CN104516386A - 电压调整系统 - Google Patents

Abstract

一种特别地用于机动车辆的电压调整系统，其适于连接到电压源，以便将调整的电压V_dd提供到至少一个功能部件F，调整系统包括适于连接到电压源的预调整器，以及包括调整器REG，其包括适于连接到所述预调整器的至少一个预调整端口P_PR和适于连接到功能部件的一个功能端口P_dd，所诉调整器包括将预调整端口直接连接到所述调整器的功能端口的适配设备Q，适配设备由包括漏极D、源极S和栅极G的单个MOS功率晶体管组成。MOS晶体管包括在其漏极和其源极之间的本征二极管DIODE，其被导向从而阻塞在所述功能端口和所述预调整端口之间的电流。

Description

电压调整系统

技术领域

本发明涉及电压调整器的领域，特别是用于机动车的应用。

背景技术

以已知的方式，参考图1，机动车辆包括电源电池BAT，其连接到电压调整系统1以便将调整的电源电压提供到例如燃料喷射器的多个功能部件F1-F3。为了适配提供到功能部件F1-F3的电源电压，针对每个功能部件F1-F3，电压调整系统1通常包括电压预调整器PR1-PR3和电压调整器REG1-REG3。作为示例，功能部件F1-F3分别需要等于1.9 V、3.3 V和5.0 V的电源电压V_dd1、V_dd2、V_dd3，同时电池电压V_bat等于12 V。有利地，预调整器的使用被用于优化功率耗散，以便以减少的成本而获得调整系统。

每个预调整器PR1-PR3允许在供应与其相关联的调整器REG1-REG3之前从由电池BAT提供的电压V_bat输送预调整的电压V_PR1-V_PR3。由预调整器PR1-PR3提供的电压V_PR1-V_PR3然后被调整器REG1-REG3适配，以便提供适于功能部件F1-F3的需要的电源电压V_dd1-V_dd3。为此，参考图2，调整器REG包括适于连接到预调整器PR的至少一个预调整端口P_PR和适于连接到功能部件F的一个功能端口P_dd。

通常，调整器REG包括将预调整端口P_PR直接连接到调整器的功能端口P_dd的适配设备Q1。适配设备Q1的功能是将电源电压V_dd从预调整端口P_PR的预调整电压V_PR提供到功能端口P_dd。

在现有技术中，根据在图2中示出的第一实施例，适配设备Q1包括单个功率晶体管NMOS1，其常规地包括漏极D1、源极S1和栅极G1。

通常，晶体管NMOS1包括由施加到栅极G1的电压调制的电流沟道。另外，对本领域技术人员已知，晶体管NMOS1本征地包括在其漏极D1和其源极S1之间的内部电阻R_DS。

以已知的方式，晶体管NMOS1本征地包括被称为“体二极管”的二极管DIODE1，其包括连接到晶体管NMOS1的漏极D1的阴极和连接到晶体管NMOS1的源极S1的阳极。在正常操作中，在调整期间，电流从漏极D1经由由栅极电压G1调制的电流沟道流到源极S1。

为了电源电压V_dd的精确调节，晶体管NMOS1的漏极D1连接到预调整端口P_PR，同时晶体管NMOS1的源极S1连接到电源端口P_dd。根据该配置，适配设备Q1适于从给定的预调整的电压V_PR提供宽范围的电源电压V_dd。作为示例，在电源电压V_dd和预调整的电压V_PR之间的差可以达到若干伏特。

这样的适配设备Q1不保护调整器REG不受在电源端口P_dd处的可能的短路。实际上，如果由于短路，电源电压V_dd变成大于预调整的电压V_PR，则短路电流I_cc可以流过变成正向偏置的二极管DIODE1，从电源端口P_dd流到预调整端口P_PR，其可能总体上损坏调整系统。

为了消除该缺点，参考图3，提出了适配设备Q2，其由以“背对背”布置串联放置的两个功率晶体管NMOS1、NMOS2组成。在图3的第二实施例中，适配设备Q2由其漏极D1连接到预调整端口P_PR的第一晶体管NMOS1和其漏极D2连接到电源端口P_dd的第二晶体管NMOS2组成，晶体管NMOS1、NMOS2的源极S1、S2连接到一起。

根据该第二实施例，由第二晶体管NMOS2的二极管DIODE2阻塞来自电源端口P_dd的任何短路电流I_cc。实际上，由于第二晶体管NMOS2关于第一晶体管NMOS1反向，所以第二晶体管NMOS2的二极管DIODE2阻塞来自电源端口P_dd的任何电流。换言之，第二晶体管NMOS2实现保护调整系统的功能，这是有利的。

该实施例无论如何具有与现有技术相比使适配设备Q2的内部电阻R_DS加倍的缺点，这是有害的，特别是对于热的生成。实际上，晶体管NMOS1、NMOS2的内部电阻R_DS以串联方式加起来。

相应地，为消除该缺点，已经提出将每个晶体管NMOS1、NMOS2的内部电阻R_DS减半，以便获得等同于图2的第一实施例的电阻。但是，这样的适配设备Q2具有高的制造成本。实际上，在硅衬底的ASIC板上常规地形成调整器。晶体管NMOS1/NMOS2的内部电阻越低，使用的硅的表面积越大。

相应地，与由具有内部电阻R_DS的单个晶体管NMOS1组成的图2的适配设备Q1比较，由具有内部电阻R_DS/2的两个晶体管NMOS1、NMOS2组成的适配设备Q2需要四倍的硅的表面积，其对调整系统的空间要求以及对其价格具有负面影响。以N沟道NMOS功率晶体管描述了适配设备Q1、Q2，但是不言而喻地，以P沟道PMOS功率晶体管的缺点是类似的。

发明内容

本发明旨在提供一种用于保护不受短路同时具有低的制造成本的调整系统。

为此，本发明涉及特别地用于机动车的应用的电压调整系统，其适于连接到电压源以便将调整的电压提供到至少一个功能部件，所述调整系统包括：

·适于连接到电压源的预调整器

·调整器，其包括适于连接到所述预调整器的至少一个预调整端口和适于连接到功能部件的一个功能端口，所述调整器包括将预调整端口直接连接到所述调整器的功能端口的适配设备，所述适配设备由包括漏极、源极和栅极的单个MOS功率晶体管组成。

本发明在以下内容中是显著的：MOS（NMOS或者PMOS）晶体管包括在其漏极和其源极之间的本征二极管，其被导向从而阻塞在所述功能端口和所述预调整端口之间的电流。

换言之，与图3的第二实施例比较，移除了用于适配电压的第一功率晶体管，并且仅保留用于保护不受短路的第二功率晶体管。

由于本发明，“反向地”使用晶体管以便保护电路，同时限制消耗的硅的量。实际上，与图3的第二实施例比较，消耗的硅的量是四分之一，因为适配设备由单个晶体管组成。

“反向地”使用的功率晶体管具有与如在图2中图示的“常规地”使用的功率晶体管比较更窄的适配范围。但是，该特征可以通过控制预调整器来解决。

优选地，所述MOS晶体管包括具有正向电压Vdiode的本征二极管，调整器的功能端口适于接收功能电压Vdd，预调整器被配置用于为预调整端口提供预调整电压V_PR，使得：

以已知的方式，正向电压对应于如此的电压，该电压来自二极管允许在其正向偏置方向上流动的电流。

因此，通过根据将供应的功能部件的特性（Vdd）和调整器的特性（Vdiode）将条件强加到预调整电压V_PR上，获得了鲁棒的、受保护的且成本低的调整系统。

优选地，预调整器包括至少一个预调整MOS晶体管，调整器包括控制设备，其适于控制所述预调整MOS晶体管的栅极从而优选地根据上文的数学公式设置预调整电压V_PR。因此，调整器可以被用于根据将供应的功能部件调节预调整器。调整系统是有利地可调节的，以符合每个类型的需要。

根据本发明的一个优选的方面，控制设备包括至少一个运算放大器。

根据本发明的一个方面，所述适配设备的所述MOS晶体管是N沟道NMOS晶体管，并且所述NMOS晶体管的源极连接到预调整端口，同时所述NMOS晶体管的漏极连接到所述调整器的功能端口。这样的NMOS晶体管具有本征二极管，其被导向从而阻塞在所述功能端口和所述预调整端口之间的电流。

根据本发明的另一方面，所述适配设备的所述MOS晶体管是P沟道PMOS晶体管，所述PMOS晶体管的源极连接到功能端口，同时所述PMOS晶体管的漏极连接到所述调整器的预调整端口。这样的PMOS晶体管具有本征二极管，其被导向从而阻塞在所述功能端口和所述预调整端口之间的电流。

本发明进一步涉及运输车辆，特别是机动车，其包括如先前描述的电压调整系统。

附图说明

根据阅读下文的只作为例子给出的描述并且通过参考所附的图将更好地理解本发明，其中：

-图1是连接到电池并且连接到功能部件的调整系统的示意图；

-图2是包括预调整器和包含适配设备的调整器的调整系统的示意图，所述适配设备包括单个NMOS晶体管，其漏极连接到预调整端口；

-图3是根据包括‘背对背’放置的两个NMOS晶体管的现有技术的适配设备的第二示意性实施例；

-图4是根据本发明的实施例的具有NMOS晶体管的适配设备的示意图；

-图5是根据本发明的实施例的包括适配设备和控制设备的调整器的示意图；以及

-图6是根据本发明的实施例的具有PMOS晶体管的适配设备的示意图。

应注意所述附图详细展示了本发明用于实施本发明，所述图显然被用来酌情更好地限定本发明。

具体实施方式

参考图4，为了适配提供到机动车辆的功能部件的电源电压，针对每个功能部件，调整系统1包括电压预调整器PR和电压调整器REG。在该示例中，调整系统1采取包括硅的印刷电路板的形式。

调整系统1包括适于连接到电压源的预调整器PR（此处是电源电池BAT）以及调整器REG，所述调整器REG包括适于连接到所述预调整器PR的预调整端口P_PR和适于连接到功能部件F的功能端口P_dd。

在实施例的该示例中，调整器REG包括将预调整端口P_PR直接连接到功能端口P_dd的适配设备Q，所述适配设备Q由包括漏极D、源极S和栅极G的单个NMOS功率晶体管组成。以已知的方式，NMOS晶体管包括由施加到栅极G的电压调制的电流沟道。更近一步地，对本领域技术人员已知，NMOS晶体管本征地包括在其漏极D和其源极S之间的内部电阻R_DS。

具有单个NMOS晶体管的适配设备Q用作限制用于印刷电路板的硅的量，这是有利的。

根据本发明的该实施例，参考图4，所述NMOS晶体管的源极S连接到预调整端口P_PR，同时所述NMOS晶体管的漏极D连接到所述调整器REG的功能端口P_dd。

NMOS晶体管包括被称为“体二极管”的具有例如约为0.6 V的正向电压Vdiode的本征二极管DIODE。因此，有利地，当在二极管DIODE的端子处的电压大于正向电压Vdiode时，二极管DIODE将电流从源极S传导到NMOS晶体管的漏极D。

当短路电流I_CC从漏极D流到NMOS晶体管的源极S时，二极管DIODE阻塞其流动。换言之，NMOS晶体管实现保护调整系统1的功能，这是有利的。

在实施方式的该示例中，调整器REG的功能端口P_dd适于接收功能电压V_dd，预调整器PR被配置用于为预调整端口P_PR提供预调整电压V_PR，使得：

                      （1）

有利地，预调整器PR的这样的管理可以被用于避免超过阈值电压Vdiode，同时达到适于功能部件F的需要的电源电压V_dd。

换言之，通过满足该条件，从源极S流到NMOS晶体管的漏极D的电流不流经二极管DIODE，但是流经由栅极G调制的电流沟道。因此，NMOS晶体管可以通过调制栅极电压G来控制电源电压V_dd。另外，由二极管DIODE阻塞任何短路电流Icc。

优选地，参考图5，调整器REG包括被配置用于限定预调整电压V_PR的至少一个预调整MOS晶体管MOS_PR，调整器REG包括控制设备K，其适于调整所述预调整MOS晶体管MOS_PR的栅极G从而根据方程式（1）设置预调整电压V_PR。在该示例中，控制设备K包括至少一个运算放大器以便精确地调节预调整电压V_PR。在该示例中，预调整MOS晶体管是NMOS晶体管，但是不言而喻地，PMOS晶体管也可以是适合的。

换言之，根据本发明的适配设备Q在没有任何不利的情况下享受现有技术的实施例的所有好处。

优选地，适配设备Q要求预调整电压V_PR接近于功能电压V_dd，然而这样的条件在现有技术中不是必须的。虽然适配设备Q要求对预调整电压V_PR的更好的控制，但是在保护不受短路、紧密度和成本方面的好处是显著的。在实践中，针对等同的保护，调整设备Q具有少四倍的表面积。

本发明在以下内容中更加有创造力：其满足在电压调整的领域中的长久以来的需要。

最后，为了解决问题，存在于从适配设备移除NMOS晶体管的技术方案与设法将新的元件添加到适配设备的现有技术的技术方案相反。因此，在现有技术中提出了背对背放置两个NMOS晶体管来防止短路。因此克服了偏见。

已经针对用于例如燃料喷射器等等的机动车的功能部件的电源的电压调整应用描述了本发明。但是，不言而喻地，本发明应用于任何电压调整系统，特别是在运输或工业的所有领域中。

已经针对NMOS晶体管，即N沟道MOS晶体管描述了本发明。不言而喻地，本发明类似地应用于P沟道PMOS晶体管，如在图6中图示的那样。根据该配置，所述PMOS晶体管的源极S连接到功能端口P_dd，同时所述PMOS晶体管的漏极D连接到所述调整器REG的预调整端口P_PR。

同样，本发明也应用于是MOS功率晶体管的特定类型的DMOS或VDMOS晶体管。

Claims (6)

1. 一种特别地用于机动车辆的电压调整系统（1），其适于连接到电压源（BAT）以便将调整的电压（Vdd）提供到至少一个功能部件（F），所述调整系统包括：

·预调整器（PR），其适于连接到电压源（BAT）；以及

·调整器（REG），其包括适于连接到所述预调整器（PR）的至少一个预调整端口（P_PR）和适于连接到功能部件（F）的一个功能端口（P_dd），所述调整器（REG）包括将预调整端口（P_PR）直接连接到所述调整器（REG）的功能端口（P_dd）的适配设备（Q），适配设备（Q）由包括漏极（D）、源极（S）和栅极的单个MOS功率晶体管组成；

其特征在于，MOS晶体管包括在其漏极（D）和其源极（S）之间的本征二极管（DIODE），其被导向从而阻塞在所述功能端口（P_dd）和所述预调整端口（P_PR）之间的电流，调整器（REG）的所述功能端口（P_dd）适于接收功能电压V_dd，并且其特征在于预调整器（PR）被配置用于为预调整端口（P_PR）提供预调整电压V_PR，使得：

。

2. 如权利要求1所述的电压调整系统，其中，预调整器（PR）包括至少一个预调整MOS晶体管（MOS_PR），调整器包括控制设备（K），其适于控制所述预调整MOS晶体管（MOS_PR）的栅极从而调节预调整电压V_PR。

3. 如权利要求2所述的电压调整系统，其中控制设备（K）包括至少一个运算放大器。

4. 如权利要求1到3中任一项所述的电压调整系统，其中，所述MOS晶体管是N沟道NMOS晶体管，所述NMOS晶体管的源极（S）连接到预调整端口（P_PR），同时所述NMOS晶体管的漏极（D）连接到所述调整器（REG）的功能端口（P_dd）。

5. 如权利要求1到3中任一项所述的电压调整系统，其中，所述MOS晶体管是P沟道PMOS晶体管，所述PMOS晶体管的源极（S）连接到功能端口（P_dd），同时所述PMOS晶体管的漏极（D）连接到所述调整器（REG）的预调整端口（P_PR）。

6. 一种运输车辆，特别是机动车，其包括根据权利要求1到5中的任一项的电压调整系统。