专利名称：电压调整器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及诸如调整的AC／DC和DC／DC变换器那样的电源电路，特别是电源调整，具体地，涉及局部调整的电源的精细调整。
背景技术：
电源中的电压变换器常常具有一个以上的输出。为了节省空间和金钱，带有几个输出的电源精细地调节一个输出以及只粗略地或从属地调节其它的输出，也是很正常的。粗调节或从属调节输出的缺点在于，这些输出固有地具有不希望的负载依赖性，即，输出随着负载而变化。这些输出的每个输出的负载依赖性是复合依赖性，它包括所讨论的输出端的负载与负载变化、以及来自其它的输出端的负载与负载变化的交叉依赖部分。交叉负载依赖性主要是由调整的输出端的负载与负载变化造成的。由于这一点，这样的电源的特定的负载范围被非常保守地额定为确保在输出端处的不同电压在所有的时间都处在可接受的电平范围内。
这就在这样的电源的使用上加上很严格限制。如果电源负载具有这样的特性，即它只在电源的额定的负载范围限制内变化的话，这样的限制在构建时可以是可接受的。然而，当结构／装置成为现代化时，更可能地将有一个问题，因为现代化常常将涉及到用最近的低功率器件来代替高功率消耗部件(或是这样做的主要理由)。对于较高负载进行最佳化的电源，在这种情况下，如果它在新的负载下不能把其输出保持在规定的限制以内的话，可变成为完全不能用的．非常不希望全部改变另外的功能性电源。所以，存在有一种需要，能够扩展现有的具有未调整的、粗调整的和／或从属地调整的电源的负载范围。今天设计的电源，由于电源节省功能，也同样地必须能够在非常宽的负载范围上提供在相当窄的范围内的一个或多个电压，电源节省功能可使得装置的一个或多个部件从非常高的功率消耗改变到非常低或零的功率消耗。大负载范围的这种扩大或供给优选地应当以成本经济的方式，以高效率和低的附加损失，来完成，以及需要少量的、小的、已经可提供的、和便宜的部件，因为可提供的空间可能是相当有限的。所需要的附加的调整器优选地也应当是坚固耐用的，是对于现有的调整器的补充而不是负面影响，以及对于它们的功能也不需要任何特别的或附加的补充。
存在有多种不同的电压调整器，它们可被使用来调整那些未调整的或粗调整的电压。有传统的系列的调整器和刚才提到的开关的调整器。传统系列的调整器的缺点在于，它们具有相当低的效率，以及通常需要某种类型的过载保护。开关的调整器比起传统系列的调整器具有更高的效率，但它们通常需要更多的元件，诸如笨重的和昂贵的磁性部件，以及它们通常也需要某种类型的过载保护。除此以外，由于高的开关频率，开关的调整器会引起难以容忍的干扰。
大多数传统调整器共同存在有故障元件，即调整器发生故障时，可导致太高的，即有害的输出电压，或不存在的输出电压。调整器可被构建成使得防止它们的输出不发出有害的电压，但当防护起作用时，通常这将导致不合用的输出，或完全不合用的电源。
发明概要本发明的一个目的是规定一种简单的和便宜的电压调整器，它甚至在全部故障的情况下也能传送无害的和可能仍旧有用的输出．本发明的另一个目的是规定一种电压调整器，它只需要最小数目的元件以及它在运行期间不产生或只产生非常小的干扰。
本发明的再一个目的是规定一种电压调整器，它是坚固耐用的，以及可容易地做成不需要特别的负载保护。
本发明的又一个目的是规定一种电压调整器，它通过采用现有的参考电位和用于运行的电源电压而可容易地加到现有的电源上，由此以简单的和便宜的方式改进了电源的负载范围和调整。
按照本发明，通过具有非常低的降压的电压调整器，达到上面所提到的目的。调整器采用反向偏置的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)作为调整的元件／单元。场效应晶体管由误差放大器线性地控制，误差放大器把调整的输出与参考电压进行比较。场效应晶体管能通过场效应晶体管内的二极管功能造成在输入与调整的输出之间的电压降。场效应晶体管用线性控制的电阻功能来旁路这个二极管功能，由此产生调整的输出。
按照本发明，通过包括参考端、输入端、输出端、调整单元、和控制单元的电压调整器，达到了上述的目的。输入端是用于在输入端与参考端之间的电压源的连接。输出端是用于在输出端与参考端之间的负载的连接。调整单元包括输入节点，输出节点、和调整器节点．调整单元被以一种方式串联地连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端以及输出节点被连接到输出端。控制单元包括被连接到预定的参考电压的参考节点，被连接到输出端的测量节点，以及控制节点，它被连接到调整单元的调整节点。控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号，用于控制调整单元，以力求达到在参考节点与测量节点之间的预定的电压差。按照本发明，调整单元包括被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间的电压降单元。电压降单元产生一个比电压源的预期电压小的电压降．电压降基本上与通过电压降单元的电流无关。再次按照本发明，调整单元也包括基本上可线性地控制的并联支路单元。并联支路单元具有基本上线性的可变电阻的功能，以及被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间，具有被连接到调整器节点的控制输入端。可变电阻按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，由此旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的。
电压降单元在某些实施例中可以有利地是一个或多个串联连接的二极管，由此达到想要的电压降。基本上线性控制的并联支路单元优选地是场效应晶体管。场效应晶体管可以有利地是被反向偏置的金属氧化物半导体类型，由此，也造成在场效应晶体管内的二极管功能，以便起到电压降单元的作用。
按照本发明，通过包括至少两个输出的电源，也达到了上述的目的．在这些输出中，至少一个输出被调整以及至少一个输出被预先调整。按照本发明，至少一个预先调整的输出中的至少一个预先调整的输出还借助于电压调整器被调整．电压调整器包括输入端，输出端、调整单元、和控制单元。输入端是用于连接预先调整的输出的．输出端是用于连接负载的。调整单元包括输入节点、输出节点、和调整器节点。调整单元被串联地连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端以及输出节点被连接到输出端。控制单元包括被连接到预定的参考电压的参考节点，被连接到输出端的测量节点，以及控制节点，它被连接到调整单元的调整器节点。控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号，用于控制调整单元，以力求达到在参考等节点与测量节点之间的预定的电压差．按照本发明，调整单元包括被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间的电压降单元．电压降单元产生一个比输入端被连接到的预先调整的输出端的预期电压小的电压降．电压降基本上与通过电压降单元的电流无关．而且，调整单元也包括具有基本上线性可变电阻功能的、基本上可线性地控制的并联支路单元。并联支路单元被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间，以及具有被连接到调整器节点的控制输入端。可变电阻按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，从而旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的。
有利地，控制单元的参考节点被连接到至少一个调整的输出中的一个调整输出上。优选地，电压降单元是至少一个二极管或二极管功能，由此达到想要的电压降。优选地，基本上线性控制的并联支路单元是场效应晶体管，以及更具体地，场效应晶体管可以是反向偏置的金属氧化物半导体类型，由此，它也产生在场效应晶体管内的二极管功能，以便起到电压降单元的作用。
通过包括参考端、输入端、输出端、调整单元、和控制单元的电压调整器，也达到了上述的目的。输入端是用于在输入端与参考端之间的电源的连接的．输出端是用于在输出端与参考端之间的负载的连接的。调整单元包括输入节点、输出节点、和调整器节点。调整单元被串联地连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端以及输出节点被连接到输出端．控制单元包括被连接到预定的参考电压的参考节点、被连接到输出端的测量节点、以及控制节点，它被连接到调整单元的调整器节点。控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号，用于以一种方式控制调整单元，以力求达到在参考节点与测量节点之间的预定的电压差。调整单元包括反向偏置金属氧化物半导体场效应晶体管，基本上用作为线性的可变电阻。场效应晶体管被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间，以及具有被连接到调整器节点的控制输入端．场效应晶体管也产生在输入节点与输出节点之间的电压降．电压降由在场效应晶体管中的二极管功能产生。电压降小于电压源的预期的电压，以及基本上与在输出节点处抽取的电流无关．场效应晶体管按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，由此旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的．通过提供按照本发明的简单的电压调整器，得到优于现有技术电压调整器的多个优点。由于其创新的设计，得到非常低的降压。通过提供具有非常低压降的电压调整器，有可能给出非常低的功率耗散。由于其简单的利用场效应晶体管(FET)和FET的固有特性的创新使用法的设计，电压调整器可以用有限数目的低成本的元件便宜地制成，所以，它的重量轻和体积小。按照本发明的电压调整器是固有地坚固耐用的并可以容易地做成，使得不需要额外的或专门的负载防护来保护调整器。由于调整器具有非常有限的动态控制范围，这导致了不需要或只是很少需要监管调整器本身。与开关式调整器相比较，按照本发明的调整器不会引入任何的高频干扰。
由于它的简单性、低成本、重量轻和体积小，这是非常简单的，也非常希望把它也应用到其中需要加上对于一个或多个电压更好的调整的现有电源中。
附图简述现在将参照以下的附图，为了说明的目的，但不是以限制的意义，更详细地描述本发明，其中
图1显示了其中可以有利地实施本发明的电压调整器／变换器的方框图，图2显示了按照本发明的电压调整器的方框图，图3显示了按照本发明的被连接来调整负电源的N沟道MOSFET，图4显示了按照本发明的被连接来调整正电源的P沟道MOSFET，图5显示了在典型的实施方案中的本发明的一个实施例，图6显示了与图1和图5有关的调整的和非调整的电压输出的图。
优选实施例描述为了理解按照本发明的系统，现在结合图1到6来描述它的用法的一些例子。
图1显示了其中可以有利地实施本发明的电压调整器／变换器150的方框图，电源可以或者是AC到DC变换器类型或者是DC到DC变换器类型。变换器150需要哪种类型的输入功率101，对于本发明并不重要。按照图1的变换器150提供一个调整的输出120和三个非调整的、粗略调整的、或从属调整的输出130、131、132．一个负载，在这些情况下，优选地是两个端口的器件，它被连接到输出端120、130、131、132中的任一个输出端，它还经常被连接到通常被称为地线的返回线100。为了保持调整输出120为调整的，把调整反馈信号121与参考电压信号122进行比较，从而产生一个误差信号123，它表示输出120与想要的电平相差多少。误差信号123在放大器151中被放大，以产生足够强的和／或大的控制信号124，它被馈送到变换器150，用来执行对于调整输出120的输出电平的任何必要调整。
如前所述，调整的输出120以及粗略地或从属调整的输出130，131，132的额定电流电平通常被严格地限制，由此能够使得输出电压额定在可用的电平内。这些不单有上限，而且还有下限的限制的额定值尤其是由于在这些输出之间的交叉负载依赖性造成的。调整输出120的调整和调节也或多或少影响其它的非调整输出130，131，132。这通常是不希望的特性．当电源的工作条件，负载，改变时或如果电源是要被构建／设计成，它并没有为了输出电压在设定的限制范围内而限制这些输出的电流额定值，则这个特性甚至变成为更不希望的。
图2显示了按照本发明的电压调整器的方框图。按照本发明的电压调整器基本上包括控制元件／单元270和调整元件／单元260。优选地，一个至少部分调整的电源被连接到电源输入端202和接地端200，在本例中，假定在电源输入端202处，相对于接地端200有正电位。想要的负载可被连接到调整输出端240和接地端200。包括两个通过元件261、262的调整单元260被串联连接在未调整输入端202与调整输出端240之间。
按照本发明，调整单元260包括作为第一通过元件的电压降装置261。电压降装置261被显示为与加在电源输入端202的电压相反的理想的电池和理想的二极管的串联连接，二极管的负极被连接到调整输出端240。调整单元260也包括作为第二通过元件的并联分支262，它与电压降装置261并联连接以及同时被串联连接在电源输入端202与调整输出端240之间。并联分支262在控制输入端上通过来自控制单元270的可连续改变的控制信号243而是可控制的。模拟控制信号243用来以一种方式控制并联分支262，以便在参考电压输入242和来自调整输出端240的反馈信号241的预定的关系之间力求达到平衡。
电压降装置261将调整输出端240的电位降低一个与在电源输入端202处出现的电位相比的预定数量。预定的电压降小于在电源输入端202处预期的电位，即，电压降总是应当小于调整器被设计具有的作为输入的电压．预定的电压降优选地被设计成等于或略大于当调整器运行在它的额定范围内时，在电源输入端202和调整输出端240之间可出现的最大的差值电压。并联分支262被控制单元270控制成将电压降装置261旁路一个刚好足够保持调整输出端240处的电位为想要的电平。实际上，这意味着预定的电压降被设定成相当小以及调整器只在这个有限的动态范围内调节输出。通过这个有限的动态范围调节，可以得到很大好处。即使在任一个通过元件中出现短路或甚至在任一个通过元件中出现断路，调整输出并不达到任何有害的电平，而最可能是仍旧是可用的电平。
电压降装置261可以有利地是一个或多个串联连接的真实的二极管，因为它们将产生相当独立于通过电流的电压降。作为一个例子，硅二极管将产生大约0．6到0．7伏的电压降，以及锗二极管将产生在0．2伏范围内的电压降，并联分支262可以有利地是场效应晶体管，它可被用作为可控制的可变电阻。通过使用反向偏置的场效应晶体管用于线性控制，得到并联的二极管，它限制了调整器可承受的加在其上的最大电压。在这些实施例中，分开的外部电压降／二极管并不是必须的，使得元件数目更小。
正电位和负电位可以用N沟道或P沟道MOSFET，优选地是功率MOSFET，来调整。唯一的限制是电流的方向在使用N沟道FET时应当从源极到漏极，以及在使用P沟道FET时应当从漏极到源极。然而，有利的是使用N沟道用于负电位的调整和使用P沟道用于正电位的调整，因为在这些情况下，不需要外部的电压源来驱动各自的栅极。这将导致更简单的，从而是更便宜的调整器。
图3显示了按照本发明连接的、和调整负电源的N沟道MOSFET。未调整的输入端302具有相对于地300的负电位。未调整的输入端302被连接到MOSFET 360的漏极365，输入节点，以及MOSFET 360的源极366，输出节点，被连接到调整输出端340。栅极367，调整器节点，被连接到控制元件／单元(未示出)。图上表示的还有流过负载310的电流315的方向。
图4显示了按照本发明连接的、和调整正电源的P沟道MOSFET．未调整的输入端402具有相对于地400的正电位。未调整的输入端402被连接到MOSFET 460的漏极465，输入节点，以及MOSFET 460的源极466，输出节点，被连接到调整输出端440。栅极467，调整器节点，被连接到控制元件／单元(未示出)。图上表示的还有流过负载410的电流415的方向。
图5显示了在典型的实施方案中的本发明的一个实施例，其中按照本发明的调整器被加在现有的结构上。在本例中，现有的结构是带有两个输出端520，530，一个正的被调整的输出端520，和一个负的未调整的／从属调整的输出端530的回扫开关电源550．只显示了现有的结构550的一部分，变压器557，整流二极管553，554，输出电容555，556，以及反馈信号521，用于调整正的调整输出520。
按照本发明的低的压降的调整器包括反向偏置的场效应晶体管560(FET)，优选地是所谓的MOSFET，作为调整元件／单元，它又包括两个通过元件，一个二极管561和一个FET 562。为了进一步减小低的调整器需要的附加的元件的数目，其误差电压放大器571从正的调整输出520和低压降的调整器的调整输出540取出其电源功率572，573。为了进一步使得结构最佳化，低压降的调整器需要的参考电压542从正的调整输出520被取出。按照图5的例子利用正的和负的输出的可提供性。误差放大器的最佳结构、它的电源和相关的参考电压将取决于具体的情形。
参考电压542和来自低压降的调整器的输出540的反馈信号541通过包括R1 576和R2 577的电阻分压器馈送到误差放大器571。误差放大器571借助于与反馈信号541偏离所期望电平的偏差有关的控制信号543来控制MOSFET，由此保持被调整的调整输出。
Z1 574和Z2 575属于误差放大器571的阻抗反馈网络．反馈网络被做成得到调整器的适当的频率响应．去耦电容525，545优选地被连接在每个调整输出520、540与接地端500之间。
图6显示了关于图1和图5的调整的和未调整的电压输出690、692、693、694的图。X-轴682表示时间轴，而Y轴681表示电压和电流电平。该图用来显示交叉负载依赖性如何影响调整的690，未调整的／从属调整的693，694，和低压降调整的692输出。上面的曲线表示在调整的输出(例如，图5的正的调整输出520)上电压690和抽取的电流691。在第一时间685，电流691开始增加，并继续下去，直到第二时间686为止，这时，抽取电流拉平到较高水平。正如可以看到的，调整的输出的电压690并不改变，因为只要电流691是在调整器／电源的额定范围内它就不应当改变。下面的三条曲线692，693，694表示按照本发明的调整输出692的电压和未调整／从属调整输出(例如，分别是图5的输出540和530)的两条线693，694。假定在这些输出端上的负载在每条曲线期间为常数．这三条曲线中的最上面的曲线692表示按照本发明的用低压降的调整器调整的输出(不在第一685或第二686指示时间之前或之后)如何地不变化，即，没有明显的负载依赖性。下面的两条曲线693，694显示，例如，在所讨论的输出端处的带有不同负载的从属调整输出．从属调整输出，例如，可以是图1的输出130，131，132中的一个输出，或不用低压降的调整器的图5的从属调整输出。与此无关地，这是适合于按照本发明的调整的输出。这些曲线的最上面的曲线693表示当这个输出端承载其最大额定输出电流时，在该输出端处的电压。最下面的曲线694表示当这个输出端承载其最小额定输出电流时，在该输出端处的电压。在这两条曲线693，694之间的电平上的差别可以看到，在这个输出端处的输出电压随着输出端的负载而改变。也可以看到，在调整输出端690处的负载691的增加也影响从属调整输出，增加其输出电压。
概言之，本发明基本上被描述为利用反向偏置的MOSFET作为线性调整元件／单元的低压降的调整器。
本发明并不限于上面所描述的实施例，而是可以在附属专利权利要求的范围内变化。
权利要求
1．一种电压调整器，包括参考端(200，300)，输入端(202，330)，用于在输入端与参考端之间的电压源的连接，输出端(240，340)，用于在输出端与参考端之间的负载的连接，调整单元(260，360)，包括输入节点、输出节点、和调整节点，其调整单元被串联连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端而输出节点被连接到输出端，电压调整器也包括控制单元(270，371，374，375，376，377)，包括被连接到预定的参考电压的参考节点，被连接到输出端的测量节点，和控制节点，被连接到调整单元的调整器节点，该控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号(243，343)用于控制调整单元，以力求达到在参考节点与测量节点之间的预定的电压差，其特征在于，调整单元包括被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间的电压降单元，该电压降单元产生一个比电压源的预期的电压小的电压降，该电压降基本上与通过电压降单元的电流无关，以及调整单元也包括基本上可线性地控制的并联支路单元，该单元具有基本上线性的可变电阻的功能，和被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间，以及具有被连接到调整器节点的控制输入端，该可变电阻按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，由此旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的。
2．按照权利要求1的电压调整器，其特征在于，电压降单元(261，361)是一个或多个串联连接的二极管，由此达到想要的电压降。
3．按照权利要求1或2的电压调整器，其特征在于，基本上可线性控制的并联支路单元(262，362)是一个场效应晶体管。
4．按照权利要求3的电压调整器，其特征在于，场效应晶体管(362)是被反向偏置的金属氧化物半导体，由此也产生在场效应晶体管内的二极管功能，起到电压降单元(361)的作用。
5．一种电源，包括至少两个输出(520，530)，在这些输出中，至少一个输出(520)被调整以及至少一个输出(530)被预先调整，其中至少一个预先调整的输出中的至少一个预先调整的输出还借助于电压调整器被调整，电压调整器包括用于连接预先调整的输出的输入端(530)，用于连接负载的输出端(540)、和包括输入节点、输出节点、和调整器节点的调整单元(560)，该调整单元被串联地连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端和输出节点被连接到输出端，以及电压调整器也包括控制单元(571、574、575、576、577)，该控制单元包括被连接到预定的参考电压的参考节点，被连接到输出端的测量节点，以及控制节点，它被连接到调整单元的调整器节点，该控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号(543)，用于控制调整单元，以力求达到在参考节点与测量节点之间的预定的电压差，其特征在于，调整单元包括被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间的电压降单元(561)，该电压降单元产生一个比预先调整的输出的预期电压小的电压降，该电压降基本上与通过电压降单元的电流无关，以及调整单元也包括基本上可线性地控制的并联支路单元(562)，具有基本上线性的可变电阻的功能，和被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间，以及具有被连接到调整器节点的控制输入端，该可变电阻按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，由此旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的。
6．按照权利要求5的电源，其特征在于，控制单元的参考节点被连接到至少一个调整输出端的一个调整输出端。
7．按照权利要求5或6的电源，其特征在于，电压降单元(261，361)是一个或多个串联连接的二极管，由此达到想要的电压降。
8．按照权利要求5到7的任一项的电源，其特征在于，基本上可线性控制的并联支路单元(562)是一个场效应晶体管。
9．按照权利要求8的电源，其特征在于，场效应晶体管(562)是被反向偏置的金属氧化物半导体，由此也产生在场效应晶体管内的二极管功能，起到电压降单元(561)的作用。
10．一种电压调整器，包括参考端(200，300)，输入端(202，330)，用于在输入端与参考端之间的电压源的连接，输出端(240，340)，用于在输出端与参考端之间的负载的连接，调整单元(260，360)，包括输入节点、输出节点、和调整节点，该调整单元被串联连接在输入端与输出端之间，以使得输入节点被连接到输入端，而输出节点被连接到输出端，电压调整器也包括控制单元(270，371，374，375，376，377)，该控制单元包括被连接到预定的参考电压的参考节点，被连接到输出端的测量节点，和控制节点，被连接到调整单元的调整器节点，该控制单元根据在参考节点与测量节点之间的电压差产生在控制节点上的模拟信号(243，343)用于控制调整单元，以力求达到在参考节点与测量节点之间的预定的电压差，其特征在于，调整单元包括反向偏置的金属氧化物半导体场效应晶体管，基本上用作为线性的可变电阻，以及被连接在调整单元的输入节点与输出节点之间和具有被连接到调整器节点的控制输入端，该场效应晶体管也产生在输入节点与输出节点之间的电压降，该压降由场效应晶体管中的二极管功能产生电压降小于电压源的预期的电压，以及基本上与在输出节点处抽取的电流无关，该场效应晶体管按照被加到控制输入端的模拟信号改变其电阻，由此旁路了电压降单元，这样，输出端成为电压被调整的。
全文摘要
带有非常低的压降的电压调整器。调整器采用反向偏置的金属氧化物半导体场效应晶体管(260)作为调整元件。场效应晶体管被误差放大器(270)线性地控制,它把调整的输出(240)与参考电压(242)进行比较。场效应晶体管通过场效应晶体管内的二极管功能(261)产生在输入端与调整的输出端之间的电压降。场效应晶体管用线性控制的电阻功能(262)旁路这个二极管功能,由此产生调整的输出(242)。
文档编号G05F1/56GK1283283SQ9881274
公开日2001年2月7日 申请日期1998年10月26日 优先权日1997年10月28日
发明者V·尼尔森 申请人:艾利森电话股份有限公司