CN107846048B - 充电电路及其电容式电源转换电路与充电控制方法 - Google Patents

充电电路及其电容式电源转换电路与充电控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用以对一电池提供一充电电流的充电电路，包含一电源发送单元以及一电容式电源转换电路。该电源发送单元将一输入电源转换为一直流输出电流并调节该直流输出电流于一预设的输出电流位准；该电容式电源转换电路包括一具有多个转换开关的转换开关电路，其与一或多个转换电容器耦接，以及一转换控制电路，用以于多个转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个分压节点、该直流输出电压、以及该接地点其中的一对节点之间，而经由该一或多个分压节点中的一节点产生该充电电流，其中该充电电流的位准大致为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数。本发明还提出一种电容式电源转换电路与充电控制方法。

Description

充电电路及其电容式电源转换电路与充电控制方法
技术领域
本发明涉及一种充电电路，特别是指一种可倍增电流的充电电路。本发明也涉及用于充电电路中的电容式电源转换电路与充电控制方法。
背景技术
图1揭示一种现有技术的充电电路(充电电路1)，其包含一具有直接充电能力的电源适配器(adaptor)11，可提供充电电流IBAT经由一缆线20(例如USB缆线)以及一负载开关40(load switch)对一电池50进行恒定电流(CC,constant current)充电。然而图1中所示的现有技术，在使用例如USB缆线等标准缆线的情况下，其缆线的电流限额一般来说相对较低，例如约为5A或以下，充电时间因而较长。若欲加速充电时间而提高充电电流(例如8A或以上)，则必须使用线径较粗的专用快速充电缆线，除了因使用非标准缆线造成使用者的不便之外，快速充电缆线也因为线径较粗不易挠曲而不便于使用。
图2揭示另一种现有技术的充电电路(充电电路2)，其包含一切换式充电电路60，可将电源适配器11所提供的电源(例如但不限于USB PD的5V或9V或12V的VBUS)转换为充电电流IBAT，而对电池50进行恒定电流(CC,constant current)充电。图2中所示的现有技术的缺点在于，在切换式充电电路60中，难以选用合适规格的电感器与开关(未示出)来兼顾充电电流量、电流涟波幅度、开关导通电阻、能量转换效率等各种参数的优化，导致设计优化不易达成。
本发明相较于图1的现有技术，其优点在于可提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如USB缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用，而本发明相较于图2的现有技术而言，具有无需电感器，缩小尺寸，降低成本，以及零件选用易于优化以达最佳能量转换效率等优点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种充电电路及其电容式电源转换电路与充电控制方法，可提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如USB缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用；此外，还具有无需电感器，缩小尺寸，降低成本，以及零件选用易于优化以达最佳能量转换效率等优点。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种充电控制方法，用以控制一充电电路，以对一电池提供一充电电源，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该充电电路包含一电源发送单元，以及一或多个电容式电源转换电路，其中该电源发送单元将一输入电源转换为一直流输出电源，该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流；其中该电容式电源转换电路包括一转换开关电路，包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；该充电控制方法包含以下步骤：以该电源发送单元调节该直流输出电流于一预设的输出电流位准；以及以该电容式电源转换电路将该直流输出电源转换为该充电电源，使得该充电电流的位准大致为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数(currentscale-up factor)，其中该充电电流大于该直流输出电流；其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤包括:于多个转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个分压节点、该直流输出电压、以及该接地点其中的一对节点之间，其中该充电电源耦接于该一或多个分压节点中的一节点。
在一较佳实施例中，将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：产生一同步控制讯号；以及根据该同步控制讯号，控制该多个电容式电源转换电路的各多个转换时段之间为同步。
在一较佳实施例中，将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：于该电容式转换电路中，在任一转换时段中，于该一或多个分压节点、该直流输出电压、以及该接地点其中的任一对节点之间，至多耦接于该多个转换电容器之一。
在一较佳实施例中，该电容式电源转换电路包括一第一电容式电源转换电路，该转换电容器包括一第一转换电容器，该多个转换时段包括一第一转换时段以及一第二转换时段；其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：操作该第一电容式电源转换电路的该多个转换开关，使该第一转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第一转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换于该充电电压与该接地点之间；其中该充电电流的位准大致为该预设的输出电流位准的二倍。
在一较佳实施例中，该转换电容器还包括一第二转换电容器；其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：操作该第一电容式电源转换电路的该多个转换开关，使该第二转换电容器的第一端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第二转换电容器的第二端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换于该充电电压与该接地点之间。
在一较佳实施例中，该充电控制方法还包含：感测该直流输出电流或该充电电流而产生一电流相关讯号；以及以该电源发送单元根据该电流相关讯号而调节该直流输出电流于该预设的输出电流位准。
为达上述目的，就另一个观点言，本发明也提供了一种充电电路，包含受上述充电控制方法所控制的该电源发送单元与对应的该电容式电源转换电路；以及一缆线，用以耦接该电源发送单元与该电容式电源转换电路。
在一较佳实施例中，该缆线符合通用串行总线供电规范的缆线(USB PD cable)，其包含一电源线，其中该电源线用以传送该直流输出电源。
在一较佳实施例中，该缆线包含一讯号线，其中该讯号线用以传送该电流相关讯号。
为达上述目的，就另一个观点言，本发明也提供了一种用于一充电电路的电容式电源转换电路，其中该充电电路用以对一电池提供一充电电源，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该充电电路包含一电源发送单元，其中该电源发送单元将一输入电源转换为一直流输出电源，该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流；其中该电源发送单元调节该直流输出电流于一预设的输出电流位准；该电容式电源转换电路包括：一转换开关电路，包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；以及一转换控制电路，用以产生一开关控制讯号，用以于多个转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个分压节点、该直流输出电压、以及一接地点其中的一对节点之间，使得该充电电流的位准大致为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数(current scale-up factor)，其中该充电电流大于该直流输出电流；其中该充电电源耦接于该一或多个分压节点中的一节点。
在一较佳实施例中，该转换控制电路还产生一同步控制讯号，且根据该同步控制讯号，控制该多个电容式电源转换电路的各多个转换时段之间为同步。
在一较佳实施例中，在任一转换时段中，于该一或多个分压节点、该直流输出电压、以及该接地点其中的任一对节点之间，至多耦接于该多个转换电容器之一。
在一较佳实施例中，该电容式电源转换电路包括一第一电容式电源转换电路，该转换电容器包括一第一转换电容器，该多个转换时段包括一第一转换时段以及一第二转换时段；其中该转换控制电路控制该多个转换开关，使该第一转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第一转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间；其中该充电电流的位准大致为该预设的输出电流位准的二倍。
在一较佳实施例中，该转换电容器还包括一第二转换电容器；其中该转换控制电路控制该多个转换开关，使该第二转换电容器的第一端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第二转换电容器的第二端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间。
在一较佳实施例中，该转换控制电路还感测该直流输出电流或该充电电流，而产生一电流相关讯号，其中该电源发送单元根据该电流相关讯号而调节该直流输出电流于该预设的输出电流位准。
以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1显示一种现有技术的充电电路的示意图；
图2显示一种现有技术的充电电路的示意图；
图3显示本发明的充电电路的一实施例的示意图；
图4显示本发明的充电电路的一实施例的示意图；
图5显示本发明的充电电路及其中电容式电源转换电路的一实施例的示意图；
图6显示本发明的充电电路中，电容式电源转换电路的一实施例的示意图。
图中符号说明
1,2,3,4,5 充电电路
10 电源发送单元
11 电源适配器
20 缆线
21 电源线
22 讯号线
30A,30B,30’,30” 电容式电源转换电路
31A,31B,31’,31” 转换开关电路
32A,32B,32’,32” 转换控制电路
40 负载开关
50 电池
60 切换式充电电路
CA1-CAN 转换电容器
CB1-CBN 转换电容器
CTRLA,CTRLB 开关控制讯号
IBAT 充电电流
IDC 直流输出电流
ISENA,ISENB 电流相关讯号
NDA1-NDAM 分压节点
NDB1-NDBM 分压节点
SW11-14,SW21-24 转换开关
SYNC 同步控制讯号
VBUS 直流输出电压
VBAT 充电电压
具体实施方式
请参阅图3，图中所示为本发明的充电电路的一种实施例(充电电路3)的示意图，充电电路3用以对一电池50提供一充电电源，其包括一充电电流IBAT；充电电路3包含一电源发送单元10以及一电容式电源转换电路30A。电源发送单元10将一输入电源(未示出)转换为一直流输出电源，该直流输出电源包括一直流输出电压VBUS以及一直流输出电流IDC，所述电源发送单元10可例如为一电源适配器，将交流形式的输入电源转换为前述的直流输出电源，或可为一直流直流转换电路，将来自例如行动电源(power bank)的输入电源转换为前述的直流输出电源；电源发送单元10调节该直流输出电流IDC于一预设的输出电流位准。在一实施例中，电源发送单元10可支持恒定电流直接充电模式，不经过电容式电源转换电路30A的控制而直接对电池50充电(相关线路未示出)。电容式电源转换电路30A将直流输出电源转换为充电电源，其中该充电电源包括一充电电压VBAT以及一充电电流IBAT；电容式电源转换电路30A包括一转换开关电路31A，其包括多个转换开关(未示出)，与一转换电容器(例如图3中的CA1)或多个转换电容器(例如图3中的CA1-CAN，其中N为自然数)耦接；以及一转换控制电路32A，用以产生一开关控制讯号CTRLA，用以于多个转换时段中，对应操作多个转换开关，使一或多个转换电容器CA1或CA1-CAN周期性地对应耦接于一或多个分压节点(例如对应图3中的NDA1或NDA1-NDAM，其中M为自然数)、该直流输出电压VBUS、以及接地点GND其中的一对节点或多个对节点之间，使得该充电电流IBAT的位准大致为该直流输出电流IDC的预设输出电流位准的一默认的增流倍数(current scale-up factor)K，K为大于1的实数，其中该充电电流IBAT大于该直流输出电流IDC；其中该充电电源耦接于该一或多个分压节点中的一节点(例如对应图3中的NDA1)，而经由该节点产生该充电电流IBAT。在一实施例中，电容式电源转换电路30A例如但不限于可包含除法式的电荷泵(divider chargepump)。
需说明的是：因电路零件的本身的寄生效应或是零件间相互的匹配不一定为理想，因此，虽然欲使充电电流IBAT的位准大致为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数K，但实际产生的充电电流IBAT的位准可能并不是预设的输出电流位准的准确的K倍，而仅是接近K倍，此即前述的“大致为”该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数K之意，下同。此外值得注意的是，在具有多个分压节点的实施例中，所述的增流倍数K，会随着充电电源耦接的节点而有所不同；而在仅有一个分压节点的实施例中，增流倍数K为2，亦即充电电流IBAT的位准大致为该预设的输出电流位准的2倍，但在其他实施例中，K不限于为整数。
请继续参阅图3，在一实施例中，本发明的充电电路(例如充电电路3)中，电源发送单元10还通过一缆线20而耦接于电容式电源转换电路(例如电容式电源转换电路30A)，其中缆线20可为例如但不限于符合通用串行总线供电规范(USB PD)或通用串行总线规范(USB)的缆线，其包含电源线21与讯号线22，其中电源线21用以传送直流输出电源。
请继续参阅图3，在一实施例中，转换控制电路(例如转换控制电路32A)侦测直流输出电流IDC而产生一电流相关讯号(例如ISENA)，电源发送单元10则根据电流相关讯号ISENA而调节直流输出电流IDC于一预设的输出电流位准。在另一实施例中，所述的电流相关讯号ISENA亦可通过侦测充电电流IBAT而得。在一较佳实施例中，转换控制电路通过讯号线22以传送电流相关讯号ISENA至电源发送单元10。需说明的是，前述的缆线20在其他实施例中可以省略。
本发明的充电电路可包含多个的电容式电源转换电路，举例而言，请参阅图4，图中显示本发明的充电电路的一种实施例(充电电路4)的示意图，在一实施例中，充电电路4还包含一电容式电源转换电路30B，其可与电容式电源转换电路30A并联耦接而共同产生前述的充电电源。在具有多个电容式电源转换电路的实施例中，可降低充电电压的涟波并降低充电路径上的等效电阻而提升转换效率。在一较佳实施例中，转换控制电路(例如转换控制电路32A或转换控制电路32B)还可产生或接收一同步控制讯号SYNC，且根据同步控制讯号SYNC，控制多个电容式电源转换电路(例如电容式电源转换电路30A与30B)的各多个转换时段之间为同步；所述的“同步”指各多个转换时段的相位之间具有预设的相位关系，例如但不限于同相、反相、交错(interleaving)相位或其他形式的相位关系。
在一具有多个转换电容器(例如图3中的CA1-CAN)的实施例中，以多个转换电容器周期性地对应耦接于前述的多个对节点之间时，在任一时刻，各多个转换电容器之间皆无并联耦接，换言之，在任一转换时段中，于前述的一或多个分压节点、直流输出电源、以及接地点其中的任一对节点之间，至多耦接于多个转换电容器之一。
请参阅图5，图中所示为本发明的充电电路(例如充电电路3)中，电容式电源转换电路的一种实施例(电容式电源转换电路30’)的示意图，本实施例的电容式电源转换电路30’中，转换开关电路31’包括多个转换开关(例如图中所示的SW11、SW12、SW13以及SW14)，耦接于转换电容器CA1；而在本实施例中，如前述的多个转换时段则包括一第一转换时段以及一第二转换时段；其中转换控制电路32’控制该多个转换开关SW11、SW12、SW13以及SW14，使转换电容器CA1的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压VBUS与该充电电压VBAT之间，且使该转换电容器CA1的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压VBAT与该接地点GND之间，使得该充电电流IBAT的位准大致为该预设的输出电流位准的2倍。
请参阅图6，图中所示为本发明的充电电路(例如充电电路3)中，电容式电源转换电路的一种实施例(电容式电源转换电路30”)的示意图，电容式电源转换电路30”与前述实施例电容式电源转换电路30’相似，其不同之处在于，转换开关电路31”还包括多个转换开关例如图中所示的SW21、SW22、SW23以及SW24，耦接于另一转换电容器CA2，转换控制电路32”控制转换电容器CA1的耦接方式与前述相同，而转换控制电路32”还控制转换开关SW21、SW22、SW23以及SW24，使转换电容器CA2的第一端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压VBUS与该充电电压VBAT之间，且使转换电容器CA2的第二端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压VBAT与该接地点GND之间；换言之，CA1与CA2在前述节点对之间的切换互为反相。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，亦可以组合应用；举其中一例，控制不同数量的转换电容器的电容式电源转换电路可以合并使用，例如本发明的充电电路可包含多个电容式电源转换电路，其中一电容式电源转换电路可耦接控制一转换电容器，而另一电容式电源转换电路则可耦接控制多个转换电容器。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，举例而言，转换电容器切换耦接时的极性可以依需求而有所变化，例如时而为正时而为负，可藉此增加增流倍数K的变化范围或分辨率。又如，前述的同步控制讯号亦可为一外部提供的同步控制讯号，仍可达成多个电容式电源转换电路之间的同步操作。又例如，本发明所称“根据某讯号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该讯号的本身，亦包含于必要时，将该讯号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的讯号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (15)

1.一种充电控制方法，用以控制一充电电路，以对一电池提供一充电电源，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该充电电路包含一电源发送单元，以及一或多个电容式电源转换电路，其中该电源发送单元将一输入电源转换为一直流输出电源，该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流；其中该电容式电源转换电路包括一转换开关电路，该转换开关电路包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；其特征在于，该充电控制方法包含以下步骤：
以该电源发送单元调节该直流输出电流于一预设的输出电流位准；以及
以该电容式电源转换电路将该直流输出电源转换为该充电电源，使得该充电电流的位准为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数，其中该充电电流大于该直流输出电流；
其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤包括：
于多个转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个分压节点与该直流输出电压之间，或者周期性地对应耦接于该一或多个分压节点与一接地点之间，其中该充电电源耦接于该一或多个分压节点中的一节点。
2.如权利要求1所述的充电控制方法，其中，将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：
产生一同步控制讯号；以及
根据该同步控制讯号，控制该多个电容式电源转换电路的各多个转换时段之间为同步。
3.如权利要求1所述的充电控制方法，其中，将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：
于该电容式电源转换电路中，在任一转换时段中，于对应的该一或多个分压节点与该直流输出电压之间，或者于对应的该一或多个分压节点与该接地点之间，至多耦接于该多个转换电容器之一。
4.如权利要求1所述的充电控制方法，其中，该电容式电源转换电路包括一第一电容式电源转换电路，该转换电容器包括一第一转换电容器，该多个转换时段包括一第一转换时段以及一第二转换时段；其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：
操作该第一电容式电源转换电路的该多个转换开关，使该第一转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第一转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换于该充电电压与该接地点之间；
其中该充电电流的位准为该预设的输出电流位准的二倍。
5.如权利要求4所述的充电控制方法，其中，该转换电容器还包括一第二转换电容器；其中将该直流输出电源转换为该充电电源的步骤还包括：
操作该第一电容式电源转换电路的该多个转换开关，使该第二转换电容器的第一端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第二转换电容器的第二端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换于该充电电压与该接地点之间。
6.如权利要求1所述的充电控制方法，还包含：
感测该直流输出电流或该充电电流而产生一电流相关讯号；以及
以该电源发送单元根据该电流相关讯号而调节该直流输出电流于该预设的输出电流位准。
7.一种充电电路，包含受权利要求1至6中任一项所述的充电控制方法所控制的该电源发送单元与对应的该电容式电源转换电路；以及一缆线，用以耦接该电源发送单元与该电容式电源转换电路。
8.如权利要求7所述的充电电路，其中，该缆线符合通用串行总线供电规范的缆线，其包含一电源线，其中该电源线用以传送该直流输出电源。
9.如权利要求8所述的充电电路，其中该缆线包含一讯号线，其中该讯号线用以传送感测该直流输出电流或该充电电流而产生的电流相关讯号。
10.一种用于一充电电路的电容式电源转换电路，其中该充电电路用以对一电池提供一充电电源，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流，该充电电路包含一电源发送单元，其中该电源发送单元将一输入电源转换为一直流输出电源，该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流；其中该电源发送单元调节该直流输出电流于一预设的输出电流位准；其特征在于，该电容式电源转换电路包括：
一转换开关电路，包括多个转换开关，与一或多个转换电容器耦接；以及
一转换控制电路，用以产生一开关控制讯号，用以于多个转换时段中，对应操作该多个转换开关，使该一或多个转换电容器周期性地对应耦接于一或多个分压节点与该直流输出电压之间，或者周期性地对应耦接于该一或多个分压节点与一接地点之间，使得该充电电流的位准为该预设的输出电流位准的一默认的增流倍数，其中该充电电流大于该直流输出电流；其中该充电电源耦接于该一或多个分压节点中的一节点。
11.如权利要求10所述的电容式电源转换电路，其中，该转换控制电路更产生一同步控制讯号，且根据该同步控制讯号，控制该多个电容式电源转换电路的各多个转换时段之间为同步。
12.如权利要求10所述的电容式电源转换电路，其中，在任一转换时段中，于对应的该一或多个分压节点与该直流输出电压之间，或者于对应的该一或多个分压节点与该接地点之间，至多耦接于该多个转换电容器之一。
13.如权利要求10所述的电容式电源转换电路，其中，该电容式电源转换电路包括一第一电容式电源转换电路，该转换电容器包括一第一转换电容器，该多个转换时段包括一第一转换时段以及一第二转换时段；其中该转换控制电路控制该多个转换开关，使该第一转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第一转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间；其中该充电电流的位准为该预设的输出电流位准的二倍。
14.如权利要求13所述的电容式电源转换电路，其中，该转换电容器还包括一第二转换电容器；其中该转换控制电路控制该多个转换开关，使该第二转换电容器的第一端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该直流输出电压与该充电电压之间，且使该第二转换电容器的第二端于该第二转换时段与该第一转换时段中分别对应切换而电性连接于该充电电压与该接地点之间。
15.如权利要求10所述的电容式电源转换电路，其中，该转换控制电路还感测该直流输出电流或该充电电流，而产生一电流相关讯号，其中该电源发送单元根据该电流相关讯号而调节该直流输出电流于该预设的输出电流位准。
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