CN103616917A - 一种静态电流降低的低压差稳压器 - Google Patents

Abstract

一种静态电流降低的低压差稳压器。这种静态电流降低的低压差稳压器在电源正端和稳压输出之间包含一个传输三极管电路。该电路还包括以下电路。第一开关三极管用来传导上述的三极管的基极电流到稳压输出端。第二开关三极管用来传导上述的三极管的基极电流到接地端。一个控制电路用来选择开关三极管的工作模式，从而选择基极电流的传导路径。

Description

一种静态电流降低的低压差稳压器

技术领域：

本发明涉及一种改进的稳压器结构。事实上，可以在任何电子设备上发现稳压器的应用。一个稳压器包含有一个输入端和一个接地端用于和输入电压源连接，并且使输出端保持恒定的稳压输出。

背景技术：

一个稳压器可以设计为正电压稳压器或者负电压稳压器。为方便起见，本发明将只描述作为正电压稳压器的情况。然而，本领域的技术人员会清楚如何设计负电压稳压器——通过反相电压极性和使用相反类型的三极管。

在正电压稳压器中，输入电压V_IN必须要大于所需的输出电压V_OUT，其中电压的增量称之为“压差”。如果V_IN太低，那么稳压器将无法驱动V_OUT达到所需的输出电压。如果V_IN降低，那么V_OUT同样降低。

低压差是非常重要的，例如，在电池供源的设备中，当电池电压降低时，需要保持V_OUT在所需的电压。在现今的低压差稳压器中，压差可以很低，例如500毫伏。

静态电流可定义为从输入端流出的电流，该电流不出现在输出端提供的电流。静态电流从稳压器电路流到接地端。因为静态电流不作用于有效的输出，所以需要做出努力使静态电流减小。一个较大的静态电流会减小电池供源设备的使用寿命。在其他应用中，一个较大的静态电流会造成较高的功率损耗并且使稳压器过热。在现今的静态电流稳压器中，在输出电流为500毫安下静态电流可降低至50毫安。

图1显示了一个在此领域已知的低压差低静态电流稳压器的结构图。参考图1，输入电压V_IN施加在输入端10和接地端11之间。稳压输出电压V_OUT在输出端12，由驱动三极管14控制传输三极管13来产生输出电压。驱动三极管14由误差放大器16激励，误差放大器16通过比较参考电压端17的电压V_REF和输出电压V_OUT经电阻18和19的分压来控制驱动三极管14。

特别地，驱动三极管14包含两个集电极8和9。第一集电极8在三极管内部环绕基极和发射极，反过来第二集电极9环绕第一集电极8。在一般操作中，第一集电极8通过二极管15传导所述三极管的基极电流到稳压输出端12。通过这种方式，静态电流得以降低。这是因为静态电流的主要成分——三极管13的基极电流返回给稳压输出端。

第二集电极9在输入电压V_IN降低到接近于输出电压V_OUT时开始工作。当传输三极管13和驱动三极管14的输出端子的压差降低时，三极管的传导能力降低。当三极管有一个足够小的电压降时，就称三极管饱和，这是因为三极管的两端的电压差过低而无法保持电流流过三极管。当无法保持足够的前置偏压以使二极管15到输出端12导通时，第一集电极8首先达到饱和。

第一集电极8的饱和允许电流流线外部——环绕第二集电极。电流会继续流到第二集电极9直到第二集电极连接到接地端，并且此时其电压低于输出端12。这种持续的电流导通允许稳压器缓慢操作，并且对于较低的V_IN，在压差产生之前电压V_OUT同时必须降低。但是，需要注意的是，在电流持续导通期间，由于电流导入接地端而不是返回给输出端12，静态电流降低的效果会被减弱。

在第一集电极8发生饱和，并且第二集电极9开始作用，同时静态电流增加的点可以按以下描述：

V_IN-V_OUT＝V_BE13+V_SAT14+V_DIODE15

其中：

V_IN=输入电压。

V_OUT=稳压输出电压。

V_BE13=传输三极管13的基极到发射极电压降。

V_SAT14=驱动三极管14的饱和电压。

V_DIODE15=二极管15的正向偏置二极管压降。

由于二极管15可以有其它方式构造，例如使用一个三极管的基极发射极结，那么这个三极管的基极发射极压降或者二极管压降都可以指定为V_BE。因此，图1的电路会受到当V_IN到V_OUT电压差为2*V_BE+V_SAT时的增加的静态电流的影响。

期望的是，对于较低的输入电压V_IN和较小的V_IN与V_OUT的差值，仍有持续的静态电流降低，并且可以预设导通路径改变的电压。同样期望的是，实现这种改进的操作，不能局限于双集电极构造的驱动三极管14的固有的制造特性。仍然期望的是，本发明能够提供使传输晶体管的基极电流导通的多条路径。

发明内容：

本发明的第一个目的是，提供一种改进的带有静态电流降低的低压差稳压器的结构。本发明的第二个目的是，拓展静态电流降低的范围到较低的输入电压V_IN和较小的V_IN与V_OUT差值。本发明的第三个目的是，提供能够控制当静态电流降低的导通路径变化时的电压差，并且能够提供多条导通路径。

本发明的技术解决方案：

这些或者其它的目的实现如下。一个传输三极管通过耦合使输入端到输出端导通。第一开关通过耦合使传输三极管的基极电流导通到输出端。第二开关通过耦合使传输三极管的基极电流导通到接地端。一个控制电路控制开关的动作，以选择基极电流的导通路径。

当到输出端的导通路径提供静态电流降低时，通常选择第一开关。如果输入电压下降，将选择第二开关，以提供到接地端的持续导通从而得到低压差。虽然可以同时选择两个开关导通，但是最好在一个时间只选择一个开关。

在具体实施中，第一和第二PNP型驱动三极管连接到一个PNP型三极管的基极。这些驱动三极管由一个发射极耦合的差分放大器的互补输出控制。差分放大器的输入监视输入电压和输出电压两者与参考电压的差值。

在一般的输入电压与稳压输出电压差值较大的操作中，所述第一驱动三极管被激活，以使传输三极管的基极电流返回到稳压输出端，从而使获得的静态电流减少。

如果输入电压降低并且压差产生，所述的差分放大器使第二驱动三极管激活，传输三极管的基极电流导通到接地端，从而持续导通以获得低压差。

该差分放大器可以通过偏置来预设基极电流导通路径切换的电压点。在一个有效的结构中，差分放大器的第一输入端耦合到跟随输入电压的电压源。差动放大器的第二输入端通过预设的二极管的压降来跟随特定值的输出电压，从而控制差分放大器切换选择导通路径时的电压值。

一个具体的电路结构允许将静态电流降低持续到一个较低的输入电压，例如一个V_BE，并且该值在已知技术的电平以下。这个电流的减少可以大大提高电池供电设备（包括本发明的电压调节器电路）的工作寿命。

对比专利文献：CN202067171U低压差线性稳压器201120123290.0，CN202351727U低压差线性稳压器201120434927.8

附图说明：

图1示出了本领域中已知的一个低压差和低静态电流的电压稳压器的原理图。

图2示出了根据本发明的带有静态电流降低的低压差稳压器的原理图。

具体实施方式：

图2示出了根据本发明的带有静态电流减少的低压差稳压器的原理图。

输入电压V_IN施加在正电源（输入端子20）和负电源（接地端子22）之间。通过传输三极管26的导通作用，稳压输出电压V_OUT在输出端子24。

在这种正电压稳压器的实例中，接地端子可连接到一个正或负的电压，只要它相对于输入端电压保持为负。

传输三极管26最好是一个发射极耦合到输入端子20，集电极耦合到稳压输出端子24的PNP型三极管。传输三极管26最好具有大功率耗散能力。在具体实现中，传输三极管26可以是一个包含其它电路的在集成电路外部的独立三极管。

第一驱动三极管28用作第一开关，其使传输晶体管26的基极耦合到稳压输出端子24。第一驱动三极管28优选为一个发射极耦合到传输三极管26的基极，集电极耦合到稳压输出端子24的PNP型三极管。

第二驱动三极管30用作第二开关，其使传输三极管26的基极耦合到接地端。第二驱动三极管优选为一个具有发射极，发射极耦合到传输三极管26的基极，集电极耦合到接地端的PNP型三极管。

这些元件是可以变化的。PNP型三极管可以被替换为其他类型的晶体管，但是需要有合适的极性和电路连接的改变。传输三极管的数目可以增加，以提高功率耗散。可以使用额外的连接到不同电路结点的驱动三极管，以提供额外的导通路径给传输三极管的基极电流。

从广义上讲，剩余的所示电路用作控制电路，其监视输入电压V_IN和稳压输出电压V_OUT，并且选择第一驱动三极管28或是第二驱动三极管30导通。

当输入电压V_IN与稳压输出电压V_OUT的差值高于压差时，第一驱动三极管28和对应的传输三极管26的基极电流的导通路径激活。当输入电压V_IN降低至接近与稳压输出电压V_OUT时，第二驱动三极管30和对应的传输三极管26的基极电流的第二导通路径激活。

一种优选的实施还包括一个差分放大器40，其监测第一参考电压60和第二参考电压70；以及一个误差放大器80，其监测稳压输出电压V_OUT。

该差分放大器40具有第一输入端42、第二输入端44和一个互补输出（包括第一输出46和第二输出48）。第一输入端42耦合到第一参考电压60。第二输入端44耦合到第二参考电压70。互补的第一输出46和第二输出48分别耦合到第一驱动三极管28的基极和第二驱动三极管30的基极。

差分放大器40由下述的一对三极管的发射极构成。第一NPN型三极管50的基极作为上述的第一输入端42，集电极作为第一输出46。类似地，第二NPN型三极管52的基极作为上述的第二输入端44，集电极作为第二输出48。三极管50和52的发射极耦合在一起，并且耦合到发射极电流端子54，产生发射极电流来切换互补输出46和48。

第一参考电压60跟随输入电压V_IN来选择。具体地，由三极管62和电阻器64形成一个合适的参考电压60。三极管62的集电极连接到输入电压，基极连接到在输入电压以下的两个二极管（例如驱动三极管28的基极），发射极通过电阻器64连接到差分放大器40的第一输入端42。通过这种方式，偏置电流从输入电压通过三极管62和电阻器64，并且使电阻器64两端产生电压降。可以使用一个小的电流吸收器66使这个偏置电流通入接地端。

在操作中，第一参考电60会保持在差分放大器40第一输入端42的电压V₄₂，使其低于输入电压V_IN为三个V_BE电压降和电阻64的压降V_R。具体而言，第一输入端42的电压可以描述为：

V₄₂=V_IN-V_BE26-V_BE28-V_BE62-V_R

其中：

V₄₂=差分放大器40的第一输入端42的电压。

V_IN=输入端20的输入电压。

V_BE26=传输三极管26的基极到发射极的二极管压降。

V_BE28=传输三极管28的基极到发射极的二极管压降。

V_BE62=传输三极管62的基极到发射极的二极管压降。

V_R=电阻器64两端的电压降。

因此，通过选择电阻64的大小，可以预设不同的电压V₄₂。

所述的第二参考电压70选择用来跟随稳压输出端24的输出电压V_OUT。具体地，可以通过两个串联的二极管72和74使差分放大器的第二输入端44耦合到稳压输出电压端V_OUT，来构成一个合适的电压源。这两个二极管被调整以保持在第二输入端44的电压，使其等于低于稳压输出电压V_OUT两个正向偏置二极管压降。此外，使用一个小的电流吸收器76来保持偏置电流通过两个二极管的结72和74。

在操作中，所述第二参考电压70保持在差分放大器40第二输入端44的电压V₄₄的电压低于稳压输出电压V_OUT为两个二极管的电压降。具体而言，第二输入端44的电压可以描述为：

V₄₄＝V_OUT-V_DIODE72-V_DIODE74

其中：

V₄₄=差分放大器40的第二输入端44的电压。

V_OUT=输出端24的稳压输出电压。

V_DIODE72=二极管72的压降。

V_DIODE74=二极管74的压降。

当差分放大器40的第一输入端42的电压V₄₂高于上面第二输入端的电压V₄₄，那么第一输出端46将被激活。当差分放大器40的第二输入端44的电压V₄₄高于第一输入端的电压V₄₂，那么第二输出端48将被激活。在图2电路中，在输出发生切换时的输入电压V_IN与输出电压V_OUT的差值，可以描述如下：

V_IN-V_OUT＝V_BE26+V_BE28+V_BE62+V_R+V_BE50-V_BE52-V_DIODE74

-V_DIODE72

假设所有的V_BE和V_DIODE的压降都是相等的，那么这个切换电压可以近似为：

V_IN＝V_OUT＝V_BE+V_R

具体地，为了获得一种在非常低的输入电压下静态电流降低的结构，可以设置电阻64的压降V_R约等于驱动三极管28的饱和电压。这使得对于输入电压V_IN与输出电压V_OUT的差值等于V_BE+V_SAT，仍然提供静态电流降低。这个V_BE的压降低于在已知技术中的电平。因此，静态电流降低一直持续到一个较低的输入电压，这样稳压性能不会由于压差而消失。

通过选择电阻器64的压降V_R的值，其提供了一个电压降小于驱动三极管28的饱和电压，但是对更低的输入电压不提供静态电流降低。这是因为电压差为V_BE+V_SAT时，驱动三极管28将饱和，并且电流不能通过它导通。因此，重要的是，选择通过驱动三极管30的导通路径而非驱动三极管28。

当输入电压与输出电压的差值下降到低于V_BE+V_SAT时，差分放大器40将如上所述以激活第二驱动三极管30。操作将继续进行，使传输三极管26的基极电流通过第二驱动三极管30导通到接地端。这种持续导通对于较低的输入电压，允许稳压器的操作时间稍长，并且在压差产生之前，输出电压同时必须下降。

误差放大器80通过连接来比较第三参考电压82与稳压输出电压V_OUT通过分压器的分压，例如电阻器84和86。通过耦合误差放大器80的输出来控制差分放大器切换的发射极电流，例如，差分放大器80的输出通过三极管88耦合到差分放大器40的发射极电流端子54。在这种方式中，由误差放大器80提供的控制，与差分放大器40共同作用以激活驱动三极管。当然，误差放大器80可以独立地控制驱动三极管。

在操作中，需要稳压输出电压V_OUT下降，误差放大器80将工作以增加发射极电流流过差分放大器40，并且激活驱动三极管28和30其中之一，从而增加传输三极管26的导通，并且提高稳压输出电压V_OUT。

在该实例中，描述了一种相对于现有技术较低的输入电压下的静态电流降低的电路结构。显然，所述的参考电压可以被修改，以提供驱动三极管切换时的不同电压。另一种切换方法可以监测输入电压下降到低于特定电平，而不是使用差分放大器来检测电压的差值。

在其他备选实例中，可以使用不同的方法建立参考电压。在不同电压范围内，可以设置不同的参考电压和切换的电压阈值。此外，应当明确的是，在其它特定的操作条件下，可以采取适当的切换动作。

在具体描述的实例中的变更及修改，可在不脱离本发明的范围内实现，本发明只限于以下权利要求。

Claims (8)

1.一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：稳压器电路包含一个输入端、一个接地端、一个输出端，所述电路包括：一个传输三极管，其发射极耦合到输入端、集电极耦合到输出端；第一开关三极管，使上述三极管的基极耦合到输出端；第二开关三极管，使上述三极管的基极耦合到接地端；一个差分放大器，其包含第一输入耦合到所述电路的输入端、第二输入耦合到电路的输出端、输出耦合到上述的第一和第二开关三极管，该差分放大器根据稳压器的输入—输出电压差来选择激活第一开关或第二开关工作。

2.根据权利要求1所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：第一开关包含一个使所述三极管基极耦合到输出端的驱动三极管；第二开关包含一个使所述三极管基极耦合到接地端的驱动三极管；差分放大器的的第一输入通过一个电压源与稳压器电路的输入端耦合，以使其电压等于输入端电压；差分放大器的第二输入通过两个串联的二极管与稳压器电路的输出端耦合；差分放大器还包括第一和第二输出，分别与第一和第二开关三极管耦合并且控制两个开关。

3.根据权利要求1所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：一种带有静态电流降低的低压差稳压电路，其包含与工作电压源连接的正、负电源端子和稳压输出端，电路包括：一个传输三极管，其发射极耦合到所述的正电源端子、集电极耦合到稳压输出端；第一驱动器，使所述三极管的基极与稳压输出端耦合；第二驱动器，使所述三极管的基极与负电源端子耦合；一个误差放大器（包含第一和第二输入、一个输出），其第一输入耦合到所述电路的稳压输出端，第二输入耦合到参考电压，输出控制发射极电流流入发射极互相耦合的差分放大器。

4.根据权利要求3所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：所述的通过三极管是PNP型三极管；所述的第一和第二驱动器各自包含一个PNP型三极管；所述的第一电压源用来提供正电源端子的电压：第二电压源用来保持与稳压输出端电压相等；第二电压源通过两个串联的二极管与稳压输出端耦合。

5.根据权利要求1所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：一种带有静态电流降低的低压差稳压电路，其包含与工作电压源连接的正、负电源端子和稳压输出端，电路包括：一个PNP型传输三极管，其基极耦合到所述的正电源端子、集电极耦合到所述的稳压输出端子；一个第一PNP型驱动三极管，其基极耦合到所述的传输三极管的基极、集电极耦合到所述的稳压输出端；一个第二PNP型驱动三极管，其基极耦合到所述的传输三极管的基极、集电极耦合到所述的负电源端子；一个第一NPN型三极管，其发射极耦合到差分三极管对（这个差分三极管对的基极耦合到第一参考电压来跟随正电源端子的电压）、集电极耦合到所述第一驱动三极管的基极;一个第二NPN型三极管，其发射极耦合到差分三极管对（这个差分三极管对的基极耦合到第二参考电压来跟随稳压输出端子的电压）、集电极耦合到所述第二驱动晶体管的基极；一个误差放大器，其具有反相和非反相输入端和一个输出端，并且反相输入端耦合到所述的稳压输出端子，非反相输入端耦合到第三参考电压，输出端耦合到所述的发射极互相耦合的差分三极管对中的第一和第二晶体管的发射极。

6.根据权利要求5所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：电路还包括通过选择正电源端子到稳压输出端子的电压降的其它导通路径；操作低压差稳压器的方法，还包括保持一个根据选定的从正电源端子到稳压输出端的电压降的备用的导通路径。

7.根据权利要求1所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：操作带有输出端的在输入端和接地端之间的稳压器的方法包括以下步骤：通过传输三级管构造一个在输入端子和输出端子之间的导通路径；使所述传输三极管的基极电流通过一个驱动三极管导通到输出端；在输入端和输出端之间连接差分放大器的输入端，用于检测从所述输入端到到输出端的电压差；使所述的传输三极管的基极电流根据上述的检测步骤的结果导通到接地端。

8.根据权利要求1所述的一种静态电流降低的低压差稳压器，其特征是：在正、负电源端子之间实现带有静态电流降低的低压差稳压器（稳压器含有一个稳压输出端），包括以下步骤：在正电源端子和稳压输出端之间通过传输三极管构造一个导通路径；通过驱动三极管控制传输三极管的基极电流；激活第一路径，使所述的传输三极管的基极电流导通到稳压输出端；在正电源端子和稳压输出端之间耦合差分放大器的输入端，用于检测正电源端子和稳压输出端的电压差值；根据上述检测步骤的结果来激活第二路径，使所述的传输三极管的基极电流导通到负电源端子。

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