CN115428317A - 低功率稳压电路 - Google Patents

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CN115428317A CN202180025693.8A CN202180025693A CN115428317A CN 115428317 A CN115428317 A CN 115428317A CN 202180025693 A CN202180025693 A CN 202180025693A CN 115428317 A CN115428317 A CN 115428317A
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W·普拉策
M·霍尔茨英格尔
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Abstract

描述了可以解决当在电池上运行设备以及替代地在开关式稳压器的输出上运行时低功率问题的技术。在低功率模式下，稳压电路可以断电，并且开关可以将稳压器的输入电压(例如，电池)连接到CPU。此外，可以切断内部和/或外部负载(如，电压反馈电阻器)以进一步降低功耗。如果所述设备开始运行，则可以从所述稳压器的输入电压(例如，所述电池)切断所述CPU，以及切换到所述稳压器的输出。这样可以确保所述电路在待机模式下消耗很少的功耗。

Description

低功率稳压电路
优先权声明
本申请要求于2020年4月1日提交的名称为“低功率稳压电路(LOW POWERREGULATOR CIRCUIT)”的美国专利申请序列号16/837,691的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文件一般涉及电源设备，并且尤其涉及稳压器。
背景技术
在设计便携式电子设备时，最常见的挑战之一是从如电池之类的非稳压电压源产生和维持稳压电压。通常，使用稳压器以达到此目的。稳压器可以设计为线性稳压器或开关式稳压器。
线性稳压器提供闭环控制以调节负载处的电压。此类稳压器可用于提供比所述非稳压电压源具有更低幅度的恒定输出电压。
相比之下，开关式稳压器使用如电感器之类的储能元件将能量从所述非稳压电压源以离散的突发形式传输到负载。反馈电路可用于调节能量传输以保持负载处的恒定电压。由于所述开关式稳压器操作以离散的突发形式传输能量，因此可以将其配置为对所述非稳压电压源的电压进行升压和/或降压。此外，开关式稳压器通常比线性稳压器更有效。
今天，各种类型的开关式稳压器在便携式电子设备中被普遍使用。降压转换器是基于电感的稳压器，用于降压或下降非稳压电压源。升压转换器是基于电感的稳压器，用于升压或提升非稳压电压源。在一些应用中，可以使用各种转换器来提供高于、低于或与非稳压电压源相同的稳压输出。
发明内容
除其他外，本公开描述了可以解决当在电池上运行设备以及替代地在开关式稳压器的输出上运行时低功率问题的技术。在低功率模式下，稳压电路可以断电，并且开关可以将稳压器的输入电压(例如，电池)连接到CPU。此外，可以切断内部和/或外部负载(如，电压反馈电阻器)以进一步降低功耗。如果所述设备开始运行，则可以从所述稳压器的输入电压(例如，所述电池)切断所述CPU，以及切换到所述稳压器的输出。这样可以确保所述电路在待机模式下消耗很少的功耗。
在一些方面，本公开涉及一种被配置为接收输入电压以及产生第一输出电压的稳压电路，所述稳压电路具有关机启用模式，所述稳压电路包含：稳压控制电路，其被配置为控制多个开关以在第一输出节点产生所述第一输出电压，其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为停止产生所述第一输出电压以及将所述输入电压耦合到第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的第二输出电压提供给所述第二输出节点。
在一些方面，本公开涉及一种操作具有关机启用模式并且包括多个开关的稳压电路的方法，所述方法包含：接收输入电压以及控制多个开关以在第一输出节点产生第一输出电压；在关机启用模式期间，停止产生所述第一输出电压；以及将所述输入电压耦合到第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的第二输出电压提供给所述第二输出节点。
在一些方面，本公开涉及一种被配置为接收输入电压以及产生第一输出电压的稳压电路，所述稳压电路具有关机启用模式，所述稳压电路包含：用于控制多个开关以在第一输出节点产生第一输出电压的装置；用于在关机启用模式期间停止产生所述第一输出电压的装置；和用于将所述输入电压耦合到第二输出节点的装置，和用于向所述第二输出节点提供不同于所述第一输出电压的第二输出电压的装置。
本概述旨在提供本专利申请的主题的概述，而不旨在提供对本发明的排他性或穷举性解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述类似部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示类似部件的不同例子。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文件中讨论的各种实施例。
图1是稳压电路的示例。
图2是耦合到负载的图1中的稳压电路。
图3是包括输出隔离开关的稳压电路的示例。
图4是具有耦合到负载的隔离开关的稳压电路的示例。
图5是处于关机启用模式的稳压电路的示例，其可以实现本公开的各种技术。
图6是耦合到负载的图5中的稳压电路。
图7是处于关机禁用模式的图5中的稳压电路。
图8是处于关机启用模式的稳压电路的另一示例，其可以实现本公开的各种技术。
图9是耦合到负载的图8中的稳压电路。
图10是处于关机禁用模式的图8中的稳压电路。
具体实施方式
在具有开关式稳压器的电池应用中，如升压转换器和降压-升压转换器，系统中央处理器(CPU)可以当所述稳压器关闭时由电池供电，以及当所述稳压器运行时由稳压器输出供电。本发明人已经认识到，即使当所述稳压器关闭时，如电压反馈电阻器之类的内部和/或外部负载也会由于流过所述反馈电阻器的电流而导致功率损耗。
本公开描述了可以解决当在电池上运行设备以及替代地在开关式稳压器的输出上运行时的低功率问题的技术。本发明人已经认识到，除其他外，在低功率模式下，所述稳压电路可以断电，并且开关可以将所述稳压器的输入电压(例如，电池)连接到CPU。此外，可以切断内部和/或外部负载(如，电压反馈电阻器)以进一步降低功耗。如果所述设备开始运行，则可以从所述稳压器的输入电压(例如，所述电池)切断所述CPU，以及切换到所述稳压器的输出。这样可以确保所述电路在待机模式下消耗很少的功耗。
图1是稳压电路100的示例。图1中的稳压电路100可以包括第一电子开关102和第二电子开关104，它们各自耦合到稳压控制电路106并由其控制。第一电子开关102和第二电子开关104可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。在一些示例中，开关104可以作为二极管被实现，例如二极管连接的FET。
电感器L1可以耦合到如由如电池之类的电压源108提供的输入电压VIN，并且经由第一电子开关104耦合到电容器C1。稳压控制电路106可以控制开关102、104导通和关断以控制电感器L1和电容器C1的交替充电。负载(未示出)可以与电容器C1并联耦合并被提供输出电压VOUT。
例如，为了节省功率，稳压控制电路106可以处于关机模式。例如，控制电路可以向稳压控制电路106提供“关机启用”信号以使稳压控制电路106处于关机模式。在关机模式下，可将开关102关断，并且可将开关104导通。在关机模式下，输出电压VOUT仍可由电压源108(如电池)提供。
如图1所示，稳压电路100可以包括两个电阻器R1、R2，其向稳压控制电路106提供反馈路径，以便使其监控输出电压VOUT的表示。然而，在关机模式下，电流仍会流过反馈路径，这会导致功率损耗。此外，可能存在通过输出负载和通过稳压控制电路106的偏置产生电流消耗。
图2是耦合到负载的图1中的稳压电路100。稳压电路100可包括一些类似于图1的部件。类似的附图标记用于类似的部件，并且为了简洁起见，将不再赘述。
图2中的电路100示出了包括应用控制电路110和应用电路112的负载。在一个非限制性示例中，应用控制电路110(例如，微控制器)和应用电路112可以形成药物输送设备(如，药物输送泵)的一部分。例如，可将应用控制电路110定位于药物输送设备中，以及可使药物输送设备导通和关断。
在关机模式期间，输出电压VOUT仍然可以由如电池之类的电压源108提供。在关机模式下，应用控制电路110可以汲取低功率控制电流，并且应用电路112(例如，药物输送设备)可以汲取应用待机电流。
图3是包括输出隔离开关的稳压电路200的示例。稳压电路200可以包括与图1至图2类似的一些部件。稳压电路200可以包括开关201和隔离开关202，在关机模式期间，稳压控制电路204可以将输出节点206与输入电压VIN断开。在关机模式下，功耗非常低，但与图1和图2所示的配置不同，没有可用于为连接的负载供电的输出电压。例如，对于医疗应用来说，如图3所示的配置可能是不合需要的。
图4是具有耦合到负载的隔离开关的稳压电路300的示例。稳压电路300可以包括与图1至图3类似的一些部件。图4中的电路300示出了包括应用控制电路110和应用电路112的负载。稳压电路300可包括开关201和隔离开关202，在关机模式期间，所述隔离开关可以将第一输出节点206与输入电压VIN切断。
在关机模式期间，第一输出节点206处的输出电压VOUT处于关断状态，并且没有可用于应用电路110的电压。然而，如图4所示，稳压电路300可包括耦合到电容器C2的交替输出路径302，其用于向应用控制电路112(例如，微控制器)提供输出电压。在关机模式期间，应用控制电路112可以由第二输出节点304处的输入电压VIN供电。
一旦应用电路110在禁用关机模式后通电，应用控制电路112就可以运行。然而，应用电路110和应用控制电路112然后可以处于不同的电压电平，并且可能需要电平位移。
图5是处于关机启用模式的稳压电路400的示例，其可以实现本公开的各种技术。图5中的稳压电路400可以包括电子开关402至408，每个电子开关都耦合到稳压控制电路410并由其控制。例如，开关402至408中的至少一些可包括如场效应晶体管(FET)之类的晶体管。在一些示例中，开关406、408可以作为二极管被实现，例如二极管连接的FET。
电感器L1可以耦合到如由如电池之类的电压源108提供的输入电压VIN，并且经由开关402耦合到电容器C1。稳压控制电路410可以控制晶体管402、404导通和关断以控制电感器L1和电容器C1的交替充电。负载(未示出)可以与电容器C1并联耦合并被提供输出电压VOUT。
如图5所示，稳压电路400可包括交替输出路径412，所述交替输出路径包括电容器C2，其用于将输出电压提供给应用控制电路(例如，微控制器)。此外，稳压电路400可包括经由反馈电阻器R1、R2在第一输出节点414和稳压控制电路410之间的反馈路径。
图5中的稳压电路400在控制电路向稳压控制电路410提供了“关机启用”信号后显示为关机模式。在关机启用模式中，稳压控制电路410可以断开开关402、404和408并闭合开关408。在关机模式期间，随着开关402断开，稳压控制电路410可以将第一输出节点414与输入电压VIN切断。在关机模式期间，稳压控制电路410可以停止在第一输出节点414处产生第一输出电压，并且没有可用于连接的任何负载(未示出)的电压。
然而，根据本公开，稳压控制电路410可以控制开关406闭合，以便将如由电池提供的输入电压VIN耦合到第二输出节点416，并为第二输出节点提供不同于第一输出电压的第二输出电压。例如，可以向第二输出节点416提供大约等于VIN(例如，3V)的输出电压，而不是在正常操作期间将稳压输出电压(例如，5V)提供给第一输出节点414。这样，当关机模式已被启用时，输入电压VIN可以通过闭合的开关406连接到，例如，如图6所示的应用控制电路。此外，通过断开开关402、404和408，可以使第一输出节点414与输入切断，并且不存在通过反馈电阻器R1、R2的路径，从而可以节能。
在图5中，开关406被示为耦合在电感器L1之后。然而，在一些示例中，开关406可以耦合在输入电压源108和电感器L1之间。
在一些示例中，图5中的稳压电路可包括DC-DC升压转换器电路。
图6是耦合到负载的图5中的稳压电路400。如图6所示，在关机启用模式中，稳压控制电路410可以控制开关402断开，其可以将第一输出节点414与输入电压VIN切断。在这种情况下，不向应用电路110供电。然而，例如，稳压控制电路410可以控制开关406闭合，以便将输入电压VIN连接到第二输出节点416，以及向应用控制电路112供电。
在关机启用模式期间，稳压控制电路410可以被配置为在第一输出节点414处停止产生第一输出电压(例如，5V稳压输出电压)，以及耦合输入电压(例如，3V输入电压)到第二输出节点416以及向第二输出节点416提供不同于第一输出电压(例如，5V稳压输出电压)的第二输出电压(例如，大约等于3V的输入电压)。
稳压电路400可以包括经由反馈电阻器R1、R2在稳压控制电路410和第二输出节点416之间的第二反馈路径418。在关机启用模式期间，稳压控制线路400可以接收“关机启用”信号以使稳压控制电路410处于待机模式。作为响应，稳压控制电路410可以断开第二反馈路径418中的开关408，从而切断第二反馈路径418，这可以防止电流流过反馈电阻器R1、R2，从而消除功率损耗。
图7是处于关机禁用模式的图5中的稳压电路400。在关机禁用模式期间，例如，在正常操作模式期间，稳压控制电路410接收“关机禁用”信号以使稳压控制电路410处于正常操作模式。为了在第一输出节点414处恢复产生第一输出电压(例如，稳压电压)，稳压控制电路410可以交替地控制开关402、402的断开和闭合。
此外，稳压控制电路410可控制开关408闭合以经由第二反馈路径418和反馈电阻器R1、R2将第二输出节点416连接到稳压控制电路410。闭合开关408可将输出电压VOUT(例如，稳压输出电压)耦合到第一输出节点414和第二输出节点416。最后，稳压控制电路410可以控制开关406断开，以便从第二输出节点416解耦输入电压VIN。
这样，当输出电压稳压系统运行时，图6中的应用控制电路112(如，微控制器)可以由第一输出节点414供电。这可以消除如图4所示的配置中的电平位移的需要。
图8是处于关机启用模式的稳压电路500的另一示例，其可以实现本公开的各种技术。电感器L1可以耦合到如由如电池之类的电压源提供的输入电压VIN，以及经由第一电子开关502耦合到电容器C1。在关机启用模式期间，稳压控制电路504接收“关机启用”信号以使稳压控制电路504处于待机模式。
在关机模式下，稳压控制电路504可以断开开关506以及闭合开关502。这样，仍然可以由如电池之类的电压源108将输出电压VOUT提供给第一输出节点508。当稳压器基本被切断时(除了其待机逻辑之外)，如图9中的应用控制电路112之类的应用控制电路(例如，微控制器)仍然可以由输入电压VIN供电。
此外，图8中的稳压电路500可包括在第一输出节点508和稳压控制电路504之间经由电阻器R1、R2形成的反馈路径中的开关510。在关机模式下，稳压控制电路504可以断开开关510，以将稳压控制电路504与反馈路径中的电流泄漏切断，这可以减少功率损耗。
在一些示例中，图5中的稳压电路可包括DC-DC升压转换器电路。
图9是耦合到负载的图8中的稳压电路500的示例。输出节点508耦合到应用控制电路112和应用电路110。在图9所示关机模式下，稳压控制电路504可以断开开关506，并且为了切断稳压控制电路504和输出节点508之间的反馈路径，稳压控制电路可以断开开关510。
在关机启用模式期间，稳压控制电路504被配置为停止在输出节点508处产生输出电压以及将输入电压VIN耦合到输出节点508。为了向输出节点508供电，稳压控制电路504可以闭合开关502，其向输出节点508提供不同于第一输出电压(例如，5V稳压输出电压)的第二输出电压(例如，大约3V的VIN)。
这样，应用控制电路112和应用电路110可以在关机模式期间由如电池之类的电压源供电。因此，当切断稳压电路500的各种部件的时，可以将输入电压提供给输出，如为医疗设备电路供电。与图6中的稳压电路400相似，图9中的稳压电路500可以避免电平位移问题。
图6中所示的稳压电路400利用了两个输出节点414、416。相反，图9中的稳压电路500利用了单个输出节点508。
图10是处于关机禁用模式的图8中的稳压电路500。在关机禁用模式期间，稳压控制电路504接收“关机禁用”信号，以使稳压控制回路504处于正常操作模式。为了恢复在输出节点508处产生的第一输出电压，稳压控制电路504可以交替地控制开关502、506的断开和闭合。此外，稳压控制电路504可以控制开关510闭合，以经由通过反馈电阻器R1、R2的反馈路径将输出节点508连接到稳压控制电路504。
这样，当输出电压稳压系统运行时，图9中的应用控制电路112和应用电路110可以由第一输出节点供电。从而，可以当控制运行的时消除如图4所示的配置中的电平位移的需要。
注释
本文所述的每个非限制性方面或示例可以独立存在，或者可以以各种排列或组合与一个或多个其他示例组合。
以上详细描述包括对附图的引用，附图形成该详细描述的一部分。附图以说明的方式显示了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。此类示例可包括除所示或所述的的元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了其中仅提供所示或所述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑使用所示或所述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，或者是关于特定示例(或其中的一个或更多方面)，或者是关于本文所示或所述的其他示例(或其一个或更多方面)。
如果本文件与以引用方式并入的任何文件之间的用法不一致，则以本文件中的用法为准。
在本文件中，如专利文件中常见的那样，术语“一个(a)”或“一个(an)”用于包括一个或多于一个，与“至少一个”或“一个或多个”的任何其他例子或用法无关。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的或，因此，除非另有说明，否则“A或B”包括“包括A但不包括B”、“包括B但不包括A”，和“包括A和B”。在本文件中，术语“包括”和“其中(in which)”被用作相应术语“包含”和“其中(wherein)”的简单英语等价物。此外，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即系统、设备、物品、组合物、制剂或方法，包括除权利要求中该术语后所列元件之外的任何元件，其仍被视为属于该权利要求的范围。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。
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以上描述旨在说明而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其他实施例，如，在回顾以上描述后，本领域普通技术人员可以使用其他实施例。提供摘要以符合美国联邦法规第37篇的条款1.72(b)，使得读者能够快速确定本技术公开的性质。提交本文件的前提是，本文件不得用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意味着未要求保护的公开特征对于任何权利要求都是必不可少的。相反，发明的主题可能不在于特定公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求在此作为示例或实施例并入具体实施方式中，其中的每个权利要求可作为单独的实施例独立存在，并且经考虑，此类实施例可以以各种组合或排列的方式彼此组合。本发明的范围应当参照所附权利要求书以及该权利要求书所享有的全部等效范围来确定。

Claims (20)

1.一种稳压电路，其被配置为接收输入电压以及产生第一输出电压，所述稳压电路具有关机启用模式，所述稳压电路包含：
稳压控制电路，其被配置为控制多个开关以在第一输出节点产生所述第一输出电压，
其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为停止产生所述第一输出电压以及将所述输入电压耦合到第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的第二输出电压提供给所述第二输出节点。
2.根据权利要求1所述的稳压电路，其中所述第二输出节点与所述第一输出节点相同。
3.根据权利要求2所述的稳压电路，其包含：
在所述稳压控制电路和所述第一输出节点之间的第一反馈路径，其中所述第一反馈路径包括所述多个开关中的第一开关，并且其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为断开所述第一开关以切断所述第一反馈路径。
4.根据权利要求3所述的稳压电路，其中，在关机禁用模式期间，所述稳压控制电路被配置为：
恢复产生所述第一输出电压；以及
控制所述第一开关闭合以连接所述第一反馈路径。
5.根据任一前述权利要求所述的稳压电路，其包含：
在所述稳压控制电路和所述第二输出节点之间的第二反馈路径，其中所述第二反馈路径包括所述多个开关中的第二开关，并且其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为断开所述第二开关以切断所述第二反馈路径。
6.根据权利要求5所述的稳压电路，其中，在关机禁用模式期间，所述稳压控制电路被配置为：
恢复产生所述第一输出电压；
控制所述第二开关闭合以连接所述第二反馈路径；以及
控制第三开关断开以将所述输入电压与所述第二输出节点解耦。
7.根据权利要求6所述的稳压电路，其中，在所述关机禁用模式期间，所述稳压控制电路被配置为将所述第一输出电压耦合到所述第一输出节点和所述第二输出节点两者。
8.根据任一前述权利要求所述的稳压电路，其包含：
耦合到所述输入电压的电感器，
其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为控制第四开关闭合以将所述输入电压耦合到所述第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的所述第二输出电压提供给所述第二输出节点，并且
其中所述第四开关耦合在所述电感器和所述第二输出节点之间。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的稳压电路，其包含：
耦合到所述输入电压的电感器，
其中，在所述关机启用模式期间，所述稳压控制电路被配置为控制第四开关闭合以将所述输入电压耦合到所述第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的所述第二输出电压提供给所述第二输出节点，并且
其中所述第四开关耦合在所述输入电压和所述电感器之间。
10.根据任一前述权利要求所述的稳压电路，其中所述稳压电路包括DC-DC升压转换器电路。
11.一种操作具有关机启用模式并且包括多个开关的稳压电路的方法，所述方法包含：
接收输入电压以及控制多个开关以在第一输出节点产生第一输出电压；
在关机启用模式期间，停止产生所述第一输出电压；以及
将所述输入电压耦合到第二输出节点，以及将不同于所述第一输出电压的第二输出电压提供给所述第二输出节点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二输出节点与所述第一输出节点相同。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述稳压控制电路包括在所述稳压控制电路和所述第一输出节点之间的第一反馈路径，其中所述第一反馈路径包括所述多个开关中的第一开关，所述方法包含：
在所述关机启用模式期间，断开所述第一开关以切断所述第一反馈路径。
14.根据权利要求13所述的方法，其包含：
在关机禁用模式期间：
恢复产生所述第一输出电压；以及
控制所述第一开关闭合以连接所述第一反馈路径。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中所述稳压电路包括在所述稳压控制电路和所述第二输出节点之间的第二反馈路径，其中所述第二反馈路径包括所述多个开关中的第二开关，所述方法包含：
在所述关机启用模式期间，断开所述第二开关以切断所述第二反馈路径。
16.根据权利要求15所述的方法，其包含：
在关机禁用模式期间：
恢复产生所述第一输出电压；
控制所述第二开关闭合以连接所述第二反馈路径；以及
控制第三开关断开以将所述输入电压与所述第二输出节点解耦。
17.根据权利要求16所述的方法，其包含：
在所述关机禁用模式期间，将所述第一输出电压耦合到所述第一输出节点和所述第二输出节点两者。
18.一种稳压电路，其被配置为接收输入电压以及产生第一输出电压，所述稳压电路具有关机启用模式，所述稳压电路包含：
用于控制多个开关以在第一输出节点产生第一输出电压的装置；
用于在关机启用模式期间停止产生所述第一输出电压的装置；和
用于将所述输入电压耦合到第二输出节点的装置，和用于向所述第二输出节点提供不同于所述第一输出电压的第二输出电压的装置。
19.根据权利要求18所述的稳压电路，其包含：
在所述稳压控制电路和所述第一输出节点之间的第一反馈路径；和
用于切断所述第一反馈路径的装置。
20.根据权利要求19所述的稳压电路，其中所述稳压电路包括关机禁用模式，所述稳压控制电路包含：
用于恢复产生所述第一输出电压的装置；和
用于连接所述第一反馈路径的装置。
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