CN101344794A - 并联稳压器 - Google Patents

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Abstract

提供了用于并联稳压器的电路和方法。通过将稳压器的控制终端连接在一起，获得了改进的电流共享和调节特征，导致了精确的输出电压和成比例的电流产生。在多个并联稳压器之间分配电流生成，改进了热耗散，并从而降低了由稳压器产生的电流会被温度限制的可能性。

Description

并联稳压器
背景技术
[0001]本发明涉及稳压器。更具体地讲，本发明涉及用于使稳压器相互连接的系统和方法，以提供简单的电流共享技术和改进的调节特性。
[0002]稳压器几乎在每个需要电力的装置中都能找到。稳压电路的作用是控制和调节从电源到负载的电压，通常通过某些调节和调控电路。稳压电路的通常用途是将由供电设施提供的AC(交流)电转化成适用于消费电子产品的调节DC(直流)电压。所述电力供应通过稳压器控制。尽管稳压器作为独立系统工作，通常它们被构造成集成电路(ICs)并用于各种用途，包括通信和计算系统。
[0003]可以将两个或多个稳压器连接在一起，以提供更大的输出电流。稳压器并联的有利因素包括需要在较大面积上散热，以及增大输出电流。在某些情况，可以将很多稳压器连接在一起，以向负载提供额外的电压。在其他情况，可以将稳压器并联，以提供额外的负载电流。在这样的情况中，连接的稳压器通常被设置成试图共享至负载的电流。这样做可能是为了促进负载平衡，和/或使系统的运行保持在希望的峰值温度范围内。
[0004]如同生产，稳压器经历输出电压的很大变化，从而使得直接并联稳压器之间的电流匹配的实现相当困难。
[0005]由每个并联稳压器提供的负载电流部分通常取决于相应稳压器的输出电压和输出阻抗的差异。因此，当稳压器并联时，具有较高输出电压的稳压器通常比具有较低输出电压的稳压器提供更大的电流。结果，具有较高输出电压的供电可以向负载提供大部分或全部电流。另外，提供最高输出电压的稳压器在其他稳压器开始提供电流之前可以限制过载。如果具有较高输出电压的稳压器还具有两个(或多个)供应的较低输出阻抗，则这种不平衡状态进一步加剧。
[0006]并联稳压器的不平均分配负载电流可能降低电力系统的性能和可靠性。这个问题对于表面安装的稳压器尤为值得关注，这是因为在安装到电路板上时功率消耗的固有限制。在某些场合，由于所述严重的电流不平衡引起的额外热应力可能使电源的部件寿命缩短50％或更多。
[0007]业已将各种技术用于平衡并联稳压器之间的电流。一种已知的均流技术涉及使用“均流母线”配置，其中，输出电流信息在并联稳压器之间共享，以调节电流。在所述系统中，电流感测电阻被用于产生代表并联稳压器的输出电流的电压。该电压在均流母线上再现，并由稳压器监测，以确定要提供多少电流。因为电源是根据内部误差电压(对于单独电源调节)和均流母线上的电压(对于群组调节)提供电流的，所提供的电流大致相等。不过，这种结构的一个缺陷是，需要复杂的控制器电路和稳压器之间的专门互相连接。
[0008]相应地，希望提供电路和方法，用于有效分配并联稳压器之间的电流，而不降低电压调节。
[0009]另外，希望提供电路和方法，用于并联稳压器的热耗散，导致改进的均流。
发明内容
[0010]提供了并联稳压器的电路和方法，它在并联稳压器之间有效共享电流，并且不减弱电压调节。本发明的并联稳压器在广泛的工作范围内享有改进的热耗散和均流。
[0011]在一个实施例中，提供了一种将两个或多个稳压器并联以提供组合的输出电流的方法，包括提供第一稳压器，它产生基本恒定的电压，所述第一稳压器具有功率输出级；所述第一稳压器输出级具有控制输入和输出，第二稳压器，它产生基本恒定的电压，所述第二稳压器具有功率输出级；所述第二稳压器输出级具有控制输入和输出，将第一稳压器输出级的控制输入连接到第二稳压器输出级的控制输入，使得第一稳压器和第二稳压器的输出的电压基本相等；和，将第一稳压器的输出与第二稳压器的输出并联，使得所产生的电流基本等于由第一稳压器和第二稳压器产生的电流之和。
[0012]在某些实施例中，本发明还可以包括使第一稳压器输出级的控制输入和输出之间的电压差最小。在某些实施例中可以使用具有小电阻值的镇流电阻，以进一步改进输出电流的精度，而又不损失负载调节。本发明的其他方面包括有效的热耗散，它使得热点，和在表面安装的电路板用途中单独安装的稳压器和散热器的需要减到最小。
[0013]在其他实施例中，提供了适用于在集成电路上实施的稳压器，它提供基本恒定的输出电压，并且适用于并联一个或多个稳压器，以提供合并的输出电流，所述稳压器电路包括，电流参考电路，用于提供基本恒定的输出电流，设定阻抗，连接到电流参考电路，用于由基本恒定的输出电流产生基本恒定的设定电压，放大器电路，连接到电流参考电路和设定阻抗，根据设定电压产生基本恒定的输出电压，和镇流阻抗，连接到放大器电路的输出，用于建立稳压器电路的输出阻抗。在所述实施例中，稳压器的负载调节可以基本独立于输出电压。
附图说明
[0014]通过结合附图阅读以下详细说明，可以理解本发明的上述和其他目的及优点，其中，在所有附图中，类似的附图标记表示类似的部件，其中：
[0015]图1是根据本发明原理的并联稳压器的一个实施例的示意图；和
[0016]图2是根据本发明原理构成的并联稳压器的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
[0017]图1中示出了根据本发明原理构成的两个并联的稳压器的一个实施例的示意图。如图所示，系统100总体上包括稳压器电路110和120。稳压器电路110总体上可包括电压参考电路111和功率输出级，由电阻112和运算放大器113驱动。类似地，稳压器电路120总体上可包括电压参考电路121和功率输出级，由电阻122和运算放大器123驱动。为了简便起见，图1中只示出了两个稳压器。不过，如果需要，可以如图所示增加额外的稳压器。例如，可以这样做来进一步改进系统100的聚集电流源能力。
[0018]工作时，电压参考电路111和121可以通过电阻112和122分别提供预定的电压给放大器113和123的非反相输入端，它优选设置为电压跟随器(即，提供具有单位电压的电流增益)。这导致放大器113和123产生的输出电压基本等于它们的输入电压。每个输出信号可以通过镇流电阻114和124，以产生合成输出VOUT，它是两个输出的组合。镇流电阻有助于在满输出时在稳压器110和120之间建立最大电流不平衡，并且有助于减少系统100的总体电流不平衡。
[0019]如图1所示，由于放大器113和123的非反相输入连接在一起，它们相应的输出在电压上基本相等。每个非反相输入可以被视为稳压器110和120的控制输入。如果镇流电阻114和124被设置为具有基本相同值，则每个稳压器的输出电流也基本相同。因此，例如，如果稳压器110和120分别被设置成在1安培下提供5伏输出(5瓦特)，则系统100的总输出会是5伏(相同的电压)，不过电流为2安培(10瓦特)。
[0020]在某些实施例中，外部稳压器电路(未示出)可以连接到稳压器110和/或120的控制输入，它可被用于建立并联稳压器的输出电压。这使得稳压器110和120可以通过来源编程，而不是通过参考电路111和121。在这里，每个稳压器中的电压跟随电路继续提供输出电压和本文所述的共享电流，不过是根据由外部来源建立的值。在所述实施例中，可以将参考电路110和/或120切断(OFF)或从电压跟随电路断开。另外，电压参考电路111和/或121可以是可编程的，以便制造商或终端用户可以设定并联稳压器的所需输出电压。
[0021]镇流电阻的两端施加有输出电压的小失配。如果电压跟随器是精确的，通过输入和输出之间的小偏置，可以使用具有非常低阻抗的镇流电阻。一般，镇流电阻的值越低，负载调节的降级越小。所述镇流电阻可以由短节的印刷电路板迹线制成。一般来说，镇流电阻的值是电压跟随电路精度的函数。电压跟随器的精度越高，镇流电阻的值越低。
[0022]在上述示例中，每个稳压器向连接到VOUT的负载(未示出)提供大体相同的电流，并因此提供了有效的电流共用体系结构。这种总体结构的另一个优点是，它使用通常可获得的部件，并且消除了需要生成基于系统的信号，用于输出电流调节，大大简化了调节电路。
[0023]例如，在集成电路中，可以获得上述电压跟随器电路的非常精确的实施，使得在某些情况，放大器113和123之间的位差可以低到它们输入的1-2毫伏。在某些实施例中，通过在生产过程中修整部件可以减少与电压跟随器相关的偏移。
[0024]因为每个稳压器的输出电压基本相等，镇流电阻114和124的值可以非常低，理想地降低或消除了与抗镇流相关的任何负载调节损失，使得电源的性能保持基本不受影响。在某些实施例中，负载调节损失可以在5-10毫伏范围内，它完全在稳压器通常规定的1％负载调节要求内。所述低值的镇流电阻可以由用于连接电源的小于1英寸的铜PC板获得，并且可以具有在约10毫欧范围的电阻。其他合适的电阻可以由本文所述装置的具体实施例的生产商规定。
[0025]除了提供增加的输出电流，本发明还提供用于在电路工作期间在较大面积上散热的装置。例如，当诸如稳压器110的稳压器被表面安装在电路板上时，可以由该稳压器驱散的热量是有限的，这是由于各种物理制约，它反过来限制了稳压器的最大输出电流。通过使稳压器110和120并联，所产生的热被扩散在较大面积上，提供了更好的散热并由此更好的冷却，这使得两个稳压器能够提供它们的额定电流，而又不会达到它们的发热极限。
[0026]另外，这减少了电路板上″热点″的数量和强度，降低了总体峰值温度，并且减少了对具有大散热器的单独安装的稳压器的需要。结果，可以在相同或邻进设置的电路板上安装多个稳压器，以获得需要的输出电流，而不会由于升高的工作温度而受到制约。
[0027]现参见图2，示出了根据本发明原理构造的另一个实施例200。电路200在很多方面与图1所示的电路类似，并且总体上包括以类似方法标记的部件和功能模块，来表示类似的功能和大致对应。例如，电路200包括稳压器电路210和220(图1中的稳压器110和120)，放大器电路213和223(图1中分别是放大器电路113和123)，和镇流电阻214和224(图1中的镇流电阻114和124)。
[0028]如图所示，系统200能够以基本与系统100相同的方式工作，所不同的是参考电路211和221。不同于图1所示基于电压的电路的工作，参考电路211和221被设置成提供基本恒定的参考电流，使每个稳压器的输出电压由接地的电阻设定。如图所示，设定电阻212和222建立电压VSET，它提供给放大器213和223的非反相输入端。一旦建立了该设定电压，电路200能够以类似于上述电路100的方式工作。使用参考电流的一个优点是，不需要分压器，它提供改进的负载调节。另外，在所述实施例中，负载调节独立于输出电压。另外，镇流电阻不需要与输出电压成比例。
[0029]如同在电路100中，镇流电阻214和224的值可以非常低，并且获得与结合图1所示电路所述相同的负载调节优势。另外，具有不同电流源驱动能力的稳压器210和220可以如图所示并联，镇流电阻214和224在稳压器之间成比例，以确保以现有电流比进行电流共用。例如，如果稳压器210的电流源驱动能力比电源220的大五倍，镇流电阻224和214可被设置为五比一的比例，以使电流能够从每个电源按比例提取，并且确保系统200提供最大输出电流。
[0030]在某些实施例中，电阻212和222可以是外设的，并且可调节，以设定电路200的输出电压。在其他实施例中，可以只使用一个电阻，以为多个稳压器(未示出)设定电压值。所述电阻可以是内部或外部的，并且可以是固定或可调节的。在多个设定电阻被用于多个电源的情况中，设定电阻的值可能需要根据所得到的并联组合进行选择，以便获得需要的电阻，以及由此需要的输出电压。
[0031]在某些其他实施例中，例如，那些用于集成电路的实施例，可能希望采用具有负温度系数的电压跟随器电路(即电压跟随电路，它的输出电压在温度超过某个点之后降低或随温度降低)。在所述实施例中，负温度系数本身可用作镇流机构(例如，使用或不使用镇流电阻)。
[0032]例如，工作时，假设稳压器210和220如此设置，使得两者具有基本相同的负温度系数。如果所述电源之一开始提供比其他电源更多的电流，或提供的电流超过预定比例的规定，则所述电源的温度会开始上升。所述稳压器的内置温度系数会提供温度调节，它对温度上升作出反应(即不均衡的温度上升)，并且导致它的输出电压相应降低。这反过来导致电流也进行了调节(根据稳压器的热电阻特征和温度)。结果，所述电源的输出电流恢复到输出电流平衡到某个程度的状态(例如，根据某些因素的密切吻合程度，如温度系数，散热能力，环境温度等)。
[0033]在所述实施例中，基于温度调节的电流共用不需要使用镇流电阻(例如，电阻114，124，214和224)。不过，如果需要，可以使用小阻抗，以获得进一步的输出精度。另外，在某些实施例中，散热本身可以被用作建立电源之间的电流比的手段。例如，如果两个(或更多)电源能够产生基本相同或类似的电流，提供具有不同散热器的基本相同的负温度系数，具有较小散热能力的电源根据其温度限制可以提供成比例小的电流。因此，如果已知工作温度范围，可以提供具有散热器的各种并联稳压器，使得它们能够根据它们相应的热耗散特征以希望的比例提供电流。
[0034]类似地，在某些实施例中，温度调节本身可以被用作建立电源之间电流比的手段。例如，如果提供两个(或更多)能够产生基本相同或类似电流的稳压器，具有不同的负温度系数，具有更大负温度系数的稳压器可以根据其温度限制提供成比例的更小的电流。
[0035]另外，从以上说明可以看出，可以结合散热和温度系数因素，来建立稳压器之间的电流共用参数，例如，具有更大散热能力的较小负温度系数的电源可以与具有较小散热能力的较大负温度系数的电源连接，前者提供比后者按比例更大的电流，等等。所述实施可选地包括镇流电阻，如果需要的话，以进一步提高精度。其他设置也是可行的。
[0036]可以理解，本文所述的系统和方法具有广泛基础的适用性，并且可用于多种不同环境。例如，上述系统可用于″箱″型电源，如由Lambda Corporation(Lambda公司)，Kerco，或Agilent商业生产，或用于集成电路型稳压器，如由Milpitas，California的Linear Technology Corporation(凌特公司)，本专利申请的受让人所生产。相应地，上述提及的现有常用电路可以包括外部电路，现有常用在箱型实施形式中，例如电路板上易于添加的部件，或者，在IC实施形式中，可以包括放大器或可以在设计期间几乎没有额外费用或没有额外费用而添加的部件。
[0037]另外，电压参考电路111和121可以包括适用于通过电阻提供基本恒定的预定电压的任何电路，并且可以包括任何适当设置的开关或基于线性的稳压器或其他常规参考电路。类似地，电流参考电路211和212可以包括适用于提供基本恒定的预定电流的任何电路，并且可以包括任何适当设置的开关或基于线性的稳压器或其他常规参考电路。所述参考电路可以包括共同待批的美国专利申请中披露的参考电路，该申请的发明名称是“Bandgap Voltage and Current Reference”，申请流水号为11/731,279，申请日为2007年3月30日，被转让给本专利申请的受让人，该申请被以它的全文形式被结合入本文参考。
[0038]另外，尽管示出镇流电阻114，124，214和224在稳压器110，120，210和220的外部，在某些实施例中，这些电阻可以设置在内部。在某些实施例中，常用于集成电路包中的接合线也可以用作镇流器。另外，调节本身可以起镇流器的作用。另外，可以使用本领域已知的任何适当的布局技术来构造本文所述的电压跟随器电路。尽管所述电路在本文被披露具有单位电压增益，应当理解，如果需要，可以使用不同于单位的增益。在增益高于单位，较低的精度匹配是常见的，并且精确共享更为困难。某些较老的稳压器它们的输出为1-3％误差下工作，并可以在高于单位增益下工作。所述稳压器难以如本文所述进行并联，并且可能依赖大镇流电阻，所述大镇流电阻减弱负载调节。另外，在某些实施例中，当放大器以它们的功率或接地轨或接近它们的功率或接地轨运行时，如果需要，可以采用偏置电压，以防止或确保切断。
[0039]尽管业已披露了本发明的优选实施例，具有不同的电路连接到其他电路，本领域技术人员应当理解，所述连接不必要是直接的，并且其他电路可以互相连接在所示的连接电路之间，而不偏离所示本发明的构思。本领域技术人员还应当理解，本发明可以通过除具体所述实施例以外的其他方案实施。所述的实施例是用于说明而不是用于限定的，并且，本发明仅由所附权利要求书限定。

Claims (47)

1.一种使两个或多个稳压器并联以提供合并的输出电流的方法，所述方法包括：
提供第一稳压器，它产生基本恒定的电压，所述第一稳压器具有功率输出级；所述功率输出级具有控制输入和输出；
提供第二稳压器，它产生基本恒定的电压，所述第二稳压器具有功率输出级；所述功率输出级具有控制输入和输出；
将第一稳压器输出级的控制输入连接到第二稳压器输出级的控制输入，以便第一稳压器输出上的电压和第二稳压器输出上的电压基本相等；和
将第一稳压器的输出并联到第二稳压器的输出，以便所产生的合并输出电流基本等于由第一稳压器和第二稳压器产生的电流和。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括减少第一稳压器输出级的控制输入和第一稳压器输出级的输出之间的电压差。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一稳压器输出级的输出被调节以基本匹配第一稳压器输出级的控制输入上的电压。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括设置第一稳压器输出级，以包括电压跟随放大器，连接到第一电压参考电路，以使第一稳压器的输出电压基本等于第一电压参考电路的输出电压。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括减少第二稳压器的控制输入和第二稳压器输出级的输出之间的电压差。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二稳压器输出级的输出被调节以基本匹配第二稳压器的控制输入上的电压。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括设置第二稳压器输出级，以包括电压跟随放大器，连接到电压参考电路，以使第二稳压器的输出电压基本等于第二电压参考电路的输出电压。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括设置第一稳压器输出级，以包括电压跟随放大器，连接到第一电流参考电路，以使第一稳压器的输出电压基本等于由第一电流参考电路和第一阻抗产生的输出电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一阻抗是可调节的。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一阻抗在第一稳压器的外部。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括设置第二稳压器输出级，以包括电压跟随放大器，连接到第二电流参考电路，以使第二稳压器的输出电压基本等于由第二电流参考电路和参考阻抗产生的输出电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述参考阻抗是可调节的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述参考阻抗是第一阻抗。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括提供第一镇流阻抗，连接到第一输出级的输出，以使第一电压降由第一稳压器的电流建立。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一镇流阻抗至少部分由集成电路包中的接合线形成。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括提供第二镇流阻抗，连接到第二输出级的输出，以使第二电压降由第二稳压器的电流建立。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一镇流阻抗至少部分由集成电路包中的接合线形成。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括将第一稳压器和第二稳压器设置在不同装置中。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括提供具有第一负温度系数的第一稳压器和具有第二负温度系数的第二稳压器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二负温度系数基本相等。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，第一和第二负温度系数彼此明显不同，并且由第一和第二稳压器提供的电流与第一和第二负温度系数之比成比例。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括提供具有第一散热器的第一稳压器，和具有第二散热器的第二稳压器。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一和第二散热器的热耗散能力基本相等。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一和第二散热器具有明显不同的热耗散能力，并且由第一和第二稳压器提供的电流与第一和第二散热器的热耗散能力之比成比例。
25.一种提供基本恒定的输出电压的装置，适于并联至一个或多个装置，以提供合并的输出电流，所述装置包括：
第一稳压器，它产生基本恒定的电压，所述第一稳压器具有功率输出级；所述第一稳压器功率输出级具有控制输入和输出；
其中，第一稳压器功率输出级的控制输入被设置成连接到第二稳压器，这导致第一稳压器的输出上的电压基本等于第二稳压器的输出上的电压；并且，这导致由第一稳压器通过第一镇流阻抗产生的输出电流与由第二稳压器通过第二镇流阻抗产生的输出电流成比例。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，由第一稳压器产生的输出电流基本等于由第二稳压器提供的输出电流。
27.根据权利要求25所述的装置，被设置以减少第一稳压器的控制输入和第一稳压器输出级的输出之间的电压差。
28.根据权利要求27所述的装置，被设置成使得第一稳压器输出级的输出被调节以基本匹配第一稳压器的控制输入上的电压。
29.根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一稳压器输出级被设置以包括电压跟随放大器，连接到第一电压参考电路，以使第一稳压器的输出电压基本等于第一电压参考电路的输出电压。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，第一电压参考电路是可编程的。
31.根据权利要求25所述的装置，其中，所述第一稳压器输出级被设置以包括电压跟随放大器，连接到第一电流参考电路，以使第一稳压器的输出电压基本等于由第一电流参考电路和第一阻抗产生的输出电压。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述第一阻抗是可调节的。
33.根据权利要求31所述的装置，其中，第一阻抗在第一稳压器的外部。
34.根据权利要求25所述的装置，其中，第一镇流阻抗为第一稳压器建立第一电流依赖电压降。
35.根据权利要求31所述的装置，其中，第一镇流阻抗至少部分由集成电路包中的接合线形成。
36.根据权利要求25所述的装置，其中，第一稳压器具有负温度系数，并且由第一稳压器提供的输出电流与第一稳压器的负温度系数和第二稳压器的温度系数之比成比例。
37.根据权利要求25所述的装置，其中，第一稳压器还包括第一散热器，其中，由第一稳压器提供的电流与第一散热器的热耗散能力和第二稳压器的热耗散能力之比成比例。
38.一种安置在集成电路上的稳压器，它提供基本恒定的输出电压，适合与一个或多个稳压器并联，以提供合并的输出电流，所述稳压器电路包括：
电流参考电路，用于提供基本恒定的输出电流；
设定阻抗，连接到所述电流参考电路，用于由基本恒定的输出电流产生基本恒定的设定电压；
放大器电路，连接所述电流参考电路和设定阻抗，它根据设定电压产生基本恒定的输出电压，和；
镇流器阻抗，连接到放大器电路的输出，用于建立稳压器电路的输出阻抗。
39.根据权利要求38所述的稳压器，其中，减少镇流器阻抗，以改进负载调节。
40.根据权利要求39所述的稳压器，其中，镇流器阻抗由集成电路中的接合线形成。
41.根据权利要求38所述的稳压器，其中，放大器电路还包括控制输入，基本恒定的设定电压连接到所述控制输入，并且其中，所述稳压器被设置以减少放大器的控制输入和稳压器的输出之间的电压差。
42.根据权利要求41所述的稳压器，被设置成调节所述放大器电路的输出，以基本匹配控制输入上的电压。
43.根据权利要求38所述的稳压器，其中，所述放大器电路被设置以包括电压跟随放大器，连接到所述电流参考电路，以使稳压器的输出电压基本等于设定电压。
44.根据权利要求38所述的稳压器，其中，所述第一电压参考电路是可编程的。
45.根据权利要求38所述的稳压器，其中，所述设定阻抗是可调节的。
46.根据权利要求45所述的稳压器，其中，所述设定阻抗在集成电路的外部。
47.根据权利要求38所述的稳压器，其中，负载调节基本独立于输出电压。
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