CN1812239A - 稳压器及相关电子设备 - Google Patents

Abstract

为了减少过电压保护电路中浪费的电功率，稳压器IC 100包含过电压保护电路105，当输出电压Vo变得高于预先确定的门限电压Vth1时，过电压保护电路105停止稳压器的输出操作。过电压保护电路105包括根据预先确定的控制信号接通和关断过电压保护电路105的过电压保护操作的开关装置FET3。

Description

稳压器及相关电子设备

技术领域

本发明涉及包含过电压保护电路的稳压器，并特别涉及减少过电压保护电路的电功率消耗的技术。

背景技术

常规上，稳定的直流电源包含稳压器，以作为用于产生不受输入电压、负载电流、环境温度等影响的恒定输出电压的装置。具体来说，通过改变输出驱动电路的占空(duty)来产生恒定输出电压的斩波型稳压器(开关稳压器)在存在大的输入输出电压差的情况下提供了非常低的热损耗和高效率工作的优点。这种稳压器一般包含过电压保护电路(例如，参见已公开的日本专利申请No.11-289759)。

当然，利用包含过电压保护电路的常规稳压器，当在输出级中出现高于门限值的电压时，例如当负载变成开路时，稳压器的输出操作可能停止。这帮助防止由于过电压导致的电路元件击穿等。

但是，由于为了实现过电压保护，常规稳压器被构造成不间断地监视输出电压，而不管它是处于工作使能状态还是工作禁止状态，也不管输入和输出电压的状态，所以常规稳压器有在过电压保护电路中消耗不必要的电功率的缺点。例如，一种过电压保护电路基于通过对输出电压的电阻器分压所获得的分压电压与预先确定的参考电压之间的比较结果来检测过电压，在所述过电压保护电路中，通过电阻器的稳定消耗损失了电功率，导致了不必要的高电功率消耗。因此，当在电池推动的电子设备(例如蜂窝电话)中采用常规稳压器作为稳定的直流电源时，它容易浪费储存在电池中的电功率，过度缩短了该电子设备能够被使用的持续时间，从而造成不便。

发明内容

考虑到上面所讨论的传统技术上遇到的不便，本发明的目的是提供一种包含以降低的电功率消耗来工作的过电压保护电路的稳压器。

为了实现上面的目的，根据本发明，在一种从输入电压产生恒定输出电压，并且包含当高于第一门限电压的电压出现时停止稳压器的输出操作的过电压保护电路的稳压器中，所述过电压保护电路包括根据预先确定的控制信号来接通和关断过电压保护电路的过电压保护操作的开关装置。利用这种结构，通过输入适当的控制信号，有可能减少在过电压保护电路中浪费的电功率。

此外，根据本发明，向一种电子设备提供了起到电功率源作用的电池和起到用于转换电池输出的装置作用的稳定的直流电源。这里被用作所述稳定的直流电源的是上面所描述的稳压器。利用这种结构，有可能防止在过电压保护电路中浪费储存在电池中的电功率，从而延长电子设备能够被使用的持续时间。

附图说明

图1A是示出本发明的第一个实施例的电子设备的电路图，而图1B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图；

图2A是示出本发明的第二个实施例的电子设备的电路图，而图2B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图；

图3A是示出本发明的第三个实施例的电子设备的电路图，图3B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图，而图3C是示出其输入电压检测电路结构的例子的电路图；

图4A是示出本发明的第四个实施例的电子设备的电路图，图4B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图，而图4C是示出其输出电压检测电路结构的例子的电路图；

图5A示出本发明的第五个实施例的电子设备的电路图，而图5B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图；

具体实施方式

首先，将参考图1A和图1B详细描述本发明的第一个实施例的电子设备。图1A是示出本发明的第一个实施例的电子设备的电路图，而图1B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图(每一个图中均部分地以框图显示)。如图1A中所示，本实施例的电子设备包括：直流电压源E1(例如，锂离子电池)，作为电子设备的电功率源；稳定的直流电源(稳压器IC 100、平滑电容器C1和C2、线圈L1、二极管D1和电阻器R1)，作为用于转换直流电压源E1的输出的装置；以及，发光二极管阵列LED，作为负载。该电子设备以蜂窝电话为例。

上述稳定的直流电源被构造成升压斩波型稳压器，如已经描述的那样，所述稳压器由稳压器IC 100、平滑电容器C1和C2、线圈L1、二极管D1和电阻器R1组成。

作为包含在其中的电路模块，稳压器IC 100包括输出驱动电路101、软启动电路102、开/关控制电路103、过热保护电路104、过电压保护电路105、放大器电路106、振荡电路107、加法器电路108、PWM(脉冲宽度调制)比较器电路109和误差放大器电路110。稳压器IC 100还包括：P沟道场效应晶体管FET1，作为用于控制输出电压的装置；P沟道场效应晶体管FET2和电阻器R2，共同作为用于监视输出电流的装置；以及，直流电压源E2和电阻器R3及R4，共同作为用于设置输出电压的装置。稳压器IC 100将所有刚刚提到电路模块及其元件封装在半导体集成电路器件中。

稳压器IC 100还具有：外部端子T1，输入电压V_in被施加到所述外部端子T1；外部端子T2，开关脉冲电压V_SW被施加到所述外部端子T2；外部端子T3，驱动控制信号CTRL被施加到所述外部端子T3；外部端子T4，输出电压Vo被施加到所述外部端子T4；外部端子T5，电压反馈信号FB被施加到所述外部端子T5；以及，外部端子T6，该外部端子T6被接地到参考电位(GND电位)。

直流电压源E1的正端通过平滑电容器C1接地，并被连接到线圈L1的一端和稳压器IC 100的外部端子T1。直流电压源E1的负端接地。线圈L1的另一端连接到二极管D1的阳极和稳压器IC 100的外部端子T2。二极管D1的阴极通过平滑电容器C2接地，并且被连接到发光二极管阵列LED的阳极一端和稳压器IC 100的外部端子T4。发光二极管阵列LED的阴极一端通过电阻器R1接地，并被连接到稳压器IC 100的外部端子T5。

在稳压器IC 100内部，晶体管FET1和FET2的源极都被连接到外部端子T2，晶体管FET1的漏极直接接地，而晶体管FET2的漏极通过电阻器R2接地。晶体管FET1和FET2两者的栅极都连接到输出驱动电路101的栅极信号输出端。晶体管FET1和FET2的背栅极(backgate)被连接到它们各自的漏极。电阻器R2的一端连接到放大器电路106的一个输入端，并且电阻器R2的另一端连接到放大器电路106的另一个输入端。加法器电路108的一个输入端连接到放大器电路106的输出端，并且加法器电路108的另一个输入端连接到振荡电路107的输出端。PWM比较器电路109的一个输入端连接到加法器电路108的输出端，而PWM比较器电路109的另一个输入端连接到误差放大器电路110的输出端。PWM比较器电路109的输出端连接到输出驱动电路101的PWM脉冲信号输入端。误差放大器电路110的一个输入端连接到外部端子T5；误差放大器电路110的另一个输入端通过电阻器R3接地，并通过电阻器R4连接到直流电压源E2的正端。直流电压源E2的负端接地。

在如上所述构造的稳压器IC 100中，误差放大器电路110放大施加到外部端子T5上的电压反馈信号FB(随着输出电压Vo变化的监视电压)和预先确定的参考电压Vref(由直流电压源E2和电阻器R3和R4产生的输出设置电压)之间的误差电压，然后，将被放大的误差信号馈至PWM比较器电路109。因此，在这个实施例中，该结构使得出现在起负载作用的发光二极管阵列LED的阴极端和电阻器R1之间的节点处的电压被反馈。与将通过对输出电压Vo进行电阻器分压而获得的电压进行反馈的结构不同，这种结构允许适当的输出稳定操作，这种稳定操作不受发光二极管阵列LED两端的正向电压降VF的变化的影响。

从外部端子T2转向(divert)到晶体管FET2的电流被电阻器R2转换为用作电流反馈信号的电压(其电平随着输出电流变化的监视电压)。放大器电路106放大这个电流反馈信号，然后将被放大的电流反馈信号馈至加法器电路108。加法器电路108将由放大器电路106放大的电流反馈信号和由振荡电路107产生的三角波信号加在一起，以便给三角波信号以与输出电流相称的偏移。通过对输出电流的这种反馈控制，可以保持输出电流恒定。

PWM比较器电路109将误差放大器电路110的输出信号与来自加法器电路108的三角波信号进行比较，以产生PWM脉冲信号，并将所产生的PWM脉冲信号馈送至输出驱动电路101。因此，PWM脉冲信号保持在逻辑高的时间段和PWM信号保持在逻辑低的时间段的比一直根据误差放大器电路110的输出信号和三角波信号之间比较的结果而变化。

根据来自PWM比较器电路109的PWM脉冲信号，输出驱动电路101确定输出占空，并相应地改变晶体管FET1和FET2的导通状态时间。顺便说明，当晶体管FET1导通时，来自直流电压源E1的电流流过线圈L1，因此电能被储存在线圈L1中。另一方面，当晶体管FET1关断时，储存在线圈L1中的电能在线圈L1中产生了反向电动势(back eletromotive force)。线圈L1中产生的反向电动势被添加到直流电压源E1的电压上，并且最终的总和电压通过二极管D1对平滑电容器C2充电。重复这些操作，以便给起到负载作用的发光二极管阵列LED提供经平滑电容器C2平滑过的直流输出。

和上面的操作步骤并行，出于避免在启动稳压器IC 100时的冲击电流(rush current)的目的，根据施加到外部端子T3上的驱动控制信号，软启动电路102平缓地启动输出驱动电路101。此外，根据施加到外部端子T3上的驱动控制信号，开/关控制电路103使能或者禁止输出驱动电路101。

此外，过热保护电路104使能或者禁止输出驱动电路101，以便当稳压器IC 100的芯片温度变得高于门限值时，稳压器IC 100的输出操作被停止。此外，通过监视施加到外部端子T4的输出电压Vo，过电压保护电路105使能或者禁止输出驱动电路101，以便当输出级中出现高于门限值的电压时，例如当起到负载作用的发光二极管阵列LED变为开路时，稳压器IC 100的输出操作被停止。

在这个实施例中，如图1B中所示，过电压保护电路105包括：比较器电路CMP1、直流电压源E3、电阻器R5和R6，以及P沟道场效应晶体管FET3。晶体管FET3起到用于根据预先确定的控制信号来接通和关断过电压保护电路105的过电压保护操作的开关装置的作用。

比较器电路CMP1的一个输入端连接到直流电压源E3的正端。直流电压源E3的负端接地。比较器电路CMP1的另一个输入端通过电阻器R5连接到晶体管FET3的漏极，并且所述比较器电路CMP1的另一个输入端通过电阻器R6接地。FET3的源极连接到外部端子T4。晶体管FET3的背栅极连接到晶体管FET3自己的漏极。预先确定的控制信号被施加到晶体管FET3的栅极。

在如上所述构成的过电压保护电路105中，当FET3导通时，比较器电路CMP1将施加到外部端子T4上的输出电压Vo与第一门限电压Vth1(直流电压源E3的正端处的电压)进行比较，并且使能和禁止输出驱动电路101，以便如果输出电压Vo出现高于所述第一门限电压Vth1的电压，则停止稳压器IC 100的输出操作。

在另一方面，当晶体管FET3关断时，暂停比较器电路CMP1对输出电压Vo的监视，并且停止过电压保护电路105的过电压保护操作。在这种状态下，从外部端子T4经电阻器R5和R6通向地的电流路径被处于关断状态的晶体管FET3切断，因此在电阻器R5和R6中不损失电功率。

如上所述，在这个实施例中，过电压保护电路105包括开关装置(晶体管FET3)，所述开关装置根据预先确定的控制信号接通和关断过电压保护电路105的过电压保护操作。利用这种结构，通过向开关装置输入适当的控制信号，有可能减少在过电压保护电路105中浪费的电功率(即浪费的直流电压源E1的电功率，直流电压源E1是电池)，从而延长了电子设备能够被使用的持续时间。

接着，将参考图2A和图2B详细描述本发明第二个实施例的电子设备。图2A是示出本发明的第二个实施例的电子设备的电路图，而图2B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图(每一个图中均部分地表示为框图)。如图2A和2B中所示，这个实施例的电子设备在很大程度上具有与先前描述的图1A和图1B中所示的第一个实施例的电子设备相同的结构。因此，在第一个实施例中找到其对应部分的这些电路模块和元件被用与图1A和1B相同的参考数字和符号标识，并且将不重复对它们的详细的说明。因此，对本实施例的下列描述重点在于其独有的特征。

如图2A和2B中所示，在本实施例的稳压器IC 100中，开/关控制电路103根据施加到外部端子T3上的驱动控制信号CTRL来使能和禁止输出驱动电路101。此外，开/关控制电路103产生控制信号S1，以便与稳压器IC 100的输出操作被接通和关断的时刻同步地接通和关断过电压保护电路105的过电压保护操作。开/关控制电路103将这样产生的控制信号S1馈送至晶体管FET3的栅极。利用这种结构，当稳压器IC 100的输出操作被关断时，禁止过电压保护操作不必要地继续下去。因此，有可能减少浪费在过电压保护电路105中的电功率(即直流电压源E1的电功率的浪费，其中，直流电压源E1是电池)，从而延长了电子设备能够被使用的持续时间。

接着，将参考图3A到图3C来详细描述本发明的第三个实施例的电子设备。图3A是示出本发明的第三个实施例的电子设备的电路图，图3B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图，而图3C是示出其输入电压监视电路结构的例子的电路图(每一个图中均部分地以框图显示)。如图3A到3C中所示，本实施例的电子设备在很大程度上具有与先前描述的图1A和图1B中所示的第一个实施例的电子设备相同的结构。因此，在第一个实施例中找到其对应部分的这些电路模块和元件被用与图1A和1B相同的参考数字和符号标识，并且将不重复对它们的详细的说明。因此，对本实施例的下列描述重点在于其独有的特征。

如图3A和3B中所示，除了已经提到的电路模块和元件以外，本实施例的稳压器IC 100还包括输入电压监视电路111。输入电压监视电路111根据对施加到外部端子T1的输入电压Vin的监视结果，产生控制信号S2，并且将如此产生的控制信号S2馈送至晶体管FET3的栅极。

如图3C中所示，输入电压监视电路111包括比较器电路CMP2、直流电压源E4，以及电阻器R7和R8。比较器电路CMP2的一个输入端连接到外部端子T1；比较器电路CMP2的另一个输入端子经过电阻器R7接地，并且，所述比较器电路CMP2的另一个输入端子经过电阻器R8连接到直流电压源E4的正端。直流电压源E4的负端接地。因此，输入电压监视电路111产生控制信号S2，以便当施加到外部端子T1上的输入电压Vin低于第二门限电压Vth2(由直流电压源E4及电阻器R7和R8产生的保护操作禁止电压)时，过电压保护电路105的过电压保护操作被关断。

顺便提一下，第二门限电压Vth2可以根据直流电压源E1的平均电压来适当地设置。例如，在锂离子电池被用作直流电压源E1的情况下，考虑到其平均电压是大约3.6[V]，所以第二门限电压Vth2被设置为低于该电压，具体来说是大约3.2[V]。

利用这种结构，无论何时只要榆入电压Vin(即储存在直流电压源E1中的电功率)降低，因而发现对抗过电压的保护是不必要的了，则可以禁止过电压保护操作。因此，有可能减少过电压保护电路105中浪费的电功率(即浪费直流电压源E1的电功率，直流电压源E1是电池)，从而延长了电子设备能够被使用的持续时间。

接着，将参考图4A到图4C详细地描述本发明的第四个实施例的电子设备。图4A是示出本发明的第四个实施例的电子设备的电路图，图4B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图，而图4C是示出其输出电压检测电路结构的例子的电路图(每一个图中均部分地以框图显示)。如图4A到4C中所示，本实施例的电子设备在很大程度上具有与先前描述的图1A和图1B中所示的第一个实施例的电子设备相同的结构。因此，在第一个实施例中找到其对应部分的这些电路模块和元件被用与图1A和1B相同的参考数字和符号标识，并且将不重复详细的说明。因此，对本实施例的下列描述重点在于其独有的特征。

如图4A和4B中所示，除了已经提到的电路模块和元件以外，本实施例的稳压器IC 100还包括输出电压监视电路112。输出电压监视电路112根据对施加到外部端子T4的输入电压Vo的监视结果，产生控制信号S3，并且将如此产生的控制信号S3馈送至晶体管FET3的栅极。

如图4C中所示，输出电压监视电路112包括比较器电路CMP3、直流电压源E5，以及电阻器R9和R10。比较器电路CMP3的一个输入端连接到外部端子T4；比较器电路CMP3的另一个输入端子经过电阻器R9接地，并且，所述比较器电路CMP3的另一个输入端子经过电阻器R10连接到直流电压源E5的正端。直流电压源E5的负端接地。因此，输出电压监视电路112产生控制信号S3，以便当施加到外部端子T4上的输出电压Vo低于第三门限电压Vth3(由直流电压源E5及电阻器R9和R10产生的保护操作禁止电压)时，过电压保护电路105的过电压保护操作被关断。

顺便提一下，第三门限电压Vth3可以根据直流电压源E1的平均电压来适当地设置。例如，在锂离子电池被用作直流电压源E1的情况下，考虑到其平均电压是大约3.6[V]，所以第三门限电压Vth3被设置为大致等于该电压，具体来说是大约3.6[V]。

利用这种结构，当起到负载作用的发光二极管阵列LED的发光操作被关断时，禁止过电压保护操作不必要地继续下去。因此，有可能减少过电压保护电路105中浪费的电功率(即浪费直流电压源E1的电功率，直流电压源E1是电池)，从而延长了电子设备能够被使用的持续时间。

最后，将参考图5A和图5B详细描述本发明第五个实施例的电子设备。图5A示出本发明的第五个实施例的电子设备的电路图，而图5B是示出其过电压保护电路结构的例子的电路图(每一个图中均部分地以框图显示)。如图5A和5B中所示，本实施例的电子设备在很大程度上具有与先前描述的图1A和图1B中所示的第一个实施例的电子设备相同的结构。因此，在第一个实施例中找到其对应部分的这些电路模块和元件被用与图1A和1B相同的参考数字和符号标识，并且将不重复对它们的详细的说明。因此，对本实施例的下列描述重点在于其独有的特征。

如图5A和5B中所示，除了已经提到的电路模块和元件以外，本实施例的稳压器IC 100还包括外部端子T7，用于从该IC外部接收被施加到晶体管FET3的栅极的控制信号S4。利用这种结构，通过将适当的控制信号S4从IC的外部输入到晶体管FET3，有可能减少过电压保护电路105中浪费的电功率(即浪费的直流电压源E1的电功率，直流电压源E1是电池)，从而延长了电子设备能够被使用的持续时间。

上面所描述的实施例全都涉及本发明应用于升压斩波型稳压器的情况。但是，这并不意味着要将本发明的应用限于这些稳压器。应该理解，本发明一般可应用于这样的稳压器：所述稳压器由输入电压来产生恒定的输出电压，并且包含过电压保护电路，所述过电压保护电路在所述输出电压变得高于预先确定的门限电压时停止所述稳压器的输出操作。

即，本发明一般在包含过电压保护电路的稳压器中适用，并在减少所述过电压保护电路的电功率消耗方面特别有用。

应该理解，除了如上面具体描述的实施例那样的方式以外，还可以以任何方式来实践本发明，并且，在本发明的精神内，很多修改和变化是可能的。

Claims (14)

1.一种稳压器，包含：

过电压保护电路，在从输入电压产生恒定的输出电压的同时，当所述输出电压中出现了高于第一门限电压的电压时，所述过电压保护电路停止所述稳压器的输出操作，

其中，所述过电压保护电路包括开关装置，该开关装置根据预先确定的控制信号来接通和关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

2.如权利要求1所述的稳压器，还包含：

开/关控制电路，该开/关控制电路产生所述控制信号，以便与所述稳压器的输出操作被接通和关断的时刻同步地接通和关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

3.如权利要求1所述的稳压器，还包含：

输入电压监视电路，该输入电压监视电路根据对所述输入电压的监视结果，产生所述控制信号。

4.如权利要求3所述的稳压器，

其中，所述输入电压监视电路产生所述控制信号，以便当所述输入电压低于第二门限电压时，关断所述过电压保护电路的所述过电压保护操作。

5.如权利要求1所述的稳压器，还包含：

输出电压监视电路，该输出电压监视电路根据对所述输出电压的监视结果，产生所述控制信号。

6.如权利要求5所述的稳压器，

其中，所述输出电压监视电路产生所述控制信号，以便当所述输出电压低于第三门限电压时，关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

7.如权利要求1所述的稳压器，还包含：

外部端子，用于从设备外部接收所述控制信号。

8.一种电子设备，包含：

电池，该电池用作电功率源；和

稳压器，该稳压器用作用于转换所述电池的输出的装置，

其中，所述稳压器包括：

过电压保护电路，在从输入电压产生恒定的输出电压的同时，当所述输出电压中出现了高于第一门限电压的电压时，所述过电压保护电路停止所述稳压器的输出操作，

其中，所述过电压保护电路包括开关装置，该开关装置根据预先确定的控制信号来接通和关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

9.如权利要求8所述的电子设备，

其中，所述稳压器还包括：

开/关控制电路，该开/关控制电路产生所述控制信号，以便与所述稳压器的输出操作被接通和关断的时刻同步地接通和关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

10.如权利要求8所述的电子设备，

其中，所述稳压器还包括：

输入电压监视电路，该输入电压监视电路根据对所述输入电压的监视结果，产生所述控制信号。

11.如权利要求10所述的电子设备，

其中，所述输入电压监视电路产生所述控制信号，以便当所述输入电压低于第二门限电压时，关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

12.如权利要求8所述的电子设备，

其中，所述稳压器还包括：

输出电压监视电路，该输出电压监视电路根据对所述输出电压的监视结果，产生所述控制信号。

13.如权利要求12所述的电子设备，

其中，所述输出电压监视电路产生所述控制信号，以便当所述输出电压低于第三门限电压时，关断所述过电压保护电路的过电压保护操作。

14.如权利要求8所述的电子设备，

其中，所述稳压器还包括：

外部端子，用于从设备外部接收所述控制信号。

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