CN107251390A - 用于使用开关单元来调节被供应给负载的电压的方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于向负载供应输入电压的方法和电子设备，该方法包括确定供应电压（VS）的水平。该方法包括当供应电压（VS）超过第一阈值电压时使用开关单元（5）来使能电压步降单元（4）同时禁用电压步升单元（6）。该方法包括当供应电压（VS）低于第二阈值电压时使用开关单元（3）来使能电压步升单元（6）同时禁用电压步降单元（4）。该电子设备包括电压步升单元，用于步升低于第一阈值的供应电压。该电子设备还包括电压步降单元，用于步降高于第二阈值的供应电压。此外，该电子设备包括至少一个开关单元（5,7），其被耦合到电压步升单元（4）和电压步降单元（6），其中开关单元（5,7）被配置成基于供应电压的水平来进行以下中的至少一个：使能电压步降单元（4）和电压步升单元（6）中的至少一个以及旁路电压步降单元（4）和电压步升单元（6）中的至少一个。

Description

用于使用开关单元来调节被供应给负载的电压的方法和电子 设备
本发明涉及用于使用旁路开关单元来供应与现场设备相关联的负载的方法和电子设备。
一般来说，在工业中使用特定种类的低功率电子设备用于测量诸如压力、温度、流量和水平之类的物理过程值。这样的电子控制设备的示例可以是过程发射器，也称为现场设备。现场设备常常用于过程仪器，所述过程仪器是用于例如检测和/或影响过程变量。现场设备通过自动化网络连接到彼此以用于交换数据的目的。检测作为过程变量的物理或化学变量的现场设备将相关变量转换成测量值并将该测量值输出到中央控制站以用于进一步处理。此类测量变换器的示例是用于填充水平、质量流率、压力、温度、pH值、传导性等的测量变换器。一般来说，这样的低功率电子设备可以包括显示单元（液晶显示器（LCD））、处理单元、通信单元和输入单元。这样的电子设备通常包含包括传感器/变换器的模拟前端以及发射器系统，所述发射器系统专用于与中央控制站通信。可以以模拟模式（4-20 mA）或数字模式来执行通信。可以在总线系统上承载通信，所述总线系统包括ProfiBus、HART、现场总线基金会等。这样的电子设备的显示单元一般包括图形液晶显示器（GLCD）、多个背光LED以及相关联的使能电路。GLCD包括多个像素，所述多个像素被配置成显示字母数字字符。显示单元由电子设备其自身的发射器板来供电。由于用于过程发射器的各种标准，从发射器板供应的功率和电压被限制成小的值。
这样的过程发射器的显示单元的GLCD和背光LED消耗了针对该现场设备分配的总功率的一大部分。因此，需要将包括功率供应和逻辑电路的该现场设备的剩余功能优化成消耗剩余功率。GLCD在以最优电压水平操作时消耗最小功率。通常，电子设备由可变供应来供电，所述可变供应例如是电流回路（其也用于信令目的）。因此，重要的是将被提供给显示单元的供应调节成最优电压水平。因此，存在用于将供应电压调节成特定电压水平以便对包括GLCD的显示单元供电的需要。
目前，现成的电压步降和电压步升（降升压）转换器可以被配置成通过处理在一范围之间波动的供应电压来提供恒定输出。示例性降升压转换器可以是由德州仪器制造的TPS63036。TPS63036的效率对于某些电压范围来说较低。
因此，本发明的目的是在以最优电压操作GLCD的同时增加降升压转换器的效率。
因此，本发明的目的是提供用于在供应电压可变的情况下对负载供电的有效方法和电子设备。本发明的目的通过使用用于旁路单独的步升单元和步降单元的开关单元来提供到负载的恒定电压来实现。
本发明的目的通过提供用于向负载供应输入电压的方法和电子设备来实现，该方法包括确定供应电压的水平。此外，该方法包括当所述供应电压超过第一阈值电压时使用开关单元在旁路电压步升单元的同时使能电压步降单元。该方法还包括当所述供应电压低于第二阈值电压时使用开关单元在禁用电压步降单元的同时使能电压步升单元。
在本发明的一个方面中，所述开关单元和所述开关单元被配置成提供到供应电流的低电阻路径以便旁路所述电压步升单元和电压步降单元中的至少一个。
在本发明的另一方面中，保持到所述负载的所述输入电压基本上恒定。
在本发明的又另一方面中，所述电压步降单元和所述电压步升单元中的一个可在一时刻处操作。
在本发明的仍又另一方面中，所述开关单元和所述开关单元包括用于防止电流流过与所述开关单元相关联的寄生体二极管的配置。
在本发明的又另一方面中，所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压。
本发明还提供一种用于实现本发明的目的的电子设备。一种用于向负载供应输入电压的电子设备，所述电子设备包括被配置成确定供应电压的水平的电压供应单元。所述电子设备包括用于步升低于第一阈值值的输入电压的电压步升单元，以及用于步降高于第二阈值的输入电压的电压步降单元。所述电子设备还包括被耦合到所述电压步升单元和所述电压步降单元的至少一个开关单元。所述开关单元被配置成基于所述输入电压的水平来旁路所述电压步升单元和所述电压步降单元中的至少一个。
在实施例中，与所述电压步升单元并联地耦合开关单元，其中所述开关单元当活动时为供应电流提供替换路径从而旁路所述电压步升单元。
在另一实施例中，与所述电压步降单元并联地耦合开关单元，其中所述开关单元当活动时为所述供应电流提供替换路径从而旁路所述电压步降单元。
在又另一实施例中，所述电压步降单元当所述供应电压高于所述第一阈值值时活动，同时由所述开关单元旁路所述电压步升单元。
在仍又另一实施例中，所述电压步升单元当所述供应电压低于第二阈值值时活动，同时由所述开关单元旁路所述电压步降单元。
在另外的实施例中，所述电子设备包括以反并联配置的寄生体二极管，其防止电流在所述电子设备的操作期间流过所述寄生体二极管。
根据本发明的变型，所述电压步降单元和所述电压步升单元是DC-DC转换器。
根据本发明的另外的变型，所述负载是被配置成以恒定电压操作的图形液晶显示器（GLCD）。
现在将参考本发明的附图来论述本发明的上面提及的和其它特征。所图示的实施例意图是说明性的，而不会限制本发明。
在后文中参考在附图中示出的所图示的实施例来进一步描述本发明，在附图中：
图1图示出根据实施例的电子设备的第一操作模式的示例性框图；
图2图示出根据实施例的电子设备的第二操作模式的示例性框图；
图3图示出根据实施例的电子设备的示例性配置；
图4图示出根据实施例的在向负载提供输入电压中涉及到的示例性方法步骤。
参考各图描述各种实施例，贯穿其中相似的参考标号用于指代相似的元素。在以下描述中，出于解释的目的，阐述众多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这样的实施例。
下面公开的电子设备包括电流供应单元、电压步升单元、电压步降单元和负载。供应电压是由电子设备从诸如电流回路之类的源接收到的电压。供应电压（Vs）可以在某一电压范围之间变化。需要将供应电压维持在恒定水平处以对负载供电。在优选实施例中，该负载是图形液晶显示器（GLCD）。一般来说，在现场设备中，GLCD最优地以特定电压（例如，3V）运行。因此，电子设备需要向GLCD单元提供3V的恒定输入电压（Vi）。
图1图示出根据实施例的电子设备的第一操作模式的示例性框图。该电子设备包括电压供应单元2（未示出）、电压步降单元4、开关单元3、电压步升单元6、开关单元5和负载7。开关单元3与电压步降单元4并联地耦合。开关单元5与电压步升单元6并联地耦合。在第一操作模式中，供应电压在V1到V2的范围中，即，3<Vs<6。在该情况下，激活电压步降单元4同时旁路电压电压步升单元6。在第一模式中，电子设备被配置成使能电压电压步降单元4并禁用电压步升单元6。针对在第一模式中的电压范围，禁用开关单元3并使能开关单元5。开关单元5在被使能时为电流提供更简单的路径，作为结果，旁路了电压电压步升单元。因而，向负载7供应了Vi的恒定输入电压。
图2图示出根据实施例的电子设备的第二操作模式的示例性框图。在第二模式中，供应电压Vs在V3到V4的范围中。例如，示例性电压范围可以是1V-3V。针对该供应电压范围，使能电压步升单元而禁用电压步降单元。使能开关单元3，其为电流提供替换路径从而旁路电压步降单元。另一方面，禁用开关单元5从而使能电压步升单元6。电压步升单元6将供应电压调节成值Vi，将值Vi提供给负载7作为输入电压。
图3图示出根据实施例的电子设备的示例性配置。该电子设备包括电压步降单元4、开关单元5、电压步升单元6和开关7。在图3中可以看到，电压步降单元4和电压步升单元6包括必要的电路，包含电感器、电阻器和电容器。电压步降单元4和电压步升单元6是DC-DC转换器。在优选实施例中，电压步降单元4是降压转换器并且电压步升单元6是升压转换器。开关单元3与电压步降单元4在并联配置中。类似地，开关单元5与电压步升单元6在并联配置中。在图3中所示的电子设备中使用的诸如电压步升单元和电压步降单元之类的组件可以是现成的组件。
在图3中，开关单元5包括MOSFET T1。T1的源极端子被连接到电压供应VS。T1的栅极端子被连接到使能的MOSFET T3的漏极端子。使能的MOSFET T3的栅极端子接收控制开关单元3的操作的控制信号。该控制信号可以是逻辑“高”和逻辑“低”信号中的至少一个。此外，T1的漏极端子被耦合到电压步降控制器的输出端。MOSFET T1包括寄生体二极管D1，其存在于T1的源极和漏极端子之间。MOSFET T1以使得电流不通过寄生体二极管D1的方式被耦合到电压步降单元4。
开关单元5包括MOSFET T2。T2的漏极端子被耦合到电压步降单元4的输出端。T2的源极端子被耦合到电压步升单元6的输出端。T2的栅极端子与使能的MOSFET T4的漏极端子耦合。使能的MOSFET T4的栅极端子从控制电路接收控制信号，逻辑“高”或逻辑“低”信号。在优选实施例中，开关单元3和开关单元5类似。寄生体二极管D2存在于T2的源极和漏极端子之间。MOSFET T2的寄生体二极管D2以反并联配置耦合到电压步升单元6。MOSFET T2以防止电流流过与MOSFET T2相关联的寄生体二极管D2的配置与电压步升单元耦合。
如图3中图示出的，开关单元3和开关单元5包括电子开关、电阻器和二极管的配置。在优选实施例中，所述电子开关可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。如图3中所示，开关单元3和开关单元5包括处于相对于MOSFET T1和T2的反并联配置中的二极管。MOSFET T1的寄生体二极管D1与电压步降单元4处于反并联配置中。类似地，MOSFET T2的寄生体二极管D2与电压步升单元6处于反并联配置中。MOSFET T1和T2被布置成以便防止电流通过寄生体二极管D1和D2，从而消除从负载7（GLCD）到功率供应单元2的泄漏电流流动并改进电子设备的效率。寄生体二极管D1和D2是任何MOSFET所固有的，其对于本领域技术人员来说是公知的。
在示例性实施例中，所述电子设备如下面解释的那样运行。在第一模式中，源电压VS在2.6V到3.6V之间的范围中。在第一模式中，通过向MOSFET T3的栅极端子提供逻辑“低”来使能电压步降单元4，从而关闭MOSFET T3。其后，电压步降单元4将供应电压Vs步降至2.6V。在该实例中在电子设备的操作中，VSU处的电压（在图3中示出）低于Vs处的电压水平。将处于与电压步降单元4的反并联配置中的寄生体二极管D2反向偏置，从而防止电流流过寄生体二极管D1。
此外，在第一模式中，通过在MOSFET T4的栅极端子处提供控制信号STEP_UP_BYPASS作为逻辑“高”（其打开了MOSFET T4）来禁用电压步升单元6。将MOSFET T2的栅极端子拉低从而打开T2。MOSFET T2当被打开时具有与二极管D2相比的较低电阻，从而将电流转移到地，作为结果旁路了电压步升单元6。
在第二操作模式中，供应电压Vs是在V3与V4之间。在第二模式中，为MOSFET T2的栅极端子提供到MOSFET T4的栅极端子的控制信号STEP_UP_BYPASS。将控制信号STEP_UP_BYPASS保持在逻辑“低”处。作为结果，MOSFET T4关闭，从而使能电压步升单元6。其后，将供应电压Vs步升至Vi。VSU处的电压水平高于VS处的电压水平。作为结果，将寄生体二极管D2反向偏置并防止电流流过D2。
在第二模式中，将MOSFET T3的栅极端子处的控制信号STEP_DOWN_BYPASS拉至逻辑“高”。作为结果，使能MOSFET T3，其打开MOSFET T1。MOSFET T1当被打开时提供与寄生体二极管D1相比的较低电阻，从而将电流转移到地，作为结果，旁路了电压步降单元4。
图4图示出根据实施例的在向负载提供恒定输入电压中涉及到的示例性方法步骤15。在步骤16处，由电子设备确定供应电压的水平。组件可以包括例如比较器。在步骤17处，当供应电压超过第一阈值电压时使用开关单元在禁用电压步升单元的同时使能电压步降单元。在优选实施例中，第一阈值电压在1V到3V之间。当供应电压VS在3V到6V之间时，有必要将到负载的输入电压调节成3V。因此，使能电压步降单元4同时禁用电压步升单元6。使用开关单元3来旁路电压步升单元6。基于供应电压水平来激活该开关单元。
在步骤18处，当供应电压低于第二阈值电压时使用开关单元在禁用电压步降单元4的同时使能电压步升单元6。在优选实施例中，第二电压水平在3V到6V之间。在该情况下，由电压步升单元6来步升供应电压。通过使能开关单元来禁用电压步降单元4。基于所确定的电压水平来使能该开关单元。
本发明中描述的方法和系统易于使用故障模式效果和诊断分析（FMEDA）技术进行实现和测试。此外，所述电子设备被配置成消除由寄生体二极管引起的干扰。该电子设备的实施方式简单且经济，因为组件可容易地得到。
虽然参考某些实施例详细描述了本发明，但是应领会的是，本发明不限于那些实施例。鉴于本公开，许多修改和变型将其自身呈现给本领域技术人员而不脱离如本文中描述的本发明的各种实施例的范围。因此，本发明的范围由以下权利要求而非由前述描述来指示。落入权利要求的等价物的含义和范围内的全部的变更、修改和变型都应视为在其范围内。

Claims (14)

1.一种用于向负载供应输入电压的方法，包括：
确定供应电压（Vs）的水平；
当所述供应电压（Vs）超过第一阈值电压时使能电压步降单元（4）同时禁用电压步升单元（6），其中使用开关单元（5）来禁用所述电压步升单元（6）；以及
当所述供应电压（Vs）低于第二阈值电压时使能电压步升单元（6）同时禁用电压步降单元（4），其中使用开关单元（3）来禁用所述电压步降单元（4）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开关单元（5）和所述开关单元（3）被配置成提供到供应电流的低电阻路径以便旁路所述电压步降单元（4）和电压步升单元（6）中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过控制信号来使能所述开关单元（3,5）。
4.根据权利要求1、2和3中的任一项所述的方法，其中，所述电压步降单元（4）和所述电压步升单元（6）中的一个在一时刻处是操作的。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述开关单元（5）和所述开关单元（3）包括用于防止电流流过与所述开关单元（5）和所述开关单元（3）相关联的寄生体二极管（D2,D1）的配置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一阈值电压大于所述第二阈值电压。
7.一种用于向负载供应输入电压的电子设备，所述电子设备包括：
电压供应单元；
电压步升单元（6），用于步升低于第一阈值的供应电压；
电压步降单元（4），用于步降高于第二阈值的所述供应电压；
其特征在于；
至少一个开关单元（3,5），其被耦合到所述电压步升单元（6）和所述电压步降单元（4），其中所述至少一个开关单元（3,5）被配置成基于所述供应电压的水平来进行以下中的至少一个：使能所述电压步降单元（4）和所述电压步升单元（6）中的至少一个以及旁路所述电压步降单元（4）和所述电压步升单元（6）中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述开关单元（5）与所述电压步降单元（4）并联地耦合，其中所述开关单元（5）在被使能时提供旁路路径以用于旁路所述电压步降单元（4）。
9.根据权利要求7所述的电子设备，其中，所述开关单元（3）与所述电压步升单元（6）并联地耦合，其中所述开关单元（3）在被使能时提供旁路路径以用于旁路所述电压步升单元（6）。
10.根据权利要求7所述的电子设备，其中，当所述供应电压高于第一阈值电压时使能所述电压步降单元（4），同时通过使能所述开关单元（7）旁路所述电压步升单元。
11.根据权利要求9所述的电子设备，其中，当所述供应电压（Vs）低于第二阈值电压时使能所述电压步升单元（6），同时通过使能所述开关单元（5）旁路所述电压步降单元（4）。
12.根据权利要求9-12中的任一项所述的电子设备，其中，所述开关单元（5,7）包括以与对应的电压步升/步降单元反并联布置的寄生体二极管（D1,D2）以用于防止泄漏电流。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电子设备，其中，所述电压步降单元（4）和所述电压步升单元（6）是DC-DC转换器。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的电子设备，其中，所述负载是被配置成以恒定电压操作的图形液晶显示器（GLCD）。
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