專利名稱：調節電壓的電路及方法
技術領域：
本發明大體上涉及電子電路，更具體地，涉及電子電路中的電壓調節。
背景技術：
電壓調節器被用于包括汽車、飛機、無線電通訊系統和電子消費品等的多種電子產品中。通常，電壓調節器提供一個恒定的直流(“DC”)電壓，該電壓不依賴于從調節器流出的負載電流或供應給電壓調節器的電源中的任何變化而引起的負載電流。例如，在汽車應用中，負載電流根據汽車是否運行而不同。認為沒有運行的汽車工作在切斷或備用模式，而認為正在運行的汽車工作在接通模式。將電壓調節器優選地設計為給運行在重負載條件下的汽車提供輸出調節電壓，例如當汽車在接通工作模式下運行時；以及向運行在輕負載條件下的汽車提供輸出調節電壓，例如當汽車在切斷工作模式下運行時。在現代汽車中，這個任務由于汽車中包含的系統數量而變得很復雜。其中，該系統可以包括燃料汽化發射取樣系統(fuel evaporative emissionsampling system)、真空鼓風機系統、無匙進入射頻(“RF”)接收器、無匙啟動/免匙進入(應答器)系統、以及安全系統。通常系統由包括期望的電路功能或期望的電路功能的一部分的電子模塊構成。為了防止發生為每個模塊使用單獨的電源而引起的費用和重量。通常將其設計成從諸如汽車電池的單個電源中獲取它們的動力。
工作在低電流電平(current level)的模塊采用線性調節器來提供穩定的電壓，反之，工作在高電流電平的模塊采用開關或脈沖寬度調制(“PWM”)調節器來提供穩定的電壓。由于在接通和切斷工作模式期間電流的要求不同，每個模塊的工作電流可能跨越一個足夠大的電流范圍，使得線性和開關調節器都不能提供滿足模塊設計規格的穩定的電壓。例如，一個可以以5伏的穩定電壓工作的模塊，具有大于1安培的峰值工作電流要求和100微安的備用電流要求。在備用模式期間，因為線性調節器具有使諸如汽車中的電池的電源放電慢于開關調節器的低工作電流，所以線性電壓調節器應該是調節器的最佳選擇。然而，在高模塊活動周期期間，即，當存在大負載電流時，該電流可能超過1安培并且系統電壓可能為16伏或更多。在這些情況下，線性調節器消耗很大的功率電平，以至于在模塊中很難實施合適的熱處理技術。另一方面，在同樣的負載/輸入條件下，開關調節器在高模塊活動周期期間可以具有大于80％的效率。因此，開關調節器能以減少的功率耗散運行。但是，用開關調節器的缺點是在備用工作模式期間，其靜態電流消耗比線性調節器大，因此其使諸如電池的電源放電比線性調節器快。
因此，需要一種諸如電壓調節器的電子電路和方法，其可以在高模塊活動期間高效地提供電壓調節并在低模塊活動周期期間消耗低的靜態電流。此外，這也是電子電路成本和制造時間效率上的期望。
結合附圖并閱讀下列詳細描述將更好地理解本發明，圖中相同的參考符號表示相同的元件，其中圖1是根據本發明的一個實施例的包括選擇器電路、線性調節器和開關調節器的調節器網絡的示意圖；圖2是根據本發明的另一實施例的圖1的開關調節器的一部分的示意圖；圖3是根據本發明的一個實施例的圖1的選擇器電路的示意圖；以及圖4是圖1的調節器網絡運行的時序圖。
具體實施例方式
總的來說，本發明包括電子電路輸出電壓的調節方法和電路。本發明包括混合電壓調節器，該混合電壓調節器包括線性調節器、開關調節器、以及用于選擇是否激活線性調節器或開關調節器或將兩者都激活的選擇器電路。根據本發明的一個實施例，當混合電壓調節器為諸如小于約2毫安的負載電流的小負載電流提供功率時，線性調節器調節輸出電壓。當負載電流快速地增加到大于或等于諸如約20毫安的預定電平時，選擇器電路使能或轉換開關調節器。由于負載電流的快速增加，輸出電壓VOUT可能下降到一個能引起錯誤信號處理的電平，例如重置微處理器的電平。因此，線性調節器保持使能以提供額外的負載電流。一旦開關調節器提供了足夠的電流而將輸出電壓調節重建到其額定值的某一公差范圍內，線性調節器就被禁止或無效，例如公差范圍在額定輸出電壓的大約1％到大約5％。該額定值為預定的輸出電壓電平。本發明的優勢是當開關調節器斜升到其額定輸出電流時，線性調節器提供電流，從而阻止輸出電壓VOUT下降到可能引起錯誤信號處理的電平。
圖1是根據本發明的一個實施例的混合電壓調節器10的結構圖。混合電壓調節器10包括與線性調節器14以及開關調節器16連接的選擇器電路12，其共享輸出電容器76，即，線性調節器14和開關調節器16與輸出電容器76連接。選擇器電路12具有分別接收感應信號ISENLIN和ISENSWI的電流感應輸入20和22。感應信號ISENLIN和ISENSWI提供了一種監控負載電流ILOAD的方法。應該注意，電壓感應輸入26用于感應輸出電壓VOUT是否在其期望電平的公差內并因此在選擇器電路12中標為VOUTSENSE。應該進一步注意，連接參考電壓輸入27以接收參考電壓VREF并因此在選擇器電路12中標為VREF。選擇器電路12還包括連接以接收諸如VCC的工作電壓的源的輸入30，以及連接以接收諸如VSS的工作電壓的源的輸入32。作為例子，在電池運行應用中，連接VCC以從電池接收電壓，連接VSS以接收基本上等于接地的電壓。選擇器電路12具有使能輸出34和36，其提供使能信號EN_LIN和EN_SWI以分別使能線性調節器14的輸入44以及使能開關調節器16的輸入46。參考圖3進一步說明選擇器電路12。每個調節器14和16具有用于感應負載電流ILOAD的電流感應部件。
線性調節器14具有連接以接收諸如VCC的工作電壓的源的輸入52、連接以接收諸如VSS的工作電壓的源的輸入54、以及與輸出節點28和輸出電容器76連接的輸出56。線性調節器14和開關調節器16共享輸出電容器76。線性調節器14具有與輸出58連接以傳輸電流感應信號ILINEAR的電流感應部件(未示出)。輸出58與選擇器電路12的輸入20連接并作為感應輸出。線性調節器還包括與選擇器電路12的輸出34連接以接收使能信號EN_LIN的輸入44。
開關調節器16包括控制器60、開關電路61、感應器74、感應負載電流ILOAD的電流感應部件、以及與輸出節點28及輸出電容器76連接的輸出75。應該理解，感應器74通常是與開關電路61連接的分立元件。但是，這不是本發明的一個限制，并且控制器60、開關電路61和感應器74可以集成到單個半導體基片上。控制器60具有連接以接收諸如VCC的工作電壓的源的輸入57、連接以接收諸如VSS的工作電壓的源的輸入59、以及與開關電路61連接的輸出68和70。控制輸出68和70在控制器60內分別標為Q和QBAR。控制器60具有與選擇器電路12的輸出36連接以接收使能信號EN_SWI的輸入46、以及與輸出63連接以傳輸電流感應信號ISWITCH的電流感應部件(未示出)。輸出63與選擇器電路12的輸入22連接并作為感應輸出。
根據一個實施例，開關電路61包括一對開關場效應晶體管(“FET”)62和64，其中，每個FET具有一個柵極、一個源極和一個漏極。控制器60的控制輸出68與開關晶體管62的柵極連接，而控制器60的互補控制輸出70與開關晶體管64的柵極連接。連接開關晶體管64的源極以接收諸如VSS的工作電壓的源，而開關晶體管64的漏極與開關晶體管62的源極在節點65處連接。連接開關晶體管62的漏極以接收諸如VCC的工作電壓的源。應該理解，開關電路61的電路實現不是本發明的一個限制。例如，開關電路61可以包括P溝道FET和分別代替FET 62和64的二極管。簡要參考圖2，示出了包括P溝道FET 67和二極管69的開關電路61的實施例。可選地，開關電路61可以包括N溝道FET 64和代替N溝道FET 62的P溝道FET，或雙極結型晶體管(而不是FET)、二極管或其組合，這些組合中控制信號的適當變化使在任意既定時刻流動的電流基本上通過開關電路61的元件中的一個。
再次參考圖1，感應器74的一個端子與節點65連接，而感應器74的另一端子與線性調節器14的輸出端子56以及電容器76的一個端子在節點75處連接。輸出75與輸出56和電容器76的連接形成一個輸出節點28。連接輸出電容器76的另一端子以接收諸如VSS的工作電壓的源。
負載78連接在輸出節點28和諸如VSS的工作電壓的源之間并承載電流ILOAD。負載78與輸出電容器76并聯。
圖3示出了根據本發明的一個實施例的選擇器電路12的結構圖。圖3中示出的是電壓比較器80，其具有連接以接收輸出電壓信號VOUT(圖1所示)的反相輸入26、連接以接收參考信號VREF的非反相輸入27、以及與控制邏輯電路84的輸入83連接的輸出。輸入83從電壓比較器80接收控制信號ASSIST。控制邏輯電路84具有從升檔比較器(upshift comparator)102接收激活或使能信號PWMEN的輸入86以及從降檔比較器(downshift comparator)104接收激活或使能信號LINEN的輸入88。響應于來自升檔比較器102和降檔比較器104的激活信號，控制邏輯電路84在輸出36上生成脈寬調節器使能信號EN_SWI以及在輸出34上生成線性調節器使能信號EN_LIN。
升檔比較器102與降檔比較器104及轉換電流參考發生器聯合而形成比較器網絡100，其為選擇器電路12的一部分。升檔比較器102具有作為電流感應輸入20的非反相輸入和與電流參考發生器106連接的反相輸入103。降檔比較器104具有作為電流感應輸入22的反相輸入和與電流參考發生器106連接的非反相輸入107。升檔比較器102和降檔比較器104控制是否使能線性調節器14或開關調節器16。電流參考106提供參考信號IREF1到升檔比較器102的反相輸入103，并提供參考信號IREF2到降檔比較器104的非反相輸入107。參考電流信號IREF1比參考電流信號IREF2大。當電流感應信號ILINEAR比參考電流信號IREF1大時，開關或PWM調節器16被使能而線性調節器14被禁止。當電流感應信號ISWITCH比參考電流信號IREF2小時，線性調節器14被使能而開關調節器16被禁止。根據本發明的實施例，比較是基于電流進行的，例如，感應電流ILINEAR和ISWITCH大于或小于預定參考值。應該理解，該比較不限于電流的比較，也可以是其它類型信號的比較。
在一個系統中，例如汽車，通常以切斷工作模式開始運行。在此工作模式下，從電池流出的負載電流ILOAD是低的或少量的，即，小于約2毫安(mA)并通常小于約100微安(μA)。負載電流ILOAD低是因為從電池接收功率的任何子系統工作在低電流備用模式。這些子系統的例子包括模塊，如無匙進入射頻(“RF”)接收器、無匙啟動/免匙進入(應答器)系統、安全系統等等。應該注意到，列出的系統僅僅是示意性的系統，該目錄不是本發明的一個限制。為了解釋，在切斷工作模式下，假設線性調節器14接通或激活，并假設開關調節器16斷開或無效。線性調節器14的電流感應部件提供電流感應信號ILINEAR到選擇器電路12的輸入20，該電流感應信號ILINEAR比參考電流信號IREF1小。在此工作模式下，開關調節器16被禁止或無效，基本上提供零電流到負載，且電流感應信號ISWITCH比參考電流信號IREF2小。應該理解，當開關調節器16被禁止或無效時，可能會流出漏電流，但該漏電流比開關調節器16被激活時流出的電流小得多。對于這樣的描述，可以認為該漏電流為零。響應于小于參考電流信號IREF1的電流信號ILINEAR，比較器102使控制邏輯電路84在使能線性調節器14的輸出34上產生使能信號以及在禁止開關調節器16的輸出36上產生禁止信號。圖4中，該配置的輸出響應示出在t0和t1時刻之間。在此工作模式下，系統處于平衡狀態，線性調節器14提供約100μA的負載電流ILOAD，且輸出電壓VOUT被穩定在其額定值。因此輸出電壓的變化(ΔVOUT)基本上為0毫伏。
線性調節器14保持使能且開關調節器16保持禁止直到系統(例如，汽車)進入接通工作模式。在接通工作模式下，負載電流ILOAD增加到足夠高的電平，使線性調節器14的電流感應部件提供大于參考電流信號IREF1的電流感應信號ILINEAR到選擇器電路12的輸入20。響應于大于參考電流信號IREF1的電流感應信號ILINEAR，比較器102的輸出信號改變狀態，該輸信號出現在使其產生使能信號EN_SWI的控制邏輯電路18的輸入86上，該使能信號從輸出36傳輸到開關調節器16，從而使能開關調節器16。
負載電流ILOAD的增加與輸出電容器76的有效串聯電阻一起產生傳輸到選擇器電路12的電壓感應輸入26的負電壓脈沖。該負電壓脈沖使出現在輸入26的輸出電壓VOUT變得比參考電壓VREF低。比較器80產生阻止使能信號EN_LIN降低的輔助信號ASSIST。輔助信號ASSIST也稱為線性控制信號或線性輔助信號。當開關調節器16功率上升時線性調節器14保持接通，從而阻止輸出電壓VOUT下降到低于圖4所示t1和t4時刻之間的下規格界限。例如，在t1時刻，負載電流ILOAD從100μA上升至100mA。因為開關調節器16需要一個有限的時間來響應，所以負載的起始電流通過給輸出電容器76放電來提供。從輸出電容器76流出的電流使輸出電壓VOUT中的電壓下降以至于其落到ASSIST閾值之下。選擇器電路12中的電壓感應電路感應輸入26上的電壓VOUT并檢測是否需要額外的電流以將輸出電壓VOUT增加到其額定或期望電平。相應地，比較器80確認線性輔助信號ASSIST并將線性調節器14置于輔助工作模式下，即，線性調節器14通過繼續提供電流直到線性調節器14和開關調節器16提供的電流達到足夠使輸出電壓VOUT返回到額定電平的某個預定公差范圍內的電平，來輔助開關調節器16。控制信號ASSIST保持線性調節器14處于不依賴于感應信號ILINEAR的激活模式下。為了使輸出電壓VOUT恢復到穩定狀態，線性調節器14增加其輸出電流。此外，增加的負載電流激活或使能開關調節器16，從而提供電流通過感應器到負載78。來自線性調節器14的電流和來自開關調節器16的電流一起提供了一個總的輸出電流。當總的輸出電流增加時，輸出電壓VOUT的電壓下降的斜率減少。
在t2時刻，調節器14和16提供的總的電流大于負載電流ILOAD，因此，為輸出電容器76重新充電并開始將輸出電壓VOUT返回到穩定狀態。
在t3時刻，輸出電壓VOUT超過ASSIST閾值電壓，切斷輔助信號ASSIST，而導致線性調節器14關斷。這使得開關調節器16成為負載的電流提供方。因為線性調節器14被斷開，其不供應或提供任何電流到負載。正如上文中討論過的，來自調節器的漏電流是足夠低的，以至于被認為是零電流。
在t4時刻，電壓調節器10返回到平衡狀態，即，開關調節器16提供了足夠量的負載電流，使得輸出節點28上的輸出電壓VOUT變得穩定，以及輸出電壓VOUT穩定在其額定電壓上，使得輸出電壓的變化ΔVOUT基本上等于零。
當汽車回到切斷工作模式時，負載電流ILOAD減小到一個諸如小于約2mA的低電平，該負載電流由使線性調節器14接通以及使開關調節器16切斷的比較器104檢測出。然后線性調節器提供負載電流ILOAD。
到現在應該認識到，已經提供了在調節輸出電壓中改善負載瞬態響應的混合調節器電路和方法。根據本發明的一個實施例，當開關調節器電路斜升時，線性調節器電路暫時保持激活或使能。這使得線性調節器電路提供足夠量的電流以阻止穩定的輸出電壓下降或下跌到可能引起其它電路錯誤地改變狀態的電平。本發明的一個優點是線性和開關電壓調節器根據負載電流電平而自動接通或切斷，從而增加了調節的速度。
應該理解，電壓調節器10并不限于汽車的應用，也可以用在其它動力應用中。
雖然本文公開的是某些優選實施例和方法，但顯而易見，根據前述公開，對于本領域的技術人員而言，可在不背離本發明的精神和范圍的情況下，對這些實施例和方法進行變化和修改。例如，可以在開關電路61和VCC之間或在感應器74和輸出節點28之間連接輸出電流感應電阻器以實現開關調節器電流感應功能。雖然調節器14被描述為線性調節器以及調節器16被描述為開關調節器，但是調節器14和16可以都是線性調節器或可以都是開關調節器。進一步地，應該注意到，除非另作說明，使用詞“當......時”來表示當時一個事件發生以及當該事件正在發生時。本發明應僅限于附加的權利要求書及可適用的法律的規則和法則要求的范圍。
權利要求
1.一種調節電壓的方法，其包括激活第一調節器，其中，所述第一調節器提供輸出電流；當所述輸出電流增加到第一預定電平時，激活第二調節器并使所述第一調節器無效；以及當所述輸出電流減小到第二預定電平時，再次激活所述第一調節器并使所述第二調節器無效。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一調節器是線性調節器或開關調節器中之一，以及所述第二調節器是線性調節器或開關調節器中之一。
3.如權利要求1所述的方法，其中，在激活所述第二調節器后，所述第一調節器最初保持激活。
4.一種調節輸出電壓的負載瞬態響應的改進方法，其包括使能第一調節器以提供第一電流電平；響應于增加到第二電流電平的負載電流，使能第二調節器，其中，所述第一和第二調節器一起提供總的輸出電流；以及當所述輸出電壓穩定在預定輸出電壓電平的公差范圍內時，禁止所述第一調節器，以及其中，所述第二調節器提供所述負載電流。
5.如權利要求4所述的方法，其中，響應于增加到所述第二電流電平的所述負載電流，使能所述第二調節器包括提供控制信號到所述第一調節器，以將所述第一調節器維持在使能工作模式下。
6.一種具有電路輸出的電路，其包括選擇器電路，具有第一和第二電流感應輸入以及電壓感應輸入；第一調節器，具有調節輸出和電流感應輸出，所述電流感應輸出與所述選擇器電路的所述第一電流感應輸入連接；以及第二調節器，具有調節輸出和電流感應輸出，所述電流感應輸出與所述選擇器電路的所述第二電流感應輸入連接，以及其中，所述第一和第二調節器的所述調節輸出連接在一起。
7.如權利要求6所述的電路，其中，還包括電容器，所述電容器具有連接至所述第一和第二調節器的所述輸出的第一終端以及連接以接收工作電壓的源的第二終端。
8.如權利要求6所述的電路，其中，所述第一調節器是線性調節器或開關調節器中之一，以及所述第二調節器是線性調節器或開關調節器中之一。
9.如權利要求6所述的電路，其中，所述第一調節器還包括輸入，以及所述選擇器電路還包括輸出，所述選擇器電路的所述輸出與所述第一調節器的所述輸入連接。
10.如權利要求6所述的電路，其中，所述第二調節器包括輸入，以及所述選擇器電路還包括輸出，所述選擇器電路的所述輸出與所述第二調節器的所述輸入連接。
全文摘要
一種調節輸出電壓的混合調節器電路及方法。混合調節器電路包括開關調節器、線性調節器、選擇器電路以及由開關調節器和線性調節器共享的輸出電容器。選擇器電路激活線性調節器以提供少量的負載電流。當負載電流增加到第一預定電平時，選擇器電路激活開關調節器，并且線性調節器保持激活直到開關調節器斜升而提供了足夠量的電流以使穩定的輸出電壓不下降或下跌到期望的電平下。然后選擇器電路使線性調節器無效。當負載電流下降到另一預定電平時，選擇器電路再次激活線性調節器，并使開關調節器無效。
文檔編號G05F1/46GK101089768SQ20071011004
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月12日 優先權日2006年6月14日
發明者戴維·J.·克里特拉, 丹尼斯·P.·加利波爾, 丹尼爾·克勞斯, 理查德·約翰·津歐 申請人:半導體元件工業有限責任公司