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電壓調(diào)節(jié)器

（映維網(wǎng)Nweon?2022年03月31日）電子設(shè)備一般包含對(duì)輸出電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的電壓調(diào)節(jié)器。在名為“Voltage regulator circuit with current limiter stage”的專利申請(qǐng)中，微軟介紹了一種可以用于HoloLens等混合現(xiàn)實(shí)頭顯的電壓調(diào)節(jié)器。具體來(lái)說(shuō)，專利描述了包括放大器級(jí)，以及電聯(lián)接到放大器級(jí)輸出的限流器級(jí)的電壓調(diào)節(jié)器電路。

其中，放大器級(jí)配置為基于參考電壓和來(lái)自輸出電壓的反饋輸出直流電壓。限流器級(jí)配置為以靜態(tài)模式和過(guò)載模式工作。對(duì)于靜態(tài)模式，限流器級(jí)配置為作為緩沖級(jí)工作，并形成放大器級(jí)輸入的閉合反饋回路。對(duì)于過(guò)載模式，電流限制器級(jí)配置為將輸出電流鉗制為指定電流的電流源。過(guò)載模式可基于電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電流大于指定閾值電流而觸發(fā)。作為一個(gè)示例，基于電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)地短路，可以觸發(fā)過(guò)載模式。當(dāng)觸發(fā)過(guò)載模式下操作的電流過(guò)載條件得到緩解時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器電路配置為返回正常操作，其中限流器級(jí)以靜態(tài)模式操作。

對(duì)于微軟提出的發(fā)明，示例限流器級(jí)可在芯片實(shí)現(xiàn)，無(wú)需使用外部片外電氣元件或數(shù)字信號(hào)處理。與依賴于集成電路的數(shù)字信號(hào)處理塊來(lái)檢測(cè)電流過(guò)載條件的配置相比，這種配置允許限流器級(jí)更快地檢測(cè)電壓調(diào)節(jié)器電路的電流過(guò)載條件，并且可以更快地將電壓調(diào)節(jié)器電路切換回靜態(tài)操作模式的正常操作。另外，由于限流器級(jí)是在晶體管級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)，所以電壓調(diào)節(jié)器電路的物理占地面積可能小于采用分立片外電氣元件的電壓調(diào)節(jié)器電路。

圖3A和3B示意性地示出了電壓調(diào)節(jié)器電路的系統(tǒng)框圖。電壓調(diào)節(jié)器電路包括放大器級(jí)300和限流器級(jí)302。放大器級(jí)300包括負(fù)輸入304、正輸入306和輸出308。負(fù)輸入304配置為接收參考電壓310。在一個(gè)示例中，參考電壓設(shè)置為電壓調(diào)節(jié)器電路204的直流電源電壓。正輸入306配置為經(jīng)由反饋回路314接收電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出電壓312的反饋。放大器級(jí)300配置為基于基準(zhǔn)電壓310和來(lái)自電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出電壓312的反饋輸出DC電壓316。在所示的示例中，放大器級(jí)300配置為差分放大器級(jí)，其放大輸出電壓312的反饋和參考電壓310之間的差，使得從放大器級(jí)300輸出的DC電壓316設(shè)置為參考電壓310。

如圖3A所示，對(duì)于靜態(tài)工作模式，限流器級(jí)302配置為緩沖級(jí)320，并形成閉環(huán)314，以將電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出電壓312反饋回放大器級(jí)300的正輸入306。在所示的示例中，緩沖級(jí)320配置為單位增益緩沖器操作。

基于輸出電流318大于電壓調(diào)節(jié)器電路204的閾值電流，電壓調(diào)節(jié)器電路204可以配置為從靜態(tài)工作模式切換到過(guò)載工作模式。電壓調(diào)節(jié)器電路204的閾值電流可以設(shè)置為任何合適的閾值電流。在一個(gè)示例中，可以基于放大器級(jí)300的工作特性來(lái)設(shè)置閾值電流。可根據(jù)各種操作條件觸發(fā)從靜態(tài)操作模式到過(guò)載操作模式的切換。作為一個(gè)示例，響應(yīng)于電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出節(jié)點(diǎn)324處的短路，電壓調(diào)節(jié)器電路204可以從靜態(tài)工作模式操作切換到過(guò)載工作模式的操作。

如圖3B所示，對(duì)于過(guò)載操作模式，基于反饋到放大器級(jí)300的輸入306的輸出電流318大于閾值電流，放大器級(jí)300將DC電壓316鉗制為零伏。當(dāng)限流器級(jí)302在放大器級(jí)300的輸出308處檢測(cè)到零電壓時(shí)，限流器級(jí)302配置為從靜態(tài)工作模式操作切換到過(guò)載工作模式操作。在過(guò)載操作模式操作中，電流限制器級(jí)302配置為充當(dāng)電流源322，并將電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出電流318鉗制為指定電流。作為電流源322的限流器級(jí)302可以將指定電流設(shè)置為保護(hù)電壓調(diào)節(jié)器電路204不退化的任何適當(dāng)電流。

另外，基于輸出電流318小于電壓調(diào)節(jié)器電路204的閾值電流，電壓調(diào)節(jié)器電路204可以配置為從過(guò)載工作模式切換到靜態(tài)工作模式。換句話說(shuō)，當(dāng)過(guò)載電流移除時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器電路204可配置為在靜態(tài)階段自動(dòng)返回到正常操作。

一旦過(guò)載條件通過(guò)輸出電流變得小于放大器級(jí)300的閾值工作電流，限流器級(jí)302可以配置成清除，電壓調(diào)節(jié)器電路204在靜態(tài)工作模式中自動(dòng)切換回工作狀態(tài)，限流器級(jí)302充當(dāng)緩沖級(jí)322，緩沖級(jí)322形成閉合負(fù)反饋回路314，負(fù)反饋回路314將電壓調(diào)節(jié)器電路204的輸出電壓312反饋回放大器級(jí)300的輸入306。

圖10示出了操作電壓調(diào)節(jié)器電路的示例方法1000。

在1002，電壓調(diào)節(jié)器電路的放大器級(jí)響應(yīng)于電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電流是否大于閾值電流。如果輸出電流大于閾值電流，則電壓調(diào)節(jié)器電路在過(guò)載工作模式下工作，并且方法1000移動(dòng)到1008。否則，電壓調(diào)節(jié)器電路在靜態(tài)操作模式下工作，并且方法1000移動(dòng)到1004。

在1004，靜態(tài)操作模式，放大器級(jí)通過(guò)反饋回路放大電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓，使得放大器級(jí)的輸出設(shè)置為參考電壓。在1006，靜態(tài)操作模式，限流器級(jí)緩沖放大器級(jí)的輸出，以形成閉環(huán)反饋，并將電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓反饋到放大器級(jí)的輸入，并且方法1000返回到1002以重復(fù)方法1000。在一個(gè)實(shí)施例中，限流器級(jí)可以為反相，以便向放大器級(jí)的輸入提供負(fù)反饋。

在1008，過(guò)載操作模式，放大器級(jí)放大電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓，使得放大器級(jí)的輸出設(shè)置為零伏。在1010，過(guò)載操作模式，限流器級(jí)將電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電流鉗制為指定電流，并返回1002以重復(fù)方法1000。

方法1000可用于自動(dòng)響應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器電路的正常電流條件，并在靜態(tài)工作模式下運(yùn)行，以基于參考電壓和電壓調(diào)節(jié)器電路輸出電壓的閉環(huán)反饋產(chǎn)生輸出電壓。另外，可執(zhí)行方法1000以自動(dòng)響應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器電路的電流過(guò)載條件，并快速將電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電流鉗制為指定電流。一旦過(guò)載條件清除，可執(zhí)行方法1000以在靜態(tài)操作模式下自動(dòng)切換回正常操作。

微軟指出，相對(duì)于缺乏這種自動(dòng)涌入電流限制功能的電壓調(diào)節(jié)器電路，這種電壓調(diào)節(jié)器電路的操作可能更為可靠。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Voltage regulator circuit with current limiter stage

名為“Voltage regulator circuit with current limiter stage”的微軟專利申請(qǐng)最初在2020年9月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。

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