CN101365997B - 负输出调整电路及使用负输出调整电路的电子设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有箝位电路CLP(X1、X2、Q1、Q2)的负输出调整电路(24)，检测在负电压(VM)的输出被停止时产生的电流，并将输出端(T2)的电压固定在预定的值。在不增大芯片尺寸也不使序列变复杂的情况下，抑制了输出端处正电压的产生。

Description

负输出调整电路及使用负输出调整电路的电子设备

技术领域

本发明涉及基于输入电压产生所需负电压的负输出调整电路，以及涉及使用所述负输出调整电路的电子设备。

背景技术

传统上，基于输入电压产生所需负电压的负输出调整电路广为人知，已经公开和提出了各种与此相关的技术。

例如，专利文件1公开并提出了一种技术，其中功率晶体管与负电源线串联连接。响应于误差放大电路所产生的取决于实际输出电压和基准电压之差的误差信号，控制功率晶体管的基极电流。因此，在得到所需负输出电压的负输出调整电路中可以通过正电位进行开-关控制。

专利文件1：JP-A-H11-327669

发明内容

本发明要解决的问题

的确，上述传统负输出调整电路能够基于输入电压产生所需负电压。

因此，如CCD(电荷耦合器件)相机模块之类的负载需要正电压和负电压均作为驱动电压。在开-关控制中，正电压和负电压通常是彼此分离进行控制的。

在常见的传统负输出调整电路中，上述开-关控制中，在输出停止时功率晶体管截止，通过功率晶体管的电流通路达到高阻抗。因此，负输出调整电路的输出端经由反馈电阻器短路至接地端，其电位通常成为地电位(0V)。

然而，在上述传统负输出调整电路中，在负载的正和负输入端之间形成电流通路时只有负电压的输出操作被停止的情况下(也就是说，负输出调整电路的输出端处的电压被拉高至高于地电位的电压)，若形成电流从负侧流向输出端的电流通路，则电流流入反馈电阻器，在输出端可以出现大的正电压。

因此，在传统负输出调整电路中，不能满足针对负载的负电压输入端所设置的输入电压范围，电路可能损坏或出现故障。

作为抑制正电压的手段，在一种方法中，保护二极管连接在输出端和接地端之间。然而，在这种方法中，由于保护二极管一直产生等于其正向下降电压(1Vf)的正电压，这不总是最优的抑制手段。

另一种限制正电压的方法如图8A和图8B所示，其中放电晶体管Tr1和Tr2连接在输出端和接地端之间。然而，在这种方法中，需要大的器件尺寸以降低晶体管Tr1和Tr2的导通电阻，这使芯片面积变大，并不总是最优的方法。此外，如图8所示，若使用双极晶体管作为放电晶体管Tr2，会导致基极电流增大了电路的电流消耗的缺点。

进一步，作为另一种抑制正输出的方法，提出了这样一种方法，其中控制接通和断开正和负输出的顺序，例如以下列方式：首先接通负输出；再接通正输出；再断开正输出；再断开负输出。然而，在这种方法中，由于序列复杂及带来的限制严重，并不总是最优的抑制手段。

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种负输出调整电路，在不增大芯片尺寸或不造成序列复杂的情况下，抑制输出端正电压的产生，并提供使用所述负输出调整电路的电子设备。

解决问题的手段

为达到目的，根据本发明的负输出调整电路基于施加在输入端的输入电压产生所需的负电压，并经由输出端提供给负载。所述负输出调整电路被配置为包括：与输出端相连接的箝位电路，所述箝位电路检测在负电压输出停止时产生的电流，并将输出端的电压固定在预定值(第一配置)。

在具有第一配置的负输出调整电路中，箝位电路可以被设计为包括：偏置电流产生部分，用于在负电压输出停止时产生预定的偏置电流；流入电流检测部分，用于在负电压输出停止时引入从负载流至输出端的流入电流，并产生与流入电流相应的检测电流；二极管连接的第一晶体管，在负电压输出停止时偏置电流流过所述第一晶体管，并产生第一电压，所述第一电压比施加在接地端的地电位低基极-发射极或栅极-源极下降电压；或者二极管，产生第一电压，所述第一电压比地电位低正向下降电压；以及第二晶体管，在负电压输出停止时检测电流流过所述第二晶体管，并产生第二电压，所述第二电压比第一电压高基极-发射极或栅极-源极下降电压(第二配置)。

在具有第二配置的负输出调整电路中，流入电流检测部分可以被配置为包括npn双极型晶体管，所述npn双极型晶体管的集电极与输出端相连接，发射极与输入端相连接，基极不仅与第二晶体管的集电极或漏极相连接，且通过电阻器与输入端相连接(第三配置)。

在具有第三配置的负输出调整电路中，npn双极型晶体管也被用作输出功率晶体管(第四配置)。

在具有第二配置的负输出调整电路中，流入电流检测部分可以被配置为包括电流镜像电路，所述电流镜像电路基于流入电流产生镜像电流，并输出镜像电流作为检测电流(第五配置)。

具有第一至第五任一配置的负输出调整电路，可以被配置为包括放电晶体管，所述放电晶体管串联连接在输出端与接地端之间，在负电压输出停止时被导通(第六配置)。

具有第一至第六任一配置的负输出调整电路，可以被配置为包括：输出功率晶体管，所述输出功率晶体管串联连接在输入端和输出端之间；以及误差放大器，用于通过放大取决于输出电压的反馈电压与预定基准电压之间的差产生误差电压，其中根据误差电压对功率晶体管的操作进行控制(第七配置)。

根据本发明的电子设备包括第一至第七负输出调整电路中的任一负输出调整电路(第八配置)。

本发明的优点

通过根据本发明的负输出调整电路以及采用它的电子设备，可以在不增大芯片尺寸或不造成序列复杂的情况下，抑制输出端正电压的产生。

附图说明

图1是根据本发明实施例的移动电话的框图。

图2是根据第一实施例的负输出调整电路24的电路图。

图3是误差放大器AMP的输出级的电路图。

图4是图示输出箝位操作的图。

图5A是偏置电流产生部分X1的示例的电路图。

图5B是偏置电流产生部分X1的另一示例的电路图。

图6A是流入电流检测部分X2的示例的电路图。

图6B是流入电流检测部分X2的另一示例的电路图。

图7是根据第二实施例的负输出调整电路24的电路图。

图8A是传统负输出调整电路的电路图。

图8B是另一传统负输出调整电路的电路图。

参考符号列表：

1             电池

2             系统调整器IC

21            正升压电路

22            负升压电路

23-1至23-n    第1至第n正输出调整电路

24            负输出调整电路

3             CCD相机模块

T1至T3        外部端子

Qo            npn双极型晶体管(功率晶体管)

Co            输出电容器

AMP           误差放大器

R1、R2        电阻器

Tr1           P沟道场效应晶体管(放电晶体管)

CLP           箝位电路部分

Q1、Q2        pnp双极型晶体管

X1            偏置电流产生部分

X2            流入电流检测部分

INVa、INVb    反相器

Ra至Re        电阻器

Qa至Qi        npn双极型晶体管

Ia            恒定电流源

Ma            N沟道场效应晶体管

具体实施方式

以下以示例方式描述根据本发明的系统调整器IC，所述系统调整器IC用于移动电话终端中，转换电池输出电压，为终端的不同部分(特别是CCD相机模块)产生驱动电压。

图1是根据本发明实施例的移动电话终端的框图(具体地，用于CCD相机模块的电源部分)。如图所示，根据实施例的移动电话包括用作设备电源的电池1、用作将电池1的输出进行转换的输出转换装置的系统调整器IC2、以及用作移动电话的图像采集装置的CCD相机模块3。虽然在图中没有示出，但必须说明，根据该实施例的移动电话还包括作为执行其本质功能(如通信功能)装置的发射机-接收机单元、扬声器单元、麦克风单元、显示单元、操作单元、存储器单元和其他单元等。

CCD相机模块3需要多个驱动电压(例如：+15V、+5V、+3V、-5V)用于驱动如CCD器件、DSP(数字信号处理器)和I/O(输入/输出)电路之类的组成部件。因此，系统调整器IC2包括：正升压电路21，用于将电池电压Vbat(例如+3V)正提升至预定的正提升电压VDD(例如+18V)；以及负升压电路22，用于将电池电压Vbat负提升至预定的负提升电压VEE(例如-9V)；此外还包括第1至第n正输出调整电路23-1至23-n，用作基于电池电压Vbat或正提升电压VDD产生多个正电压VP1至VPn的装置；以及负输出调整电路24，用作基于负提升电压VEE产生所需负电压VM的装置。正电压VP1至VPn以及负电压VM全部被提供给CCD相机模块3。

图2是根据第一实施例的负输出调整电路24的电路图(部分是框图)。如图所示，根据该实施例的负输出调整电路24包括：npn双极型晶体管Qo、输出电容器Co、电阻器R1和R2、误差放大器AMP、P沟道场效应晶体管Tr1，此外还包括箝位电路部分CLP，这是本发明的特征部分。

晶体管Qo是输出功率晶体管，串联连接在施加有输入电压(负提升电压VEE)的输入端与负电压VM由其引出的外部端子T1(输出端)之间。

输出电容器Co是位于系统调整器IC2之外的串联连接在外部端子T1与外部端子T2(接地端)之间用于平滑负电压VM的装置。

电阻器R1和R2串联连接在外部端子T1与外部端子T2之间，构成电阻分压电路，从该电阻分压电路的连接节点引出取决于负电压VM的反馈电压Vfb。

误差放大器AMP是通过放大反馈电压Vfb和预定基准电压Vth之差来产生误差电压，并提供误差电压作为晶体管Qo的基极电压的装置。

因此本实施例的负输出调整电路24被构成为通过根据误差电压控制晶体管Qo的操作，基于输入电压VEE产生所需的负电压VM，并经由外部端子T1向CCD模块3提供电压VM。

如上所述，除负电压VM之外，各正电压VP1至VPn从系统调整器IC2施加给CCD模块3。在输出正电压VP1至VPn的外部端子(图中仅示出了用于输出正电压VP1的外部端子T3)与外部端子T1之间构成了经过CCD模块3的电流通路。

另一方面，误差放大器AMP基于来自系统调整器IC2的逻辑单元(未示出)的控制信号S1被控制为接通或断开。具体地，误差放大器AMP的输出级(驱动级)如图3所示构成，在N沟道场效应晶体管Ma处于截止状态时允许其操作，而在晶体管Ma处于导通状态时禁止其操作。在该实施例中，当控制信号S1为逻辑高时，误差放大器AMP的操作被允许(因此负电压VM的输出操作被允许)，相反地，当控制信号S1为逻辑低时，误差放大器AMP的操作被禁止(因此负电压VM的输出操作被禁止)。正电压VP1至VPn的输出操作也被同样地控制。

如上所述，在根据该实施例的移动电话中，正电压和负电压均需用作负载CCD模块3的驱动电压，而每个正电压和负电压都可以被分别控制为接通或断开。

因此，在只有负电压VM的输出操作被禁止，而正电压VP1至VPn的输出操作继续的情况下，即当外部端子T1处的电压经由CCD模块3被拉高至高于地电位GND的电位时，流入电流Iin从CCD模块3侧流入电阻器R1和R2，在外部端子T1处可能出现高的正电压。

因此，根据该实施例的负输出调整电路24具有晶体管Tr1以及箝位电路部分CLP，作为抑制正电压的抑制装置。

晶体管Tr1是放电晶体管，串联连接在外部端子T1和外部端子T2之间，在负电压VM的输出停止时由控制信号S1导通。在该实施例中，当控制信号S1为逻辑高时，晶体管Tr1被截止，相反地，当控制信号S1为逻辑低时，晶体管Tr1被导通。由于晶体管Tr1允许流入电流Iin被引入外部端子T2，可以抑制正电压的产生。

另一方面，箝位电路部分CLP是在负电压VM的输出停止时将外部端子T1的电压电平箝位在预定值的装置，并且具有pnp双极型晶体管Q1和Q2、偏置电流产生部分X1以及流入电流检测部分X2，如图2所示。

偏置电流产生部分X1是根据施加于节点“a”的控制信号S1在负电压VM的输出停止时产生偏置电流I1并从节点“b”输出该偏置电流I1的装置。

流入电流检测部分X2是在负电压VM的输出停止时从节点“c”引入流入电流I1，产生与所述流入电流I1相应的检测电流I2，并从节点“d”输出检测电流I2的装置。

晶体管Q1是在负电压VM的输出停止时偏置电流I1所流过的装置，并且在集电极端产生比地电位GND低基极-发射极下降电压Vf1的第一电压V1(＝-Vf1)。晶体管Q1的发射极与外部端子T2相连接。晶体管Q1的集电极与偏置电流产生部分X1的输出端(节点“b”)相连接。晶体管Q1的基极与晶体管Q1自己的集电极相连接。因此晶体管Q1被连接为二极管。若不考虑与晶体管Q2的特征匹配，可以使用二极管代替晶体管Q1。

晶体管Q2是在负电压VM的输出停止时检测电流I2所流过的装置，并且在发射极端产生比第一电压V1高基极-发射极下降电压Vf2的第二电压V2(＝Vf2-Vf1)，作为用于外部端子T1的箝位电压。晶体管Q2的发射极与外部端子T1相连接。晶体管Q2的集电极与流入电流检测部分X2的输出端(节点“d”)相连接。晶体管Q2的基极与晶体管Q1的集电极相连接。

在根据该实施例的负输出调整电路24中，具有上述配置的箝位电路部分CLP，在负电压VM的输出停止时允许外部端子T1的电压电平被箝位在第二电压V2(几乎为0V)，而不需要过多地降低晶体管Tr1的导通电阻，也不需要控制正和负输出的接通和断开顺序(见图4)。因此，通过根据该实施例的负输出调整电路24，可以在不增大芯片尺寸或不造成序列复杂的情况下，有效抑制外部端子T1处正电压的产生。

具有上述配置的箝位电路部分CLP只在负电压VM的输出停止时起作用，对负电压VM的输出操作没有影响。

接下来参照图5A和图5B详细解释偏置电流产生部分X1的配置示例。

图5A和图5B均是示出了偏置电流产生部分X1的电路配置示例的电路图。

图5A中所示的偏置电流产生部分X1包括npn双极型晶体管Qc、电阻器Rb和Rc以及反相器INVb。晶体管Qc的集电极与电阻器Rb的一端相连接。晶体管Qc的发射极与施加有负提升电压VEE的输入端相连接。晶体管Qc的基极经由电阻器Rc与反相器INVb的输出端相连接。反相器INVb的输入端对应于节点“a”，电阻器Rb的另一端对应于节点“b”。

在具有上述配置的偏置电流产生部分X1中，当施加于节点“a”的控制信号S1为逻辑高时(即当负电压VM的输出操作被允许时)，晶体管Qc被截止，偏置电流I1的输出被禁止。另一方面，当控制信号S1为逻辑低时(即当负电压VM的输出操作被禁止时)，晶体管Qc被导通，偏置电流I1的输出被允许。

根据上述配置，可以利用简单配置构成偏置电流产生部分X1。

图5B所示的偏置电流产生部分X1包括npn双极型晶体管Qd至Qf、无温度依赖性的恒定电流源Ia、以及电阻器Rd。晶体管Qd和Qe的集电极均经由恒定电流源Ia与接地端(外部端子T2)相连接。晶体管Qd至Qf的发射极均与施加有负提升电压VEE的输入端相连接。晶体管Qd的基极与电阻器Rd的一端相连接。晶体管Qe至Qf的基极均与晶体管Qe的集电极相连接。电阻器Rd的另一端对应于节点“a”，晶体管Qf的集电极对应于节点“b”。因此，晶体管Qe至Qf构成了根据来自恒定电流源Ia的恒定电流产生镜像电流的电流镜像电路，并将该镜像电流经由节点“b”输出作为偏置电流I1。

在如上所述构造的偏置电流产生部分X1中，当施加于节点“a”的控制信号S1为逻辑高时(即当负电压VM的输出操作被允许时)，由于晶体管Qd被导通，电流镜像电路被短路，偏置电流I1的输出被禁止。另一方面，当控制信号S1为逻辑低时(即当负电压VM的输出被禁止时)，由于晶体管Qd被截止，电流镜像电路被驱动，偏置电流I1的输出被允许。

与图5A所示的构造不同，在上述构造中，直流放大系数h_FE不受周围温度影响，不会波动，可以产生恒定的偏置电流I1。

接下来，参照图6A和图6B详细解释流入电流检测部分X2的配置示例。

图6A和图6B均是示出了流入电流检测部分X2的电路配置示例的电路图。

图6A中所示的流入电流检测部分X2包括npn双极型晶体管Qg和电阻器Re。晶体管Qg的发射极(多个发射极)与施加有负提升电压VEE的输入端相连接。晶体管Qg的基极经由电阻器Re与输入端相连接。晶体管Qg的集电极对应于节点“c”，晶体管Qg的基极对应于节点“d”。

在如上所述配置的流入电流检测部分X2中，当流入电流Iin被引入节点“c”时，等于流入电流Iin的1/h_FE(h_FE是直流放大系数)的基极电流流入晶体管Qg的基极，Vf/Re(Vf是晶体管Qg的基极-发射极下降电压，Re是电阻器Re的电阻值)的电流流过电阻器Re。因此，这两个电流之和的检测电流I2从节点“d”输出。

根据上述配置，可以利用简单配置构成流入电流检测部分X2。

图6B所示的流入电流检测部分X2包括npn双极型晶体管Qh和Qi。晶体管Qh至Qi的发射极(晶体管Qi具有多个发射极)均与施加有负提升电压VEE的输入端相连接。晶体管Qh至Qi的基极均与晶体管Qh的集电极相连接。晶体管Qi的集电极对应于节点“c”，晶体管Qh的集电极对应于节点“d”。晶体管Qi的pn结面积被制成晶体管Qh的pn结面积的N(N≥1)倍。因此，晶体管Qh和Qi构成了产生与引入节点“c”的流入电流Iin相应的镜像电流(Iin/N)的电流镜像电路，并将镜像电流输出作为检测电流I2。

与图6A所示的构造不同，在上述构造中，直流放大系数h_FE不受周围温度影响，不会波动，可以产生与流入电流Iin相应的检测电流I2。

在上述实施例中，作为示例解释了根据本发明的用于移动电话中的系统调整器IC。然而，本发明的应用并不局限于此，本发明可广泛应用于一般基于输入电压产生所需负电压的负电压调整电路。

此外，除了上述实施例的配置之外，在本发明的范围之内，可以各种方式修改本发明的配置。

例如，上述实施例涉及箝位电路CLP与其他电路部分完全分离的配置。然而，本发明的配置并不局限于这种构造，如图7所示，输出功率晶体管Qo可以被共享为箝位电路单元CLP的流入电流检测部分X2中设置的npn双极型晶体管(对应于图6A和图6B中所示的晶体管Qg、Qi)。这样的配置可以达到相同的效果，而不会使芯片尺寸不必要地增大。在图3所示的误差放大器AMP的输出级(驱动级)根据控制信号S1处于断开状态的条件下，这种配置是可能的。具体地，当控制信号S1为逻辑低且晶体管Ma被转换为导通状态时，晶体管Qa的基极电流从放大级被引出，晶体管Qa和Qb被截止。因此，输出晶体管Qo也通常被截止。然而，在本发明的配置中，由于箝位电路单元CLP的操作，输出晶体管Qo也可以操作。

进一步，在上述实施例中，虽然双极型晶体管用作晶体管Q1、Q2，但本发明的配置不局限于此，可以使用场效应晶体管。在这种情况下，P沟道场效应晶体管可以用于代替pnp双极型晶体管，N沟道场效应晶体管可以用于代替npn双极型晶体管。则它们的不同端子应按以下方式连接：发射极对应于源极，集电极对应于漏极，基极对应于栅极。

类似地，作为示例，上述实施例涉及双极型晶体管用作偏置电流产生部分X1和流入电流检测部分X2的构成器件的配置。然而，但本发明的配置不局限于此，可以使用场效应晶体管。在这种情况下，不需要图5A和5B所示的电阻器Rc和Rd(由于双极型晶体管的特性，限流电阻是必要的)。

产业实用性

本发明是一种有用的技术，用于改进基于输入电压产生所需负电压的负输出调整电路的可靠性。

Claims (7)

1.一种负输出调整电路，用于基于施加在输入端的输入电压产生所需的负电压，并经由输出端提供给负载，所述负输出调整电路包括：

与所述输出端相连接的箝位电路，所述箝位电路检测在负电压输出停止时产生的电流，并将所述输出端的电压箝位在预定值，

所述箝位电路包括：

偏置电流产生部分，用于在负电压输出停止时产生预定的偏置电流；

流入电流检测部分，用于在负电压输出停止时引入从所述负载流至所述输出端的流入电流，所述流入电流检测部分产生与所述流入电流相应的检测电流；

二极管连接的第一晶体管或者二极管，若是所述第一晶体管时，则在负电压输出停止时所述偏置电流流过所述第一晶体管，并产生第一电压，所述第一电压比施加在接地端的地电位低第一晶体管的基极-发射极或栅极-源极下降电压；若是所述二极管时，则所述二极管产生第一电压，所述第一电压比所述地电位低该二极管的正向下降电压；以及

第二晶体管，在负电压输出停止时所述检测电流流过所述第二晶体管，并产生第二电压，所述第二电压比所述第一电压高第二晶体管的基极-发射极或栅极-源极下降电压。

2.如权利要求1所述的负输出调整电路，其中，所述流入电流检测部分包括npn双极型晶体管，所述npn双极型晶体管的集电极与所述输出端相连接，所述npn双极型晶体管的发射极与所述输入端相连接，所述npn双极型晶体管的基极与所述第二晶体管的集电极或漏极相连接，且通过电阻器与输入端相连接。

3.如权利要求2所述的负输出调整电路，其中，所述npn双极型晶体管也被用作输出功率晶体管。

4.如权利要求1所述的负输出调整电路，其中，所述流入电流检测部分包括电流镜像电路，所述电流镜像电路产生与所述流入电流相应的镜像电流，所述流入电流检测部分输出该镜像电流作为所述检测电流。

5.如权利要求1所述的负输出调整电路，还包括放电晶体管，所述放电晶体管串联连接在所述输出端与所述接地端之间，在负电压输出停止时被导通。

6.如权利要求1所述的负输出调整电路，还包括：输出功率晶体管，所述输出功率晶体管串联连接在所述输入端和所述输出端之间；以及误差放大器，用于通过放大与所述输出电压相应的反馈电压与预定基准电压之间的差来产生误差电压，其中根据所述误差电压对所述功率晶体管的操作进行控制。

7.一种电子设备，包括如权利要求1所述的负输出调整电路。

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