CN109358688A - 一种恒电压输出控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒电压输出控制方法及电路，包括以下步骤：S101：对输入电压Vin进行采样；S102：对输入电压Vin进行线性分段，分为V1，V2，V3，......，Vi；，求得线性输入电压Vi′；S103：将线性输入电压Vi′作为Vi的基准值Vref i；S104：线性化过程中输出一组呈等差数列增长的基准电压V0～Vk；S105：当输出的基准电压Vj大于Vref i时开启功率管，持续t_on时间后功率管关闭，直到下一次输出的基准电压Vp大于Vref i时开启功率管，以此类推，从而保证输出电压有效值Vo_rms恒定，其中，j，p(0，k)。

Description

一种恒电压输出控制方法及电路

技术领域

本发明涉及电源管理领域，特别涉及一种恒电压输出控制方法及电路。

背景技术

对于恒电压输出控制技术，目前存在多种实现方案，总体分为三大类：1、第一类是利用三极管Vbe与Ic存在的对数关系，通过一定的电路组合形式，构造出I_o∝k·I_i ²，例如图1，图2所示：

V_BE1+V_BE2-V_BE3-V_BE4＝0

2、第二类则是利用mos工作在饱和区时Id电流与Vgs之间存在平方律的关系，通过一定的电路组合形式，构造出V_o∝k·V_i ²，例如图3，图4所示，

V_BE1+V_BE5+V_BE2＝V_BE3+V_BE4+V_BE6

其中图3利用误差放大器，采用线性控制的方法实现恒定V_{o_rms} ²，图4则利用误差放大器或者MCU，采用开关的方式实现恒定V_{o_rms} ²，图4在vout采样处有一个filter(过滤器)；

3、第三类主要是利用一个乘法器，例如图5所示，

K*(V_out+V_th1-V_th2)²*R₁＝I_b2*R₂，

if V_th1＝V_th2；R₁＝R₂，则V_out ²＝I_b2/K

将Vout的采样信号进行相乘，再将相乘的信号送入误差放大器或者MCU，利用误差放大器或者算法，计算出功率管开关的占空比，实现恒定V_{o_rms} ²控制。

以上三种方式都可以实现输出电压V_{o_rms} ²恒定的功能，但前两种方案由于在工艺制造上不可避免的存在工艺偏差，无论是双载子晶体管(bjt)还是mos管，其参数变化都会比较大，比如bjt的电流放大倍数β，mos的阈值电压V_th差别就很大，这种差别会使输出电压V_{o_rms} ²偏差较大，而为了减少这种工艺带来的偏差，提高输出电压V_{o_rms} ²的精度，就需要更复杂的电路，从而消耗更多的资源。第三种方案由于使用了乘法器和MCU，电路复杂度和成本都会变高。此外，三种方案中都使用了反馈，为了达到系统稳定，不论是误差放大器或者MCU，在系统环路中都必须进行补偿，这无形中使得电路变得复杂很多，也会消耗更多的资源。特别是对于PWM的调整方案，如果开关频率太低的话，需要的补偿面积会非常大，消耗的资源就更多了。

发明内容

本发明的一个在于克服现有技术中存在的恒电压V_{o_rms}输出精度受工艺偏差影响较大，实现电路过于复杂的问题和缺陷，提供了一种简单、有效地实现高精度恒电压输出的控制方法及电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种恒电压输出控制方法，包括以下步骤：

S101：对输入电压Vin进行采样；

S102：对采样的输入电压Vin线性化；

根据实际精度要求，对输入电压Vin进行线性分段，分为V1，V2，V3，......，Vi；

计算输出电压有效值Vo_rms平方与输入电压Vi平方的比Di，根据确定的输出电压有效值Vorms，设定功率管的导通时间t_on；

根据不同的输入电压Vin，计算对应的理想周期Ti，

将周期Ti在输入电压Vin范围内(V1～Vi)线性化，得到线性化后的Ti′；

根据公式和构建Ti＝f(Vi)的线性函数，根据Ti′求得线性输入电压Vi′；

S103：将线性输入电压Vi′作为Vi的基准值Vrefi；

S104：线性化过程中输出一组呈等差数列增长的基准电压V0～Vk；

S105：当输出的基准电压Vj大于Vrefi时开启功率管，持续t_on时间后功率管关闭，直到下一次输出的基准电压Vp大于Vrefi时开启功率管，以此类推，从而保证输出电压有效值Vo_rms恒定，其中，j，p(0，k)。

作为优选，输出电压有效值Vorms不小于输入电压Vin的最小值V1。

作为优选，输入电压Vin的范围为V1～Vi。

作为优选，线性输入电压Vi′发生变化之后，功率管的导通时间t_on不变，功率管的关闭时间t_off根据输入电压Vi′的变化而变化。

本发明还提供了一种用于实现恒电压输出控制方法的恒电压输出电路，包括：电阻R1～R4，第一放大器EA1，第二放大器EA2，电阻RR0～RR33，功率管m1～m10，比较器comp，多路选择器，计时器，逻辑运算单元logic，驱动单元drv以及功率管Mp；

电阻R1第一端与输入电压Vin连接，电阻R1第二端与第一放大器EA1第一输入端、电阻R2第一端连接，电阻R2第二端接地；第一放大器EA1输出端与功率管m7栅极连接，第一放大器EA1第二输入端与功率管m7源极、电阻R3第一端连接，电阻R3第二端与电阻R4第一端、功率管m9源极、功率管m10源极连接并接地，电阻R4第二端输出基准值Vref i；功率管m7漏极与功率管m1源极、功率管m1栅极以及功率管m2栅极连接；功率管m2源极与功率管m3源极、功率管m9漏极连接；功率管m3栅极与功率管m4栅极、功率管m5栅极、功率管m6栅极、功率管m6源极以及功率管m8漏极连接；功率管m9栅极与功率管m10栅极、功率管m10漏极、功率管m4源极连接；功率管m1漏极、功率管m2漏极、功率管m3漏极、功率管m4漏极以及功率管m5漏极均与电源VCC连接；功率管m5源极依次与电阻RR33、RR32、……、RR0连接，RR0通过电阻与功率管m8源极连接；功率管m8栅极与第二放大器EA2输出端连接，第二放大器EA2第一输入端与Vref0连接，Vref0为设定的电压基准值，第二放大器EA2第二输入端与功率管m8源极连接；电阻RR33与RR32之间输出基准电压V32，电阻RR32与RR31之间输出基准电压V31，……，电阻RR1与RR0之间输出基准电压V0；基准电压V0～V32与多路选择器的输入端连接，计时器与多路选择器的控制端的控制端连接，多路选择器的输出端与比较器comp的第一输入端连接，比较器comp的第二输入端与基准值Vrefi连接，比较器comp的输出端与逻辑运算单元logic、驱动单元drv以及功率管Mp栅极依次连接，功率管Mp漏极与输入电压Vin连接，功率管Mp源极输出电压Vout。

本发明的实质性效果：采用本发明方法和电路，与现有技术相比，不需要担心工艺偏差带来的恒定输出电压V_{o_rms}精度的问题，也不需要担心存在环路而需要补偿的问题，同时对于功率管开关的频率没有要求和限制，占用的资源相对比较少，通过简单，有效的实现方式达到了输出电压V_{o_rms}恒定的目的。

附图说明

图1，图2是现有第一类恒电压输出控制方法。

图3，图4是现有第二类恒电压输出控制方法。

图5是现有第三类恒电压输出控制方法。

图6是本发明实施例的一种逻辑框图。

图7是本发明实施例的一种具体实现电路。

图8是本发明实施例的控制过程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

一种恒电压输出控制方法，包括以下步骤：

S101：对输入电压Vin进行采样；

S102：对采样的输入电压Vin线性化；

根据实际精度要求，对输入电压Vin进行线性分段，分为V1，V2，V3，……，Vi；

计算输出电压有效值Vo_rms平方与输入电压Vi平方的比Di，根据确定的输出电压有效值Vorms，设定功率管的导通时间t_on；

根据不同的输入电压Vin，计算对应的理想周期Ti，

将周期Ti在输入电压Vin范围内(V1～Vi)线性化，得到线性化后的Ti′；

根据公式和构建Ti＝f(Vi)的线性函数，根据Ti′求得线性输入电压Vi′；

S103：将线性输入电压Vi′作为Vi的基准值Vrefi；

S104：线性化过程中输出一组呈等差数列增长的基准电压V0～Vk；

S105：当输出的基准电压Vj大于Vrefi时开启功率管，持续t_on时间后功率管关闭，直到下一次输出的基准电压Vp于Vrefi时开启功率管，以此类推，从而保证输出电压有效值Vo_rms恒定，其中，j，p(0，k)。

线性输入电压Vi′发生变化之后，功率管的导通时间t_on不变，功率管的关闭时间t_off根据输入电压Vi′的变化而变化。

输入电压Vin的范围为V1～Vi，电路中各元器件的选择需保证输出电压有效值Vo_rms不小于输入电压Vin的最小值V1。

如图6示，恒电压输出控制电路的实现包括以下模块：

A：Vin sense，对输入电压进行采样；

B：对Vin进行线性化，根据实际精度的要求，对Vin进行线性分段，分为V1，V2，V3，……，Vi；

C：固定t_on时间，根据不同的Vi，计算出对应的周期T；

D：周期T进行线性化；

E：模块B，D的结果存在一一对应的关系，模块E根据这种一一对应的映射关系决定功率管Mp的开关；

F：对功率管Mp的开关提供驱动；

Mp为能够通过大电流的功率管，漏极与输入电压Vin，源极与输出电压Vo连接。

其中模块A采用传统的电阻串的方式对输入电压进行采样，而模块B～E则是将线性化之后的输入电压Vi′与线性化之后的周期T′做一一对应的操作，使得功率管Mp按照模块E控制的开关状态工作之后，能够达到V_{o_rms} ²恒定的目的。图6是本发明实现V_{o_rms}恒定的一个完整的方案，各个部分缺一不可，但各个部分的具体实现电路可以不同。

表1

表1显示了本方案对于输入电压，输出电压等数据的处理过程，目标是当电池电压在3.2V～4.2V工作时，输出电压有效值保持在恒定的3.5V，一旦输入电压低于3.5V，电路工作在100％D下。表1首先将Vin进行了线性分段(分段数可以根据设计精度要求调整)，然后计算理想的D，同时设定了t_on为10ms(t_on时间可以根据设计者的需求调整)，计算出精确的周期T，然后计算前后周期T之间的差值，将这些差值平均化，即线性化。在得到这些周期差值的平均值时，就可以将原来理想的周期线性化，从而得到线性化之后的V_{o_rms} ²，从表1的结果来看，线性化之后的V_{o_rms} ²与理想的V_{o_rms} ²很接近，精度很高。此外，为了电路的实现，表1最后一列列出了分段后Vi对应的电压值，也都是线性的。

周期T和输入电压V_i存在线性关系的原理如下：

设

则

可以看出：为保证V_{o_rms}恒定，当V_{o_rms}趋于输入电压Vi，特别是二者比值接近1时，采用t_on固定的方式，周期T_i和输入电压V_i存在线性关系。

图7即是根据表1对于输入电压、输出电压等数据的线性化处理，给出的一种电路实现方案，包括：电阻R1～R4，第一放大器EA1，第二放大器EA2，电阻RR0～RR33，功率管m1～m10，比较器comp，多路选择器mux，计时器，逻辑运算单元logic，驱动单元drv以及功率管Mp；电阻R1第一端与输入电压Vin连接，电阻R1第二端与第一放大器EA1第一输入端、电阻R2第一端连接，电阻R2第二端接地；第一放大器EA1输出端与功率管m7栅极连接，第一放大器EA1第二输入端与功率管m7源极、电阻R3第一端连接，电阻R3第二端与电阻R4第一端、功率管m9源极、功率管m10源极连接并接地，电阻R4第二端输出基准值Vrefi；功率管m7漏极与功率管m1源极、功率管m1栅极以及功率管m2栅极连接；功率管m2源极与功率管m3源极、功率管m9漏极连接；功率管m3栅极与功率管m4栅极、功率管m5栅极、功率管m6栅极、功率管m6源极以及功率管m8漏极连接；功率管m9栅极与功率管m10栅极、功率管m10漏极、功率管m4源极连接；功率管m1漏极、功率管m2漏极、功率管m3漏极、功率管m4漏极以及功率管m5漏极均与电源VCC连接；功率管m5源极依次与电阻RR33、RR32、……、RR0连接，RR0通过电阻与功率管m8源极连接；功率管m8栅极与第二放大器EA2输出端连接，第二放大器EA2第一输入端与Vref0连接，Vref0是通过三极管的Vbe叠加出来的，根据集成电路制造工艺设计确定，作为电压基准值实用；第二放大器EA2第二输入端与功率管m8源极连接，电阻RR33与RR32之间输出基准电压V32，电阻RR32与RR31之间输出基准电压V31，……，电阻RR1与RR0之间输出基准电压V0；基准电压V0～V32与多路选择器mux的输入端连接，计时器与多路选择器mux的控制端的控制端连接，多路选择器mux的输出端与比较器comp的第一输入端连接，比较器comp的第二输入端与基准值Vref i连接，比较器comp的输出端与逻辑运算单元logic、驱动单元drv以及功率管Mp栅极依次连接，功率管Mp漏极与输入电压Vin连接，功率管Mp源极输出电压Vout。

如图7所示，首先对Vin进行采样分段得到Vi，根据表1最后一列与Vi对应的电路电压值，对Vi进行线性化，得到与Vi一一对应的Vref i，同时给出一组等差数列增长的基准电压V0～V32。

如图8所示，上电后首先将功率管打开，计数器开始计数，持续t_on(on time)时间后功率管Mp关断，然后随着计数器计数的线性增加，多路选择器mux的输出不断从V0～V32中选择，将多路选择器mux输出值与和Vi对应的Vref i进行比较，当多路选择器mux输出值大于Vrefi时重新打开功率管Mp，再次持续on time时间后关断功率管Mp，然后再比较多路选择器mux输出和Vrefi的大小，以此类推，周而复始的工作，从而保证V_{o_rms} ²恒定。一旦Vin发生变化之后，功率管on time不变，但是t_off(offtime)根据Vin的变化而变化，从而然后可以保证V_{o_rms}恒定。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种恒电压输出控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：对输入电压Vin进行采样；

S102：对采样的输入电压Vin线性化；

根据实际精度要求，对输入电压Vin进行线性分段，分为V1，V2，V3，......，Vi；

计算输出电压有效值Vo_rms平方与输入电压Vi平方的比Di，根据确定的输出电压有效值Vo_rms，设定功率管的导通时间t_on；

根据不同的输入电压Vin，计算对应的理想周期Ti，

将周期Ti在输入电压Vin范围内(V1～Vi)线性化，得到线性化后的Ti′；

根据公式和构建Ti＝f(Vi)的线性函数，根据Ti′求得线性输入电压Vi′；

S103：将线性输入电压Vi′作为Vi的基准值Vrefi；

S104：线性化过程中输出一组呈等差数列增长的基准电压V0～Vk；

S105：当输出的基准电压Vj大于Vrefi时开启功率管，持续ton时间后功率管关闭，直到下一次输出的基准电压Vp大于Vrefi时开启功率管，以此类推，从而保证输出电压有效值Vo_rms恒定，其中，j，p∈(0，k)。

2.根据权利要求1所述的一种恒电压输出控制方法，其特征在于，

所述输出电压有效值Vo_rms不小于输入电压Vin的最小值V1。

3.根据权利要求1所述的一种恒电压输出控制方法，其特征在于，

输入电压Vin的范围为V1～Vi。

4.根据权利要求1所述的一种恒电压输出控制方法，其特征在于，

线性输入电压Vi′发生变化之后，功率管的导通时间t_on不变，功率管的关闭时间t_off根据输入电压Vi′的变化而变化。

5.一种用于实现权利要求1所述恒电压输出控制方法的恒电压输出电路，其特征在于，包括：

电阻R1～R4，第一放大器EA1，第二放大器EA2，电阻RR0～RR33，功率管m1～m10，比较器comp，多路选择器，计时器，逻辑运算单元logic，驱动单元drv以及功率管Mp；

所述电阻R1第一端与输入电压Vin连接，电阻R1第二端与第一放大器EA1第一输入端、电阻R2第一端连接，电阻R2第二端接地；

第一放大器EA1输出端与功率管m7栅极连接，第一放大器EA1第二输入端与功率管m7源极、电阻R3第一端连接，电阻R3第二端与电阻R4第一端、功率管m9源极、功率管m10源极连接并接地，电阻R4第二端输出基准值Vrefi；功率管m7漏极与功率管m1源极、功率管m1栅极以及功率管m2栅极连接；功率管m2源极与功率管m3源极、功率管m9漏极连接；

功率管m3栅极与功率管m4栅极、功率管m5栅极、功率管m6栅极、功率管m6源极以及功率管m8漏极连接；

功率管m9栅极与功率管m10栅极、功率管m10漏极、功率管m4源极连接；

功率管m1漏极、功率管m2漏极、功率管m3漏极、功率管m4漏极以及功率管m5漏极均与电源VCC连接；

功率管m5源极依次与电阻RR33、RR32、......、RR0连接，RR0通过电阻与功率管m8源极连接；

功率管m8栅极与第二放大器EA2输出端连接，第二放大器EA2第一输入端与Vref0连接，Vref0为设定的电压基准值，第二放大器EA2第二输入端与功率管m8源极连接；

电阻RR33与RR32之间输出基准电压V32，电阻RR32与RR31之间输出基准电压V31，......，电阻RR1与RR0之间输出基准电压V0；

基准电压V0～V32与所述多路选择器的输入端连接，计时器与多路选择器的控制端的控制端连接，多路选择器的输出端与比较器comp的第一输入端连接，比较器comp的第二输入端与基准值Vref i连接，比较器comp的输出端与逻辑运算单元logic、驱动单元drv以及功率管Mp栅极依次连接，功率管Mp漏极与输入电压Vin连接，功率管Mp源极输出电压Vout。