14耦合到端子12。晶體管Q1的集電極16經(jīng)過電阻20耦合到輸出端18。負載(LNB)連接在輸出端18和參考點11(未示出)之間。晶體管Q1的基極耦合到NPN放大晶體管Q2的集電極并經(jīng)過電阻22耦合到輸入端12。晶體管Q2的發(fā)射極經(jīng)過電阻24耦合到輸出端18以及經(jīng)過電阻30耦合到參考點11。晶體管Q2的基極被耦合接收一個控制信號，這在下面將更全面的論述。
從耦合到端子12的直流電源提供的電流經(jīng)過晶體管Q1的發(fā)射極-集電極路徑和電阻20流向輸出端18和負載。這個電流量由經(jīng)過引線26耦合到晶體管Q2基極的控制信號控制，通過調(diào)節(jié)經(jīng)過晶體管Q1的電壓降來保持端子18的已調(diào)節(jié)的輸出電壓。即使晶體管Q1完全斷開，連接在Q1的發(fā)射極和集電極之間的電阻32繼續(xù)提供一些電流給負載。連接在晶體管Q1的發(fā)射極和基極之間的電阻22降低了晶體管Q1集電極到基極的漏電流的影響。
由于晶體管Q2的集電極耦合到晶體管Q1的基極，并且串聯(lián)通路配置的輸出是從晶體管Q1的集電極16得到的，所以晶體管Q1，Q2在互補配置提供了電壓和電流增益。這樣，晶體管Q1，Q2在反饋環(huán)路中被安排作為放大器，而環(huán)路增益由從輸出端18連接到晶體管Q2的發(fā)射極的電阻24以及連接到地的電阻30組成的反饋網(wǎng)絡(luò)確定。
另外，晶體管Q1，Q2和電阻24，30的配置還有另一個優(yōu)點，可以改善調(diào)節(jié)器10的效率，因為在重負載條件下降低了Q1的功率損耗，降低了晶體管Q1，Q2對驅(qū)動的要求。圖2示出了未包括由電阻24、30組成的電阻分壓器的串聯(lián)通路配置的一部分(電阻24由一個短路代替，電阻30由一個開路代替)。在這種配置中，晶體管Q2的基極(引線26)電壓為0.7伏，它高于輸出端18的電壓Vo，而當晶體管Q1和Q2的基極-發(fā)射極電壓下降時，Vo至少為1.4伏，它低于端子12的輸入電壓Vin。這就相應(yīng)于未調(diào)節(jié)的輸入電壓對最大已調(diào)節(jié)的輸出電壓提供了一個上限。進一步說，通過晶體管Q1的1.4伏電壓降消耗了晶體管Q1上的功率。
為了使調(diào)節(jié)器以一個較小的輸入電壓Vin與輸出電壓Vo之間的差值電壓工作，并且減少在晶體管Q1的功率損耗，在高電壓模式就要求晶體管Q1被驅(qū)動到最高輸出電壓的飽和狀態(tài)。分壓器電阻24、30就可以改善串聯(lián)通路電路的效率，以獲取這些特性。
返回參見圖1，引線26上的電壓V26的數(shù)學(xué)表示如下V26＝Vbe(Q2)＋Vo(電阻30/(電阻30＋電阻24))。如果Q2的Vbe為0.7伏，并且電阻24的值等于電阻30的值，則V26＝0.7伏＋Vo/2。因為這種配置降低了晶體管Q2發(fā)射極的電壓，使它實質(zhì)上低于電壓Vo，由于電壓V26可以是一個較低的電壓使得驅(qū)動Q2較難的工作變得較容易了，這樣使得晶體管Q1更容易被驅(qū)動到飽和狀態(tài)而晶體管Q2仍然保持在有效的非飽和狀態(tài)。這樣正如上面討論的，利用分壓器電阻24、30，串聯(lián)通路晶體管Q1可以被驅(qū)動以使Vo＝Vin-0.2伏(晶體管Q1的典型的飽和電壓)代替至少1.4伏的電壓。這樣調(diào)節(jié)器可以工作在輸入電壓Vin和輸出電壓Vo之間較低的差值上，當晶體管Q1被完全驅(qū)動時使得其上的功率損耗降低。
由于電壓Vin的最大值是有限的，使輸入和輸出電壓之間的差值較小在較高輸出電壓模式中特別重要。此外，由于現(xiàn)在作用于引線26的控制電壓比B+低許多，正如下面將要詳細論述的，為了驅(qū)動晶體管Q2到飽和晶體管Q1，提供控制信號V26的運算放大器46不需要在大約為B+值的輸出電壓上工作。
電阻28耦合在晶體管Q1的發(fā)射極14與晶體管Q2的發(fā)射極之間，以防止Q2的發(fā)射極在輸出短路時降壓太低，運算放大器46不能反向偏置晶體管Q2的基-發(fā)射結(jié)以截止晶體管Q1。導(dǎo)致晶體管Q1截止的能力對于限制電流是重要的，下面將更全面的論述這個問題。
通過串聯(lián)連接在輸入端12和地之間的電阻34和齊納二極管36提供參考電壓，并且參考電壓被電容38濾波。參考電壓耦合到運算放大器46的同相(ni)輸入端46ni，在其中它與耦合到反相(i)輸入端46i的Vo的分壓值相比較。Vo的分壓值從耦合在輸出端18和地11之間的串聯(lián)分壓電阻42和44之間的抽頭得出。放大器46的輸出信號經(jīng)過隔離電阻50在線26提供控制信號V26。如果在已調(diào)節(jié)的輸出電壓Vo存在一個相應(yīng)的增加或降低，這種配置提供了負反饋以降低或增加對晶體管Q1的驅(qū)動。耦合在放大器46的輸出和端子46i之間的電容49抑制振蕩。
晶體管Q3使得較低和較高輸出電壓模式的轉(zhuǎn)換成為可能，經(jīng)過電阻分壓器51、52，來自一個控制單元(未示出)，如微處理器的控制信號耦合到晶體管Q3的基地以將其驅(qū)動到飽和狀態(tài)。晶體管Q3的集電極經(jīng)過電阻54耦合到端子46i，當晶體管Q3被驅(qū)動為飽和時，電阻54以并聯(lián)方式與分壓電阻44相連，這樣就改變了電阻42、44的分壓比。對于LNB的LHCP工作，通過比較放大器46提供的V26的結(jié)果變化引起端子18的輸出電壓轉(zhuǎn)換到較高電壓。
現(xiàn)在回到本調(diào)節(jié)器的過載限流方面，由串聯(lián)電阻60、62、64組成的分壓器58耦合在晶體管Q1的集電極16和地之間，在電阻62和64之間有一抽頭耦合到運算放大器66的反相輸入端66i。由串聯(lián)電阻70、72組成的分壓器68耦合在輸出端1 8和地之間，在電阻70和72之間有一抽頭耦合到放大器66的同相(ni)輸入端66ni。放大器66的輸出端74耦合到二極管76的陰極，二極管76的陽極耦合到控制引線26。正如下面將要更詳細論述的，二極管76防止運算放大器66在正常工作時影響V26。耦合在輸出端74和端子66i之間的電容79抑制振蕩。通過電阻72耦合的電容80防止從LNB負載接收的任何交流信號影響放大器66。分壓器58、68電阻元件值如下所述電阻60＝1k歐姆 電阻62＝3k歐姆電阻64＝12k歐姆 電阻70＝2.8k歐姆電阻72＝12k歐姆電阻20(33歐姆)產(chǎn)生一個與輸出電流成正比的電壓。這樣，經(jīng)過分壓器58和68的電壓有少許的差別，在兩個分壓器抽頭的電壓也設(shè)置為有少許差別。當經(jīng)過電阻20的電流小于限流過載保護電流的閾值時，分壓器58和68的作用是使端子66ni的電壓比端子66i的電壓更大，并且端子74的輸出電壓等于或接近B+電壓。在正常工作情況下這反向偏置了二極管76并防止放大器66的輸出受到線26驅(qū)動的干擾。這樣除非電路是在限流模式下，引線26正常的控制是由放大器46提供的。然而，如果經(jīng)過電阻20的電流超過限流過載保護閾值電流，電阻20兩端的電壓降將引起端了66ni的電壓稍微低于端子66i的電壓。由于運算放大器66的大增益這就迫使端子74的輸出電壓變低。這使得二極管76正向偏置并導(dǎo)致放大器46的工作被取消以致于引線26的控制電壓減到接近于零伏。由此帶來的結(jié)果是端子18的輸出電流減到接近于零以及輸出電壓Vo也減到接近于零伏。以這種方式，當輸出短路或在負載發(fā)生故障時，在正常工作情況下提供給負載的來自額定輸出電流的輸出電流被限流過載保護。例如，輸出電流的限流過載保護可以從正常值350毫安培到大約10毫安培。這樣，就可以防止由于負載故障晶體管Q1過度的熱損耗或過流狀態(tài)。當負載故障排除后，電壓調(diào)節(jié)器10恢復(fù)并回到正常工作。
電壓調(diào)節(jié)器10是一個雙電壓的電壓調(diào)節(jié)器。當輸出電壓Vo變得較高時，啟動限流的限流過載保護閾值電流也將改變。由于對任何特定的電流在電流檢測電阻20的電壓降將保持相同，限流過載保護閾值電流的變化就發(fā)生了，但是由于經(jīng)過分壓器58、68的電壓的增加而導(dǎo)致耦合到輸入端66ni和66i的差值電壓。因為提供的晶體管Q1和負載的保護可能降低，這是不希望的。
在本實施例中，在較高電壓模式下要保持相同的限流閾值，分壓器58的電壓分壓被經(jīng)過電阻60耦合的二極管78改變。在較低輸出電壓模式下通過電阻60的電壓降被選擇為小于二極管78的正向?qū)ㄩ撝?。然而，當調(diào)節(jié)器10轉(zhuǎn)換到較高電壓模式時，經(jīng)過電阻60的較高電壓降就足以導(dǎo)致二極管78正向?qū)?，這樣就改變了分壓器58的分壓和作用于端子66i和66ni的差值電壓關(guān)系。分壓器58的改變實際上在較高電壓輸出模式下與較低電壓輸出模式一樣保持了相同的限流過載保護閾值電流。例如，若沒有分壓器58的改變，在實施范例中，在較低已調(diào)節(jié)的輸出電壓的限流閾值，大約是350mA，在較高已調(diào)節(jié)的輸出電壓的限流閾值大約是600mA。隨著分壓器58的改變，對于雙輸出電壓中每一電壓限流閾值大約為350mA。
在本實施例中，二極管78是一個具有相當尖銳“拐點”的1N914二極管。如果希望降低導(dǎo)通拐點的銳度，可以緊接著與二極管78串聯(lián)一個電阻(未示出)。另一種方法是，二極管78可以由若干個串聯(lián)連接的二極管替代。還可以使用其他的電壓檢測裝置，如鍺二極管，發(fā)光二極管LED，壓敏電阻，或齊納二極管。在LED情況下，二極管本身可以作為調(diào)節(jié)器工作模式的可視指示器。另外，一個繼電器或開關(guān)晶體管也可以替代二極管78。在這種情況下，當微處理器信號激發(fā)輸出電壓變化時，比如可在端子53得到的同一微處理器信號的存在或缺少可以用來啟動分壓器電阻的轉(zhuǎn)換。更進一步地，電壓檢測裝置可以在別處連接在分壓器中之一上。
值得注意的是在實施范例中，運算放大器46和66是由美國國家半導(dǎo)體公司制造的LM348運算放大器。這種運算放大器具有PNP輸入電路，該輸入電路允許在輸入端電壓很低時放大器仍然可以工作。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)具有NPN輸入電路的運算放大器，典型地當輸入端電壓低于大約1伏時它不工作。已發(fā)現(xiàn)如果運算放大器應(yīng)用這樣的NPN輸入電路，放大器66可以鎖在過載限流保護模式，即輸出端74鎖在零輸出電壓，當輸出端18的故障被排除后它將不能恢復(fù)到正常工作模式。但是，也許存在可能需要在“故障保險”模式下的這種閂鎖的情況。
權(quán)利要求
1.一種電壓調(diào)節(jié)器包括一個用于接收未調(diào)節(jié)的直流電壓的輸入端；一個用于提供已調(diào)節(jié)的直流電壓的輸出端；耦合在輸入端和輸出端之間并具有響應(yīng)控制信號的特性的調(diào)節(jié)裝置；用于根據(jù)一個已調(diào)節(jié)的直流電壓與一個參考電壓的比較值產(chǎn)生控制信號的裝置；所述調(diào)節(jié)裝置包括一個第一類型并具有耦合到輸入端的第一發(fā)射極、第一基極、以及耦合到輸出端的第一集電極的第一晶體管，以及一個相應(yīng)于第一晶體管為互補類型并具有耦合用于接收控制信號的第二基極、耦合到輸出端的第二發(fā)射極、耦合到第一基極的第二集電極的第二晶體管，以及耦合到第二發(fā)射極用于保持第二發(fā)射極在一個小于輸出端的已調(diào)節(jié)直流電壓的電壓上的裝置。
2.如權(quán)利要求1的電壓調(diào)節(jié)器，其中耦合到第二發(fā)射極的裝置包含連接在輸出端和參考電位之間的電阻性分壓器，第二發(fā)射極耦合到該分壓器的一個抽頭上。
3.如權(quán)利要求2的電壓調(diào)節(jié)器，其中分壓器包含等值的電阻并且施加于第二發(fā)射極的電壓是已調(diào)節(jié)的直流電壓的一半。
4.如權(quán)利要求1的電壓調(diào)節(jié)器，其中第一晶體管是一個PNP晶體管，第二晶體管是一個NPN晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓調(diào)節(jié)器，其中串聯(lián)通路晶體管和一個放大晶體管是互補類型。來自直流電源的供電電流通過串聯(lián)通路晶體管的發(fā)射極-集電極路徑流向負載。這個電流量由從已調(diào)節(jié)的輸出電壓耦合到放大晶體管基極的負反饋控制信號控制，它順次驅(qū)動串聯(lián)通路晶體管的基極。放大晶體管的發(fā)射極耦合到一個小于已調(diào)節(jié)的直流輸出電壓的電壓，以便降低該晶體管對的驅(qū)動要求。
文檔編號G05F1/10GK1152362SQ9419513
公開日1997年6月18日 申請日期1994年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月16日
發(fā)明者馬克斯·W·穆特斯鮑格 申請人:湯姆森消費電子有限公司