CN100356658C - 提供稳压可变恒流输出的电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路系统，公开了一种提供稳压可变恒流输出的电路系统，使得在芯片大小限制不是很苛刻的场合，例如固定台中，可以降低提供稳压可变恒流输出的电路系统的成本并减小其功耗。本发明中，使用PWM类开关电源芯片，利用其内部的两个误差放大器分别提供电压和电流负反馈实现恒流稳压的输出，同时通过控制信号改变电流负反馈回路的参考电压改变恒流的大小。

Description

提供稳压可变恒流输出的电路系统

技术领域

本发明涉及电路系统，特别涉及和电源提供有关的电路系统。

背景技术

电源是电子和电器设备中一个组成部分，随着电池技术的进步和成本的降低，很多电子和电器设备使用电池作为电源或备用电源。作为可以重复利用的电源，可充电电池得到了较快的发展，可充电电池有多种不同的类型，例如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。其中，锂离子电池具有体积小、重量轻、自放电率低、无记忆效应等优点，得到了广泛的应用。

可充电电池的容量(Capacity，简称“C”)一般以毫安时(mAh)计算，CmAh容量代表该电池的容量相当于以稳定的电流C毫安(mA)在一小时内输出的能量。对可充电电池进行充电时，若该电池的容量为CmAh，一般定义以0.1C～0.2CmA的电流进行充电为慢充，以0.2CmA的电流进行充电为快充，以0.8CmA的电流进行充电为超快速充电，以0.05C～0.1CmA的电流进行充电为涓流充电。以一节1400mAh的可充电电池为例，充电电流在140mA～280mA之间的即为慢速充电。

在无线终端中，出于移动性的目的，可充电电池被广泛使用。例如，在固定台中，可充电电池就经常作为备用电源使用，以使其在无外部电源时维持通话或者待机状态，获得固定电话所没有的优势。固定台是采用无线接入的位置相对固定的终端，适用于火车、轮船、公交车、野外作业等有线电话未能通达的地方，解决有线难于覆盖地区的通话问题，特别适合作为公用电话及集团专用长话线路使用。由于固定台的移动性要求不高，对其体积和重量的限制不像对于移动终端那样苛刻，可以实现较高的接收灵敏度和较大的发射功率，从而可以大大扩展蜂窝网络的有效覆盖范围，扩大移动公司的入网用户量，具有很好的资源利用性。一般来说，为了方便运营商对无线接入固定台功能限制，固定台也可以提供锁机、锁卡、锁小区等功能。例如，可以限制固定台归属于一个基站，只能在该基站覆盖的小区内使用。

对于使用可充电电池的可移动设备来说，能够有效降低功耗，延长电池的使用时间和使用寿命是设计的一个关键。电源管理部分对整个设备的供电进行管理，包括电源转换、开关机控制和充放电管理等。为了配合设备的一些其它设备实现可充电电池的充电，一般除了用于交流直流转换的电源适配器，电源管理的其它部分均在设备内部实现。

合理的充电电路和充电算法可以充分发挥可充电电池的潜力，相对延长其使用寿命。大体上说，对可充电电池的充电方案主要有恒流方式和恒压方式两种。所谓恒流，即以恒定电流对可充电电池进行充电；所谓恒压，即以稳定的电压对可充电电池进行充电。为了延长可充电电池的使用寿命，提高可充电电池的性能，有些类型的可充电电池，需要充电电路能同时提供恒流方式和恒压方式的充电。例如，锂电池在使用不当，例如过充、过放时会造成锂电池的损害或报废，它对于充电电路的要求就比较苛刻，对输出电压和电流的稳定性要求比较高，其充电方式为恒流稳压方式，而且为了延长锂电池的使用寿命，对于耗电超过一定限度、电压过低的锂电池和电池容量已经接近充满的锂电池，还需要采用稳压涓流充电的方式。

需要进行特别地设计，以实现电路的输出电压和电流的恒定，并且恒流值可变。

现有的技术方案利用低压差线性稳压器(Low Drpout VoltageRegulator，简称“LDO”)提供稳压，通过两个不同的电流通道分别提供不同恒流值的电流通道。LDO可以提供较高噪声和波纹抑制比的输出电压，并且可以在印刷电路板(Print Circuit Board，简称“PCB”)上很小的面积内实现，因此比较适合在移动终端等便携式电子或电器产品的充电电路中使用。现有技术方案是业界普遍采用的方法，在大多数厂家的设计指南中对设计充电电路的建议一般均使用现有技术方案。

现有技术方案的在可充电电池的充电电路中使用的提供稳压可变恒流输出的电路系统的示意图如图1所示。

其中，VEXT_DC，VREG_PHONE，VREG_MSMP，CHG_EN和V_BATT均为专用的电源管理芯片的管脚。VEXT_DC为外接的电源适配器至专用电源管理芯片的信号，用以监测外接电源电压；VREG_PHONE为手持设备或固定台的供电电压，用以检测供电电压；VREG_MSMP为专用电源管理芯片的稳压输出；CHG_EN即为通用输入输出(General Purpose Input/Output，简称“GPIO”)端口，是涓流充电方式的控制信号；V_BATT为电池电压至专用电源管理芯片的信号，用以监测电池电压。

图1所示电路中，外接的带限流功能的电源适配器具有稳压输出、恒流输出的能力。当GPIO端口CHG_EN的电压为低时，三极管Q1和金属氧化物半导体(Metal-oxide semiconductor，简称“MOS”)管Q2均打开，外接电源以大电流方式通过MOS管Q2为电池充电；当GPIO端口的电压为高时，三极管Q1和MOS管Q2均关闭，外接电源通过二极管D2为电池进行涓流充电。可以看出，二极管D2的通道使用电阻R3拉低了对电池进行充电的电流，得到恒定的小电流输出，实现涓流充电。

在实际应用中，上述方案存在以下问题：现有技术方案对外接的电源适配器的要求较高，实现成本较高，并且功耗较大。

造成这种情况的主要原因在于，由于LDO对于输入电压的稳定性要求比较高，因此需要使用专用的成本较高的外接电源适配器，并且由于LDO使用场合相对特殊，产量不是很大，其成本也较高，造成了现有技术方案成本较高；此外，由于现有技术方案中不同大小的恒流使用不同的通道，增加了器件的数量，考虑到增加器件都会增加额外的功耗，因此现有技术的电路系统的功耗相对较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提供稳压可变恒流输出的电路系统，使得在芯片大小限制不是很苛刻的场合，例如固定台中，可以降低提供稳压可变恒流输出的电路系统的成本并减小其功耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种提供稳压可变恒流输出的电路系统，包含：

电源生成模块，其中包含脉冲宽度调制类开关电源芯片，用于利用电压负反馈和电流负反馈控制所述脉冲宽度调制类开关电源芯片实现稳压恒流的输出；

电流负反馈参考电压生成模块，用于根据控制信号改变所述电流负反馈的参考电压以控制输出恒流的电流大小。

其中，所述控制信号控制所述电流负反馈参考电压生成模块内三极管或金属氧化物半导体管的导通和截止，改变所述电流负反馈的参考电压。

此外在所述系统中，所述脉冲宽度调制类开关电源芯片包含第一误差放大器和第二误差放大器，分别用于实现电压负反馈和电流负反馈。

此外在所述系统中，所述第一误差放大器的同相输入端的输入信号为所述系统的稳压可变恒流输出点信号，其反相输入端的输入信号为期望输出的电压信号。

此外在所述系统中，还包含输出电压生成模块，所述输出电压生成模块用于使用所述脉冲宽度调制类开关电源芯片输出的基准电压生成期望输出的所述电压信号。

此外在所述系统中，还包含用于在所述第二误差放大器输入端和所述系统的稳压可变恒流输出点之间提供电流负反馈通道的电流负反馈通道模块，所述电流负反馈通道模块分别和所述第二误差放大器的同相输入端、反相输入端以及所述系统的稳压可变恒流输出点连接。

此外在所述系统中，所述电流负反馈的参考电压通过电阻接入所述第二误差放大器的同相输入端。

此外在所述系统中，所述电源生成模块还包含整流滤波模块，所述整流滤波模块用于对以PNP功率管低饱和压降的形式输出的所述脉冲宽度调制类开关电源芯片的信号进行整流滤波生成稳压恒流输出。

此外在所述系统中，所述脉冲宽度调制类开关电源芯片为TL494。

此外，所述系统使用在固定台中，所述系统的稳压可变恒流输出用于对所述固定台的电池进行充电。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的主要区别在于，使用大批量生产的PWM类开关电源芯片，利用其内部的两个误差放大器分别提供电压和电流负反馈实现恒流稳压的输出，同时通过控制信号改变电流负反馈回路的参考电压改变恒流的大小。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即由于PWM类开关电源芯片的产量极大，因此成本非常低，所以本发明方案可以大大降低电路的成本；第二，本发明方案通过控制信号改变电流负反馈回路的参考电压以改变恒流的大小，不必使用两个独立的电流通道，因此可以减小系统的功耗；第三，电流通道的减少也节省了包括二极管在内的一些器件，进一步降低了系统实现的成本，从而使得产品更具有竞争力。

附图说明

图1是现有技术方案的在可充电电池的充电电路中使用的提供稳压可变恒流输出的电路系统的示意图；

图2是晶体管开关变换电路的基本原理示意图；

图3是电压负反馈的原理示意图；

图4是电流负反馈的原理示意图；

图5是根据本发明第一较佳实施方式的提供稳压可变恒流输出的电路系统组成示意图；

图6是根据本发明第一较佳实施方式的电流负反馈参考电压生成模块内部的组成。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

在一些需要恒流稳压输出的场合，对于器件的体积并没有要求，不必使用占用PCB面积较小的LDO实现。本发明使用成本较低但占用PCB面积稍大的脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称“PWM”)类的开关电源芯片，利用芯片自带的两个误差放大器分别实现电流和电压的负反馈以获得恒流稳压的输出，本发明不需要使用不同的电流通道获取不同的恒流输出，而是通过一个使能信号改变实现电流负反馈的误差放大器的输入参考电压，从而改变恒流输出的电流大小。其中，误差放大器是用于将输出和标准输入进行比较的以产生误差控制信号的功率放大器。由于PWM类的开关电源芯片产量很大，成本很低，因此本发明方案可以大大降低成本，此外由于本发明方案减少了电流通道，节省了电流通路上的二极管等器件，因此可以明显降低功耗并进一步节约成本。

为了更好地理解本发明方案，首先简要介绍一下PWM，电压负反馈稳压和电流负反馈稳流的原理。

PWM是开关电源设计中最成熟的技术，它是一种功率控制方式，它利用不同占空比的脉冲具有不同的直流分量的原理，当负载发生变化时，通过调整占空比来达到稳定输出电压的目的，因为驱动脉冲有稳定的频率，与负载特性无关，所以脉宽调制易于实现，因而应用广泛。

常用的晶体管开关变换电路即为PWM中广泛使用的电路，其基本原理如图2所示。其中，Ton是晶体管Q的导通时间，在导通时间内，电感L内的电流逐渐增加，当导通结束后，进入晶体管Q的关闭时间Toff，此时电感L中电流达到最大值，由于为电感中的电流不能突变，二极管D充当续流元件使电感L中继续有电流通过直至进入晶体管Q的导通时间，此时L中的电流达到最小值，然后进入新的周期。可以理解，Ton的时间越长，相对输出的直流电压就越大。Vf是采样反馈电压，该电压可以通过比较放大器控制晶体管Q的导通时间Ton，所以通过控制脉宽就可以达到稳定输出电压的目的。

例如，TL494芯片就是一种频率可以任意设置的PWM类的开关电源芯片。其中，TL494芯片包含基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其中，1、2脚是第一误差放大器的同相和反相输入端；3脚是用于相位校正和增益控制的反馈输入端；4脚为间歇期调理，在其上加0～3.3伏特(V)电压时可使截止时间从2％线性变化到100％；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。TL494的震荡频率由5、6脚外接的Ct和Rt确定，f≈1.1/Rt*Ct；振荡器产生的锯齿形振荡波送到PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间Ton，达到调节、稳定输出电压的目的。为了提高整个电路的稳定性，TL494内部的两个误差放大器，使用时第一误差放大器、第二误差放大器和3脚的反馈输入端应该接电阻电容(RC)网络。

电压负反馈的原理如图3所示。根据运算放大器的特点可以计算得出 $\mathrm{Vo}3=\frac{R32}{R31+R32}\×\mathrm{Vref}3,$ 这样，即使输出负载变化，仍然可以利用稳定的Vref3获取稳定的Vo3输出。

电流负反馈的原理如图4所示。根据运算放大器的特点可以得出 $I4=\frac{\frac{\frac{\mathrm{Vo}4-\mathrm{Vref}4}{R41+R42}\×R41+\mathrm{Vref}4}{R44}\×(R43+R44)-\mathrm{Vo}4}{R45}+\frac{\mathrm{Vref}4-\mathrm{Vo}4}{R41+R42}.$ 若令R41＝R44，R42＝R43，则有 $I4=\frac{R42}{R41\×R45}\×\mathrm{Vref}4.$

下面结合本发明的较佳实施例来说明本发明方案。

根据本发明第一较佳实施例的提供稳压可变恒流输出的电路系统组成如图5所示。

提供稳压可变恒流输出的电路系统主要由以下模块组成：具有至少两个误差放大器的PWM类开关电源芯片10，死区电压生成模块20，电流负反馈参考电压生成模块30，输出电压生成模块40，相位校正增益控制模块50，电流负反馈通道模块60和整流滤波模块70。在本发明第一较佳实施例中，PWM类开关电源芯片10采用TL494芯片。

其中，PWM类开关电源芯片10具有至少两个误差放大器，可以提供稳定的参考电压，并根据其内部第一误差放大器和第二误差放大器的控制提供PWM电源并采用PNP功率管低饱和压降的形式输出到整流滤波模块70。在本发明第一较佳实施例中，TL494芯片的电源输入可以具有很大的动态范围，经过其内部电路的转换可以通过14脚提供稳定的5V参考电压。

死区电压生成模块20用于利用PWM类开关电源芯片10的参考电压，生成输入PWM类开关电源芯片10的死区电压控制管脚的控制信号。经验证脉宽是整个周期的50％时效果最好，经计算，在本发明第一较佳实施例中，死区电压生成模块输出到死区电压控制管脚的输入电压为1.14V。

电流负反馈参考电压生成模块30用于根据控制信号CHG_EN生成大小不同的电流负反馈电路的参考电压，该参考电压通过电阻R54连接到PWM类开关电源芯片10内第二误差放大器的反相输入端。其中，控制信号CHG_EN用于控制恒流输出的大小，在本发明第一较佳实施例中，电流负反馈参考电压生成模块30根据输入的CHG_EN信号的不同改变电流负反馈电路中的参考电压，即相当于改变图4中的Vref4，本领域的技术人员理解，改变电流负反馈电路的参考电压即可以线性改变其输出电流的大小。在本发明第二较佳实施例中，电流负反馈参考电压生成模块30使用CHG_EN控制MOS管或三极管导通或截止从而改变输出的参考电压，其电路原理图如图6所示。当CHG_EN为低时，Q6为高阻抗，与3.09K的电阻分压后的Vo6通过电阻R54接入第二误差放大器反相输入端的电压约为4.44V；当CHG_EN为高时，Q6导通，将Vo6处电压拉至约0.45V，通过电阻R54接入第二误差放大器反相输入端的电压约为0.7V。

输出电压生成模块40用于利用PWM类开关电源芯片10的参考电压，生成输出电压并将该电压输入第一误差放大器的反相输入端。根据如图3所示的电压负反馈的原理，输出电压约等于反相输入端的电压，因此使用PWM类开关电源芯片10输出的稳定的参考电压，生成期望电压控制第一误差放大器的反相输入端电压即可以达到稳定输出电压的目的。其中，在本发明第一较佳实施例中，将PWM类开关电源芯片10输出的稳定的参考电压通过简单的电阻分压即可获取期望的电压，将该电压输入实现电压负反馈的第一误差放大器的反相输入端即可在输出得到和该电压近似的稳定的输出电压。

相位校正增益控制模块50用于根据第一误差放大器反相输入端的输入信号生成用于相位校正和增益控制的信号并输入到PWM类开关电源芯片10相应的管脚。其中，相位校正增益控制模块50用于提高系统的稳定性，本领域的普通技术人员可以理解，该模块可以通过简单的RC网络实现。

电流负反馈通道模块60用于在恒流稳压输出点和第二误差放大器的输入端之间提供电流负反馈的通道。本领域的普通技术人员理解，电流负反馈通道模块60可以通过简单的电阻网络实现，通过合理设计电流负反馈电路可以实现满足恒流输出要求的电流输出，其实现原理可以参照图4，在此不详细说明。

整流滤波模块70用于对PWM类开关电源芯片10的经PNP功率管低饱和压降形式输出的信号进行整流滤波，并将整流滤波后的信号通过二极管D5输出到恒流稳压输出点。恒流稳压输出点的输出可以作为电源连接到电池80或其它器件上。其中，整流滤波模块70可以参考图2所示常用的晶体管开关变换电路实现。

另外，需要说明的是，为了实现电压负反馈，还将恒流稳压输出点的信号输入第一误差放大器的同相输入端。

电池80连接在恒流稳压输出点和接地点之间，利用恒流稳压输出点的输出进行充电。在本发明第一较佳实施例中，电池80为锂离子电池。

外接电源提供模块90用于将外接电源转换为PWM类开关电源芯片10使用的输入电源并提供给PWM类开关电源芯片10。在本发明第一较佳实施例中，由于TL494芯片的输入电压动态范围很大，对于外接电源提供模块90的输出电压稳定性要求不是很高，因此不必使用专用的电源适配器。

熟悉本领域的技术人员可以理解，本发明的核心即在于利用了PWM类开关电源芯片10内的两个误差放大器分别实现电压负反馈和电流负反馈从而提供恒流稳压输出，同时为了能够改变恒流输出的大小，还利用电流负反馈参考电压生成模块30根据控制信号CHG_EN改变电流负反馈回路的参考电压从而改变恒流输出的大小。可以在此原理上对本发明的具体实现进行一些变化，并不偏离本发明的实质。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，包含使用脉冲宽度调制类开关电源芯片控制输出电压和电流大小的电源生成模块和电流负反馈参考电压生成模块，其中，

所述电源生成模块用于利用电压负反馈和电流负反馈控制所述脉冲宽度调制类开关电源芯片实现稳压恒流的输出；

所述电流负反馈参考电压生成模块用于根据控制信号改变电流负反馈的参考电压控制输出恒流的电流大小。

2.根据权利要求1所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述控制信号控制所述电流负反馈参考电压生成模块内三极管或金属氧化物半导体管的导通和截止，改变所述电流负反馈的参考电压。

3.根据权利要求1所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述脉冲宽度调制类开关电源芯片包含第一误差放大器和第二误差放大器，分别用于实现电压负反馈和电流负反馈。

4.根据权利要求3所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述第一误差放大器的同相输入端的输入信号为所述系统的稳压可变恒流输出点信号，其反相输入端的输入信号为期望输出的电压信号。

5.根据权利要求4所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，还包含输出电压生成模块，所述输出电压生成模块用于使用所述脉冲宽度调制类开关电源芯片输出的基准电压生成期望输出的所述电压信号。

6.根据权利要求3所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，还包含用于在所述第二误差放大器输入端和所述系统的稳压可变恒流输出点之间提供电流负反馈通道的电流负反馈通道模块，所述电流负反馈通道模块分别和所述第二误差放大器的同相输入端、反相输入端以及所述系统的稳压可变恒流输出点连接。

7.根据权利要求3所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述电流负反馈的参考电压通过电阻接入所述第二误差放大器的同相输入端。

8.根据权利要求1所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述电源生成模块还包含整流滤波模块，所述整流滤波模块用于对以PNP功率管低饱和压降的形式输出的所述脉冲宽度调制类开关电源芯片的信号进行整流滤波生成稳压恒流输出。

9.根据权利要求1所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述脉冲宽度调制类开关电源芯片为TL494。

10.根据权利要求1所述的提供稳压可变恒流输出的电路系统，其特征在于，所述系统使用在固定台中，所述系统的稳压可变恒流输出用于对所述固定台的电池进行充电。

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