专利名称：采用备用电池电源的电稳压的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及稳压电路，尤其涉及由电池提供稳压电压的电路。
在计算机工业中，移开主电源或基本电源时，无论这是出于有意或无意，移去以后，通常采用某种型式的备用电源来维持各种数据处理电路的工作。这种备用电源经常采用电池形式，它例如可用来在主电源移去时保持存储在存储器或其它存储装置中的数据。另一种采用本发明的应用是在没有主电源时，用该备用电源来维持实时时钟系统的工作。
典型地，较大型(即，所谓的大型机)数据处理系统中将铅酸电池或其它类似电池用作备用电源，它提供24伏额定直流电压。其实际电压范围能从26伏或更大一些的直流电压(充电时或充满电时)变到约19伏衰减端电压，在使用初始电源时采用这种型式的电池备用装置来保持低电压(例如，3-5伏直流电压)电路工作，由于初始电压有7伏电压变化，而这种端电压的下降又不能反映到备用电路中来，因此稳压中存在问题。
目前市场上已有能够解决这种较大的端电压波动问题的稳压电路。但其代价为消耗了大量的过量电流。(在一些情况下过量电流可能小到仅为1毫安。当使用备用电源的电路连续工作几个月时，这个小数值将变得“过量”)。这进而造成了备用电池的短寿命及由于过深放电而损坏电池，或同时造成上述这两个问题。
因此，由上文可知，需要这样一些装置，在对由于稳压作用而损耗的电流进行限制的同时，尽管电池随着时间而消耗仍能保持稳定的低电压输出，它以这种方式由备用高直流电压源(例如，24伏直流)提供经稳压的低电压(例如，约3伏直流)。
本发明提供了一种稳压电路，它从备用的、未稳压的、用来辅助存储器的额定24伏直流电池中产生额定值3.2伏的直流备用电压，在进行稳压的同时，该稳压电路消耗最小量的电流，并在铅酸电池所预期的电压值范围内维持额定稳压的(3.2)伏电压。此外，以这样一种方式来进行稳压工作，即，使两个备用电池间互相隔绝。
本发明较佳实施例中，将形式为晶体管的可变阻抗连接入电路以接受未稳压的直流电压，从而从中提供约为3.2伏的稳压直流电压。控制电路将稳压电压维持在固定电压电平上，且还产生一误差信号，它表示稳压电压的上升或下降，将误差信号耦合到可变阻抗，以改变由晶体管导通的电流。因而，改变了晶体管电压降，使所提供的稳压电压维持在所需电平上。
本发明的目的在于由未稳压的直流电压源提供稳压电压，所述未稳压的直流电压源包括一对备用电池。为了避免电池过度放电，稳压电路包括用于每一备用电池的电池检测电路，当相应电池的端电压下降至低于预定电平时，用所述检测电路来进行检测。两个电池均下降至低于额定电平时，相应的电池检测电路同时将该信号传输至控制电路，从而令误差信号不定，使晶体管停止导通，并使稳压器停止工作。随后，仅流出最小电流。
本发明可具有多个优点。首先，当从大得多的(额定24伏)备用电池对中产生稳压的低直流电压(3.2伏)，从而进行稳压工作时，在每一电池的电压范围上可消耗最少的电流。
此外，本发明除了稳压作用外，还具有监控电池之端电压的功能，从而停止大量电流从电池流出以防止电池的过度放电，并由此防止电池损坏。
进而，与这些优点相共存的还有另外一个优点，即，在所使用类型的电池(即，铅酸电池)在预期的相应较宽的直流电压范围变化时仍能进行稳压，并使将所提供的、稳压的电压保持在固定电位上。
通过结合附图阅读下文的详细描述，本领域内的专业人员可以认识到本发明的这些及其它优点。
图1是本发明之稳压电路的方框图，它示出了由一对备用电池来产生稳压电压(Vr);
图2是稳压电路的简图;且图3是由备用电源向稳压电路的稳压装置提供未稳压的另一种方法。
参见附图，图1中用参考标号10图示并标明了根据本发明所构成的稳压器系统，如图所示，稳压器系统10由未稳压直流电源输出稳压电压Vr，该直流电源由额定电压均为24伏的电池VB(1)和VB(2)(宜为铅酸电池)组成。
稳压器系统10包括一可变阻抗12，两个电池VB(1)和VB(2)的正极(+)端输入可变阻抗12上，该可变阻抗10提供稳压电压Vr。控制电路14监控稳压电压Vr，将其维持在所需电压电平上。稳压电压偏离所需电压电平的任何变化将使得控制电路14产生误差电压Ve，该电压控制可变阻抗12两端直流压降。
简单地说，稳压器系统10工作如下。可变阻抗12功能是用来平衡从电池VB(1)和VB(2)中流出的电流，并将它们所提供的直流电压降至远比前者为小的电压Vr(宜为约3.2伏直流电压)。偏离所需稳压电压Vr的任例变化将使得控制电路14产生误差信号(Ve)。控制信号Ve被加在可变阻抗12上以调节由可变阻抗12所产生的压降，并进而相应地校正稳压电压Vr值。通过这种方式，无论经过一段时间电池VB(1)和VB(2)的电压变化如何，均可将稳压电压Vr保持在固定的电压电平上。
对于每一电池VB(1)和VB(2)，稳压器系统10还分别包括相关的电池检测电路16a、16b。电池检测电路16跟踪每一电池的端电压。如果电池组中一电池的端电压降至低于预定安全电平，则相应的电池检测电路将实际上切断由该电池流出稳压器电路10的电流。如果两个电池均下降至或低于预定安全值，则断开控制电路14。实际上，这断开了由可变阻抗12中电池的未稳电压和输出稳定电压间的连接。这样，用稳压器系统10的检测电路16来保护电池不致遭受过放电的损坏。
现参见图2，从稳压器系统10的详细电路图中可以看到，可变阻抗12包括PNP晶体管Q1，该晶体管的发射极端通过电阻器R1和R2连接至每一电池VB(1)和VB(2)，晶体管Q1的集电极端提供稳压电压Vr。
由控制电路14对晶体管Q1进行控制，如图2所示，控制电路14包括两个NPN晶体管Q2、Q3和与电阻器R7串联并连接至地的稳压二极管D5。稳压二极管D5的击穿(齐纳)电压为2.5伏电压。由电阻器R7产生的小电流对二极管D5进行偏置，从而在远超过拐点区的更为线性的击穿电压电流区域内工作。稳压电压Vr是由二极管D5的击穿电压(即，2.5伏直流)加上基极-发射极电压Vbe(即，0.6-0.7伏直流)所形成的，并以下文将描述的方式对它进行控制。
二极管D1、D2将电池VB(1)和VB(2)连接至晶体管Q1的发射极端(通过电阻器R1、R2)，从而防止电池VB(1)和VB(2)中电充得较高的一个电池对较低充电电池进行充电。限流电阻器R9、R10与每一二极管D1、D2相串联以防止电池发生可能的过电流损坏(电阻器R11和12以同样的方式对分别向检测电路供电的电流进行限流)。
电池VB(1)和VB(2)同样通过检测电路16来防止它们过量地放电。如图2所示，第一感应电路16分别由耗尽型场效应晶体管FET、电阻器、稳压二极管Q4/R4/D3和Q5/R5/D4及电阻器R6串联组成。
稳压系统10由大得多的直流电压产生稳压(低)电压例如3.2伏直流，在较大型数据处理系统中经常可以看到这种情况当主电源或基本电源掉电或移开时，用所述24伏直流电压向存储器提供备用电源。这种电池用来提供电流，该电池结构上输出电流的能力将随时间而衰减。然而，使用电池时，额定端电压可能显著地降低。稳压器电路10在整个电池电压变化为6-7伏特(例如，由完全充电后的26伏降至约20伏的衰减电压)的过程中用来保持所需的稳压电压值Vr，稳压电压的大小(大约为3.2伏)是备用电源电压变化范围的大约一半，因而稳压不是一件容易的事。
稳压器系统10的工作如下，电阻器R1、R2(与电阻器R9和R10相连接)用来平衡由电池产生的电流，并对能向稳压器系统10和接受稳压电压Vr的负载供电的电流最大值进行限制。如上所述，二极管D1、D2防止一个电池以较高的端电压对另一电池进行充电。
电阻器R1、R2(和相应的二极管D1、D2)将来自电池VB(1)和VB(2)的稳压电压(正极)共同耦合到节点A，以用于晶体管Q1的发射极。节点A上的未稳压电压还用来对晶体管Q1进行偏置，这是由通过电阻器R3、R8将它加在晶体管Q1的基极上而实现的。
晶体管Q1在电池VB(1)和VB(2)和接受稳压Vr的负载(未示出)间的串连通路中提供一阻抗。使晶体管Q1导通，并相应地在电池和负载串连通路中形成一阻抗，该阻抗由晶体管Q2、Q3进行控制，构成控制电路14。晶体管Q3实际上用来比较稳压电压Vr与电压参考设定值。该值事实上是由稳压二极管D5和晶体管Q3的基极-发射极电压(Vbe)来实现的。当稳压电压Vr上升时，这种上升将反映到晶体管Q3的基极上，使晶体管Q3增大其导通电流。晶体管Q3增大的导通电流使其从检测电路16a、16b中引出增大的电流，从而使电阻器R6两端的电压下降，将晶体管Q2的基极电位拉低，使之导通电流减小。进而，晶体管Q2的导通电流下降又使得流过电阻器R5的相应电流减少，因而减小了R3两端的压降。因此，可将晶体管Q1的基极电位相对于发射极上的未稳压电压升高，从而降低该晶体管的导通能力，进而增大其位于节点A上的未稳压电压和接收稳压Vr的负载之间的串联电路中的阻抗。
相反，如果稳压电压Vr欲降低，则该压降将反映到晶体管Q3的基极上，降低其电流导通能力。这增大了向电阻器R6提供的电流量，导致晶体管Q2的基极电位上升。晶体管Q2将更难以导通，使晶体管Q1的基极电位降至更低，因而增大Q1导通电流，并有效地减小了其有效阻抗，所述阻抗存在于发射极(它接受未经稳压的电压)和集电极(它提供稳压电压)之间。其最后结果是稳压电压Vr被维持固定在一值上，该值由稳压二极管D5和晶体管Q3的基极-发射极共同电压Vbe形成。
晶体管Q1的基极电阻R3具有两种作用首先，它对提供给(并引自)晶体管Q2的电流进行限流，其次，它将晶体管Q1的基极电位拉高。当稳压电压被首先加在可能为高电容性的负载上时，电阻器R8可避免这时可能出现的闭锁超载。众所周知，当电源刚开始供电时，电容性负载时会产生过量电流。这一初始的电流冲击会导致晶体管Q2饱和。如果没有电阻器R8，则将晶体管Q1的基极直接拉至地电位，防止晶体管Q3再导通。晶体管Q3保持在非导通状态时，无法控制流过晶体管Q2的电流(正如当Q3导通时所发生的那样)。这样，不能使晶体管Q2之集电极上的电压上升，以便使相应晶体管的Q1基极电压上升以减小Q1电流，与电阻器R3并联的电阻器8和电阻器R1、R2形成分压器，以限制晶体管Q1之发射极电压(即该晶体管的基极电压)所能被降低的量。这进而使晶体管Q1的集电极处于足够高的电压，从而使晶体管Q3导通并提供反馈稳压。
两个电池VB(1)和VB(2)的端电压下降至低于预定电压时(在这里约为20伏直流电压)，用检测电路16来切断稳压系统。当两电池电压下降低于该预定电压时，检测电路16的导通电流将急剧地减少，从而产生在电阻器R6两端的电压下降，将晶体管Q2的基极电压拉低并减少其导通电流。这使得晶体管Q1的基极电位上升至未稳压电压所能达到的电位。晶体管Q1停止导通以提供一高阻抗，该阻抗位于节点上的未稳压电压与负载之间，事实上这使稳压电压Vr与负载相断开。
两个检测电路16的结构与功能均相同，因此，仅对检测电路16a进行描述。然而，可以理解，除了另作注明之处以外，对检测电路16a所作的描述同样适用于检测电路16b。
继续参见图2，FETQ4和检测电路16a的电阻器R4用来形成一电流源，它向稳压二极管D3(具有20伏击穿电压)和电阻器R6，以及晶体管Q3的集电极与晶体管Q2的基极供电流。(二极管D3、D4还具有一功能，即，当电池中仅一者降低至预定值且另一者仍能提供足够电压时，它防止电池对另一者进行充电)。在电阻器R4两端产生FETQ4的箍断电压。
当由电池VB(1)提供的电压下降至或低于约20伏电流电压时，稳压二极管D3的阴极电位将降低至低于其击穿电压，因此，停止导通，终止由电池VB(1)流出的端电流。然而，如果电池VB(2)仍高于20伏电平，它将继续向电阻器R6和晶体管Q2、Q3供电。
如果两个电池VB(1)和VB(2)均下降低于预定电压值，两个二极管D3和D4均将断开，从而除去向晶体管Q2的基极和晶体管Q3的集电极供电的电流。事实上，无论晶体管Q3是否完全停止导通;晶体管Q2也将停止导通，这样使晶体管Q1的基极电位升高以相应地使晶体管Q1不导通。
这样，电池VB(1)和VB(2)的端电压均下降压低于20伏直流值的结果是彻底切断稳压电路10，且由于仅由元件Q4/D3、Q5/D4及晶体管Q1产生泄漏电流，使由电池流出的电流显著减小。
本领域内的专业技术人员可以认识到，用在稳压电路10中的器件应具有良好的小电流工作特性。尤其是对晶体管而言，它在小电流值时应具有较好的β值，而在截止条件下应具有小的泄漏电流。一种较佳的情况是，晶体管Q1型号为2N 2907A、晶体管Q2、Q3为2N2222A型三极管。场效应管Q4、Q5为NF5101型器件。稳压三极管各自的击穿电压为20伏直流。其它数值如下电阻器R1、R2为36KΩ;电阻器R3为100KΩ;电阻器R4、R5为22.1KΩ;电阻器R6、R7为62KΩ;电阻器R8为100KΩ;电阻器R9、R10为10KΩ;二极管D1、D2为MLL 4001型器件。
如上文所述，稳压器电路10用来对来自直流电压备用电源的电压进行工作，该直流电压亦可在主电源失效或连接至其它器件的情况下向其它负载(例如主存储器-未示出)提供直流电压。然而，可能会发生这样的情况，即，所述负载使电池VB(1)和VB(2)中一者的放电速度大于另一者，从而该电池可达到一电压值(20伏直流)，该电压为所连接的检测电路16将终止来自电池之电流时的电压。同时，另一电池的充电量可能仅比20伏直流高几伏。在这种情况下，节点A处的电压可能低于20伏特，从而，包括已被放电至20伏电平的电池在内，这两个电池均能继续产生电流。
在另一种情况下，流过带有D1/R1或D2/R2的通路上的电流将使其产生某一幅值的电压降。如果电池VB(1)和VB(2)端电压之差小于该压降值，且至少一电池的端电压大于20伏电压，则两个电池均产生电流。当然，两个电池VB(1)和VB(2)均高于20伏直流电平时这不成为问题。当一电池降至20伏电平时这将成为问题。
例如，假设电池VB(2)已放电至20伏(或其附近)，从而不应再从中流出电流，以使保护电池不会过度放电。再假设电池VB(1)已放电至约22伏电压。同样假设稳压电路10和接受稳压电压Vr的负载共同流出100微安的电流。可以看到，由电池VB(1)提供给节点A的电流所产生压降约为4伏特，从而使节点A的电压约为18伏特。这使得电池VB(2)产生电流，会出现电池VB(2)放电至低于被认为安全的电压值的情况。
为了使产生于通路R1/D2、R2、D2上两端的压降幅值最小，图3中示出了将未稳压电压加至晶体管Q1之发射极的另一种方法。图3中所示的电路可以减小电池VB(1)和VB(2)的端电压的电压差值，从而能出现上述情况。
如图3所示，用单个电阻器R14来代替电阻器R1、R2。且三极管D1、D2的阴极互相连接，并连接至电阻器R14之一端。电阻器R14之另一端连接至晶体管Q1的发射级。如图2中所示，二极管D1、D2的阳极继续分别连接至电阻器R9、R10。二极管D1、D2之阴极连接降低了两电池VB(1)和VB(2)间的差值电压，若超过所述电压，低充电量的电池将产生电流。
图3中，用电阻器R9和R10来平衡由电池VB(1)和VB(2)产生的电流。用电阻器14对向稳压器系统10和接受稳定电压Vr之负载供电电流的最大值进行限制，可将电阻器14的规格制得使其将允许通过的电流限制在很小的值。且不会有增大差值电压的坏作用，当超过所述差值电压时，具有较低端电压的电池将输出电流。此外，所述差值电压取决于电阻器R9和R10的值及节点A上提供的电流。
权利要求
1.一种电压稳压器，对正极未稳压电压进行稳压以提供稳压直流电压，其特征在于，所述电压稳压器包括可变阻抗装置，它连接在电路中，接受未稳压电压，从中产生稳压电压，所述可变阻抗装置包括接受控制信号的控制端，可变阻抗响应于控制信号，从而将稳压电压维持在一固定值上；控制电路装置，它连接至控制端以接受稳压电压，使稳压电压维持在一固定值，控制电路装置包括参考电路装置，它连接在电路中，检测稳压电压和固定值间的差值，从中控制电路可产生表示该差值的控制信号；和检测装置，它连接至未稳压电压及控制电路，当未稳压电压已降低至预定电压值时，它使控制电路不确定控制信号，以使可变阻抗装置设置为高阻抗状态。
2.如权利要求1所述的电压稳压器，其特征在于，所述可变阻抗器装置包括-PNP晶体管，该晶体管发射极端连接以接受未稳压电压，其集电极端上加有稳压电压，基极端接收控制信号。
3.如权利要求1所述的电压稳压器，其特征在于，由电池来提供所述正极未稳定电压。
全文摘要
一种稳压器电路，它对来自一对备用电池的未稳定电压进行稳压，以提供低压稳定的直流电压。所述稳压器电路包括稳压控制，它通过监控稳压电压而产生的反馈信号将稳压电压维持在所需值。电池监控装置对所用电池的电压值进行监控，当电池电压降至低于预定电压值时它切断稳压器以维护电池寿命。
文档编号G05F1/56GK1106959SQ9410669
公开日1995年8月16日 申请日期1994年7月2日 优先权日1993年7月2日
发明者马克·A·泰勒, 萨姆森·K·托伊 申请人:协力计算机股份有限公司