有压差检测器和偏置电流限制器的电压调节器及相关方法技术

本发明专利技术公开了一种有压差检测器和偏置电流限制器的电压调节器及相关方法。电压调节器包括用于接收输入电压的输入端子、用于供应输出电压的输出端子、功率晶体管、差分放大器、驱动器、压差检测器和偏置电流限制器。差分放大器基于在电压参考和对应于输出电压的反馈信号之间的差来提供驱动信号。驱动器包括阻抗设备以及驱动器晶体管，该驱动器晶体管接收驱动信号以便于改变对功率晶体管的控制端子的偏置电流。压差检测器和偏置电流限制器被耦合到输入端子、阻抗设备和输出端子，并且包括耦合在一起的第一和第二晶体管以及耦合到第二晶体管的偏置电流生成器。

Voltage regulator with differential pressure detector and bias current limiter and related method

The invention discloses a voltage regulator with a differential pressure detector and a bias current limiter. The voltage regulator includes an input terminal for receiving an input voltage, an output terminal for supplying an output voltage, a power transistor, a differential amplifier, a driver, a differential detector and a bias current limiter. The differential amplifier provides the driving signal based on the difference between the voltage reference and the feedback signal corresponding to the output voltage. The driver includes an impedance device and a drive transistor that receives a drive signal to change the bias current to the control terminal of the power transistor. Differential pressure detector and the bias current limiter is coupled to the input terminal and the output terminal equipment, impedance, and includes coupling together the first and second transistors and coupled to the second transistor bias current generator.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电压调节器的领域，并且更具体地涉及以压差(dropout)模式进行操作的电压调节器的电流消耗控制。
技术介绍
即使在输入电压和输出电压之间的差非常低(例如，100mV)，电压调节器也保持输出电压稳定。如果输入电压足够高，则输出电压处于标称电平，并且电压调节器以闭环进行操作。然而，如果输入电压下降，则电压调节器开始以开环进行操作，其也被称为压差模式。当以压差模式进行操作时，电压调节器的电流消耗是显著的。示例性电压调节器10在图1中示出，并且包括用于接收输入电压VIN的输入端子12、用于供应输出电压VOUT的输出端子以及功率晶体管20，功率晶体管20具有耦合到输入端子12的第一导电端子22、耦合到输出端子14的第二导电端子24以及控制端子26。差分放大器30具有用于接收电压参考VREF的第一输入32和用于接收对应于输出电压VOUT的反馈信号VFB的第二输入34。差分放大器30的输出36基于在电压参考VREF和反馈信号VFB之间的差来提供驱动信号VDIFF。驱动器50包括耦合到功率晶体管20的控制端子26的阻抗设备52和驱动器晶体管54。驱动器晶体管54具有耦合到功率晶体管20的控制端子26的第一导电端子55以及控制端子57，控制端子57接收来自差分放大器30的驱动信号VDIFF，以便于改变对功率晶体管20的控制端子26的偏置电流IBIAS。因为驱动器50的输出58被耦合到功率晶体管20，所以跨阻抗设备52形成的电压表示功率晶体管的VGS。随着电压调节器10的负载电流ILOAD改变，功率晶体管20的VGS也改变。负载电流ILOAD和VGS之间的关系是由功率晶体管20的传递函数来给出。当功率晶体管20在饱和区中进行操作时，传递函数是有效的。这对应于以闭环进行操作的电压调节器10。因为阻抗设备52在功率晶体管20的第一导电端子22和控制端子26之间进行操作，所以驱动器50的偏置电流IBIAS取决于负载电流ILOAD。如果在输入电压VIN和输出电压VOUT之间的差VDROP足够高，则功率晶体管20保持处于饱和区，并且功率晶体管的VGS相对低(例如，低于1V)。这导致了在驱动器50内的低偏置电流IBIAS。如果电压差VDROP变得过低而使得电压调节器10无法保持以闭环进行操作，则功率晶体管20转到线性区。这对应于以压差模式进行操作的电压调节器10。在压差模式中，在功率晶体管20的VGS和负载电流ILOAD之间的相关性不再由功率晶体管的传递函数给出，并且VGS可以达到非常高的水平。事实上，驱动器50能够将功率晶体管20的控制端子26下拉到接近地GND，并且功率晶体管20的VGS可以接近输入电压VIN。因为驱动器50通过VGS功率晶体管20进行操作，则偏置电流IBIAS可以达到非常高的水平。在VIN＝5V和驱动器晶体管54的电阻性负载的情况下，偏置电流IBIAS可以是在最大负载电流ILOAD处的偏置的5倍。即使当电压调节器10的电流消耗应当最小时负载电流ILOAD为0，这也是有效的。作为示例，如果用于对电子设备供电的电池的电压电平开始放电，则该电子设备内的电压调节器10从以闭环进行操作转到以压差模式进行操作。以压差模式进行操作产生了在电压调节器10的操作中，特别是在功率晶体管20的VGS中的显著改变，这可以增加直至输入电压VIN。对于上述电压调节器10，功率晶体管20的驱动器50中的偏置电流IBIAS取决于功率晶体管20的VGS。如果VGS在压差模式中增加，则偏置电流IBIAS也增加。对于电池供电的电子设备，这意味着，当电池成为放电并且电压调节器10转为压差模式时，甚至更多的电流开始吸收。这是不期望的行为，并且可能危及电子设备操作时间，或者甚至可能威胁到电池安全性。因此，当在压差模式中进行操作时，需要控制电压调节器10的电流消耗。
技术实现思路
电压调节器可以包括输入端子、输出端子、功率晶体管、差分放大器、驱动器以及压差检测器和偏置电流限制器。当电压调节器在压差模式中进行操作时，压差检测器和偏置电流限制器有利地限制电流消耗。输入端可以被配置为接收输入电压，输出端子可以被配置为供应输出电压，并且功率晶体管可以具有耦合到输入端子的第一导电端子、耦合到输出端子的第二导电端子以及控制端子。差分放大器可以包括用于接收电压参考的第一输入、用于接收对应于输出电压的反馈信号的第二输入、以及用于基于在电压参考和反馈信号之间的差来提供驱动信号的输出。驱动器可以包括耦合到功率晶体管的控制端子的阻抗设备以及驱动器晶体管，该驱动器晶体管具有耦合到功率晶体管的控制端子的第一导电端子以及控制端子，该控制端子从差分放大器接收驱动信号，以便于改变对功率晶体管的控制端子的偏置电流。压差检测器和偏置电流限制器耦合到功率晶体管，并且可以包括第一和第二晶体管以及偏置电流生成器。第一晶体管可以具有耦合到输入端子的第一导电端子、耦合到阻抗设备的第二导电端子以及控制端子。第二晶体管可以具有耦合到输出端子的第一导电端子、耦合在一起并且耦合到第一晶体管的控制端子的控制端子和第二端子。偏置电流生成器可以耦合到第二晶体管的第二导电端子。偏置电流生成器可以被配置为生成第二偏置电流，并且第一和第二晶体管可以被配置为电流镜，使得用于功率晶体管的偏置电流镜像反映第二偏置电流。压差检测器和偏置电流限制器可以进一步包括耦合在输入端子和差分放大器之间的第三和第四晶体管。更具体地，第三晶体管可以具有耦合到输入端子的第一导电端子、耦合到第一晶体管的控制端子的控制端子以及第二导电端子。第四晶体管可以具有耦合到第三晶体管的第二导电端子的第一导电端子、耦合到阻抗设备并且耦合到功率晶体管的控制端子的控制端子、以及耦合到差分放大器的第二导电端子。电压调节器可以进一步包括电流源，该电流源被耦合在输入端子和差分放大器之间，并且还与第三晶体管和第四晶体管并联耦合。第四晶体管自适应地偏置差分放大器。电压调节器还可以进一步包括耦合到输出端子的电阻分压器以及反馈路径，该反馈路径被耦合在电阻分压器和差分放大器的第二输入之间，以对其提供反馈信号。阻抗设备可以被配置为具有阻抗，使得跨阻抗设备的电压对应于跨功率晶体管的电压。阻抗设备可以包括电阻、配置为二极管的晶体管和与配置为二极管的晶体管串联耦合的电阻中的至少一个。电压调节器可以进一步包括参考电压源，该参考电源被耦合到差分放大器的第一输入，提供参考电压。功率晶体管可以包括p沟道MOSFET，并且驱动器晶体管可以包括n沟道MOSFET。另一方面针对一种用于操作如上所述的电压调节器的方法。该方法包括检测以压差模式进行操作的电压调节器，以及在压差模式期间限制功率晶体管的偏置电流。附图说明图1是根据现有技术的电压调节器的框图。图2是根据本专利技术的具有压差检测器和偏置电流限制器的电压调节器的框图。图3A、3B、3C是表示用于在图2中图示的阻抗设备的不同选项的示意图。图4是当电压调节器以压差模式进行操作时在图2中图示的功率晶体管以及压差检测器和偏置电流限制器的示意图。图5是具有图2中图示的压差检测器和偏置电流限制器的电压调节器的另一实施例的框图。图6是图示在ILOAD＝0并且VOUT＝3.3V的情况下图5中图示的电压调节器的性能特性的图。图7是图示在ILOAD＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压调节器，包括：输入端子，所述输入端子配置为接收输入电压；输出端子，所述输出端子配置为供应输出电压；功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述输出端子的第二导电端子、以及控制端子；差分放大器，所述差分放大器具有用于接收电压参考的第一输入、用于接收对应于所述输出电压的反馈信号的第二输入、以及用于基于在所述电压参考和所述反馈信号之间的差来提供驱动信号的输出；驱动器，所述驱动器包括耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的阻抗器件、以及驱动器晶体管，所述驱动器晶体管具有耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的第一导电端子、以及控制端子，所述控制端子从所述差分放大器接收所述驱动信号，以便于改变去往所述功率晶体管的所述控制端子的偏置电流；以及压差检测器和偏置电流限制器，耦合到所述功率晶体管。

【技术特征摘要】
2015.10.13 US 14/881,4981.一种电压调节器，包括：输入端子，所述输入端子配置为接收输入电压；输出端子，所述输出端子配置为供应输出电压；功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述输出端子的第二导电端子、以及控制端子；差分放大器，所述差分放大器具有用于接收电压参考的第一输入、用于接收对应于所述输出电压的反馈信号的第二输入、以及用于基于在所述电压参考和所述反馈信号之间的差来提供驱动信号的输出；驱动器，所述驱动器包括耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的阻抗器件、以及驱动器晶体管，所述驱动器晶体管具有耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的第一导电端子、以及控制端子，所述控制端子从所述差分放大器接收所述驱动信号，以便于改变去往所述功率晶体管的所述控制端子的偏置电流；以及压差检测器和偏置电流限制器，耦合到所述功率晶体管。2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述压差检测器和偏置电流限制包括：第一晶体管，所述第一晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述阻抗器件的第二导电端子、以及控制端子；第二晶体管，所述第二晶体管具有耦合到所述输出端子的第一导电端子、耦合在一起并且耦合到所述第一晶体管的所述控制端子的控制端子和第二导电端子；以及偏置电流生成器，所述偏置电流生成器耦合到所述第二晶体管的所述第二导电端子。3.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述偏置电流生成器被配置为生成第二偏置电流；并且其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管被配置为电流镜，使得用于所述功率晶体管的所述偏置电流反映所述第二偏置电流。4.根据权利要求2所述的电压调节器，其中，所述压差检测器和偏置电流限制器进一步包括：第三晶体管，所述第三晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述第一晶体管的所述控制端子的控制端子、以及第二导电端子；以及第四晶体管，所述第四晶体管具有耦合到所述第三晶体管的所述第二导电端子的第一导电端子、耦合到所述阻抗器件并且耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的控制端子、以及耦合到所述差分放大器的第二导电端子。5.根据权利要求4所述的电压调节器，进一步包括：电流源，所述电流源被耦合在所述输入端子和所述差分放大器之间，并且还与所述第三晶体管和所述第四晶体管并联耦合。6.根据权利要求1所述的电压调节器，进一步包括：耦合到所述输出端子的电阻分压器；反馈路径，所述反馈路径被耦合在所述电阻分压器和所述差分放大器的第二输入之间，以对其提供所述反馈信号。7.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述阻抗器件被配置为具有阻抗，使得跨所述阻抗器件的电压对应于跨所述功率晶体管的电压。8.根据权利要求7所述的电压调节器，其中，所述阻抗器件包括电阻、配置为二极管的晶体管和与配置为二极管的晶体管串联耦合的电阻中的至少一个。9.根据权利要求1所述的电压调节器，进一步包括：电流源，所述电流源被耦合在所述输入端子和所述差分放大器之间。10.根据权利要求1所述的电压调节器，进一步包括：参考电压源，所述参考电压源被耦合到所述差分放大器的所述第一输入，提供所述参考电压。11.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述功率晶体管包括p沟道MOSFET，并且所述驱动器晶体管包括n沟道MOSFET。12.一种电压调节器，包括：输入端子，所述输入端子配置为接收输入电压；输出端子，所述输出端子配置为供应输出电压；功率晶体管，所述功率晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述输出端子的第二导电端子、以及控制端子；差分放大器，所述差分放大器具有用于接收电压参考的第一输入、用于接收对应于所述输出电压的反馈信号的第二输入、以及用于基于在所述电压参考和所述反馈信号之间的差来提供驱动信号的输出；参考电压源，所述参考电压源被耦合到所述差分放大器的所述第一输入，提供所述参考电压；驱动器，所述驱动器包括耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的阻抗器件、以及驱动器晶体管，所述驱动器晶体管具有耦合到所述功率晶体管的所述控制端子的第一导电端子、以及控制端子，所述控制端子从所述差分放大器接收所述驱动信号，以便于改变去往所述功率晶体管的所述控制端子的偏置电流；以及压差检测器和偏置电流限制器，耦合到所述功率晶体管并且包括：第一晶体管，所述第一晶体管具有耦合到所述输入端子的第一导电端子、耦合到所述阻抗器件的第二导电端子、以及控制端子；第二晶体管，所述第二晶体管具有耦合到所述输出端子的第一导电端子、耦合在一起并且耦合至所述第一晶体管的所述控制端子的控制端子和第二导电端子；以及偏置电流生成器，所述偏置电流生成器耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·皮特伊，
申请(专利权)人：意法设计与应用股份有限公司，
类型：发明
国别省市：捷克;CZ