CN103378730A - 电压调节器的控制器 - Google Patents

Abstract

公开了一种电压调节器的控制器。该控制器可在第一和第二操作模式之间切换，在第一和第二操作模式中控制器控制调节器分别操作在开关模式和线性模式，该控制器还适于对电压调节器的输入电压进行响应以进入第三操作模式，在第三操作模式下输入电压被直接耦合到输出端子。

Description

电压调节器的控制器

技术领域

本发明涉及一种电压调节器的控制器。

背景技术

电压调节器被应用在各种各样的电子电路中，用来保持电源电压在可接受的范围内。一般有两种常用的电压调节器：开关调节器和线性调节器。开关调节器控制一个或多个晶体管开关的开关占空比将输出电压维持在所需的值，由于开关中耗散的功率很小使得其效率非常高。线性调节器使用晶体管引起输入和输出电压之间的电压降，由于晶体管中会耗散大量功率，导致其效率比较低。

从表面上看，开关调节器似乎应该是自然而然的选择。然而，也有各种各样的原因使得使用线性调节器。在这些原因中，一个事实是从线性调节器实现稳定输出电压所需的能量通常远低于开关调节器所需的能量。例如，在低功率的通信产品(如使用IEEE802.4.15和Zigbee标准的产品)中这一特性是有用的。这些产品可能需要连续供电(在这种情况下，开关调节器由于其效率高会是很好的选择)，或者可能需要在事件发生时基于获得能量来操作以传输数据突发。

例如，Zigbee绿色标准要求仅使用100μJ的获得能量来传输三个数据包的突发。典型的开关调节器在启动阶段几乎消耗这么多的能量。另一方面，线性调节器在消耗约小三个数量级的能量后就能实现稳定的输出电压，留下大部分的获得能量可用来进行突发传输。因此，同一产品(例如一个低功率无线电装置)的不同应用对于电压调节提出不同要求，这意味着至少需要两种不同的产品来满足这些不同的需求。

通常，这两种产品是降压调节器和低压差线性调节器。然而，对于这两个产品还存在问题。具体地说，这两种产品经常与电池或电压不可预测且较低的获得能量源一起使用。这两种类型的设备的操作所需的电压空间限制了它们能够据此操作以产生稳定输出电压的最低电压。这会严重影响电池的使用寿命，或者甚至严重影响从收获能源操作的能力。

发明内容

根据本发明第一方面，提供一种电压调节器的控制器，该控制器可在第一和第二操作模式之间切换，在第一和第二操作模式中控制器适于控制调节器分别在开关模式和线性模式操作，其中控制器还适于对电压调节器的输入电压进行响应以进入第三操作模式，在第三操作模式中输入电压被直接耦合到输出端子。

通过提供电压调节器的控制器，能够控制在开关和线性模式之间切换并且响应于输入电压来采用有效地旁路掉调节器的第三操作模式，本发明能够解决上述问题。

典型地，该调节器包括耦合在电压调节器的输入端子和输出端子间的第一晶体管、以及耦合在输出端子和接地端子间的第二晶体管。例如，如果第一和第二晶体管为CMOS晶体管，则第一晶体管的漏极和源极可以分别耦合至电压调节器的输入端子和输出端子，第二晶体管的漏极和源极可以分别耦合至输出端子和地。每个晶体管的栅极可以耦合到控制器，使得控制器可以控制这些晶体管的操作。因此，该控制器可以用于控制由上述晶体管配置的调节器。

该控制器适于在第一模式时驱动第一和第二晶体管作为开关，使得在反馈端子上保持所需电压。因此，该控制器适于操作调节器作为降压转换器。典型地，串联的电感器和电容器耦合在输出端子和接地端子之间，使用时电感器和电容器的结点(junction)提供电源电压。控制器的反馈端子可以耦合至电感器和电容器的结点。

备选地，该控制器适于在第二模式时驱动第一晶体管工作在线性区并驱动第二晶体管工作在高阻区，使得在反馈端子上保持所需电压。因此，该控制器适于操作调节器作为线性调节器。在这种情况下，第二晶体管有效的是开路(即，对于场效应器件，沟道夹断，对于双极型器件，晶体管截止)，并且第一晶体管作为传输晶体管操作，引起输入电压下降，从而在输出端子处获得所需的输出电压。

该控制器还可以包含开关，用来在第二操作模式时将输出端子耦合至反馈端子。开关通常是晶体管。这提供了一种自动耦合输出端子和反馈端子而不需要外部的电路的手段(这在控制器形成为集成电路的一部分时特别有用)。

该控制器可以是硬线连接的以切换到第二操作模式，并且输出端子耦合到反馈端子。从而，控制器始终工作在第二或第三操作模式。这在已知预想的应用中决不需要第一操作模式(即开关模式)时很有用。当控制器形成为集成电路的一部分时，这种配置不需要使反馈端子在外部管脚上可用。

典型地，该控制器可响应于控制信号在第一和第二操作模式之间切换。

优选地，该控制器响应于下降到预定阈值电压以下的输入电压而进入第三模式。

当控制器在第一模式时和当控制器在第二模式时，阈值电压可以是相同的。

备选地，当控制器在第一模式时和当控制器在第二模式时，阈值电压也可以是不同的。

优选地，通过导通第一晶体管将输入直接耦合至输出端子。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括前述权利要求中任何一项所述的控制器的集成电路。

优选地，该集成电路还包括电压调节器，该电压调节器具有耦合在电压调节器的输入端子和输出端子间的第一晶体管以及耦合在输出端子和接地端子间的第二晶体管。

该集成电路还可以包括微控制器，例如适用于无线通信产品，微控制器可以耦合以从电压调节器接收功率。

微控制器典型地能够工作在连续模式和突发模式。从而，当微控制器工作在连续模式时控制器可以被切换到第一模式，当微控制器工作在突发模式时控制器可以被切换到第二模式。

附图说明

下面，将参考附图详细描述本发明的示例，图1示出了根据本发明包括电压调节器的控制器在内的集成电路的部分框图。

具体实施方式

本发明提供一种电压调节器控制器，该控制器能够控制外部晶体管在开关模式时作为开关，或在线性模式时作为线性元件。因此，该控制器可以配置外部晶体管作为开关调节器或线性调节器的一部分。该控制器配置为对电压下降到阈值电压以下做出响应，以例如通过导通外部晶体管之一来旁路电压调节器。

如图1所示，集成电路1包括构成电压调节器的一部分的组件、以及微处理器内核2。构成电压调节器的一部分的组件是晶体管对3，4、以及控制器5。第一晶体管3的漏极连接至输入端子6，源极连接到输出端子7。第二晶体管4的漏极连接到输出端子7，源极连接到接地端子8。两个晶体管3，4的栅极都连接到控制器5，使控制器可以控制两个晶体管的操作。在该集成电路的外部，电感器9和电容器10使电压调节器完整。控制器5能够工作在三种模式之一。

在第一模式中(也称为开关模式)，控制器5驱动晶体管3和4，使它们或者导通或者截止。换句话说，它们被驱动作为开关。因此，晶体管3能够将来自电池11的DC电压耦合到电感器9或者隔离电池11与电感器9。晶体管4能够耦合输出端子7(以及由此电感器9)到接地端子8或隔离输出端子7与接地端子8。晶体管3和4被彼此异相地精确驱动，使得电感器9要么耦合到电池11(经由晶体管3)要么耦合到地(经由晶体管4)。两个晶体管3和4、控制器5、电感器9以及电容器10一起构成降压转换器。

控制器5能够经由反馈端子13监视端子12上来自降压转换器的输出电压。这在内部被耦合到控制器5并为微处理器2供能。控制器5通过改变占空比或脉冲频率对反馈端子13上测量的电压做出响应，该占空比或脉冲频率用于对晶体管3和4进行开关，以将端子12上的电压保持在所需值。例如，电池电压可能标称的是3.6V，而端子12上的输出电压可以保持在1.7V到1.9V。

通过向控制端子14施加控制信号将控制器5在第一和第二操作模式之间切换。例如，可以向控制端子14施加高信号以使控制器进入第一模式，施加低信号以使控制器进入第二模式，反之亦然。在其它实施例中，当预想到集成电路1仅在任一模式下使用时，可以将控制器5硬线连接为该模式。在这些实施例中，不需要控制端子14。

在第二模式中(也被称为线性模式)，控制器5驱动晶体管4截止，使得将输出端子7与接地端子8隔离。晶体管3被驱动在线性模式，使得在晶体管3上存在压降。于是，输出端子7上的输出电压低于输入端子6处的电池电压。控制器5经由反馈引脚监视端子12上的输出电压并且调整针对晶体管3的驱动电压(以及因此晶体管3上的压降)，使得输出电压保持在所需值。例如，电池电压可能标称的是3.6V，而端子12上的输出电压可以保持在1.7V到1.9V。

当控制器5在第二模式时，电感器9虽然可以留在电路中，但不是必需的。备选地，可以将电感器9短路(例如通过外部链接或开关)，或者由外部链接取代电感器9(如果已知控制器5只需要工作在第二模式)。如上所述，存在如下应用：其中可以预想控制器5只操作在一种模式，并由此可以将控制器5硬线连接到该模式。如果控制器5被硬线连接到第二模式，则输出端子7可以在内部耦合到反馈端子13，并且电感器9可以省略(即被短接电路取代)。内部耦合可以通过硬线连线，或者通过受微处理器2控制的附加的晶体管开关15。

当输入端子6上的电压下降到阈值电压以下时，进入第三模式。无论控制器5初始在第一还是第二模式，阈值电压均是相同的(在本实施例中)。典型的阈值电压为1.9V。在第三模式中，所有的调节功能停止。晶体管3导通且晶体管4截止。于是，电池11直接耦合到输出端子7。在反馈端子13处无反馈电压监视。第三模式允许：当电池电压下降到一个值，使得调节不能再持续但该值仍足以操作微处理器内核2时，电池直接供能给微处理器内核2(以及连接到端子12的其它电路)。因此，有用的电池寿命得以延长。

由于在开关和线性两种操作模式中都使用同一晶体管3，因此无需为每个模式提供单独的晶体管。这在很大程度上(约50％)节省了集成电路的管芯面积，因为这些晶体管通常是最大的组件。

如上所述，电压调节器具体用于低功率无线通信产品中，例如Zigbee无线电装置。因此，可以方便地适配微处理器内核2以用于这样的无线通信产品。当微处理器内核2要用在连续模式(即连续供电)时，控制器5典型地切换到第一模式；当微处理器核内2要用在突发模式下专门发送无线电传输时，控制器5切换到第二模式。突发模式典型地与能量收集应用一起使用，在能量收集应用中仅有很少的能量可用于传输突发。典型的例子是按压灯开关，并收集用于按压开关的能量(例如通过压电装置)。收集的能量用来向微处理器内核2以及其他电路供能以发送突发传输，来向远程设备指示灯开关已被按压。

由于在能够获得稳定的输出电压前电感器9和电容器10消耗过多能量，因而开关模式通常不适合用于收集能量的应用。例如，在开关模式下，启动时电感器9和电容器10消耗的总能量由下式给出：

$E_{\mathrm{TOTAL}}=\frac{1}{2}C{V}^2+\frac{1}{2}L{I}^2$

其中，E_TOTAL是消耗的总能量，C是电容器10的电容值(通常为33μF)，L是电感器9的电感值(通常为68μH)，V是输出电压(通常为2V)，I是流经电感器9的电流(通常为13mA)。根据给定的典型值，消耗的总能量E_TOTAL为77μJ。然而，仿真表明，由于输出电压的启动过冲和下冲，将消耗甚至更多的能量。因此，由于在启动开关调节器时至少消耗77μJ，所以不可能满足仅使用100μJ来传输三个数据包的Zigbee绿色要求。

另一方面，对于线性调节器，可以使用小得多的电容器10(通常为100nF)，而且可以完全省略电感器9。在这种情况下，利用上述公式，启动线性调节器所消耗的总能量大约是200nJ，留下100μJ中的绝大部分能量用于突发传输。

本领域技术人员根据对附图、说明书和所附权利要求的学习，在实施要求保护的发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”并不排除多个。某些特征被记载在相互不同的从属权利要求中并不表示这些特征的组合不能被有利地使用。在权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种电压调节器的控制器(5)，所述控制器(5)能够在第一操作模式和第二操作模式之间切换，在第一操作模式和第二操作模式中所述控制器(5)适于控制调节器分别操作在开关模式和线性模式，其中所述控制器(5)还适于对电压调节器的输入电压进行响应而进入第三操作模式，在第三操作模式中输入电压被直接耦合到输出端子(7)。

2.如权利要求1所述的控制器(5)，其中，所述调节器包括耦合在电压调节器的输入端子(6)和所述输出端子(7)之间的第一晶体管(3)、以及耦合在所述输出端子(7)和接地端子(8)之间的第二晶体管(4)。

3.如权利要求2所述的控制器(5)，其中，所述控制器(5)适于在第一种模式时驱动第一晶体管(3)和第二晶体管(4)作为开关，使得在反馈端子(13)上保持所需电压。

4.如权利要求2所述的控制器(5)，其中，所述控制器(5)适于在第二模式时驱动第一晶体管(3)操作在线性区并驱动第二晶体管(4)操作在高阻区，使得在反馈端子(13)上保持所需电压。

5.如前述权利要求之一所述的控制器(5)，还包括：开关(15)，用于在第二操作模式时将输出端子(7)耦合到反馈端子(13)。

6.如权利要求1，2或4所述的控制器(5)，其中，所述控制器(5)被硬线连接以切换到第二操作模式，并且输出端子(7)耦合到反馈端子(13)。

7.如权利要求1到5之一所述的控制器(5)，其中，所述控制器(5)能够响应于控制信号在第一和第二操作模式之间切换。

8.如前述权利要求之一所述的控制器(5)，其中，所述控制器(5)响应于输入电压下降到预定阈值电压以下而进入第三模式。

9.如权利要求8所述的控制器(5)，其中，当所述控制器(5)处于第一模式和当所述控制器(5)处于第二模式时阈值电压相同。

10.如权利要求8所述的控制器(5)，其中，当所述控制器(5)处于第一模式和当所述控制器(5)处于第二模式时阈值电压不同。

11.如权利要求2或如从属于权利要求2的权利要求3至10之一所述的控制器(5)，其中，通过导通第一晶体管(3)将输入电压直接耦合到输出端子(7)。

12.一种集成电路(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的控制器(5)。

13.如权利要求12所述的集成电路(1)，还包括：电压调节器，具有耦合在电压调节器的输入端子(6)和所述输出端子(7)之间的第一晶体管(3)、以及耦合在输出端子(7)和接地端子(8)之间的第二晶体管(4)。

14.如权利要求12或13所述的集成电路(1)，还包括：微控制器(2)，例如适于使用在无线通信产品中，微控制器(2)被耦合以从电压调节器接收功率。

15.如权利要求14所述的集成电路(1)，其中，所述微控制器(2)能够操作在连续模式和突发模式。

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