CMOS 芯片上的快速电源电压比较器。方案、说明

CMOS 芯片上的快速电源电压比较器。无线电电子电气工程百科全书

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不间断电源、高速分立市电稳压器或市电电压偏差保护装置的重要组成部分是市电电压监控单元或市电电压比较器（VSC）。乍一看，问题的简单性是具有欺骗性的。困难在于KSN的输入端存在交流或脉动电压，而KSN的输出信号必须是连续的。

在这种情况下，各种 RC 和 LC 滤波器不能用于平滑，因为它们在 CSN 对电源电压变化的响应中引入了显着的延迟。因此，KSN必须定期将输入电压与参考电压进行比较，与市电频率同步，并记住上一次比较的结果直到下一次比较。由于市电电压是正弦波，并且通常具有较低的谐波系数（<6%），因此可以控制市电电压的幅值，并用它来判断有效电压值的大小。所谓的峰值检测器[3]可以用作电压幅度检测器。使用峰值检测器的缺点是每次新测量之前都必须重置。

可以在可重启的单个振动器上构建功能更简单的设备，并具有用于控制电源电压电平过高的电路。在这种情况下，该电路可以组装在数字微电路上，特别是CMOS电路上。这种选择并非偶然，因为 CMOS 电路的开关参数具有极高的温度稳定性 [1]：介质温度在 -55 至 +125°C 范围内的波动不会使传输特性的各个部分发生更大的变化。超过5%。预计在 +15 至 +35°C 的温度范围内（住宅楼宇的典型温度范围），传输特性的变化不会超过 0,6%，这比所需的 1...2 好得多%。此外，CMOS 电路具有极低的功耗，这在跟踪设备中使用 SSN 时非常重要。

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在电路（图 1）中，所研究的预整流电源电压提供给 INPUT 输入。如果需要电流隔离，则通过隔离变压器提供电源电压。在由调谐电阻R1和电阻R2、R3组成的分压器的帮助下，KSN被调整到某个阈值。分压电阻值指定为 +UP=5 V 时的情况，并且 INPUT 输入端的电压幅度为 17 V（~12 V rms）。电容器C1用于滤除从网络中渗透的短脉冲噪声。二极管 VD1 将分压器的输出电压限制在+UP。前三个反相器DD1和电阻R4、R5上装有施密特触发器，当市电电压达到触发电平Us1时，施密特触发器被触发。

可重启单振动器 (SW) 由 COP 链 R6、C2 和施密特触发器组成，组装在其余三个逆变器和电阻器 R7、R9 上。需要电阻器R8来获得整个器件的响应滞后。 +UP 指 3...15 V CMOS 电路的电源电压。

图 2 显示了图 1 所示 SSN 电路的时序图。 1. 当电源电压的幅度尚未达到施密特触发器的阈值 Uc6 时，其输出（引脚 1 DD8）具有高逻辑电平（LU）。在输出 OUTPUT KSN（引脚 1 DDXNUMX）处有一个低 LU，表明电源电压低于预定水平。

CMOS 芯片上的快速电源电压比较器

一旦电源电压的幅度超过施密特触发器的阈值 Uc1，其输出（引脚 6 DD1）就会出现与电源频率同步的低 LU 脉冲。这些脉冲通过 VD1 二极管馈送到软件输入。选择 R6C2 RC 电路的时间常数，使得软件的输出保持连续的高电平，同时在其输入处接收来自施密特触发器输出的触发脉冲。因此，只要电源电压高于指定电平，KSN 的 OUTPUT 输出就会为高电平 LU。

图 3 显示了较少数量逆变器上的 KSN 的简化图。该方案与图1所示的KSN方案的区别在于，它不包含传统的R6C2 RC链。

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上述 SPV（我们称其为第一种类型的 SPV）对于控制电源电压增加到给定水平以上是最有效的。当电源电压出现故障时，由于软件的 RC 电路充电的时间常数，该电路会产生一个信号，延迟 7 ... 10 ms 降低网络电平。

当监控电源电压降低于预定水平时，部分地消除指定的延迟允许第二类型的 SPV，其工作原理是测量暂停持续时间 DT，当输入端的半正弦波的瞬时电压输入小于Uc（图4）。

CMOS 芯片上的快速电源电压比较器

测量的电源电压的幅值 Ua 根据以下表达式确定间隔 DT

DT=arcsin(Uc/Ua)/πf。

DT=10°时间间隔内的测量电压曲线的非线性可以忽略不计[2]。若DT=10°，则Ua=11Uc，市电电压下降时KSN工作延迟约为0,6ms。

根据所示原理操作的CSN方案如图5所示，时序图如图6所示。

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CMOS 芯片上的快速电源电压比较器

使用输入分压器 R1、R2、R3 实现所需的 Ua 和 Uc 比率。由于本例中的 Uc 等于 CMOS 电路的开关电压，即 UP / 2，因此需要选择 Ua=0,6UP 才能获得 <5,5 ms 的延迟。

二极管 VD1 将分压器的输出电压限制在+UP。分压器输出的电压被馈送到比较器的输入，该比较器是一个施密特触发器，组装在前两个 DD1 反相器上。当半正弦波的电平超过阈值 Uc 时，比较器对于形成高 LU 脉冲是必要的。比较器输出端的高电平LU通过二极管VD2被馈送到第一软件的输入，该第一软件组装在第三和第四反相器DD1、电阻器R7、R9、R10和电容器C2上。

当电源电压高于指定电压时，微调电阻 R1 在软件输出端实现连续的高 LU 信号。当电源电压下降时，第一个软件的输出端出现低 LU 脉冲，该脉冲通过 VD3 二极管馈送到第二个软件的输入端，该输入端由第五和第六个 DDI 逆变器、电阻器 R6、R11、R12 和电容器C3。根据 OUTPUT KSN 输出端的这些脉冲，第二个软件生成连续的低 LU，表示电源电压低于预定水平或完全不存在。电阻器 R8 用于获得 CV 开关特性所需的滞后。从时序图（图6）可以看出，随着市电电压的升高，第二类SPV输出端形成高电平LU，延迟约10ms。

在重复电路解决方案时，应记住，由于 CMOS 电路的开关参数存在一些变化，可能有必要澄清 RC 电路的电阻器 R6 的值。为了获得KSN开关特性的迟滞，需要明确正反馈电路中电阻R8的阻值。

参考文献：

泽尔丁学士信息测量设备中的数字集成电路。-L.：Energoatomizdat，1986。
米洛夫佐罗夫 V.P., Musolin A.K. 分立稳定器和电压整形器。- M.：Energoatomizdat，1986。
Peyton A.J.，Walsh V. 运算放大器上的模拟电子学。- M .：Binom，1994 年。

作者：V. Ya. Volodin

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