CN101771273A - 电流调节装置 - Google Patents

Abstract

一种电流调节装置，包含第一开关、第二开关、第一电流检测电路、第二电流检测电路、以及控制电路。第一和第二电流检测电路检测各自的电源路径上的电流。控制电路根据检测信号来控制电源路径上的第一和第二开关的接通或断开状态，可以调节线路电流的平衡。

Description

电流调节装置

技术领域

本发明是有关于一种双电源的供电装置，且特别是有关于一种双电源的电流调节装置。

背景技术

一般的电脑周边产品的供电方式是通过电脑的USB接口或是以太网络孔供电(power over Ethernet，POE)的方式来撷取电能。

根据规范，USB接口最大功率只能提供约2.5瓦特，一般型POE最大功率只能提供约15瓦特。如果产品本身所消耗的瓦特数大于供电所能提供的最大瓦特数，那么在产品的设计上就会出现瓶颈。设计工程师为了能够使产品有更大的输入瓦特数，通常做法会采用将两个USB接口并接、或是两个POE加以并接，尽可能的让两电源的压差接近，以避免电源供应只由单一端供电。不过，这种做法无法保证两个输入源的电流会平衡。

依照USB和POE所规范的电流限制，电脑的USB接口只能提供0.5A，而以太网络的POE方式，电压为48V、最大电流0.35A通过PSE供电到PD端实际可用的瓦特数约只有15W。但是，以两组电压结合来提供一客户端的负载使用时会有一问题，只要其中一组的电压稍微高于另一组时则会由这较高的一组电压来提供电流给客户端。因此，较低这一组的电流并不会输出给负载来使用。一般主板对于USB接口只提供最大电流0.5A，超过0.5A时会强制做主板的保护，以保护主板与后端的安全。显然地，当电流不平衡时，在使用上可能会受到限制，例如输入电源停止供电。由于电流不平衡会造成诸多设计的瓶颈，在技术上有待更多的突破，这也是本发明所要克服的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电流调节装置，以改善现有技术的缺失。

本发明提出一种电流调节装置。电流调节装置包含第一开关、第二开关、第一电流检测电路、第二电流检测电路以及控制电路。第一开关的第二端提供一供电输出。第二开关的第二端耦接此供电输出。第一电流检测电路的输入端耦接第一电源，且其输出端耦接第一开关的第一端，用以检测第一电流来产生第一检测信号。第二电流检测电路的输入端耦接第二电源，且其输出端耦接第二开关的第一端，用以检测第二电流来产生一第二检测信号。控制电路接收并比较第一检测信号与第二检测信号来控制该第一开关与该第二开关的接通或断开状态。

本发明提出另一项应用。在上述电流调节装置中包括第一开关、第二开关、第一电流检测电路、第二电流检测电路以及控制电路，额外加入电压检测电路应用于两组输入电源有移除任何一组可能性的应用场合。第一开关的第二端提供一供电输出。第二开关的第二端耦接此供电输出。第一电流检测电路的输入端耦接第一电源，其输出端耦接第一开关的第一端，用以检测第一电流来产生第一检测信号。第二电流检测电路的输入端耦接第二电源，其输出端耦接第二开关的第一端，用以检测第二电流来产生第二检测信号。电压检测电路的第一输入端耦接第一电源，其第二输入端耦接第二电源，用以检测第一电源与第二电源是否供电来产生第三检测信号和第四检测信号。控制电路接收并且根据第一检测信号、第二检测信号、第三检测信号以及第四检测信号来控制第一开关与第二开关的接通或断开状态。

基于上述，本发明的电流调节装置可以从USB接口或POE高效率汲取电源；当两组电源并接时，可以调节两组电源线路的电流，因而避免由单一端的电源供电；在单一电源供电时，电流调节装置具有电压检测的功能，避免开关不断地切换而可以正确供电；可以提高功率传送能力；通过电流调节装置而可以设计出较大功率的产品；具有电流调节装置的终端产品，不受USB电流限值(最大500mA)的约束条件，或是不受POE电流限值(最大350mA)的约束条件。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据本发明实施例的电流调节装置的电路方块图。

图2所示为根据本发明图1实施例的电流调节装置的电路图。

图3所示为根据本发明另一实施例的电流调节装置的电路图。

图4所示为根据本发明图3实施例的电流调节装置的电路图。

具体实施方式

图1所示为根据本发明实施例的电流调节装置的电路方块图。电流调节装置100可以包含开关Sw1、开关Sw2、第一电流检测电路120、第二电流检测电路140以及控制电路160。

第一电流检测电路120的输入端耦接第一电源Va。第一电流检测电路120的输出端耦接开关Sw1的第一端。第二电流检测电路140的输入端耦接第二电源Vb。第二电流检测电路140的输出端耦接开关Sw2的第一端。控制电路160耦接第一电流检测电路120与第二电流检测电路140。开关Sw1的第二端耦接开关Sw2的第二端，并由此两开关的耦接处提供一供电输出Vout。第一电源Va与第二电源Vb可以是两个USB接口的电源，或者是两个PSE的输出电源。

本实施例的供电输出Vout有两条电源路径。第一条电源路径：第一电源Va→第一电流检测电路120→开关Sw1→Vout。第二条电源路径：第二电源Vb→第二电流检测电路140→开关Sw2→Vout。由于线路会有铜损，而不同的线路有不同的铜损。第一电流检测电路120检测第一条电源路径上的电流I1而产生检测信号Sa。第二电流检测电路140检测第二条电源路径上的电流I2而产生检测信号Sb。控制电路160接收检测信号Sa与检测信号Sb，并比较检测信号Sa与检测信号Sb来得知何路的电流过大，接着控制开关Sw1、Sw2的接通(turn on)或断开(turn off)状态，来达到调节线路阻抗进而平衡两路电源电流。

假设第一条电源路径的等效阻抗为Ra(图未示)，第二条电源路径的等效阻抗为Rb(图未示)。因此，Va-I1×Ra＝Vb-I2×Rb＝Vout。控制电路160在供电状态下更动等效阻抗Ra、Rb。当检测电流I1大于I2时则调大等效阻抗Ra并调小Rb，而当检测电流I2大于I1时则调小等效阻抗Ra并调大Rb，因此可以调节电流而保持电流平衡。

开关Sw1、Sw2可以运用N型半导体开关(NMOS)来实现。N型半导体开关的工作区域分为三极区、饱和区。三极区也可以称为欧姆区。将N型半导体开关工作于欧姆区时，可以线性地调整栅极的电压，接着N型半导体开关以模拟电阻的特性来抑制电流大小，在不同时间点达到不同的阻值，进而调整在开关两端的跨压。Vout的输出：Va-V_DS，Sw1＝Vb-V_DS，Sw2＝Vout，其中开关Sw1、Sw2两端的电压分别为V_DS，Sw1、V_DS，Sw2。当控制电路160接通开关Sw1并且断开开关Sw2时则可以使得供电输出Vout由第一电源Va提供，而当控制电路160断开开关Sw1并且接通开关Sw2时则使得供电输出Vout由第二电源Vb提供。

图2所示为根据本发明图1实施例的电流调节装置的电路图。请参照图2，第一电流检测电路120可以包含电阻R1～R4、电容器C1、以及运算放大器122。电阻R1的第一端耦接第一电源Va。电阻R1的第二端耦接开关Sw1的第一端。电阻R2的第一端耦接电阻R1的第一端。电阻R3的第一端耦接电阻R1的第二端。运算放大器122的第一输入端耦接电阻R2的第二端。运算放大器122的第二输入端耦接电阻R3的第二端。运算放大器122产生检测信号Sa。电阻R4耦接在运算放大器122的输出端与接地电压GND之间。电容器C1耦接在运算放大器122的输出端与接地电压GND之间。电阻R2与电阻R3的电阻值需相等。

第二电流检测电路140包含电阻R5～R8、电容器C2、以及运算放大器142。电阻R5的第一端耦接第二电源Vb。电阻R5的第二端耦接开关Sw2的第一端。电阻R6的第一端耦接电阻R5的第一端。电阻R7的第一端耦接电阻R5的第二端。运算放大器142的第一输入端耦接电阻R6的第二端。运算放大器142的第二输入端耦接电阻R7的第二端。运算放大器142产生检测信号Sb。电阻R8耦接在运算放大器142的输出端与接地电压GND之间。电容器C2耦接在运算放大器142的输出端与接地电压GND之间。电阻R6与电阻R7的电阻值需相等。

值得注意的是，电阻R1、R5可以使用精密电阻，通过第一电流检测电路120和第二电流检测电路140来检测电流大小，并经由所设计的增益值来产生一个与负载电流相对应的检测信号Sa、Sb。另外，电容器C1、C2的容值设计会影响到切换速度。电容器C1、C2的容值较小时，可以加速切换开关的速度，还可以使供电输出Vout的涟波变小，但是对Va、Vb的容忍度比较差；电容器C1、C2的容值较大时，切换开关的速度较慢，优点是对Va、Vb的容忍度比较好，但是缺点是供电输出Vout的涟波变大。

控制电路160包含电阻R9～R16、电容器C3～C4、二极管D1～D2、NPN晶体管Q1、PNP晶体管Q2、NPN晶体管Q3以及PNP晶体管Q4。电阻R9的第一端耦接检测信号Sb。电阻R10的第一端耦接检测信号Sa。运算放大器162的第一输入端耦接电阻R9的第二端。运算放大器162的第二输入端耦接电阻R10第二端。电阻R11的第一端耦接检测信号Sa。电阻R12的第一端耦接检测信号Sb。运算放大器164的第一输入端耦接电阻R11的第二端。运算放大器164的第二输入端耦接电阻R12的第二端。电容器C3的第一端耦接运算放大器162的第二输入端。电阻R13耦接在电容器C3的第二端与运算放大器162的输出端之间。

电流调节装置100中，可以将开关Sw1、Sw2设计于三极区(欧姆区)工作，以实时改变半导体开关的漏-源端的电阻值。本实施例考虑到运算放大器162、164的驱动能力，可以将晶体管Q1和Q2、以及Q3和Q4布置成图腾级(totem pole)的方式来推动开关Sw1、Sw2。二极管D1的阴极耦接运算放大器162的输出端。电阻R14耦接在参考电压Vref1与二极管D1的阳极之间。NPN晶体管Q1的集电极耦接参考电压Vref1。NPN晶体管Q1的基极耦接二极管D1的阳极。PNP晶体管Q2的发射极耦接NPN晶体管Q1的发射极与开关Sw1的控制端。PNP晶体管Q2的基极耦接二极管D1的阳极，PNP晶体管Q2的集电极耦接接地电压GND。电容器C4的第一端耦接运算放大器164的第二输入端。电阻R15耦接在电容器C4的第二端与运算放大器164的输出端之间。二极管D2的阴极耦接运算放大器164的输出端。电阻R16耦接在参考电压Vref1与二极管D2的阳极之间。NPN晶体管Q3的集电极耦接参考电压Vref1。NPN晶体管Q3的基极耦接二极管D2的阳极。PNP晶体管Q4的发射极耦接NPN晶体管Q3的发射极与开关Sw2的控制端。PNP晶体管Q4的基极耦接二极管D2的阳极。PNP晶体管Q4的集电极耦接接地电压GND。电阻R9的电阻值可以与电阻R10～R12中的任一个的电阻值相同。

本实施例将两组电源分别加入相同的电流检测机制，将反应出的检测信号送至相对应的运算放大器的第二输入端与另一运算放大器组的第一输入端，经比较即可通过运算放大器的转态动作将电流过大的一方的开关的等效阻抗值增加，并将另一开关的等效阻抗值减少。如此可以达到调大电流较大一方的线路阻抗，并减少电流较小一方的线路阻抗。

图3所示为根据本发明另一实施例的电流调节装置的电路方块图。请参照图3。电流调节装置300可以包含开关Sw1、开关Sw2、第一电流检测电路120、第二电流检测电路140、控制电路160以及电压检测电路310。电压检测电路310的第一输入端耦接第一电源Va，其第二输入端耦接第二电源Vb，用以检测第一电源Va与第二电源Vb是否供电来产生检测信号Sc、Sd。控制电路160接收并且根据检测信号Sa、Sb、Sc、Sd来控制开关Sw1和开关Sw2的接通或断开状态。

由于施加两组电压时有可能第一电源Va与第二电源Vb中一个电压值比较高、另一个电压值比较低的情况。本实施例考虑到最差情况，只有单一电源接入的情形。本实施例针对可能的误动作做了一个保护机制，因此电压检测的优先权高于电流检测。

当第一电源Va与第二电源Vb皆供电时才由控制电路160直接根据检测信号Sa和Sb来控制供电输出Vout的电流平衡。但是只有单一电源供电时，直接以检测信号Sc和Sd来控制开关Sw1或开关Sw2的接通或断开状态。例如，当第一电源Va供电而第二电源Vb未供电时，则使开关Sw1接通以提供供电输出Vout；亦即接通第一条电源路径：第一电源Va→第一电流检测电路120→开关Sw1→Vout。或者当第一电源Va未供电而第二电源Vb供电时，则使开关Sw2接通以提供供电输出Vout；亦即接通第二条电源路径：第二电源Vb→第二电流检测电路140→开关Sw2→Vout。

图4所示为根据本发明图3实施例的电流调节装置的电路图。详细的电压检测电路310可以包含电阻R17～R24、运算放大器312、运算放大器314、PNP晶体管Q5以及PNP晶体管Q5。电阻R17的第一端耦接第二电源Vb。电阻R18耦接在电阻R17的第二端与接地电压GND之间。运算放大器312的第一输入端耦接电阻R17的第二端。运算放大器312的第二输入端耦接参考电压Vref2。参考电压Vref2用来判断电源是否供电的电平。PNP晶体管Q5的发射极耦接第一电源Va。PNP晶体管Q5的基极与发射极之间耦接电阻R19。电阻R20耦接在运算放大器312的输出端与PNP晶体管Q5的基极之间。电阻R21的第一端耦接第一电源Va。电阻R22耦接在电阻R22的第二端与接地电压GND之间。运算放大器314的第一输入端耦接电阻R21的第二端，运算放大器314的第二输入端耦接参考电压Vref2。PNP晶体管Q6的发射极耦接第二电源Vb。PNP晶体管Q6的基极与发射极之间耦接电阻R23。电阻R24耦接在运算放大器314的输出端与PNP晶体管Q6的基极之间。其中，PNP晶体管Q5的集电极产生检测信号Sc，PNP晶体管Q6的集电极产生检测信号Sd。

当第二电源Vb供电时，通过电阻R17、R18的分压，使运算放大器312的第一输入端比参考电压Vref2高，而使得运算放大器312输出逻辑高电平；接着，PNP晶体管Q5断开而形成浮接(floating)。相同前述原理，当第一电源Va供电时，PNP晶体管Q6断开。其中，PNP晶体管Q5或PNP晶体管Q6浮接的用意是，把控制的优先权交给电流检测电路。

控制电路160通过电阻R9耦接PNP晶体管Q5的集电极，并通过电阻R11耦接PNP晶体管Q6的集电极。当只有第一电源Va供电时则PNP晶体管Q6断开，接着开关Sw2断开，而只接通第一条电源路径。当只有第二电源Vb供电时则PNP晶体管Q5断开，接着开关Sw1断开，而只接通第二条电源路径。亦即，只有一个电压源时，电流检测失效。因此，控制电路160可以根据由PNP晶体管Q5与Q6传来的检测信号Sc和Sd来决定是否直接以检测信号Sa和Sb来控制开关Sw1与Sw2的接通或断开状态。

值得一提的是，本实施例可以应用在单组或双组电源的供电，所以能做到活电下插拔电源的动作，因此满足应用需求的可靠性。

综上所述，本发明实施例以检测两组电源路径上的电流，并且控制两组电源路径上的接通与断开状态来平衡两组线路的电流。上述电流调节装置可以因应电源的输入，调整电源线路的电流，至少具有下列优点：

1.可以从USB接口或POE高效率汲取电源；

2.当两组电源并接时，可以调节两组电源线路的电流，因而避免由单一端的电源供电；

3.在单一电源供电时，电流调节装置具有电压检测的功能，避免开关不断地切换而可以正确供电；

4.可以提高功率传送能力；

5.通过电流调节装置而可以设计出较大功率的产品；

6.具有电流调节装置的终端产品，不受USB电流限值(最大500mA)的约束条件，或是不受POE电流限值(最大350mA)的约束条件。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电流调节装置，其特征是，包括：

第一开关，其第二端提供供电输出；

第二开关，其第二端耦接上述供电输出；

第一电流检测电路，其输入端耦接第一电源，且其输出端耦接上述第一开关的第一端，用以检测第一电流，产生第一检测信号；

第二电流检测电路，其输入端耦接第二电源，且其输出端耦接上述第二开关的第一端，用以检测第二电流，产生第二检测信号；以及

控制电路，接收并比较上述第一检测信号与上述第二检测信号，来控制上述第一开关与上述第二开关的接通或断开状态。

2.根据权利要求1所述的电流调节装置，其特征是，其中上述第一电流检测电路包括：

第一电阻，其第一端耦接上述第一电源，其第二端耦接上述第一开关的第一端；

第二电阻，其第一端耦接上述第一电阻的第一端；

第三电阻，其第一端耦接上述第一电阻的第二端；

第一运算放大器，其第一输入端耦接上述第二电阻的第二端，其第二输入端耦接上述第三电阻的第二端，上述第一运算放大器产生上述第一检测信号；

第四电阻，其耦接在上述第一运算放大器的输出端与接地电压之间；以及

第一电容器，其耦接在上述第一运算放大器的输出端与上述接地电压之间。

3.根据权利要求1所述的电流调节装置，其特征是，其中上述第二电流检测电路包括：

第五电阻，其第一端耦接上述第二电源，其第二端耦接上述第二开关的第一端；

第六电阻，其第一端耦接上述第五电阻的第一端；

第七电阻，其第一端耦接上述第五电阻的第二端；

第二运算放大器，其第一输入端耦接上述第六电阻的第二端，其第二输入端耦接上述第七电阻的第二端，上述第二运算放大器产生上述第二检测信号；

第八电阻，其耦接在上述第二运算放大器的输出端与接地电压之间；以及

第二电容器，其耦接在上述第二运算放大器的输出端与上述接地电压之间。

4.根据权利要求1所述的电流调节装置，其特征是，其中上述控制电路包括：

第九电阻，其第一端耦接上述第二检测信号；

第十电阻，其第一端耦接上述第一检测信号；

第三运算放大器，其第一输入端耦接上述第九电阻的第二端，其第二输入端耦接上述第十电阻的第二端；

第十一电阻，其第一端耦接上述第一检测信号；

第十二电阻，其第一端耦接上述第二检测信号；

第四运算放大器，其第一输入端耦接上述第十一电阻的第二端，其第二输入端耦接上述第十二电阻的第二端；

第三电容器，其第一端耦接上述第三运算放大器的第二输入端；

第十三电阻，其耦接在上述第三电容器的第二端与上述第三运算放大器的输出端之间；

第一二极管，其阴极耦接上述第三运算放大器的输出端；

第十四电阻，其耦接在第一参考电压与上述第一二极管的阳极之间；

第一NPN晶体管，其集电极耦接上述第一参考电压，其基极耦接上述第一二极管的阳极；

第一PNP晶体管，其发射极耦接上述第一NPN晶体管的发射极与上述第一开关的控制端，其基极耦接上述第一二极管的阳极，其集电极耦接接地电压；

第四电容器，其第一端耦接上述第四运算放大器的第二输入端；

第十五电阻，其耦接在上述第四电容器的第二端与上述第四运算放大器的输出端之间；

第二二极管，其阴极耦接上述第四运算放大器的输出端；

第十六电阻，其耦接在上述第一参考电压与上述第二二极管的阳极之间；

第二NPN晶体管，其集电极耦接上述第一参考电压，其基极耦接上述第二二极管的阳极；以及

第二PNP晶体管，其发射极耦接上述第二NPN晶体管的发射极与上述第二开关的控制端，其基极耦接上述第二二极管的阳极，其集电极耦接上述接地电压。

5.根据权利要求1所述的电流调节装置，其特征是，其中上述第一开关、第二开关为N型半导体开关。

6.一种电流调节装置，其特征是，包括：

第一开关，其第二端提供供电输出；

第二开关，其第二端耦接上述供电输出；

第一电流检测电路，其输入端耦接第一电源，其输出端耦接上述第一开关的第一端，用以检测第一电流来产生第一检测信号；

第二电流检测电路，其输入端耦接第二电源，其输出端耦接上述第二开关的第一端，用以检测第二电流来产生第二检测信号；

电压检测电路，其第一输入端耦接上述第一电源，其第二输入端耦接上述第二电源，用以检测上述第一电源与上述第二电源是否供电来产生第三检测信号和第四检测信号；以及

控制电路，接收并且根据上述第一检测信号、上述第二检测信号、上述第三检测信号、以及上述第四检测信号，来控制上述第一开关与上述第二开关的接通或断开状态。

7.根据权利要求6所述的电流调节装置，其特征是，当上述电压检测电路检测到第一电源、第二电源皆供电时，则上述控制电路根据上述第一检测信号和上述第二检测信号来控制上述第一开关与上述第二开关，当上述电压检测电路检测到第一电源、第二电源只有单一电源供电时，则上述控制电路以上述第三检测信号与上述第四检测信号来控制上述第一开关或上述第二开关。

8.根据权利要求7所述的电流调节装置，其特征是，当只有上述第一电源供电时则使上述第一开关接通，当只有上述第二电源供电时则使上述第二开关接通。

9.根据权利要求6所述的电流调节装置，其特征是，其中上述电压检测电路包括：

第十七电阻，其第一端耦接上述第二电源；

第十八电阻，其耦接在上述第十七电阻的第二端与接地电压之间；

第五运算放大器，其第一输入端耦接上述第十七电阻的第二端，其第二输入端耦接第二参考电压；

第三PNP晶体管，其发射极耦接上述第一电源，其基极与发射极之间耦接第十九电阻；

第二十电阻，其耦接在上述第五运算放大器的输出端与上述第三PNP晶体管的基极之间；

第二十一电阻，其第一端耦接上述第一电源；

第二十二电阻，其耦接在上述第二十一电阻的第二端与上述接地电压之间；

第六运算放大器，其第一输入端耦接上述第二十一电阻的第二端，其第二输入端耦接上述第二参考电压；

第四PNP晶体管，其发射极耦接上述第二电源，其基极与发射极之间耦接第二十三电阻；以及

第二十四电阻，其耦接在上述第六运算放大器的输出端与上述第四PNP晶体管的基极之间；

其中，上述第三PNP晶体管的集电极产生上述第三检测信号，上述第四PNP晶体管的集电极产生上述第四检测信号。

10.根据权利要求9所述的电流调节装置，其特征是，其中上述控制电路耦接上述第三PNP晶体管的集电极与上述第四PNP晶体管的集电极，当上述第一电源供电时则上述第四PNP晶体管断开，而当上述第二电源供电时则上述第三PNP晶体管断开。

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