CN101097456A - 电压调节器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电压调节器。该电压调节器包括：输出单元，用于将由电源提供的输入电压变换为预定电压，并且用于将经过变换的电压输出；监控单元，用于确定由电源提供的输入电压是否大于参考电压；以及升压单元，用于，如果监控单元确定由电源提供的输入电压小于参考电压，则使该输入电压升高。输出单元包括变换单元，用于将经过升压的电压变换为预定电压。

Description

电压调节器
技术领域
本发明总体上涉及电压调节器，尤其是涉及无论输入电压如何波动都能够按照预定电压提供输出电压的电压调节器。
背景技术
近年来，由于环境原因，不断要求电气设备，尤其是电池驱动的设备节电。通常，电气设备如笔记本PC、移动电话和PDA(个人数字助理)使用锂离子电池。
过去，锂离子电池的截止电压(放电结束电压)通常约为3V，现在它被改进为2.5V或更低，使得在需要再充电之前提供更长时间段的服务。
专利参考文献1公开了一种电压调节器，它包括由差动放大器构成的两级运算放大器(two-step operational amplifier)以及通过MOSFET电路排列在同一个半导体基板上的输出单元。该电压调节器还包括参考电压生成单元。由参考电压生成单元生成的参考电压被提供给差动放大器的一个输入端。输出单元的输出电压被连接到差动放大器的另一个输入端，所述输出电压被反馈电阻器分压。然后，将差动放大器的输出提供给输出单元的输入端。差动放大器的电源电压小于输出单元的电源电压；确切地说，给差动放大器的电源电压被升压，并且被提供给输出单元。
专利参考文献2公开了一种电子设备，它通过提高电池的电源效率，实现了节电效果。按照这种电子设备，将电池的输出电压与预定电压进行比较；如果输出电压大于预定电压，则由输出控制单元将电池的输出电压变换为第二电压；如果输出电压小于预定电压，则使输出电压升压到第一电压，然后，由输出控制单元将其变换为第二电压。
[专利参考文献1]JPA2005-339467
[专利参考文献2]JPA2006-081369
发明目的
但是，所述发明具有以下问题。
尽管专利参考文献1提出的电压调节器利用升压单元提高了给差动放大器的电源电压，并且将经过升压的电压提供给输出单元，但是，该升压单元不能被开启和关闭。
此外，如上所述，对于由电子设备使用的锂离子电池，截止电压被改进到小于3V。但是，存在电子设备在高于3V的电压下运行的情况，在这种情况下，必须使从锂离子电池输出的电压升高。利用专利参考文献2的电子设备，将电池的输出电压与预定电压进行比较。如果输出电压大于预定电压，则由输出控制单元将输出电压调整到第二电压；而如果输出电压小于预定电压，则输出电压被升高到第一电压，然后由输出控制单元将其变换为第二电压。这里，升压单元被布置在与电压调节器不同的IC基板上。因此，电路规模变大，电路配置变得复杂，并且电子设备的尺寸变大。此外，当为了给电子设备提供功率而使电压升高时，升压单元消耗电功率，这使得电池的电源效率下降。此外，如果像专利参考文献2公开的那样将DC-DC变换器用作升压单元，则会增加成本，并且DC-DC变换器消耗的电功率很大。
发明内容
本发明提供了一种电压调节器，它实质上解决由相关技术的限制和缺点引起的一个或多个问题。
在以下描述中，对本发明的实施例的特性进行阐述，并且，部分将根据描述和附图变得清楚，或者，部分可以通过按照描述中提供的思路对本发明进行实践来领会。利用以充分、清楚、简洁和准确的术语在说明书中具体指出的电压调节器，可以实现并达到由本发明的实施例提供的问题解决措施，以便使本领域的一般技术人员能够实践本发明。
如这里体现并概括描述的，为了实现这些解决措施并且按照本发明的一个方面，本发明的实施例提供了不论输入电压如何波动都能够稳定地提供预定电压的电压调节器，其中，监控单元对输入电压进行监控；如果输入电压变得小于预定电压，则从升压单元释放能量，以保持输出电压。
解决问题的措施
按照本实施例的一个方面，电压调节器包括
输出单元，用于将电源的电压变换为预定电压，并且用于将经过变换的电压输出，
监控单元，用于确定由电源提供的输入电压是否大于参考电压，以及
升压单元，用于，如果监控单元确定输入电压小于参考电压，则使电源提供的输入电压升高，其中
输出单元将经过升压的电压变换为预定电压。
按照本实施例的另一个方面，监控单元包括
参考电压生成单元，用于生成参考电压，以及
比较单元，用于对输入电压和参考电压进行比较，其中，如果监控单元确定输入电压小于参考电压，则提供用于启用升压单元的信号。
本实施例的另一个方面提供了一种电压调节器，包括
输出单元，用于将来自电源的输入电压变换为预定电压，并且将经过变换的电压输出，
监控单元，用于确定由电源提供的输入电压是否大于根据输出电压定义的电压，以及
升压单元，用于，如果监控单元确定输入电压小于根据输出电压定义的电压，则使电源提供的输入电压升高，其中，输出单元包括变换单元，用于将被升压单元升压的电压变换为预定电压。
按照本实施例的另一个方面，监控单元包括比较单元，用于对电源提供的输入电压和根据输出电压定义的电压进行比较，并且，如果输入电压被确定为小于根据输出电压定义的电压，则提供用于启用升压单元的信号。
按照本实施例的一个方面，监控单元包括分压单元，用于对由电源提供的输入电压进行分压，这个经过分压的输入电压被提供给比较单元。
按照本实施例的另一个方面，分压单元通过布置在比较单元的输出端与反相输入端之间的电阻器，给比较单元提供迟滞性。
按照本实施例的另一个方面，分压单元包括
布置在比较单元的输出端与反相输入端之间的两个或多个电阻器，以及
电阻比控制单元，用于，如果比较单元提供了用于启用升压单元的信号，则将电阻器中的一个短路，以改变分压单元的电阻比。
按照本实施例的另一个方面，升压单元包括断开单元，用于当比较单元提供了用于启用升压单元的信号时，将输出单元与由电源提供的输入电压断开。
按照本实施例的另一个方面，断开单元包括：
存储单元，用于对用于启用升压单元的信号进行保持，直到电压调节器被关断为止，以及
电压控制单元，用于在存储单元保持用于启用升压单元的信号时，使输出单元与由电源提供的输入电压断开。
按照本实施例的另一个方面，输出单还包括控制单元，用于将由电源提供的输入电压和由升压单元提供的经过升压的电压中的一个减小到预定电压。
按照本实施例的另一个方面，升压单元包括
切换信号生成单元，用于当比较单元提供了用于启用升压单元的信号时，周期性地生成ON/OFF信号；
线圈，用于使电源提供的输入电压升高，
第一开关，用于按照由切换信号生成单元生成的ON/OFF信号，使线圈与地电平(GND)连接和断开，
反转单元，用于使由切换信号生成单元生成的ON/OFF信号反转，以及
第二开关，用于按照被反转的ON/OFF信号，使输出单元与线圈连接和断开。然后，根据由切换信号生成单元提供的周期性的ON/OFF信号，使第一开关和第二开关断开和闭合。以这样的方式，反复进行将电能存储到线圈中以及从线圈向输出单元释放电能，从而使由电源提供的输入电压升高。
发明效果
如上所述，按照本发明的实施例的电压调节器，通过对由电源提供的输入电压进行监控，并且，当电压下降到预定电压时，通过从升压单元释放能量，不论输入电压如何波动，都使输出电压稳定地保持在预定电压。
附图说明
图1为示出了按照本发明实施例的电压调节器的配置的框图；
图2为按照本发明实施例的电压调节器的特定例子的框图；
图3为电压调节器的另一个例子的框图；并且
图4示出了提供给按照本发明实施例的电压调节器的输入电压的变化。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的实施例进行描述。
参照图1，对按照本发明实施例的电压调节器的配置进行描述。
电压调节器包括输出单元100、升压单元200和监控单元300。输出单元100接收输入，这个输入是通过输入端IN提供的输入电压VDD以及来自升压单元200的、经过升压的电压VIN中的一个。输出单元100向输出端OUT提供输出。升压单元200根据监控单元300对输入电压VDD的监控结果，使输入电压VDD的电压上升(增加)，以便获得提供给输出单元100的、经过升压的电压VIN。监控单元300对通过输入端IN提供的输入电压VDD的电压进行监控。此外，在输出单元100的输出端OUT与地电位之间提供电容器500。电容器500用于去除输出单元100的输出电压的纹波(ripple)，并且使由于输出单元100对到负载400的输出电流的波动的响应延迟而导致的输出电压VDC的波动减小。此外，当输入电压VDD下降时，在升压单元200提供经过升压的电压VIN之前，电容器500通过减少输出电压VDC的下冲(undershoot)，来保持输出电压VDC稳定。
电源如电池通过输入端IN给升压单元200提供输入电压VDD，并且，输出单元100被连接到升压单元200的输出端OUT。输出单元100根据输入电压VDD，生成预定的恒定电压的输出电压VDC，并且将VDC输出到负载400。监控单元300对由电源提供的输入电压VDD进行监控，将输入电压VDD与参考电压VrefA进行比较，将比较结果提供给升压单元200，并且对升压单元200的操作进行控制。
以下参照图2，对按照本实施例的电压调节器的具体例子进行描述，这个电压调节器包括输出单元100、升压单元200和监控单元300。
输出单元100包括
参考电压生成单元101，用于生成并输出参考电压VrefA，
分压单元104，由电阻器102和103构成，用于对输出电压VDC进行分压，并且输出分压电压Vd，
晶体管105，为PMOS晶体管(P沟道型MOS晶体管)，用于对输出进行控制，晶体管105按照提供给晶体管105的栅极的电压，通过输出端OUT输出电流，以及
运算放大器106，用于对晶体管105的操作进行控制，以使得由分压单元104获得的分压电压Vd可以变得等于参考电压VrefA。
输出电压VDC被分压单元104分压，运算放大器106对分压电压Vd与参考电压VrefA之间的差进行放大，并且将经过放大的差提供给晶体管105的栅极。以这样的方式，运算放大器106对晶体管105进行控制，以使得输出电压VDC可以被固定在希望的电压。
监控单元300包括
参考电压生成单元307，用于生成并输出预定的参考电压VrefB，
分压单元305，用于利用电阻器302、303和304对输入电压VDD进行分压，并且将分压电压Vdet输出，以及
比较器301，用于将参考电压VrefB与分压电压Vdet进行比较，并且输出比较结果(L：低或H：高)。比较器301灵敏地对参考电压VrefB作出反应，并且输出比较结果。然后，利用比较器301的输出端与反相输入端之间的电阻器303和304，给比较器301以迟滞性。这里，通过使晶体管306的栅极导通和关断(turn on and off)来改变分压单元305的电阻比，晶体管306为NMOS晶体管，用于根据从比较器301输出的比较结果进行电阻比控制。
具体地说，例如，如果输入电压VDD和分压电压Vdet大于参考电压VrefB，则从比较器301输出比较结果(L：低)，用于电阻比控制的晶体管306的栅极关断，并且由电阻器302、303和304确定分压单元305的电阻比。另一方面，如果分压电压Vdet小于参考电压VrefB，则从比较器301输出比较结果(H：高)，用于电阻比控制的晶体管306的栅极导通，并且由电阻器302和303确定分压单元305的电阻比。
升压单元200包括
切换信号生成单元201，用于根据比较器301的比较结果(L或H)，周期性地生成控制信号(ON/OFF)，
逻辑电路202，用于根据由切换信号生成单元201周期性地提供的控制信号(ON/OFF)，输出用于对用于第一电压控制的晶体管203和用于第二电压控制的晶体管205进行控制的ON/OFF信号，
晶体管203，用于第一电压控制，晶体管203为N沟道型MOS晶体管(NMOS晶体管)，用于通过根据由逻辑电路202提供的ON/OFF信号使栅极打开和关闭(open and close)，使地电位GND与线圈206连接/断开，
反转(reversing)单元204，用于使由逻辑电路202提供的ON/OFF信号反转，并且将经过反转的信号提供给用于第二电压控制的晶体管205，
晶体管205，用于第二电压控制，晶体管205为PMOS晶体管，用于通过根据由反转单元204提供的、经过反转的ON/OFF信号使栅极打开和关闭，将输出端OUT和线圈206连接，
线圈206，用于周期性地重复当用于第一电压控制的晶体管203导通时进行充电(存储能量)，而当用于第二电压控制的晶体管205导通时释放能量，以使得输入电压VDD可以被升高(增加)，
闩锁电路(latch circuit)207，用于保持由监控单元300监控的输入电压VDD变得低于启动电压的状态，直到电压调节器的电源关断为止，以及
晶体管208，用于第三电压控制，第三电压控制用于通过使栅极关闭，防止反向电流从输出端OUT流向输入端IN，以便在输入电压VDD小于启动电压(预定参考电压VrefB)的状态被闩锁电路207保持时，使输出端OUT与输入端IN相互隔离。
以下对在输入电压VDD变得低于负载400能够运行的电压并且该输入电压VDD被升压(增加)的情况下，电压调节器的示例操作进行具体描述。在本例中，假设如下条件；即，参考电压VrefA＝1V，电阻器102的电阻＝2MΩ，电阻器103的电阻＝1MΩ，输出电压VDC＝3V，比较器301的参考电压VrefB＝3.1V。
当从电压调节器向负载400的电源启动时，运算放大器106对由分压单元104获得的分压电压Vd(＝1V)与参考电压VrefA(＝1V)之间的差电压进行放大，并且将经过放大的差电压输出到晶体管105的栅极，以使得输出电压VDC可以保持恒定在预定电压。
比较器301对由输出单元100提供的输入电压VDD进行监控。当输入电压VDD下降到参考电压VrefB时，比较器301输出比较结果(H)，并且，从切换信号生成单元201周期性地提供控制信号(ON/OFF)。同时，闩锁电路207保持输入电压VDD低于参考电压VrefB的状态，并且，用于第三电压控制的晶体管208使栅极关闭，从而将输出端OUT与输入端IN相互隔离，以防止反向电流从输出端OUT流向输入端IN。闩锁电路207保持输入电压VDD低于参考电压VrefB的状态，直到电压调节器的电源一旦被关断并且该电源被导通为止，或者，直到整个电路的使能功能(enable function)被关闭为止，并且用于第三电压控制的晶体管208关闭栅极。
如果由切换信号生成单元201根据比较器301的比较结果(H)周期性地提供控制信号(ON/OFF)，则逻辑电路202按照该控制信号，周期性地输出用于对用于第一电压控制的晶体管203和用于第二电压控制的晶体管205的栅极的导通/关断(ON/OFF)进行控制的信号。
当由切换信号生成单元201提供的控制信号为ON时，由逻辑电路202提供ON信号，并且，用于第一电压控制的晶体管203使栅极打开并将线圈206连接到GND。另一方面，由逻辑电路202提供给反转单元204的ON信号被反转，变为OFF信号，并且，该OFF信号被提供给用于第二电压控制的晶体管205。利用该OFF信号，用于第二电压控制的晶体管205使栅极关闭，使线圈206与晶体管105断开。然后，电流在线圈206中流过，并且在线圈206中存储电能。当来自切换信号生成单元201的控制信号为H时，由逻辑电路202提供OFF信号，并且，用于第一电压控制的晶体管203使栅极关闭并使线圈206与GND断开。另一方面，从逻辑电路202提供给反转单元204的OFF信号被反转，变为ON信号，并且将这个ON信号提供给用于第二电压控制晶体管205。利用该ON信号，用于第二电压控制的晶体管205使栅极打开，并且使线圈206与晶体管105连接。然后，向晶体管105释放由线圈206存储的能量，并且将被升压单元200升高的电压VIN提供给晶体管105。晶体管105将电压VIN调整到预定输出电压VDC，并且将VDC输出到输出端OUT。通过按照切换信号的频率重复上述操作，将输入电压VDD升高到比较器301的参考电压VrefB，并且将输出电压保持在预定电压。
用于电阻比控制的晶体管306根据比较结果(H)使栅极导通。如果分压电压Vdet变得低于参考电压VrefB，则比较器301提供比较结果(H)。然后，分压单元305的电阻比由电阻器302和303确定，并且使设定电压(施加到比较器301的反相输入端的电压)升高。然后，比较器301提供比较结果(H)，直到输入电压VDD达到设定电压为止，并且，升压单元200使电压继续升高，直到电压达到设定电压为止。当输入电压VDD达到设定电压时，比较器301提供比较结果(L)，并且，用于电阻比控制的晶体管306根据比较结果(L)使栅极关断。然后，分压单元305的电阻比由电阻器302、303和304确定，即，设定电压减小。
图4示出了通过输入端IN提供的VDD，以及由升压单元200升压并且提供给输出单元100的电压VIN的变化。纵轴表示输入电压VDD和电压VIN。横轴表示时间t。虚线表示输入电压VDD，而实线表示电压VIN。这里假设输出单元100向负载输出3.0V。
随着给负载持续供电，来自电池的输入电压VDD从4.2V逐渐下降。如果输入电压VDD变得小于参考电压VrefB(＝3.1V)，则比较器301提供比较结果(H)，并且，升压单元200开始使电压升高。同时，比较结果(H)使用于电阻比控制的晶体管306的栅极导通，并且改变分压单元305的电阻比。然后，设定电压从3.1V上升到3.5V。如果作为被升压的输入电压VDD的VIN达到3.5V，则比较器301提供比较结果(L)，并且升压单元200的升压完成。同时，比较结果(L)使用于电阻比控制的晶体管306的栅极关断，并且改变分压单元305的电阻比。然后，设定电压从3.5V减小到3.1V。按照本发明实施例的电压调节器，通过重复上述操作，防止输出电压VDC减小。VDD可以下降，但是输出电压VDC保持恒定。
如上所述，通过由监控单元对输入电压进行监控，并且通过当由于电池能量消耗而导致输入电压变得低于预定电平时释放升压单元来升高输出电压，不论输入电压如何波动，按照本发明实施例的电压调节器都能够提供恒定的输出电压。
以下对按照本发明的另一个实施例的电压调节器进行描述。
如图3所示，按照本实施例的电压调节器与图2所示的电压调节器的不同之处在于，输入电压VDD与输出电压VDC进行比较，而不是图2的情况中的与参考电压VrefB进行比较。当由参考电压生成单元307生成的参考电压VrefB被定义为绝对值时，考虑到容差，需要将参考电压VrefB定义得大于实际需要。但是，利用图3所示的电压调节器，通过比较输入电压VDD与输出电压VDC，能够适当地切换用于对升压单元200的ON/OFF进行控制的电压。在其他方面，图3所示的电压调节器与图2所示的电压调节器相同；并且不再重复描述。
此外，本发明不限于这些实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行改变和修改。
本申请基于于2006年6月26日提交给日本专利局的日本优先权申请No.2006-175624，这里通过引用并入了其全部内容。

Claims (11)

1.一种电压调节器，包括输出单元，用于将由电源提供的输入电压变换为预定电压，并且用于将经过变换的电压输出，该电压调节器包括：
监控单元，用于确定由所述电源提供的输入电压是否大于参考电压；以及
升压单元，用于，如果所述监控单元确定由所述电源提供的输入电压小于参考电压，则使所述输入电压升高；其中
所述输出单元包括变换单元，该变换单元用于将经过升压的电压变换为所述预定电压。
2.如权利要求1所述的电压调节器，其中，所述监控单元包括：
参考电压生成单元，用于生成所述参考电压；以及
比较单元，用于对所述输入电压和所述参考电压进行比较，并且用于，如果所述监控单元确定该输入电压小于该参考电压，则提供启用所述升压单元的信号。
3.一种电压调节器，包括输出单元，用于将由电源提供的输入电压变换为预定电压，并且用于将经过变换的电压输出，该电压调节器包括：
监控单元，用于确定由所述电源提供的输入电压是否大于根据输出电压定义的电压；以及
升压单元，用于，如果所述监控单元确定由所述电源提供的输入电压小于所述根据输出电压定义的电压，则使该输入电压升高；其中
所述输出单元包括变换单元，该变换单元用于将经过升压的电压变换为所述预定电压。
4.如权利要求3所述的电压调节器，其中，所述监控单元包括：
比较单元，用于对由所述电源提供的输入电压与所述根据输出电压定义的电压进行比较，并且用于，如果该输入电压被确定为小于该根据输出电压定义的电压，则提供启用所述升压单元的信号。
5.如权利要求2所述的电压调节器，其中，所述监控单元包括
分压单元，用于对从所述电源提供给所述比较单元的输入电压进行分压。
6.如权利要求5所述的电压调节器，其中，所述分压单元包括位于所述比较单元的输出端与反相输入端之间的多个电阻器，从而给所述比较单元提供迟滞性。
7.如权利要求5所述的电压调节器，其中，所述分压单元包括：
多个电阻器，提供在所述比较单元的输出端与反相输入端之间；以及
电阻比控制单元，用于当所述比较单元提供所述用于启用所述升压单元的信号时，通过避开所述电阻器中的一个，来改变所述分压单元的电阻比。
8.如权利要求2所述的电压调节器，其中，所述升压单元包括
断开单元，用于当所述比较单元提供所述用于启用所述升压单元的信号时，将所述输出单元与由所述电源提供的输入电压断开。
9.如权利要求8所述的电压调节器，其中，所述断开单元包括：
存储单元，用于将由所述比较单元提供的、用于启用所述升压单元的信号保持到所述电压调节器被关断为止；以及
电压控制单元，用于在用于启用所述升压单元的信号被存储在所述存储单元中时，使所述输出单元与由所述电源提供的输入电压断开。
10.如权利要求1所述的电压调节器，其中，所述输出单元还包括
控制单元，用于将由所述电源提供的输入电压和由所述升压单元提供的经过升压的电压减小到所述预定电压。
11.如权利要求1所述的电压调节器，其中，所述升压单元包括：
切换信号生成单元，用于当所述比较单元提供所述用于启用所述升压单元的信号时，周期性地生成ON/OFF信号；
线圈，用于使由所述电源提供的输入电压升高；
第一开关，用于按照由所述切换信号生成单元提供的ON/OFF信号，使所述线圈与地电位连接和断开；
反转单元，用于使由所述切换信号生成单元提供的ON/OFF信号反转；以及
第二开关，用于按照被反转的ON/OFF信号，将所述线圈与所述输出单元连接和断开；
其中，根据由所述切换信号生成单元提供的周期性的ON/OFF信号，使所述第一开关和所述第二开关断开和闭合。
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