CN107422771A - 电压调节电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压调节电路及其控制方法，所述电压调节电路包括第一开关管和控制电路，所述的控制电路的驱动端与所述第一开关管的控制端连接；控制电路的第一供电端经第一电阻与输入电压的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管的第二端经第二电阻与第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第二端作为所述电压调节电路之输出电压的第一端，与所述第一电阻相连接的输入电压的那一端作为所述输出电压的第二端。本发明通过低压工艺的电路实现了在高压输入场合的应用，且能在不同输入电压下保持基本恒定的输出电压。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种电压调节电路及其控制方法。
背景技术
电压调节电路接收供电电压，并根据负载或使用场合的需求，输出预期的输出电压，也可控制输出电压处于恒压状态。线性电压调节电路为常用的电压调节电路，但现有技术的线性电压调节电路一般用于低压差场合，且输入电压和输出电压均较低。例如，低压差线性稳压器(low dropout regulator，简称LDO)。
图1所示为现有技术的线性降压电路原理图。通过调节晶体管M01，将输入电压降压得到输出电压Vout。所述输出电压Vout经过由电阻R01和R02组成的分压电压，得到输出电压采样信号FB，运放U01通过控制晶体管M01，使得输出电压采样信号FB趋近于内部参考电压VREF，从而使得输出电压恒定。正如以上所述，该现有技术方案应用于低输入输出电压，且输入输出电压压差较小时的常用方案。
然而，当输入输出电压为高压时，如上百伏、几百伏，则线性晶体管的栅极对系统地为上百伏、几百伏的高压，因此晶体管的驱动电路需要承受相应的高压，现有技术的电压调节电路无法解决上述技术问题，影响了电压调节电路在高压领域的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电压调节电路及其控制方法，用于解决现有技术的电压调节电路难以应用于高压场合的技术问题，在不同输入电压下保持恒定输出电压。
依据本发明的一种电压调节电路，包括第一开关管及控制电路，所述的控制电路的驱动端与所述第一开关管的控制端连接；控制电路的第一供电端经第一电阻与输入电压的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管的第二端经第二电阻与第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第二端作为所述电压调节电路之输出电压的第一端，所述输入电压与所述第一电阻相连接的那一端作为所述电压调节电路之输出电压的第二端。
可选地，所述的控制电路内设置有基准电流，所述的第一供电端接收表征流经第一电阻之电流的第一电流，所述控制电路的驱动端接收表征流经第二电阻之电流的第二电流；所述的第二电流等于第一电流与基准电流之差。
可选地，所述的第一电流小于等于基准电流时，第一开关管的控制端电压被控制电路上拉，所述第一开关管完全导通，使得输出电压跟随所述输入电压变化。
可选地，所述的第一电流大于基准电流时，根据所述第二电流调节所述第一开关管的控制端电压，将输出电压钳位，以使得输出电压基本恒定。
可选地，根据所述基准电流、第一电阻或/和第二电阻，调节所述输出电压的恒压值。
可选地，在所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值时，通过改变基准电流的大小或改变第一电阻、第二电阻的阻值，来调节所述输出电压的恒压值。
可选地，所述的电压调节电路还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一电阻和控制电路的公共端连接，所述第一电容的另一端与所述第一节点连接。
可选地，所述的控制电路为集成于片内，所述控制电路的驱动端、第一供电端和第二供电端分别通过引脚引出。
依据本发明的一种电压调节电路的控制方法，所述的电压调节电路包括第一开关管和控制电路，所述的控制电路的驱动端与所述第一开关管的控制端连接；控制电路的第一供电端经第一电阻与输入电压的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管的第二端经第二电阻与第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第二端作为所述电压调节电路之输出电压的第一端，所述输入电压与所述第一电阻相连接的那一端作为所述电压调节电路之输出电压的第二端；
所述的控制电路内设置有基准电流，所述的第一供电端接收表征流经第一电阻之电流的第一电流，所述控制电路的驱动端接收表征流经第二电阻之电流的第二电流；所述的第二电流等于第一电流与基准电流之差。
可选地，所述的第一电流小于等于基准电流时，第一开关管的控制端电压被控制电路上拉，所述第一开关管完全导通，使得输出电压跟随所述输入电压变化；所述的第一电流大于基准电流时，根据所述第二电流调节所述第一开关管的控制端电压，将输出电压钳位，以使得输出电压基本恒定。
可选地，在所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值时，通过改变基准电流的大小或改变第一电阻、第二电阻的阻值，来调节所述输出电压的恒压值。
综上所述，与现有技术相比，依据本发明的电压调节电路及其控制方法，在电路启动后，分为两个阶段，当所述第一电流小于等于基准电流时，则输出电压跟随输入电压上升，直到所述第一电流大于所述基准电流，则将所述输出电压钳位，以使得输出电压基本恒定，并可根据所述基准电流、第一电阻或/和第二电阻，调节所述输出电压的恒压值。本发明通过低压工艺的电路实现了在高压输入场合的应用，且能在不同输入电压下保持基本恒定的输出电压。
附图说明
图1所示为现有技术电压调节电路的结构示意图；
图2所示为本发明电压调节电路实施例一的结构示意图；
图3所示为实施例一中控制电路的部分结构示意图；
图4所示为本发明电压调节电路实施例二的结构示意图；
图5所示为本发明电压调节电路的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考2所示，示意了本发明电压调节电路实施一的电路结构。所述的电压调节电路包括第一开关管M1和控制电路，所述的控制电路的驱动端G与所述第一开关管M1的控制端连接；控制电路的第一供电端VCC经第一电阻R1与输入电压Vin的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压Vin的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管M1的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管M1的第二端经第二电阻R2与第一开关管M1的控制端连接，所述第一开关管M1的第二端作为所述电压调节电路之输出电压Vout的第一端，所述输入电压Vin与所述第一电阻R1相连接的那一端作为所述电压调节电路之输出电压Vout的第二端。
以上连接关系适用于第一开关管为NMOS和PMOS两种情况。图2示意了所述第一开关管M1为NMOS的情况，在该情况下，第一开关管M1的第二端(漏极)D作为输出电压Vout的低电位端，所述输入电压Vin的高电位端同时也作为所述输出电压Vout的高电位端；所述控制电路的第一供电端VCC通过第一电阻与所述输入电压Vin的高电位端连接，所述控制电路的第二供电端与所述输入电压Vin的低电位端(即接地端)连接。由图2可知，控制电路的第一供电端VCC既可以检测输入控制电路的电流(流经第一电阻R1的电流)，同时实现对控制电路供电，第一电流i1可以表征母线电压(输入电压的高电位端)，第二电流i2可以表征第一开关管M1的第二端(漏极)D的电压。则有：
i1＝(Vin-VCC)/R1；i2＝(VD-VG)/R2；其中VD为第一开关管M1的第二端D的电压，VG为第一开关管M1的控制端电压。
参考图3所示，示意了本发明中控制电路的部分电路结构。附图3的内容基于图2的实施例一，所述的控制电路内设置有基准电流Iref，所述的第一供电端VCC接收表征流经第一电阻R1之电流的第一电流i1，所述控制电路的驱动端G接收表征流经第二电阻R2之电流的第二电流i2；所述的第一电流i1小于等于基准电流Iref时，则由电流i3将驱动端G的电压上拉，电流i3为流经电阻R3的电流，也可以通过一个电流源来替换该电阻，一般电流源为固定电流，而流经电阻的电流会随着其两端的压差变化而变化，所述的第一电流i1大于基准电流Iref时，严格意义上，所述的第一电流i1大于(Iref+i3)时，由于电流i3较小，在计算时或者在原理描述时可以忽略，所以可以认为第二电流i2为第一电流i1与基准电流Iref之差。
对于本发明关于第一电流i1和第二电流i2的原理是：所述第二电流i2的大小等于第一电流i1与Iref之差，但是在具体电路实现上无法做到完全的相等。在第一电流i1大于基准电流Iref时，实际上是可以不要上拉电流i3的，但是在第一电流i1小于基准电流Iref时，囿于本附图3中电路结构的限制，无法产生反映二者之差的上拉电流，所以加设上拉电流i3，以在第一电流i1小于基准电流Iref时起作用。
所述的第一电流i1小于等于基准电流Iref(i1>Iref)(正如上面所述，在描述原理的时候忽略了电流i3)时，第一开关管M1的控制端电压和其第二端电压相等(VD＝VG)，通过控制电路内的上拉电流i3上拉使得VG为高电平，所述第一开关管M1完全导通，此时VD下降至第一开关管M1的导通压降，输出电压Vout的高电位端与输入电压Vin的高电位端为同一端，输出电压Vout的低电位端仅比输入电压Vin的低电位端高出第一开关管M1的导通压降，使得输出电压Vout跟随所述输入电压Vin变化。
所述的第一电流i1大于基准电流Iref时，根据所述第二电流i2调节所述第一开关管M1的控制端电压VG，将输出电压Vout钳位，以使得输出电压Vout基本恒定。VD作为输出电压低电位端的电压，VD＝VG+i2×R2＝VG+(i1-Iref)×R2，从而得出关于输出电压Vout的以下结论。
Vout＝Vin-VD＝(VCC+i1×R1)-[VG+(i1-Iref)×R2]
＝i1×(R1-R2)+(VCC-VG)+Iref×R2；
需要再次申明的是，为了便于示意，以上计算忽略上拉电流i3。为了减少变量，取R1＝R2，此时Vout＝Iref×R2+(VCC-VG)，由于VCC-VG的值变化较小，所以可以通过改变基准电流Iref和/或第二电阻R2的值来改变输出电压Vout。在Iref和第二电阻R2确定的情况下，输出电压Vout保持基本恒定。
参考图4所示，示意了本发明电压调节电路实施二的电路结构。实施例二在工作原理上与实施例一相似，二者的主要区别在于，实施例一是将输出电压Vout设置在输入电压Vin的高电位侧，而实施例二则是将输出电压Vout设置在输入电压Vin的低电位侧，这就决定了二者电路连接关系的不同，另外实施例二中的第一开关管M1采用PMOS。在图4中，控制电路的第一供电端VCC经第一电阻R1与输入电压Vin的低电位端连接，第一电容C1与R1串联，C1的另一端与输入电压的高电位端连接，控制电路的第二供电端与输入电压Vin的高电位端连接。和实施例一相一致的是，两个实施例中，均将MOS管的源极作为第一端，漏极作为第二端，在实施例二中，第一开关管M1的第一端(源极)S与输入电压Vin的高电位端连接，第一开关管M1的第二端(源极)D与输入电压Vin的低电位端连接，第一开关管M1的第二端与控制端之间连接有第二电阻R2，第一开关管M1的控制端与控制电路的驱动端连接。第一开关管M1的第二端作为输出电压Vout的高电位端，输入电压Vin的低电位端作为输出电压Vout的低电位端。对于实施例二的电流关系和工作原理描述，可参考实施例一中的相关论述。
参考图5所示，示意了本发明电压调节电路的工作波形，主要示意了控制电路驱动端G的电压VG、第一开关管M1的第二端电压、输入电压Vin和输出电压Vout的波形。图5中，主要依据实施例一的波形，对于实施例二其波形的正负方向等会有所变化，由于二者原理一致，故仅以图5的波形为例。在0～t1时刻，电压调节电路启动过程中，随着输入电压Vin的上升，VG和VD电压值也逐步上升，在t1时刻，完成启动，输出电压Vout从零开始上升，VD电压也因第一开关管M1的导通而下降至其导通压降，在t1～t2之间，保持VD和VG保持上述状态，输出电压Vout跟随输入电压Vin上升，在t2时刻，所述第一电流i1大于基准电流Iref，则开始调节VG电压值，由于VD＝VG+i2×R2＝VG+(i1-Iref)×R2。如关于图3的描述，可知，输出电压Vout基本恒定，即随着输入电压Vin的继续升高，输出电压Vout基本保持不变。同时可通过调节基准电流和第二电阻的阻值来调节输出电压值。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上对依据本发明的优选实施例进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于实施例公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种电压调节电路，包括第一开关管及控制电路，所述的控制电路的驱动端与所述第一开关管的控制端连接；其特征在于：
控制电路的第一供电端经第一电阻与输入电压的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管的第二端经第二电阻与第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第二端作为所述电压调节电路之输出电压的第一端，所述输入电压与所述第一电阻相连接的那一端作为所述电压调节电路之输出电压的第二端。
2.根据权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于，所述的控制电路内设置有基准电流，所述的第一供电端接收表征流经第一电阻之电流的第一电流，所述控制电路的驱动端接收表征流经第二电阻之电流的第二电流；所述的第二电流等于第一电流与基准电流之差。
3.根据权利要求2所述的电压调节电路，其特征在于，所述的第一电流小于等于基准电流时，第一开关管的控制端电压被控制电路上拉，所述第一开关管完全导通，使得输出电压跟随所述输入电压变化。
4.根据权利要求1或2或3所述的电压调节电路，其特征在于，所述的第一电流大于基准电流时，根据所述第二电流调节所述第一开关管的控制端电压，将输出电压钳位，以使得输出电压基本恒定。
5.根据权利要求1或2或3所述的电压调节电路，其特征在于，根据所述基准电流、第一电阻或/和第二电阻，调节所述输出电压的恒压值。
6.根据权利要求4所述的电压调节电路，其特征在于，在所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值时，通过改变基准电流的大小或改变第一电阻、第二电阻的阻值，来调节所述输出电压的恒压值。
7.根据权利要求1或2或3所述的电压调节电路，其特征在于，所述的电压调节电路还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一电阻和控制电路的公共端连接，所述第一电容的另一端与所述第一节点连接。
8.根据权利要求1或2或3所述的电压调节电路，其特征在于，所述的控制电路为集成于片内，所述控制电路的驱动端、第一供电端和第二供电端分别通过引脚引出。
9.一种电压调节电路的控制方法，其特征在于，所述的电压调节电路包括第一开关管和控制电路，所述的控制电路的驱动端与所述第一开关管的控制端连接；控制电路的第一供电端经第一电阻与输入电压的其中一端连接，控制电路的第二供电端与所述输入电压的另一端连接，二者的公共端作为第一节点；所述第一开关管的第一端与所述第一节点连接，所述第一开关管的第二端经第二电阻与第一开关管的控制端连接，所述第一开关管的第二端作为所述电压调节电路之输出电压的第一端，与所述第一电阻相连接的输出电压的那一端作为所述输出电压的第二端；
所述的控制电路内设置有基准电流，所述的第一供电端接收表征流经第一电阻之电流的第一电流，所述控制电路的驱动端接收表征流经第二电阻之电流的第二电流；所述的第二电流等于第一电流与基准电流之差。
10.根据权利要求9所述的电压调节电路的控制方法，其特征在于，所述的第一电流小于等于基准电流时，第一开关管的控制端电压被控制电路上拉，所述第一开关管完全导通，使得输出电压跟随所述输入电压变化；所述的第一电流大于基准电流时，根据所述第二电流调节所述第一开关管的控制端电压，将输出电压钳位，以使得输出电压基本恒定。
11.根据权利要求10所述的电压调节电路的控制方法，其特征在于，在所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值时，通过改变基准电流的大小或改变第一电阻、第二电阻的阻值，来调节所述输出电压的恒压值。
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