一种线性调压器、供电系统和调压方法与流程

本申请涉及微电子技术，具体地，涉及一种用于微小型设备的线性调压器和调压方法。

背景技术：

调压器作为一种电源电压调节器件被广泛应用于负载电路的变压供电。但是，对于将输入电源VIN调节至VIN/2或VIN/2以下的电压为被供电电路供电时，线性调压器的工作效率将大大降低，工作效率仅有50％或更低。如图1所示，为现有技术中线性调压器电路结构图，通过图1可知，传统线性调压器将输入电源降低为VIN/2为负载供电时，其有一半的效率被线性调压器所浪费掉。

为了能够满足VIN/2或VIN/2以下的电压供电，现有技术中通常采用电荷泵作为VIN/2或VIN/2以下的调压器件，这样可以大幅度提高供电效率。如图2所示，现有技术中1/2倍率的电荷泵包括输入电源VIN、开关S11、S12、S21、S22、电容C1、Co、负载Load。C1为飞电容(flying capacitor)。Co为输出电容。时钟信号CK1和CK2可以交替导通，例如各导通相同时间。从图2可以看出，传统的电荷泵需要至少1个飞电容和一个输出电容，通过飞电容来搬移电荷，从而实现能量转移。这种小型器件的优势在于占用空间小，使用方便，批量化生产成本低；但是，这些电容的使用会增加对印刷电路板面积的占用，不利于小型化设备，例如，蓝牙耳机的生产；并且会增加应用成本。

现有技术中存在的不足之处在于：

1、现有调压供电的工作效率将过低，无法满足负载供电需求；

2、现有调压供电器件占用空间大，应用成本高，无法满足微小型设备的设计需要。

技术实现要素：

本申请实施例中提供了一种线性调压器和调压方法，通过并联式线性调压提高负载供电效率，同时，无需另外在PCB板上增加电容元器件，降低生产成本，节省PCB板的使用空间。

本发明提供了一种线性调压器，该调压器包括：

参考电压产生单元，对外部接入的电源电压进行分压处理，输出参考电压；

反馈调节单元，基于所述参考电压和外接串联的第一负载与第二负载之间电压的比较结果，对第一负载与第二负载之间的电压进行调节；

所述第一负载和第二负载串联连接，并和所述参考电压产生单元并联与外部接入电源连接；

所述第一负载与第二负载之间的电压作为调压器的输出电压。

一种供电系统，该系统包括：供电电源，串联连接的第一电阻和第二电阻，以及，串联连接的第一负载和第二负载；

所述串联连接的第一电阻和第二电阻与所述串联连接的第一负载和第二负载并联连接在供电电源上：

第一电阻和第二电阻的连接点与第一负载和第二负载的连接点之间依次连接有运算放大器和MOS管；

所述运算放大器的第一输入端与第一电阻和第二电阻的连接点连接，所述运算放大器的输出端与MOS管的栅极连接，所述运算放大器的第二输入端与MOS管的漏极连接；所述MOS管的漏极与第一负载与第二负载之间的连接点连接；

所述MOS管的源极接地；或，所述MOS管的源极与供电电源连接

本发明还提供了一种并联式线性调压方法，该方法的步骤包括：

对接入的电源电压进行分压处理，获得参考电压，同时，获取串联接入外部电源的第一负载和第二负载之间的电压；

基于所述参考电压和第一负载与第二负载之间电压的比较结果，对第一负载与第二负载之间的电压进行调节；

将调节后的所述第一负载与第二负载之间的电压作为调压输出电压。

本发明的有益效果如下：

本申请所述方案，将负载电路拆分为两个虚拟负载，并以层叠的方式串联接入电源，通过反馈调节的方式调节两虚拟负载间的电压，从而实现对调压器输出电压的实时调整。通过合理调配拆分后的虚拟负载，有效的提高负载电路的供电效率，同时，无需另外在线性调压器内PCB板上增加电容元器件，降低生产成本，节省PCB板的使用空间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明背景技术中所述传统线性调压器的示意图；

图2为本发明背景技术中所述传统电荷泵的示意图；

图3为本发明实施例1中所述叠层式线性调压器的示意图；

图4为本发明实施例2中所述叠层式线性调压器的示意图。

1、参考电压产生单元，2、反馈调节单元。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的核心思路是将现有技术中利用调压器对接入电源的单一负载进行供电的方式，改变为将串联连接的第一负载LoadA和第二负载LoadB接入电源进行供电，并利用本方案所述线性调压器，对为双负载进行供电的输出电压进行反馈调节，实现对输入电源VIN的VIN/2或VIN/2以下供电电压的调节。进而，本发明实例中提供一种线性调压器及调压方法，在下面进行详细说明。

如图3所示，本发明第一个实例中提供了一种线性调压器，该调压器包括：参考电压产生单元和反馈调节单元；

参考电压产生单元用于对外部接入的电源电压进行分压处理，输出参考电压。

具体的，本实例中，所述参考电压产生单元包括：串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一电阻R1和第二电阻R2与输入电源串联连接，通过两个电阻对输入电源进行分压处理；所述第一电阻R1和第二电阻R2的连接点作为所述参考电压产生单元的参考电压输出端与所述反馈调节单元连接。本方案中，所述第一电阻R1和第二电阻R2的阻值可以是相等的，也可以是不等的。当第一电阻R1和第二电阻R2相等时，参考电压产生单元输出的标准电压为VIN/2。当第一电阻R1和第二电阻R2不相等时，参考电压产生单元输出的电压为即根据用户需要，调整第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，使参考电压产生单元输出所需标准电压对于本方案进一步优选的方案，所述第一电阻R1和第二电阻R2可以设置成可调整的电阻，以满足用户实际的调压需求。调整方式可以为手动档位调节、预设调节或通过控制器进行自动调节，上述调节方案的实现方式，可以通过本领域技术人员所掌握的常规技术手段实现。

反馈调节单元主要是将所述参考电压和外接串联的第一负载loadA与第二负载loadB之间电压进行比较，通过比较结果对第一负载loadA与第二负载loadB之间的电压进行调节。

具体的，所述反馈调节单元包括：运算放大器OP和NMOS管MN3；所述运算放大器OP的负输入端作为所述反馈调节单元的输入端与参考电压产生单元连接；所述运算放大器OP的输出端与NMOS管MNS的栅极连接，所述运算放大器OP的正输入端与NMOS管MNS的漏极连接；所述NMOS管MNS的漏极作为所述反馈调节单元的输出端和第一负载loadA与第二负载loadB之间的连接点连接；所述NMOS管MNS的源极接地。

需要注意的是，当采用第一个实施例中所述反馈调节单元时，需要保证所述第一负载loadA小于或等于第二负载loadB。

所述线性调压器还包括：用于与外部电源连接的电源接口，用于输出调压后电压的电压输出接口，以及用于连接第一负载loadA和第二负载loadB的两个负载接口。

如图3所示，本实例中，所述线性调压器的电阻R1、R2相等，通过第一电阻R1和第二电阻R2组成的参考电压产生单元产生的参考电压VIN/2。运算放大器OP比较VM电压与VR电压，当VM电压大于VR电压时，运算放大器OP输出电压升高，导致NMOS管MN3导通电流加大，从而将VM电压拉低；当VM电压小于VR电压时，运算放大器OP输出电压降低，导致NMOS管MN3导通电流减小，从而导致VM电压上升。这样形成负反馈调节，只有当VM电压等于VR电压时，电路进入稳定状态。设计电阻R1和电阻R2的电阻值相等，则VR电压等于VIN/2，稳定状态下，VM也等于VIN/2。

假设LoadA的电流消耗为IA，LoadB的电流消耗为IB，两者电流消耗之差等于ΔI，即ΔI＝IA-IB

计算效率为:

由上式可知，如果ΔI相对IA越小，则系统供电效率越高。即分割负载时，两部分电流消耗越接近，则系统供电效率越高。

本实例中所述线性调压器的电阻R1、R2可以不相等，通过手动或自动调节将第一电阻R1和第二电阻R2调节至用户至预定值，通过第一电阻R1和第二电阻R2组成的参考电压产生单元产生的参考电压通过反馈调节单元对所述参考电压和第一负载LoadA与第二负载LoadB之间电压的进行比较，并通过比较结果对第一负载LoadA与第二负载LoadB之间的电压进行调节，从而实现所述线性调压器对VIN/2以下供电电压的调节。利用对第一电阻R1和第二电阻R2的按需调节的方法，同时可以满足对VIN/2以上供电电压的调节，从而实现本方案所述线性调压器的对输入电源的各电压段的供电调节。

如图4所示，本发明第二个实例中提供了一种线性调压器，该调压器包括：参考电压产生单元、反馈调节单元、电源接口、电压输出接口和负载接口

反馈调节单元主要是将所述参考电压和第一负载loadA与第二负载loadB之间电压进行比较，通过比较结果对第一负载loadA与第二负载loadB之间的电压进行调节。

具体的，所述反馈调节单元包括：运算放大器OP和PMOS管MP5；

所述运算放大器运算放大器OP的负输入端作为所述反馈调节单元的输入端与参考电压产生单元连接；所述运算放大器运算放大器OP的输出端与PMOS管MP5的栅极连接，所述运算放大器OP的正输入端与PMOS管MNS的漏极连接；所述PMOS管MP5的漏极作为所述反馈调节单元的输出端和第一负载loadA与第二负载loadB之间的连接点连接；所述PMOS管MP5的源极与电源连接。

需要注意的是，当采用第二个实施例中反馈调节单元时，需要保证所述第一负载loadA大于或等于第二负载loadB。

第二个实施例中所述的参考电压产生单元、电源接口和电压输出接口等组成部分，与第一个示例中所记载的功能单元、器件和接口的选取条件或选用方式相同。

如图4所示，本实例中，所述线性调压器的电阻R1、R2相等，通过第一电阻R1和第二电阻R2组成的参考电压产生单元产生的参考电压VIN/2。运算放大器OP比较VM电压与VR电压，当VM电压大于VR电压时，运算放大器OP输出电压升高，导致PMOS管MP5导通电流加大，从而将VM电压拉低；当VM电压小于VR电压时，运算放大器OP输出电压降低，导致PMOS管MP5导通电流减小，从而导致VM电压上升。这样形成负反馈调节，只有当VM电压等于VR电压时，电路进入稳定状态。设计电阻R1和电阻R2的电阻值相等，则VR电压等于VIN/2，稳定状态下，VM也等于VIN/2。

假设LoadA的电流消耗为IA，LoadB的电流消耗为IB，两者电流消耗之差等于ΔI，即ΔI＝IB-IA

计算效率为:

由上式可知，如果ΔI相对IA越小，则系统供电效率越高。即分割负载时，两部分电流消耗越接近，则系统供电效率越高。

本实例中所述线性调压器的电阻R1、R2可以不相等，通过手动或自动调节将第一电阻R1和第二电阻R2调节至用户至预定值，通过第一电阻R1和第二电阻R2组成的参考电压产生单元产生的参考电压通过反馈调节单元对所述参考电压和第一负载LoadA与第二负载LoadB之间电压的进行比较，并通过比较结果对第一负载LoadA与第二负载LoadB之间的电压进行调节，从而实现所述线性调压器对VIN/2以下供电电压的调节。利用对第一电阻R1和第二电阻R2的按需调节的方法，同时可以满足对VIN/2以上供电电压的调节，从而实现本方案所述线性调压器的对输入电源的各电压段的供电调节

本发明第三个实施例，提供一种供电系统，该系统包括：供电电源，串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2，以及，串联连接的第一负载LoadA和第二负载LoadB；

所述串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2与所述串联连接的第一负载LoadA和第二负载LoadB并联连接在供电电源上：

第一电阻R1和第二电阻R2的连接点与第一负载LoadA和第二负载LoadB的连接点之间依次连接有运算放大器OP和MOS管；

所述运算放大器OP的第一输入端与第一电阻R1和第二电阻R2的连接点连接，所述运算放大器OP的输出端与MOS管的栅极连接，所述运算放大器OP的第二输入端与MOS管的漏极连接；所述MOS管的漏极与第一负载LoadA和第二负载LoadB之间的连接点连接；

所述MOS管的源极接地；或，所述MOS管的源极与供电电源连接。

本发明第四个实施例提供了一种并联式线性调压方法，该方法的步骤包括：

S1、对接入的电源电压进行分压处理，获得参考电压，同时，获取串联接入外部电源的第一负载和第二负载之间的电压；

S2、基于所述参考电压和第一负载与第二负载之间电压的比较结果，对第一负载与第二负载之间的电压进行调节；

S3、将调节后的所述第一负载与第二负载之间的电压作为调压输出电压。

本实例中，所述参考电压为外部接入电源电压的二分之一。

本实例中，所述对第一负载与第二负载之间的电压进行调节的步骤包括：

S41、当第一负载与第二负载之间的电压大于参考电压时，则降低第一负载与第二负载之间的电压；

S42、当第一负载与第二负载之间的电压小于参考电压时，则升高第一负载与第二负载之间的电压。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本发明实施例提供的技术方案，通过并联式线性调压有效的提高负载供电效率，同时，无需另外在PCB板上增加电容元器件，降低生产成本，节省PCB板的使用空间。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。