微软专利介绍：为HoloLens设计可靠的电压调节器
电压调节器
（映维网Nweon 2022年03月31日）电子设备一般包含对输出电压进行自动调节的电压调节器。在名为“Voltage regulator circuit with current limiter stage”的专利申请中，微软介绍了一种可以用于HoloLens等混合现实头显的电压调节器。具体来说，专利描述了包括放大器级，以及电联接到放大器级输出的限流器级的电压调节器电路。
其中，放大器级配置为基于参考电压和来自输出电压的反馈输出直流电压。限流器级配置为以静态模式和过载模式工作。对于静态模式，限流器级配置为作为缓冲级工作，并形成放大器级输入的闭合反馈回路。对于过载模式，电流限制器级配置为将输出电流钳制为指定电流的电流源。过载模式可基于电压调节器电路的输出电流大于指定阈值电流而触发。作为一个示例，基于电压调节器电路的输出节点对地短路，可以触发过载模式。当触发过载模式下操作的电流过载条件得到缓解时，电压调节器电路配置为返回正常操作，其中限流器级以静态模式操作。
对于微软提出的发明，示例限流器级可在芯片实现，无需使用外部片外电气元件或数字信号处理。与依赖于集成电路的数字信号处理块来检测电流过载条件的配置相比，这种配置允许限流器级更快地检测电压调节器电路的电流过载条件，并且可以更快地将电压调节器电路切换回静态操作模式的正常操作。另外，由于限流器级是在晶体管级芯片实现，所以电压调节器电路的物理占地面积可能小于采用分立片外电气元件的电压调节器电路。
图3A和3B示意性地示出了电压调节器电路的系统框图。电压调节器电路包括放大器级300和限流器级302。放大器级300包括负输入304、正输入306和输出308。负输入304配置为接收参考电压310。在一个示例中，参考电压设置为电压调节器电路204的直流电源电压。正输入306配置为经由反馈回路314接收电压调节器电路204的输出电压312的反馈。放大器级300配置为基于基准电压310和来自电压调节器电路204的输出电压312的反馈输出DC电压316。在所示的示例中，放大器级300配置为差分放大器级，其放大输出电压312的反馈和参考电压310之间的差，使得从放大器级300输出的DC电压316设置为参考电压310。
如图3A所示，对于静态工作模式，限流器级302配置为缓冲级320，并形成闭环314，以将电压调节器电路204的输出电压312反馈回放大器级300的正输入306。在所示的示例中，缓冲级320配置为单位增益缓冲器操作。
基于输出电流318大于电压调节器电路204的阈值电流，电压调节器电路204可以配置为从静态工作模式切换到过载工作模式。电压调节器电路204的阈值电流可以设置为任何合适的阈值电流。在一个示例中，可以基于放大器级300的工作特性来设置阈值电流。可根据各种操作条件触发从静态操作模式到过载操作模式的切换。作为一个示例，响应于电压调节器电路204的输出节点324处的短路，电压调节器电路204可以从静态工作模式操作切换到过载工作模式的操作。
如图3B所示，对于过载操作模式，基于反馈到放大器级300的输入306的输出电流318大于阈值电流，放大器级300将DC电压316钳制为零伏。当限流器级302在放大器级300的输出308处检测到零电压时，限流器级302配置为从静态工作模式操作切换到过载工作模式操作。在过载操作模式操作中，电流限制器级302配置为充当电流源322，并将电压调节器电路204的输出电流318钳制为指定电流。作为电流源322的限流器级302可以将指定电流设置为保护电压调节器电路204不退化的任何适当电流。
另外，基于输出电流318小于电压调节器电路204的阈值电流，电压调节器电路204可以配置为从过载工作模式切换到静态工作模式。换句话说，当过载电流移除时，电压调节器电路204可配置为在静态阶段自动返回到正常操作。
一旦过载条件通过输出电流变得小于放大器级300的阈值工作电流，限流器级302可以配置成清除，电压调节器电路204在静态工作模式中自动切换回工作状态，限流器级302充当缓冲级322，缓冲级322形成闭合负反馈回路314，负反馈回路314将电压调节器电路204的输出电压312反馈回放大器级300的输入306。
图10示出了操作电压调节器电路的示例方法1000。
在1002，电压调节器电路的放大器级响应于电压调节器电路的输出电流是否大于阈值电流。如果输出电流大于阈值电流，则电压调节器电路在过载工作模式下工作，并且方法1000移动到1008。否则，电压调节器电路在静态操作模式下工作，并且方法1000移动到1004。
在1004，静态操作模式，放大器级通过反馈回路放大电压调节器电路的输出电压，使得放大器级的输出设置为参考电压。在1006，静态操作模式，限流器级缓冲放大器级的输出，以形成闭环反馈，并将电压调节器电路的输出电压反馈到放大器级的输入，并且方法1000返回到1002以重复方法1000。在一个实施例中，限流器级可以为反相，以便向放大器级的输入提供负反馈。
在1008，过载操作模式，放大器级放大电压调节器电路的输出电压，使得放大器级的输出设置为零伏。在1010，过载操作模式，限流器级将电压调节器电路的输出电流钳制为指定电流，并返回1002以重复方法1000。
方法1000可用于自动响应电压调节器电路的正常电流条件，并在静态工作模式下运行，以基于参考电压和电压调节器电路输出电压的闭环反馈产生输出电压。另外，可执行方法1000以自动响应电压调节器电路的电流过载条件，并快速将电压调节器电路的输出电流钳制为指定电流。一旦过载条件清除，可执行方法1000以在静态操作模式下自动切换回正常操作。
微软指出，相对于缺乏这种自动涌入电流限制功能的电压调节器电路，这种电压调节器电路的操作可能更为可靠。
相关专利：Microsoft Patent | Voltage regulator circuit with current limiter stage
名为“Voltage regulator circuit with current limiter stage”的微软专利申请最初在2020年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
