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CN1653401A - 供电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种供电电路(1)，尤其是用于传动控制的一种微控制器的供电电路，它具有用于提供第一输出电压(UOUT1)的第一输出端(3)和用于提供第二输出电压(UOUT2)的第二输出端(4)，其中第一输出电压(UOUT1)和第二输出电压(UOUT2)不相同以及具有用于调节第一输出电压(UOUT1)和第二输出电压(UOUT2)一个调节单元(OP1，T2，OP2，T3)。建议设置一个第一调节器(OP3－OP5，T2，T3)用于限制第一输出电压(UOUT1)与第二输出电压(UOUT2)之间的电压差。

Description

供电电路
本发明是关于一种按照权利要求1前序部分的供电电路，尤其是用于传动控制的一种微控制器的供电电路。
现代的微控制器大多需要两个不同的供电电压，例如5V和3.3V，为了不影响微控制器的功能能力，两个供电电压只可在预先规定的带宽(Bandbreite)之内波动。两个供电电压之间的电压差，无论如何不可以超过或低于各自微控制器数据表中给出的最大允许值。这尤其在合闸后起动时和在断路相期间下降时是关键性的，因为有不同的负荷电流流过，于是可能应用不同的负荷容量。
因此已知有供电电路，在这些供电电路中两个供电电压通过各自线性调节器调节，以便避免电压偏差。
然而，不利之处在于，两个供电电压的调节偏差被相互分离开控制，致使有时在两个输出端上负荷电流差别非常在时，调节不足以去保持预先规定的电压差。
此外也知道，为了将两个供电电压之间的电压差保持在允许的带宽之内，这类供电电路的两个输出端与齐纳二极管或功率肖特基二极管连接。两个供电电压之间的电压差就只能上升到齐纳二极管击穿电压为止。
这类供电电路的不利之处还在于相对高的费用，这与使用齐纳二极管或功率肖特基二极管有关系。
因此本发明的任务在于，创立一种带有两个不同输出电压的供电电路，用尽可能低的费用将两个输出电压之间的电压差保持在一个允许的带宽之内。
按照权利要求1的前序部分，以上述已知的供电电路为出发点，通过权利要求1表明的特征来解决该任务。
本发明包括调节两个输出电压之间电压差的一般技术原理，为了阻止超过允许的电压差，而两个输出电压在已知的供电电路中却被相互分离地调节。
因此，本发明的供电电路有一个调节器，它将两个输出电压的电压差调节到一个预先规定的数值。
优选的是，为了调节电压差，调节器在输入端一侧与供电电路的两个输出端连接，而在输出端一侧与一个调整单元连接，该调整单元调整两个输出电压，因此而形成一个反馈回路。
调整单元可以有例如两个普通的线性调节器，它们按照一个预先规定的额定值相互分离地调节两个输出电压。在这种情况，调节电压差的调节回路为了调节两个输出电压优先将两个分离开的调节回路重叠。
在本发明供电电路的一个简单的实施形式中，两个输出电压的调节相反没有反馈而是通过一个控制来进行，此时调节器为了调节电压差预先规定控制值。在这时，调节电压差的调节回路为了调节两个输出电压将两个控制重叠。
在本发明的一个方案中，调节电压差的调节器有一个比较器，此时比较器的两个输入端与供电电路的两个输出端连接，使得比较器测量两个输出电压之间的电压差。
本发明的一种方案设置至少一个开关元件，为了减少或限制两个输出端之间的电压差，该开关元件使供电电路两个输出端的一个低欧姆连接成为可能。
对此，能应用一个单独的开关元件，它布置在供电电路的两个输出端之间，并为了限制电压差将输出端低欧姆相互连接。
优选的是，为了供电电路两个输出端的低欧姆连接，使用两个开关元件，将它们应用于两个输出电压的分开调节。这样，通常通过各一个输出电容器提供两个输出电压，两个输出电容器经过各一个开关元件用输入电压充电。两个开关元件的接通在这种情况就导致供电电路两个输出端之间的一个低欧姆连接，这导致同步运行。
在本发明的一种方案中，为了调节电压差调节器有两个比较器，它们在输入端各与供电电路的两个输出端连接。比较器的两个输入端之一，在此各经过一个参考电压元件与供电电路所属的输出端连接，此时两个参考电压元件在正方向或负方向给出最大允许的电压差。该一个比较器在这种情况显示，两个输出电压之间的电压差是否向上超过允许的带宽。该另一个比较器相反则说明，两个输出电压之间的电压差是否向下低于允许的带宽。
本发明其它有利的扩展方案在从属权利要求中表明，或在下面与本发明优选实施例的说明一起用图详细阐述。示出的有：
图1以一个电路图形式的一种本发明供电电路以及
图2一种本发明供电电路的可选择的实施形式。
在图1中表示的方块图示出的是一个本发明的供电电路1，经过一个输入端2用输入电压UIN供电，并有两个输出端3、4，在输出端3输出一个输出电压UOUT1＝+5V，而在输出端4提供一个输出电压UOUT2＝+3.3V。
为了稳定输出电压UOUT1，供电电路1的输出端3通过两个输出电容器C1、C2与外壳连接。
为了稳定输出电压UOUT2，输出端4同样通过两个输出电容器C3、C4与外壳连接。
供电电路1在输入端有一个晶体管T1，它由一个预调节器5控制，此外预调节器5还有个限制电流的任务。
为了测量电流，晶体管T1与一个测量电阻R0串联，如果电流通过测量电阻R0过度上升，预调节器5经过测量电阻R0测量下降的电压并阻塞晶体管T1。
在输出端一侧，测量电阻经过一个晶体管T2与供电电路的输出端3和经过一个晶体管T3与供电电路的输出端4连接。
如果两个晶体管T1和T2接通，则两个输出电容器C1、C2通过输入电压UIN充电，这导致输出电压UOUT1上升。晶体管T2的阻塞相反导致输出电容器C1、C2与负荷有关的放电，因此输出电压UOUT1下降。
如果导致输出电压UOUT2上升的两个晶体管T1和T3接通，则两个输出电容器C3、C4能相应地充电。相反如果晶体管T3阻塞，则输出电容器C3、C4与在输出端4上连接的电负荷有关而放电，这导致输出电压UOUT2下降。
不仅输出电压UOUT1而且输出电压UOUT2在这时都通过各一个调节器调节，各自输出电压UOUT1或UOUT2的额定值由参考电压元件6预先规定。
输出电压UOUT1的调节器有个比较器OP1，它在输入端一侧将输出电压UOUT1与预先给出的额定值比较，并与调节偏差有关地控制晶体管T2，以便将输出电压UOUT1调节到预先给出的额定值。
为了检测输出电压UOUT1，设置一个由两个电阻R1、R2组成的分压器，该电阻串联在供电电路1的输出端3与外壳之间。两个电阻R1、R2之间分压器的中间分支点与比较器OP1的倒置的输入端连接，而比较器OP1的非倒置输入端与参考电压元件6连接。输出电压UOUT1下降到低于由参考电压元件6预先给出的额定值，就导致比较器OP1上调晶体管T2，使能将输出电容器C1、C2充电。输出电压UOUT1上升超过由参考电压元件6预先给出的额定值，相反就导致比较器OP1阻塞晶体管T2，使输出电容器C1、C2不再充电，这造成输出电压UOUT1与负荷有关的下降。
以同样方式，输出电压UOUT2的调节器有个比较器OP2，它将输出电压UOUT2与预先给出额定值比较，并相应地控制晶体管T2，以便将输出电压调节到预先给出的额定值。
为了测量输出电压UOUT2，同样设置一个由两个电阻R3、R4组成的分压器，电阻串联在供电电路1的输出端4与外壳之间。两个电阻R3、R4之间的中间分支点与比较器OP2的倒置的输入端连接，而比较器OP2的非倒置输入端与参考电压元件6连接。输出电压UOUT2下降到低于由参考电压元件6预先给出的额定值，就导致比较器OP2上调晶体管T2，使能将输出电容器C3、C4充电。输出电压UOUT2上升超过由参考电压元件6预先给出的额定值，相反就导致比较器OP2阻塞晶体管T2，使输出电容器C3、C4不再充电，这造成输出电压UOUT2与负荷有关的下降。
输出电压UOTU1和UOUT2的额定值确实不相同，然而能通过电阻R1，R2或R3，R4的合适的参数选择来确定。
此外，为了限制输出电压UOUT1与输出电压UOUT2之间的电压差，本发明的供电电路1有个调节回路。
为了测量该电压差，设置一个比较器OP3，此时比较器OP3的倒置输入端与供电电路的输出端3连接，而比较器OP3的非倒置输入端与供电电路1的输出端4连接。
在输出端一侧比较器OP3与两个比较器OP1和OP2连接，使OP3间接控制两个晶体管T2和T3。如果输出电压UOUT1降到低于输出电压UOUT2，则比较器OP3控制两个比较器OP1和OP2使两个晶体管T2和T3接通。在这种情况，输出端3经过两个晶体管T2和T3与输出端4短路，由此迫使两个输出电压UOUT1和UOUT2同步。如果相反输出电压UOUT1高于输出电压UOUT2，则比较器OP3对两个比较器OP1和OP2没有影响。
在一个用虚线表示的选择方案中，供电电路1有一个晶体管T4，它连接在输出端3与输出端4之间并由比较器OP3控制。如果输出电压UOUT1降到低于UOUT2，比较器OP3就接通晶体管T4，由此迫使输出电压UOUT1和UOUT2同步。如果相反输出电压UOUT1高于输出电压UOUT2，在本选择方案中比较器OP3阻塞晶体管T4，使输出电压UOUT1和UOUT2由两个比较器OP1和OP2调节到它们各自的额定值。
除此之外，供电电路1还有一个可控的开关元件7，它连接输出端4与外壳，从而使输出电压UOUT2对外壳的短路成为可能。以这种方式，两个输出电容器C3、C4能完全放电，以便在一个断路过程之后为下一次起动建立一个规定的起始状态。此外，如果两个晶体管T2、T3同时接通或如果晶体管T4导电，开关元件7的接通也导致输出电容器C1、C2放电。
开关元件7的控制在这里是通过控制单元8进行，该单元与输出端4连接并将输出电压UOUT2与一个预先规定的极限值比较。在低于极限值时，控制单元8就接通开关元件7，使输出电容器C3、C4或C1、C2在一个断路过程的结尾完全放电。
供电电路1还有一个传统的电荷泵电路9，它将在一个泵电容器(Pumpkondensator)C5中存储的电能多次泵到一个缓冲电容器C6，使电荷泵电路9的输出电压上升高于输入电压UIN。电荷泵电路9的控制是通过传统的电荷泵振荡器10完成。
下面阐述前面所说明的供电电路1的合闸过程。
在这时，参考电压元件6预先规定输出电压UOUT1或UOUT2的一个连续上升的额定值，其中电压上升如此缓慢进行，致使输出电压UOUT1或UOUT2的两个调节器即使在输出端3、4负荷不同时，也能将输出电压UOUT1、UOUT2没有大的调节偏差地调节到各自的额定值上。输出电压UOUT1、UOUT2额定值的缓慢起动，阻止输出电压UOUT1、UOUT2之间的电压差偏离允许的范围。
下面阐述前面所说明的供电电路1的关断过程，该过程能用不同的方式开始。
关断过程开始的一种可能性在于，从外部在控制输入端开关(Switch)上施加一个关断信号，该控制输入端与比较器OP1连接。该关断信号就使比较器OP1阻塞晶体管T2。
除此之外，如果输入电压UIN被关断，关断过程还能从预调节器5开始。因此，该预调节器5同样与比较器OP1连接并在关断过程开始时控制该比较器，使晶体管T2阻塞。
阻塞晶体管T2首先导致输出电容器C1、C2经过输出端3与负荷有关的放电，从而导致输出电压UOUT1下降，该电压在关断过程开始时大于输出电压UOUT2。
相反，先由比较器OP2将输出电压UOUT2仍保持在其额定值上，直到输出电压UOUT1由于输出电容器C1、C2放电降到低于输出电压UOUT2。
一旦输出电压UOUT1降到输出电压UOUT2，同步功能就被触发，其办法是比较器OP3控制两个比较器OP1、OP2，使它们接通两个晶体管T2、T3。在这种状态，输出端3经过两个晶体管T2和T3与供电电路的输出端4短路，迫使两个输出电压UOUT1、UOUT2同步。
除此之外，比较器OP3在这个时间点还控制预调节器5，使它分离开晶体管T1，从而有可能使两个输出电压UOUT1和UOUT2完全降下来。
两个输出电压UOUT1和UOUT2同步下降，直至低于由控制单元8预先给出的一个极限值，因此控制单元8接通开关元件7，使输出电容器C1、C2和C3、C4最后对外壳短路，这导致输出电容器C1-C4完全放电。
一方面，输出电容器C1-C4经过开关元件7的短路缩短了关断过程。
另一方面，输出电容器C1-C4在关断过程结尾的完全放电为下一次起动引到一个规定的起始状态。
如果输入电压UIN被切断，则为关断过程所需要的电能由电荷泵电路9提供。为了在关断期间节约能量，在这样的情况时预调节器5将电荷泵振荡器10关掉。
在图2中示出的本发明供电电路1另一可选择的实施形式，很大程度与前面说明的和在图1中示出的供电电路相一致，所在下面为了避免重复很大程度上参照上述说明。
除此之外，为了简化参照，将在图1和2中相一致的部件用相应的参考符号设置。
这个实施例的特点在于两个输出电压UOUT1和UOUT2之间的电压差调节。为此，供电电路1有两个比较器OP4和OP5，它们检验是否两个输出电压UOUT1和UOUT2之间的电压差偏离允许范围。
在这时，比较器OP4检验，是否两个输出电压UOUT1和UOUT2之间的电压差过大。为此，将比较器OP4的非倒置输入端与输出端3连接，而比较器OP4的倒置输入端经过一个参考电压元件11与输出端4连接。此时，参考电压元件11提供一个参考电压UREF1，它相当于两个输出电压UOUT1、UOUT2之间最大允许的电压差。在输出端一侧，比较器OP4与晶体管T2连接，以便调节两个输出电压UOUT1和UOUT2之间的电压差。比较器OP4检验下面的电压条件：
                 UOUT1＞UOUT2+UREF1。
如果该电压条件得到满足，则比较器OP4阻塞晶体管T2，致使输出电压UOUT1不再继续上升。因此就确保两个输出电压之间最大允许的电压差UOUT1-UOUT2保留在由参考电压预先给出的极限值之内。
相反，比较器OP5要阻止低于两个输出电压UOUT1、UOUT2之间最小允许的电压差。为此，将比较器OP5的倒置输入端与输出端3连接，而比较器OP5的非倒置输入端经过一个参考电压元件12与输出端4连接。此时，参考电压元件12提供一个参考电压UREF2，它相当于两个输出电压UOUT1、UOUT2之间最小允许的电压差。在输出端一侧，比较器OP5与晶体管T3连接，使输出电压UOUT2依赖所测量的电压差来调节。此时，比较器OP5检验下面的电压条件：
                      UOUT1＜UOUT2+UREF2。
如果该电压条件得到满足，则比较器OP5阻塞晶体管T3，致使输出电压UOUT2不能再继续上升。因此就确保两个输出电压之间最大允许的电压差UOUT1-UOUT2保留在由参考电压预先给出的极限值之内。
本发明不局限于上面所说明的优选实施例。可以想象有很多选择方案和变种，它们同样利用本发明的构思，因此也在保护范围之内。

Claims (12)

1.供电电路(1)，尤其是用于传动控制的一种微控制器的供电电路，它具有
用于提供第一输出电压(UOUT1)的第一输出端(3)和
用于提供第二输出电压(UOUT2)的第二输出端(4)，第一输出电压(UOUT1)和第二输出电压(UOUT2)不相同以及具有
用于调节第一输出电压(UOUT1)和第二输出电压(UOUT2)的一个调节单元(OP1，T2，OP2，T3)，
其特征在于：
为了限制第一输出电压(UOUT1)与第二输出电压(UOUT2)之间的电压差，设置一个第一调节器(OP3-OP5，T2，T3)。
2.如权利要求1的供电电路(1)，
其特征在于：
第一调节器(OP3-OP5，T2，T3)在输入端一侧与第一输出端(3)和第二输出端(4)连接，而在输出端一侧与调节单元(OP1，T2，OP2，T3)连接。
3.如权利要求1和/或2的供电电路(1)，
其特征在于：
第一调节器有一个带有第一输入端和第二输入端的比较器(OP3)，该比较器(OP3)的第一输入端与第一输出端(3)连接，而比较器(OP3)的第二输入端与第二输出端(4)连接。
4.如权利要求3的供电电路(1)，
其特征在于：
为了第一输出端(3)与第二输出端(4)的低欧姆连接，设置至少一个可控的开关元件(T2-T4)，此时比较器(OP3)在输出端一侧与开关元件(T2-T4)连接。
5.如权利要求4的供电电路(1)，
其特征在于：
调节单元为了调节第一输出电压(UOUT1)有一个第一开关元件(T2)，和为了调节第二输出电压(UOUT2)有一个第二开关元件(T3)，此时第一开关元件(T2)和第二开关元件(T3)在第一输出端(3)与第二输出端(4)之间串联并为了其控制与比较器(OP3)连接。
6.如至少上述权利要求之一的供电电路(1)，
其特征在于：
第一调节器有两个比较器(OP4，OP5)，为了检测电压差，在输入端一侧各与第一输出端(3)和第二输出端(4)连接。
7.如权利要求6的供电电路(1)，
其特征在于：
第一调节器的两个比较器(OP4，OP5)中至少有一个经过一个参考电压元件(11，12)与第一输出端(3)或第二输出端(4)连接。
8.如至少上述权利要求之一的供电电路(1)，
其特征在于：
调节单元为了调节第一输出电压(UOUT1)有一个第二调节器(OP1，T2)，且为了调节第二输出电压(UOUT2)有一个第三个调节器(OP2，T3)。
9.如权利要求8的供电电路(1)，
其特征在于：
第二调节器(OP1，T2)和/或第三调节器(OP2，T3)在输入端一侧与一个参考电压元件(6)连接。
10.如权利要求9的供电电路(1)，
其特征在于：
参考电压元件(6)有一个可变的输出电压，它符合一个预先给出的电压-时间-特性曲线。
11.如至少上述权利要求之一的供电电路(1)，
其特征在于：
第一输出端(3)和/或第二输出端(4)与一个输出电容器(C1-C4)连接，其中为了使输出电容器(C1-C4)放电设置一个短路开关(7)。
12.如至少上述权利要求之一的供电电路(1)，
其特征在于：
为了提供一个内部控制电压设置一个电荷泵电路(9)。
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