一種瞬時受保護的隔離器的制造方法
【專利摘要】一種瞬時受保護的隔離器，公開了一種自動穩(wěn)壓器，它具有多個穩(wěn)壓輸出，這些穩(wěn)壓輸出使用瞬時受保護的隔離器輸出級，以防止任何一個輸出上的系統(tǒng)故障條件，對其它輸出產(chǎn)生不利影響。在一個自動環(huán)境中，采用標稱14伏的電源，一個單獨的輸出可以取自-4伏至+26伏，而不會造成損害或在非故障輸出上有任何顯著的反應(yīng)。該電路采用了相對較小的NPN輸出晶體管，因此，需要一個相對較低的值，來穩(wěn)定旁路電容。
【專利說明】—種瞬時受保護的隔離器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及穩(wěn)壓器，尤其是那些打算在自動應(yīng)用中使用的穩(wěn)壓器。在一定的條件下，將需要一個自動穩(wěn)壓器來提供多個輸出，使幾個獨立的裝置可以提供一個穩(wěn)定的電壓。這些輸出各自采用一個隔離級，允許獨立或隔離的負載電源。
【背景技術(shù)】:
[0002]一個自動系統(tǒng)的主要特點之一，是各部分的機殼接地來呈現(xiàn)不同的電位的傾向。在自動領(lǐng)域內(nèi)，這是一個眾所周知的事實。不同的機殼接地可能會形成多達+4伏的差分。因此，當一個輸出變?yōu)槎搪返降貢r，它可以低至-4伏，另一個問題，就是穩(wěn)壓器輸出會短路到高于正常的正電位。例如，高達26伏的電壓可以在不經(jīng)意間與輸出端子相關(guān)聯(lián)。其結(jié)果是，在不利的條件下的自動穩(wěn)壓輸出，可能會在26伏至-4伏的范圍內(nèi)變化。期望的是穩(wěn)壓器在這樣的極端條件下幸存下來而且沒有損害，對于多個輸出端，應(yīng)用到一個輸出上的故障條件，將不會對其它輸出產(chǎn)生不利影響。
[0003]另一種穩(wěn)壓器的特征涉及其輸出阻抗。如果電路中的導(dǎo)通晶體管是PNP極性，這是常有的情況，集電極連接到輸出端子。這是高阻抗的晶體管元件，并就此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，需要相對較大的旁路電容來解決。通常情況下，使用一個PNP輸出晶體管將需要一個至少為10微法的旁路電容。最好是鉭電容。在本發(fā)明中，采用的NPN輸出晶體管，要求低阻抗的發(fā)射極端子連接到輸出端子。該配置允許使用一個相對較小的0.06的微法電容。雖然使用一個小電容在一個單一的穩(wěn)壓器中沒有很大的經(jīng)濟意義，多個輸出設(shè)備可能需要使用一些比較昂貴的電容。這可能是有意義的。
[0004]隨著進一步的考慮，當穩(wěn)壓器是以一個單片集成電路(IC)的形式制作時，芯片面積基本上被輸出晶體管占據(jù)。當使用NPN型的輸出晶體管時，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相對于使用PNP型，這需要少得多的芯片面積。因此，本發(fā)明還產(chǎn)生一個IC的區(qū)域經(jīng)濟。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的一個目的是提供一個電壓調(diào)節(jié)器，具有多個隔離的輸出級，它們可以提供多個穩(wěn)定的電壓源，在一個單一的參考源中共同操作，并基本上相互隔離。
[0006]本發(fā)明的再一個目的是提供一個穩(wěn)壓器的輸出級，可以承受，而不會損壞，負載瞬變上升時基本高于穩(wěn)壓輸出，下降時基本低于地面電位。
[0007]本發(fā)明的進一步目的是采用單片IC的結(jié)構(gòu)形式，并采用一個NPN輸出晶體管，來生成一個芯片面積經(jīng)濟，減少穩(wěn)定的并聯(lián)電容器的大小。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0009]這些和其它的目的是在按照如下方法配置的電路中實現(xiàn)的。該穩(wěn)壓器電路包括一個參考電壓發(fā)生器，形成一個恒定電位下的溫度補償源。這個溫度補償源通常操作多個瞬時受保護的隔離器輸出級(TP10S)，其中每一個TPIOS產(chǎn)生一個不同的穩(wěn)定電壓。每個TPIOS電路包括一個NPN導(dǎo)通晶體管，其導(dǎo)通是由一個高增益負反饋回路控制的，通過晶體管的操作來控制相對于參考電壓源的輸出。每個TPIOS電路還包括一種裝置，允許輸出端基本上被拉到低于地面，以及基本上高于負載電源電壓，而不會在電路元件上產(chǎn)生任何多余的壓力。
[0010]此外，NPN輸出導(dǎo)通晶體管致力于將功率晶體管的發(fā)射極連接到輸出端子。這種低阻抗連接使穩(wěn)壓器穩(wěn)定下來，并允許使用一個相對較小的旁路電容。
[0011]對比專利文獻:CN2652014Y鋰離子電池組安全充放電控制器200320112013.5
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0012]圖1是一個使用PNP輸出晶體管的傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的原理方框圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的基本電路的原理方框圖。
[0014]圖3是一個自動的多個輸出穩(wěn)壓器的方框圖。
[0015]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個TPIOS的原理方框圖。
[0016]圖5是一個優(yōu)選集成電路TPIOS的示意圖。
【具體實施方式】:
[0017]圖1示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的穩(wěn)壓器。該電路的運行是從V_(典型的自動電池和充電電源)接+到端子10，接-到接地端子11。一個較大面積的功率PNP晶體管12，將端子10耦合到提供一個穩(wěn) 定電位的輸出端子13上。通常情況下，端子13上的電壓約8伏。晶體管12的基極被電路14驅(qū)動，已知的電路提供給電路14 一個溫度穩(wěn)定的電壓，并施加到參考端子15上。電阻器16和17形成一個分壓器，將代表穩(wěn)壓輸出電壓的一小部分的反饋電壓，施加到運行中的驅(qū)動器電路上。應(yīng)注意的是，晶體管12的集電極連接到輸出端子13上。由于這種電極是一個高阻抗節(jié)點，旁路電容器19必須有實質(zhì)性的值，以提供一個低電源端子阻抗。通常情況下，電容器19將是一個10微法的鉭電容器，該電容器在傳統(tǒng)的電源線路頻率中具有適當?shù)偷淖杩埂?br> [0018]將會注意到，如果端子13上電壓降低了，由于一些系統(tǒng)故障，驅(qū)動器14的反饋將被打亂。如果驅(qū)動器14使晶體管12上的基極電壓降低，這將產(chǎn)生災(zāi)難性的過剩的功率晶體管的功耗。
[0019]此外，如果端子13上的電壓高于￥_，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生故障，可以看出，晶體管12的集電極將承擔發(fā)射極的角色。由于這樣的PNP晶體管通常是橫向建設(shè)，該設(shè)備可以在這個倒置的狀態(tài)工作得很好。由于驅(qū)動電路在一個接近V411的電位的基極上運作，晶體管12將大力傳送一個可能是災(zāi)難性的電流。在同一時間，晶體管12和IC基板之間形成的寄生晶體管將會導(dǎo)通，因此，較大的襯底電流將會變低，由于上述的結(jié)果，由于系統(tǒng)故障，圖1的電路被視為容易導(dǎo)致失敗的電路。
[0020]圖2是類似于圖1的原理方框圖，但是示出了本發(fā)明的核心。公開了 TP10S。凡涉及相同的元件的地方，采用相同的標號。NPN晶體管20是輸出導(dǎo)通元件，和一個大小相等的晶體管21通過二極管連接，并與晶體管20串聯(lián)耦合。對于具有相同的輸出電流能力的晶體管20，只需要圖1中PNP晶體管12的約三分之一的區(qū)域。因此，NPN晶體管20和21的結(jié)合區(qū)仍然只有PNP晶體管區(qū)域的三分之二，并得到一個顯著的集成電路芯片節(jié)省的面積。由于輸出端子13連接著晶體管20的發(fā)射極，該電路呈現(xiàn)一個低阻抗，因此，本質(zhì)上是穩(wěn)定的。雖然圖1中的電容器19是10微法拉(最少),有相同的額定輸出，圖2中的電容器22可低至約0.06微法或是更小的167倍。
[0021]如果端子13上電壓升高，由于系統(tǒng)故障，可以看到的是，與橫向PNP晶體管不同，NPN晶體管20將無法在倒立狀態(tài)有效地發(fā)揮作用。電路中包括晶體管21，是為了在端子13上的電壓上升到上述晶體管20的V411電位，并超過齊納電壓時，防止齊納二極管導(dǎo)通。因此，有可能出現(xiàn)一種破壞性的電流，甚至高過電位。
[0022]最后，如果端子13上的電壓接地，由于不利的系統(tǒng)故障，可以看出，驅(qū)動器14的反饋也被降低。電路結(jié)合驅(qū)動器14，以減少晶體管20的傳導(dǎo)性。此操作將在隨后更詳細地描述。因此，這樣的故障不會導(dǎo)致過多的晶體管導(dǎo)通。
[0023]圖3是一個本發(fā)明的自動應(yīng)用中的方框圖，其中多個TPIOS電路被一個調(diào)節(jié)器操作，它產(chǎn)生溫度下的不變量v#it?？梢钥闯?，該設(shè)備在那些23-25端子上提供了穩(wěn)定的輸出電壓。顯然，如果需要的話，可以采用額外的輸出。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，一個輸出被擾亂，其他的輸出將不會受到影響，這是很重要的。三個輸出顯示，每一個都包括三個小的旁路電容器26-28，并分別由TPIOS電路29-31提供。一個單一的參考電壓發(fā)生器32，在節(jié)點15處為三個TPIOS輸出級提供了一個溫度下穩(wěn)定的參考電壓。在將要描述的優(yōu)選實施例中，輸出電壓和是8伏。標稱14伏的電源,它代表一個充滿電的蓄電池,3個8伏的輸出可以用來為三個獨立的系統(tǒng)提供服務(wù)。每個輸出可以在+26伏和314伏之間變動，對其他輸出沒有任何不利影響。即使在這樣的系統(tǒng)故障下，受影響的電路不會受到損害。
[0024]圖4是一個TPIOS電路的詳細的方框圖。通過舉例的方式，詳述了圖3中的方框
29。正如上面指出的，NPN輸出晶體管20與等效晶體管21串聯(lián)耦合，在電源端子10和輸出端子25之間通過二極管連接。因此`，晶體管20和21構(gòu)成輸出元件。
[0025]差分放大器35和緩沖器36在晶體管20的發(fā)射極-基極電路周圍構(gòu)成負反饋環(huán)路。從而在端子25上保持了一個穩(wěn)定的輸出。穩(wěn)定的輸出被I禹合到差分放大器35的反相輸入端，端子15的被耦合到同相輸入端。因此，差分放大器35將通過緩沖器36驅(qū)動晶體管20的基極，直到晶體管的發(fā)射極20上的電位匹配V#it，并穩(wěn)定負載電流和線路輸入電壓的變化。這種高增益反饋回路，確保在普通工作條件下，輸出電壓和非常匹配。
[0026]如果沒有呈現(xiàn)其他的電路功能，是本系統(tǒng)發(fā)生故障，將使端子25的電壓降至地面以下，可能會在晶體管20和21上產(chǎn)生過度或潛在的破壞性電流。然而，結(jié)合次級反饋回路可以防止這樣的情況發(fā)生。
[0027]將會注意到的是，差分放大器35的輸出是由可變電流源37所提供，下面將要描述的，在一定條件下，該輸出可以提供輸入給緩沖器36。差分放大器38包括次級反饋回路的核心部分。它的輸出控制電流源37中的電流。晶體管39的基極到發(fā)射極電路，與晶體管20的基極到發(fā)射極電路相并聯(lián)，驅(qū)動差分放大器38的同相輸入。然而，由于晶體管39有晶體管20的1/30的面積，所以將只導(dǎo)通輸出級29的輸出電流的1/30。晶體管39吸收的電流流過電阻器40和通過二極管連接的晶體管41和42。因此，差分放大器38的同相輸入端，是在電阻器40和通過二極管連接的晶體管41的兩端的低于Vwjl的電壓降。差分放大器38的反相輸入端直接耦合到參考電路，是由恒流源43控制的，它提取由二極管連接的晶體管44和電阻器45上的電流。因此，由于電阻器45和二極管連接的晶體管44兩端的電壓降，差分放大器38的反相輸入端低于V%||。恒流源43,用來傳輸稍微大于電流源37中流動的額定電流。因此，在靜態(tài)條件下的差分放大器38的輸出，通過電流源37，產(chǎn)生一個電流輸入到緩存器36，使晶體管20和39偏置導(dǎo)通。值得注意的是，恒流源43，通過使電阻45的值變?yōu)殡娮杵?0的10倍，在晶體管39的電流成為額定電流的十分之一時工作，另外，二極管連接的晶體管41是二極管連接的晶體管44的面積的十倍。因此，端子25上的輸出電流有一個最大值，它是恒流源43上的電流的300倍。在下面給出的操作實例中，恒流源43工作在約330微安，端子25產(chǎn)生最大的電路輸出，近100毫安。顯然，部件可能和采用的最大電流值一樣，會是其他值和其它靜態(tài)值的比值。
[0028]重要電路的特點是，由于系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使得端子25的電壓降低，差分放大器38將降低其同相輸入的電壓，其輸出端將減少電流源37上的電流。反過來，這將降低晶體管39的基極上的偏壓，使晶體管39的發(fā)射極-基極電壓保持不變。這意味著，端子25處的電勢降低不會導(dǎo)致一個更大的電流流過晶體管20。
[0029]正如上文所指出，對電路來說，保留輸出端故障的條件，這是可取的，這可以提高電壓到26伏。這將會使端子25上的電壓，高于標稱值為14伏的V_ 12伏左右?？梢钥闯觯@使得晶體管20的發(fā)射極高于其基極，以便反向偏置其發(fā)射極一基極結(jié)。如果不是為了晶體管21的存在，晶體管20將進入齊納傳導(dǎo)，就可以摧毀它。然而，晶體管20和21結(jié)合的齊納電壓超過施加的12伏，設(shè)備將會被保護。同樣，二極管連接的晶體管42的作用，是當端子25被升高到26伏的故障條件時，保護晶體管39免于齊納作用。
[0030]圖5是在執(zhí)行圖4中TPIOS電路的功能時，優(yōu)選的一個集成電路示意圖。TPIOS使用傳統(tǒng)的單片外延PN結(jié)隔離建設(shè)。相同的部位，使用相同的標號。差分放大器35是由差動連接的晶體管47和48組成的，它們由恒流源49提供恒定的末端電流。
[0031]電阻器58A,58B,58C和58D包括一對電壓分壓器,它們操作低于和Vfiliij電位的晶體管47和48的基極。如果這四個電阻值相等，一個2:1的分頻器將會操作，結(jié)果是V
參考/2。
[0032]恒流源37實際上是一個電流鏡，是由二極管連接的輸入晶體管50和輸出晶體管51組成的。因此，在恒流源52中流過的電流，將反映到晶體管48的集電極。鏡像輸出晶體管51作為晶體管48的負載。應(yīng)注意的是，晶體管51的大小是晶體管50的兩倍。電阻器53和54用來穩(wěn)定電流鏡，電阻器53的阻值是電阻器54的兩倍。因此，電流鏡37有一個穩(wěn)定的電流增益，其值為2。通過示例的方式，在恒流源52中流動的150微安將使晶體管51產(chǎn)生300微安的電流。由二極管連接的晶體管55，作為晶體管48的隔離元件，在故障情況下，輸出端25的電壓被降低時，將斷開晶體管48的集電極。這避免了晶體管48的集電極注入少數(shù)載流子到IC基板上的可能性，如果NPN晶體管的集電極被降低至接地時，這可能會發(fā)生。
[0033]緩沖器36是由跟隨器晶體管56發(fā)射極組成的，它有一個和其發(fā)射極-基極電路并聯(lián)耦合的電阻57。晶體管56的集電極，通過二極管連接的晶體管58，被返回到電源終端10上的“ + ”極。這種晶體管的出現(xiàn)，是為了在系統(tǒng)故障使得輸出端電壓變?yōu)?26伏時，避免齊納反應(yīng)。因此，晶體管21和42的出現(xiàn)，也是如上所述的相同的理由。
[0034]可以看出，當端子25上的電壓低于標稱電平時，導(dǎo)通晶體管的電流就會上升。為了確保這樣一個系統(tǒng)故障不會造成過大的電流流出，一個電流折返式的保護電路63，被納入到TP10S29中。[0035]相關(guān)的參考電壓是通過一個分壓器形成的，這個分壓器是由二極管連接的晶體管65和電阻器66和67組成的。因此，晶體管64的基極是在一個正電位上。在優(yōu)選的實施例中，在300° K時，晶體管64的基極電位約為4.3伏。因此，由于其發(fā)射極的跟隨作用，晶體管64的發(fā)射極約為3.6伏。晶體管64的發(fā)射極的電位等于電阻器68上的電位，也是晶體管69的基極的偏置電壓。對于正常的操作條件下，晶體管69的發(fā)射極約為8伏，這將是不導(dǎo)電的。然而，由于故障情況下，端子25的電壓被降低至某個電位，晶體管69將開始導(dǎo)通，并使得晶體管60的基極電壓降低。導(dǎo)通閾值將是約2.9伏的輸出端子的電位。輸出電壓上任何進一步的降低，將導(dǎo)致晶體管69的傳導(dǎo)性增加。由于電阻器70的優(yōu)選值為1.4千歐,約-0.2伏的輸出電位將導(dǎo)致晶體管69傳輸一個1.5毫安的電流。
[0036]可以看出，晶體管69作為比較器來起作用。其反相輸入端工作在約3.6伏的參考電位，它的同相輸入端，被稱合到端子25上，因此將有一個約2.9伏的導(dǎo)通閾值。在任何輸入電位的導(dǎo)通將由電阻器70的值決定。這將導(dǎo)致在電阻器40上的一個約76毫伏的電壓降，鑒于正常的運算放大器38偏置下的165毫伏，這個76毫伏是比較小的。然而，輸出電壓上任何進一步的降低，將導(dǎo)致晶體管69的傳導(dǎo)性增加。
[0037]在-4伏的故障條件下，電阻70的電位將上升至約6.9伏。在這種條件下，晶體管69中的電流將上升至約4.9毫安。這將導(dǎo)致電阻器40兩端的電壓降約為245毫伏，超越了約165毫伏的正常電壓降。涉及運算放大器38和緩沖器36的反饋回路，將使晶體管20的導(dǎo)通值減少到一個非常低的值(小于約20毫安)。在端子25上的電壓達到零伏時的輸出故障情況下，晶體管20中的電流被限制在約40毫安或小于額定電源容量的一半。在端子25上的電壓較低時，電流仍可進一步降低。
[0038]舉例:
[0039]本發(fā)明的電路，是用單片IC芯片實驗電路板的形式構(gòu)造，使用常規(guī)的外延，PN結(jié)型隔離。NPN晶體管是傳統(tǒng)的平面器件，它是垂直建設(shè)的。PNP晶體管是傳統(tǒng)的平面橫向建設(shè)。載體是采用TPIOS電路的一個自動的多個輸出穩(wěn)壓器。它提供了 10個孤立的受保護的輸出，該輸出標稱8伏，其中每一個可以提供一個約為90毫安的最大的指定電流。它將被安置在一個15引腳，T0-220封裝。
[0040]下表列出圖5電路的元件值，它構(gòu)成了本發(fā)明的優(yōu)選實施例:
【權(quán)利要求】
1.一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:在一個單一的直流電源下工作的復(fù)雜的輸出電壓穩(wěn)壓器，其中，一個單一的電路提供多個穩(wěn)定的輸出電壓和電流，它們單獨操作彼此獨立，以承受由不利的負載條件造成的輸出故障，如短路到地面或者較低處，或接到高電壓線上，多個瞬時受保護的隔離器輸出級(TPIOS)電路，每一個都包括:輸入端，用于提供一個參考電壓到TPIOS電路，一個具有發(fā)射極，基極和集電極的NPN輸出晶體管，提供了一個在其發(fā)射極的輸出電壓，一個主要的負反饋回路，把輸出電壓與參考電壓作比較，并驅(qū)動輸出晶體管的基極，從而使輸出電壓穩(wěn)定，一個次要的負反饋回路，把一小部分的輸出電流與參考電流進行比較，并控制輸出晶體管的基極，以限制輸出電流達到預(yù)定的最大值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:參考電壓是從一個恒定電壓的溫度不敏感的源中獲得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器中所述的主負反饋回路，包括:第一差分放大器，它具有耦合到參考電壓上的同相輸入端，耦合到輸出電壓的反相輸入端，和通過同相緩沖區(qū)耦合到輸出晶體管基極上的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器中所述的第一差分放大器，包括一個電流源負載。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器中所述的第二負反饋回路包括一個第二差分放大器，其反相輸入端被耦合，以感測一個代表參考電流的電壓，其同相輸入端被耦合，以感測一個電壓，這個電壓代表在電路輸出端中流動的電流，其輸出端被耦合，以控制在第一差分放大器的負載中流動的電流，因此第二負反饋回路開始起作用來限制在電路輸出端流過的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器中的電壓，代表在電路輸出端流動的電流，并且這個電壓是由一個小的NPN晶體管發(fā)展而來，該晶體管具有與NPN輸出晶體管的一小部分成比例的區(qū)域，它的發(fā)射極-基極電路與NPN輸出晶體管并聯(lián)連接，從而使第二差分放大器的參考電流是輸出電流的一小部分，參考電流值確定電路輸出的最大電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器還包括一個電流折返電路，它在穩(wěn)壓輸出電壓下降到低于預(yù)定的閾值時開始起作用，折返電路包括:用于比較參考電壓與電路輸出電壓的裝置，當穩(wěn)壓輸出電壓下降為零或負值時，折返電路將增加的電流傳送到第二差分放大器的同相輸入端，因此輸出電壓將導(dǎo)致響應(yīng)系統(tǒng)故障的輸出電流大幅降低。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器的輸出晶體管與基本上相同的NPN晶體二極管串聯(lián)耦合，以傳導(dǎo)輸出晶體管中的正向電流，由于TPIOS電路齊納二極管導(dǎo)通，輸出晶體管的閾值將增加一倍，從而在系統(tǒng)故障條件下，增加電路的輸出端可以承受的最大正瞬變電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種瞬時受保護的隔離器，其特征是:多個輸出穩(wěn)壓器中的小NPN晶體管還包括一系列二極管，連接具有相同面積和同樣大小的晶體二極管，并傳導(dǎo)小NPN晶體管中流動的電流。
【文檔編號】H03K19/14GK103618544SQ201310608538
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司