CN109933121B

CN109933121B - 电压源

Info

Publication number: CN109933121B
Application number: CN201910142976.5A
Authority: CN
Inventors: K·伦兹
Original assignee: STMicroelectronics Alps SAS
Current assignee: STMicroelectronics Alps SAS
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: US9791882B2; US20170038788A1; DE102016102976A1; US20180024584A1; CN106444959B; US10254781B2; FR3039905B1; FR3039905A1; DE102016102976B4; CN106444959A; CN109933121A; CN205620843U

Abstract

一种电压源，其中至少一个第一开关将电压源的第一节点耦合至施加电源电压的至少一个电位的节点，并且至少一个第一电容元件将电压源的第一节点或第二节点耦合至第一开关的控制节点。

Description

电压源

本申请是优先权日为2015年8月7日、申请日为2016年2月23日、申请号为201610100200.3、发明名称为“电压源”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总的来说涉及电子电路，更具体地涉及电压源。

背景技术

在特定应用中，需要浮置源，即在具有可能变化的电位的两个输出节点之间保持电压的源。例如，在电机电源电路的领域中存在这种需求。

发明内容

一个实施例提供一种浮置电压源，其能够保持两个输出节点之间的电压，不同的电位能够被交替地施加其中的一个节点上。

一个实施例提供了一种浮置电压源，其能够保持两个输出节点之间的电位差，其中的一个节点经由电容元件被耦合至参考电位。

因此，一个实施例提供了一种电压源，其中，至少一个第一开关将电压源的第一节点耦合至施加电源电压的至少一个电位的节点，并且至少一个第一电容元件将电压源的第一节点或第二节点耦合至第一开关的控制节点。

根据一个实施例，在施加于第二节点的电位的变化期间，第一节点和第二节点之间的电压基本保持恒定。

根据一个实施例，该电压源包括用于在施加于第二节点的电位变化期间将第一节点和第二节点之间的电压保持基本恒定的装置。

根据一个实施例，至少一个辅助电压源将第一开关的控制节点耦合至电压源的第一节点或第二节点。

根据一个实施例，辅助电压源包括将至少一个第一电流源耦合至电压源的第一节点或第二节点的至少一个第一电阻元件，该第一电阻元件被耦合至第一开关的控制节点。

根据一个实施例，至少一个第二电阻元件耦合辅助电压源和第一开关的控制节点。

根据一个实施例，第一电阻元件包括至少一个第一MOS型晶体管，第一MOS型晶体管的栅极耦合至漏极，第一开关包括与第一晶体管形成电流镜的至少一个第二MOS型晶体管。

根据一个实施例，第一电流源包括第一电流镜，第一电流镜具有耦合至第三节点的第一分支并具有耦合至第二电流镜的第一分支的第二分支，第二电流镜的第二分支耦合至电压源的所述第一节点。

根据一个实施例，辅助电压源包括：将第一晶体管的栅极耦合至电压源的第一节点的第四电阻元件；以及第五电阻元件，将第一电流镜的第一分支耦合至第三节点。

根据一个实施例，至少一个第二开关将第一开关的控制节点耦合至电压源的第二节点，并且至少一个第二电容元件将电压源的第一节点耦合至第二开关的控制节点。

根据一个实施例，至少一个第二电流源耦合至第一开关的控制节点。

根据以下结合附图的具体实施例的非限制性描述，将详细讨论前述和其他的特征以及优势。

附图说明

图1示意性示出了应用下述实施例的类型的电子设备的实例；

图2示意性示出了浮置电压源的实施例；

图3示意性示出了浮置电压源的另一实例；以及

图4示意性示出了组合图2和图3的实施例的浮置电压源的实施例的进一步细节。

具体实施方式

在不同的附图中利用相同的参考标号来表示相同的元件。为了简化，只示出和详述了有助于理解所述实施例的那些元件。具体地，只示出了有助于理解的控制和电源电路的那些元件，该电路还包括其他有用的元件。

除非另有指定，否则表述“近似”、“基本”和“大约”表示在10％内，优选地在5％内。

在本说明书中，术语“连接”表示两个元件之间的直接电连接，而术语“耦合”表示两个元件之间的电连接，可以是直接的或者经由一个或多个其他无源或有源部件(诸如电阻器、电容器、电感、二极管、晶体管等)连接。

在以下描述中，在串联连接的元件(例如，处于接通状态的开关)中忽略压降，其中经由串联连接的元件施加不同的电位。

图1示意性示出了控制和电源设备1的实例。设备1在电机M的线圈的第一端子3上提供电位。电机M的线圈的第二端子5连接至另一相同的控制和电源设备(未示出)。设备1包括具有两个输出节点9和11的浮置电压源7。输出节点9和11通过电源电路13耦合至线圈的端子3。

浮置电压源7利用具有施加至节点15的第一电位的电源电压VCP来供电。参考电压VREF具有施加给浮置电压源的节点17的第一电位。电源电压VCP的第二电位和参考电压VREF的第二电位对应于参考电位，例如惯例为具有零电位的地19。

浮置电流源7包括耦合输出节点9和11的电阻元件21以及被参考电压VREF控制并耦合节点15和9的电流源23。根据参考电压VREF，由电流源23传送参考电流IREF，使得当通过电路13在节点9上采样的电压为零时，输出节点9和11之间的电压V等于参考电压VREF。

电源电路13在具有施加于其的电位VBAT的端子25和连接至地的端子27之间供电。电压VBAT对应于电机电源电压。该电压例如由电池(未示出)来提供。

电路13包括：

开关29，将线圈的端子3耦合至地，由未示出的电路控制；

开关31，将施加电位VBAT的端子25耦合至线圈的端子3；

电路33，用于控制开关31，耦合至端子25、节点9和地，控制电路接收控制信号ON；以及

连接，位于输出节点11和线圈的端子3之间。

节点9具有不期望的电容特性(不可避免的)，其通过将节点9耦合至地的寄生电容器35来代表。

在操作中，开关29和31交替地在线圈的端子3上施加电位VBAT和零电位，以控制电机的定位或旋转。开关29的控制是有用的。

对于开关31来说，当控制信号ON被激活时，电路33向开关31的控制节点施加节点9的电位，以总体对其进行控制或者不进行控制。在所示实例中，通过电路33在节点9上采样的电流被认为是零。

对于节点3的电位的每次变化，电压源7的输出节点11的电位也变化。然后，寄生电容器35应该被充电或放电，这要求显著大的电流。缺点在于，这种显著大的电流引起浮置电压源7的输出电压V的变化。确实，在向节点11施加电位VBAT时，电压V降低，这会引起对电机供电的电位的提升的延迟。相反，当节点11被置于与地接触时，电压V能够超过用于控制电路33的部件或用于开关31的最大容许值。因此，当施加至输出端子的电位从电压VBAT的一个值切换到另一值时，期望限制电压V的变化。

在以下描述的实例中，电位VCP是设备的最高值，并且电压VBAT和VREF是正的。

图2示意性示出了能够替代图1的设备的源7的浮置电压源50的实施例。

与图1相同，浮置电压源50包括被参考电压VREF控制并将施加电压VCP的节点15耦合至输出节点9的电流源60a以及将节点9耦合至另一输出节点11的电阻元件21。

N沟道MOS型晶体管NM1的源极S1耦合至节点9且漏极D1耦合至节点15。晶体管NM1的栅极G1或控制节点通过电容器C1耦合至节点11以及通过与电阻器R1串联的辅助电压源62耦合至节点9。在所示实例中，电阻器R1连接至栅极G1。

在稳定状态下，辅助电压源62通过电阻器R1保持电容器C1的充电状态，使得晶体管NM1优选地处于饱和状态。然后，电流I1流过晶体管NM1。电流源60a根据参考电压VREF输出电流I60a，使得电流I60a和I1的总和等于参考电流IREF。因此，节点9和11之间的电压V基本等于参考电压VREF。

在瞬变状态下，在向先前处于零电位的节点11施加电位VBT时，电容器C1保持栅极G1和节点11之间的初始电压。因此，晶体管NM1的栅极G1和源极S1之间的电压增加，这引起电流I1的值的强烈增加，快速地从被施加有电压VCP的节点15对寄生电容器35进行充电。从而，节点9的电位跟随节点11的电位的增加，使得节点9和11之间的电压V基本保持恒定。

图3示意性示出了能够替代图1的设备的源7的浮置电压源70的另一实施例。

与图1相同，浮置电压源70包括被参考电压VREF控制并将节点15耦合至节点9的电流源60b以及耦合输出节点9和11的电阻元件74。电阻元件74包括将节点9耦合至N沟道MOS型晶体管NM2的漏极D2的电阻器R2，其中晶体管NM2的栅极G2耦合至漏极D2且源极S2耦合至节点11。

N沟道MOS型晶体管NM3的漏极D3耦合至节点9且源极S3耦合至节点11。晶体管NM3的栅极G3一方面通过电容器C3耦合至节点9，另一方面通过电阻器R3耦合至栅极G2。

在稳定状态下，参考电流IREF1流过电阻元件74。调整电流IREF1，使得节点9和11之间的电压V等于参考电压VREF。电流IREF1流过晶体管NM2引发栅极G2和源极S2之间的电压。因此，晶体管NM2形成电阻元件，并且电阻元件74形成保持通过电阻器R3对电容器C3充电的辅助电压源。当电容器C3被充电时，晶体管NM2和NM3形成电流镜，并且晶体管NM3(优选地处于饱和状态)传导电流I3。电流源60b传送等于电流I3和电流IREF1的总和的电流I60b。

在瞬变状态下，在向先前处于电位BRAT的节点11施加地电位时，电容器C3保持节点9和栅极G3之间的电压。因此，晶体管NM3的栅极G3和源极S3之间的电压增加，这引起电流I3的强烈增加，由此朝着施加有地电位的节点11对寄生电容器35放电。因此，节点9的电位跟随节点11的电位的降低，使得节点9和11之间的电压V基本保持恒定。

图4以更加详细的方式示意性示出了组合图2和图3的实施例的浮置电压源90的实施例。图4示出了辅助电压源62(图2)的实例以及被参考电压VREF控制且将节点15耦合至节点9的电流源60的实例。电流源60提供电流源60a和60b(图2和图3)的实施例。浮置电压源90能够替代图1的设备的源7。

浮置电压源90包括：

电阻器R、晶体管NM1、电容器C1和辅助电压源62(诸如参照图2所描述的)，辅助电压源62具有输入节点66和输出节点68；以及

晶体管NM3、电容器C3和电阻器R3，以及包括电阻器R2和晶体管NM2的电阻元件74，诸如参照图3所描述的。

操作类似于参照图2和图3所描述的，输出节点9和11之间的电压V在施加给节点11的电位的变化期间基本保持恒定。

浮置电压源90还包括N沟道MOS型晶体管NM4，该晶体管NM4的源极S4耦合至节点11、栅极G4耦合至晶体管NM3的栅极G3以及漏极D4耦合至晶体管NM1的栅极G1。

当在电位VBAT之前向节点11施加地电位时，电容器C3保持节点9和栅极G4之间的电压。因此，晶体管NM4的栅极G4和源极S4之间的电压增加，这引起流过晶体管NM4的电流It的增加。这种增加对电容器C1放电，这就抵消了流过晶体管NM1的电流I1。因此，寄生电容器35的放电电流通过电流I1的稳定状态值而增加，这有助于在节点9和11的电位降低时将节点9和11之间的电压保持为基本等于VREF。

电流源60包括两个N沟道MOS型晶体管NM5和NM6，它们的源极S5和S6耦合至地、它们的栅极G5和G6耦合到一起并且耦合至晶体管NM5的漏极D5，使得晶体管NM5和NM6形成第一电流镜。漏极D5形成第一电流镜的第一分支并且通过电阻器R5耦合至节点17。电流源60还包括第二电流镜，该第二电流镜包括两个P沟道MOS型晶体管PM7和PM8，它们的源极S7和S8耦合至节点15，它们的栅极G7和G8耦合到一起并耦合至晶体管PM7的漏极D7。漏极D7耦合至晶体管NM6的漏极D6，这形成第一电流镜的第二分支。晶体管PM8的漏极D8传送电流I60并耦合至输出节点9。

在所公开的实例中，另一方面，电流源60的电阻器R5和电阻元件74的电阻器R2是相同的，并且另一方面，晶体管NM5和NM2是相同的。从而，当流过电阻元件74的电流IREF1与流过电阻器R5和晶体管NM5的电流IREF1’相同时，输出节点9和11之间的电压V等于参考电压。晶体管NM6例如使得等于电流IREF1’的电流流过晶体管NM6和NM7。

辅助电压源62包括晶体管PM9，该晶体管PM9与晶体管PM7形成电流镜，晶体管PM9的栅极G9耦合至栅极G7且源极S9耦合至节点15。晶体管PM9的漏极D9耦合至晶体管NM10的漏极D10，晶体管NM10的栅极G10耦合至漏极D10并耦合至辅助电压源62的输出节点68。晶体管NM10的源极S10耦合至辅助电压源62的输入节点66。由晶体管PM10输出并由此形成电流源的电流I10流过晶体管PM9和NM10，使得能够保持节点68和66之间的电压，晶体管NM10由此形成电阻元件。

P沟道MOS晶体管PM11与晶体管PM7形成电流镜，晶体管PM11的栅极G11耦合至栅极G7，源极S11耦合至节点15。晶体管PM11由此形成电流源。晶体管PM11的漏极D11连接至晶体管NM4的漏极D4。

电压源90的晶体管使得：

流过晶体管NM4的电流I4通过跨晶体管PM11的相同强度的电流I11补偿；以及

电流I60、I10和I1的总和减去流过晶体管NM3的电流I3等于电流IREF1。

在上述实施例中，在向浮置电压源的输出节点11施加两个连续的电位时，瞬变状态的持续时间例如短于1微秒。通过电阻器R1对电容器C1充电或放电的时间特性以及通过电阻器R3对电容器C3充电或放电的时间特性优选地长于瞬变状态的持续时间。

根据上述实施例的浮置电压源的优点在于，当施加于输出节点之一的电位变化时，输出电压基本保持恒定。

另一优势在于，在输出节点之一和参考电位之间存在电容耦合时，输出电压基本保持恒定。

描述了具体实施例。对于本领域技术人员来说将想到各种修改、改变和改进。具体地，尽管浮置电压源的实施例的上述实例已经被应用于为电机线圈供电的设备1，但类似实施例可以被包括在要求浮置电压源的其他应用中。具体地，参照图2至图4描述的操作对于施加于输出节点11的电位的其他正值或负值而言保持相同。

尽管在上述实施例中使用了MOS型晶体管，但本领域技术人员应该明白，可以使用其他类型的开关，例如双极晶体管。

此外，尽管描述了电容器C1、C3，但本领域技术人员应该明白，可以使用其他类型的电容元件。还应该明白，可以使用其他类型的电阻元件(诸如MOS型晶体管)来代替上述电阻器R1、R2、R3、R5。

此外，尽管参考电压VREF在参照图2至图4描述的实例中为正，但可以使用负参考电压，例如通过用P沟道MOS晶体管代替N型MOS晶体管NM2和NM3。

此外，可以执行类似实施例，其中：

用P沟道MOS型晶体管代替N沟道MOS型晶体管；

用N沟道MOS型晶体管代替P沟道MOS型晶体管；以及

用相同绝对值的负电位代替正电位。

尽管通过电路13从浮置电压源的端子9采样的电流在稳定状态下被认为是零，但在稳定状态下从端子9采样电流的设备可以进行变化，例如通过调整由电流源60、60a和60b传送的电流值。

此外，尽管参照图2至图4描述了电流源60a和60，但应该明白，可以省略这种电流源，例如通过将电流I1增加对应的电流I60a和I60的值。

上面描述了具有不同变化的实施例。本领域技术人员应该注意，可以组合这些实施例和变化的各种元件而不付出任何创造性劳动。

所描述的各个实施例可以进行组合以提供进一步的实施例。在说明书中提到和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开物均通过参考结合于此。如果需要采用各个专利、申请和公开的概念以提供又一些实施例，则可以改变实施例的方面。

这些改变、修改和改进作为本公开的一部分，并且包括在本公开的精神和范围内。因此，仅通过实例进行前述描述但不限于此。

根据上述说明可以对实施例进行这些和其他的变化。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应该认为是将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应该认为是包括所有可能的实施例以及这些权利要求的等效方案的全部范围。因此，权利要求不被本公开所限制。

Claims

1.一种电压源，包括：

第一开关，包括被耦合在第一输出节点和被配置为接收第一电源电压的节点之间的信号节点，所述第一开关包括控制节点；

第二开关，包括被耦合在所述第一输出节点和第二输出节点之间的信号节点，所述第二开关包括控制节点；

第一电容元件，被耦合在所述第一开关的控制节点和所述第二输出节点之间；

第二电容元件，被耦合在所述第二开关的控制节点和所述第一输出节点之间；

电流源，被耦合在所述被配置为接收所述第一电源电压的所述节点和所述第一输出节点之间，所述电流源包括被配置为接收参考电压的节点，并且被配置为基于所述参考电压向所述第一输出节点提供第一电流。

2.根据权利要求1所述的电压源，进一步包括：电压源电路，被耦合在被配置为接收所述第一电源电压的所述节点和所述第一开关的控制节点之间，所述电压源电路被配置为对所述第一电容元件进行充电，以在所述第一开关的控制节点上提供第一电压，所述第一电压引起第二电流流过所述第一开关。

3.根据权利要求2所述的电压源，进一步包括：电阻元件，被耦合在所述第一输出节点和所述第二输出节点之间，所述电阻元件被配置为接收第一参考电流，所述第一参考电流具有等于所述第一电流和所述第二电流之和的值，并且跨所述第一输出节点和所述第二输出节点生成所述参考电压。

4.根据权利要求3所述的电压源，其中，所述电流源和所述电阻元件均包括至少一个晶体管，并且所述第一开关和所述第二开关均包括至少一个晶体管。

5.根据权利要求4所述的电压源，其中，所述电流源和所述电阻元件的所述至少一个晶体管、以及所述第一开关和所述第二开关的所述至少一个晶体管包括：MOS晶体管或双极结型晶体管中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电压源，其中，所述电流源被配置为响应于所述第一输出节点处的稳态电流为非零来调整所述第一电流的值。

7.根据权利要求1所述的电压源，其中，所述电流源包括：

第一电流镜，被耦合在被配置为接收所述参考电压的所述节点和参考节点之间，所述第一电流镜被配置为基于所述参考电压提供第二参考电流；以及

第二电流镜，被耦合在所述第一电流镜，并且被耦合在被配置为接收所述第一电源电压的所述节点和所述第一输出节点之间，所述第二电流镜被配置为向所述第一输出节点提供所述第一电流，所述第一电流具有基于所述第二参考电流的值。

8.根据权利要求7所述的电压源，其中，所述第二电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，并且其中，所述电压源包括：

第三晶体管，被耦合为与所述第二电流镜的所述第一晶体管形成电流镜；以及

第四晶体管，与所述第三晶体管串联耦合在被配置为接收所述第一电源电压的所述节点和所述第一输出节点之间，所述第四晶体管进一步被耦合到所述第一开关的控制节点，并且所述第三晶体管和所述第四晶体管被配置为提供通过所述第四晶体管的电流，所述通过所述第四晶体管的电流被配置为保持在所述第一开关的控制节点与所述第一输出节点之间的电压。

9.一种浮置电压源，包括：

第一开关，被配置为响应于第一控制节点上的电压来将电源电压耦合到第一输出节点；

第二开关，被配置为响应于第二控制节点上的电压来将驱动电压耦合到第二输出节点；

电容电路，被耦合到所述第一控制节点和所述第二控制节点、以及所述第一输出节点和所述第二输出节点，所述电容电路被配置为响应于所述第二输出节点上的电压的变化来在所述第一控制节点和所述第二控制节点上提供电压，以保持跨所述第一输出节点和所述第二输出节点的参考电压；以及

电流源，被耦合在被配置为接收所述电源电压的节点与所述第一输出节点之间，所述电流源包括被配置为接收参考电压的节点，并且被配置为基于所述参考电压向所述第一输出节点提供第一电流，

其中所述电容电路包括：

第一电容元件，被耦合在所述第一开关的所述第一控制节点和所述第二输出节点之间；以及

第二电容元件，被耦合在所述第二开关的所述第二控制节点和所述第一输出节点之间。

10.根据权利要求9所述的浮置电压源，进一步包括：电压源电路，被耦合在被配置为接收所述电源电压的所述节点和所述第一开关的控制节点之间，所述电压源电路被配置为对所述第一电容元件进行充电，以在所述第一开关的控制节点上提供第一电压，所述第一电压引起第二电流流过所述第一开关。

11.根据权利要求10所述的浮置电压源，进一步包括：电阻元件，被耦合在所述第一输出节点和所述第二输出节点之间，所述电阻元件被配置为接收第一参考电流，所述第一参考电流具有等于所述第一电流和所述第二电流之和的值，并且跨所述第一输出节点和所述第二输出节点生成所述参考电压。

12.一种浮置电压源，包括：

电流源，被耦合在被配置为接收电源电压的节点和第一输出节点之间，所述电流源被配置为接收参考电压，并且被配置为基于所述参考电压向所述第一输出节点提供第一电流；

电阻元件，耦合在所述第一输出节点和第二输出节点之间，所述电阻元件被配置为接收第一参考电流，所述第一参考电流具有基于所述第一电流和第二电流的值，并且响应于所述第一参考电流而跨所述第一输出节点和所述第二输出节点生成所述参考电压；以及

第一开关或第二开关中的至少一项，所述第一开关被耦合在被配置为接收所述电源电压的所述节点与所述第一输出节点之间，所述第二开关被耦合在所述第一输出节点和所述第二输出节点之间，所述第一开关包括第一控制节点，所述第一控制节点被电容地耦合到所述第二输出节点，并且所述第二开关包括第二控制节点，所述第二控制节点被电容地耦合到所述第一输出节点，并且所述第一开关和所述第二开关中的所述至少一项被配置为响应于分别在所述第一控制节点和所述第二控制节点上的第一控制信号和第二控制信号中的至少一项，来提供通过所述第一开关和所述第二开关中的所述至少一项的所述第二电流。

13.根据权利要求12所述的浮置电压源，其中所述电阻元件包括第一电阻元件，所述第一电阻元件与二极管耦合的晶体管串联耦合在所述第一输出节点和所述第二输出节点之间，其中所述第二开关包括晶体管，所述晶体管与所述二极管耦合的晶体管组合形成电流镜电路。

14.根据权利要求12所述的浮置电压源，其中所述第一开关和所述第二开关中的所述至少一项仅包括所述第一开关，所述第一开关被耦合在被配置为接收所述电源电压的所述节点与所述第一输出节点之间，并且其中所述浮置电压源进一步包括辅助电压源，所述辅助电压源与电阻元件串联耦合在所述第一输出节点和所述第一开关的控制节点之间。

15.根据权利要求12所述的浮置电压源，其中所述第一开关、所述第二开关、所述电阻元件和所述电流源均包括至少一个晶体管。

16.根据权利要求15所述的浮置电压源，其中所述至少一个晶体管包括MOS晶体管或双极结型晶体管中的至少一种。