具有基于负载阻抗的电流及电压返送的电压调节器

摘要

本发明揭示一种电压调节器，其具有被维持在高达电流限制I

说明书

相关专利申请案

本申请案主张2011年1月25日申请的由马修·威廉姆斯(Matthew Williams)、丹尼 尔·勒努瑟(Daniel Leonescu)、思科特·笛尔彭(Scott Dearborn)及克里斯蒂安·阿布莱奇 (Christian Albrecht)共同拥有的第61／435，911号美国临时专利申请案的名为“基于负载阻 抗的电压调节器电流返送(Voltage Regulator Current Foldback Based Upon Load  Impedance)”的优先权，为了所有目的，其以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及电压调节器，且更具体来说，涉及一种具有基于负载阻抗的电流返送的 电压调节器。

背景技术

过载电路或短路电路状况期间的返送电流及电压减小功率消耗及热应力。电流及电 压返送还增加针对热过载的安全性。电流及电压返送从热及电气观点来说使装置固有地 更为安全。电流及电压返送容许装置在不使性能降级的情况下处置不定短路电路状况， 并且防止从电源(例如电池)汲取过多电流。

发明内容

因此，电压调节器中需要一种电流及电压返送特征，所述电流及电压返送特征容许 所述电压调节器在不使性能降级的情况下处置不定短路电路状况，并且防止从电源(例如 电池)汲取过多电流。

根据一实施例，一种具有基于负载阻抗的电流及电压返送的电压调节器可包括：具 有栅极、源极及漏极的功率晶体管，其中所述功率晶体管是耦合于电源与负载之间；分 压器，其与所述负载并联耦合且提供表示从所述功率晶体管到所述负载的输出电压的反 馈电压；误差放大器，其具有耦合到参考电压的第一输入、耦合到所述反馈电压的第二 输入，以及耦合到所述功率晶体管的栅极且控制所述功率晶体管的输出，其中所述误差 放大器致使所述功率晶体管将所述反馈电压维持在与所述参考电压实质上相同的电压； 电流感测电路，其用于测量到所述负载的电流且提供代表经测量的负载电流的感测电 流；电流限制及返送电路，其具有耦合到所述反馈电压的第一输入、耦合到所述参考电 压的第二输入、耦合到来自所述电流感测电路的感测电流的第三输入，以及提供电流返 送偏压的输出；以及电流到电压偏移偏压源，其具有电流输入及电压输出，所述电流到 电压偏移偏压源的所述电流输入是耦合到提供所述电流返送偏压的所述电流限制及返 送电路的所述输出；且所述电流到电压偏移偏压源的所述电压输出是耦合于所述误差放 大器的所述第一输入与所述第二输入之间，并且提供与来自所述电流限制及返送电路的 所述电流返送偏压成比例的电压偏移偏压；其中当所述负载电流小于或等于电流限制值 时，所述电流限制及返送电路处于电流限制模式，且当输出负载阻抗小于返送负载阻抗 值时，所述电流限制及返送电路处于返送模式；借此当所述负载电流小于所述电流限制 值且所述输出负载阻抗大于所述返送负载阻抗值时，所述电压偏移偏压实质上为零伏 特，且当所述输出负载阻抗小于或等于所述返送负载阻抗值时所述电压偏移偏压增加， 由此成比例地减小所述输出电压及所述输出电流，直到所述输出电压实质上在零伏特且 所述输出电流在返送电流值。

根据另一实施例，所述参考电压是由带隙电压参考提供。根据另一实施例，所述参 考电压是由齐纳二极管电压参考提供。根据另一实施例，所述电压调节器为低压降(LDO) 电压调节器。根据另一实施例，所述功率晶体管为功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。根据另一实施例，所述功率MOSFET为P沟道MOSFET。

根据另一实施例，所述电流感测电路包括：具有栅极、源极及漏极的第一晶体管； 所述第一晶体管的所述源极及所述功率晶体管的所述源极相连接于一起；所述第一晶体 管的所述栅极及所述功率晶体管的所述栅极连接于一起；所述第一晶体管具有实质上小 于所述功率晶体管的宽度(W)；其中所述第一晶体管感测通过所述功率晶体管的所述负 载电流；具有栅极、源极及漏极的第二晶体管；以及具有正输入、负输入及输出的运算 放大器，所述运算放大器的所述输出是耦合到所述第二晶体管的所述栅极，所述正输入 是耦合到所述第一晶体管的所述漏极及所述第二晶体管的所述漏极，且所述负输入是耦 合到所述功率晶体管的所述漏极及所述负载；其中所述感测电流是从所述第二晶体管的 所述源极提供。根据另一实施例，所述第一晶体管的宽度(W)小于或等于约所述功率晶 体管的宽度的千分之一(1／1000)。

根据另一实施例，所述电流限制及返送电路的操作可包括下列步骤：将所述感测电 流转换成感测电压；比较所述反馈电压与所述感测电压，其中如果所述感测电压小于所 述反馈电压，那么所述电流返送偏压实质上在零电流值；且如果所述感测电压大于所述 反馈电压，那么所述电流返送偏压增加而高于所述零电流值，其中所述电流到电压偏移 偏压源在所述误差放大器的所述第一输入及所述第二输入处感应偏移电压，其中限制所 述误差放大器的所述输出使得所述负载电流将超过所述电流限制值；比较所述反馈电压 与所述参考电压，其中如果所述反馈电压与所述参考电压实质上相同，那么仍然处于所 述电流限制模式；且如果所述反馈电压小于所述参考电压，那么进入所述电流返送模式， 其中所述输出电流与输出负载阻抗的减少成比例地减少。

根据另一实施例，加入滞后／偏移比较器，当所述负载电流实质上在所述电流限制值 时，所述滞后／偏移比较器迫使所述电流限制及返送电路从所述电流限制模式进入所述电 流返送模式。根据另一实施例，加入模拟电压多路复用器，用于在通电启动状况期间用 所述参考电压代替所述反馈电压用于以所述电流限制值对滤波器电容器充电。根据另一 实施例，所述返送电流值小于或等于约十(10)毫安。

根据另一个实施例，一种用于在电压调节器中基于负载阻抗返送输出电流的方法可 包括下列步骤：用功率晶体管控制电源与负载之间的电压降；用分压器分割所述负载处 的电压以提供代表所述负载处的所述电压的反馈电压；比较所述反馈电压与参考电压； 控制所述功率晶体管使得反馈电压与所述参考电压实质上在相同电压；测量到所述负载 的电流且提供代表经测量的负载电流的感测电流；从所述感测电流、所述反馈电压及所 述参考电压产生电压偏移偏压，其中如果所述负载电流小于电流限制值，那么仍然处于 电流限制模式；且如果输出负载阻抗小于返送负载阻抗值，那么进入返送模式且开始增 加所述电压偏移偏压；借此当所述负载电流小于所述电流限制值且所述输出负载阻抗大 于所述返送负载阻抗值时，所述电压偏移偏压实质上为零伏特，且当所述输出负载阻抗 小于或等于所述返送负载阻抗值时所述电压偏移偏压增加，由此成比例地减小所述输出 电压及所述输出电流直到所述输出电压实质上在零伏特且所述输出电流在返送电流值。

根据所述方法的另一实施例，加入在所述电压调节器的通电启动期间用所述参考电 压代替所述反馈电压的步骤。根据所述方法的另一实施例，加入在所述电流限制模式与 所述电流返送模式之间提供滞后的步骤。

附图说明

通过结合附图参考下列描述可获取对本发明的更为完整的理解，其中：

图1说明根据本发明的特定实例实施例的具有基于负载阻抗的电流及电压返送的电 压调节器的示意电路及框图；

图2说明图1所展示的误差放大器的示意电路图；

图3说明图1所展示的电流及电压返送电路的示意电路图；且

图4说明根据本发明的教示的基于负载阻抗的电流及电压返送函数的图形表示。

虽然本发明容许有多种修改及替代形式，但其特定实例实施例已展示于图式中并于 本文中予以详细描述。然而应理解，本文对特定实例实施例的描述并非旨在将本发明限 制于本文所揭示的特定形式，恰相反，本发明将涵盖如所附权利要求书所界定的全部修 改及等效物。

具体实施方式

根据本发明的教示，随着负载阻抗减少而超出电压调节器的最大负载处置能力，所 述电压调节器的输出电流及电压将分别朝零(0)安培及零(0)伏特返送。在短路电路状况 下，电压调节器电流将朝例如(但不限于)约十(10)毫安或更少且约零(0)伏特返送。当移 除输出过载时，电压调节器输出电流及电压将恢复且继续操作。输出过载状况期间限制 功率消耗会增强与调节器相关联的装置的电气性能。

经调节的输出电压被维持在高达电流限制I_limit(电流限制模式)，接着如果负载阻抗 Z_Load继续减少，那么输出电压将与负载阻抗Z_Load的减少成比例地减少，由此造成输出 电流的减少以满足欧姆定律：I=V_OUT／Z_Load。当输出电压由于负载阻抗Z_Load的减少而开 始下降到低于经调节的电压值时，电压调节器从电流限制模式转变成返送模式，其中在 减少Z_Load下，输出电压减少，且因此输出电流减少，直到输出电流在实质上零伏特的 输出电压下达到返送最小值I_foldback。因此，电流及电压返送值两者取决于负载阻抗Z_Load的值。随着负载阻抗Z_Load开始增加，输出电流及电压也将增加，直到输出电压返回到 实质上调节电压值，且输出电流小于或等于电流限制I_limit。电压调节器也可配置为低压 降(LDO)电压调节器。

现在参考图式，示意性说明特定实例实施例的细节。图式中的相同元件将由相同数 字表示，且类似元件将由带不同小写字母下标的相同数字表示。

参考图1，描绘根据本发明的特定实例实施例的具有基于负载阻抗的电流及电压返 送的电压调节器的示意电路及框图。大体上由数字100表示的具有基于负载阻抗的电流 及电压返送的电压调节器包括误差放大器102、电流感测电路103、功率传递晶体管106、 电流限制及返送电路112、分压器电阻器114及116、电压偏移偏压源126，以及电压参 考128。功率传递晶体管106可为例如(但不限于)P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (P-MOS FET)等等。电压调节器100可为低压降(LDO)电压调节器。

电压调节器100从电源124(例如电池(所展示))接收功率，且将经调节的电压V_OUT供应到表示功率利用电路或装置(未展示)的电容器120及负载电阻122。电容器120还 包括等效串联电感(ESL)及等效串联电阻(ESR)。电压参考128可为例如(但不限于)带隙 电压参考、齐纳二极管参考等等。分压器电阻器114及116形成连接到经调节的电压 V_OUT的电阻性分压器网络，且在电阻器114与电阻器116之间的接点提供反馈电压V_fb用于电压调节过程。其中：

V_fb=V_OUT×R116／(R114+R116)    等式(1)

误差放大器102可包括具有差分输入(+，-)的运算放大器，所述运算放大器比较反馈 电压V_fb与从电压参考128供应的参考电压V_ref，并且驱动功率传递晶体管106的栅极 使得满足(维持)等式(1)。在当处于调节模式时的电压调节器100的正常操作中，反馈电 压V_fb输入(-)及参考电压V_ref输入(+)实质上为相同电压(取决于误差放大器102的电压增 益)。因此，V_OUT与V_ref之间的关系为：

V_OUT=V_ref×(R114+R116)／R116    等式(2)

电流感测电路103包括电流感测晶体管104、晶体管110及运算放大器108。电流 感测电路103测量到负载电阻122中的输出电流。电流感测晶体管104与功率传递晶体 管106为相同类型。然而，功率传递晶体管106与电流感测晶体管104之间的宽度比率 极大(通常大于1000)，以减小流到电路共同端118中的电流，例如接地电流。运算放大 器108是用于确保功率传递晶体管106及电流感测晶体管104维持实质上相同的漏极源 极电压Vds，由此确保电压调节器100的全部操作模式中的精确电流感测。流出电流感 测电路103的感测电流I_sense表示流动通过功率传递晶体管106的电流的一小部分。由于 通过分压器电阻器114及116的电流极度小，所以所述感测电流I_sense可视为与负载电流 (到负载中的电流由负载电阻122表示)成比例。电流感测晶体管104可为例如(但不限 于)P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(P-MOS FET)，且晶体管110可为例如(但不限 于)N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N—MOS FET)。

电流限制及返送电路112连续使用感测电流I_sense监视输出电流且使用反馈电压V_fb监视输出电压二者。在电压调节器100的正常操作模式中，来自电流限制及返送电路112 的偏压电流I_{bias_current_foldback}实质上为零且由电压偏移偏压源126产生的偏移电压V_offset 被停用(例如，对误差放大器102的操作无影响)。如果检测到过载状况，那么偏压电流 I_{bias_current_foldback}增加且造成电压偏移偏压源126产生偏移电压V_offset以在误差放大器102 的输入处增加。结果，误差放大器102输出电压摆动被限制于其下限且误差放大器102 无法过驱动功率传递晶体管106(不容许功率传递晶体管106的栅极到源极电压增加)。 电压偏移偏压源126及误差放大器102的实施方案的更详细描述展示于图2中且在图2 的描述中予以提供。

参考图2，描绘图1所展示的误差放大器的示意电路图。误差放大器102包括三个 级：1)包括差分对晶体管230及232的输入级；2)中间级240；以及3)包括晶体管236 及238的推挽输出级。输入差分对晶体管230及232是从电流源234I_bias加偏压。如果 调节器的输出电流小于限制电流I_limit，那么I_{bias_current_foldback}实质上为零，因此I₁及I₂相 等(I₁=I₂₃₂=I_bias／2；I₂=I₂₃₀=I_bias／2)且因此误差放大器102的输入处无额外偏移发展。然而， 如果I_{bias_current_foldback}变成高于零(调节器输出处的过载事件的情形中)，那么其迫使通过 晶体管230及232的电流间有一差，且结果由此由电压偏移偏压源126对误差放大器102 的输入级感应电压偏移V_offset。此电压偏移迫使调节器的输出电压减小。因此导致较低 电流且因此导致“返送”。预期且在本发明的范围内，其它电路设计可由模拟集成电路 设计领域的且受益于本发明的技术人员实施。

参考图3，描绘图1所展示的电流及电压返送电路的示意电路图。电流限制及返送 电路112包括滞后／偏移比较器348、晶体管352、354、358、360、362、366、368及370； 运算放大器374、多路复用器376，以及电阻器351、364及372。感测电流I_sense流动通 过电阻器351及连接二极管的晶体管350，在晶体管352的基极处产生与输出电流成比 例的电压V_sense如下：

V_sense=R351×I_sense+晶体管350的Vgs     等式(3)

当反馈电压V_fb通过多路复用器376而耦合到运算放大器374及晶体管370时，产 生与反馈电压V_fb成比例的电流。晶体管370及运算放大器374包括线性电压到电流转 换器，其中通过电阻器372的电流等于V_fb／R372。此电流流动通过晶体管370且由晶体 管366及368镜射，这形成电流镜。因此，晶体管354的基极处的电压V_{ref_cf}线性地取 决于反馈电压V_fb，如下：

V_{ref_cf}＝(R364／R372)×V_fb+晶体管362的Vgs     等式(4)

晶体管352及354被配置为差分对且用来比较V_{ref_cf}与V_sense。如果V_sense在比V_{ref_cf}低的电压，那么由电流源356递送的电流(I_bias2)流动通过晶体管354及360，且 I_{bias_current_foldback}电流实质上为零。此为电压调节器100的正常操作。

如果输出电流变得极大(由于负载电阻122的值的减少)，那么V_sense变得大于V_{ref_cf}且结果容许返送偏压电流I_{bias_current_foldback}＜=I_bias2朝电压偏移偏压源126流动，这在误差 放大器102的差分输入处感应偏移电压V_offset。结果，误差放大器102的输出被限制在 其下限且输出电流无法进一步增加(I_outmax=I_limit)。此为“电流限制”模式。

随着负载电阻122的值进一步减少，Vout被拉更低，且V_fb也减少(等式2)且V_{ref_cf}减少(等式4)，这增加I_{bias_current_foldback}电流(电压偏移偏压源126V_offset在到误差放大器 102的输入处增加)，从而导致误差放大器102的输出摆动的另一限制。此为“返送”模 式。最后，输出电压达到零且对应输出电流变成返送电流I_foldback。对于高性能电压调节 器电路，返送电流I_foldback极低，例如10毫安或更少。

多路复用器376的输出是耦合到运算放大器374的输入且用来在V_out为低且I_out为 大的启动期间(例如对输出滤波器电容器120充电)停用返送功能。结果，可用于对输出 滤波器电容器120充电的最大电流为限制电流I_limit。晶体管350及362与二极管连接且 用来分别防止晶体管352及354(差分对)二者进入截止区。晶体管358及360分别充当 晶体管352及354的共源共栅晶体管。V_sense电压是从电阻器351导出，结果，V_sense电 压取决于电阻器351的过程稳定性。因此，电阻器351优选应具有将补偿Vgs随晶体管 350的温度的减少的温度系数。电容器344及346可用来确保电流限制回路的稳定性且 使其对噪声较不敏感。

滞后／偏移比较器348可用来消除如果负载电阻122在其中调节回路及返送回路互相 “抵消”的此值时可发生的潜在不稳定状态。受控电流源342I_bias3在输出电流接近限制 电流的时刻实质上等于I_{bias_current_foldback}，因此迫使电压调节器100进入返送电流保护模 式。

晶体管366及368可为例如(但不限于)P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (P-MOS FET)，且晶体管352、354、358、360、362及370可为例如(但不限于)N沟道金 属氧化物半导体场效应晶体管(N-MOS FET)。

参考图4，描绘根据本发明的教示的基于负载阻抗的电流及电压返送函数的图形表 示。V_OUT保持在由参考电压V_ref确定的经调节电压，直到达到电流限制I_limit，接着当处 于电流限制模式时，负载阻抗122Z_Load的任何进一步减少将造成V_OUT减少。随着负载 阻抗122Z_Load进一步减少，返送模式接替电流限制模式，使得随着负载阻抗122Z_Load进一步减少，返送电压V_OUT进一步减少，因此导致较低负载电流，即I=V／R(欧姆定律)。

虽然已通过参考本发明的实例实施例描绘、描述且界定本发明的实施例，但是此类 参考并非暗示对本发明的限制，且不应推断此限制。所揭示的主题可以容许如所属领域 的技术人员受益于本发明将想到的形式及功能上的大量的修改、变更及等效物。本发明 所描绘且描述的实施例仅为实例，且非为本发明的范围的穷举。