CN103825460B - 电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法。利用采样/保持电路以与电流输出路径中的高位晶体管开关的导通时间大致同步的采样时间采样对应通过高位晶体管开关的电流的电流感测电压信号，并在其余时间将其采样到的信号保持在高电位。电流误差放大器根据采样/保持电路的输出和电流基准电压信号输出电流误差信号。于输出定电流时，比较器根据锯齿波信号与电流误差信号输出脉冲宽度调变信号，以控制高位晶体管开关和低位晶体管开关的导通时间的工作周期，藉以便调节输出电流到预设值。

Description

电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法

技术领域

本发明涉及一种切换式电源转换器，特别涉及一种采用脉冲宽度调变方式、具有输出电流监测电路、能够根据所监测到的输出电流量调整输出脉冲宽度而达到稳定输出预先设定的电流量的定电流输出的切换式电源转换电路、其电源转换方法及具有该电路的集成电路的制造方法。

背景技术

图1是一种降压型定电流输出的切换式电源转换器的电路示意图。

参照图1，切换式电源转换器10包括一高位晶体管开关M_H、一低位晶体管开关M_L、一控制器12、一电感14、一电容16、及一电流感测电阻18。

控制器903连接高位晶体管开关M_H的栅极与低位晶体管开关M_L的栅极，并且控制高位晶体管开关M_H和低位晶体管开关M_L的开关时序。高位晶体管开关M_H的正极连接电源输入PIN，而高位晶体管开关M_H的负极连接低位晶体管开关M_L的正极。连接低位晶体管开关M_L的负极则连接至电源负极PGND。电感14的第一端连接高位晶体管开关M_H的负极与低位晶体管开关M_L的正极相连接之处，而电感14的第二端连接电流感测电阻18的第一端。电流感测电阻18的第二端则连接至电容16的正极和负载20的正极。电容16的负极和负载20的负极则连接到电源负极PGND。

其中，当晶体管开关(即，高位晶体管开关M_H或低位晶体管开关M_L)是使用PMOS时，正极为源极且负极为漏极。而当晶体管开关是使用NMOS时，正极为漏极且负极为源极。

在电流监测上，根据电流等于电压除以电阻的公式，利用量测到的电流感测电阻18两端的电位差V_R以及已知的电流感测电阻18的电阻值来得出输出电流量信号。再将输出电流量信号回馈到脉冲宽度调变电路来调整输出脉冲宽度，进而调节输出电流I_L的量。

然而，在切换式电源转换器10上，由于全部输出电流I_L都流过电流感测电阻18，因此其消耗的能量非常大。再者，为了尽量减低电流感测电阻18的能耗，电流感测电阻18必须尽量采用低阻值的电阻元件。但阻值愈低其制造误差精度愈难掌握，因此误差值合格堪用的电阻元件成本相对较高。

图2是另一种降压型定电流输出的切换式电源转换器的电路示意图。

参照图2，此切换式电源转换器10’与上述的切换式电源转换器10的差异在于切换式电源转换器10’省略电流感测电阻18。于此，在电流监测上，是利用电感14本身带有一等效直流电阻的性质。

在切换式电源转换器10’中，由滤波电阻Rf和滤波电容Cf串接成的一滤波线路19跨接在电感14两端，藉以由此滤波线路19监测电感14两端的电位差V_L。根据电流等于电压除以电阻的公式，利用量测到的电感14两端的电位差V_L以及已知的电感14的直流电阻值来得出输出电流量信号。再将输出电流量信号回馈到脉冲宽度调变电路来调整输出脉冲宽度，进而调节输出电流I_L的量。

然而，在切换式电源转换器10’上，实用的电感14其直流电阻值相当低，并且相同规格的电感器之间的直流电阻值的差异经常高于百分之二十，导致实际安装相同规格的电感器的每个切换式电源转换器的成品，其分别感测到的理论输出电流量与实际输出电流量误差过大。

发明内容

本发明的目的在于，以内部电流监测的方式适当地提供一固定电流给外部负载。

在一实施例中，一种定电流输出的电源转换电路包括：一电源输入接点、一电源输出接点、一电源转换电路、一电流感测电路、一采样/保持电路、一信号产生电路、一电流误差放大器以及一比较器。

电源转换电路电性连接在电源输入接点和电源输出接点之间，并且此电源转换电路包括一第一高位晶体管开关和一低位晶体管开关。第一高位晶体管开关和低位晶体管开关是根据一脉冲宽度调变信号而交替导通。电流感测电路用以产生对应通过第一高位晶体管开关的电流的一电流感测电压信号。

于此，采样/保持电路的采样期间与第一高位晶体管开关的导通期间大致同步。在采样期间，采样/保持电路根据电流感测电压信号输出一电流监测信号。在保持期间，采样/保持电路则输出保持在高电位的电流监测信号。

电流误差放大器根据电流监测信号和信号产生电路所产生的电流基准电压信号输出一电流误差信号。于电源输出接点输出一定电流时，比较器根据一锯齿波信号与电流误差信号输出脉冲宽度调变信号。

在一些实施例中，定电流输出的切换式电源转换电路可封装成一集成电路。

在另一实施例中，一种集成电路的制造方法包括：在一集成电路上设置一电源输入端子及一电源输出端子；在此集成电路中设置电性连接在电源输入端子和电源输出端子之间的一电源转换电路，其中电源转换电路包括根据一脉冲宽度调变信号而交替导通的一高位晶体管开关和一低位晶体管开关；在此集成电路中设置一电流感测电路，以于高位晶体管开关导通时感测流过高位晶体管开关的电流并输出一电流感测电压信号；在此集成电路中设置一采样/保持电路，以采样电流感测电压信号而输出一电流监测信号并且在高位晶体管开关不导通时保持电流感测电压信号；在此集成电路中设置一信号产生电路，以产生一电流基准电压信号；在此集成电路中设置一电流误差放大器，以根据电流监测信号和电流基准电压信号输出一电流误差信号；以及在此集成电路中设置一比较器，以于电源输出接点输出一定电流时根据一锯齿波信号与电流误差信号输出脉冲宽度调变信号。

在又一实施例中，一种定电流输出的电源转换方法包括：根据一脉冲宽度调变信号而交替导通一第一高位晶体管开关和一低位晶体管开关；感测通过第一高位晶体管开关的电流，以产生对应通过第一高位晶体管开关的电流的一电流感测电压信号；在第一高位晶体管开关的导通期间利用一采样/保持开关采样电流感测电压信号，以根据电流感测电压信号输出一电流监测信号；在第一高位晶体管开关不导通期间利用采样/保持开关保持电流感测电压信号，以输出保持在高电位的电流监测信号；根据电流监测信号和一电流基准电压信号输出一电流误差信号；以及于电源输出接点输出一定电流时，根据一锯齿波信号与电流误差信号输出脉冲宽度调变信号。

其中，第一高位晶体管开关是设置在一电源输入接点和一电源输出接点之间的一第一电流路径上，以及低位晶体管开关是设置在电源输入接点和一电源负极接点之间或电源输出接点和电源负极接点之间的一第二电流路径上。

综上，在根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法中，在电流输出路径(即，电源转换电路)之外，另设置了一条与电流输出路径平行的电流分流路径(特别是与高位晶体管开关或高位晶体管开关平行的主动式分流电路)。电流分流路径所流过电流与电流输出路径中的高位晶体管开关所流过电流相较甚小且两者成比例。在一些实施例中，电流误差放大器的第二输入端连接一可由使用者设定其电压值的电压源(即，信号产生电路)。

在工作原理上，强制流过主动式分流电路的电流为流过电流输出路径中的高位晶体管开关的电流的一固定分数(即，n分之一)，因此可通过监测流过主动式分流电路的电流的量来计算出流过高位晶体管开关的输出电流的量。并且，在同一脉冲周期中，上半周期流过高位晶体管开关的电流的平均值与下半周期流过低位晶体管开关的电流的平均值两者大致相等。因此，可通过监测当高位晶体管开关导通时流过主动式分流线路的电流的平均值得到整个电路(或集成电路)的平均输出电流量。再者，电流感测电压信号通过采样/保持电路滤波后，输出的电流监测信号的涟波幅度缩小并且向原电位差的平均值趋近。由于电流误差放大器所输出的信号的电压升降速率较所输入的信号的电压升降速率为低(即，放大器的频宽较输入信号频率低)的限制，并且相对于第一输入端所接收的高频信号(电流监测信号)又相当于一低通滤波器，使得所输入的电流监测信号不但涟波幅度再缩小并且有效避免了次谐波震荡。

根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法采用脉冲宽度调变方式、具有输出电流监测电路、能够根据所监测到的输出电流量调整输出脉冲宽度而达到稳定输出预先设定的电流量。

根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法可应用在例如电池的充电器或发光二极管的驱动器等需要对外部负载输出一固定电流的场合。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是一种降压型定电流输出的切换式电源转换器的电路示意图；

图2是另一种降压型定电流输出的切换式电源转换器的电路示意图；

图3是根据本发明第一实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图；

图4是根据本发明第二实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图；

图5是根据本发明第三实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图。

其中，附图标记

10 切换式电源转换器

10’ 切换式电源转换器

12 控制器

14 电感

16 电容

18 电流感测电阻

19 滤波线路

20 负载

21 电压探测点

22 外部电感

24 输出电容

26 设定电阻

100 集成电路

111 电源输入接点

112 电源输出接点

113 电源负极接点

114 电流设定接点

115 电压反馈接点

116 电流输出接点

117 电流输入接点

120 电源转换电路

122 高位晶体管开关

123 高位晶体管开关

124 低位晶体管开关

125 低位晶体管开关

130 电流感测电路

131 主动式分流电路

132 高位晶体管开关

134 电位平衡电路

135 电流感测电阻

140 采样/保持电路

142 采样/保持开关

144 低通滤波器

145 电阻

146 保持电容

150 电流误差放大器

152 误差信号选择器

154 电压误差放大器

160 信号产生电路

162 电流电压转换器

163 电流电压转换电阻

164 电位平衡电路

170 比较器

172 锯齿波产生器

180 控制器

190 反馈电路

M_H 高位晶体管开关

M_L 低位晶体管开关

PIN 电源输入

PGND 电源负极

VR 电位差

I_L 输出电流

Rf 滤波电阻

Cf 滤波电容

V_L 电位差

V_IN 电源输入

V_OUT 电源输出

Iset 设定电流

V_FB 反馈信号

OP1 运算放大器

OP2 运算放大器

M1 晶体管

M2 晶体管

I_S 电流

I_M 电流

Vset 基准设定电位

Vref 电压基准信号

具体实施方式

以下述及的「第一」、「第二」等术语，其是用以区别所指的元件，除非有特别说明，此些用语非用以排序或限定所指元件的差异性，且亦非用以限制本发明的范围。

图3是根据本发明第一实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图。

参照图3，定电流输出的切换式电源转换电路包括一电源输入接点111、一电源输出接点112、一电源负极接点113、一电流设定接点114、一电压反馈接点115、一电源转换电路120、一电流感测电路130、一采样/保持电路140、一电流误差放大器150、一误差信号选择器152、一电压误差放大器154、一信号产生电路160、一比较器170及一控制器180。

电源转换电路120包括多个晶体管开关，并且此些晶体管开关分别响应高电位信号和低电位信号而导通。为清楚说明，以下分别称的高位晶体管开关和低位晶体管开关。

应当可理解的是，图示中的晶体管开关(如，高位晶体管开关或低位晶体管开关)虽以采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor；MOSFET)为例，但此非本发明的限制，其也可以采用其他类似元件，例如：绝缘闸双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)。

其中，当晶体管开关是使用PMOS(p-channel MOSFET)时，正极为源极、负极为漏极、且控制极为栅极。而当晶体管开关是使用NMOS(n-channel MOSFET)时，正极为漏极、负极为源极、且控制极为栅极。

在此实施例中，电源转换电路120是布局成一降压型切换式电源转换电路。换言之，定电流输出的切换式电源转换电路为一降压型切换式电源转换器电路。于此，电源转换电路120包括一高位晶体管开关122和一低位晶体管开关124。

高位晶体管开关122的正极连接至电源输入接点111，且高位晶体管开关122的负极与低位晶体管开关124的正极共同连接至电源输出接点112。低位晶体管开关124的负极连接至电源负极接点113。高位晶体管开关122的控制极连接到控制器180的高电位信号输出端，并且低位晶体管开关124的控制极则连接到控制器180的低位信号准输出端。控制器180的输入端连接到比较器170的输出端。

外部的外部电感22的第一端连接到电源输出接点112，并且外部电感22的第二端连接到外部的负载20的第一端和外部的输出电容24的正极。负载20的第二端和输出电容24的负极则连接到电源负极接点113。

控制器180接收比较器170所输出的脉冲宽度调变信号，并根据脉冲宽度调变信号输出信号以控制高位晶体管开关122和低位晶体管开关124交替地开与关。

当高位晶体管开关122导通(打开)时，低位晶体管开关124不导通(关闭)。此时，输出电流I_L依序流经电源输入接点111、高位晶体管开关122、电源输出接点112、外部电感22、输出电容24(以由输出电容24对其进行滤波)、及负载20，最后回到电源负极接点113。

当高位晶体管开关122不导通(关闭)时，低位晶体管开关124导通(打开)。此时，储存在外部电感22中的磁能转化为输出电流I_L，并且转化出的输出电流I_L依序流经输出电容24(以由输出电容24对其进行滤波)、负载20、电源负极接点113、低位晶体管开关124、及电源输出接点112，最后回到外部电感22。

在一些实施例中，电源转换电路120、电流感测电路130、采样/保持电路140、电流误差放大器150、误差信号选择器152、电压误差放大器154、信号产生电路160、比较器170及控制器180可封装成一集成电路100。换言之，电源转换电路120、电流感测电路130、采样/保持电路140、电流误差放大器150、误差信号选择器152、电压误差放大器154、信号产生电路160、比较器170及控制器180是设置在一集成电路的内部。此时，电源输入接点111、电源输出接点112、电源负极接点113、电流设定接点114、电压反馈接点115为集成电路100的对外端子。即，电源输入接点111为集成电路100用以与外部线路耦接的电源输入正极端子，并用以接收来自外部线路的电源输入V_IN。电源输出接点112为集成电路100用以与外部线路耦接的电源输入正极端子，并用以提供电源输出V_OUT给外部线路。电源负极接点113为集成电路100用以与外部线路耦接的电源负极端子，并用以耦接至外部线路的参考电位(例如：接地)。电流设定接点114为集成电路100用以与外部线路耦接的电流设定端子，并用以接收来自外部线路的设定电流Iset。电压反馈接点115为集成电路100用以与外部线路耦接的电压反馈端子，并用以接收来自外部线路的反馈信号V_FB。

前述的外部元件(如，负载20、外部电感22、输出电容24、设定电阻26等)即是设置在集成电路100的外部，并通过连接集成电路100的对外端子而电性连接集成电路100的内部线路。

电流感测电路130包括主动式分流电路131和电流感测电阻135。主动式分流电路131包括一高位晶体管开关132以及由运算放大器OP1和晶体管M1所构成的一电位平衡电路134。为了方便说明，在下文中，将高位晶体管开关122称的为第一高位晶体管开关122、将高位晶体管开关132称的为第二高位晶体管开关132、并且将电位平衡电路134称的为第一电位平衡电路134。

第二高位晶体管开关132的正极和第一高位晶体管开关122的正极共同连接到电源输入接点111。第二高位晶体管开关132的控制极和第一高位晶体管开关122的控制极共同连接到控制器180的高电位信号输出端。第一高位晶体管开关122的负极和第二高位晶体管开关132的负极分别与运算放大器OP1的两个输入端连接，并且运算放大器OP1的输出端则连接晶体管M1的控制极。第二高位晶体管开关132的负极另连接晶体管M1的正极。

由于运算放大器OP1的两个输入端的电位被强制相同，因而第一高位晶体管开关122的负极的电位和第二高位晶体管开关132的负极的电位也被强制相同。又由于第一高位晶体管开关122的正极和第二高位晶体管开关132的正极相连接，因此第一高位晶体管开关122的正极的电位和第二高位晶体管开关132的正极的电位也相同。

于此，第二高位晶体管开关132的材料和制造工艺均相同于第一高位晶体管开关122，但第二高位晶体管开关132的规模为第一高位晶体管开关122的一固定分数即n分之一，因此第二高位晶体管开关132的正极到负极间的导通电阻会是第一高位晶体管开关122的正极到负极间的导通电阻的n倍。又既然第一高位晶体管开关122和第二高位晶体管开关132两者的正极到负极间的电压降相同，而第二高位晶体管开关132的导通电阻是第一高位晶体管开关122的导通电阻的n倍，因此流过第二高位晶体管开关132的电流I_S是流过第一高位晶体管开关122的电流I_M的n分之一。

举例来说，假设第一高位晶体管开关122的额定工作电流是2安培。以目前的半导体制造技术，可以轻易地制造出一额定工作电流是2安培的10万分之一的第二高位晶体管开关132，如此依来，因监测电流的需求而损耗的能量变得微不足道。

应当可理解的是，第一电位平衡电路134有许多不同的设计，并不限于第3图所示的实施例中所揭露的设计。在本发明的其他实施例中，第一电位平衡电路134可采用其他合适的设计。

主动式分流电路131的末端串连电流感测电阻135接地。换言之，电流感测电阻135的第一端连接到晶体管Ms的负极，并且电流感测电阻135的第二端连接到信号地线。

流过第二高位晶体管开关132的电流I_S也流过电流感测电阻135，并且在电流感测电阻135的两端形成一电位差(V_SENSE)。此电位差(V_SENSE)的值等于流过第一高位晶体管开关122的电流I_M的n分之一乘以电流感测电阻135的电阻值(R_SENSE)，如下式1。

因此，利用此电位差(V_SENSE)能够成比例地表示流过流过第一高位晶体管开关122的电流I_M的值。

换言之，流过电流感测电阻135的电流量同样是流过第一高位晶体管开关122的电流I_M的n分之一，其平均值大致等于整个电路(或具此电路的集成电路100)的输出电流I_L的平均值的n分之一。因此，电流感测电阻135的两端的电位差的平均值大致等于电流感测电阻135的电阻值乘以整个电路(或整个集成电路100)的输出电流I_L的平均值的n分之一。

上述电位差(V_SENSE)的电流感测电压信号输入一采样/保持电路140。

采样/保持电路140包括一采样/保持开关142和一低通滤波器144。低通滤波器144为电阻145和保持电容146共同构成之一电阻电容式低通滤波器。

采样/保持开关142的第一端连接到主动式分流电路131的末端和电流感测电阻135的第一端，并接收具有上述电位差(V_SENSE)的电流感测电压信号。采样/保持开关142的第二端则连接到电阻145的第一端。电阻145的第二端连接到保持电容146的第一端和电流误差放大器170的第一输入端。保持电容146的第二端接地。

采样/保持开关142的控制端连接到控制器180，并由控制器180输出信号以控制采样/保持开关142的运作(导通与否)。于此，采样/保持开关142的导通期间(即，采样期间)与高位晶体管开关122、132的导通期间大致同步。

在采样期间，采样/保持开关142根据电流感测电压信号输出一电流监测信号。在保持期间，采样/保持开关142则使电流感测电压信号保持在高电位而输出保持在高电位的电流监测信号。电流监测信号经由低通滤波器144滤波后输入到电流误差放大器170的第一输入端。

换句话说，在第一高位晶体管开关122的导通期间，通过第一高位晶体管开关122的电流I_M对外部电感22进行充电，并且电流感测电阻135的两端反应外部电感22的输出电流I_L的上升段(即，外部电感22的充电电流)而产生电流感测电压信号(电位差V_SENSE)。电流感测电压信号通过具有低通滤波功能的采样/保持电路140后，其信号涟波幅度缩小并且向原外部电感22的输出电流I_L的上升段(原电位差V_SENSE)的平均值趋近。滤波后的电流感测电压信号(即，电流监测信号)再输入到电流误差放大器150的第一输入端。

由于电流误差放大器150具有输出信号的电压升降速率较所输入信号的电压升降速率为低(即，电流误差放大器150的频宽较输入信号的频率低)的限制，并且电流误差放大器150相对于由第一输入端所接收的高频信号又相当于一低通滤波器，使得所输入信号(即，电流监测信号)不但涟波幅度再进一步缩小并且有效避免了次谐波震荡。

电流误差放大器150的第二输入端连接至信号产生电路160，并且接收信号产生电路160所产生的既经设定的一电流基准电压信号。电流误差放大器150将电流基准电压信号和电流监测信号做误差放大，藉以输出一电流误差信号到误差信号选择器152的第一输入端。

在一些实施例中，信号产生电路160包括一电流电压转换器162和一电位平衡电路164。为清楚说明，在下文中，将电位平衡电路164称之为第二电位平衡电路164。

第二电位平衡电路164包括一运算放大器OP2和一晶体管M2。运算放大器OP2的第一输入端连接至集成电路100内部产生的一基准设定电位Vset，并且运算放大器OP2的第二输入端和晶体管M2的负极共同连接电流设定接点114。运算放大器OP2的输出端连接至晶体管M2的控制极，而电流电压转换器162连接在晶体管M2的正极和电流误差放大器150的第二输入端之间。

第二电位平衡电路164将电流设定接点114的电位与集成电路100内部产生的基准设定电位Vset强制为相同。并且，使用者在电流设定接点114与信号地线之间连接一设定电阻26。此设定电阻26的电阻值以Rset表示。如此一来，流过电流设定接点114的电流Iset的值固定为Vset/Rset。此电流Iset利用电流电压转换器162而转换为一电压信号，并且此电压信号作为电流基准信号而输入到电流误差放大器150的第二输入端。

电流电压转换器162包括一电流电压转换电阻163。于此，电流电压转换电阻163与电流感测电阻135是在同一时间同一工艺下以同一批材料制造在同一集成电路100上，因此两者的制造误差的方向(正或负)和程度大致相同。举例来说，在某一产品上，电流电压转换电阻163与电流感测电阻135的实际电阻值都比设计值高出百分之十，那么分别通过两电阻而产生的电流基准信号与电流监测信号也都各比理论值高出百分之十。因此，当电流基准信号与电流监测信号做误差放大时，两者的制造误差就互相抵消掉了。

误差信号选择器152的第二输入端连接到电压误差放大器154的输出端。电压误差放大器154的第一输入端电性连接到电压反馈接点115。

在靠近负载20的正极的地方可设有一电压探测点21，并且此电压探测点21电性连接到电压反馈接点115。

在一些实施例中，电压探测点21到电压误差放大器154的第一输入端之间的反馈路径上可设置一反馈电路190。此反馈电路190用以成比例地调整来自电压探测点21的反馈电压而输出一电压监测信号给电压误差放大器154。

在一些实施例中，反馈电路190可设置在集成电路100的外部，即，连接在电压探测点21和电压反馈接点115之间。

在一些实施例中，反馈电路190亦可设置在集成电路100的内部，即，连接在电压反馈接点115和电压误差放大器154的第一输入端之间。

在一些实施例中，反馈电路190可为一分压电阻电路，并且分压电阻电路的分压接电连接到电压误差放大器154的第一输入端。

此时，反馈电路190将从电压反馈接点115输入的外部电压反馈信号成比例缩小后输出一电压监测信号到电压误差放大器154的第一输入端。电压误差放大器154的第二输入端则接受集成电路100内部产生的电压基准信号Vref。电压误差放大器154将电压基准信号Vref和电压监测信号做误差放大，藉以输出一电压误差信号到误差信号选择器152的第二输入端。

根据不同的电路设计，误差信号选择器152根据电压监测信号的高低判断外部负载20的电压是否高于一预设电压阀值。当负载20的电压低于预设电压阀值时，误差信号选择器152输出电流误差信号到比较器170的第一输入端。当负载20的电压高于预设电压阀值时，误差信号选择器152输出电压误差信号到比较器180的第一输入端。

比较器170的第二输入端则接受来自一锯齿波产生器172的锯齿波信号。比较器170比较两个输入端接收到的信号大小，藉以输出一脉冲宽度调变信号给控制器180。控制器180根据此脉冲宽度调变信号控制第一高位晶体管开关122和低位晶体管开关124的导通时间的工作周期(Duty Cycle)，以便调节整个电路的输出电流I_L到一预设值。

在本实施例中，误差信号选择器152以及误差信号选择器152与电压误差放大器154的连接方式，主要是因应应用在诸如电池的充电器等需要在定电流的输出工作模式和定电压的输出工作模式之间切换的情况而设置。许多种类的充电电池都有下列要求：当充电电池的电压低于某一数值时，充电电池最好接受定电流充电，而当充电电池的电压达到或高于某一数值时，充电电池最好接受定电压充电。

误差信号选择器152能够根据电压误差放大器154所输出的电压误差信号的大小判断充电电池(即，外部负载20)的电压低于或高于某一设定电压值(即，预设电压阀值)。当误差信号选择器152判定充电电池的电压低于设定电压值时，误差信号选择器152选择输出电流误差信号给比较器170；此时，集成电路100工作在定电流的输出模式下，并且经由电源输出接点112输出定电流。当误差信号选择器152判定充电电池的电压高于设定电压值时，误差信号选择器152选择输出电压误差信号给比较器170；此时，集成电路100工作在定电压输出模式下，并且经由电源输出接点112输出定电压。

换句话说，当定电流输出的切换式电源转换电路(或具此电路的集成电路)应用在只需输出定电流而无需输出定电压的场合时，定电流输出的切换式电源转换电路(或具此电路的集成电路)可不包括电压反馈接点115(电压反馈端子)、反馈电路190、电压误差放大器154和误差信号选择器152。此时，电流误差放大器150的输出端则连接到比较器170的第一输出端。

图4是根据本发明第二实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图。

参照图4，在此实施例中，电源转换电路120(即，高位晶体管开关122和低位晶体管开关124)与外部电感22之间的连接方式，以及它们各自和电源输入接点111、电源输出接点112及电源负极接点113的连接方式不同于第3图所示的第一实施例的布局，但在第4图所示的第二实施例中此部分的电路布局属于常用的升压型切换式电源转换器主电路，即，定电流输出的切换式电源转换电路可为一升压型切换式电源转换器电路。并且，升压型切换式电源转换器主电路是在现有技术中熟知的，且为本领域的技术人员所熟知，故于此不再赘述。

在此实施例中，电源转换电路120是布局成一升压型切换式电源转换电路。于此，电源转换电路120的低位晶体管开关124的正极连接到电源输入接点111，并且外部电感22连接在电源输入V_IN与电源输入接点111之间。在图4所示的第二实施例中的其余电路布局请参考以上对于图3所示的第一实施例的对应描述。

图5是根据本发明第三实施例的定电流输出的切换式电源转换电路的示意图。

参照图5，电源转换电路120包括二高位晶体管开关122、123和二低位晶体管开关124、125。在此实施例中，电源转换电路120与外部电感22之间的连接方式，以及它们各自和电源输入接点111、电源输出接点112及电源负极接点113的连接方式

电源转换电路120(即，高位晶体管开关122和低位晶体管开关124)与外部电感22之间的连接方式，以及它们各自和电源输入接点111、电源输出接点112及电源负极接点113的连接方式属于常用的升降压两用型切换式电源转换器主电路，即，定电流输出的切换式电源转换电路可为一升降压两用型切换式电源转换器电路。并且，升降压两用型切换式电源转换器主电路是在现有技术中熟知的，且为本领域的技术人员所熟知，故于此不再赘述。另外，升降压两用型切换式电源转换器另需包括用于决定在升压模式和降压模式之间切换时机的电路及控制切换的电路，由于此部分的电路布局是在现有技术中熟知的，且为本领域的技术人员所熟知，故于此不再赘述且在图5中省略绘出。

在此实施例中，电源转换电路120是布局成一升降压两用型电源转换电路。于此，高位晶体管开关122的正极与负极分别连接至电源输入接点111和电流输出接点116。高位晶体管开关123的正极与负极则分别连接至电流输入接点117和电源输出接点112。低位晶体管开关124的正极与负极分别连接至电流输出接点116和电源负极接点113。低位晶体管开关125的正极与负极则分别连接至电流输入接点117和电源负极接点113。高位晶体管开关122、123的控制极连接到控制器180的高电位信号输出端，并且低位晶体管开关124、125的控制极连接到控制器180的低电位信号输出端。外部电感22的第一端连接至电流输出接点116，并且外部电感22的第二端连接至电流输入接点117。

当定电流输出的切换式电源转换电路封装成一集成电路100时，电流输出接点116和电流输入接点117亦为集成电路100的外部端子。即，电流输出接点116和电流输入接点117分别为集成电路100的电流输出端子和电流输入端子，并且在集成电路100外部的外部电感22则跨接在电流输出端子和电流输入端子之间。

在图5所示的第三实施例中的其余电路布局也请参考以上对于图3所示的第一实施例的对应描述。

在图5中，为了简化图示，主动式分流电路131仅以一个环绕高位晶体管开关123的电流路径的椭圆圈表示，其具体实施例电路可参考图3所示的第一实施例或图4所示的第二实施例。

当定电流输出的切换式电源转换电路(或具此电路的集成电路100)工作在降压模式时，高位晶体管开关123和采样/保持开关142保持常开，而低位晶体管开关125则保持常关，采样/保持电路140持续维持采样状态因而接收到对应包括上升段(外部电感22的充电半周期)和下降段(外部电感22的放电半周期)的完整的输出电流I_L的电流感测电压信号。

当定电流输出的切换式电源转换电路(或具此电路的集成电路100)工作在升压模式时，高位晶体管开关122保持常开，低位晶体管开关124保持常关；高位晶体管开关123和低位晶体管开关125则以高频率交替一开一关，采样/保持开关142的导通(打开)时间(即，采样期间)与高位晶体管开关123的导通时间大致同步，因此采样/保持电路140仅采样到外部电感22放电时的电流信号，即，外部电感22的输出电流I_L的下降段信号。由于外部电感22的输出电流I_L的上升段信号的平均值与下降段信号的平均值相等，因此采样/保持电路140所采样到的外部电感22的输出电流I_L的下降段信号可以代表完整的外部电感22的输出电流I_L的信号，并且此信号经过电阻145和保持电容146的滤波后，输出给后端的比较器170调节所输出的脉冲宽度调变信号的脉宽。

在图5所示的第三实施例中，虽然主动式分流电路131是设置成监测高位晶体管开关123的电流，但本发明不限于此。举例来说，在升降压两用型切换式电源转换器电路的其他实施例中，主动式分流电路131也可以设置成监测高位晶体管开关122的电流。

综上，在根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法中，在电流输出路径(即，电源转换电路120)之外，另设置了一条与电流输出路径平行的电流分流路径(特别是与高位晶体管开关122或高位晶体管开关123平行的主动式分流电路131)。电流分流路径所流过电流与电流输出路径中的高位晶体管开关所流过电流相较甚小且两者成比例。在一些实施例中，电流误差放大器150的第二输入端连接一可由使用者设定其电压值的电压源(即，信号产生电路160)。

在工作原理上，强制流过主动式分流电路131的电流I_S为流过电流输出路径中的高位晶体管开关的电流I_M的一固定分数(即，n分之一)，因此可通过监测流过主动式分流电路131的电流I_S的量来计算出流过高位晶体管开关的输出电流的量。并且，在同一脉冲周期中，上半周期流过高位晶体管开关的电流I_M的平均值与下半周期流过低位晶体管开关的电流的平均值两者大致相等。因此，可通过监测当高位晶体管开关导通时流过主动式分流线路131的电流I_S的平均值得到整个电路(或集成电路100)的平均输出电流量。再者，电流感测电压信号通过采样/保持电路140滤波后，输出的电流监测信号的涟波幅度缩小并且向原电位差的平均值趋近。由于电流误差放大器所输出的信号的电压升降速率较所输入的信号的电压升降速率为低(即，放大器的频宽较输入信号频率低)的限制，并且相对于第一输入端所接收的高频信号(电流监测信号)又相当于一低通滤波器，使得所输入的电流监测信号不但涟波幅度再缩小并且有效避免了次谐波震荡。

根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法采用脉冲宽度调变方式、具有输出电流监测电路、能够根据所监测到的输出电流量调整输出脉冲宽度而达到稳定输出预先设定的电流量。

根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法是以内部电流监测的方式适当地提供一固定电流给外部负载。

根据本发明的电源转换电路、电源转换方法及集成电路的制造方法可应用在例如电池的充电器或发光二极管的驱动器等需要对外部负载输出一固定电流的场合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (22)

1.一种定电流输出的电源转换电路，其特征在于，包括：

一电源输入接点；

一电源输出接点；

一电源转换电路，电性连接在该电源输入接点和该电源输出接点之间，该电源转换电路包括一第一高位晶体管开关和一低位晶体管开关，该第一高位晶体管开关和该低位晶体管开关用以根据一脉冲宽度调变信号而交替导通；

一电流感测电路，用以产生对应通过该第一高位晶体管开关的电流的一电流感测电压信号，其中该电流感测电路包括：

一第二高位晶体管开关，该第二高位晶体管开关的导通电阻为该第一高位晶体管开关的导通电阻的一固定倍数；

一第一电位平衡电路，用以强制维持该第一高位晶体管开关的负极与该第二高位晶体管开关的负极电位相同；以及

一电流感测电阻，用以接收流过该第二高位晶体管开关的电流并产生该电流感测电压信号；

一采样/保持电路，用以在采样期间根据该电流感测电压信号输出一电流监测信号，以及在保持期间输出保持在高电位的该电流监测信号，其中该采样/保持电路的该采样期间与该第一高位晶体管开关的导通期间大致同步；

一信号产生电路，用以产生一电流基准电压信号；

一电流误差放大器，用以根据该电流监测信号和该电流基准电压信号输出一电流误差信号；以及

一比较器，用以于该电源输出接点输出一定电流时，根据一锯齿波信号与该电流误差信号输出该脉冲宽度调变信号。

2.根据权利要求1所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该第一电位平衡电路包括：

一运算放大器，该运算放大器的两输入端分别连接该第一高位晶体管开关的负极和该第二高位晶体管开关的负极；以及

一晶体管，该晶体管的控制极连接该运算放大器的输出端、该晶体管的正极连接该第二高位晶体管开关的负极、以及该晶体管的负极连接该电流感测电阻。

3.根据权利要求1所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该采样/保持电路包括：

一采样/保持开关，用以接收该电流感测电压信号并输出该电流监测信号，该采样/保持开关的导通期间与该第一高位晶体管开关的导通期间大致同步；以及

一低通滤波器，用以对该电流监测信号进行滤波，并将滤波后的该电流监测信号输出给该电流误差放大器。

4.根据权利要求1所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该电源转换电路为一降压型切换式电源转换电路或一升压型切换式电源转换电路。

5.根据权利要求1所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该电源转换电路为一升降压两用型切换式电源转换电路。

6.根据权利要求1所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该第一高位晶体管开关和该低位晶体管开关为金氧半场效晶体管。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该电源输入接点及该电源输出接点为一集成电路的对外端子，并且该电源转换电路、该电流感测电路、该采样/保持电路、该信号产生电路、该电流误差放大器及比较器是设置在该集成电路的内部。

8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，还包括：

一电压误差放大器，用以根据一电压基准信号与相应于电性连接该电源输出接点的一外部负载的电压的一电压监测信号输出一电压误差信号；以及

一误差信号选择器，用以根据该外部负载的该电压输出该电压误差信号或该电流误差信号给该比较器。

9.根据权利要求8所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该电源输入接点及该电源输出接点为一集成电路的对外端子，并且该电源转换电路、该电流感测电路、该采样/保持电路、该信号产生电路、该电流误差放大器、比较器、该电压误差放大器及该误差信号选择器是设置在该集成电路的内部。

10.根据权利要求9所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，还包括：

一电流设定接点，用以接收一设定电流，其中该电流设定接点为该集成电路的对外端子，且该设定电流为一固定值；

其中，该信号产生电路包括：

一第二电位平衡电路，用以强制该电流设定端子的电位与一固定电位相同；以及

一电流电压转换器，用以将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。

11.根据权利要求8所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，还包括：

一电流设定接点，用以接收一设定电流，其中该设定电流为一固定值；

其中，该信号产生电路包括：

一第二电位平衡电路，用以强制该电流设定端子的电位与一固定电位相同；以及

一电流电压转换器，用以将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。

12.根据权利要求1至6中的任意一项所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，还包括：

一电流设定接点，用以接收一设定电流，其中该设定电流为一固定值；

其中，该电流基准信号产生电路包括：

一第二电位平衡电路，用以强制该电流设定端子的电位与一固定电位相同；以及

一电流电压转换器，用以将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。

13.根据权利要求12所述的定电流输出的电源转换电路，其特征在于，该电源输入接点、该电源输出接点及该电流设定接点为一集成电路的对外端子，并且该电源转换电路、该电流感测电路、该采样/保持电路、该信号产生电路、该电流误差放大器及比较器是设置在该集成电路的内部。

14.一种集成电路的制造方法，其特征在于，包括：

在一集成电路上设置一电源输入端子及一电源输出端子；

在该集成电路中设置电性连接在该电源输入端子和该电源输出端子之间的一电源转换电路，其中该电源转换电路包括根据一脉冲宽度调变信号而交替导通的一高位晶体管开关和一低位晶体管开关；

在该集成电路中设置一电流感测电路，以于该高位晶体管开关导通时感测流过该高位晶体管开关的电流并输出一电流感测电压信号；

在该集成电路中设置一采样/保持电路，以采样该电流感测电压信号而输出一电流监测信号并且在该高位晶体管开关不导通时保持该电流感测电压信号；

在该集成电路中设置一信号产生电路，以产生一电流基准电压信号；

在该集成电路中设置一电流误差放大器，以根据该电流监测信号和该电流基准电压信号输出一电流误差信号；

在该集成电路中设置一比较器，以于该电源输出接点输出一定电流时根据一锯齿波信号与该电流误差信号输出该脉冲宽度调变信号；以及

在该集成电路上设置一电流设定端子，以接收从该集成电路外部流入的具有固定值的一设定电流；

其中，该信号产生电路的设置步骤包括：

在该集成电路上设置一电位平衡电路，以强制该电流设定端子的电位与一固定电位相同；以及

在该集成电路上设置一电流电压转换器，以将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。

15.根据权利要求14所述的集成电路的制造方法，其特征在于，该电源转换电路是布局成一降压型切换式电源转换电路或一升压型切换式电源转换电路。

16.根据权利要求14所述的集成电路的制造方法，其特征在于，该电源转换电路是布局成一升降压两用型切换式电源转换电路。

17.根据权利要求14至16中的任意一项所述的集成电路的制造方法，其特征在于，还包括：

在一集成电路中设置设置一电压误差放大器，以根据一电压基准信号与相应于电性连接该电源输出接点的一外部负载的电压的一电压监测信号输出一电压误差信号；以及

在一集成电路中设置一误差信号选择器，以根据该外部负载的该电压输出该电压误差信号或该电流误差信号给该比较器。

18.一种定电流输出的电源转换方法，其特征在于，包括：

根据一脉冲宽度调变信号而交替导通一第一高位晶体管开关和一低位晶体管开关，其中该第一高位晶体管开关是设置在一电源输入接点和一电源输出接点之间的一第一电流路径上，以及该低位晶体管开关是设置在该电源输入接点和一电源负极接点之间或该电源输出接点和该电源负极接点之间的一第二电流路径上；

感测通过该第一高位晶体管开关的电流，以产生对应通过该第一高位晶体管开关的该电流的一电流感测电压信号，其中该感测步骤包括：

利用导通电阻为该第一高位晶体管开关的导通电阻的一固定倍数的一第二高位晶体管开关产生对应通过该第一高位晶体管开关的电流的一感测电流；

强制维持该第一高位晶体管开关的负极与该第二高位晶体管开关的负极电位相同；以及

利用一电流感测电阻根据该感测电流产生该电流感测电压信号；

在该第一高位晶体管开关的导通期间利用一采样/保持开关采样该电流感测电压信号，以根据该电流感测电压信号输出一电流监测信号；

在该第一高位晶体管开关不导通期间利用该采样/保持开关保持该电流感测电压信号，以输出保持在高电位的该电流监测信号；

根据该电流监测信号和一电流基准电压信号输出一电流误差信号；以及

于该电源输出接点输出一定电流时，根据一锯齿波信号与该电流误差信号输出该脉冲宽度调变信号。

19.根据权利要求18所述的定电流输出的电源转换方法，其特征在于，还包括：

在该电流误差信号的输出步骤之前，对该电流监测信号进行滤波。

20.根据权利要求18或19所述的定电流输出的电源转换方法，其特征在于，还包括：

根据一电压基准信号与相应于电性连接该电源输出接点的一外部负载的电压的一电压监测信号输出一电压误差信号；以及

根据该外部负载的该电压输出该电压误差信号或该电流误差信号给一比较器。

21.根据权利要求20所述的定电流输出的电源转换方法，其特征在于，还包括：

经由一电流设定接点接收具有固定值的一设定电流；

强制该电流设定接点的电位与一固定电位相同；以及

将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。

22.根据权利要求18或19所述的定电流输出的电源转换方法，其特征在于，还包括：

经由一电流设定接点接收具有固定值的一设定电流；

强制该电流设定接点的电位与一固定电位相同；以及

将该设定电流转换为一电压信号以作为该电流基准电压信号。