CN104734477A - 一种输出电流限流电路及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于属于电流输出控制领域，提供了一种输出电流限流电路及限流方法，包括电流采样电路、斩波电路、滤波电路、比较电路以及控制电路；所述电流采样电路的输出端连接所述斩波电路的输入端，所述电流采样电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述斩波电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述斩波电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述滤波电路的输出端连接所述比较电路的输入端，所述比较电路的输出端连接所述控制电路的输入端，本发明与现有技术相比由于不直接在输出负载通路串联电阻，因此没有功率损失，无额外损耗，具有较高的效率。

Description

一种输出电流限流电路及限流方法

技术领域

本发明属于电流输出控制领域，尤其涉及一种输出电流限流电路。

背景技术

在BOOST升压电路中，有时需要限制最大输出电流。如图1所示，常见的做法是在输出负载通路上串联一个电阻Rs来检测输出电流，并与基准电压VREF比较，当Rs上的电压高过VREF时则减小系统输入功率。这种方法的优点是电路实现简单，其缺点是会损失效率，并且需要额外的输入引脚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出电流限流电路及限流方法，以解决现有技术方案中会损失功率同时需要额外的输入引脚的问题。

本发明实施例提供一种输出电流限流电路，与电源电路连接，所述电源电路输出电流，包括电流采样电路、斩波电路、滤波电路、比较电路以及控制电路；

所述电流采样电路的输入端连接电源电路，所述电流采样电路的输出端连接所述斩波电路的输入端，所述电流采样电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述电流采样电路用于根据所述控制电路所输出的控制信号采集电流信号并发送给所述斩波电路；

所述斩波电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述斩波电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述斩波电路用于根据所述控制电路所输出的控制信号将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波处理以得到脉冲信号，并将所述脉冲信号发送给所述滤波电路；

所述滤波电路的输出端连接所述比较电路的输入端，所述滤波电路用于将所述脉冲信号转换成直流信号并发送给所述比较电路；

所述比较电路的输出端连接所述控制电路的输入端，所述比较电路用于将所述直流信号与预设电流值进行比较，并将比较结果发送给所述控制电路；

所述控制电路的输出端连接所述电源电路的控制端，所述控制电路根据所述比较结果调节所述电源电路的输出电流。

所述电流采样电路包括：

第一可控开关、第二可控开关、第一电阻、第一电容以及第一运放；

所述第一可控开关的输入端为所述电流采样电路的输入端，所述第二可控开关的输出端连接所述第一电阻的第一端和所述第一可控开关的输入端，所述第一可控开关的受控端和所述第二可控开关的受控端连接所述控制电路的输出端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一可控开关的输出端连接所述第一电容的第一端和所述第一运放的同相输入端，所述第一电容的第二端接地，所述第一运放的反相输入端连接所述第一运放的输出端，所述第一运放的输出端为所述电流采样电路的输出端。

所述斩波电路包括：第三可控开关和第四可控开关，所述第三可控开关的输入端为所述斩波电路的输入端，所述第三可控开关的输出端连接所述第四可控开关的输入端，所述第三可控开关的受控端和所述第四可控开关的受控端连接所述控制电路的输出端，所述第四可控开关的输出端接地，所述第三可控开关的输出端为所述斩波电路的输出端。

所述滤波电路包括：第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第二电阻的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端接地，所述第二电阻的第一端为所述滤波电路的输出端。

所述比较电路包括第二比较器，所述第二比较器的同相输入端为所述比较电路的输入端，所述第二比较器的反相输入端为基准电压输入端，所述第二比较器的输出端为所述比较电路的输出端。

本发明实施例还提供一种输出电流限流方法，包括以下步骤：

采集电流信号；

将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号；

将所述脉冲信号转换成直流信号；

将所述直流信号与预设值进行比较并根据所述比较结果调节输出电流。

所述采集电流信号步骤具体为：控制采样电路在低电平脉冲期间的中点时刻采样并保持电感电流。

所述采集电流信号的步骤具体为：控制采样电路在整个低电平脉冲期间采样电感电流并积分以获得平均输入电流。

所述将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号的步骤具体为：控制电流信号在高电平脉冲期间与输出端连接，控制电流信号在低电平脉冲期间与地连接。

所述将所述直流信号与预设值进行比较并根据所述比较结果调节输出电流的步骤具体为：当所述直流信号大于预设值时控制减小占空比以减小输入功率。

本发明的有益效果：本发明一种输出电流限流电路及限流方法与现有技术相比由于不直接在输出负载通路串联电阻，因此没有功率损失，无额外损耗，具有较高的效率，同时不占用集成电路额外的输入输出引脚，特别在集成电路中引脚资源有限的情况下仍然可以实现对输出电流的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的一种输出电流限流电路的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种输出电流限流电路的实施例结构图；

图3是本发明实施例提供的一种输出电流限流电路中的电流采样电路的实施例电路图；

图4是本发明实施例提供的一种输出电流限流电路的实施例电路图；

图5是图4中X点和Y点的波形图；

图6是本发明实施例提供的一种输出电流限流方法的实施例流程图。

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。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供一种输出电流限流电路，请参阅图2，与电源电路100连接，所述电源电路100输出电流，包括电流采样电路101、斩波电路102、滤波电路103、比较电路104以及控制电路105；

电流采样电路101的输入端连接电源电路100，电流采样电路101的输出端连接斩波电路102的输入端，电流采样电路101的受控端连接控制电路105的输出端，电流采样电路101用于根据控制电路105所输出的控制信号采集电流信号，并将所述脉冲信号发送给斩波电路102；

斩波电路102的输出端连接滤波电路103的输入端，斩波电路102的受控端连接控制电路105的输出端，斩波电路102用于根据控制电路105的控制信号将电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号并发送给滤波电路103；

滤波电路103的输出端连接比较电路104的输入端，滤波电路103用于将脉冲信号转换成直流信号并发送给比较电路104；

比较电路104的输出端连接控制电路105的输入端，比较电路104用于将直流信号与预设值进行比较，并将比较结果发送给控制电路105，控制电路105根据比较结果调节输出电流。

电流采样电路101可以采用电流传感器或者开关管、电阻和电容等元件组成的采样电路获取采样电流，电流采样电路101用于获取系统的平均输入电流Ii。可以通过以下方法获取采样电流，例如通过在低电平脉冲期间采样电流，获得系统的平均输入电流Ii的方法至少有两种，其中一种方法是在低电平脉冲期间的中点时刻采样并保持电感电流；另外一种方法是在整个低电平脉冲期间采样电感电流并积分以获得平均输入电流。

斩波电路102可以通过控制可控开关的闭合和断开实现斩波运算，斩波电路102用于将输入平均电流Ii按照预定的占空比进行斩波，以获得脉冲形式的Ii*(1-D)信号。其具体的实现方法可以为：在高电平脉冲期间将Ii信号与输出连接，在低电平脉冲期间将输出接地，因此斩波电路102的输出是脉冲信号，其均值与Ii*(1-D)相等。滤波电路103的作用是将斩波电路102输出的脉冲信号转换成直流信号。滤波电路可以采用低通滤波器，低通滤波器由电阻和电容构成。低通滤波器可以是无源滤波器，也可以是有源滤波器。

比较电路104可以采用比较器等比较器件，比较电路104用于接收参考基准电流信号IREF和输出电流的信号Ii*(1-D)信号，并根据二者的相对大小将比较结果发送给控制电路，控制电路调节系统的占空比。具体来说，即当Ii*(1-D)大于IREF时控制电路减小系统的占空比从而减小系统的输入功率，实现限制最大输出电流的目的。

作为本发明一实施例，控制电路105为单片机或ARM处理器。控制电路105也可由电源集成电路内部的逻辑电路实现。

控制电路105也可以为可编程逻辑器件，例如复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）或者现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）。

本发明的限制输出电流的原理是控制电路105通过采样电路采样电感电流并通过斩波电路102和滤波电路103来间接地获取输出电流信号，并与基准电流信号比较来实现限流功能。

下面描述获取输出电流的原理。

对于BOOST升压电路，通常会检测电感电流信号，例如为了限流目的或者为了电流模式控制的需要，电感电流即系统的输入电流Ii，因此易于得到输入电流信号Ii。

根据能量守恒原理，输入功率等于输出功率：

Vi*Ii=Vo*Io

其中等式左边代表输入功率，等式右边代表输出功率。

因此，可以得到：

$\mathrm{Io}=\mathrm{Ii}*\frac{\mathrm{Vi}}{\mathrm{Vo}}$

对于BOOST升压电路,占空比D为：

$D=1-\frac{\mathrm{Vi}}{\mathrm{Vo}}$

因此，可以得到：

Io=Ii*(1-D)

根据上面的等式，对Ii信号按照一定的占空比进行斩波运算，即可得到输出电流信号，然后将输出电流信号与基准电流信号比较来实现限流功能。

本发明一种输出电流限流电路与现有技术相比由于不直接在输出负载通路串联电阻，因此没有功率损失，无额外损耗，具有较高的效率，同时不占用集成电路额外的输入输出引脚，特别在集成电路中引脚资源有限的情况下仍然可以实现对输出电流的控制。

本发明的另一种实施例，请参阅图3和图4，电流采样电路101包括：

第一可控开关S1、第二可控开关S2、第一电阻R1、第一电容C1以及第一运放U1；

第一可控开关S1的输入端为电流采样电路101的输入端，第二可控开关S2的输出端连接第一电阻R1的第一端和第一可控开关S1的输入端，第一可控开关S1的受控端和第二可控开关S2的受控端连接控制电路105的输出端，第一电阻R1的第二端接地，第一可控开关S1的输出端连接第一电容C1的第一端和第一运放U1的同相输入端，第一电容C1的第二端接地，第一运放U1的反相输入端连接第一运放U1的输出端，第一运放U1的输出端为电流采样电路101的输出端。

斩波电路102包括：第三可控开关S3和第四可控开关S4，第三可控开关S3的输入端为斩波电路102的输入端，第三可控开关S3的输出端连接第四可控开关S4的输入端，第三可控开关S3的受控端和第四可控开关S4的受控端连接控制电路105的输出端，第四可控开关S4的输出端接地，第三可控开关S3的输出端为斩波电路102的输出端。

滤波电路103包括：第二电阻R2和第二电容C2，第二电阻R2的第一端为滤波电路103的输入端，第二电阻R2的第二端连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端接地，第二电阻R2的第一端为滤波电路103的输出端。

比较电路104包括第二比较器U2，第二比较器U2的同相输入端为比较电路104的输入端，第二比较器U2的反相输入端为基准电压输入端，第二比较器U2的输出端为比较电路104的输出端。

电流采样电路101在TON期间，第二可控开关S2导通，第二可控开关S2可以选择采用NMOS管，电感电流流过电流检测电阻第一电阻R1，第一电阻R1上的电压包含了输入电流Ii的信息。控制电路105控制在1/2TON的时间点采样第一电阻R1上的电压并保持，则第一电容C1上的电压等于Ii*Rs，此电压经过运放缓冲以便送到斩波电路102继进行处理。

电流采样电路101输出Ii*Rs，控制电路105控制斩波电路102中的第三可控开关S3和第四可控开关S4实现斩波运算，第三可控开关S3在TOFF期间导通，第四可控开关S4在TON期间导通。滤波电路103中的第二电阻R2和第二电容C2构成低通滤波器。节点X是斩波运算单元的输出，其波形见图5中的实线部分。节点Y是低通滤波器的输出，节点Y的电压等于Ii*Rs*(1-D)，包含了输出电流均值信息，输出电流均值等于Ii*(1-D)。比较器比较节点Y的电压与基准电压的相对大小，当比较器输出为高电平时则减小系统的占空比从而减小系统的输入功率，因此限制了输出电流的均值不超过VREF/Rs。

作为本发明一实施例，本发明还提供一种输出电流限流方法，请参阅图6，包括以下步骤：

S201、采集电流信号；

S202、将电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号；

S203、将脉冲信号转换成直流信号；

S204、将直流信号与预设值进行比较并根据比较结果调节输出电流。

步骤S201的一种实施方式为：控制采样电路在低电平脉冲期间的中点时刻采样并保持电感电流。

步骤S201的另一种实施方式为：控制采样电路在整个低电平脉冲期间采样电感电流并积分以获得平均输入电流。

步骤S202具体为：控制电流信号在高电平脉冲期间与输出端连接，控制电流信号在低电平脉冲期间与地连接。

步骤S203具体为：当直流信号大于预设值时控制减小占空比以减小输入功率。

本发明一种输出电流限流方法与现有技术相比由于不直接在输出负载通路串联电阻，因此没有功率损失，无额外损耗，具有较高的效率，同时不占用集成电路额外的输入输出引脚，特别在集成电路中引脚资源有限的情况下仍然可以实现对输出电流的控制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种输出电流限流电路，与电源电路连接，所述电源电路输出电流，其特征在于，包括电流采样电路、斩波电路、滤波电路、比较电路以及控制电路；

所述电流采样电路的输入端连接电源电路，所述电流采样电路的输出端连接所述斩波电路的输入端，所述电流采样电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述电流采样电路用于根据所述控制电路所输出的控制信号采集电流信号并发送给所述斩波电路；

所述斩波电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述斩波电路的受控端连接所述控制电路的输出端，所述斩波电路用于根据所述控制电路所输出的控制信号将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波处理以得到脉冲信号，并将所述脉冲信号发送给所述滤波电路；

所述滤波电路的输出端连接所述比较电路的输入端，所述滤波电路用于将所述脉冲信号转换成直流信号并发送给所述比较电路；

所述比较电路的输出端连接所述控制电路的输入端，所述比较电路用于将所述直流信号与预设电流值进行比较，并将比较结果发送给所述控制电路；

所述控制电路的输出端连接所述电源电路的控制端，所述控制电路根据所述比较结果调节所述电源电路的输出电流。

2.如权利要求1所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述电流采样电路包括：

第一可控开关、第二可控开关、第一电阻、第一电容以及第一运放；

所述第一可控开关的输入端为所述电流采样电路的输入端，所述第二可控开关的输出端连接所述第一电阻的第一端和所述第一可控开关的输入端，所述第一可控开关的受控端和所述第二可控开关的受控端连接所述控制电路的输出端，所述第一电阻的第二端接地，所述第一可控开关的输出端连接所述第一电容的第一端和所述第一运放的同相输入端，所述第一电容的第二端接地，所述第一运放的反相输入端连接所述第一运放的输出端，所述第一运放的输出端为所述电流采样电路的输出端。

3.如权利要求1所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述斩波电路包括：第三可控开关和第四可控开关，所述第三可控开关的输入端为所述斩波电路的输入端，所述第三可控开关的输出端连接所述第四可控开关的输入端，所述第三可控开关的受控端和所述第四可控开关的受控端连接所述控制电路的输出端，所述第四可控开关的输出端接地，所述第三可控开关的输出端为所述斩波电路的输出端。

4.如权利要求1所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述滤波电路包括：第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第二电阻的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端接地，所述第二电阻的第一端为所述滤波电路的输出端。

5.如权利要求1所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述比较电路包括第二比较器，所述第二比较器的同相输入端为所述比较电路的输入端，所述第二比较器的反相输入端为基准电压输入端，所述第二比较器的输出端为所述比较电路的输出端。

6.一种基于如权利要求1所述的输出电流限流电路的限流方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集电流信号；

将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号；

将所述脉冲信号转换成直流信号；

将所述直流信号与预设值进行比较并根据所述比较结果调节输出电流。

7.如权利要求6所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述采集电流信号步骤具体为：控制采样电路在低电平脉冲期间的中点时刻采样并保持电感电流。

8.如权利要求6所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述采集电流信号的步骤具体为：控制采样电路在整个低电平脉冲期间采样电流并积分以获得平均输入电流。

9.如权利要求6所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述将所述电流信号按照预定的占空比进行斩波得到脉冲信号的步骤具体为：控制电流信号在高电平脉冲期间与输出端连接，控制电流信号在低电平脉冲期间与地连接。

10.如权利要求6所述的输出电流限流电路，其特征在于，所述将所述直流信号与预设值进行比较并根据所述比较结果调节输出电流的步骤具体为：当所述直流信号大于预设值时，减小所述电源电路的占空比以减小输入功率。