CN117277514B - 一种减小输出电压波动的供电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池供电电路技术领域，公开了一种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和储能单元，功率开关管的输入端和输入电压连接，功率开关管的输出端分别和第一反馈电阻的一端、储能单元的一端以及负载连接，功率开关管的控制端和运算放大器的输出端连接，运算放大器的负输入端和基准电压连接，储能单元的另一端和参考电压连接，当电池供电电流突然增大时，储能单元会产生流向负载的电流，储能单元可以分担一部分增大的电池供电电流，使得电池供电电压的下降值减小，从而减小电池供电电压的波动。
Description
技术领域
本发明涉及电池供电电路技术领域，具体涉及一种减小输出电压波动的供电电路。
背景技术
低压差线性稳压电源是常见的电池供电电路，通过运算放大器来调节输出的电池供电电压。
运算放大器是低压差线性稳压电源的电路中主要使用的控制器，它需要兼顾很多参数，例如调节速度、功耗和噪声等，即运算放大器需要折中各种参数，故运算放大器的调节速度往往不是特别快，导致环路响应速度不够快，若电池供电电流增大的速度过快，由于环路响应没那么快，因此，运算放大器的输出电压来不及降低，输出电压波动大，从而导致电池供电电压在一段时间内会低于设定值，此时，若电池供电电压过低，可能会导致负载无法正常工作或者关机。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种减小输出电压波动的供电电路，以解决电池供电电流增大的速度过快时，输出电压波动大的技术问题。
本发明提供了一种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和储能单元，所述功率开关管的输入端和输入电压连接，所述功率开关管的输出端分别和所述第一反馈电阻的一端、所述储能单元的一端以及负载连接，所述功率开关管的控制端和所述运算放大器的输出端连接，所述第一反馈电阻的另一端分别和所述第二反馈电阻的一端以及所述运算放大器的正输入端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地，所述运算放大器的负输入端和基准电压连接，所述储能单元的另一端和参考电压连接。
可选地，所述参考电压为所述输入电压。
可选地，所述参考电压为接地电压。
可选地，还包括：第一开关管、第二开关管、第一电流源和第二电流源，所述第一开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第一开关管的输出端和负载连接，所述第二开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第二开关管的输出端和所述第二电流源的负极、所述储能单元的一端、所述第二开关管的控制端以及所述第一开关管的控制端连接，所述第二电流源的正极接地，所述储能单元的另一端和所述第一电流源的负极以及负载连接，所述第一电流源的正极接地。
可选地，所述第一开关管为PMOS管或者PNP三极管，所述第二开关管为PMOS管或者PNP三极管。
可选地，所述第一电流源和所述第二电流源产生的电流大小的比值为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PMOS管时，所述第一开关管和所述第二开关管的宽长比为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PNP三极管时，所述第一开关管和所述第二开关管的个数比为N：1，其中，N为任意正数。
可选地，还包括：第一开关管、第二开关管、第一电流源和第二电流源，所述第一开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第一开关管的输出端和负载、所述第二开关管的输出端以及所述第一电流源的负极连接，所述第二开关管的输入端和所述第二开关管的控制端、所述第二电流源的正极、所述储能单元的一端以及所述第一开关管的控制端连接，所述第二电流源的负极和所述输入电压连接，所述储能单元的另一端接地，所述第一电流源的正极接地。
可选地，所述第一开关管为NMOS管或者NPN三极管，所述第二开关管为NMOS管或者NPN三极管。
可选地，所述第一电流源和所述第二电流源产生的电流大小的比值为N+1：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为NMOS管时，所述第一开关管和所述第二开关管的宽长比为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PNP三极管时，所述第一开关管和所述第二开关管的个数比为N：1，其中，N为任意正数。
可选地，所述储能单元为存在寄生电阻的负载电容。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和储能单元，所述功率开关管的输入端和输入电压连接，所述功率开关管的输出端分别和所述第一反馈电阻的一端、所述储能单元的一端以及负载连接，所述功率开关管的控制端和所述运算放大器的输出端连接，所述第一反馈电阻的另一端分别和所述第二反馈电阻的一端以及所述运算放大器的正输入端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地，所述运算放大器的负输入端和基准电压连接，所述储能单元的另一端和参考电压连接，当电池供电电流突然增大时，储能单元会产生流向负载的电流，即此时，储能单元可以分担一部分增大的电池供电电流，使得电池供电电压的下降值减小，从而减小电池供电电压的波动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的供电电路的电路原理图；
图2是图1中的供电电路中电池供电电流与电池供电电压变化示意图；
图3是本发明实施例的第一种减小输出电压波动的供电电路的电路原理图；
图4是本发明实施例的第二种减小输出电压波动的供电电路的电路原理图；
图5是图3和图4中的供电电路中电池供电电流与电池供电电压变化示意图；
图6是本发明实施例的第三种减小输出电压波动的供电电路的电路原理图；
图7是本发明实施例的第四种减小输出电压波动的供电电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等词汇仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，在现有技术中的电池供电电路包括功率开关管Mp、运算放大器A1、第一反馈电阻rf1和第二反馈电阻rf2。
在电池供电电路刚上电时，功率开关管Mp处于关断状态，输出的电池供电电压vout和反馈电压fb均为低电平，即此时，反馈电压fb小于基准电压vref，运算放大器A1的输出电压vg为低电平，功率开关管Mp导通，之后，电池供电电压vout和反馈电压fb渐渐升高，直至反馈电压fb大于基准电压vref，运算放大器A1的输出电压vg变为高电平使得功率开关管Mp关断，因此，在运算放大器A1的调节下，当电池供电电路达到稳态时，反馈电压fb等于基准电压vref，即稳态时，。
现有技术中，为了确保电池供电电路的工作效率，通常需要将第一反馈电阻rf1和第二反馈电阻rf2设计为大阻值电阻，故当电池供电电路正常工作时，可确保第一反馈电阻rf1和第二反馈电阻rf2中几乎不会流入电流，此时功率开关管Mp中流过的电流等于电池供电电流iout。
故此时，若负载M中流过的电池供电电流iout增大，电池供电电压vout会被拉低，运算放大器A1的输出电压vg降低，功率开关管Mp的栅源电压差增大，流过功率开关管Mp的电流增大，从而匹配负载M中流过的电池供电电流iout；但是，若电池供电电流iout增大的速度过快（例如负载突然发生变化导致负载变轻等情况会导致电池供电电流iout快速增大），由于环路响应没那么快，因此，运算放大器A1的输出电压vg来不及降低，从而导致电池供电电压vout在一段时间内会低于设定值，如图2所示。此时，若电池供电电压vout过低，可能会导致负载M无法正常工作或者关机。
基于此，本发明实施例提供一种减小输出电压波动的供电电路，从而提高电池供电电路的安全可靠性，解决电池供电电流增大的速度过快时，输出电压波动大的技术问题。
根据本发明实施例，提供了一种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和储能单元，功率开关管的输入端和输入电压连接，功率开关管的输出端分别和第一反馈电阻的一端、储能单元的一端以及负载连接，功率开关管的控制端和运算放大器的输出端连接，第一反馈电阻的另一端分别和第二反馈电阻的一端以及运算放大器的正输入端连接，第二反馈电阻的另一端接地，运算放大器的负输入端和基准电压连接，储能单元的另一端和参考电压连接。
本发明实施例的减小输出电压波动的供电电路，当电池供电电流突然增大时，储能单元会产生流向负载的电流，即此时，储能单元可以分担一部分增大的电池供电电流，使得电池供电电压的下降值减小，从而减小电池供电电压的波动。
在一实施例中，参考电压为输入电压。
具体地，如图3所示，本发明实施例的第一种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管Mp、运算放大器A1、第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2和储能单元，功率开关管Mp的输入端和输入电压vdd连接，功率开关管Mp的输出端分别和第一反馈电阻rf1的一端、储能单元的一端以及负载M连接，功率开关管Mp的控制端和运算放大器A1的输出端连接，第一反馈电阻rf1的另一端分别和第二反馈电阻rf2的一端以及运算放大器A1的正输入端连接，第二反馈电阻rf2的另一端接地，运算放大器A1的负输入端和基准电压vref连接，储能单元的另一端和输入电压vdd连接。
具体地，储能单元为存在寄生电阻esr1的负载电容c1。
本发明实例的一种减小输出电压波动的供电电路，在输入电压vdd和电池供电电压vout之间设置一个负载电容c1，当电路处于稳态时，负载电容c1上极板和下极板处的电压均为固定值，因此，负载电容c1的上下极板处均没有电流流过，当电池供电电流iout突然增加，且环路响应较慢，功率开关管Mp无法被调节至匹配增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout开始降低时，负载电容c1的下极板电压高于电池供电电压vout，负载电容c1的下极板产生流向负载M的电流，即此时，负载电容c1可以分担一部分增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout的下降值减小，因此，负载电容c1的设置可以减小电池供电电压vout的波动，且负载电容c1越大，电池供电电压vout的波动越小。
当电池供电电流突然增大时，储能单元会产生流向负载的电流，即此时，储能单元可以分担一部分增大的电池供电电流，使得电池供电电压的下降值减小，从而减小电池供电电压的波动。
在一实施例中，参考电压为接地电压。
具体地，如图4所示，本发明实施例的第二种减小输出电压波动的供电电路，包括：功率开关管Mp、运算放大器A1、第一反馈电阻rf1、第二反馈电阻rf2和储能单元，功率开关管Mp的输入端和输入电压vdd连接，功率开关管Mp的输出端分别和第一反馈电阻rf1的一端、储能单元的一端以及负载M连接，功率开关管Mp的控制端和运算放大器A1的输出端连接，第一反馈电阻rf1的另一端分别和第二反馈电阻rf2的一端以及运算放大器A1的正输入端连接，第二反馈电阻rf2的另一端接地，运算放大器A1的负输入端和基准电压vref连接，储能单元的另一端和接地电压连接，即储能单元的另一端接地。
具体地，储能单元为存在寄生电阻esr1的负载电容c1。
本发明实例的一种减小输出电压波动的供电电路，在GND和电池供电电压vout之间设置一个负载电容c1，图4中的负载电容c1存在寄生电阻esr1，当电路处于稳态时，负载电容c1上下极板处的电压均为固定值，因此，负载电容c1的上下极板处均没有电流流过，当电池供电电流iout突然增加，且环路响应较慢，功率开关管Mp无法被调节至匹配增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout开始降低时，负载电容c1的上极板电压高于电池供电电压vout，负载电容c1的上极板产生流向负载M的电流，即此时，负载电容c1可以分担一部分增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout的下降值减小，因此，负载电容c1的设置可以减小电池供电电压vout的波动，且负载电容c1越大，电池供电电压vout的波动越小。
根据图3和图4中的两种减小输出电压波动的供电电路，由于负载电容c1存在寄生电阻esr1，此时假设，当电路处于稳态时，电池供电电流iout为第一电流io1，且由于负载电容c1的上下极板处均没有电流流过，因此，vc点的电压等于电池供电电压vout，当电池供电电流iout从第一电流io1快速升高到第二电流io2时，增加的电池供电电流iout（其中增加的电池供电电流），几乎是由负载电容c1提供，若负载电容c1足够大，那么负载电容c1两端的压差变化可以忽略，故此时，vc点的电压变化可以忽略，即可认为vc点的电压始终等于稳态时的电池供电电压vout，因此，电池供电电压vout在电池供电电流iout增大瞬间的减小量为/>，故此时，如图5所示，可得，增加负载电容c1后，电池供电电流iout与电池供电电压vout变化示意图。
在一实施例中，作为对图3提供的一种减小输出电压波动的供电电路的改进，提出第三种减小输出电压波动的供电电路，如图6所示，该供电电路还包括：第一开关管Qx、第二开关管Qy、第一电流源ix和第二电流源iy，第一开关管Qx的输入端和输入电压vdd连接，第一开关管Qx的输出端和负载连接，第二开关管Qy的输入端和输入电压vdd连接，第二开关管Qy的输出端和第二电流源iy的负极、储能单元的一端、第二开关管Qy的控制端以及第一开关管Qx的控制端连接，第二电流源iy的正极接地，储能单元的另一端和第一电流源ix的负极以及负载连接，第一电流源ix的正极接地。
其中，储能单元为存在寄生电阻esr1的负载电容c1。
其中，第一电流源ix和第二电流源iy产生的电流大小的比值为N：1，其中，N为任意正数。
具体地，第一开关管为PMOS管或者PNP三极管，第二开关管为PMOS管或者PNP三极管；当第一开关管Qx和第二开关管Qy均为PMOS管时，第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比为N：1，当第一开关管Qx和第二开关管Qy均为PNP三极管时，第一开关管Qx和第二开关管Qy的个数比为N：1。
根据本发明实施例的一种减小输出电压波动的供电电路，当其处于稳定状态时，由于第二电流源iy中始终流过电流Iy，因此，第一开关管Qx和第二开关管Qy始终存在下拉电流，第一开关管Qx和第二开关管Qy始终处于导通状态，同时，由于第二开关管Qy的控制端与输出端相连，因此，第二开关管Qy中流过的电流始终等于电流Iy，且由于第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比或个数比为N：1，故第一开关管Qx中流过的电流始终等于N×Iy。此时，由于第一电流源ix中流过的电流值为N×Iy，故此时，第一开关管Qx中流过的电流全部流入第一电流源ix中，不会对电池供电电流iout造成影响；故供电电路正常工作时，负载电容c1上下极板处的电压均为固定值，因此，负载电容c1的上下极板处均没有电流流过，不会对电池供电电路产生影响。
当电池供电电流iout突然增加，且环路响应较慢，功率开关管Mp无法被调节至匹配增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout开始降低时，负载电容c1的下极板电压高于电池供电电压vout，负载电容c1的下极板产生流向负载M的电流ic1，此时，由于第二开关管Qy与负载电容c1串联连接，因此，第二开关管Qy中流过的电流增大的值为电流ic1的值，此时，由于第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比或个数比为N：1，因此，第二开关管Qy中增大的电流ic1镜像到第一开关管Qx中后，流过第一开关管Qx中的电流增大N×ic1，故此时，当电池供电电流iout突然增加后，负载电容c1和第一开关管Qx中可以提供的匹配电流为，此时，结合前述分析可知，增加的电池供电电流/>，因此，/>，从而可得，本发明实施例的减小输出电压波动的供电电路中的负载电容c1流过的电流/>；此时，由于负载电容c1足够大，那么负载电容c1两端的压差变化可以忽略，同时，由于第二开关管Qy为二极管接法，因此第二开关管Qy两端的电压基本等于二极管的导通电压，即第二开关管Qy两端的电压也基本不变，故此时，vc点的电压变化可以忽略，即可认为vc点的电压始终等于稳态时的电池供电电压vout，故此时，电池供电电压vout在电池供电电流iout增大瞬间的减小量为，因此，图6中供电电路的电池供电电压vout的波动量仅为图3中供电电路的电池供电电压vout的波动量的(N+1)分之一，大大减小了电池供电电压vout的波动。
在一实施例中，作为对图4提供的一种减小输出电压波动的供电电路的改进，提出第四种减小输出电压波动的供电电路，如图7所示，该供电电路还包括：第一开关管Qx、第二开关管Qy、第一电流源ix和第二电流源iy，第一开关管Qx的输入端和输入电压vdd连接，第一开关管Qx的输出端和负载、第二开关管Qy的输出端以及第一电流源的负极连接，第二开关管Qy的输入端和第二开关管Qy的控制端、第二电流源iy的正极、储能单元的一端以及第一开关管Qx的控制端连接，第二电流源iy的负极和输入电压vdd连接，储能单元的另一端接地，第一电流源ix的正极接地。
其中，储能单元为存在寄生电阻esr1的负载电容c1。
其中，第一电流源ix和第二电流源iy产生的电流大小的比值为N+1：1，其中，N为任意正数。
具体地，第一开关管为NMOS或者NPN三极管，第二开关管为NMOS或者NPN三极管；当第一开关管Qx和第二开关管Qy均为NMOS管时，第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比为N：1，当第一开关管Qx和第二开关管Qy均为NPN三极管时，第一开关管Qx和第二开关管Qy的个数比为N：1。
根据本发明实施例的一种减小输出电压波动的供电电路，当其处于稳定状态时，根据图7的电路可知，由于第二电流源iy中始终流过电流Iy，因此，第一开关管Qx和第二开关管Qy始终存在充电电流，第一开关管Qx和第二开关管Qy始终处于导通状态，同时，由于第二开关管Qy的控制端与输入端相连，因此，第二开关管Qy中流过的电流始终等于电流Iy，且由于第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比或个数比为N：1，故第一开关管Qx中流过的电流始终等于N×Iy。此时，由于第一电流源ix中流过的电流值为(N+1)×Iy，故此时，第一开关管Qx和第二开关管Qy中流过的电流全部流入第一电流源ix中，不会对电池供电电流iout造成影响；故电池供电电路正常工作时，负载电容c1上下极板处的电压均为固定值，因此，负载电容c1的上下极板处均没有电流流过，不会对电池供电电路产生影响。
当电池供电电流iout突然增加，且环路响应较慢，功率开关管Mp无法被调节至匹配增大的电池供电电流iout，电池供电电压vout开始降低时，负载电容c1的上极板电压高于电池供电电压vout，负载电容c1的上极板产生流向负载M的电流ic1，此时，由于第二开关管Qy与负载电容c1串联连接，因此，第二开关管Qy中流过的电流增大值为电流ic1的值，此时，由于第一开关管Qx和第二开关管Qy的宽长比或个数比为N：1，因此，第二开关管Qy中增大的电流ic1镜像到第一开关管Qx中后，流过第一开关管Qx中的电流增大N×ic1，故此时，当电池供电电流iout突然增加后，负载电容c1和第一开关管Qx中可以提供的匹配电流为。此时，结合前述分析可知，增加的电池供电电流/>，因此，/>，从而可得，本发明实施例的减小输出电压波动的供电电路中，负载电容c1流过的电流/>；此时，由于寄生电阻esr1的存在，使得负载电容c1的下极板电压下降了/>，而由于负载电容c1足够大，那么负载电容c1两端的压差变化可以忽略，同时，由于第二开关管Qy为二极管接法，因此第二开关管Qy两端的电压基本等于二极管的导通电压，即第二开关管Qy两端的电压也基本不变，故此时，负载电容c1的上极板电压也下降了/>，即可得，电池供电电压vout在电池供电电流iout增大瞬间的减小量为/>，因此，图7中供电电路的电池供电电压vout的波动量仅为图4中供电电路的电池供电电压vout的波动量的(N+1)分之一，大大减小了电池供电电压vout的波动。
综上，本发明实施例提供了减小输出电压波动的电池供电电路的四个实施例，当负载中流过的电池供电电流突然增大，且控制环路来不及响应时，可以大大减小输出的电池供电电压的波动，从而大大提高电池供电电路的可靠性以及负载的安全性。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (7)
1.一种减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，包括：功率开关管、运算放大器、第一反馈电阻、第二反馈电阻和储能单元，所述功率开关管的输入端和输入电压连接，所述功率开关管的输出端分别和所述第一反馈电阻的一端、所述储能单元的一端以及负载连接，所述功率开关管的控制端和所述运算放大器的输出端连接，所述第一反馈电阻的另一端分别和所述第二反馈电阻的一端以及所述运算放大器的正输入端连接，所述第二反馈电阻的另一端接地，所述运算放大器的负输入端和基准电压连接，所述储能单元的另一端和参考电压连接；
减小输出电压波动的供电电路还包括：第一开关管、第二开关管、第一电流源和第二电流源；
所述参考电压为输入电压或者接地电压；
当所述参考电压为输入电压时，所述第一开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第一开关管的输出端和负载连接，所述第二开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第二开关管的输出端和所述第二电流源的负极、所述储能单元的一端、所述第二开关管的控制端以及所述第一开关管的控制端连接，所述第二电流源的正极接地，所述储能单元的另一端和所述第一电流源的负极以及负载连接，所述第一电流源的正极接地。
2.根据权利要求1所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，所述第一开关管为PMOS管或者PNP三极管，所述第二开关管为PMOS管或者PNP三极管。
3.根据权利要求2所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，所述第一电流源和所述第二电流源产生的电流大小的比值为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PMOS管时，所述第一开关管和所述第二开关管的宽长比为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PNP三极管时，所述第一开关管和所述第二开关管的个数比为N：1，其中，N为任意正数。
4.根据权利要求1所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，当所述参考电压为接地电压时，所述第一开关管的输入端和所述输入电压连接，所述第一开关管的输出端和负载、所述第二开关管的输出端以及所述第一电流源的负极连接，所述第二开关管的输入端和所述第二开关管的控制端、所述第二电流源的正极、所述储能单元的一端以及所述第一开关管的控制端连接，所述第二电流源的负极和所述输入电压连接，所述储能单元的另一端接地，所述第一电流源的正极接地。
5.根据权利要求4所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS管或者NPN三极管，所述第二开关管为NMOS管或者NPN三极管。
6.根据权利要求5所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，所述第一电流源和所述第二电流源产生的电流大小的比值为N+1：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为NMOS管时，所述第一开关管和所述第二开关管的宽长比为N：1，当所述第一开关管和所述第二开关管均为PNP三极管时，所述第一开关管和所述第二开关管的个数比为N：1，其中，N为任意正数。
7.根据权利要求1所述的减小输出电压波动的供电电路，其特征在于，所述储能单元为存在寄生电阻的负载电容。
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