CN101640477B

CN101640477B - 限制平均输入电流的电压调节电路及其限流方法

Info

Publication number: CN101640477B
Application number: CN200910305047.8A
Authority: CN
Inventors: 杨先庆; 周景海
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20100026270A1; US8525498B2; CN101640477A

Abstract

本发明公开了一种限制平均输入电流的限流方法和装置。该装置包括开关电路，电流平均电路和限流电路。电流平均电路采样输入电流的平均值，产生反映输入电流平均值的信号。限流电路通过钳制该检测信号来限制输入电流的平均值。

Description

限制平均输入电流的电压调节电路及其限流方法

技术领域

本发明涉及输入电流限流方法，更具体地说，涉及输入电流的平均电流限流方法和装置。

背景技术

由于电脑的普及，采用USB供电的器件也越来越多。然而，USB供电由于其特定的技术特点而限制了它的应用。具体地说，当输出电流大于某个上限值，如500mA时，USB端口的输出电压将降低。因此，有必要对输出电流进行限流。

图1所示为现有技术的采用峰值电流限制方法的限流技术。流过开关Sin的电流经检测，并和阈值VCLM相比较。当检测到的电流大于VCLM时，关断开关Sin，从而达到限流目的。然而，开关Sin的占空比随着输出电压而波动，由于输入电容Cin较大，实际的输入电流是流过开关Sin的平均电流。因此，峰值电流并不能代表电源供给的实际电流。当输出电压较低时将浪费很大的输入电流区间。

峰值电流限流方法能直接用于限制峰值电流，但该方法的最大缺陷是电源供给的电流和开关Sin中动态变化的电流不一致。因此，它不能很好地用于控制每个周期中的输入电流。

图2示出了另一个现有技术。在电源和功率器件之间使用了串联的电阻R和开关S。电阻用于检测电流。开关S的导通电阻受检测电流控制，以此达到限流目的。但在该方法中，由于R被用于精确地检测电流，它不适合与开关S和其它的控制电路集成在一块集成电路芯片内，这也增加了整个电路的成本。同时，开关S的功率损耗和热效应都较大。

发明内容

本发明的目的在于公开一种电压调节电路，包括：含输入电流的开关电路；电流平均电路，耦合至所述开关电路，产生反映所述输入电流平均值的信号；以及限流电路，耦合至所述开关电路和所述电流平均电路，将所述输入电流的平均值限制在一定水平。其中所述开关电路进一步包括流过所述输入电流的输入开关。

所述电流平均电路包括：电流检测电路，耦合至所述输入开关，检测所述输入电流并产生与所述输入电流成比例的检测电流；第一电容，耦合至所述电流检测电路和所述限流电路；第一开关，耦合至所述第一电容的两端；当所述第一开关关断时，所述第一电容被所述检测电流充电；当所述第一开关导通时，所述第一电容被放电。所述第一开关和所述输入开关的导通和关断状态相反。

所述限流电路将所述第一电容两端电压和一阈值电压比较，当两者满足特定比较关系时关断所述输入开关。在一个实施例中所述特定比较关系为所述第一电容两端电压大于所述阈值电压。所述限流电路可包括：比较电路，比较所述第一电容两端电压和所述阈值电压，输出比较信号，当所述第一电容两端电压大于所述阈值电压时，所述比较信号为有效值，否则为无效值；控制电路，耦合至所述比较电路和所述开关电路，接收所述比较信号用于控制所述开关电路中开关的关断和导通；当所述比较信号为有效值时，所述控制电路关断所述输入开关。所述比较电路包括第二比较器，其同相输入端接收所述第一电容两端电压，反相输入端接收所述阈值电压，输出所述比较信号至所述控制电路。所述控制电路包括：反馈电路，耦合至所述开关电路，检测所述开关电路的参数并产生反馈信号；第三比较器，其同相输入端接收所述第一电容两端的电压，反相输入端接收所述反馈信号；RS触发器，包含两个复位输入端和一个置位输入端，所述置位输入端接收一时钟信号，一复位输入端接连接所述第二比较器的输出端，另一复位输入端连接所述第三比较器的输出端，RS触发器的输出端用于控制所述开关电路中的开关。在一个实施例中，所述开关电路的参数为输出电压，所述反馈电路包括：输出电压检测电路，耦合至所述开关电路，检测所述开关电路的输出电压并产生与所述输出电压成比例的检测电压；第四比较器，其同相输入端接收第二参考电压，反相输入端耦合至所述输出电压检测电路接收所述检测电压。在一个实施例中，所述输出电压检测电路为一电阻分压电路。

电压调节电路可进一步包括阈值校正电路，随着所述第一电容值的变化校正所述阈值电压。所述阈值校正电路和所述电流平均电路可集成在一个集成电路内。所述阈值校正电路包括：第二电容；第二开关，耦合至所述第二电容两端；电流发生电路，耦合至所述第二电容，为所述第二电容提供充电电流；采样保持电路，耦合至所述第二开关和所述限流电路，对所述第二电容两端的电压进行采样和保持；其中所述第二开关和所述采样保持电路受一时钟信号控制；所述采样保持电路输出所述阈值电压。其中所述电流发生电路可包括：第一比较器，其同相输入端接收第一参考电压；第三开关，其栅极受所述第一比较器输出电压控制；第一电阻，一端连接所述第一比较器的反相输入端和所述第三开关的源极，另一端接地；电流镜电路，包括第四开关和第五开关，所述第四开关的漏极与所述第三开关的漏极和所述第四开关、所述第五开关的栅极相连，所述第四开关和所述第五开关的源极与所述开关电路的输入端相连，所述第五开关的漏极与所述第二电容相连。

所述开关电路的参数为输出电压，所述反馈电路包括：

输出电压检测电路，耦合至所述开关电路，检测所述开关电路的输出电压并产生与所述输出电压成比例的检测电压；

第四比较器，其同相输入端接收第二参考电压，反相输入端耦合至所述输出电压检测电路接收所述检测电压。

在一个实施例中，上述开关电路为同步型的降压(Buck)电路。

本发明的另一个目的在于公开一种限制含输入开关的电压调节电路的输入电流平均值的方法，包括：检测输入电流，产生与所述输入电流成比例的检测电流；当所述输入开关导通时，由所述检测电流对一电容充电，否则对所述电容放电；当所述电容两端电压大于一阈值时，关断所述输入开关用于限制所述输入电流。该方法可进一步包括随所述电容的变化而校正所述阈值。在一个实施例中，所述检测电流为所述输入电流的平均值。

本发明还公开了一种电压调节电路，包括流过输入电流的开关装置；电流平均装置，耦合至所述开关装置，产生反映所述输入电流平均值的信号；限流装置，耦合至所述开关装置和所述电流平均装置，将所述输入电流平均值限制在一定值。所述开关器件进一步包括流过所述输入电流的输入开关器件。所述电流平均装置包括：电流检测装置，耦合至所述输入开关装置用于检测所述输入电流并产生与所述输入电流成比例的检测电流；第一电容装置，耦合至所述电流检测装置和所述限流装置；第一开关装置，耦合在所述第一电容装置两端；当所述第一开关装置关断时，所述第一电容装置由所述检测电流充电；当所述第一开关装置导通时，所述第一电容装置被放电。所述第一开关装置和所述输入开关装置的关断导通状态相反。

该发明实现了对电压调节电路平均输入电流的限制，从而实现了对实际输入电流的限制。同时，该发明中的各部分易于集成，且损耗低，效率高。

附图说明

附图用来解释本发明的各个具体实施方式，其构成了本说明书的一部分。附图及其说明，用于解释本发明的基本原理。

图1示出了一种现有技术的限流技术。

图2示出了另一种现有技术的限流技术。

图3所示为根据本发明的采用平均输入电流限流技术的电压调节电路框图实施例。

图4所示为采用平均输入电流技术的降压(Buck)电路实施例。

图5所示为图4电路的工作波形。

图6所示为根据本发明的平均输入电流限流方法流程图实施例。

具体实施方式

本申请公开了一种限制平均电流的输入电流限流方法。使用直流输入的电压调节电路一般都含有大输入电容，因此，经输入电容滤波后的电流的平均值为实际的供电输入电流。供电电流被通过限制输入电流的平均值而达到限流目的。

图3所示为采用平均输入电流限流技术的电压调节电路框图实施例。它包含开关电路301，电流平均电路302和限流电路303。开关电路301中包含输入电流Iin和输入电容Cin。电流平均电路302耦合至开关电路301，检测输入电流Iin并产生检测信号VITG。限流电路303耦合至开关电路301和电流平均电路302，将信号VITG限制在阈值VCLM以下，从而将输入电流Iin的平均值限制在一定水平。

开关电路301包括大容量输入电容Cin和输入开关Sin。其中输入电流流过该输入开关Sin。当输入电流Iin的平均值被限制时，因为大电容Cin的存在，即限制了实际的供电电流。开关电路301可以为包含输入开关的任意拓扑结构，如降压型(Buck)，降升压型(Buck-Boost)，反激型(Flyback)或其它类型。在一个实施例中，开关电路301为降压型电路。

电流平均电路302包括电流检测电路304，电容Citg和开关Sitg。电流检测电路304耦合至开关电路301用于检测输入电流Iin，产生检测电流Isense。在一个实施例中，检测电流Isense与输入电流Iin成比例。电流检测电路304可以为一个电阻型检测电路，也可以是电流镜型的检测电路。Citg的一端连接电流检测电路304用于接收Isense，另一端接地。Sitg连接于Citg两端，并和输入开关Sin的关断导通状态相反。当Sin导通时，Sitg关断，Citg被Isense充电，Citg两端的电压VITG升高。当Sin关断时，Sitg导通，电容Citg被快速放电，VITG电压迅速降为零。这样，在每个周期中，电容Citg两端电压VITG的最大值代表了输入电流Iin的积分值，等效于Iin的平均值。

限流电路303包括比较电路305和控制电路306。比较电路305接收电流平均电路302输出的反映输入电流Iin平均值的VITG信号，并和阈值电压VCLM相比，产生比较信号OAC信号。当VITG大于VCLM时，OAC输出有效值。当VITG小于VCLM，OAC为无效值。控制电路306耦合至比较电路305和开关电路301，它接收OAC信号，并控制开关电路301中的开关。当OAC为有效值时，控制电路306将输入开关Sin关断用于钳制VITG，从而限制输入电流Iin的平均值。比较电路305可以为任何形式的比较电路，如一比较器。控制电路306可以检测开关电路301的一至多个参数，如电流、电压、功率，通过如PFM或PWM等公知的控制方法控制开关电路301中开关的关断和导通。

图4所示为采用平均输入电流限流的Buck电路实施例。开关电路301为非同步的Buck电路，它以图示的连接方式包括输入电容Cin，输入开关Sin，整流二极管D，电感L和输出电容Cout。输入开关Sin可以为MOSFET管或其它形式的半导体器件，可以为N型或P型器件。在一个实施例中，输入开关Sin为P型MOSFET。二极管D也可以被同步整流器件代替，形成同步Buck电路。

电流平均电路302包括电流检测电路304，电容Citg和开关Sitg。电流检测电路304耦合至开关电路301，检测输入电流Iin并输出检测电流Isense。Citg的一端连接电流检测电路304用于接收Isense，另一端接地。Sitg连接于Citg两端，并和输入开关Sin的关断导通状态相反。Citg两端出现的VITG峰值代表了Iin的平均值。

比较电路305包含比较器COM1。比较器COM1同相输入端接收VITG信号，反相输入端接收阈值信号VCLM，输出信号OAC至控制电路306。当VITG大于VCLM，OAC信号有效，如为高电平值，反之则为无效值。

控制电路306与比较电路305和开关电路301耦合，在OAC信号为有效值时关断输入开关Sin。在一个实施例中，控制电路306进一步检测开关电路301的输出电压VOUT，和VITG信号一起用于控制开关电路301中的开关导通和关断。控制电路306包括电阻Rd1、Rd2、R1、R2，比较器COM2和COM3，电容C1，以及RS触发器Qff。电阻Rd1和Rd2组成电压检测电路，如电压分压器，用于检测输出电压VOUT。该电压检测电路也可用电容来实现。输出电压检测值输入至比较器COM3的反相输入端和电容C1的一端。C1的另一端和电阻R1连接。R1另一端和COM3的输出端以及电阻R2相连。电阻R2的另一端则和比较器COM2的反相输入端相连。比较器COM3的同相输入端接收代表输出电压期望值的参考电压VREF。比较器COM2的同相输入端接收VITG信号。RS触发器Qff含有两个复位输入端(R)，其中一个R端接收来自比较电路305的OAC信号，另一个R端和比较器COM2的输出端相连。RS触发器Qff的反相输出端

和驱动电路及开关Sitg相连，用于控制输入开关Sin和开关Sitg。RS触发器Qff的置位输入端(S)接收时钟信号CLK。

电流平均电路302可以和限流电路303集成在一个集成电路(IC)上，也可以是外接的。当集成于一个IC芯片上时，将电容Citg保持在一固定值比较困难，因为Citg将随IC温度变化而变化。在相同的平均输入电流下，电容Citg两端的电压VITG将有浮动。由此，VITG和阈值VCLM的比较结果也不再准确。因此，需要一个阈值校正电路，用于将VCLM随电容Citg变化而校正。

阈值校正电路401实施例见图所示。当积分电容Citg的容量随芯片温度变化而增大时，积分电压VITG在相同的输入电流平均值下将降低。阈值校正电路401随VITG而降低VCLM阈值，使得比较电路305的输出结果正确。

图4中的阈值校正电路401包括充电电流发生电路402、电容Citg1、开关Sitg1和采样保持电路S/H。其中充电电流发生电路402和电容Citg1的一端相耦合，用于为Citg1提供恒定的充电电流Icharge。Citg1的另一端接地。开关Sitg1和电容Citg1并联。采样保持电路S/H和电容Citg1耦合，用于采样和保持Citg1两端的电压VR。时钟信号被用于控制开关Sitg1和采样保持电路S/H。在一个实施例中，阈值校正电路401和控制电路306使用同一个时钟信号CLK。采样保持电路S/H可在CLK的上升沿或上升沿到来之前将VR进行采样和保持。被采样和保持的值用于作为阈值电压VCLM。电流平均电路302和阈值校正电路401集成在一集成电路上，这样电容Citg1和阈值电压VCLM在芯片温度改变时将一起被改变。

充电电流发生电路402可以为任何形式的提供恒定电流的电路。在一个实施例中，充电电流发生电路402包括比较器COM4、电阻R11、开关S11、S12和S13。比较器COM4的同相输入端接收参考值VREF1，反相输入端连接R11和S11的源极。R11另一端接地。比较器COM4的输出端控制S11的栅极。S11的漏极和开关S12的漏极和栅极相连。S12和S13的源极和开关电路301的输入端VIN相连，栅极连接在一起。S13的漏极和电容Citg1、开关Sitg1以及采样保持电路S/H相连。开关S12和S13形成一电流镜像，充电电流Icharge由参考值VREF1、电阻R11和S12、S13的沟道宽长比决定。

图5示出了图4中电路的工作波形。当CLK信号为高，触发器Qff置位，反相输出端

置低。输入开关Sin被导通，开关Sitg关断。电容Citg被检测电流Isense充电，Citg两端的VITG电压升高。同时，开关Sitg1导通，电容Citg1迅速放电，Citg1两端电压VR迅速下降。在一个实施例中，S/H电路在CLK上升沿到来前的短暂时间内采样和保持电压VR。被采样和保持的值作为VCLM。当CLK为低电平时，开关Sitg1被关断，Citg1被充电电流发生电路402产生的恒定电流Icharge充电。电压VR上升。当VITG大于反馈信号COMP或阈值电压VCLM，RS触发器Qff被复位，反相输出端

输出高电平。这样，输入开关Sin被关断，Sitg导通。电容Citg迅速放电，Citg两端的VITG陕速降到零值。

当输入开关Sin导通，开关Sitg关断。VITG和Isense之间的关系为

。当输入开关Sin关断，Sitg导通，Isense＝Iin＝0，VITG＝0。当电流采样系数为n时，

。每个周期中，输入电流的平均佰为

\overset{&OverBar;}{I_{in}} = \frac{{&Integral;}_{0}^{T_{τ}} I_{in} dt}{T_{5}} = \frac{{&Integral;}_{0}^{{DT}_{τ}} n \times C_{itg} \times {dV}_{ITG}}{T_{5}} = \frac{n \times C_{itg} \times {(V_{ITG})}_{t - D T_{τ}}}{T_{5}} = n \times C_{itg} \times {(V_{ITG})}_{t - D T_{τ}} \times f_{5}

，其中f_s为输入开关Sin的开关频率，如CLK信号的频率，D为输入开关Sin的占空比。当VITG被钳制时，输入电流平均值Iin亦被钳制在一定值。若想将输入电流的平均值限制在一定值，VCLM为：

通过采样保持电路S/H采样和保持电压时的阈值电压VCLM和充电电流Icharge，电容Citg1的容值可被确定。

接下来阐述电压调节电路对平均输入电流进行限流的方法。图6为平均输入电流限流方法的流程图：

步骤A，检测流过输入开关Sin的输入电流值或当前值。

步骤B，判断输入开关Sin是否处于导通状态，若为导通状态，进入步骤C，否则进入步骤D。

步骤C，通过检测电流值对电容Citg进行充电，然后进入步骤E。

步骤D，将电容Citg快速放电，进入步骤B。

步骤E，判断电容Citg两端的电压VITG是否大于阈值电压VCLM，若是，进入步骤F，否则进入步骤B。

步骤F，关断输入开关Sin。

在一个实施例中，限流方法进一步包括对VCLM随电容Citg变化进行校正的步骤。

在另一个实施例中，限流方法进一步包括通过电容Citg两端电压VITG对电压调节电路开关的导通和关断进行控制。

按照上文描述，基于本发明可以做出多种修改方案。需要知晓的是，除了按本文具体描述的方案实施以外，本发明还可以按落入到本发明权利要求范围内的其他修改方案实施。因此，需要知晓的是，本文所给出的具体实施方式仅为说明之目的，在不脱离本发明权利要求所限定之范围前提下，本领域内的技术人员可以做出多种修改方案。

Claims

1. 一种电压调节电路，包括开关电路，所述开关电路进一步包括输入开关，输入电流流过该开关，其特征在于电压调节电路进一步包括：

电流平均电路，耦合至所述开关电路，产生反映流过所述开关电路的输入电流平均值的信号,所述电流平均电路包括：

电流检测电路，耦合至所述输入开关，检测所述输入电流并产生与其成比例的检测电流；

第一电容，耦合至所述电流检测电路和限流电路；

以及第一开关，耦合至所述第一电容的两端；

所述限流电路，耦合至所述开关电路和所述电流平均电路，将所述输入电流平均值限制在设定值,所述限流电路将所述第一电容两端电压和阈值电压比较，根据两者比较结果关断所述输入开关；

以及阈值校正电路，随着所述第一电容的电容值变化校正所述阈值电压，其中所述阈值校正电路包括：

第二电容；

第二开关，耦合至所述第二电容两端；

电流发生电路，耦合至所述第二电容，为所述第二电容提供充电电流；

采样保持电路，耦合至所述第二开关和所述限流电路，对所述第二电容两端的电压进行采样和保持；

其中所述第二开关和所述采样保持电路受时钟信号控制，所述采样保持电路输出所述阈值电压。

2. 如权利要求1 所述的电压调节电路，其特征在于：

当所述第一开关关断时，所述第一电容被所述检测电流充电；

当所述第一开关导通时，所述第一电容被放电。

3. 如权利要求1 所述的电压调节电路，其特征在于所述第一开关和所述输入开关的导通和关断状态相反。

4. 如权利要求1 所述的电压调节电路，其特征在于所述比较结果为所述第一电容两端电压大于所述阈值电压。

5. 如权利要求1 所述的电压调节电路，其特征在于所述阈值校正电路和所述电流平均电路集成在一个集成电路内。

6. 如权利要求5 所述的电压调节电路，其特征在于所述电流发生电路包括：

第一比较器，其同相输入端接收第一参考电压；

第三开关，其栅极受所述第一比较器输出端控制；

第一电阻，一端连接所述第一比较器的反相输入端和所述第三开关的源极，另一端接地；

电流镜电路，包括第四开关和第五开关，所述第四开关的漏极与所述第三开关的漏极、所述第四开关和所述第五开关的栅极相连，所述第四开关和所述第五开关的源极与所述开关电路的输入端相连，所述第五开关的漏极与所述第二电容相连。

7. 如权利要求4 所述的电压调节电路，其特征在于所述限流电路包括：

比较电路，比较所述第一电容两端电压和所述阈值电压，输出比较信号，当所述第一电容两端电压大于所述阈值电压时，所述比较信号为有效值，否则为无效值；

控制电路，耦合至所述比较电路和所述开关电路，接收所述比较信号用于控制所述开关电路中开关的关断和导通；

当所述比较信号为有效值时，所述控制电路关断所述输入开关。

8. 如权利要求7 所述的电压调节电路，其特征在于所述比较电路包括第二比较器，其同相输入端接收所述第一电容两端电压，反相输入端接收所述阈值电压，输出所述比较信号至所述控制电路。

9. 如权利要求8 所述的电压调节电路，其特征在于所述控制电路包括：

反馈电路，耦合至所述开关电路，检测所述开关电路的参数并产生反馈信号；

第三比较器，其同相输入端接收所述第一电容两端的电压，反相输入端接收所述反馈信号；

RS 触发器，包含两个复位输入端和一个置位输入端，所述置位输入端接收时钟信号，一复位输入端接连接所述第二比较器的输出端，另一复位输入端连接所述第三比较器的输出端，RS 触发器的输出端用于控制所述开关电路中的开关。

10. 如权利要求9 所述的电压调节电路，其特征在于所述开关电路的参数为输出电压，所述反馈电路包括：

11. 如权利要求6 所述的电压调节电路，其特征在于所述限流电路包括：

比较电路，比较所述第一电容两端电压和所述阈值电压，产生比较信号，当所述第一电容两端电压大于所述阈值电压时，所述比较信号有效，否则为无效；

当所述比较信号有效时，所述控制电路关断所述输入开关。

12. 如权利要求11 所述的电压调节电路，其特征在于所述比较电路包括第二比较器，其同相输入端接收所述第一电容两端的电压，反相输入端接收所述阈值电压，输出所述比较信号至所述控制电路。

13. 如权利要求12 所述的电压调节电路，其特征在于所述控制电路包括：

14. 如权利要求13 所述的电压调节电路，其特征在于所述开关电路的参数为输出电压，所述反馈电路包括：

15. 如权利要求14 所述的电压调节电路，其特征在于所述输出电压检测电路为电阻分压电路。

16. 如权利要求15 所述的电压调节电路，其特征在于所述开关电路为Buck 电路。

17. 如权利要求16 所述的电压调节电路，其特征在于所述Buck 电路是同步型。

18. 一种电压调节电路，包括流过输入电流的开关装置，其中所述开关装置包括流过所述输入电流的输入开关装置,其特征在于电压调节电路进一步包括：

电流平均装置，耦合至所述开关装置，产生反映所述输入电流平均值的信号，所述电流平均装置包括：电流检测装置，耦合至所述输入开关装置用于检测所述输入电流并产生与所述输入电流成比例的检测电流；第一电容装置，耦合至所述电流检测装置和限流装置；以及

第一开关装置，耦合在所述第一电容装置两端；

限流装置，耦合至所述开关装置和所述电流平均装置，将所述输入电流平均值限制在设定值，所述限流装置将所述第一电容两端电压和阈值电压比较，根据两者比较结果关断所述输入开关；

第二电容；

第二开关，耦合至所述第二电容两端；

采样保持电路，耦合至所述第二开关和所述限流装置，对所述第二电容两端的电压进行采样和保持；

19. 如权利要求18 所述的电压调节电路，其特征在于：

当所述第一开关装置关断时，所述第一电容装置由所述检测电流充电；

当所述第一开关装置导通时，所述第一电容装置被放电。

20. 如权利要求19 所述的电压调节电路，其特征在于所述第一开关装置和所述输入开关装置的关断导通状态相反。