CN101727957A - 电路、应用以及运行电路的方法 - Google Patents

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Abstract

电路、应用以及用于运行电路的方法具有稳压的第一电压源，所述稳压的第一电压源用于在所述第一电压源的输出端上为子电路提供供电电压，具有可调整的第二电压源，所述可调整的第二电压源用于提供输出电压以向所述电路馈电，具有分析处理电路，所述分析处理电路与所述第二电压源的输出端相连接并且与所述第二电压源的控制输入端相连接并且与所述第一电压源的输出端连接，其中，所述分析处理电路被构造用于在分析处理所述第一电压源的输出端上的供电电压的情况下借助所述第二电压源的控制输入端上的控制信号来调整所述第二电压源的输出电压，以及其中，所述分析处理电路和/或所述第二电压源具有存储器，所述存储器用于存储所述调整的值。

Description

电路、应用以及运行电路的方法
技术领域
本发明涉及一种电路、一种应用以及一种用于运行电路的方法。
背景技术
线性电压调节器本身是公知的。“Halbleiterschaltungstechnik”，U.Tietze和C.Schenk著，2002年第12版，第926至936页中公开了作为线性电压调节器的、具有稳压电压源的不同电路。
发明内容
本发明的任务在于尽可能地改进电路。
所述任务通过具有独立权利要求1的特征的电路解决。有利的进一步构型是从属权利要求的主题并且包含在说明书中。
因此，提出一种电路，所述电路优选地由半导体芯片单片地集成。优选地，所述电路被构造为借助电池运行。
所述电路具有稳压的第一电压源，其用于为子电路提供供电电压。第一电压源具有与子电路相连接的输出端，在所述输出端上提供供电电压。优选的是，第一电压源具有调节放大器
Figure G2009102081040D0000011
和参考电压源，其中，调节放大器将供电电压调节到额定值。
所述电路具有可调整的第二电压源，其被构造用于提供输出电压以便为子电路供电。优选的是，第二电压源被构造用于在第一电压源被禁用的情况下提供输出电压。优选的是，第二电压源具有用于接通输出电压的开关。优选地，第二电压源被构造用于在第一电源被断开的情况下接管子电路的供电。优选的是，第二电压源具有串联调节器(Serienregler)，例如射极跟随器或者源极跟随器。优选的是，第二电压源被构造用于借助数字控制信号调整至少输出电压。优选的是，调整算法被设置用于将第二电压源的输出电压调整到第一电压源的输出电压，其中，经调整的电压值可以偏差例如一个LSB(Lowest Significant Bit：最低有效位)。
所述电路具有分析处理电路，所述分析处理电路——尤其为了测量第二电压源的输出电压——与第二电压源的输出端相连接。分析处理电路的控制输出端与第二电压源的控制输入端相连接。分析处理电路的输入端与第一电压源的输出端相连接。
所述分析处理电路被构造用于借助第二电压源的控制输入端上的控制信号——尤其是数字的控制信号——调整第二电压源的输出电压。分析处理电路被构造用于在分析处理第一电压源的输出端上的供电电压的情况下实施对第二电压源的输出电压的调整。特别地，第一电压源的输出端上的电压作为所述调整的参考。
所述分析处理电路和/或第二电压源具有用于存储调整的值的存储器。存储器被优选地这样连接或者被这样构造，使得在第一电压源被禁用的情况下调整的值仍被保持。优选地，存储器——尤其为了连接电池——与电路的输入电压连接端子相连接。
此外，本发明的任务还在于说明一种尽可能改进的方法。
所述任务通过具有独立权利要求10的特征的方法解决。有利的进一步构型是从属权利要求的主题并且包含在说明书中。
因此，提出了一种用于在运行模式中以及在休眠模式中运行电路的方法。电路在休眠模式中的电流消耗比在运行模式中的电流消耗小。优选地，休眠模式中的电路功能的数量比运行模式中的电路功能的数量少。
在运行模式中，子电路由稳压的第一电压源提供供电电压。优选的是，为了运行模式而激活第一电压源。
在休眠模式中，第一电压源被禁用。在休眠模式中，子电路由第二电压源供电。至少在休眠模式中激活第二电压源。
在运行模式中，根据第一电压源的供电电压自动地调整第二电压源的输出电压。在此优选的是，将输出电压调整到一个电压值，所述电压值能够使逻辑信息保持在子电路中。通过调节第二电压源的电阻装置的电阻值进行所述调整。在此，输出电压取决于电阻值。优选地通过接通或者断开欧姆电阻或者优选地通过接通或者断开有源电阻元件调节电阻值，所述有源电阻元件例如有利地是场效应晶体管。
此外，本发明的任务在于说明一种应用。
所述任务通过具有独立权利要求11的特征的应用解决。有利的进一步构型是从属权利要求的主题并且包含在说明书中。
因此，提出一种将稳压的第一电压源和可调整的第二电压源用于运行子电路的应用方法。子电路的运行在运行模式中借助第一电压源进行以及在休眠模式中借助第二电压源进行。在运行模式期间，根据第一电压源的输出端上的电压以及第二电压源的输出电流调整第二电压源的输出电压。第二电压源的输出电流与休眠模式中流过子电路的静态电流(Ruhrstrom)相匹配。在此，静态电流由不同的部分电流组成，例如流过模拟和/或数字子电路的漏电流或者具有小的电流消耗的子电路——例如慢速计数器或者时钟电路(RTC-Real Time Clock：实时钟)的小的静态供电电流。
以下所述的进一步构型不仅涉及所述电路，而且涉及所述应用，还涉及用于运行电路的所述方法。在此，所述电路的功能由方法特征得出。方法特征同样由所述电路的功能得出。
根据一个有利的进一步构型，子电路被构造用于运行模式和休眠模式。在运行模式中，子电路被构造为消耗工作电流。而在休眠模式中，比运行电流小的静态电流流过子电路。
优选地，在运行模式中激活第一电压源。优选地，在休眠模式中禁用第一电压源并且激活第二电压源。优选地，分析处理电路被设置用于运行模式中的调整。在此有利的是，调整至少在初次启动的运行模式期间进行。
在一个另外的进一步构型中，分析处理电路在休眠模式中的调整期间具有作为第二电压源的输出端的负载的电流源。优选地，电流源的电流处于休眠模式中流过子电路的静态电流的数量级。有利的是，流过电流源的电流与在休眠模式中流过子电路的静态电流相差不超过二十倍，优选地不超过十倍。有利的是，电流以0.1μA至10μA之间的电流强度流过电流源。电流源的电流与休眠模式中的静态电流之间的过大偏差可能导致第二电压源的输出电压不再落入所期望的标准范围内。
根据一个有利的进一步构型，分析处理电路具有比较器。为了将第二电压源的输出电压与由第一电压源提供的供电电压进行比较，比较器既与第二电压源的输出端连接也与第一电压源的输出端连接。
优选的是，分析处理电路具有计算单元，所述计算单元用于分析处理第二电压源的输出电压和在第一电压源的输出端上提供的供电电压。有利的是，计算单元被构造为状态机(state machine)。计算单元也可被构造为是可编程的。例如，计算单元被构造为微控制器内核。有利的是，计算单元可以与或者已经与电路的输入电压——尤其是与电池电压——相连接。
根据一个构型，计算单元的输入端与比较器的输出端相连接，以便分析处理比较器的输出信号。
在一个有利的构型方案中，分析处理电路被设置用于优选地借助尤其逐次逼近来调整第二电压源的输出电压。替换地，也可以从最小的电压开始逐步地提高第二电压源的输出电压直到达到所需的输出电压。
根据一个有利的构型方案，分析处理电路具有温度传感器元件，所述温度传感器元件用于确定电路温度，尤其是子电路的电路温度。优选的是，分析处理电路被设置用于将调整的值分配(mapping)给电路温度。如果已知电路的温度特性，则可以不对温度进行分析处理作为温度电流值或者温度电压值。
在一个有利的进一步构型中，第二电压源具有电流源和电阻装置以产生参考电压。优选地，分析处理电路被构造用于根据调整的结果进行电流源的对温度变化的响应的匹配。
根据一个有利的构型方案，电路具有半导体开关，所述半导体开关用于第二电压源的输出电压到第二电压源的输出端上的开关。为此，优选的是，开关连接到输出激励晶体管上以及连接到输出连接端子上。
优选的是，第二电压源具有电阻装置，所述电阻装置具有可变的电阻值以便调节输出电压。电阻装置优选地具有多个电阻元件。电阻元件例如是欧姆电阻或者有源元件，例如漏极与栅极可以连接或者已经连接的场效应晶体管。
优选的是，第二电压源具有被连接为源极跟随器或者发射极跟随器的晶体管。优选的是，晶体管的控制输入端(栅极/基极)与电阻装置相连接。优选的是，晶体管的源极或者发射极可以与或者已经与第二电压源的输出端连接。
前面所述的进一步构型方案不仅单独应用是特别有利的，而且以组合的形式应用也是特别有利的。在此，全部的进一步构型方案可以彼此组合。在附图的实施例的说明中阐述了一些可能的组合。但是在那里所述的进一步构型方案的组合的可能性并未穷尽。
附图说明
以下通过实施例参照附图对本发明进行详细地说明。
在此，附图示出：
图1：一个实施例的电路的示意性电路图，
图2：供电电压的电压变化曲线的示意图，
图3：可调整的电压源的一个实施例，以及
图4：可调整的电压源的一个另外的实施例。
具体实施方式
在图1中通过框图示意性地示出了具有第一电压源100和第二电压源300的电路。两个电压源100和300由输入电压V33馈电。有利的是，输入电压V33作为电池电压位于3.3V。第一电压源100和第二电压源300与子电路200相连接。子电路200具有例如一个SRAM，所述SRAM具有所存储的信息。
在运行模式中，存储在子电路200中的信息被改变，以便例如进行测量或进行控制或实施其他功能，例如通过无线电信道的通信。为此，子电路200在运行模式中需要由第一电压源100提供的工作电流IB。第一电压源100具有线性电压调节器，为了向子电路200提供的供电电压VDD的高精度，所述线性电压调节器与带隙电路(Bandgabschaltung)相连接。优选的是，供电电压VDD与子电路的规格相匹配。在此，供电电压VDD低于输入电压(3.3V)并且具有例如1.8V的额定电压值。
在休眠模式中，信息和/或逻辑状态应仍保持在子电路200中。因此必须继续在子电路200上施加足够的供电电压。在休眠模式中，供电电压可以不由第一电压源100提供，因为第一电压源具有过高的电流消耗，过高的电流消耗会显著地缩短电池寿命。仅静态电流IL流过子电路200，所述静态电流IL比工作电流IB小得多。因此，可调整的第二电压源300具有有利地不高于工作电流的静态电流消耗。由此获得如下优点，即电池运行的时间特别长。
为了在休眠模式中使信息保持在子电路200中并且子电路不会由于过压而被损坏，第二电压源300的输出电压VR被如此调节，使得在禁用第一电压源100之后，第二电压源300的输出电压VR保持在允许的电压范围之内。在图2中将这样的电压范围示意性地表示为1.6V与2.0V之间的范围。在时刻t0，在休眠模式中，第一电压源100被禁用。对于在时刻t0以后与第二电压源300的输出电压VR相适应的供电电压VDD的变化曲线，在图2的图中两个允许的极端变化曲线被示意性地表示为允许的变化曲线的极限情况。在一种情况下，电压VDD下降到1.6V，在另一情况下，电压VDD上升到2.0V。电压VDD在时刻t0以后在休眠模式中所达到的电压值取决于第二电压源300的调整的精确度以及必要时取决于流过子电路200的静态电流IL以及必要时取决于调整时刻的温度变化。
在此，第二电压源300具有如下优点，即第二电压源300可以通过第二电压源300的输出电压VR的调整输出精确的工作电压VDD。此外，第二电压源300还具有如下优点，即第二电压源300本身仅具有非常小的电流消耗，以便在也被称为掉电阶段的休眠模式期间向例如子电路200的大的逻辑模块供电。在主调节器100被接通期间，第二电压源300被调整。调整元件340被优选地构造为电阻装置并且有利地具有MOS晶体管的串联电路作为电阻装置，所述MOS晶体管通过电流源330由恒定的电流IC馈电。此外，第二电压源300还具有输出激励晶体管310，所述输出激励晶体管310与第一输出端303相连接并且通过半导体开关320与第二输出端302相连接。输出激励晶体管310不具有阈值电压或者具有非常小的阈值电压。因此，输出激励晶体管310也被称为“零晶体管(Zero-Transistor)”。在输出激励晶体管310的源极接线端子上提供输出电压VR。
调整算法被实现为分析处理电路400中的状态机411。分析处理电路400具有比较器420，所述比较器420的第一输入端421与第一电压源100的输出端相连接，并且所述比较器420的第二输入端422与第二电压源300的第一输出端303相连接。分析处理电路400具有电流源430，恒定电流IK流过所述电流源430，在休眠模式中，所述恒定电流IK与流过子电流200的静态电流IL相匹配。在休眠模式中，电流源430与整个分析处理电路400一起被断开。有利的是，恒定电流IK与静态电流IL相差不超过20倍。比较器420的输出端与状态机411的输入端401相连接。可以通过控制输出端403以及通过输入端304控制第一电压源300的半导体开关320。当从运行模式转换到休眠模式以及从休眠模式转换到运行模式时，半导体开关320由上级系统(未示出)操作。分析处理电路400相应地对相同的信号做出响应。如果系统处于休眠模式中，则借助唤醒信号唤醒分析处理电路400并打开半导体开关320。随后，在运行状态中开始调整。在运行状态中，第一电压调节器100是有效的(运行模式)。根据休眠信号(power down)关闭半导体开关320。
此外，分析处理电路400的数字部分410具有作为存储器的寄存器412，所述寄存器412用于存储调整的值。调整的值在休眠模式中也被保持，因为在休眠模式中也对分析处理电路400的数字部分410施加输入电压V33。寄存器412中所包含的调整的值通过输出端402和第一电压源300的控制输入端310控制电阻装置340。此外，分析处理电路具有如下优点，即比较器的偏移量被补偿。由此可以避免由偏移电压引起的误差。恒定电流IK仅在运行模式中流动而在休眠模式中不流动，从而可以显著地延长电池供电。
寄存器412可由所连接的计算单元(未示出)——例如微控制器——重写。有利的是，可以通过所连接的计算单元进行寄存器内容的写和/或读。优选的是，分析处理电路400根据调整的结果改变电流源330的电流IC对温度变化的响应。为了减小分析处理电路400的电流消耗，通过时钟信号来同步比较器420。此外，图1的实施例的分析处理电路400还具有温度传感器元件440，以便使调整的值与子电路200的温度相对应。
图3中作为实施例示出了第一电压源300的电压源330和电阻装置340。电流源330具有PMOS晶体管MP330，所述PMOS晶体管MP330的栅极与电流参考电路331相连接。电流源330产生恒定的、但相对不精确的电流IC。电阻装置340具有精细调整电路341和粗略调整电路342。粗略调整电路342具有作为串联电路中的电阻元件的NMOS晶体管MN18、MN19、MN20、MN21、MN22、MN23、MN24、MN25和MN26。可以分别单独地通过半导体开关S18、S19、S20、S21、S22、S23、S24和S25使NMOS晶体管MN18至MN25短路。半导体开关S26使NMOS晶体管MN18至MN26的整个串联电路短路。
精细调整电路341具有作为串联电路的电阻元件的NMOS晶体管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10、MN11、MN12、MN13、MN14、MN15、MN16和MN17。可以分别单独地通过半导体开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15以及S16使NMOS晶体管MN1至MN16短路。有利的是，可借助存储在寄存器412中的值通过第二电压源300的控制输入端301单独地控制半导体开关S1至S26。
图4中示出电阻装置340′的一个另外的实施例。在精细调整电路341′中，电阻装置340′也具有NMOS晶体管MN1′至MN26′形式的电阻元件的串联电路。但是，半导体开关S1′至S26′被不同地连接。半导体开关S1′至S16′中的每一个都使NMOS晶体管MN2′至MN17′的源极与晶体管MN1′的源极短路。在此，半导体开关S1′至S16′将各个源极置于共同的节点上，所述共同的节点形成与粗略调整电路342′的连接。粗略调整电路342′具有NMOS晶体管MN18′至MN26′的串联电路，可以借助半导体开关S18′至S26′将这些晶体管逐级地跨接。半导体开关S26′用于在极端的调整条件下，例如在仅使用MN26′便已经产生了过高的输出电压的情况下完全地跨接粗略调整电路342′。
本发明并不限于图1至3所示的实施例。例如可以设置电阻装置的元件的其他布置或者其他数量。优选地，电流源330的电流IC是可调节的，使得根据调整的结果将电流IC转换到其他的值。有利的是，根据之前的调整结果首先打开或者关闭半导体开关S26′。有利的是，分析处理电路400借助逐次逼近的算法来实施调整。取代比较器，也可以使用模数转换器。根据图1的电路的功能可特别有利地用于通用无线电系统，尤其是根据工业标准ZigBee的通用无线电系统。
附图标记列表：
100                        稳压电压源、电压调节器
200                        子电路
300                        可调整的电压源
301、304                   控制输入端
302、303                   输出端
310                        NMOS晶体管
320                        半导体开关
330                        电流源
331                        电流参考电路
340、304′                 可调节的电阻装置
341、341′                 精细调整电路
342、342′                 粗略调整电路
400                        分析处理电路
401                        输入端
402、403                   输出端
410                        数字电路
411                        计算单元、状态机
                           状态自动机(state machine)
412                        存储器、寄存器
420                        比较器
421                        负输入端
422                        正输入端
430                        电流源
440                        温度传感器元件
MN1至MN26、MN1′至MN26′   NMOS晶体管
MP330                      MOS晶体管
S1至S26、S1′至S26′       半导体开关
IB                工作电流
IC                电流
IL                静态电流、漏电流
t0                开始休眠模式
t                 时间
V33               电压、电池电压
VDD               供电电压
VR                输出电压

Claims (11)

1.电路，
具有一稳压的第一电压源(100)，所述第一电压源(100)用于在所述第一电压源(100)的一输出端(101)上为一子电路(200)提供一供电电压(VDD)，
具有一可调整的第二电压源(300)，所述第二电压源(300)用于提供一输出电压(VR)以向所述电路(200)馈电，
具有一分析处理电路(400)，所述分析处理电路(400)与所述第二电压源(300)的一输出端(303)相连接并且与所述第二电压源(300)的一控制输入端(301)相连接并且与所述第一电压源(100)的输出端(101)相连接，
其中，所述分析处理电路(400)被构造用于在分析处理所述第一电压源(100)的输出端(101)上的供电电压(VDD)的情况下借助所述第二电压源(300)的控制输入端(301)上的一控制信号来调整所述第二电压源的输出电压(VR)，以及
其中，所述分析处理电路(400)和/或所述第二电压源(300)具有一存储器(412)，所述存储器(412)用于存储所述调整的值。
2.根据权利要求1所述的电路，
其中，所述子电路(200)被构造用于一运行模式和一休眠模式，所述运行模式具有一工作电流(IB)，所述休眠模式具有流过所述子电路(200)的、比所述工作电流小的静态电流(IL)，
其中，在运行模式中，所述第一电压源(100)被激活，
其中，在休眠模式中，所述第一电压源(100)被禁用并且所述第二电压源(300)被激活，以及
其中，所述分析处理电路(400)被设置用于在所述运行模式中进行所述调整。
3.根据以上权利要求之一所述的电路，
其中，所述分析处理电路(400)具有一电流源(430)，所述电流源(430)作为用于所述第二电压源(300)的输出端(303)的负载，其中，尤其是所述电流源(430)的电流处于流过所述子电路(200)的静态电流的数量级。
4.根据以上权利要求之一所述的电路，
其中，所述分析处理电路具有一比较器(420)，所述比较器(420)被连接用于所述第二电压源(300)的输出电压(VR)与在所述第一电压源(100)的输出端(101)上被提供的所述供电电压(VDD)的比较。
5.根据以上权利要求之一所述的电路，
其中，所述分析处理电路(400)具有一计算单元(411)，所述计算单元(411)用于分析处理所述第二电压源(300)的输出电压(VR)和在所述第一电压源(100)的输出端(101)上被提供的所述供电电压(VDD)，所述计算单元(411)尤其是与所述比较器(420)的一输出端相连接。
6.根据以上权利要求之一所述的电路，
其中，所述分析处理电路(400)被设置用于优选借助逐次逼近来调整所述第二电压源(300)的输出电压(VR)。
7.根据以上权利要求之一所述的电路，
其中，所述第二电压源(300)具有一电流源(330)和一电阻装置(340，340′)，所述电流源(330)和所述电阻装置(340，340′)用于产生一参考电压，
其中，所述分析处理电路(400)被构造用于根据所述调整的一结果来匹配所述电流源(330)的一对温度变化的响应。
8.根据以上所述权利要求之一所述的电路，
其中，所述第二电压源(300)具有一电阻装置(340，340′)，所述电阻装置(340，340′)具有可变的电阻值以便调节所述输出电压(VR)，
其中，所述第二电压源(300)具有一晶体管(310)，所述晶体管(310)被连接为源极跟随器或者发射极跟随器，
其中，所述晶体管(310)的一控制输入端与所述电阻装置(340，340′)相连接，
其中，所述晶体管(310)的源极或者发射极可以与或已经与所述第二电压源(300)的一输出端(302，303)连接。
9.根据以上权利要求之一所述的电路，
具有一半导体开关(320)，所述半导体开关(320)被连接用于所述第二电压源(300)的所述输出电压(VR)到所述第二电压源(300)的输出端(302)上的开关。
10.用于在一运行模式中以及在一休眠模式中运行一电路的方法，
其中，在所述运行模式中，由一稳压的第一电压源(100)向一子电路(200)提供一供电电压(VDD)，
其中，在所述休眠模式中，禁用所述第一电压源(100)并且通过一第二电压源(300)向所述子电路(200)供电，
其中，在所述运行模式中，根据所述第一电压源(100)的供电电压(VDD)通过调节所述第二电压源(300)的一电阻装置(340，340′)的电阻值来调整所述第二电压源(300)的一输出电压(VR)。
11.一稳压的第一电压源(100)和一可调整的第二电压源(300)的应用方法，用于在一运行模式中借助所述第一电压源(100)以及在一休眠模式中借助所述第二电压源(300)运行一电路，其中，在所述运行模式期间根据所述第一电压源(100)的输出端(101)上的一电压(VDD)以及所述第二电压源(300)的一与所述休眠模式的一静态电流(IL)相匹配的输出电流(IK)来调整所述第二电压源(300)的一输出电压(VR)。
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