专利名称：调节电压的电路及方法
技术领域：
本发明大体上涉及电子电路，更具体地，涉及电子电路中的电压调节。
背景技术：
电压调节器被用于包括汽车、飞机、无线电通讯系统和电子消费品等的多种电子产品中。通常，电压调节器提供一个恒定的直流(“DC”)电压，该电压不依赖于从调节器流出的负载电流或供应给电压调节器的电源中的任何变化而引起的负载电流。例如，在汽车应用中，负载电流根据汽车是否运行而不同。认为没有运行的汽车工作在切断或备用模式，而认为正在运行的汽车工作在接通模式。将电压调节器优选地设计为给运行在重负载条件下的汽车提供输出调节电压，例如当汽车在接通工作模式下运行时；以及向运行在轻负载条件下的汽车提供输出调节电压，例如当汽车在切断工作模式下运行时。在现代汽车中，这个任务由于汽车中包含的系统数量而变得很复杂。其中，该系统可以包括燃料汽化发射取样系统(fuel evaporative emissionsampling system)、真空鼓风机系统、无匙进入射频(“RF”)接收器、无匙启动/免匙进入(应答器)系统、以及安全系统。通常系统由包括期望的电路功能或期望的电路功能的一部分的电子模块构成。为了防止发生为每个模块使用单独的电源而引起的费用和重量。通常将其设计成从诸如汽车电池的单个电源中获取它们的动力。
工作在低电流电平(current level)的模块采用线性调节器来提供稳定的电压，反之，工作在高电流电平的模块采用开关或脉冲宽度调制(“PWM”)调节器来提供稳定的电压。由于在接通和切断工作模式期间电流的要求不同，每个模块的工作电流可能跨越一个足够大的电流范围，使得线性和开关调节器都不能提供满足模块设计规格的稳定的电压。例如，一个可以以5伏的稳定电压工作的模块，具有大于1安培的峰值工作电流要求和100微安的备用电流要求。在备用模式期间，因为线性调节器具有使诸如汽车中的电池的电源放电慢于开关调节器的低工作电流，所以线性电压调节器应该是调节器的最佳选择。然而，在高模块活动周期期间，即，当存在大负载电流时，该电流可能超过1安培并且系统电压可能为16伏或更多。在这些情况下，线性调节器消耗很大的功率电平，以至于在模块中很难实施合适的热处理技术。另一方面，在同样的负载/输入条件下，开关调节器在高模块活动周期期间可以具有大于80％的效率。因此，开关调节器能以减少的功率耗散运行。但是，用开关调节器的缺点是在备用工作模式期间，其静态电流消耗比线性调节器大，因此其使诸如电池的电源放电比线性调节器快。
因此，需要一种诸如电压调节器的电子电路和方法，其可以在高模块活动期间高效地提供电压调节并在低模块活动周期期间消耗低的静态电流。此外，这也是电子电路成本和制造时间效率上的期望。
结合附图并阅读下列详细描述将更好地理解本发明，图中相同的参考符号表示相同的元件，其中图1是根据本发明的一个实施例的包括选择器电路、线性调节器和开关调节器的调节器网络的示意图；图2是根据本发明的另一实施例的图1的开关调节器的一部分的示意图；图3是根据本发明的一个实施例的图1的选择器电路的示意图；以及图4是图1的调节器网络运行的时序图。
具体实施例方式
总的来说，本发明包括电子电路输出电压的调节方法和电路。本发明包括混合电压调节器，该混合电压调节器包括线性调节器、开关调节器、以及用于选择是否激活线性调节器或开关调节器或将两者都激活的选择器电路。根据本发明的一个实施例，当混合电压调节器为诸如小于约2毫安的负载电流的小负载电流提供功率时，线性调节器调节输出电压。当负载电流快速地增加到大于或等于诸如约20毫安的预定电平时，选择器电路使能或转换开关调节器。由于负载电流的快速增加，输出电压VOUT可能下降到一个能引起错误信号处理的电平，例如重置微处理器的电平。因此，线性调节器保持使能以提供额外的负载电流。一旦开关调节器提供了足够的电流而将输出电压调节重建到其额定值的某一公差范围内，线性调节器就被禁止或无效，例如公差范围在额定输出电压的大约1％到大约5％。该额定值为预定的输出电压电平。本发明的优势是当开关调节器斜升到其额定输出电流时，线性调节器提供电流，从而阻止输出电压VOUT下降到可能引起错误信号处理的电平。
图1是根据本发明的一个实施例的混合电压调节器10的结构图。混合电压调节器10包括与线性调节器14以及开关调节器16连接的选择器电路12，其共享输出电容器76，即，线性调节器14和开关调节器16与输出电容器76连接。选择器电路12具有分别接收感应信号ISENLIN和ISENSWI的电流感应输入20和22。感应信号ISENLIN和ISENSWI提供了一种监控负载电流ILOAD的方法。应该注意，电压感应输入26用于感应输出电压VOUT是否在其期望电平的公差内并因此在选择器电路12中标为VOUTSENSE。应该进一步注意，连接参考电压输入27以接收参考电压VREF并因此在选择器电路12中标为VREF。选择器电路12还包括连接以接收诸如VCC的工作电压的源的输入30，以及连接以接收诸如VSS的工作电压的源的输入32。作为例子，在电池运行应用中，连接VCC以从电池接收电压，连接VSS以接收基本上等于接地的电压。选择器电路12具有使能输出34和36，其提供使能信号EN_LIN和EN_SWI以分别使能线性调节器14的输入44以及使能开关调节器16的输入46。参考图3进一步说明选择器电路12。每个调节器14和16具有用于感应负载电流ILOAD的电流感应部件。
线性调节器14具有连接以接收诸如VCC的工作电压的源的输入52、连接以接收诸如VSS的工作电压的源的输入54、以及与输出节点28和输出电容器76连接的输出56。线性调节器14和开关调节器16共享输出电容器76。线性调节器14具有与输出58连接以传输电流感应信号ILINEAR的电流感应部件(未示出)。输出58与选择器电路12的输入20连接并作为感应输出。线性调节器还包括与选择器电路12的输出34连接以接收使能信号EN_LIN的输入44。
开关调节器16包括控制器60、开关电路61、感应器74、感应负载电流ILOAD的电流感应部件、以及与输出节点28及输出电容器76连接的输出75。应该理解，感应器74通常是与开关电路61连接的分立元件。但是，这不是本发明的一个限制，并且控制器60、开关电路61和感应器74可以集成到单个半导体基片上。控制器60具有连接以接收诸如VCC的工作电压的源的输入57、连接以接收诸如VSS的工作电压的源的输入59、以及与开关电路61连接的输出68和70。控制输出68和70在控制器60内分别标为Q和QBAR。控制器60具有与选择器电路12的输出36连接以接收使能信号EN_SWI的输入46、以及与输出63连接以传输电流感应信号ISWITCH的电流感应部件(未示出)。输出63与选择器电路12的输入22连接并作为感应输出。
根据一个实施例，开关电路61包括一对开关场效应晶体管(“FET”)62和64，其中，每个FET具有一个栅极、一个源极和一个漏极。控制器60的控制输出68与开关晶体管62的栅极连接，而控制器60的互补控制输出70与开关晶体管64的栅极连接。连接开关晶体管64的源极以接收诸如VSS的工作电压的源，而开关晶体管64的漏极与开关晶体管62的源极在节点65处连接。连接开关晶体管62的漏极以接收诸如VCC的工作电压的源。应该理解，开关电路61的电路实现不是本发明的一个限制。例如，开关电路61可以包括P沟道FET和分别代替FET 62和64的二极管。简要参考图2，示出了包括P沟道FET 67和二极管69的开关电路61的实施例。可选地，开关电路61可以包括N沟道FET 64和代替N沟道FET 62的P沟道FET，或双极结型晶体管(而不是FET)、二极管或其组合，这些组合中控制信号的适当变化使在任意既定时刻流动的电流基本上通过开关电路61的元件中的一个。
再次参考图1，感应器74的一个端子与节点65连接，而感应器74的另一端子与线性调节器14的输出端子56以及电容器76的一个端子在节点75处连接。输出75与输出56和电容器76的连接形成一个输出节点28。连接输出电容器76的另一端子以接收诸如VSS的工作电压的源。
负载78连接在输出节点28和诸如VSS的工作电压的源之间并承载电流ILOAD。负载78与输出电容器76并联。
图3示出了根据本发明的一个实施例的选择器电路12的结构图。图3中示出的是电压比较器80，其具有连接以接收输出电压信号VOUT(图1所示)的反相输入26、连接以接收参考信号VREF的非反相输入27、以及与控制逻辑电路84的输入83连接的输出。输入83从电压比较器80接收控制信号ASSIST。控制逻辑电路84具有从升档比较器(upshift comparator)102接收激活或使能信号PWMEN的输入86以及从降档比较器(downshift comparator)104接收激活或使能信号LINEN的输入88。响应于来自升档比较器102和降档比较器104的激活信号，控制逻辑电路84在输出36上生成脉宽调节器使能信号EN_SWI以及在输出34上生成线性调节器使能信号EN_LIN。
升档比较器102与降档比较器104及转换电流参考发生器联合而形成比较器网络100，其为选择器电路12的一部分。升档比较器102具有作为电流感应输入20的非反相输入和与电流参考发生器106连接的反相输入103。降档比较器104具有作为电流感应输入22的反相输入和与电流参考发生器106连接的非反相输入107。升档比较器102和降档比较器104控制是否使能线性调节器14或开关调节器16。电流参考106提供参考信号IREF1到升档比较器102的反相输入103，并提供参考信号IREF2到降档比较器104的非反相输入107。参考电流信号IREF1比参考电流信号IREF2大。当电流感应信号ILINEAR比参考电流信号IREF1大时，开关或PWM调节器16被使能而线性调节器14被禁止。当电流感应信号ISWITCH比参考电流信号IREF2小时，线性调节器14被使能而开关调节器16被禁止。根据本发明的实施例，比较是基于电流进行的，例如，感应电流ILINEAR和ISWITCH大于或小于预定参考值。应该理解，该比较不限于电流的比较，也可以是其它类型信号的比较。
在一个系统中，例如汽车，通常以切断工作模式开始运行。在此工作模式下，从电池流出的负载电流ILOAD是低的或少量的，即，小于约2毫安(mA)并通常小于约100微安(μA)。负载电流ILOAD低是因为从电池接收功率的任何子系统工作在低电流备用模式。这些子系统的例子包括模块，如无匙进入射频(“RF”)接收器、无匙启动/免匙进入(应答器)系统、安全系统等等。应该注意到，列出的系统仅仅是示意性的系统，该目录不是本发明的一个限制。为了解释，在切断工作模式下，假设线性调节器14接通或激活，并假设开关调节器16断开或无效。线性调节器14的电流感应部件提供电流感应信号ILINEAR到选择器电路12的输入20，该电流感应信号ILINEAR比参考电流信号IREF1小。在此工作模式下，开关调节器16被禁止或无效，基本上提供零电流到负载，且电流感应信号ISWITCH比参考电流信号IREF2小。应该理解，当开关调节器16被禁止或无效时，可能会流出漏电流，但该漏电流比开关调节器16被激活时流出的电流小得多。对于这样的描述，可以认为该漏电流为零。响应于小于参考电流信号IREF1的电流信号ILINEAR，比较器102使控制逻辑电路84在使能线性调节器14的输出34上产生使能信号以及在禁止开关调节器16的输出36上产生禁止信号。图4中，该配置的输出响应示出在t0和t1时刻之间。在此工作模式下，系统处于平衡状态，线性调节器14提供约100μA的负载电流ILOAD，且输出电压VOUT被稳定在其额定值。因此输出电压的变化(ΔVOUT)基本上为0毫伏。
线性调节器14保持使能且开关调节器16保持禁止直到系统(例如，汽车)进入接通工作模式。在接通工作模式下，负载电流ILOAD增加到足够高的电平，使线性调节器14的电流感应部件提供大于参考电流信号IREF1的电流感应信号ILINEAR到选择器电路12的输入20。响应于大于参考电流信号IREF1的电流感应信号ILINEAR，比较器102的输出信号改变状态，该输信号出现在使其产生使能信号EN_SWI的控制逻辑电路18的输入86上，该使能信号从输出36传输到开关调节器16，从而使能开关调节器16。
负载电流ILOAD的增加与输出电容器76的有效串联电阻一起产生传输到选择器电路12的电压感应输入26的负电压脉冲。该负电压脉冲使出现在输入26的输出电压VOUT变得比参考电压VREF低。比较器80产生阻止使能信号EN_LIN降低的辅助信号ASSIST。辅助信号ASSIST也称为线性控制信号或线性辅助信号。当开关调节器16功率上升时线性调节器14保持接通，从而阻止输出电压VOUT下降到低于图4所示t1和t4时刻之间的下规格界限。例如，在t1时刻，负载电流ILOAD从100μA上升至100mA。因为开关调节器16需要一个有限的时间来响应，所以负载的起始电流通过给输出电容器76放电来提供。从输出电容器76流出的电流使输出电压VOUT中的电压下降以至于其落到ASSIST阈值之下。选择器电路12中的电压感应电路感应输入26上的电压VOUT并检测是否需要额外的电流以将输出电压VOUT增加到其额定或期望电平。相应地，比较器80确认线性辅助信号ASSIST并将线性调节器14置于辅助工作模式下，即，线性调节器14通过继续提供电流直到线性调节器14和开关调节器16提供的电流达到足够使输出电压VOUT返回到额定电平的某个预定公差范围内的电平，来辅助开关调节器16。控制信号ASSIST保持线性调节器14处于不依赖于感应信号ILINEAR的激活模式下。为了使输出电压VOUT恢复到稳定状态，线性调节器14增加其输出电流。此外，增加的负载电流激活或使能开关调节器16，从而提供电流通过感应器到负载78。来自线性调节器14的电流和来自开关调节器16的电流一起提供了一个总的输出电流。当总的输出电流增加时，输出电压VOUT的电压下降的斜率减少。
在t2时刻，调节器14和16提供的总的电流大于负载电流ILOAD，因此，为输出电容器76重新充电并开始将输出电压VOUT返回到稳定状态。
在t3时刻，输出电压VOUT超过ASSIST阈值电压，切断辅助信号ASSIST，而导致线性调节器14关断。这使得开关调节器16成为负载的电流提供方。因为线性调节器14被断开，其不供应或提供任何电流到负载。正如上文中讨论过的，来自调节器的漏电流是足够低的，以至于被认为是零电流。
在t4时刻，电压调节器10返回到平衡状态，即，开关调节器16提供了足够量的负载电流，使得输出节点28上的输出电压VOUT变得稳定，以及输出电压VOUT稳定在其额定电压上，使得输出电压的变化ΔVOUT基本上等于零。
当汽车回到切断工作模式时，负载电流ILOAD减小到一个诸如小于约2mA的低电平，该负载电流由使线性调节器14接通以及使开关调节器16切断的比较器104检测出。然后线性调节器提供负载电流ILOAD。
到现在应该认识到，已经提供了在调节输出电压中改善负载瞬态响应的混合调节器电路和方法。根据本发明的一个实施例，当开关调节器电路斜升时，线性调节器电路暂时保持激活或使能。这使得线性调节器电路提供足够量的电流以阻止稳定的输出电压下降或下跌到可能引起其它电路错误地改变状态的电平。本发明的一个优点是线性和开关电压调节器根据负载电流电平而自动接通或切断，从而增加了调节的速度。
应该理解，电压调节器10并不限于汽车的应用，也可以用在其它动力应用中。
虽然本文公开的是某些优选实施例和方法，但显而易见，根据前述公开，对于本领域的技术人员而言，可在不背离本发明的精神和范围的情况下，对这些实施例和方法进行变化和修改。例如，可以在开关电路61和VCC之间或在感应器74和输出节点28之间连接输出电流感应电阻器以实现开关调节器电流感应功能。虽然调节器14被描述为线性调节器以及调节器16被描述为开关调节器，但是调节器14和16可以都是线性调节器或可以都是开关调节器。进一步地，应该注意到，除非另作说明，使用词“当......时”来表示当时一个事件发生以及当该事件正在发生时。本发明应仅限于附加的权利要求书及可适用的法律的规则和法则要求的范围。
权利要求
1.一种调节电压的方法，其包括激活第一调节器，其中，所述第一调节器提供输出电流；当所述输出电流增加到第一预定电平时，激活第二调节器并使所述第一调节器无效；以及当所述输出电流减小到第二预定电平时，再次激活所述第一调节器并使所述第二调节器无效。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一调节器是线性调节器或开关调节器中之一，以及所述第二调节器是线性调节器或开关调节器中之一。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在激活所述第二调节器后，所述第一调节器最初保持激活。
4.一种调节输出电压的负载瞬态响应的改进方法，其包括使能第一调节器以提供第一电流电平；响应于增加到第二电流电平的负载电流，使能第二调节器，其中，所述第一和第二调节器一起提供总的输出电流；以及当所述输出电压稳定在预定输出电压电平的公差范围内时，禁止所述第一调节器，以及其中，所述第二调节器提供所述负载电流。
5.如权利要求4所述的方法，其中，响应于增加到所述第二电流电平的所述负载电流，使能所述第二调节器包括提供控制信号到所述第一调节器，以将所述第一调节器维持在使能工作模式下。
6.一种具有电路输出的电路，其包括选择器电路，具有第一和第二电流感应输入以及电压感应输入；第一调节器，具有调节输出和电流感应输出，所述电流感应输出与所述选择器电路的所述第一电流感应输入连接；以及第二调节器，具有调节输出和电流感应输出，所述电流感应输出与所述选择器电路的所述第二电流感应输入连接，以及其中，所述第一和第二调节器的所述调节输出连接在一起。
7.如权利要求6所述的电路，其中，还包括电容器，所述电容器具有连接至所述第一和第二调节器的所述输出的第一终端以及连接以接收工作电压的源的第二终端。
8.如权利要求6所述的电路，其中，所述第一调节器是线性调节器或开关调节器中之一，以及所述第二调节器是线性调节器或开关调节器中之一。
9.如权利要求6所述的电路，其中，所述第一调节器还包括输入，以及所述选择器电路还包括输出，所述选择器电路的所述输出与所述第一调节器的所述输入连接。
10.如权利要求6所述的电路，其中，所述第二调节器包括输入，以及所述选择器电路还包括输出，所述选择器电路的所述输出与所述第二调节器的所述输入连接。
全文摘要
一种调节输出电压的混合调节器电路及方法。混合调节器电路包括开关调节器、线性调节器、选择器电路以及由开关调节器和线性调节器共享的输出电容器。选择器电路激活线性调节器以提供少量的负载电流。当负载电流增加到第一预定电平时，选择器电路激活开关调节器，并且线性调节器保持激活直到开关调节器斜升而提供了足够量的电流以使稳定的输出电压不下降或下跌到期望的电平下。然后选择器电路使线性调节器无效。当负载电流下降到另一预定电平时，选择器电路再次激活线性调节器，并使开关调节器无效。
文档编号G05F1/46GK101089768SQ20071011004
公开日2007年12月19日 申请日期2007年6月12日 优先权日2006年6月14日
发明者戴维·J.·克里特拉, 丹尼斯·P.·加利波尔, 丹尼尔·克劳斯, 理查德·约翰·津欧 申请人:半导体元件工业有限责任公司