CN109656301B - 实时斜率控制装置及实时控制稳压器的电压斜率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及实时斜率控制装置及实时控制稳压器的电压斜率的方法，该实时斜率控制装置包括：多个动力系统晶体管，连接于电源端子和输出节点之间，响应于误差信号进行接通；稳压器，向输出节点输出输出电压，产生输出节点和接地端子之间的反馈节点的反馈电压，比较反馈电压和基准电压而输出误差信号；比较器，比较反馈电压和子基准电压是否匹配，子基准电压是对基准电压进行电压分配的电压；上拉晶体管，连接于电源端子和输出端子之间，响应于与比较器的比较结果值相对应的多个第一控制信号依次接通；以及下拉晶体管，连接于输出节点和接地端子之间，响应于与比较器的比较结果值相对应的多个第二控制信号依次接通。

Description

实时斜率控制装置及实时控制稳压器的电压斜率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于稳压器的实时斜率控制装置以及其操作。
背景技术
稳压器用于各种电气以及机电应用。例如，DC稳压器通常与静态电路结合而实现，所述静态电路接受可变DC电压输入而生成经整流的DC电压输出。输出电压在输入电压的变化及输出负载电流的变化中保持规定。LDO稳压器(低压差稳压器，low dropoutregulator)是一种广泛用于工业和商业应用的稳压器。而且，还周知LDO稳压器利用在停止整流之前施加的低电压而起作用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种EMI特性良好的、用于稳压器的实时斜率控制装置以及其动作方法。
根据本发明的实施例的实时斜率控制装置，其中，可包括：多个动力系统晶体管，连接于电源端子和输出节点之间，响应于误差信号进行接通；稳压器，向所述输出节点输出输出电压，产生所述输出节点和接地端子之间的反馈节点的反馈电压，比较所述反馈电压和基准电压而输出所述误差信号；比较器，比较所述反馈电压和子基准电压是否匹配，所述子基准电压是对所述基准电压进行电压分配的电压；上拉晶体管，连接于所述电源端子和所述输出端子之间，响应于与所述比较器的比较结果值相对应的多个第一控制信号依次接通；以及下拉晶体管，连接于所述输出节点和所述接地端子之间，响应于与所述比较器的比较结果值相对应的多个第二控制信号依次接通。
实施例中，所述稳压器，可包括：第一电阻，连接于所述输出节点与所述反馈节点之间；第二电阻，连接于所述反馈节点与所述接地端子之间；以及误差放大器，通过比较所述基准电压和所述反馈电压而输出所述误差信号。
实施例中，可进一步包括用于产生所述基准电压的基准电压发生器。
实施例中，可进一步包括多工器，通过电阻分配所述基准电压而产生多个子基准电压，响应于选择信号从所述多个子基准电压中任选一个作为子基准电压。
实施例中，可进一步包括：第一移位寄存器，响应于所述比较器的所述比较结果值产生并储存所述多个第一控制信号；以及第二移位寄存器，响应于所述比较器的所述比较结果值产生并储存所述多个第二控制信号。
实施例中，若所述比较结果值指示电压斜率的上升时间快，则产生所述多个第一控制信号，若所述比较结果值指示所述电压斜率的上升时间慢，则产生所述多个第二控制信号。
实施例中，可进一步包括响应于时钟信号采样及保持所述反馈电压的采样及保持电路，所述比较器可以比较所述采样及保持电路的反馈电压和所述多工器的子基准电压。
实施例中，所述选择信号的时机和所述时钟信号的时机可相一致。
实施例中，在所述反馈电压和所述子基准电压相匹配时可以输出所述比较器的所述比较结果值。
实施例中，所述比较器可包括基于时钟的锁存器。
根据本发明的实施例的实时控制稳压器的电压斜率的方法，可包括：判断在所述稳压器的输出节点输出的输出电压的电压斜率的上升或下降的步骤；考虑上电时间判断所述电压斜率的上升或下降是否失败的步骤；以及当所述电压斜率的上升或下降失败时，依次接通连接在电源端子和所述输出节点之间的多个上拉晶体管或者依次接通连接在所述输出节点和接地端子之间的下拉晶体管的步骤。
实施例中，可进一步包括：发生基准电压的步骤；以及通过电阻分配所述基准电压来发生子基准电压的步骤。
实施例中，可包括：判断所述电压斜率的上升或下降是否失败的步骤；从所述子基准电压中任选一个的步骤；以及对与所述基准电压相对应的反馈电压和所述选择的子基准电压进行比较的步骤。
实施例中，根据所述比较结果值，可通过接通所述多个上拉晶体管或所述多个下拉晶体管来补偿所述电压斜率。
发明效果
根据本发明的实施例的用于稳压器的实时斜率控制装置以及其操作方法，通过监视电压斜率的起点到终点的时机，检测时机失败(failure)，实时监测电压斜率的进行状态(增加/减小)，从而，在进行时点可以自动补偿。
附图说明
以下，附图是用于理解本实施例的，与详细说明一起提供实施例。但是，本实施例的技术特征并不局限于特定图，可以组合各图中公开的特征构成新的实施例。
图1是根据本发明的实施例的用于稳压器的实时斜率控制装置的示例图。
图2是根据本发明的其他实施例的用于稳压器的实时斜率控制装置的示例图。
图3是根据本发明的实施例的实时斜率控制装置的操作方法的示例流程图。
图中：
100、200：实时斜率控制电路，110：稳压器，120：动力系统晶体管，130：上拉晶体管，140：下拉晶体管，150：第一移位寄存器，160：第二移位寄存器，170：比较器，180：多工器，185：采样及保持电路，190：基准电压发生器。
具体实施方式
下面，利用附图明确且详细记载本发明的内容使得本发明所属技术领域的技术人员可容易实施。
对本发明可进行多种变更并且可具有多种形态，因而在附图中例示并在本说明书中详细说明特定实施例。但应当理解，这并非将本发明限定在特定的公开方式，而是包括包含在本发明的思想及技术范围之内的所有变更、等同技术方案及替代方案。第一、第二等术语可用于说明多种结构要素，但所述结构要素并不局限于所述术语。
所述术语可以以从其他结构要素区分一个结构要素为目的而使用，例如在不脱离本发明的权利范围的情况下，第一结构要素可以被称为第二结构要素，类似地，第二结构要素也可以被称为第一结构要素。当被提及某种结构要素与另一结构要素“连接”或“联接”时，应当理解为可以直接与其他结构要素相连接或相联接，但也可在中间存在其他结构要素。相反，当提及某种结构要素与另一结构要素“直接连接”或“直接联接”时，应当理解为中间不存在其他结构要素。
用于说明结构要素之间的关系的其他表达，即，“～之间”和“直接在～之间”或“与～相邻”和“与～直接相邻”等的表达也应以相同的方式进行解释。本说明书中所使用的术语仅仅用于说明特定实施例，而并非限定本发明。除非在文脉上明确表示不同的含义，单数的表达包括复数的表达。
在本说明书中，“包括”或“具有”等术语所要指定实施的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在，而不得理解为排除一个或一个以上的其他特征或数字、步骤、动作、结构要素、部件或这些组合的存在或附加可能性。除非另有定义，包含技术术语及科学术语在内的使用于本说明书中的所有术语具有与本发明所属技术领域的技术人员普遍理解的含义相同的含义。在普遍使用的词典中所定义的术语应解释为具有与相关技术的文脉上所具有的含义一致的含义，并且，除非在本说明书中明确定义，则不应以理想性或过于公式化的含义来进行解释。
根据本发明的实施例的稳压器在电压斜率上升/下降期间测量实时电压斜率，并可以补偿电压斜率。
图1是根据本发明的实施例的用于稳压器的实时斜率控制装置10的示例图。参照图1，实时斜率控制装置100，可以包括稳压器110、动力系统晶体管T11至T2x(x为2以上的自然数)、上拉晶体管T21至T2y(y为2以上的自然数)、下拉晶体管T31至T3z(z为2以上的自然数)、第一移位寄存器150、第二移位寄存器160、比较器170、多工器180以及基准电压发生器190。
稳压器110可以实现为向输出节点ND1输出事先设定的输出电压Vout。实施例中，稳压器110可以包括低压差稳压器(low dropout regulator；LDO)。
稳压器110，可以包括：第一电阻R1，连接于输出节点ND1和反馈节点ND2之间；第二电阻R2，连接于反馈节点ND2和接地端子GND之间；以及误差放大器EA。误差放大器EA相比较基准电压VR[N](N为2以上的自然数)和反馈节点VFB，可以输出误差信号。此处，反馈电压VFB可为反馈节点ND2的电压。
动力系统晶体管120(T11至T1x，其中x为2以上的自然数)可以并联连接于电源端子VDD与输出节点ND1之间。实施例中，动力系统晶体管T11至T1x响应从误差放大器EA输出的误差信号可以接通。例如，反馈电压VFB小于基准电压VR[N]时，动力系统晶体管T11至T1x响应误差信号可以接通。
上拉晶体管130(T21至T2y，其中y为2以上的自然数)可用于急剧斜率控制(slopsuddenly control)。上拉晶体管T21至T2y可以并联连接于电源端子VDD和输出节点ND1之间。在实施例中，上拉晶体管T21至T2y响应上拉控制信号可以接通或断开。在实施例中，每个上拉晶体管T21至T2y可以以相同的尺寸(W/L比)实现。在其他实施例中，每个上拉晶体管T21至T2y可以以不同的尺寸实现。
在实施例中，每个上拉晶体管T21至T2y可以包括金属氧化物半导体(MOS：metaloxide semiconductor)晶体管。
下拉晶体管140(T31至T3z，其中z为2以上的自然数)可用于缓慢斜率控制(slopgradually control)。下拉晶体管T31至T3z可以并联连接于输出节点ND1和接地端子GND之间。在实施例中，下拉晶体管T31至T3z响应下拉控制信号可以接通或断开。在实施例中，每个下拉晶体管T31至T3z可以以相同的尺寸(W/L比)实现。在其他实施例中，每个下拉晶体管T31至T3z可以以不同的尺寸实现。
在实施例中，每个下拉晶体管T31至T3z可以包括金属氧化物半导体(MOS：metaloxide semiconductor)晶体管。
第一移位寄存器150可以实现为生成上拉控制信号。在实施例中，第一移位寄存器150可以包括N位移位寄存器。
第二移位寄存器160可以提现为生成下拉控制信号。在实施例中，第二移位寄存器160可以包括N位移位寄存器。
比较器170响应于控制信号Sn+m将反馈电压VFB与子参考电压SVR进行比较，并将比较结果可输出至第一移位寄存器150或第二移位寄存器160。比较器170通过比较反馈电压VFB与子基准电压SVR，可以判断上升或下降的电压斜率是否失败。
多工器180可以实现为响应于选择信号Sn输出子基准电压VR[0]至VR[N-1]中的一个。此处，通过使用电阻器R分配基准电压VR[N]来产生子基准电压VR[0]至VR[N-1]。即，多工器180可以包括电阻分压器。
基准电压发生器190可以实现为产生基准电压VR[N]。
通常，低压差稳压器(low dropout regulator,LDO)在上电时必须遵循上电时间(power-up time)。若不遵循上电时间，则功能安全应用因漏电及对应电路不正常动作而判断为不安全。因此，功能安全应用必须专门测量上电时间来检查是否发生失败(fail)。发生失败时能自动恢复的功能非常重要。
上电时间(power-up time)由开发人员或用户而决定。因此，从上电开始时点到结束的时点是已知的。由于可以知道上电开始时点和结束时点，因此，也可以知道与相应时机(timing)增加的时间对应的电压电平。
本发明的比较器170可以实现为以基于时钟的锁存器的形态输出比较结果值。也就是说，仅在反馈电压VFB与子基准电压SVR相匹配时，才能输出比较器170的比较结果值。
若根据比较结果值判断电压斜率上升的时间快，则可以依次接通“缓慢斜率控制(slope gradually control)”块，即下拉晶体管140。由此，可以降低用于升高电压斜率的电流。
相反，若根据比较结果值判断电压斜率上升的时间慢，则可以依次接通“急剧斜率控制(slope suddenly control)”块，即多个上拉晶体管130。由此，可以增加用于升高电压斜率的电流。如上所述，整体上可以补偿电压斜率时间。
比较器170的结果值可以存储在移位寄存器150、160中，以便依次进行电流的增加及减少。
根据本发明实施例的实时斜率控制装置100通过监测电压斜率的起点到终点的时机(timing),检测时序失败，并实时监测电压斜率的进行状态(增加/减少)，从而，在进行时点可以自动补偿。
即，根据本发明的实施例的实时斜率控制装置100能够实时监测电压斜率的进行步骤。在实施例中，本发明的实时斜率控制装置100在发生斜率时序失败时可以根据实时监测结果提供自动恢复功能。
另外，根据本发明的实施例的实时斜率控制装置还可以包括用于采样及保持反馈电压VFB的采样及保持电路。
图2是示出根据本发明的另一实施例的用于稳压器的实时斜率控制装置200的示例的图。参考图2，实时斜率控制装置200与图1所示的实时斜率控制装置100相比，还可以包括采样及保持电路185。
采样及保持电路185可以被实现为将上升的电压斜率的模拟信号存储在时钟施加时点的子基准电压SVR。
当使用采样及保持电路185时，为了匹配基准电压，采样及保持电路185的时钟定时(clock timing)应与用于输出规定子基准电压SVR的多工器180的选择信号Sn的时机匹配。此处，时钟CLK的周期及多工器180的选择信号Sn的时机可以与上电时间(power-uptime)匹配。
汽车、飞机等配备有与生命有直接关系的应用的电子设备对可能导致误动作的电磁干扰(EMI(electromagnetic interference))非常敏感。因此，如电机控制(高端、低端、H&L端驱动器)、供电器(例如开关电源)、大容量on/off开关(例如Power MOSFET)、及CAN(controller area network)/LIN等汽车用通信接口(I/F)用大电流运行的电路已努力降低EMI。这种用于降低EMI的代表技术控制电压的斜率急剧变化以免电流达到峰值。
除EMC(电磁兼容性(Electro-Magnetic Compatibility))问题之外，最近修订了功能安全的第11部分，同时在每个稳压器上对上电时间(power-up time)，在H&L端驱动器等情况下接通/断开时间过快时也指定为失败模式(failure mode)，并应对。并且，对斜率控制的关注也逐渐增高。
现有的斜率控制方式大致分为2种。第一种方式是对斜率进行控制使得通过模拟及验证使用考虑寄生的过滤器，在PVT(过程，电压，温度)变化的情况下也始终具有预定斜率。但是，此方式在验证步骤中发生未考虑的情况时，常常会发生失败。第二种方式是通过计时器等测量从斜率的开始步骤(以地面为准10％)到结束步骤(以地面为准90％)的时间，若在所测量时间内完成上升(rising)或下降(falling)，则判断为没有问题，发生失败(fail)时，向MCU(microcontroller unit)等通知信息。这仅执行简单的失败检测(failuredetection)功能。为了解决此问题，正在研究一种通过根据计数器的时机测量(timingmeasure)结果增加或减少用于控制斜率的电流来补偿斜率的方案。然而，并不是在电压斜率增加或减少的步骤中进行监测的方法，因此，实时补偿是困难的。
用稳压器中的线性稳压器的一种LDO说明本发明的电路操作为如下。
本发明可以实时控制H/L端驱动器和CAN/LIN等通信系统的输出斜率，并在稳压器(SMPS，LDO等)的情况下可以实时监测上电/掉电时间监测方式是根据确定的上升/下降时间由S&H实时监测应用的输出电压，并与当时所预期电压电平进行比较确定动力系统的金属氧化物半导体场效应晶体管的ON/OFF的方式，与该专利不存在类似性。
图3是示出根据本发明的实施例的实时斜率控制装置的操作方法的示例流程图。参照图1及图3，实时控制实时斜率控制装置100的电压斜率的操作方法为如下。
比较器170可以通过比较反馈电压VFB和子基准电压SVR来判断电压斜率的上升/下降(S110)。然后，可以考虑已知的上电时间来判断电压斜率的上升或下降是否失败(S120)。若电压斜率的上升程度失败，则可以通过依次接通多个下拉晶体管140来调节电压斜率的上升程度。相反，若电压斜率的下降程度失败，则可以通过依次接通多个上拉晶体管130来调节电压斜率的下降程度(S130)。
如本领域的技术人员理解根据本发明的多个步骤及/或操作，还可以为其他的技术思想以不同的顺序或并列地在其他实施例中实施。
根据实施例，可以利用存储于一个以上的非暂时性计算机可读介质的指令、程序、交互式数据结构(interactive data structure)、用户及/或驱动服务器的一个以上的程序实现或执行多个步骤及/或动作的局部或全部。作为示例，一个以上的非暂时性计算机可读介质可以是软件、固件、硬件及/或其任何组合。此外，本说明书中所提的“模块”的功能可以用软件、固件、硬件及/或其任何组合来实现。
用于实现/执行本发明的实施例的一个以上动作/步骤/模块的一个以上的非暂时性计算机可读介质及/或装置可以包括包含专用集成电路(ASIC，application-specificintegrated circuits)、标准集成电路、微控制器的、执行适当指令的控制器及/或嵌入式控制器、现场可编程门阵列(FPGA，field-programmable gate arrays)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)及类似器件，但是，并不局限于此。
实施例中，本发明的实时斜率控制装置可以应用于稳压器、驱动器以及CAN/LIN通信输出斜率。
另外，本发明的所述内容只是用于实施发明的具体实施例而已。本发明不仅包括具体且能实际利用的装置本身，而且，还包括将来能作为技术利用的抽象的概念的构想所谓技术思想。

Claims (14)

1.一种实时斜率控制装置，其中，包括：
多个动力系统晶体管，连接于电源端子和输出节点之间，响应于误差信号进行接通；
稳压器，向所述输出节点输出输出电压，产生所述输出节点和接地端子之间的反馈节点的反馈电压，比较所述反馈电压和基准电压而输出所述误差信号；
比较器，比较所述反馈电压和子基准电压是否匹配，所述子基准电压是对所述基准电压进行电压分配的电压；
上拉晶体管，连接于所述电源端子和所述输出节点之间，响应于与所述比较器的比较结果值相对应的多个第一控制信号依次接通；以及
下拉晶体管，连接于所述输出节点和所述接地端子之间，响应于与所述比较器的比较结果值相对应的多个第二控制信号依次接通。
2.根据权利要求1所述的实时斜率控制装置，其中，所述稳压器，包括：
第一电阻，连接于所述输出节点与所述反馈节点之间；
第二电阻，连接于所述反馈节点与所述接地端子之间；以及
误差放大器，通过比较所述基准电压和所述反馈电压而输出所述误差信号。
3.根据权利要求2所述的实时斜率控制装置，其中，进一步包括用于产生所述基准电压的基准电压发生器。
4.根据权利要求1所述的实时斜率控制装置，其中，进一步包括多工器，通过电阻分配所述基准电压而产生多个所述子基准电压，响应于选择信号从多个所述子基准电压中任选一个作为子基准电压。
5.根据权利要求4所述的实时斜率控制装置，其中，进一步包括：
第一移位寄存器，响应于所述比较器的所述比较结果值产生并储存所述多个第一控制信号；以及
第二移位寄存器，响应于所述比较器的所述比较结果值产生并储存所述多个第二控制信号。
6.根据权利要求5所述的实时斜率控制装置，其中，若所述比较结果值指示电压斜率的上升时间快，则产生所述多个第一控制信号，
若所述比较结果值指示所述电压斜率的上升时间慢，则产生所述多个第二控制信号。
7.根据权利要求4所述的实时斜率控制装置，其中，进一步包括响应于时钟信号采样及保持所述反馈电压的采样及保持电路，
所述比较器用于比较所述采样及保持电路的反馈电压和所述多工器的子基准电压。
8.根据权利要求7所述的实时斜率控制装置，其中，所述选择信号的时机和所述时钟信号的时机相一致。
9.根据权利要求4所述的实时斜率控制装置，其中，在所述反馈电压和所述子基准电压相匹配时输出所述比较器的所述比较结果值。
10.根据权利要求4所述的实时斜率控制装置，其中，所述比较器包括基于时钟的锁存器。
11.一种实时控制稳压器的电压斜率的方法，其中，包括：
判断在所述稳压器的输出节点输出的输出电压的电压斜率的上升或下降的步骤；
考虑上电时间判断所述电压斜率的上升或下降是否失败的步骤；以及
当所述电压斜率的上升或下降失败时，依次接通连接在电源端子和所述输出节点之间的多个上拉晶体管或者依次接通连接在所述输出节点和接地端子之间的下拉晶体管的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，进一步包括：
发生基准电压的步骤；以及
通过电阻分配所述基准电压来发生子基准电压的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，包括：
判断所述电压斜率的上升或下降是否失败的步骤；
从所述子基准电压中任选一个的步骤；以及
对与所述基准电压相对应的反馈电压和选择的所述子基准电压进行比较的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据比较结果值，通过接通所述多个上拉晶体管或多个所述下拉晶体管而补偿所述电压斜率。
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