CN103107690B - 具有集成电压钳位电路和电流宿的电源 - Google Patents

Abstract

一种具有集成电压钳位电路和电流宿的电源。多个示例性实施例涉及用于供电的系统和方法。该系统包括输入/输出端、稳压器和钳位电路。稳压器可以在第一模式中向输入/输出端供电，在第二模式中从输入/输出端吸收电流，并在第三模式中禁用。钳位电路可以在第一模式和第二模式中禁用，并且可以在第三模式中将输入/输出端处的电压限制到低于第一值。

Description

具有集成电压钳位电路和电流宿的电源

技术领域

本文中公开的多个示例性实施例通常涉及用于钳位电压和吸收(sinking)电流的电路。

背景技术

电压钳位电路可以用来使输入电压信号使用不能利用初始电压输入的电压范围或可能被初始电压输入的电压范围损坏的成分。电流宿(currentsinker)是可以从其它元件排出电流的电元件或者电路。

发明内容

提出了多个示例性实施例的简要概述。在接下来的概述中可以进行一些简化和省略，其意图是强调和引入多个示例性实施例的一些方面，但不是限制本发明的范围。在随后的段落中是优选示例性实施例的足以允许本领域技术人员实现和利用创造性概念的详细描述。

多个示例性实施例涉及一种用于供电的系统，包括：输入/输出端；稳压器，其中所述稳压器在第一模式中向输入/输出端供电，在第二模式中从输入/输出端吸收电流，并在第三模式中禁用；以及钳位电路，其中所述钳位电路在第一模式和第二模式中禁用，并在第三模式中将输入/输出端处的电压限制为小于第一值。

在一些实施例中，所述稳压器在第二模式中将输入/输出端处的电压限制为小于第一值。在一些实施例中，所述稳压器为推挽式低压差稳压器(push-pulllow-dropoutregulator)。在一些实施例中，所述稳压器包括源稳压器和宿稳压器(sinkregulator)。在一些实施例中，在输入/输出端处的电压超过阈值时启用所述宿稳压器。在一些实施例中，所述第一值是会损坏该系统的电压。在一些实施例中，所述稳压器和所述钳位电路集成在同一部件中。在一些实施例中，所述稳压器向微控制器供电。在一些实施例中，所述微控制器从外部开关接收输入。在一些实施例中，所述稳压器在第二模式中限制来自外部开关的电压，并且其中钳位电路在第三模式中限制来自外部开关的电压。

多个示例性实施例还涉及一种用于供电的方法，包括：在第一模式中通过稳压器向输入/输出端供电；在第二模式中通过所述稳压器从输入/输出端吸收电流；在第三模式中禁用所述稳压器；以及在第三模式中由钳位电路将输入/输出端处的电压限制为小于第一值。

在一些实施例中，通过稳压器从输入/输出端吸收电流包括在第二模式中将输入/输出端处的电压限制为小于第一值。在一些实施例中，所述稳压器为推挽式低压差稳压器。在一些实施例中，所述稳压器包括源稳压器和宿稳压器。在一些实施例中，用于供电的方法还包括在输入/输出端处的电压超过阈值时启用所述宿稳压器。在一些实施例中，将所述稳压器和所述钳位电路集成在同一部件中。在一些实施例中，用于供电的方法还包括由稳压器向微控制器供电。在一些实施例中，所述微控制器从外部开关接收输入。在一些实施例中，用于供电的方法还包括：在第二模式中由稳压器限制来自外部开关的电压；以及在第三模式中由钳位电路限制来自外部开关的电压。

附图说明

为了更好地理解多个示例性实施例，参考附图，其中：

图1图示常规电子控制单元的实施例；

图2图示根据本发明实施例的电子控制单元；

图3图示钳位电路的实施例；

图4a图示推挽式LDO稳压器的实施例；

图4b图示推挽式LDO稳压器的替代实施例；

图5图示推挽式LDO稳压器的替代实施例；以及

图6图示组合电路的实施例。

具体实施方式

现在参照附图，其中相同的数字表示相同的元件或步骤，公开了多个示例性实施例的宽的方面。

本领域技术人员应当理解，本文中的任何框图表示实施本发明实施例的原理的说明性电路的概念图。

根据上文，多个示例性实施例提供用于供电的系统和方法。

图1图示常规电子控制单元(ECU)100的实施例。ECU100可以包括微控制器(μC)102和集成电路(IC)104。ECU100、μC102和IC104可以被设置为集成部件或分离部件。IC104可以从诸如12V车用蓄电池之类的直流电压源接收输入电压Vin1。二极管D1可以帮忙将IC104从电源去耦合。IC104可以包括低压差稳压器(LDO)106。LDO106可以调整输入电压Vin1并且可以从输入/输出端V1输出恒定电压，用于向μC102供电。用于向μC102供电的电压可以在所述μC102的Vdd端处输入。齐纳二极管D2可以连接在地与IC104和μC102的V1端和Vdd端之间。μC102的输入端(P1，P2)可以连接至一个或多个开关(SW1，SW2)。输入端可以检测一个或多个开关(SW1，SW2)是否关断或接通。开关SW1和SW2可以为汽车内的开关。虽然在图1中图示了两个开关，但根据μC102的性能可以连接更多个开关。上拉电阻器R1和R2可以使施加至输入端P1和P2的电压在对应的开关(SW1，SW2)关断时与输入电压Vin2成比例。可以经由诸如12V车用蓄电池之类的直流电压源供给输入电压Vin2。可以由相同的电压源或不同的电压源供给输入电压Vin1和Vin2。电阻器R3和R4可以限制流入ECU100的电流。二极管D3和D4可以保护μC102免受静电放电(ESD)影响。

由Vin2供给至μC102的输入端P1和P2的电压可能是会损坏μC102的大电压。例如，由12V车用蓄电池供给的电压可以具有高达40V的电压供给范围。齐纳二极管D2可以在大的电压供给至输入端P1和P2中的一个或多个时保护μC102。输入端P1和P2可以经由ESD二极管D3和D4连接至齐纳二极管D2。齐纳二极管D1以及ESD二极管D3和D4可以形成限制输入端P1和P2上的电压的钳位电路。流入齐纳二极管D2的电流(Isink)可以由电阻器R3和R4限制。齐纳二极管D2的齐纳电压可以被选择为高于LDO106的最大输出电压。例如，如果LDO106的最大输出电压为5.5V，则齐纳电压可以被选择为7V，以考虑压差范围和最大Isink电流。常规ECU100中的IC104可以被设计为被动地承受V1端处的电压。IC104可以承受的电压可以取决于IC的制造工艺。例如，ABCD3制造工艺可以包括5VCMOS部件。采用ABCD3工艺制成的IC可能能够被动地承受7V的电压。

然而，在一些实施例中，IC104可能不能承受V1端处的某些电压，并且IC104在一个或多个开关(SW1，SW2)关断时可能出现故障或损坏。例如，采用ABCD9工艺制成的IC可以包括具有3.6V击穿电压的CMOS14基部件。采用ABCD9工艺制成的IC可以具有6V最大电压并且可能在7V处损坏。因而，可能希望将V1端处的电压限制到低于IC的最大电压。

替代地，由于成本和部件尺寸考虑，外部齐纳二极管D2的使用对于系统设计者来说可能不是希望的。因而，可能希望将外部齐纳二极管D2的钳位功能结合到IC中。

图2图示根据本发明实施例的电子控制单元(ECU)200。ECU200可以包括微控制器(μC)202和集成电路(IC)204。ECU200、μC202和IC204可以被设置为集成部件或分离部件。IC204可以从诸如12V车用蓄电池之类的直流电压源接收输入电压Vin1。二极管D1可以帮忙将IC204从电源去耦合。IC204可以包括推挽式低压差稳压器(LDO)206。推挽式LDO206可以调整输入电压Vin1并且可以从输入/输出端V1输出恒定电压，用于向μC202供电。用于向μC202供电的电压可以在μC202的Vdd端处输入。IC204还可以包括内部钳位电路208。内部钳位电路208可以连接至IC204的V1端。IC204还可以包括用于启用/禁用推挽式LDO206和内部钳位电路208的开关SW3和SW4。开关SW3和SW4可以由启用/禁用信号激活。启用/禁用信号可以由IC202中的数字逻辑电路(未示出)供给。

μC202的输入端(P1，P2)可以连接至一个或多个开关(SW1，SW2)。输入端可以检测一个或多个开关(SW1，SW2)是否关断或接通。开关SW1和SW2可以为汽车内的开关。虽然在图2中图示了两个开关，但根据μC202的性能可以连接更多个开关。上拉电阻器R1和R2可以使施加至输入端P1和P2的电压在对应的开关(SW1，SW2)关断时与输入电压Vin2成比例。可以经由诸如12V车用蓄电池之类的直流电压源供给输入电压Vin2。可以由相同的电压源或不同的电压源供给输入电压Vin1和Vin2。电阻器R3和R4可以限制流入ECU200的电流。二极管D3和D4可以保护μC102免受静电放电(ESD)影响

由Vin2供给至μC202的输入端P1和P2的电压可能为可能损坏μC202的大电压。例如，由12V车用蓄电池供给的电压可以具有高达40V的电压供给范围。IC204中的电路可以在大的电压施加至输入端P1和P2中的一个或多个时保护μC202。输入端P1和P2可以经由ESD二极管D3和D4连接至IC204的V1端。流入IC204的电流(Isink)可以由电阻器R3和R4限制。

可以在推挽式LDO206禁用时或在IC204未接收输入电压Vin1时启用钳位电路208。可以在启用推挽式LDO206时禁用钳位电路208。钳位电路208可以在仅在IC204的V1端存在电压时起作用。钳位电路208可以在推挽式LDO206禁用时(例如，在来自Vin1的电压非常低或不可用时)保护μC202。推挽式LDO206可以在钳位电路禁用时保护μC202。当启用钳位电路208时，V1端处的电压可以被钳位至0V和低于IC204可以承受的最大电压(Vmax)的电压之间。当启用推挽式LDO206时，V1端处的电压可以被保持在最小和最大(Vmin和Vmax)范围内。

推挽式LDO206能够同时供给电流和吸收电流。当推挽式LDO206启用并且钳位电路208禁用时，推挽式LDO206可以从IC206的V1端吸收多余的电流。推挽式LDO206可以被设计为吸收由μC202允许的最大反向电流。

图3图示钳位电路300的实施例。钳位电路300可以包括低压NMOS晶体管T1和T2的级联。晶体管T3可以启用/禁用钳位电路300。当晶体管T3关断(启用/禁用信号＝LOW(低))时，V1端处的输出电压可以为晶体管T2的Vgs电压。根据晶体管T2的尺寸和漏电流，V1端处的电压可以比Vmax低很多。当钳位电路禁用(启用/禁用信号＝HIGH(高))时，钳位电路300的电流消耗可以由电阻器R1和R2限制。电阻器R1和R2可以具有大的值以将该电流消耗限制到可接受的水平。虽然在图3中示出了NMOS晶体管，但其它类型的钳位技术可以用于图2中图示的钳位电路208。

图4a图示推挽式LDO400的实施例。图4a中图示的推挽式LDO400可以基于PMOS晶体管T1。推挽式LDO400可以包括放大器A1以及偏置电阻器R1和R2。为了推挽式LDO400吸收电流，推挽式LDO400还可以包括推挽式驱动器402和NMOS晶体管T2。推挽式驱动器402可以以AB类、B类或C类配置驱动晶体管T1和T2。推挽式LDO400可以被配置为使得在电流(通过晶体管T2)流入推挽式LDO400时，V1端处的输出电压保持低于Vmax。然而，用于吸收电流的其它部件可能增加推挽式LDO400的静态电流。

图4b图示推挽式LDO410的可替换实施例。图4b中图示的推挽式LDO410可以基于NMOS晶体管T1。图4b中的其它部件可以类似于图4a中图示的推挽式LDO400操作。推挽式LDO410可以包括放大器A1以及偏置电阻器R1和R2。为了推挽式LDO410吸收电流，推挽式LDO410还可以包括推挽式驱动器412和NMOS晶体管T2。推挽式驱动器412可以以AB类、B类或C类配置驱动晶体管T1和T2。推挽式LDO410可以被配置为使得在电流(通过晶体管T2)流入推挽式LDO400时，V1端处的输出电压保持低于Vmax。然而，用于吸收电流的其它部件可能增加推挽式LDO410的静态电流。

图5图示推挽式LDO500的替代实施例。图5中图示的推挽式LDO500可以包括源LDO502和宿LDO504。源LDO502可以包括PMOS晶体管T1、放大器A1以及偏置电阻器R1和R2。可替换地，晶体管T1可以为如图4a中所描述的NMOS晶体管。宿LDO504可以类似于源LDO502，但NMOS输出晶体管T2连接至地。比较器C1可以将V1端处的电压与阈值电压Von进行比较。比较器C1可以通过在V1端处的电压超过阈值Von时激活开关SW1而启用宿LDO504。当宿LDO504启用时，放大器A2可以驱动晶体管T2。放大器可以由电阻器R3和R4进行偏置。由于宿LDO504仅在V1端上的电压与某个值(Von)相交叉时才启用，因此与图4a和4b中图示的电路不同，宿LDO504可能不需要具有低的静态电流消耗。

图6图示包括钳位电路602和宿LDO604在内的组合电路600的实施例。组合电路600还可以包括高压级联晶体管T1。钳位电路602可以将V1端处的电压限制到最小电压Vmin和最大电压Vmax之间。最小电压Vmin和最大电压Vmax可以由IC204和其它系统部件决定。在钳位电路602禁用时，钳位电路602可以消耗Imax的最大电流。宿LDO604可以在接近钳位电路602的最大电压Vmax下操作。两个电路可以共享高压级联晶体管T1，因为晶体管T1的尺寸与钳位电路602和宿LDO604电路相比相对较大。

钳位电路602可以包括晶体管T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T1O、T11和T12以及电阻器R1、R2和R3。宿LDO604可以包括晶体管T13、放大器A1、开关SW1以及电阻器R4和R5。

类似于图2中描述的系统，组合电路600可以在宿LDO604启用时禁用钳位电路602，在宿LDO604禁用时启用钳位电路602。通过低(LOW)启用/禁用信号，可以启用钳位电路602和禁用宿LDO。当钳位电路602启用且宿LDO604禁用时，钳位电路602中的电路可以作用于反馈电路，所述反馈电路可以将电压调整至带隙电压的近似四倍。通过驱动晶体管T10，可以将钳位电路602调整到晶体管T9中的电流等于晶体管T7中的电流的状态，使得晶体管T1和T10中的电流等于V1端处的电流。接下来的等式可以用来计算钳位电路启用时组合电路600中的值：

I_T9＝I_T7＝I_T8＝I_T6

$I_{T6}=\frac{V_T\ln 2}{R3}$

$V_{V1}=4V_{\mathrm{BE}}+\frac{R1+R2}{R3}{V}_T\ln 2=4(V_{\mathrm{BE}}+\frac{R1+R2}{4R3}{V}_T\ln 2)$

V1端处的输出电压可以被调整为带隙电压的四倍(例如，约4.8V)。电阻器R1和R2可以用来偏置高压级联晶体管T1的栅极。高压级联晶体管T1可以被偏置为使得高压级联晶体管T1的源极电压低于钳位电路602中使用的晶体管的最大可允许电压(例如，3.3V)。电阻器R1、R2和R3可以具有高的电阻，并且可以在钳位电路602禁用时降低钳位电路602的电流消耗。可以采用下述等式确定电阻器R1和R2的值：

$I_{V1}=\frac{V_{V1}-3V_{\mathrm{BE}}}{R1+R2}$

例如，如果V1端处的电压为5V，电流为1μA，则R1+R2可以被选择为约等于3MΩ。

当单独的比较器(未示出)检测到V1端处的电压高于某个阈值(例如，5.5V)时，比较器可以通过将启用/禁用信号设置为高而启用宿LDO604并禁用钳位电路602。宿LDO604可以采用参考电压(例如，1.21V带隙电压)，随后可以通过负反馈将参考电压乘以电阻器R4和R5的比率。放大器A1可以驱动晶体管T13，所述晶体管可以吸收通过高压级联晶体管T1的期望量的电流。下述等式可以用来计算宿LDO604启用时V1端处的电压：

$V_{V1}=\frac{R4+R5}{R5}{V}_{\mathrm{ref}}$

组合电路600可以从V1端吸收电流，并且可以将V1端处的电压维持在期望的Vmax和Vmin值内。组合电路600可以防止损坏其它系统部件，并且可以确保其它系统部件正确地运行。

虽然已经特别参照多个示例性实施例的一些示例性方面详细描述了多个示例性实施例，但应当理解，本发明能够具有其它实施例并且它的细节在多个明显的方面能够进行修改。如本领域技术人员容易明白的那样，可以实现多种变化和修改，同时保持在本发明的精神和范围内。因此，前述公开内容、描述和附图仅是用于说明目的，且决不限制本发明，本发明仅由权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于供电的系统，包括：

输入/输出端；稳压器，其中所述稳压器在第一模式中向输入/输出端供电，当在输入/输出端的电压超过阈值电压时在第二模式中从输入/输出端吸收电流，所述电流是连接至输入/输出端的微控制器的反向电流，并在第三模式中禁用；以及

钳位电路，其中所述钳位电路在第一模式和第二模式中禁用，并在第三模式中将输入/输出端处的电压限制到低于第一值。

2.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述稳压器在第二模式中将输入/输出端处的电压限制到低于第一值。

3.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述稳压器是推挽式低压差稳压器。

4.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述稳压器包括源稳压器和宿稳压器。

5.根据权利要求4所述的用于供电的系统，其中在输入/输出端处的电压超过阈值时启用所述宿稳压器。

6.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述第一值是会损坏所述系统的电压。

7.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述稳压器和所述钳位电路集成在同一部件中。

8.根据权利要求1所述的用于供电的系统，其中所述稳压器向微控制器供电。

9.根据权利要求8所述的用于供电的系统，其中所述微控制器从外部开关接收输入。

10.根据权利要求9所述的用于供电的系统，其中所述稳压器在第二模式中限制来自外部开关的电压，并且其中所述钳位电路在第三模式中限制来自外部开关的电压。

11.一种用于供电的方法，包括：

在第一模式中通过稳压器向输入/输出端供电；

当在输入/输出端的电压超过阈值电压时在第二模式中通过所述稳压器从输入/输出端吸收电流，所述电流是连接至输入/输出端的微控制器的反向电流；

在第三模式中禁用所述稳压器；以及

在第三模式中由钳位电路将输入/输出端处的电压限制到低于第一值。

12.根据权利要求11所述的用于供电的方法，其中通过所述稳压器从输入/输出端吸收电流包括在第二模式中将输入/输出端处的电压限制到低于第一值。

13.根据权利要求11所述的用于供电的方法，其中所述稳压器是推挽式低压差稳压器。

14.根据权利要求11所述的用于供电的方法，其中所述稳压器包括源稳压器和宿稳压器。

15.根据权利要求14所述的用于供电的方法，还包括：

在输入/输出端处的电压超过阈值时启用所述宿稳压器。

16.根据权利要求11所述的用于供电的方法，其中所述稳压器和所述钳位电路集成在同一部件中。

17.根据权利要求11所述的用于供电的方法，还包括：

通过所述稳压器向微控制器供电。

18.根据权利要求17所述的用于供电的方法，其中所述微控制器从外部开关接收输入。

19.根据权利要求18所述的用于供电的方法，还包括：

在第二模式中通过所述稳压器限制来自外部开关的电压；以及

在第三模式中通过所述钳位电路限制来自外部开关的电压。