CN106549556A

CN106549556A - 多路输入电源和集成电路

Info

Publication number: CN106549556A
Application number: CN201611186615.3A
Authority: CN
Inventors: 殷明星; 邓甫华
Original assignee: Nanjing Xilijie Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Sili Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: CN106549556B

Abstract

公开了一种多路输入电源和用于构建该电源的集成电路，本发明实施例通过独立的控制环路控制对应的输入支路上设置的晶体管，每个控制环路基于预定的箝位电压和对应的晶体管两端电压来控制所述晶体管，从而可以实现在多个端口同时有输入电压时，可以调节多个输入支路上的晶体管工作在饱和区，将晶体管两端电压箝位在所述预定的箝位电压上，必要时多路输入可以同时提供输入电流，同时，独立的控制环路可以自动控制对应的晶体管根据输入电压的变化导通和关断，避免来回切换并对连接到输入端口的外部电源提供保护。

Description

多路输入电源和集成电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种多路输入电源和集成电路。

背景技术

多路输入电源通常会应用于需要获取较大输出电流的场合，例如电池快速充电的场景。图1示出了两路输入电源的电路示意图。如图1所示，所述电源包括降压性拓扑形式的功率变换器以及两个并列的输入支路，每个输入支路对应于不同的输入端口PORT1和PORT2，两个输入支路上分别设置有控制支路通断的晶体管M1和M2。控制逻辑电路CTRL根据不同的控制策略控制晶体管M1和M2导通或关断选择不同的端口作为输入。

一种控制策略是根据外围电路输出一个指示电平指定晶体管M1和M2之一导通，从而使得对应的端口作为输入。

另一种控制策略是将先上电的端口作为输入端口，控制对应的晶体管导通，另一个端口对应的晶体管则保持关断。

还有一种控制策略是将输入电压高的端口作为输入端口，控制对应的晶体管导通。这可以提供更高的输入功率。

但是，现有的控制策略使得两个端口中只有一个能作为输入，不能为后续电路提供更大的输入功率。同时，对于第二种策略，在一个端口先输入较低电压，控制逻辑电路CTRL控制该支路导通的前提下，如果另一个端口在后接入一个较高的输入电压，由于，具有较高输入电压的端口对应的晶体管存在体二极管，同时，具有较低输入电压的端口的晶体管处于导通状态，由此，会导致该较高的输入电压会传递到具有较低电压的输入端口从而对外部电源造成损害。而对于第三种策略，通过两个端口PORT1和PORT2同时输入两个不同的输入电压Vin1和Vin2，且Vin1>Vin2。根据第三种控制策略，由于Vin1>Vin2，控制逻辑电路CTRL选通PORT1对应的支路。在选通后，由于电流流过线路会有电压降，这会使得随着输入电流Iin的增大，作用在端口上的输入电压Vin1逐渐下降。在输入电压Vin1下降到小于输入电压Vin2时，根据控制策略，两个输入支路发生切换，切换后不久，由于同样的原因，输入支路会再次切换，如此反复。由此，会导致来回切换，影响电路稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供多路输入电源以及适于构建该多路输入电源的集成电路，以实现对于多路输入电源的多个输入支路的自动控制，同时避免出现来回切换的现象。

第一方面，提供一种多路输入电源，包括：

功率变换器；

第一晶体管，设置于第一端口到功率变换器输入端的支路上；

第二晶体管，设置于第二端口到功率变换器输入端的支路上；

第一控制环路，用于根据预定的箝位电压和所述第一晶体管两端电压控制所述第一晶体管的控制端；以及

第二控制环路，用于根据所述箝位电压和所述第二晶体管两端电压控制所述第二晶体管的控制端。

优选地，所述第一控制环路适于根据所述第一晶体管两端电压与所述箝位电压的差值控制所述第一晶体管；

所述第二控制环路适于根据所述第二晶体管两端电压与所述箝位电压的差值控制所述第二晶体管。

优选地，所述第一控制环路包括：

第一误差放大电路，用于输出第一差值，所述第一差值用于表征所述第一晶体管两端电压和所述箝位电压的差值；以及，

第一驱动器，用于根据所述第一差值输出控制所述第一晶体管的控制信号；

所述第二控制环路包括：

第二误差放大电路，用于输出第二差值，所述第二差值用于表征所述第二晶体管两端电压和所述箝位电压的差值；以及

第二驱动器，用于根据所述第二差值输出控制所述第二晶体管的控制信号。

优选地，所述第一控制环路在所述第一端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第一晶体管导通；

所述第二控制环路在所述第二端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第二晶体管导通。

优选地，所述第一端口适于连接外部电源，所述第二端口适于连接外部电源或外部负载，所述功率变换器为开关型变换器。

优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述第一晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压，所述第二晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压。

第二方面，提供一种集成电路，适于构建包括功率变换器的多路输入电源，所述集成电路包括：

优选地，所述第一控制环路包括：

第一误差放大电路，用于输出第一误差信号，所述第一误差信号用于表征所述第一晶体管两端电压和所述箝位电压的差值；以及

所述第二控制环路包括：

优选地，所述第一控制环路适于在所述第一端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第一晶体管导通；

所述第二控制环路适于在所述第二端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第二晶体管导通。

优选地，所述第一端口适于连接外部电源，所述第二端口适于连接外部电源或外部负载，所述集成电路还包括用于构建所述功率变换器的至少一个开关器件。

本发明实施例通过独立的控制环路控制对应的输入支路上设置的晶体管，每个控制环路基于预定的箝位电压和对应的晶体管两端电压来控制所述晶体管，从而可以实现在多个端口同时有输入电压时，可以调节多个输入支路上的晶体管工作在饱和区，将晶体管两端电压箝位在所述预定的箝位电压上，必要时多路输入可以同时提供输入电流，同时，独立的控制环路可以自动控制对应的晶体管根据输入电压的变化导通和关断，避免来回切换并对连接到输入端口的外部电源提供保护。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的多路输入电源的示意图；

图2是本发明实施例的多路输入电源的示意图；

图3是本发明实施例的多路输入电源的控制策略示意图；

图4是本发明实施例的多路输入电源在只有一个端口上电时的工作波形图；

图5是本发明实施例的多路输入电源在两个端口同时上电时的工作波形图；

图6是本发明实施例的多路输入电源在两个端口先后上电时的工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应理解，以下以包括两个输入支路的电源为例进行说明，但是本发明实施例可以适用于三个以及更多的输入支路。

图2是本发明实施例的多路输入电源的示意图。如图2所示，所述多路输入电源包括功率变换器1、第一晶体管M1和第二晶体管M2、用于控制第一晶体管M1的第一控制环路CL1和用于控制第二晶体管M2的第二控制环路CL2。

在图2中，功率变换器1采用降压性拓扑(BUCK)，该拓扑适于对电池进行充电。应理解，功率变换器1也可以采用其它类型的拓扑，例如升压型拓扑(BOOST)，升降压型拓扑(BUCK-BOOST)或隔离式拓扑。同时，功率变换器1也不限于开关型变换器。

同时，在图2中，第一晶体管M1和第二晶体管M2为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，栅极为其控制端，其源极和漏极跨接在对应的输入支路上。具体地，第一晶体管M1设置于第一端口PORT1到功率变换器1的输入端BUS的支路上。第二晶体管M2设置于第二端口PORT2到功率变换器1的输入端BUS的支路上。

第一控制环路CL1用于根据预定的箝位电压Vclamp和第一晶体管M1两端电压Vsd1控制第一晶体管M1的控制端。第二控制环路CL2用于根据箝位电压Vclamp和第二晶体管M2两端电压Vsd2控制第二晶体管M2的控制端。在第一晶体管M1和第二晶体管M2为MOSFET时，第一晶体管M1的两端电压为其源漏电压Vsd1，第二晶体管M2的两端电压为其源漏电压Vsd2。

具体地，第一控制环路CL1适于根据第一晶体管M1两端电压Vsd1与箝位电压Vclamp的差值控制第一晶体管M1。同时，第二控制环路CL2适于根据第二晶体管M2两端电压Vsd2与箝位电压Vclamp的差值控制第二晶体管M2。

在输入电流较小时，晶体管工作于饱和区，晶体管的源漏电压不随流过晶体管的电流大小而变化。在饱和区内，晶体管的输出电流基本上由未被夹断的沟道部分的电阻来决定。在不考虑沟道长度调制效应时,则输出电流与源漏电压无关,即输出电流饱和。但是，在饱和区的输出电流(源漏电流)要受到栅极电压控制。由此，通过晶体管的两端电压Vsd2和箝位电压Vclamp的差值来控制栅极电压，可以形成一控制环路使得晶体管两端电压被箝位在所述箝位电压Vclamp。

箝位电压Vclamp由电路设计者在设计时设定，其应选择为一个可以满足热要求的值，以使得晶体管在被箝位在该电源时不会过热。

在输入电流增大到一定程度后，晶体管进入线性区。在线性区，晶体管源漏电压随流过晶体管的电流线性变化。在输入电流持续上升时，源漏电压会上升，从而与箝位电压Vclamp的差值增大，从而进一步使得晶体管稳定工作于线性区处于低阻导通状态。

在电路结构上，第一控制环路CL1可以包括第一误差放大电路以及第一驱动器DR1。其中，第一误差放大电路用于输出第一差值Ve1，第一差值Ve1用于表征所述第一晶体管两端电压Vsd1和所述箝位电压Vclamp的差值。在图2中，第一误差放大电路由跨导放大器Gm1和连接在其输出端的电容C1构成。第一驱动器DR1用于根据第一差值输出控制第一晶体管M1的控制信号PG1。第二控制环路CL2可以包括第二误差放大电路以及第二驱动器DR2。第二误差放大电路用于输出第二差值Ve2。第二差值Ve2用于表征第二晶体管两端电压Vsd2和箝位电压Vclamp的差值。在图2中，第二误差放大电路由跨导放大器Gm2和连接在其输出端的电容C2构成。第二驱动器DR2用于根据所述第二差值Ve2输出控制第二晶体管M2的控制信号。应理解，第一误差放大电路和第二误差放大电路可以采用其它类型的器件构成，例如，可以采用误差放大器。

同时，为了满足实际应用场景的需要，第一控制环路CL1和第二控制环路CL2还优选为晶体管的控制提供更多的附加条件。例如，第一控制环路CL1在所述第一端口电压Vin1大于输入欠压保护电压Vuvlo后经过预定的防抖时间后控制所述第一晶体管导通，同时，第二控制环路CL2在第二端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第二晶体管导通。这一设置可以防止作用在第一端口或第二端口的瞬时电压(例如由于静电导致的)导致第一晶体管M1或第二晶体管M2误导通。

图3是本发明实施例的多路输入电源的控制策略示意图。如图3所示，所述控制流程中，两个控制环路独立地进行控制。

在步骤S100，判断第一端口PORT1的输入电压Vin1是否大于输入电压保护电压Vuvlo，如果否，则返回步骤S100，否则执行步骤S200。

在步骤S200，根据防抖时间Tdelay进行延时。

在步骤S300，在防抖时间Tdelay过后，根据第一晶体管两端电压Vsd1和箝位电压Vclamp进行控制。

与步骤S100-S300并行地，第二控制环路CL2在步骤S400-S600对第二晶体管M2进行控制。

在步骤S400，判断第二端口PORT2的输入电压Vin2是否大于输入电压保护电压Vuvlo，如果否，则返回步骤S400，否则执行步骤S500。

在步骤S500，根据防抖时间Tdelay进行延时。

在步骤S600，在防抖时间Tdelay过后，根据第二晶体管两端电压Vsd2和箝位电压Vclamp进行控制。

由此，可以独立地控制第一晶体管M1和第二晶体管M2。

如图2所示，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一控制环路CL1和第二控制环路CL2可以集成在集成电路内，同时，该集成电路还可以集成用于构建功率变换器1的功率开关M3和M4以及功率变换器的控制电路的至少一部分或全部(图中未示出)。由此，用户可以基于该集成电路方便地构建所需要的多路输入电源。

以下结合工作波形图说明本发明实施例的多路输入电源的工作原理。

图4是本发明实施例的多路输入电源在只有一个端口上电时的工作波形图。如图4所示，在时刻t0，第一端口PORT1和第二端口PORT2均没有施加输入电压。第一晶体管M1和第二晶体管M2保持关断，电路不工作。

在时刻t0后，第一端口PORT1被施加一个大于输入欠压保护电压Vuvlo的输入电压Vin1。经过时间Tdelay后，第一晶体管M1进入饱和区，并根据第一控制环路CL1的控制使得第一晶体管M1的源漏电压Vsd1箝位在箝位电压Vclamp。同时，由于第二端口PORT2未被施加输入电压，源漏电压Vsd2为负压，其与箝位电压Vclamp的差值也为负压。因此，第二晶体管M2保持关断(工作在截止状态)。

在时刻t0后，功率变换器根据其输入端BUS的电压开始工作，向输出端供电。同时，第二端口PORT2还可以作为输出端口向外供电，此时，第二晶体管由其它控制逻辑控制导通。随着功率变换器1的输出电流逐渐增大，以及第二端口PORT2向外输出电流也逐渐增大，第一端口PORT1的输入电流Iin1不断增大。在时刻t1，当输入电压Iin1增大到Iin1＝Vclamp/Rdson1时，第一晶体管M1由饱和区进入线性区，其中Rdson为第一晶体管M1在线性区的电阻。进入线性区后，第一晶体管M1的两端电压随电流的增大而增大。由此，第一控制环路CL1输出到第一晶体管M1栅极的驱动电压不断增大。在时刻t2，输入电流达到最大值，第一晶体管M1两端电压也不再上升。在时刻t3，随着负载功率的下降，输入电流Iin1开始下降，同时使得第一晶体管M1的两端压降开始下降。在时刻t4，输入电流Iin1下降到Vclamp/Rdson1，第一晶体管M1由线性区进入饱和区。第一控制环路CL1控制第一晶体管M1的源漏电压Vsd1箝位在箝位电压Vclamp。

图5是本发明实施例的多路输入电源在两个端口同时上电时的工作波形图。如图5所示，在时刻t0，第一端口PORT1和第二端口PORT2均没有施加输入电压。第一晶体管M1和第二晶体管M2保持关断，电路不工作。

在时刻t0后，如果第一端口PORT1和第二端口PORT2均被同时施加对应的输入电压Vin1和Vin2。如果输入电压Vin1大于输入电压Vin2。在经过时间Tdelay以后，在时刻t1，第一晶体管M1进入饱和区，使得功率变换器输入端BUS的电压Vbus抬升到接近输入电压Vin1(也即，略小于Vin1)，这会使得第二晶体管M2的两端电压为零或负值，由此，第二晶体管M2保持截止状态。功率变换器的输入电流Iin完全由第一端口PORT1的输入电流Iin1提供。第二端口PORT2虽然被施加了输入电压Vin2，但是由于第二晶体管M2保持截止状态，其输入电流Iin2为零。由此，可以对施加了较低的输入电压的端口进行保护。

同时，如果输入电压Vin1和Vin2较为接近。随着系统输入电流的增大，实际作用在端口上的电压由于外部电源适配器的内部线路阻抗的压降上升会逐渐下降。在时刻t2，输入电压Vin1下降到与输入电压Vin2相同，第二晶体管M2也会进入饱和区，从而为功率变换器1提供一部分输入电流。第二端口PORT2的输入电流Iin2大于零。功率变换器1的输入电流在时刻t3达到峰值后逐渐下降。同时，由于线路阻抗造成的压降随输入电流的下降而下降，从而使得输入电压Vin1和Vin2逐渐上升。在时刻t4，输入电压Vin1上升到大于Vin2。这使得第二晶体管M2恢复到截止状态，功率变换器1的输入电流由第一端口PORT1提供。

如果第一端口PORT1和第二端口PORT2均被施加相同的输入电压Vin1＝Vin2(图中未示出)。两个输入电压均大于输入欠压保护电压Vuvlo。经过时间Tdelay后，第一晶体管M1和第二晶体管M2均进入饱和区工作。第一控制环路CL1控制使得第一晶体管M1的两端电压被箝位在箝位电压Vclamp。第二控制环路CL2控制使得第二晶体管M2的两端电压被箝位在箝位电压Vclamp。在时刻t0后，功率变换器根据其输入端BUS的电压开始工作，向输出端供电。随着功率变换器1的输出电流的增大，第一端口PORT1和第二端口PORT2的输入电流Iin1和Iin2不断增大。在输入电流Iin1增大到Vclamp/Rdson1时，第一晶体管M1进入线性区。在输入电流Iin2增大到Vclamp/Rdson2时，第二晶体管M2进入线性区，其中，Rdson2为第二晶体管M2在线性区的导通电阻。在Rdson1＝Rdson2时，第一晶体管M1和第二晶体管M2可以同时进入线性区。后续的工作过程与图4中所示相似，在此不再赘述。由此，在两个端口提供相同的输入电压时，可以使得两个端口同时为功率变换器供电，从而可以较好地支持需要大电流输出的应用。

图6是本发明实施例的多路输入电源在两个端口先后上电时的工作波形图。如图6所示，在时刻t0，第一端口PORT1和第二端口PORT2均没有施加输入电压。第一晶体管M1和第二晶体管M2保持关断，电路不工作。

在时刻t0后，第一端口PORT1被施加一个较低的输入电压Vin1，第二端口PORT2没有施加输入电压。由此，第一晶体管M1先进入饱和区，且其两端电压根据第一控制环路CL1控制被箝位在箝位电压Vclamp。在时刻t1，第二端口PORT2上被施加一个较高的输入电压Vin2,Vin2>Vin1。Vin2加入后，第一晶体管M1进入饱和区，将功率变换器输入端的电压Vbus抬升到大于输入电压Vin1。从而使得第一晶体管M1两端电压Vsd1又正值变换为负值或小于箝位电压。第一控制环路CL1基于第一晶体管M1两端电压Vsd1控制所述第一晶体管关断。由此，可以较好地保护与第一端口PORT1连接的外部电源。

本发明实施例通过独立的控制环路控制对应的输入支路上设置的晶体管，每个控制环路基于预定的箝位电压和对应的晶体管两端电压来控制所述晶体管，从而可以实现在多个端口同时由输入时，可以调节多个输入支路上的晶体管工作在饱和区，将晶体管两端电压箝位在所述预定的箝位电压上，两路输入可以同时提供输入电流，同时，独立的控制环路可以自动控制对应的晶体管根据输入电压的变化导通和关断，避免来回切换。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多路输入电源，包括：

功率变换器；

2.根据权利要求1所述多路输入电源，其特征在于，所述第一控制环路适于根据所述第一晶体管两端电压与所述箝位电压的差值控制所述第一晶体管；

3.根据权利要求1所述的多路输入电源，其特征在于，所述第一控制环路包括：

所述第二控制环路包括：

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多路输入电源，其特征在于，所述第一控制环路在所述第一端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第一晶体管导通；

5.根据权利要求1-3中任一项所述的多路输入电源，其特征在于，所述第一端口适于连接外部电源，所述第二端口适于连接外部电源或外部负载，所述功率变换器为开关型变换器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的多路输入电源，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述第一晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压，所述第二晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压。

7.一种集成电路，适于构建包括功率变换器的多路输入电源，所述集成电路包括：

8.根据权利要求7所述的集成电路，其特征在于，所述第一控制环路适于根据所述第一晶体管两端电压与所述箝位电压的差值控制所述第一晶体管；

9.根据权利要求7所述的集成电路，其特征在于，所述第一控制环路包括：

所述第二控制环路包括：

10.根据权利要求7-9中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述第一控制环路适于在所述第一端口电压大于输入欠压保护电压后经过预定的防抖时间后控制所述第一晶体管导通；

11.根据权利要求7-9中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述第一端口适于连接外部电源，所述第二端口适于连接外部电源或外部负载，所述集成电路还包括用于构建所述功率变换器的至少一个开关器件。

12.根据权利要求7-9中任一项所述的集成电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述第一晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压，所述第二晶体管的两端电压为所述MOSFET的源漏电压。