CN101378228A

CN101378228A - 一种电源转换控制装置及电源电路

Info

Publication number: CN101378228A
Application number: CNA2007100767263A
Authority: CN
Inventors: 赵一飞; 屈擘
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101378228B

Abstract

本发明适用于集成电路领域，提供了一种电源转换控制装置及电源电路，所述装置与DC－DC电路连接，检测所述DC－DC电路的电流大小，并根据检测结果控制所述DC－DC电路进行升压或降压转化；所述装置包括：第一电流检测单元，第二电流检测单元，脉宽调制控制逻辑模块以及开关控制模块。本发明中，开关控制模块根据所述脉宽调制控制逻辑模块产生的升压脉宽调制信号或降压脉宽调制信号控制相应的功率开关器件导通或关断，进而可以控制DC－DC电路进行升压或降压双向转化。

Description

一种电源转换控制装置及电源电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种电源转换控制装置及电源电路。

背景技术

当前，越来越多的便携式产品采用可充电电源供电，为了使用户的使用更加便捷，可充电电源需要能兼容多种充电方式以适应不同输入电压下的充电，如AC-DC适配器充电，通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)充电，甚至电池间的相互充电等。这就要求电源电路对电源电量的释放(放电)和充电有良好的管理功能，以实现高效率的电量转化以及稳定、安全可靠的电压输出，同时兼顾到便携式产品体积小的因素，电源电路都尽量使用较少的外围元器件，也有利于降低电源的整体成本。

现有的针对上述应用的电源管理集成电路产品都是分别使用独立的电量释放转换装置和充电转换装置，并各自使用独立的外围器件，一般情况下，为延长电源寿命，大多使用高效率的DC-DC作为电量释放转换模块来稳压，充电转换装置则针对充电电流的大小使用DC-DC或低压差线性稳压器(LowDrop-Out regulator，LDO)等能量转化模块，考虑到发热问题，需要较大充电电流的情况下大多也使用DC-DC。这样电源电路当中就需要有集成在同一个集成电路中或独立封装的两套DC-DC控制电路，以及相互独立的两组DC-DC外围器件，每组外围器件至少包括一个电感，一个开关器件(绝缘栅型场效应管或三极管)，再加上一个二极管或者开关器件，以及一个或多个电容器，有时也会用到少量的电阻，其中的开关器件也可能内置在其集成电路当中。

总之，现有的电源电路结构复杂，成本较高，同时较多的外围器件也不利于进一步简化电源和便携式产品的体积。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电源转换控制装置，旨在解决现有的电源转换装置只能控制DC-DC电路单向转换，以致电路结构复杂成本较高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种电源转换控制装置，所述装置与DC-DC电路连接，检测所述DC-DC电路的电流大小，并根据检测结果控制所述DC-DC电路进行升压或降压转化；

所述装置包括：

第一电流检测单元，其与所述DC-DC电路的第一功率开关器件电连接，检测通过所述第一功率开关器件的电流；

第二电流检测单元，其与所述DC-DC电路的第二功率开关器件电连接，在所述第一电流检测单元无检测信号时，检测通过所述第二功率开关器件的电流；

脉宽调制控制逻辑模块，其输入端与所述第一电流检测单元和第二电流检测单元电连接，根据所述第一电流检测单元或第二电流检测单元的检测结果产生升压脉宽调制信号或降压脉宽调制信号；以及

开关控制模块，其输入端与所述脉宽调制控制逻辑模块输出端电连接，输出端与所述第一功率开关器件和第二功率开关器件电连接，根据所述脉宽调制控制逻辑模块产生的升压脉宽调制信号或降压脉宽调制信号控制相应的功率开关器件导通或关断。

本发明实施例的另一目的在于提供一种电源电路，包括DC-DC电路，所述电源电路还包括一电源转换控制装置，用于检测所述DC-DC电路的电流大小并根据检测结果控制电路进行升压或降压转化；

所述电源转换控制装置包括：

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的双向DC-DC在两个功率开关器件上分别作了电流的检测，并在电路内部对这两个电流检测信号针对不同工作状态作出不同的运算处理，分别产生独立的PWM信号，根据升压或降压的工作状态选择其中的一路作为有效信号，从而在不同工作状态下实现各自所需的PWM开关控制，这样就可以仅用一组外围元件在两个能量转化方向上分别实现升压和降压的功能。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的功率开关管外置的DC-DC电源转换控制装置的原理框图；

图2是本发明第二实施例提供的功率开关管内置的DC-DC电源转换控制装置的原理框图；

图3是本发明第一实施例提供的外置功率开关管型双向DC-DC的电源电路图；

图4是本发明二实施例提供的内置功率开关管型双向DC-DC的电源电路图；

图5是本发明第一、第二实施例提供的实现升压/降压功能的原理图；

图6是本发明第一实施例提供的串联检流电阻的降压状态下电感上升电流检测电路图；

图7是本发明第一实施例提供的通过检测Pmos内阻上压降的降压状态下电感上升电流检测电路图；

图8是本发明第一实施例提供的串联检流电阻的升压状态下电感上升电流检测电路图；

图9是本发明第一实施例提供的通过检测Nmos内阻上压降的升压状态下电感上升电流检测电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的电源电路仅用一组外围元器件实现双向电能的转化，即升压或降压转化，电源转换控制装置对功率开关管进行电流检测，并且在不同的工作状态下针对检测结果作出不同的运算处理，分别用于升压和降压的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制，进而在外接电压偏高或偏低时也可实现可充电电源的充放电管理。

图1为本发明第一实施例提供的功率开关管外置的DC-DC电源转换控制装置的原理框图，为了便于描述，其中仅示出了与本发明实施例相关的电路模块与连接端口。如图1所示，RUN为该电源转换控制装置的驱动信号输入端，驱动信号经过使能逻辑模块处理后进一步驱动脉宽调制控制逻辑模块和开关控制模块；SEL为电能转化方向选择端口，在本发明实施例中，当SEL端口输入高电平时，电能由低向高做升压转化，当SEL端口输入低电平时，电能由高向低做降压转化，脉宽调制控制逻辑模块根据SEL端口输入信号的不同向开关控制模块输出不同的PWM控制信号；GND为该电源转换控制装置的零电位端。

V1+为较高电压V1的正输入/输出端口；FB1为较高输入/输出电压V1的电压反馈输入端，V1经过电阻分压后反馈至此端，因此可通过改变分压电阻的比例来设定V1稳定后的电压值；I_Sense1为检测电流输入端口，根据不同应用情况连接外围器件中的电流采样电阻或P型金属氧化物场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)的漏极；P_Drv为外围器件中P型MOS管的驱动信号输出端；N_Drv为外围器件中N型MOS管的驱动信号输出端；V2+为较低电压V2的正输入/输出端口；FB2为较高输入/输出电压V2的电压反馈输入端，V2经过电阻分压后反馈至此端，因此可通过改变分压电阻的比例来设定V2稳定后的电压值；I_Sense2为检测电流输入端口，与电流采样电阻或NMOS管漏极连接，用于检测N型MOS管的电流大小；PGND为功率开关管的地电位端；一般来说与GND端直接连通，或者中间串连一个N型MOS管等功率开关器件用作限流保护，本发明实施例中，N型MOS管通过电流采样电阻连接至此端口。

图1所示的电源转换控制装置中，误差放大器1、电流设定模块1、电流放大器1、电流比较器1组成了第一电流检测单元，误差放大器2、电流设定模块2、电流放大器2、电流比较器2组成了第二电流检测单元，脉宽调制控制逻辑单元根据两个电流检测单元的检测结果，输出相应的脉宽调制信号，触发开关控制模块控制相应MOS管的导通或关断。

图2为本发明第二实施例提供的功率开关管内置的DC-DC电源转换控制装置的原理框图，其中SW为外围器件中电感的连接端口，其余端口与外围器件的连接关系以及内部单元模块组成结构均与第一实施例中的相同，不再赘述。

以下分别就第一、第二实施例提供的电源转换控制装置与外围器件连接后组成的电源电路对实现升压/降压的过程加以详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的外置功率开关管型双向DC-DC的电源电路，本发明实施例中，功率开关管为MOS管。如图3所示，电源转换控制装置10的V1+端与PGND端连接有电容器C1，同时V1+端与PGND端还连接有由电阻R1、R2串联组成的分压电路和由PMOS管、NMOS管、采样电阻R_I_Sense2串联组成的电流采样电流；P_Drv与PMOS管的栅极连接，输出驱动信号控制PMOS管的导通与关断；I_Sense1端口与PMOS管的源极连接，检测通过PMOS管的电流的大小，PMOS管的源极则连接至V1+端；电压V1的反馈输入端FB1与电阻R1、R2串联处连接；N_Drv与NMOS管的栅极连接，输出驱动信号控制NMOS管的导通与关断；I_Sense2端口连接至NMOS管的漏极与采样电阻R_I_Sense2的串联处，R_I_Sense2的另一端则与PGND相连接；PMOS管漏极与NMOS管源极串联处还连接有储能元件，本发明实施例中储能元件为电感L，电感L的另一端依次通过电阻R3、R4后连接至GND端；V2+与GND端之间连接有分压电阻R3、R4，电阻R3、R4串联处连接至电压V2的反馈输入端FB2，电阻R3、R4的另一端分别与V2+和GND端口相连。

当供电电源(电池)电压低于充电输入电压，设备用电电压高于电源电压时，结合图1及图3，将较低电压正输入/输出端口V2+连接供电电源正极，即在图3中所示的电容器C2两端并联供电电源，将较高电压正输入/输出端口V1+与用电设备正输入端和正充电端口，供电电源负极和用电设备负极输入端，以及充电端口负极可以统一连接到电源转换控制装置10的PGND端或GND端，也可以将电池负极连接到GND端，用电设备负极输入端和充电端口负极连接到PGND端，并在GND端和PGND端之间串联一个功率开关器件作为过流或短路等异常情况下的保护。在正常工作模式下，驱动信号发生器IC_Enable为电源转换控制装置10的RUN端口提供驱动信号，该驱动信号经过使能逻辑模块处理后进一步触发脉宽调制控制逻辑模块和开关控制模块开始工作，同时振荡器为脉宽调制控制逻辑模块提供时钟信号，SEL端口输入高电平信号，脉宽调制逻辑模块产生升压脉宽调制信号，开关控制模块通过其N_Drv端口控制NMOS管导通，PMOS管关断，此时，供电电源、电感L、NMOS管、采样电阻R_I_Sense2、分压电阻R3、R4、GND端口组成回路，每次时钟周期开始时供电电源对电感L充电，电感电流不断上升，I_Sense2端口检测通过NMOS管的电流，与PGND地电位信号分别输入至电流放大器2的两个输入端，本发明实施例中，为防止在电流峰值时出现振荡问题，电流放大器2的输出端电流与斜坡补偿模块提供的电流叠加后共同作为电流比较器2的第一输入电流，如图1所示，电流比较器2的第二输入电流由电流设定模块2的输出电流提供，电流设定模块2的输入电流则分别为端口V1+提供的电压V1、端口V2+提供的电压V2以及电压V2的反馈端口FB2的反馈电压与基准电压Vref2经过误差放大器2处理后的输出电流，其中同时对电压V1、V2加以限制是为保证V1、V2的落差在一定的范围内。另外，该斜坡补充模块的时钟信号同样由振荡器提供。

当电感电流增大至某一设定值时，第二电流检测单元中的电流比较器2根据其输入端电流的变化直接触发脉宽调制逻辑模块产生降压脉宽调制信号，进而由开关控制模块控制NMOS管关断，PMOS管导通，此时，供电电源与电感L储存的电能叠加，通过PMOS管放电，向用电设备输出所需电压，当电感电流变化至某一设定值时，第一电流检测单元中的电流比较器1根据其输入端电流的变化触发脉宽调制逻辑模块再次产生升压压脉宽调制信号，进而由开关控制模块控制NMOS管导通，PMOS管关断，电感L再次被充电，随着时钟重复，电感L不断充电放电，反复循环，则“误差放大器→电流比较器→开关管→输出电压→误差放大器”的闭环反馈系统使输出电压趋于稳定，升压状态下电路运行稳定后，各电压值存在有以下关系：

FB 1 = \frac{R 2}{R 1 + R 2} V 1,

FB1＝Vref1，

V 1 = \frac{R 1 + R 2}{R 2} Vref 1,

因此可以通过设置R1、R2的比例使升压输出稳定值为用电设备所需的电压。

当供电电源(电池)电压高于充电输入电压，并且高于电源电压时，将较高电压正输入/输出端口V1+连接供电电源正极，即在图3中所示的电容器C1两端并联供电电源，将较低电压正输入/输出端口V2+与用电设备正输入端和正充电端口，供电电源负极和用电设备负极输入端，以及充电端口负极可以统一连接到电源转换控制装置10的PGND端或GND端，同样的，也可以将电池负极连接到GND端，用电设备负极输入端和充电端口负极连接到PGND端，并在GND端和PGND端之间串联一个功率开关器件作为过流或短路等异常情况下的保护。在正常工作模式下，脉宽调制逻辑模块产生降压脉宽调制信号，开关控制模块控制PMOS管导通，NMOS管关断，此时，供电电源通过PMOS管对电感L进行充电。端口V1+提供的信号与I_Sense1端口的检测电流输入至电流放大器1，本发明实施例中，在I_Sense1端口与电流放大器1的输入端之间通过PMOS管连接，此PMOS管与外围器件中的PMOS管的导通与关断同步。电流放大器1的输出端电流与斜坡补偿模块提供的电流叠加后共同作为电流比较器1的第一输入电流，电流比较器1的第二输入电流由电流设定模块1的输出电流提供，电流设定模块1的输入电流则为电压V1的反馈端口FB1与基准电压Vref1经过误差放大器1处理后的输出电流。

当通过PMOS管的电流增大至某一设定值时，电流比较器1根据输入端电流的变化直接触发脉宽调制逻辑模块产生升压脉宽调制信号，进而由开关控制模块控制PMOS管关断，NMOS管导通，此时相当于将供电电源断开，只由电感L储存的电能向用电设备供电，同样地，电感L不断充电放电，降压状态下电路运行稳定后，各电压值存在有以下关系：

FB 2 = \frac{R 4}{R 3 + R 4} V 2,

FB2＝Vref2，

V 2 = \frac{R 3 + R 4}{R 4} Vref 2,

因此可以通过设置R3、R4的比例使降压输出稳定值为用电设备所需的电压。

如上所述的连接应用，双向升压/降压DC-DC可以保证在供电电源不相匹配的情况下，通过PWM信号调节，向用电设备输出合适的电压，也可以在可充电电源充电过程中实现升压/降压转换，这样就可以解决由于充电电压过低而出现的可充电电源不能充满的问题或者因为充电电电压过高而损伤可充电电源甚至出现安全性问题。

图4为本发明第二实施例提供的内置功率开关管型双向DC-DC的电源电路，同样地，功率开关管为MOS管。其中，电源转换控制装置20的SW端与电感L连接，其余各端口与外围器件地连接关系同图3中地相应端口地的连接方式相同，不再赘述。结合图2及图4，内置MOS管的方案则采用并联MOS管并检测较小宽长比MOS管通道上的电流，图4中两个PMOS管的漏极连接电感端口SW，长宽比较小的PMOS管的源极通过电阻后连接值端口V1+，而较大宽长比的PMOS管的源极直接连接至端口V1+，两个PMOS管的栅极均连接至开关控制模块，由开关控制模块控制他们的导通与关断，其中，端口V1+与长宽比较小的PMOS管源极分别连接至电流放大器1的两个输入端。同样地，NMOS管上的电流检测也采用这种方式，两个NMOS管的源极均连接至端口SW，较小宽长比的NMOS管漏极通过电阻后连接至PGND端，较大宽长比的NMOS管的漏极则直接与PGND端连接，两个NMOS管的栅极均连接至开关控制模块，由开关控制模块控制他们的导通与关断，其中，较小宽长比的NMOS管的漏极与PGND端还分别连接至电流放大器2的两个输入端。整个电路通过Direction_select选择是工作在升压状态还是降压状态。

当电流工作在升压状态时，脉宽调制逻辑模块产生升压脉宽调制信号，开关控制模块控制两个NMOS管导通，PMOS管均关断，电感L开始储能，当电感L的电流上升至某一设定值时，脉宽调制逻辑模块产生降压脉宽调制信号，开关控制模块控制两个PMOS管导通，NMOS管均关断，供电电源与电感L储存的电能叠加，通过较大宽长比的PMOS管放电，向用电设备输出所需电压，电路运行稳定后个电压值之间的关系与第一实施例中描述的相同，不再赘述。当电流工作在降压状态时，脉宽调制逻辑模块产生降压脉宽调制信号，开关控制模块控制两个PMOS管导通，NMOS管均关断，电感L开始储能，当电感L的电流上升至某一设定值时，脉宽调制逻辑模块产生升压脉宽调制信号，开关控制模块控制两个NMOS管导通，PMOS管均关断，电感L利用存储的电能通过NMOS管放电，向用电设备输出所需电压，电路运行稳定后个电压值之间的关系与第一实施例中描述的相同，不再赘述。

图5示出了本发明第一、第二实施例实现升压/降压功能原理图，通过对两路PWM信号的逻辑组合，即升压脉宽调制信号与降压脉宽调制信号，根据升压或降压的工作状态选择其中的一路作为有效信号，在两种工作状态下实现各自所需的PWM开关控制，驱动相应的PMOS管或NMOS管，这样就可以仅用一组外围元件在两个能量转化方向上分别实现升压和降压的功能。

图6至图9示出了本发明第一实施例提供的功率开关管外置的DC-DC电流检测的多种实现方式，根据占空比和开关频率的不同，可以选取使用串联电阻检测电阻上压降或检测MOS管内阻上压降的方式来产生这一体现相应电流大小的电压信号。其中，图6为串联检流电阻的降压状态下电感上升电流检测电路，检测电流输入端口I_Sense1和PMOS管的源极与电阻R串联处相连接，电阻R的另一端与端口V1+连接；图7为通过检测Pmos内阻上压降的降压状态下电感上升电流检测电路，PMOS管的漏极直接与检测电流输入端口I_Sense1连接，源极则直接连接至端口V1+；图8为串联检流电阻的升压状态下电感上升电流检测电路，检测电流输入端口I_Sense2和NMOS管的漏极与电阻R串联处相连接，电阻R的另一端接地；图9为通过检测Nmos内阻上压降的升压状态下电感上升电流检测电路，NMOS管的源极直接与检测电流输入端口I_Sense1连接，漏极则直接接地。

对于外置功率开关管的双向DC-DC，在实际的应用当中可以根据实际的应用需求从图6、图7中挑选一种方式作为降压状态下的电流检测，并从图8和图9当中挑选一种方式作为升压状态下的电流检测方式，例如图3中的检测方式即为图7和图8的组合。一般来说每周期内导通时间较短(低于1us)的情况推荐选用串联检流电阻的方式，每周期内导通时间较长的情况下才允许使用检测MOS管内阻上压降的方式，否则可能会导致较大的误差。

综上所述，本发明实施例提供的双向DC-DC在一组PMOS和NMOS两个开关上分别作了电流的检测，并在电路内部对这两个电流检测信号针对不同工作状态作出不同的运算处理，分别产生独立的PWM信号，通过对两路PWM信号的逻辑组合，根据升压或降压的工作状态选择其中的一路作为有效信号，在两种工作状态下实现各自所需的PWM开关控制，这样就可以仅用一组外围元件在两个能量转化方向上分别实现升压和降压的功能，从而允许电源有更小的外围布局，同时也有利于降低成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种电源转换控制装置，其特征在于，所述装置与一DC-DC电路连接，检测所述DC-DC电路的电流大小，并根据检测结果控制所述DC-DC电路进行升压或降压转化；

所述装置包括:

2、如权利要求1所述的电源转换控制装置，其特征在于，所述第一电流检测单元进一步包括:

第一电流放大器，其第一输入端与外部供电电源正极或用电设备正输入端、充电端口正极电连接，第二输入端与所述第一功率开关器件电连接；

第一误差放大器，其第一输入端通过所述DC-DC电路的分压电阻与第一电压正输入/输出端电连接，所述第一电压为外部供电电源电压或用电设备输入电压、充电器输入电压，第二输入端接所述电源转换控制装置的内部基准电压；

第一电流设定模块，其输入端与所述第一误差放大器的输出端电连接；以及

第一电流比较器，其第一输入端与所述第一电流设定模块的输出端电连接，其第二输入端连接所述第一电流放大器的输出电流经过补偿后的电流输出端，其输出端与所述脉宽调制控制逻辑模块的输入端电连接。

3、如权利要求2所述的电源转换控制装置，其特征在于，所述所述第一功率开关器件为PMOS管，其栅极与所述开关控制模块电连接，漏极与所述第一电流放大器的第二输入端电连接。

4、如权利要求1所述的电源转换控制装置，其特征在于，所述第二电流检测单元进一步包括:

第二电流放大器，其第一输入端与所述第二功率开关器件电连接，第二输入端接地；

第二误差放大器，其第一输入端通过所述DC-DC电路的分压电阻与第二电压正输入/输出端电连接，所述第二电压为用电设备输入电压、充电器输入电压或外部供电电源电压，第二输入端接所述电源转换控制装置的内部基准电压；

第二电流设定模块，其输入端与所述第二误差放大器的输出端、第一电压正输入/输出端以及第二电压正输入/输出端电连接；以及

第二电流比较器，其第一输入端与所述第二电流设定模块的输出端电连接，其第二输入端连接所述第二电流放大器的输出电流经过补偿后的电流输出端，其输出端与所述脉宽调制控制逻辑模块的输入端电连接。

5、如权利要求4所述的电源转换控制装置，其特征在于，所述所述第二功率开关器件为NMOS管，其栅极与所述开关控制模块电连接，漏极与所述第二电流放大器的第二输入端电连接。

6、如权利要求1至5任一权利要求所述的电源转换控制装置，其特征在于，所述第一功率开关器件和第二功率开关器件内置于所述电源转换控制装置中。

7、一种电源电路，包括DC-DC电路，其特征在于，所述电源电路还包括一电源转换控制装置，用于检测所述DC-DC电路的电流大小并根据检测结果控制电路进行升压或降压转化；

所述电源转换控制装置包括:

8、如权利要求7所述的电源电路，其特征在于，所述第一电流检测单元进一步包括:

9、如权利要求8所述的电源电路，其特征在于，所述所述第一功率开关器件为PMOS管，其栅极与所述开关控制模块电连接，漏极与所述第一电流放大器的第二输入端电连接。

10、如权利要求7所述的电源电路，其特征在于，所述第二电流检测单元进一步包括:

11、如权利要求10所述的电源电路，其特征在于，所述所述第二功率开关器件为NMOS管，其栅极与所述开关控制模块电连接，漏极与所述第二电流放大器的第二输入端电连接。

12、如权利要求7至11任一权利要求所述的电源电路，其特征在于，所述第一功率开关器件和第二功率开关器件内置于所述电源转换控制装置中。