CN101379688B - 用于调节电压的方法及其电路 - Google Patents

Abstract

一种调节器电路和用于调节输出电压的方法。调节器电路包括欠压保护级，其能够在多个工作模式下工作。在一种模式中，欠压保护级对输出电压中出现的低欠压进行补偿；在另一工作模式中，它对输出电压中出现的高欠压进行补偿。当输出电压具有低欠压时，来自电流源的部分电流传输到反馈网络，以平衡欠压保护级的输入电压并将电压调节器置于稳态工作模式。当输出电压具有高的欠压时，欠压保护级开启电流源晶体管，该晶体管和来自电流源的电流一起快速对补偿电容进行充电并增加电压调节器输出端的功率。

Description

用于调节电压的方法及其电路

技术领域

本发明通常涉及电压调节，且更具体地说，涉及被调电压的欠电压保护。

背景技术

提供交流/直流(AC/DC)整流的电压调节器通常包括诸如二极管桥之类的全波电压整流级、主开关式电源(SMPS)级以及介于线路和主SMPS之间的功率因数校正(PFC)级。SMPS提供了对输出波形的调节，并且PFC级从线路拉出正弦电流并提供直流(DC)电压给主SMPS。为了让许多系统正常工作，希望PFC级的输出电压在特定的范围内。PFC电路输送与负载的平均功率需量相匹配的平方正弦功率。因此，当供给负载的功率低于需量时，PFC级内的输出电容通过放电来补偿所欠缺的能量，而当供给的负载的功率大于需量时，该电容储存过剩的能量。结果，输出电压出现脉动，而设计者通过对输出电压积分来对所述脉动进行补偿。积分的缺点在于它降低了电源的动态性能并使其变慢。例如，负载的突然下降导致高的输出电压过冲，而负载的突然增加导致高输出电压下冲。

因此，就出现了对电压调节器以及改进电压调节器的动态性能和速度的方法的需求。此外，希望电压调节器制造起来成本和时间均高效。

附图说明

结合附图，对下列详细说明阅读后将更好地理解本发明，其中的单个图是根据本发明实施方式的、具有欠压保护电路的电压调节器的示意图。

具体实施方式

单个附图是电压调节器10的示意图，电压调节器10包括欠压保护级14，欠压保护级14具有耦合到反馈级12的输入和耦合到脉宽调制(PWM)调节级16的输出。PWM调节级16的输出耦合到功率因数校正(PFC)级18的输入，并且PFC级18的输出20作为电压调节器10的输出。输出电压V_out出现在输出20。负载22耦合在输出20和诸如V_ss之类的工作电位源之间。作为例子，工作电位源V_ss接地。电压整流器24连接到电压调节级18的输入26。

反馈级12，也被称为反馈网络，被耦合到输出20，并且可以包含例如一对电阻30和32。将电阻32的一个端子耦合成接收诸如V_ss之类的工作电位源，并且在节点34处将电阻32的另一端子公共连接到电阻30的端子。电阻30的另一端子连接到输出20。在节点34处被连接的电阻30和32的公共连接端子还被连接到欠电压保护级14的输入。应该理解，反馈级12不限于电阻分压网络。虽然反馈级1 2可连同欠压保护级14、PWM调节级16以及PFC级18一起集成在半导体衬底里，但其优选地作为片外电路网络来提供。反馈级12也被称为反馈网络或反馈部分。

根据一个实施方案，欠电压保护级14包括误差放大器38、电流源47、镜像晶体管(mirror transistor)49。误差放大器38包括差分输入级40、差分放大器41、电流源晶体管42、电流吸收晶体管44。差分输入级40具有倒相输入和非倒相输入，作为欠压保护电路的输入。差分输入级40的输出连接到差分放大器的输入。差分放大器41的一个输出连接到晶体管42的基极，而差分放大器41的另一个输出连接到晶体管44的基极。误差放大器为本领域技术人员已知。晶体管42的集电极被耦合成接收诸如V_DD之类的工作电位源。作为例子，工作电位源V_DD设置为5伏特。晶体管42的发射极在节点46被连接到晶体管44的集电极，而晶体管44的发射极被耦合成接收诸如V_ss之类的工作电位源。节点46作为欠压保护级14的输出，连接到PWM调节级16的输入。此外，节点46通过电荷存储器件48耦合到差分输入级40的倒相输入。举例来说，电荷存储器件48是补偿电容。电流源47的一个端子被耦合成接收诸如V_DD之类的工作电位源，而另一端子连接到节点46并连接至补偿电容48的一个端子。电流源47给节点46提供电流I_SOURSE0。欠压保护级14还包括镜像晶体管49，该晶体管的基极连接到电流源晶体管42的基极，集电极连接到差分输入级40的倒相输入，且发射极被耦合成接收诸如V_ss之类的工作电位源。虽然将晶体管42、44和49显示和描述为双极晶体管，但应该理解，这不是本发明的限制。例如，它们可以是带有栅极、源极和漏极的场效应晶体管(FET)。还应理解，双极晶体管的基极和FET的栅极也被称为控制电极，而双极晶体管的发射极和集电极也被称为载流电极。同样，FET的漏极和源极也被称为载流电极。

对于诸如电压整流器24的电压整流器以及诸如PWM调节级16的PWM调节级的电路实现已经为本领域技术人员所知。

PFC校正级18包括FET 50，该FET 50具有作为PFC电路18输入的栅极、通过电感52耦合到电压整流器级24的漏极，以及被耦合成接收诸如V_ss之类的工作电位源的源极。FET 50的源极还被连接到FET 50形成在其中的衬底。FET 50的漏极连接到二极管54的正极，而二极管54的负极连接到输出电容56的一个端子。输出电容56的另一端子被耦合成接收诸如V_ss之类的工作电位源。如此，二极管54的一个端子和输出电容56的一个端子共同互相连接以形成输出20。优选地，负载22与电容56并联耦合。

在工作中，PFC级18从电压整流器24接收已整流的电压信号，增大该已整流的电压信号，并在输出端20产生输出电压V_OUT。输出电压V_OUT被反馈到反馈网络12，该反馈网络产生流过电阻30的电流I_R30以及流过电阻32的电流I_R32。电压V_ss和在电阻32两端由电流I_R32产生的电压的和等于节点34处的电压，即，节点34处的电压V_FB。反馈信号V_FB出现在差分输入级40的倒相输入端。在工作在稳态工作模式或条件期间，即，在稳态运行期间，电压调节器10将倒相输入端的信号或电压的值保持为大约等于误差放大器38的非倒相输入端的信号或电压，即，电压V_REF。因此，差分输入级40的输入端的电压基本等于参考电压V_REF。在这个工作模式过程中，差分输入级40产生误差信号，差分放大器41使用该误差信号来产生用于接通或者启动电流吸收晶体管44的控制信号以及用于断开电流源晶体管42的控制信号。接通晶体管也被称为开启晶体管，而断开晶体管也被称为关闭晶体管。因此，电流吸收晶体管44从节点46吸收电流I_SINK，且电流源47输送电流I_SOURCE0到节点46。电流I_SINK大体等于电流I_SOURCE0。应该注意，当电流被吸收或者从节点传送走时，电流流出节点，而当电流输送给或者传送给节点时，电流流向该节点。还应注意，在稳态工作期间，补偿电容48既不主动充电也不主动放电，而是在其两端保持额定电压。

在输出电压V_OUT具有小的下冲的工作模式或条件下，分别流过电阻30和32的电流I_R30和I_R32小于他们各自的额定值。举例来说，额定输出电压V_OUT约为400伏，轻微的或小的下冲约为10伏或更少。具体地，流过电阻32的电流I_R32将太低而不能使节点34维持在参考电压电平V_REF。这种情况下，晶体管44减少或降低电流I_SINK以使节点46处的电流I_SOURCE0与I_SINK的和不再为零。应该注意，电流I_SINK减少到了非零程度。电流I_SOURCE0和已经下降的电流I_SINK的差，即差分电流，流过了补偿电容48，并补充流过电阻32的电流I_R32，从而使误差放大器38的倒相输入端的电压增高，使得该电压基本上与参考电压V_REF一样。

在输出电压V_OUT具有大的下冲的工作模式或条件下，即输出电压V_OUT低于额定值超过大约30伏，电流源47无法将差分输入级40的倒相输入端处的电压维持在基本等于参考电压V_REF的值。差分输入级40产生误差信号，该信号通过差分放大器41进行放大，进而产生断开电流吸收晶体管44的控制信号以及接通电流源晶体管42的控制信号。如此，电流吸收晶体管44吸收大致为0的电流，并且电流源晶体管42和镜像晶体管49分别产生I_SOURCE1和I_MIRROR。一大致等于电流I_SOURCE1和I_MIRROR之和的电流快速地给补偿电容48充电，并给节点34提供电流。镜像晶体管49从节点34吸收电流I_MIRROR，该电流大致等于由源晶体管42提供的电流。因为镜像晶体管49从节点34吸收或分走了大致等于由电流源晶体管42提供给节点34的电流I_SOURCE1，由电流源晶体管42提供的电流I_SOURCE1没有流过电阻32，且没有助于将差分输入级40的倒相输入端的电压保持在与参考电压VREF相等的水平。换句话说，电流源晶体管42提供的电流I_SOURCE1被镜像晶体管49吸收掉了。

对补偿电容48的快速充电导致节点46处的电压的快速增高。该电压加到PWM级16以控制由PFC级18输送到负载22的功率。如此，对电容48的快速充电导致输送到负载22的功率增加，并因此快速减轻任何可能出现在输出电压V_OUT中的下冲。

至此，应该理解，已经提供了具有欠压保护级的调节器电路和用于调节输出电压的方法。在稳态工作时，输出电压V_OUT处于所需值或额定值，且响应于出现在电阻32上的参考电压V_REF，流过电阻30的电流I_R30大致与通过电阻32的电流一样。因为参考电压V_REF出现在差分输入级40的倒相输入端，所以基本上没有电流流过电容48，且电流I_SINK抵消了由电流源47提供的电流I_SOURCE0。

如果输出电压V_OUT下降，则电流I_R30也下降。当电压V_OUT和电流I_R30下降到电流I_R30不足以将节点34处的电压维持在大致等于参考电压V_REF的程度时，电流I_SINK下降，以使与电流I_SOURCE0与I_SINK之差相等的差分电流提供通过电阻32的附加电流，以将节点34保持在大致等于参考电压V_REF的电压。这个电流也给电容48充电，并增大节点46处的电压，这增加了由PFC级18输送到负载22的功率，并由此降低了出现在输出电压V_OUT中的下冲量。

如果输出电压V_OUT中的下冲严重到使得由电流源47输送的电流I_SOURCE0没有大到足以维持节点34的电压大致等于参考电压V_REF，则来自电流吸收晶体管44的电流I_SINK下降到零，并且电流源42提供附加电流I_SOURCE1。当下冲电压大于与电流I_SOURCE0和电阻30的阻值的乘积相等的电压时，会发生上述情况。电流I_SOURCE1由镜像晶体管49镜像，并被从节点34抽出，由此防止其将节点34的电压保持为等于参考电压V_REF。如此，节点34的电压保持为低于参考电压V_REF，且误差放大器38使电流源晶体管42输出其最大电流以迫使在节点34处出现的电压等于参考电压V_REF。镜像晶体管49通过吸收大致等于由电流源晶体管42产生的电流I_SOURCE1的电流，来补偿该作用。由于镜像晶体管49吸收电流I_SOURCE1，该电流对补偿电容48充电而不增加节点34的电压。本发明的优点在于，电流I_SOURCE1有助于对补偿电容48高速充电，这提高了节点46的电压并有助于降低出现在输出电压V_OUT中的下冲。一旦下冲电压小于与电流I_SOURCE0和电阻器30的阻值的乘积大致相等的电压，则输出电压V_OUT不再处在严重的下冲情况，而可处在轻微的下冲或稳态情况。

虽然某些优选实施方案和方法已经在这里公开，但根据前述公开，对本领域技术人员明显而易见的是，可以对这些实施方案和方法进行变更和修改，而不偏离本发明的精神和范围。例如，可以修改电路来克服出现在输出电压中的过冲。用于实现这些修改的一项技术是用电流吸收器来取代电流源47，去掉镜像晶体管49并将一镜像晶体管耦合到晶体管44。本发明旨在应仅被限制到所附权利要求和可适用的法律的规定和法则所要求的程度。

Claims (16)

1.一种用于调节电压的方法，包括以下步骤：

在第一节点处产生第一电压；

将所述第一电压和第二电压进行比较以产生误差信号；

响应于所述误差信号和具有小的下冲的所述第一电压产生第一控制信号；

响应于所述第一控制信号产生第一电流；

提供第二电流，其中在稳态工作的条件下，所述第一电流大致等于所述第二电流，并且其中在所述第一电压具有小的下冲的条件下，所述第一电流是第二电流的一部分；

响应于所述第一电压小于所述第二电压，在第一电压具有小的下冲的工作条件下，将所述第二电流的一部分传输到所述第一节点，以及在所述第一电压具有大的下冲的工作条件下，将所述第二电流的全部传输到所述第一节点，

在所述第一电压具有大的下冲的条件下根据所述误差信号产生第二控制信号；

根据所述第二控制信号产生第三电流；以及

在所述第一电压严重低于所述第二电压的情况下，使用所述第二电流和所述第三电流来增加所述第一节点处的所述第一电压。

2.如权利要求1所述的方法，其中响应于所述第一控制信号产生所述第一电流的步骤包括激励电流源以产生第一电流。

3.如权利要求2所述的方法，其中提供所述第二电流的步骤包括在稳态工作的条件下提供大致等于所述第一电流的所述第二电流，且其中所述第二电流被传送到第二节点而所述第一电流被传送出所述第二节点。

4.如权利要求2所述的方法，还包括响应于所述第一电压小于所述第二电压将所述第一电流降到减少的第一电流，并使用差分电流将所述第一电压增加到大致等于所述第二电压，其中所述差分电流大致等于所述第二电流和所述减少的第一电流之差。

5.如权利要求1所述的方法，还包括根据所述第二控制信号产生第四电流。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述第四电流大致等于所述第三电流，且其中所述第三电流被传送到所述第一节点，而所述第四电流被传送出所述第一节点。

7.如权利要求1所述的方法，其中，第二电流和所述第三电流一起给电荷存储器件充电。

8.一种用于调节电压的方法，包括以下步骤：

在第一工作条件中：

将第一电流供给第一节点；以及

从所述第一节点吸收第二电流，其中所述第二电流大致等于所述第一电流；

在第二工作条件中：

将所述第二电流降到非零水平的减少的水平；

将所述第一电流的第一部分供给所述第一节点；以及

将所述第一电流的第二部分供给第二节点，其中所述第二部分大致等于所述第一电流与处在所述减少的水平上的所述第二电流之差；

在第三工作条件中：

断开所述第二电流；

将所述第一电流供给所述第二节点；以及

将第三电流供给所述第二节点，

其中所述第一工作条件是稳态工作条件，所述第二工作条件是输出电压具有小的下冲的工作条件，第三工作条件是输出电压具有大的下冲的工作条件，并且其中电压通过传送到所述第二节点的电流进行调节。

9.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一电流的所述第二部分供给所述第二节点的步骤增大所述第二节点处的电压。

10.如权利要求8所述的方法，还包括响应于输出电压具有大的下冲从所述第二节点吸收第四电流。

11.如权利要求10所述的方法，所述第四电流大致等于所述第三电流。

12.如权利要求11所述的方法，其中将所述第一电流供给所述第二节点的步骤和将所述第三电流供给所述第二节点的步骤增加所述第一节点处的电压。

13.如权利要求12所述的方法，其中在第三工作条件，断开所述第二电流，将所述第一电流供给所述第二节点以及将第三电流供给所述第二节点步骤包括给电荷存储器件充电。

14.如权利要求8所述的方法，其中将所述第一电流供给所述第一节点的步骤包括使用电流源供给所述第一电流，且从所述第一节点吸收所述第二电流的步骤包括接通第一晶体管，其中所述电流源具有耦合到第一节点的第一载流电极，并且所述第一晶体管具有耦合到所述第一节点的载流电极。

15.如权利要求14所述的方法，其中断开所述第二电流的步骤包括断开所述第一晶体管，且其中将所述第三电流供给所述第二节点的步骤包括开启第二晶体管。

16.如权利要求15所述的方法，还包括在输出电压具有大的下冲的工作条件下并且在将第三电流供给第二节点时开启第三晶体管以从所述第二节点吸收第四电流，其中所述第四电流大致等于所述第三电流。

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