CN101783587A - 一种为无线网卡提供电源电压的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种为无线网卡提供稳定电源电压且不需大输出电容，体积小、成本低，并具有优秀输入限流功能的电路及方法。该电路包括：一第一开关电路，包括至少一个开关，接收一第一电压，并通过开关切换将其转换为一第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压；一储能电容，并联至所述第一开关电路的输出端；一第二开关电路，电耦接至所述第一开关电路和所述储能电容，包括至少一个开关，接收所述第二电压，并通过开关切换将所述第二电压转换为一第三电压，为所述无线网卡供电，其中所述第三电压小于所述第二电压；以及一输出电容，并联至所述第二开关电路的输出端。
Description
技术领域
本发明涉及电源电路，特别地，涉及一种为无线网卡提供稳定电源电压的电路及方法。
背景技术
如今，无线网卡被普遍应用于电脑与互联网的连接。无线网卡通过USB，PCIE或PCMCIA接口与电脑之间进行高速双向的数据传输，同时电脑也通过这些接口为无线网卡提供电源。
对USB，PCIE或PCMCIA接口来说，其输出电压值一定，而输出电流有一定的上限。例如对USB接口，其输出电压为5V，最大输出电流为500mA。当接口电源的输出电流超过其最大输出电流时，其输出电压会减小，并可能对其自身造成危害。因此，需要有电源电路电耦接在接口电源和无线网卡之间，限制接口电源的输出电流，同时为无线网卡提供稳定的电源电压。
传统的无线网卡电源电路采用如图1所示的降压(BUCK)电路。降压电路的输入端接收来自USB、PCIE或PCMCIA接口的电压Vin，通过开关S的导通与关断输出一无线网卡所需的电源电压Vout。
无线网卡在数据传输中，由于所包含的功率放大器的固有特性，其负载特性呈脉动状，即在大部分时间内其消耗的功率较小，而在周期性的短时间内其消耗的功率大大增加，甚至超过接口电源所能提供的最大功率。如图2所示，传送一帧数据的时间被分为八个时间段，无线网卡在传输每一帧数据时的第一个时间段需要一大电流，例如2A，而在其余时间段仅需要一较小电流，例如100mA，此时平均电流约为350mA。瞬时的大电流使电源电路在该时段的输出功率大于接口电源所能提供的最大功率，从而导致无线网卡电源电压Vout降低，如图2所示，电压由3.8V降低到3.2V。
因此，为了向无线网卡提供较稳定的电源电压Vout，图1所示的降压电路需要很大的输出电容Cout，例如1500μF～2000μF，该电容体积庞大，价格昂贵，且稳压效果不佳。
为了保护接口电源，现有的限制接口电源输出电流，即限制无线网卡电源电路输入电流的方法有三种。第一种方法为在电源电路和接口电源间电耦接一专用的限流芯片，该方法元件多，成本昂贵，且集成度不高。第二种方法为峰值电流限流，即限制流过开关S的电流峰值，当其大于某一阈值时关闭开关S。由于图1所示的降压电路存在输入电容Cin，接口电源的输出电流实际上为流过开关S的电流(不连续)的平均值，与开关占空比有很大关系，所以相同的开关电流峰值并不一定对应相同的接口电源输出电流。当开关占空比较小时，很大一部分接口电源输出电流可用范围被浪费。第三种方法为平均电流限流，即限制流过开关S的电流平均值，该方法采样流过开关S的电流，通过一系列转换得到一与开关电流平均值相关的信号并限制该信号的大小。第三种方法中从开关电流到该与开关电流平均值相关的信号的转换需要时间，所以其动态响应不佳，在接口电源输出电流过流时并不能及时地提供保护。
发明内容
本发明提供一种为无线网卡提供稳定电源电压且不需大输出电容，体积小、成本低，并具有优秀输入限流功能的的电路及方法。
依据本发明提出的一种为无线网卡提供电源电压的电路，包括：一第一开关电路，包括至少一个开关，接收一第一电压，并通过开关切换将其转换为一第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压；一储能电容，并联至所述第一开关电路的输出端；一第二开关电路，电耦接至所述第一开关电路和所述储能电容，包括至少一个开关，接收所述第二电压，并通过开关切换将所述第二电压转换为一第三电压，为所述无线网卡供电，其中所述第三电压小于所述第二电压；以及一输出电容，并联至所述第二开关电路的输出端。
如本发明的优选实施例所述的为无线网卡提供稳定电源电压的电路，其中所述第一开关电路对输入电流进行限流。
依据本发明提出的一种为无线网卡提供电源电压的方法，包括：通过一第一开关电路将一第一电压转换为一第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压；将一储能电容并联至所述第一开关电路的输出端以接收所述第二电压；将一第二开关电路电耦接至所述第一开关电路和所述储能电容以接收所述第二电压，并输出一第三电压为所述无线网卡供电，其中所述第三电压小于所述第二电压。
如本发明的优选实施例所述的为无线网卡提供稳定电源电压的方法，其特征在于，还包括通过所述第一开关电路对输入电流进行限流。
本发明通过第一开关电路的升压功能，提升储能电容的电压，从而使其能够以更小的电容量储存足够的能量，以提供稳定的电源电压输出，而且因储能电容的放电续流和稳压作用，可以使具有更小电容量的输出电容达到提供稳定电源电压输出的效果。因而，本发明因电路结构的改进，使储能电容、输出电容的电容量可以大幅降低，从而降低其体积和成本。
附图说明
图1为现有的无线网卡电源电路的电路图；
图2为无线网卡负载特性的示意图；
图3为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的电路的框图；
图4为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的电路的电路图；
图5为根据本发明一实施例的图4所示电路的波形图；
图6为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
图3为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的电路的框图，包括第一开关电路301、储能电容Cstorage、第二开关电路302和输出电容Cout。第一开关电路电耦接至接口电源(USB、PCIE或PCMCIA等)，接收输入电压Vin。第一开关电路301包括至少一个开关，通过开关切换将输入电压Vin转换为一储能电压Vstorage，该储能电压Vstorage大于输入电压Vin。第一开关电路301可以是任何能实现升压功能的拓扑，例如升压(BOOST)电路、升-降压(BUCK-BOOST)电路、CUK电路、反激(FLYBACK)电路以及正激(FORWARD)电路等。储能电容Cstorage与第一开关电路301的输出端并联，其两端的电压为储能电压Vstorage，储存的能量即为第二开关电路302电耦接至第一开关电路301和储能电容Cstorage，接收储能电压Vstorage。第二开关电路302包括至少一个开关，通过开关切换将储能电压Vstorage转换为一输出电压Vout，为无线网卡供电，该输出电压Vout小于储能电压Vstorage。第二开关电路302可以是任何能实现降压功能的拓扑，例如降压电路、升-降压电路、CUK电路、反激电路以及正激电路等。
输入电压Vin、储能电压Vstorage以及输出电压Vout均为直流电压。在一个实施例中，输入电压Vin为5V，储能电压Vstorage为12V，输出电压Vout为3.8V。第一开关电路301和第二开关电路302中开关的控制方法可以为任何可提供稳定输出电压的控制方法，包括脉冲宽度调制(PWM，pulse widthmodulation)、脉冲频率调制(PFM，pulse frequency modulation)、谐振变换等，实现方式可为峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制等。第一开关电路301和第二开关电路302的开关频率可相等，也可不等。
在一个实施例中，为了保护接口电源，第一开关电路301对其输入电流，即接口电源的输出电流，进行限流，在一个实施例中，第一开关电路301的输入电流被限制至小于500mA。当无线网卡消耗功率较小时，第一开关电路301在储能电容Cstorage上储存大量能量
当无线网卡消耗的功率突然增大时，由于输入电流限流，第一开关电路301停止为储能电容Cstorage提供能量，而储能电容Cstorage中储存的能量被传送至无线网卡，从而为无线网卡提供稳定的电源电压。在这种情况下，储能电容Cstorage和输出电容Cout均无需取得很大。在一个实施例中，储能电容Cstorage为100uF，输出电容Cout为44uF。
图4为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的电路的电路图，其中第一开关电路301为升压电路，第二开关电路302为降压电路，第一开关电路301和第二开关电路302均采用峰值电流控制，第一开关电路301对输出电流进行限流。
第一开关电路301包括输入电容Cin、电感L1、开关S1、二极管D1、第一电流采样电路401、第一电压采样电路402、误差放大器AMP1、比较器COM1、比较器COM2以及RS触发器ff1。输入电容Cin并联至第一开关电路301的输入端，电感L1一端电耦接至第一开关电路301的一输入端和输入电容Cin。开关S1的一端电耦接至电感L1的另一端，开关S1的另一端接地。二极管D1的阳极电耦接至电感L1和开关S1，阴极电耦接至储能电容Cstorage。第一电流采样电路401电耦接至开关S1，采样流过开关S1的电流，并产生一代表该电流的第一电流采样信号Isens1。第一电压采样电路402电耦接至第一开关电路301的输出端，采样储能电压Vstorage，并产生一代表储能电压Vstorage的第一电压采样信号Vsens1。比较器COM1的正相输入端电耦接至第一电流采样电路401以接收第一电流采样信号Isens1，比较器COM1的反相输入端接收一代表最大输入电流的第一阈值Vth1。误差放大器AMP1的反相输入端电耦接至第一电压采样电路402以接收第一电压采样信号Vsens1，误差放大器AMP1的正相输入端接收一代表所需储能电压Vstorage的第二阈值Vth2。比较器COM2的反相输入端电耦接至误差放大器AMP1的输出端，比较器COM2的正相输入端电耦接至第一电流采样电路401以接收第一电流采样信号Isens1。RS触发器ff1包括两个复位端和一个置位端，RS触发器ff1的置位端接收一第一时钟信号CLK1，第一复位端电耦接至比较器COM1的输出端，第二复位端电耦接至比较器COM2的输出端，触发器ff1的输出端电耦接至开关S1的门极，输出脉宽调制信号以控制开关S1的导通与关断。
在第一开关电路301中，当流过开关S1的电流大于一阈值，使第一电流采样信号Isens1大于第一阈值Vth1时，比较器COM1输出高电平，使RS触发器ff1复位，从而关断开关S1，避免流过开关S1的电流继续增大，即限制了流过开关S1的电流的峰值。由于输入电容Cin的存在，接口电源输出的电流为流过电感L1的电流的平均值，而流过电感L1的电流的峰值即为流过开关S1的电流的峰值。当流过开关S1的电流的峰值被限制，即流过电感L1的电流的峰值被限制时，流过电感L1的电流的平均值也被限制(因为电感电流的峰值与平均值仅相差一很小值)，从而使接口电源得到充分的保护。
第二开关电路302包括开关S2、二极管D2、电感L2、输出电容Cout、第二电流采样电路403、第二电压采样电路404、误差放大器AMP2、比较器COM3、以及RS触发器ff2。开关S2的一端电耦接至储能电容Cstorage，二极管D2的阴极极电耦接至开关S2的另一端，二极管D2的阳极接地。电感L2一端电耦接至开关S2和二极管D2的阴极。输出电容Cout并联至第二开关电路302的输出端，一端电耦接至电感L2的另一端，另一端接地。第二电流采样电路403电耦接至开关S2，采样流过开关S2的电流，并产生一代表该电流的第二电流采样信号Isens2。第二电压采样电路404电耦接至第二开关电路的输出端，采样输出电压Vout，并产生一代表输出电压Vout的第二电压采样信号Vsens2。误差放大器AMP2的反相输入端电耦接至第二电压采样电路404以接收第二电压采样信号Vsens2，正相输入端接收一代表所需输出电压Vout的第三阈值Vth3。比较器COM3的反相输入端电耦接至误差放大器AMP2的输出端，正相输入端电耦接至第二电流采样电路404以接收第二电流采样信号Vsens2。RS触发器ff2的置位端接收一第二时钟信号CLK2，复位端电耦接至比较器COM3的输出端，RS触发器ff2的输出端电耦接至开关S2的门极，输出脉宽调制信号以控制开关S2的导通与关断。
第一电流采样电路401和第二电流采样电路403可以为任何可实现电流采样的电路，例如采样电阻、电流镜、放大器或变压器等。第一电压采样电路402和第二电压采样电路404可以为电阻分压电路或电容分压电路等。在一个实施例中，第一电压采样电路402和第二电压采样电路404为电阻分压电路。第一电流采样电路401包括采样电阻Rsens1和放大器AMP3，采样电阻Rsens1电耦接于开关S1和地之间，放大器的AMP3同相输入端电耦接至采样电阻Rsens1和开关S1，放大器AMP3的反相输入端接地，放大器AMP3的输出端输出第一电流采样信号Isens1。第二电流采样电路403包括采样电阻Rsens2和放大器AMP4，采样电阻Rsens1一端电耦接至第二开关电路302的一输入端和放大器AMP4的同相输入端，另一端电耦接至第二开关S2和放大器AMP4的反相输入端，放大器AMP4的输出端输出第二电流采样信号Isens2。
在一个实施例中，为了在开关占空比大于0.5时保证系统的稳定性，在第一电流采样电路401和比较器COM2之间耦接一加法器SUM1，加法器SUM1的一输入端电耦接至第一电流采样电路401以接收第一电流采样信号Isens1，另一输入端接收一斜率补偿信号(通常为一与第一时钟信号CLK1同步的锯齿波信号)，加法器SUM1的输出端电耦接至比较器COM2的正相输入端。在第二电流采样电路403和比较器COM3之间耦接一加法器SUM2，加法器SUM2的一输入端电耦接至第二电流采样电路403以接收第二电流采样信号Isens2，另一输入端接收一斜率补偿信号(通常为一与第二时钟信号CLK2同步的锯齿波信号)，加法器SUM2的输出端电耦接至比较器COM3的正相输入端。
在一个实施例中，开关S1和S2均为MOSFET(金属氧化物场效应晶体管，metal oxide semiconductor field effect transistor)，二级管D2被替换为同步整流开关S3，亦为MOSFET，开关S1、S2S3、第一电流采样电路401、第二电流采样电路402、误差放大器AMP1、AMP2、比较器COM1、COM2、COM3、RS触发器ff1与ff2集成在同一封装中。
图5为根据本发明一实施例的图4所示电路的波形图。其中输入电压Vin＝5V，储能电压Vstorage＝12V，输出电压Vout＝3.8V，储能电容Cstorage＝100uF，输出电容Cout＝44uF，无线网卡电流谷值为0.1A，峰值为2.1A。由图5可知，当无线网卡电流由0.1A变化为2.1A时，输出电压Vout由3.9V变化为3.7V，在该过程中输出电压Vout变化的峰-峰值仅为200mV，为额定值的5.3％，第一开关电路301的输入电流Iin也被限制在小于500mA。
图6为根据本发明一实施例的为无线网卡提供电源电压的方法的流程图，包括步骤601、602和603。
步骤601，通过一第一开关电路将一第一电压转换为一第二电压，其中第二电压大于第一电压。
步骤602，将一储能电容并联至第一开关电路的输出端以接收第二电压。
步骤603，将一第二开关电路电耦接至第一开关电路和储能电容以接收第二电压，并输出一第三电压为无线网卡供电，其中第三电压小于第二电压。
在一个实施例中，第一开关电路对输入电流进行限流。
在一个实施例中，第一开关电路为升压电路，而第二开关电路为降压电路。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (17)
1.一种为无线网卡提供电源电压的电路，包括：
一第一开关电路，包括至少一个开关，接收一第一电压，并通过开关切换将其转换为一第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压；
一储能电容，并联至所述第一开关电路的输出端；
一第二开关电路，电耦接至所述第一开关电路和所述储能电容，包括至少一个开关，接收所述第二电压，并通过开关切换将所述第二电压转换为一第三电压，为所述无线网卡供电，其中所述第三电压小于所述第二电压；以及
一输出电容，并联至所述第二开关电路的输出端。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关电路对输入电流进行限流。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关电路为一升压电路，包括：
一输入电容，并联至所述第一开关电路的输入端；
一第一电感，一端电耦接至所述第一开关电路的一输入端和所述输入电容；
一第一开关，一端电耦接至所述第一电感的另一端，所述第一开关的另一端接地；以及
一第二开关，一端电耦接至所述第一电感和第一开关，另一端电耦接至所述储能电容。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关电路还包括：
一第一电流采样电路，电耦接至所述第一开关，采样流过所述第一开关的电流，并产生一代表流过所述第一开关的电流的第一电流采样信号；
一限流电路，电耦接至所述电流采样电路，接收所述第一电流采样信号并将所述第一电流采样信号与一第一阈值比较，当所述第一电流采样信号大于所述第一阈值时，产生一信号以断开所述第一开关。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，其中所述第二开关电路为一降压电路，包括：
一第三开关，一端电耦接至所述第二开关电路的一输入端和所述储能电容；
一第四开关，一端电耦接至所述第三开关的另一端，所述第四开关的另一端接地；
一第二电感，一端电耦接至所述第三开关和第四开关；
一输出电容，并联至所述第二开关电路的输出端，一端电耦接至所述第二电感的另一端，另一端接地。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，其中所述限流电路包括一第一比较器，所述第一比较器的正相输入端电耦接至所述第一电流采样电路以接收所述第一电流采样信号，所述第一比较器的反相输入端接收所述第一阈值，所述第一开关电路还包括：
一第一电压采样电路，电耦接至所述第一开关电路的输出端，采样所述第二电压，并产生一代表所述第二电压的第一电压采样信号；
一第一误差放大器，所述第一误差放大器的反相输入端电耦接至所述第一电压采样电路以接收所述第一电压采样信号，所述第一误差放大器的正相输入端接收一第二阈值；
一第二比较器，所述第二比较器的反相输入端电耦接至所述第一误差放大器的输出端，所述第二比较器的正相输入端电耦接至所述第一电流采样电路以接收所述第一电流采样信号；
一第一触发器，包括两个复位端和一个置位端，所述第一触发器的置位端接收一第一时钟信号，所述第一触发器的第一复位端电耦接至所述第一比较器的输出端，所述第一触发器的第二复位端电耦接至所述第二比较器的输出端，所述第一触发器的输出端输出脉宽调制信号以控制所述第一开关和第二开关的导通与关断。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，其中所述第二开关电路还包括：
一第二电流采样电路，电耦接至所述第三开关，采样流过所述第三开关的电流，并产生一代表流过所述第三开关的电流的第二电流采样信号；
一第二电压采样电路，电耦接至所述第二开关电路的输出端，采样所述第三电压，并产生一代表所述第三电压的第二电压采样信号；
一第二误差放大器，所述第二误差放大器的反相输入端电耦接至所述第二电压采样电路以接收所述第二电压采样信号，所述第二误差放大器的正相输入端接收一第三阈值；
一第三比较器，所述第三比较器的反相输入端电耦接至所述第二误差放大器的输出端，所述第三比较器的正相输入端电耦接至所述第二电流采样电路以接收所述第二电流采样信号；
一第二触发器，所述第二触发器的置位端接收一第二时钟信号，所述第二触发器的复位端电耦接至所述第三比较器的输出端，所述第二触发器的输出端输出脉宽调制信号以控制所述第三开关和第四开关的导通与关断。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关电路还包括一第一加法器，电耦接于所述第一电流采样电路和所述第二比较器之间，所述第一加法器的一输入端电耦接至所述第一电流采样电路以接收所述第一电流采样信号，所述第一加法器的另一输入端接收一第一斜率补偿信号，所述第一加法器的输出端电耦接至所述第二比较器的正相输入端。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，其中所述第二开关电路还包括一第二加法器，电耦接于所述第二电流采样电路和所述第三比较器之间，所述第二加法器的一输入端电耦接至所述第二电流采样电路以接收所述第二电流采样信号，所述第二加法器的另一输入端接收一第二斜率补偿信号，所述第一加法器的输出端电耦接至所述第三比较器的正相输入端。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，其中所述第一电流采样电路包括一第一采样电阻和第一电流采样放大器，所述第一采样电阻电耦接于所述第一开关和地之间，所述第一电流采样放大器的同相输入端电耦接至所述第一采样电阻和第一开关，所述第一电流采样放大器的反相输入端接地，所述第一电流采样放大器的输出端输出所述第一电流采样信号。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，其中所述第二电流采样电路包括一第二采样电阻和第二电流采样放大器，所述第二采样电阻一端电耦接至所述第二开关电路的一输入端和所述第二电流采样放大器的同相输入端，另一端电耦接至所述第二开关和所述第二电流采样放大器的反相输入端，所述第二电流采样放大器的输出端输出所述第二电流采样信号。
12.如权利要求11所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关和第二开关均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
13.如权利要求12所述的电路，其特征在于，其中所述第三开关为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第四开关为二极管。
14.如权利要求13所述的电路，其特征在于，其中所述第一开关、第二开关、第三开关、第一电流采样电路、第二电流采样电路、第一误差放大器、第二误差放大器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一触发器、第二触发器、第一加法器与第二加法器集成在同一封装中。
15.一种为无线网卡提供电源电压的方法，包括：
通过一第一开关电路将一第一电压转换为一第二电压，其中所述第二电压大于所述第一电压；
将一储能电容并联至所述第一开关电路的输出端以接收所述第二电压；
将一第二开关电路电耦接至所述第一开关电路和所述储能电容以接收所述第二电压，并输出一第三电压为所述无线网卡供电，其中所述第三电压小于所述第二电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括通过所述第一开关电路对输入电流进行限流。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一开关电路为升压电路，所述第二开关电路为降压电路。
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