TWI470920B - Soft start voltage regulator - Google Patents

Description

軟啟動電壓調節器

本發明係與應用於運載工具的電壓調節器，特別是指一種藉由主動元件及被動元件組成的軟啟動電路，應用此軟啟動電路的軟啟動電壓調節器及其系統。

汽車運行中所需的電能由發電機供應，發電機尚未啟動運轉時，發電機中的定子(stator)與勵磁線圈是無電流且不發電的，必需提供電流給勵磁線圈才能使定子作動繼之使發電機發電。發電機勵磁電流來源與控制方法可透過預勵磁電路實現，有的預勵磁電路會包含勵磁二極體(trio diode)，有的則未包含勵磁二極體。包含勵磁二極體(trio diode)，如第一圖所示，發電機未運轉之前，勵磁電流I_g 從節點N流過導通的啟動開關71及指示燈72，表示，勵磁電流I_g 來自於啟動開關71，發電機運轉建立起電壓後，勵磁電流I_g 經由勵磁二極體73提供勵磁電流。不包含勵磁二極體的控制方式，如第二圖及第三圖。

目前調節器，如第二、三圖之局部電路70a、70b通常是以積體電路的方式製成，占空比(duty cycle)會在積體電路製造時就已經固定在特定值，例如：12%、18%或30%，而缺乏調整彈性，且積體電路的開發費用高昂。因此，為尋求占空比為可彈性設計的電路，並且降低成本，發明人努力於研究替代積體電路的軟啟動電路設計。

本發明之主要目的在於提供一種軟啟動電路，軟啟動電路具有電壓調節器及連接電壓調節器的無穩態多諧震盪單元。電壓調節器用以產生操作電壓，無穩態多諧震盪單元用以接收操作電壓，並震盪產生軟啟動信號。此軟啟動電路係以被動元件及主動元件組成，其成本相較於先前技術所述之積體電路便宜，並且，可透過調整主動或被動元件的數值而達到不同占空比的設定，再者，主動元件與被動元件的設計方式，其占空比的調整幅度較積體電路更大。

本發明之次一目的在於提供一種應用此軟啟動電路的軟啟動電壓調節器，以及應用此其軟啟動電壓調節器的發電機電壓調節系統，可讓汽車在熄火情況時，達到幾乎零漏電流。

本發明所提供之軟啟動電壓調節器係連接發電機、電池組及啟動裝置。軟啟動電壓調節器具有第一偵測電路、第二偵測電路、軟啟動電路、調節電路、激磁驅動器及電源管理電路。第一偵測電路用以偵測啟動裝置，且在啟動裝置被啟動時產生第一信號。第二偵測電路用以偵測發電機，且在發電機建立電壓後產生第二信號。調節電路電連接軟啟動電路。激磁驅動器電連接調節電路。電源管理電路電連接第一偵測電路、第二偵測電路及軟啟動電路，且具有電源端，電源端連接電池組及發電機。其中，在電源管理電路接收到第一信號時，電源端電壓係供應至軟啟動電路，以供軟啟動電路產生軟啟動信號，並藉由調節電路 傳送至激磁驅動器，來供發電機建立電壓。在電源管理電路接收到第二信號時，電源管理電路依據第二信號截止軟啟動電路運作，且電源端的電壓係供應至調節電路，以控制激磁驅動器。

較佳地，無穩態多諧震盪單元具有兩電晶體、第一電阻電容組及第二電阻電容組。第一及二電阻電容組係用以接收操作電壓，以供兩電晶體運作。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之一較佳實施例並配合圖式說明如后，其中：如第四圖所示，第四圖係繪示本發明之一較佳實施例之一發電機電壓調節系統的示意圖。發電機電壓調節系統係應用於交通工具。交通工具係指汽車、卡車、貨車、休旅車、連結車、摩托車、船等。於此實施例中，交通工具係以汽車為例。軟啟動電壓調節系統包括發電機10、電池組20、啟動裝置30及軟啟動電壓調節器50。發電機10具有轉子11及定子12，實際上，發電機10的定子還連接整流電路，以整流發電機10建立的電壓。電池組20透過節點N1電連接發電機10與啟動裝置30。軟啟動電壓調節器50具有六個端點B、IG、L、P、F、G，分別連接電池組20、啟動裝置30、發電機10的轉子11及定子12與地端，且用以控制發電機10的轉子11產生激磁，以使發電機10運轉而建立電壓提供汽車運行中所需的電能。其中，啟動裝置30包括啟動開關31及指示器32，啟動開關 31通常是以鑰匙、旋鈕或按鈕啟動，指示器32是可發光元件，例如燈泡或發光二極體(LED)。

第五圖係繪示第四圖中軟啟動電壓調節器50的方塊圖。請一併參照第四及五圖所示，軟啟動電壓調節器50包括第一偵測電路51、第二偵測電路52、軟啟動電路53、調節電路54、激磁驅動器55、及電源管理電路56。

第一偵側電路51電連接端點IG及L，用以偵測啟動裝置30，並在啟動裝置30被啟動時產生第一信號S₁ 。

第二偵側電路52電連接端點P，且用以偵測發電機10，並在發電機10建立電壓後產生第二信號S₂ 。

軟啟動電路53具有電壓調節器531及無穩態多諧震盪單元532電連接電壓調節器531。電壓調節器531係提供一操作電壓V_D ，無穩態多諧震盪單元532用以接收操作電壓V_D ，並震盪產生軟啟動信號S_S 。

調節電路54電連接軟啟動電路53。

激磁驅動器55電連接調節電路54、及兩端點F、G。

電源管理電路56電連接第一偵測電路51、第二偵測電路52、及軟啟動電路53，並透過端點B(即第四圖的端點B)電連接電池組20及發電機10。其中，在電源管理電路56接收到第一信號S₁ 時，端點B電壓V_B 係供應至軟啟動電路53，以供軟啟動電路53產生軟啟動信號S_S ，並藉由調節電路54傳送至激磁驅動器55，來供應發電機建立電壓，此時，端點B電壓V_B 由電池組提供，且激磁驅動器55將軟啟動信號S_S 傳給發電機10的轉子11建立電壓。 在電源管理電路56接收到第二信號S₂ 時，截止軟啟動電路53運作，此時軟啟動電路53不再產生軟啟動信號S_S ，但端點B電壓V_B 仍供應至調節電路54，以控制激磁驅動器55。

調節電路54具有溫度補償器541及連接溫度補償器541的調節回路(regulation loop)542，溫度補償器541具有參考電壓V_R ，當調節回路542判斷參考電壓V_R 大於端點B電壓V_B 時，調節回路542控制激磁驅動器55導通，當調節回路542判斷參考電壓V_R 小於端點B電壓V_B 時，該調節回路542控制該激磁驅動器55截止。如此，發電機建立電壓後，就可藉由調節電路54來控制發電機的運作。

關於發電機被起動的前、中、後的說明，請容後以電路圖詳述。

第六圖係繪示第四圖中軟啟動電壓調節器的電路圖。如第六圖所示，電源管理電路56具有開關單元561、第一電晶體Q_S1 、第二電晶體Q_S2 及第三電晶體Q_S3 ，開關單元561係用以接收第一及二信號S₁ 、S₂ ，及輸出第一及二信號S₁ 、S₂ 的其中一者。於此實施例中，開關單元561係具有第一二極體D₁ 及第二二極體D₂ ，第一二極體D₁ 的P接面電連接第一偵測電路51，第一二極體D₁ 的N接面係連接第二二極體D₂ 的N接面，第二二極體D₂ 的P接面透過節點N3電連接第一偵測電路51及第二偵測電路52。第一電晶體Q_S1 的基極B電連接第一電晶體D₁ 的N接面，第一電晶體Q_S1 的射極E電連接至接地端，第一電晶體Q_S1 的集極C電連接第二電晶體Q_S2 的基極B，第二電晶體Q_S2 的射極E電連接端點B，第二電晶體Q_S2 的集極C透過節點N2電連接軟啟動電路53、調節電路54及電源管理電路56。第三電晶體Q_S3 的基極B電連接節點N3，其射極E電連接至端點G，即接地端，其集極C電連接節點N2。

軟啟動電路53的電壓調節器531例如是齊納二極體，無穩態多諧震盪單元532具有輸入端、輸出端N4及接地端N5，輸入端電連接節點N2，輸出端N4電連接節點N6，節點N6電連接激磁驅動器55及調節電路54。於此實施例中，輸出端N4輸出訊號S_S 至電晶體Q₁ ，透過電晶體Q₁ 控制Q₄ 間歇性的開啟或關閉。此外，接地端N5及端點G可以是共地的設計。

調節電路54的溫度補償器541選用齊納二極體。調節回路542具有兩電晶體Q₂ 、Q₃ 。齊納二極體的兩端係分別電連接電晶體Q₂ 的基極B及電晶體Q₃ 的射極E，電晶體Q₂ 的集極C電連接節點N6。

激磁驅動器55係以一個金屬半場效電晶體(MOSFET)Q₁ 為例，金屬半場效電晶體Q₄ 的汲極(drain)D連接端點F及飛輪二極體57，閘極(gate)G連接調節電路54，源極(source)S係連接端點G。實務中，激磁驅動器55可以採用達靈頓電路或其他電晶體的組成。

在發電機被啟動前，啟動裝置30還在截止狀態，第一電晶體Q_S1 及第二電晶體Q_S2 也都屬於截止狀態，以隔離端點B電壓，即電池組的電能，並避免汽車在熄火狀態 消耗電池組的電能，來達到趨近零漏電流(leakage current)之目的。

在發電機被啟動過程中，第一偵測電路51偵測到啟動裝置30被導通，而輸出第一信號S₁ 至開關單元561，使第一電晶體Q_S1 導通，而使端點B的電壓V_B 經由第二電晶體Q_S2 的射-集極(E-C)供應給軟啟動電路53。如此，電壓調節器531就會接收電壓V_B 並調節成穩定的操作電壓V_D ，以供應無穩態多諧震盪單元532產生震盪，而輸出軟啟動信號S_S 至激磁驅動器55，此時，激磁驅動器55會被導通而輸出軟啟動信號S_S 至端點F，供發電機的轉子建立電壓。

在發電機10建立電壓後，汽車的發電機已經可以提供汽車所需的電力，第二偵測電路52偵測到發電機的電壓相位S_P ，而輸出第二信號S₂ 至第三電晶體Q_S3 的基極B，第三電晶體Q_S3 的基-射極(B-E)係導通，而使操作電壓V_D 被拉低，進而截止軟啟動電路53。如此，在發電機建立電壓後，軟啟動電路53就被截止而停止運作。

再者，第二偵測電路52也會輸出第二信號S₂ 至電源管理電路56的開關單元561，而使端點B的電壓V_B 能透過第二電晶體Q_S2 的射-集極(E-C)傳送至調節電路54，此時，調節電路54就會開始運作。調節回路542的兩電晶體Q₂ 、Q₃ 會接收到由端點B的電壓V_B ，以使電晶體Q₃ 導通，且溫度補償器541建立參考電壓V_R ，現在電壓V_B 會大於參考電壓V_R ，如此，電晶體Q₂ 也會被導通，使得金 屬半場效電晶體Q₄ 導通的閘-源極(G-S)被短路，而被截止，如此，激磁驅動器56就被截止。再者，隨著轉子的電能降低，使得電壓V_B 也會逐漸降低，這樣，電壓V_B 就會小於參考電壓V_R ，使電晶體Q₂ 截止，而金屬半場效電晶體Q₄ 再次被導通，來對發電機的轉子進行激磁。

軟啟動電壓調節器50還包括飛輪二極體57電連接端點B及激磁驅動器55。當金屬半場效電晶體Q₄ 被截止時，發電機的轉子係藉由飛輪二極體57進行釋能。

特別地，若汽車在運行中發生端點IG或L脫落時，本發明仍可供應電壓V_B 給電源管理電路56、調節電路54及激磁驅動器55，以避免汽車在運行中，因為端點IG或L脫落，而瞬間失去電力。

第七圖係繪示電晶體式無穩態多諧震盪單元的電路圖。其中，無穩態多諧震盪單元532具有兩電晶體Q₅ 、Q₆ 、第一電阻電容組533及第二電阻電容組534，兩電晶體Q₅ 、Q₆ 的射極E分別接地(即節點N5)，電晶體Q₅ 的基極B係連接第二電阻電容組534，電晶體Q₅ 的集極C係連接節點N4。電晶體Q₆ 的基極B係連接第一電阻電容組533，電晶體Q₆ 的集極C係連接第二電阻電容組534。第一及二電阻電容組533、534連接節點N2，以接收操作電壓V_D ，如此，無穩態多諧震盪單元532會震盪並輸出軟啟動信號S_S ，來達到預勵磁軟啟動的目的。特別地，本發明可藉由調整第一及二電阻電容組533、534中的電容值C₁ 、C₂ ，來控制軟啟動信號的占空比(duty cycle)，或藉由 調整電阻值R₁ ~R₄ 來控制占空比，因此，本發明可藉由控制第一及二電阻電容組中的被動元件(即電容C₁ 、C₂ 或電阻R₁ ~R₄ )來獲得12~35%的占空比。

第八及九圖係分別繪示另兩種無穩態多諧震盪單元的電路圖，這兩種無穩態多諧震盪單元可替換第六圖中的無穩態多諧震盪單元。

如第八圖所示，無穩態多諧震盪單元532a係採用兩個反閘535、536及兩電容C₃ 、C₄ ，其中一電容C₃ 係串接在其中一反閘535的輸入端及另一反閘536的輸出端，另一電容C₄ 係被串接在其中一反閘535的輸出端及另一反閘536的輸入端，兩反閘535、536分別電連接節點N2及N5，用以接收操作電壓V_D 及接地端，反閘535的輸出端電連接節點N4，即激磁驅動器55。

如第九圖所示，無穩態多諧震盪單元532b具有運算放大器537、第一電阻R₅ 、第二電阻R₆ 、第三電阻R₇ 及電容C₅ ，運算放大器537係分別連接節點N2及N5，用以接收操作電壓V_D 及接地端。第一電阻R₅ 係分別連接運算放大器537的正相輸入端及輸出端，第二電阻R₆ 係連接於運算放大器537的正相輸入端及節點N5之間，第三電阻R₇ 係連接於運算放大器537的反相輸入端及輸出端之間，電容C₅ 係連接於反相輸入端及節點N5之間。其中，運算放大器537的輸出端係連接激磁控制電路55，即節點N4。

上述的兩種無穩態多諧震盪單元532a、532b也可以 藉由改變其中被動元件的電容值或電阻值來達到控制軟啟動信號的占空比。

第十圖係繪示另一軟啟動電壓調節器的方塊圖。相較於第五圖，第十圖中的激磁驅動器55a電連接在端點B、F之間，飛輪二極體57a電連接在端點F、G之間，其運作方式與上述實施例相似，於此不再贅述。於此實施例中，激磁驅動器55a及飛輪二極體57a的也可以如第十圖中的配置，所以，不以第五圖所繪為限。

相較於先前技術，本發明採用分離元件，即主動元件及被動元件的組合，分離元件可達到無漏電流，並且，只需調整被動元件即可獲得12~35%占空比的彈性設計空間，可以容易地滿足不同客戶需求，成本低、可適用範圍大。此外，本發明之軟啟動電壓調節器可應用於嚴苛的環境，例如最大耐受溫度達攝氏150度，這也比積體電路的耐受溫度更佳。

10‧‧‧發電機

11‧‧‧轉子

12‧‧‧定子

20‧‧‧電池組

30‧‧‧啟動裝置

31、71‧‧‧啟動開關

32‧‧‧指示器

50‧‧‧軟啟動電壓調節器

51‧‧‧第一偵測電路

52‧‧‧第二偵測電路

53‧‧‧軟啟動電路

531‧‧‧電壓調節器

532、532a、532b‧‧‧無穩態多諧震盪單元

533‧‧‧第一電阻/電容組

534‧‧‧第二電阻/電容組

535、536‧‧‧反閘

537‧‧‧運算放大器

54‧‧‧調節電路

541‧‧‧溫度補償器

542‧‧‧調節回路

55、55a‧‧‧激磁驅動器

56‧‧‧電源管理電路

561‧‧‧開關單元

57、57a‧‧‧飛輪二極體

72‧‧‧指示燈

73‧‧‧勵磁二極體

Q₁ ~Q₄ ‧‧‧電晶體

C₁ ~C₅ ‧‧‧電容

R₁ ~R₇ ‧‧‧電阻

D₁ ~D₂ ‧‧‧二極體

B‧‧‧電源端

IG、L、P、F、G‧‧‧端點

N、N1~N6‧‧‧節點

第一至三圖係繪示先前技術的電壓調節器的電路圖。

第四圖係繪示本發明之一較佳實施例之發電機電壓調節系統的示意圖。

第五圖係繪示第四圖中軟啟動電壓調節器的方塊圖。

第六圖係繪示第四圖中軟啟動電壓調節器的電路圖。

第七圖係繪示第五圖中無穩態多諧震盪單元的電路圖。

第八及九圖係繪示另外兩種無穩態多諧震盪單元的電路圖。

第十圖係繪示第四圖中另一軟啟動電壓調節器的方塊圖。

10‧‧‧發電機

11‧‧‧轉子

12‧‧‧定子

20‧‧‧電池組

30‧‧‧啟動裝置

31‧‧‧啟動開關

32‧‧‧指示器

50‧‧‧軟啟動電壓調節器

B‧‧‧電源端

IG、L、P、F、G‧‧‧端點

N1‧‧‧節點

Claims (11)

1. 一種軟啟動電路，其具有一電壓調節器及一無穩態多諧震盪單元電連接該電壓調節器，該無穩態多諧震盪單元具有一輸入端、一輸出端及一接地端，該電壓調節器係用以提供一操作電壓，該無穩態多諧震盪單元用以接收該操作電壓，並震盪產生一軟啟動信號透過該輸出端輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軟啟動電路，其中，該無穩態多諧震盪單元具有兩電晶體、一第一電阻電容組、及一第二電阻電容組，該兩電晶體的射極係分別被接地，其中一電晶體的基極係連接該第二電阻電容組，該電晶體的集極係連接該第一電阻電容組及該無穩態多諧震盪單元的輸出端，另一電晶體的基極係連接該第一電阻電容組，該另一電晶體的集極係連接該第二電阻電容組，該第一及二電阻電容組係用以接收該操作電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之軟啟動電路，其中，該無穩態多諧震盪單元具有兩反閘及兩電容，該兩反閘係用以接收該操作電壓，其中一電容係串接在其中一反閘的輸入端及另一反閘的輸出端，另一電容係串接在該其中一反閘的輸出端及該另一反閘的輸入端，其中，該無穩態多諧震盪單元的輸出端係連接該其中一反閘的輸出端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之軟啟動電路，其中，該無穩態多諧震盪單元具有一運算放大器、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻及一電容，該運算放大器係用以 接收該操作電壓，該第一電阻係分別連接該運算放大器的正相輸入端及輸出端，該第二電阻係連接該運算放大器的正相輸入端及接地端，該第三電阻係連接該運算放大器的反相輸入端及輸出端，該電容係連接該反相輸入端及接地端，其中，該運算放大器的輸出端係連接該無穩態多諧震盪單元的輸出端。
5. 一種軟啟動電壓調節器，電連接一發電機、一電池組及一啟動裝置，其包括：如申請專利範圍第1項所述之軟啟動電路；一第一偵測電路，用以偵測該啟動裝置，且在該啟動裝置被啟動時產生一第一信號；一第二偵測電路，用以偵測該發電機，且在該發電機建立電壓後產生一第二信號；一調節電路，電連接該軟啟動電路；一激磁驅動器，連接該調節電路；及一電源管理電路，電連接該第一偵測電路、該第二偵測電路及該軟啟動電路，且具有一電源端，該電源端連接該電池組及該發電機；其中，在該電源管理電路接收到該第一信號時，該電源端電壓供應至該軟啟動電路，以供該軟啟動電路產生該軟啟動信號，並藉由該調節電路傳送至該激磁驅動器，來供應該發電機建立電壓；在該電源管理電路接收到該第二信號時，該電源管理電路依據該第二信號截止該軟啟動電路運作，且該電源端的電壓供應至該調節電路，以控制該激磁驅動器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之軟啟動電壓調節器，其中，該調節電路具有一溫度補償器及連接該溫度補償器的一調節回路，該溫度補償器具有一參考電壓，當該調節回路判斷該參考電壓大於該電源管理電路的電源端電壓時，該調節回路控制該激磁驅動器導通，當該調節回路判斷該參考電壓小於該電源管理電路的電源端電壓時，該調節回路控制該激磁驅動器截止。
7. 如申請專利範圍第5項所述之軟啟動電壓調節器，其中，該電源管理電路具有一開關單元、一第一電晶體、一第二電晶體及一第三電晶體，該開關單元電連接該第一及二偵測電路，且用以接收該第一及二信號，該第一電晶體的基極電連接該開關單元，該第一電晶體的射極係被接地，該第一電晶體的集極電連接該第二電晶體的基極，該第二電晶體的射極用以接收該電池組的電壓，該第二電晶體的集極電連接該軟啟動電路及該調節電路，該第三電晶體的基極電連接該第二偵測電路，且用以接收該第二信號，該第三電晶體的射極電連接至接地端，該第三電晶體的集極電連接該軟啟動電路。
8. 如申請專利範圍第5項所述之軟啟動電壓調節器，更包括一飛輪二極體，電連接該激磁驅動器及該電源管理電路。
9. 如申請專利範圍第5項所述之軟啟動電壓調節器，更包括一飛輪二極體，電連接該激磁驅動器。
10. 一種應用於運載工具的發電機電壓調節系統，其 至少包括如申請專利範圍第5項之軟啟動電壓調節器。
11. 一種軟啟動電路，其具有一電壓調節器及一無穩態多諧震盪單元電連接該電壓調節器，該無穩態多諧震盪單元具有一輸入端、一輸出端、一接地端、兩反閘及兩電容，其中一電容係串接在其中一反閘的輸入端及另一反閘的輸出端，另一電容係串接在該其中一反閘的輸出端及該另一反閘的輸入端，該電壓調節器係用以提供一操作電壓，該無穩態多諧震盪單元的兩反閘係用以接收該操作電壓，並震盪產生一軟啟動信號透過該輸出端輸出，該無穩態多諧震盪單元的輸出端係連接該其中一反閘的輸出端。