CN111162661B - 一种双向开关电源的控制电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向开关电源的控制电路，包括外部接入端、控制逻辑单元、检测单元、控制信号单元和驱动电路。控制逻辑单元检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并发送至控制信号单元和检测单元。控制信号单元根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元根据接收到的触发信号产生对应的检测信号，控制逻辑单元根据控制信号和检测信号产生对应的逻辑信号，并发送至驱动电路，驱动电路根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压打开或关闭检测单元内部器件。本发明的开关电源控制电路使开关电源工作在升压充电或降压放电两种工作模式并且共用控制及测试电路。

Description

一种双向开关电源的控制电路和方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路，尤其涉及一种双向开关电源的控制电路和方法。

背景技术

当移动电源设备插入适配器充电时，需要开关电源能调节开关占空比，给移动电源设备中的电池充电，由于此时适配器电压高于电池电压，因此开关电源处于输入降压充电模式。当移动电源设备插入负载设备时，比如手机等，需要开关电源能调节开关占空比，输出电压给负载设备提供电能，由于此时输出电压高于电池电压，此时开关电源处于输出升压放电模式。传统的开关电源的两种控制模式各自使用一种控制电路，控制电路复杂，电路实现成本高。有鉴于此，一种开关电源控制方法和电路，使得开关电源能工作在输入降压充电模式或输出升压放电模式，两种控制模式共用一种控制电路和方法为所需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种双向开关电源的控制电路和方法，解决现有开关电源的输入降压充电模式与输出升压放电模式不能共用控制电路的问题，从而简化电路，降低电路实现成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双向开关电源的控制电路，用于对内部电源进行控制，双向开关电源的控制电路包括外部接入端、控制逻辑单元、检测单元、控制信号单元和驱动电路。外部接入端分别与控制信号单元及检测单元相连，控制逻辑单元分别与检测单元、控制信号单元及驱动电路相连，内部电源分别与检测单元及控制信号单元相连，驱动电路分别与控制逻辑单元及检测单元相连。

其中，控制逻辑单元用于检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并将触发信号发送至控制信号单元和检测单元；控制信号单元根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元用于根据接收到的触发信号产生对应的检测信号，控制逻辑单元用于根据控制信号单元产生的控制信号和检测单元产生的检测信号产生对应的逻辑信号，并将逻辑信号发送至驱动电路，驱动电路用于根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元内部器件。

进一步地，控制信号单元包括误差放大器，以及连接于误差放大器的同相输入端的基准电路和连接于误差放大器的反相输入端的选择器，误差放大器的输出端与控制逻辑单元相连。其中，选择器根据触发信号选择外部接入端的电压或内部电源的电压作为反馈信号，传输至误差放大器的反相输入端，误差放大器放大基准电路产生的固定电压与反馈信号的误差，从而产生对应的控制信号，并发送至控制逻辑单元。

进一步地，逻辑控制单元包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路，比较器的同相输入端与检测单元相连，比较器的反相输入端与误差放大器的输出端相连，控制逻辑电路的输入端分别与比较器的输出端、模式检测电路及定时电路的输出端相连，控制逻辑电路的输出端分别与驱动电路及定时电路的输入端相连。其中，模式检测电路用于检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，比较器用于比较检测单元产生的检测信号与控制信号的大小，产生对应的比较信号，并将比较信号传输至控制逻辑电路。控制逻辑电路用于根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生逻辑信号，并将逻辑信号传输至驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号开始工作或者重置。

进一步地，检测单元包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2，场效应管N1的栅极及场效应管N2的栅极分别与驱动电路的输出端相连，场效应管N1的漏极与电流检测电路相连，场效应管N2的源极接地，场效应管N1的源极与场效应管N2的漏极通过电感L与内部电源相连。其中，驱动电路根据逻辑信号来输出驱动电压，从而控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合，电流检测电路根据触发信号检测场效应管N1的漏极与源极之间的电流，并根据检测到的电流向比较器的同相输入端输入对应的检测信号。

一种双向开关电源的控制方法，应用于开关电源的控制电路，方法包括：

控制逻辑单元检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并将触发信号发送至控制信号单元和检测单元，控制信号单元根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元根据接收到的触发信号产生对应的检测信号，控制逻辑单元根据控制信号单元产生的控制信号和检测单元产生的检测信号产生对应的逻辑信号，并将逻辑信号发送至驱动电路，驱动电路根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元内部器件。

进一步地，控制信号单元包括误差放大器、基准电路和选择器，控制信号单元根据收到的触发信号产生对应的控制信号的步骤，包括：选择器根据所述触发信号选择外部接入端的电压或内部电源的电压作为反馈信号，将反馈信号传输至误差放大器的反相输入端，误差放大器放大基准电路产生的固定电压与反馈信号的误差，从而产生对应的控制信号，并发送至控制逻辑单元。

进一步地，逻辑控制单元包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路，控制逻辑单元根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生对应的逻辑信号的步骤，包括：模式检测电路检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，比较器比较检测单元产生的检测信号与控制信号的大小，产生对应的比较信号，并将比较信号传输至控制逻辑电路，控制逻辑电路根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生逻辑信号，并将逻辑信号传输至驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号开始工作或者重置。

进一步地，检测单元包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2，检测单元根据检测到的场效应管N1的漏极与源极之间的电流大小而输出检测信号的步骤，包括：驱动电路根据逻辑信号控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合，电流检测电路根据触发信号检测场效应管N1漏极到源极或者源极到漏极的电流，根据检测到的电流得到检测信号，并将检测信号传输至比较器的同相输入端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的电路，通过控制逻辑单元检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并将触发信号发送至控制信号单元和检测单元。控制信号单元根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元根据接收到的触发信号产生对应的检测信号，控制逻辑单元根据控制信号单元产生的控制信号和检测单元产生的信号产生对应的逻辑信号，并将逻辑信号发送至驱动电路，驱动电路用于根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元内部器件，使得电路可以工作在输入降压充电和输出升压放电两种工作模式。

(2)本发明提供的开关电源的控制电路，在输入降压充电和输出升压放电两种工作模式下共用了控制电路与检测电路，精简了电路，有效的降低了电路的实现成本。

(3)本发明提供的开关电源的控制方法，输入降压充电模式为峰值电流-固定关断时间控制方式，输入升压放电模式为谷值电流-固定开启时间控制方式。这两种控制方式共用同一套电流采样电路和定时电路。电路精简，生产与后期维护成本更低。

附图说明

图1为本发明的流程模块图。

图2为本发明的实施例的电路图。

图3为本发明的电路工作在降压充电模式的各信号时序图。

图4为本发明的电路工作在降压充电模式的流程图。

图5为本发明的电路工作在升压放电模式的各信号时序图。

图6为本发明的电路工作在升压放电模式的流程图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

10-控制逻辑单元，20-检测单元，30-控制信号单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1所示，一种双向开关电源的控制电路，用于对内部电源进行控制，具体的包括外部接入端、控制逻辑单元10、检测单元20、控制信号单元30和驱动电路。

外部接入端分别与控制信号单元30及检测单元20相连，控制逻辑单元10分别与检测单元20、控制信号单元30及驱动电路相连，内部电源分别与检测单元20及控制信号单元30相连，驱动电路分别与控制逻辑单元10及检测单元20相连。

控制逻辑单元10检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号dir，并将触发信号dir发送至控制信号单元30和检测单元20。控制信号单元30根据收到的触发信号dir产生对应的控制信号ve，检测单元20根据接收到的触发信号dir产生对应的检测信号vi，控制逻辑单元10根据控制信号单元30产生的控制信号ve和检测单元20产生的检测信号vi产生对应的逻辑信号n1on，并将逻辑信号n1on发送至驱动电路，驱动电路根据逻辑信号n1on输出驱动电压去控制检测单元20的内部元器件的开关或闭合，从而改变检测信号vi。电路这样的周期工作，使得电路工作在降压充电模式或升压放电模式。

请参阅图2，vbus为外部接入端的接入的适配器的电压，vbat为内部电源的电压。控制信号单元30包括误差放大器，以及连接于误差放大器的同相输入端的基准电路和连接于误差放大器的反相输入端的选择器，误差放大器的输出端与控制逻辑单元相连。

当外部接入端插入适配器时，控制逻辑单元10生成触发信号dir＝0，并将触发信号dir＝0传输至选择器，此时选择器选择外部接入端电压作为反馈信号vfb而传输至误差放大器的反向输入端。当外部接入端插入负载时，控制逻辑单元10生成触发信号dir＝1，并将触发信号dir＝1传输至选择器，此时选择器选择内部电源的电压作为反馈信号vfb输入误差放大器的反向输入端。误差放大器放大基准电路产生的固定电压vref与反馈信号vfb的误差，从而产生控制信号ve，并将ve传输至控制逻辑单元10。

逻辑控制单元10包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路。比较器的同相输入端与检测单元20相连，比较器的反相输入端与误差放大器的输出端相连，控制逻辑电路的输入端分别与比较器的输出端、模式检测电路及定时电路的输出端相连，控制逻辑电路的输出端分别与驱动电路及定时电路的输入端相连。

其中，模式检测电路用于检测接入外部接入端的器件的电压，当外部接入端插入适配器时，模式检测电路生成触发信号dir＝0，当外部接入端插入负载时，模式检测电路生成触发信号dir＝1。比较器用于比较检测单元20产生的检测信号vi与控制信号ve的大小，进而向控制逻辑电路输出比较信号compo，当检测信号vi大于控制信号ve时，比较信号compo输出为1，当检测信号vi小于控制信号ve时，比较信号compo输出为0。控制逻辑电路用于根据比较信号compo、触发信号dir及定时电路的输出to产生逻辑信号n1on，并将逻辑信号n1on传输至驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号n1on开始工作或者重置。逻辑信号n1on由1跳变为0，定时电路开始工作，定时电路的定时时间到了之后，定时电路输出信号to变高为1传输至控制逻辑电路的输入端，逻辑控制电路检测到定时电路的输出to翻转为1，将逻辑信号nlon置1。

检测单元20包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2。场效应管N1的栅极及场效应管N2的栅极分别与驱动电路的输出端相连，场效应管N1的漏极与电流检测电路相连，场效应管N2的源极接地，场效应管N1的源级与场效应管N2的漏极分别通过电感L与电源的内部电源相连。

其中，触发信号dir＝0时，电流检测电路检测场效应管N1的漏极到源极之间的电流大小，根据检测到电流产生相应的检测信号vi，并向比较器的同相输入端输入检测信号vi。触发信号dir＝1时，电流检测电路检测场效应管N1源极流向漏极的电流大小，根据检测到电流产生相应的检测信号vi，并向比较的同相输入端输入检测信号vi。驱动电路根据逻辑信号n1on来输出驱动电压gate1和gate2，从而控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合。逻辑信号n1on＝1时，驱动电压gate1＝1，驱动电压gate2＝0，此时场效应管N1打开，场效应管N2关闭。逻辑信号n1on＝0，驱动电压gate1＝0，驱动电压gate2＝1，此时场效应管N1关闭，场效应管N2打开。

请参阅图3与图4，外部输入端插入适配器，对开关电源的内部电源充电，触发信号dir＝0，电路工作在降压充电模式。开关周期开始，逻辑信号n1on置1，定时电路开始重置，驱动电路输出驱动电压gate1＝1，驱动电压gate2＝0，此时场效应管N1打开，场效应管N2关闭。外部接入端的接入电压高于开关电源的内部电源的电压，电感L的电流上升，电感L的电流从外部接入端流经场效应管N1，再流向内部电源。电流检测电路检测到场效应管N1的漏极到源极之间的电流大小，并向比较器的同相输入端输入对应的上升检测信号vi。当vi高于控制信号ve时，比较器输出比较信号compo翻转为1，控制逻辑电路检测到比较信号compo发生0到1的翻转，把逻辑信号n1on置0。

逻辑信号n1on置0，驱动电压gate1变0，驱动电压gate2变1，场效应管N1关闭，场效应管N2打开电感L上的电流下降，电感L的电流从地流经场效应管N2，再流向内部电源端。在逻辑信号n1on置0的同时，定时电路开始工作，当达到预定的时间后，定时电路的输出to由0变为1，并将该信号输入至控制逻辑电路的输入端，控制逻辑电路检测到定时电路的输出to翻转为1，把逻辑信号n1on置1，定时电路开始重置，从而开始下一个周期。

由此可见，控制信号ve控制每个开关周期电感电流上升达到的峰值，定时电路控制N1关闭的时间，实现了峰值电流-固定关断时间模式。

请参阅图5与图6，外部输入端插入负载，对开关电源的内部电源放电，触发信号dir＝1，电路工作在升压放电模式。

开关周期开始，逻辑信号n1on置0，驱动电压gate1变0，驱动电压gate2变1，N1关闭，N2打开，电感L的电流上升，电感L的电流从内部电源端流经场效应管N2到地。逻辑信号n1on置0的同时，定时电路开始工作，定时电路到达预定的时间后输出由0变为1，控制逻辑电路检测到定时电路的输出to发生了0到1的翻转，把逻辑信号n1on置1。

逻辑信号n1on置1的同时，定时电路开始重置，驱动电路输出驱动电压gate1＝1，驱动电压gate2＝0，场效应管N1打开，场效应管N2关闭。此时外部接入电压高于内部电源电压，所以电感L的电流下降，电流从内部电源端流经场效应管N1再到外部接入端。电流检测电路检测到场效应管N1的源级到漏级的电流，产生对应的下降检测信号vi，当检测信号vi低于控制信号ve时，比较器输出比较信号compo由1翻转为0。此时控制逻辑电路检测到compo发生了1到0的翻转，把逻辑信号n1on置0，定时电路开始工作，从而开始下一个周期。

由此可见，控制信号ve控制每个开关周期电感L的电流下降达到的谷值，定时电路控制N2打开的时间，实现了谷值电流-固定导通时间模式。

本发明提供一种双向开关电源的控制方法，应用于本案实施例的开关电源的控制电路，方法包括：

控制逻辑单元10检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号dir，并将触发信号dir发送至控制信号单元30和检测单元20，控制信号单元30根据收到的触发信号dir产生对应的控制信号ve，检测单元20根据接收到的触发信号dir产生对应的检测信号ve。控制逻辑单元10根据控制信号单元30产生的控制信号ve和检测单元20产生的检测信号vi产生对应的逻辑信号n1on，并将逻辑信号n1on发送至驱动电路；驱动电路根据接收到的逻辑信号n1on产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元20的内部器件。

具体的，控制信号单元30包括误差放大器、基准电路和选择器，控制信号单元(30)根据收到的触发信号dir产生对应的控制信号ve的步骤，包括：选择器根据触发信号dir选择外部接入端的电压vbus或内部电源的电压vbat作为反馈信号vfb，将反馈信号vfb传输至误差放大器的反相输入端，误差放大器放大基准电路产生的固定电压与反馈信号vfb的误差，从而产生对应的控制信号ve，并发送至控制逻辑单元10。

逻辑控制单元10包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路，控制逻辑单元10根据比较信号compo、触发信号dir及定时电路的输出to产生对应的逻辑信号nlon的步骤，包括：模式检测电路检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号dir。比较器比较检测单元20产生的检测信号vi与控制信号ve的大小，进而向控制逻辑电路输出比较信号compo。控制逻辑电路根据比较信号compo、触发信号dir及定时电路的输出to产生逻辑信号nlon，并将逻辑信号nlon传输至驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号nlon开始工作或者重置。

检测单元20包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2，检测单元20根据检测到的场效应管N1的漏极与源极之间的电流大小而输出检测信号vi的步骤，包括：驱动电路根据逻辑信号nlon控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合。电流检测电路根据触发信号dir检测场效应管N1漏极到源极或者源极到漏极的电流大小，进而向比较器的同相输入端输入相应的检测信号vi。

本发明的开关电源的控制电路工作的两种控制模式，共用了电流检测和定时电路，精简了电路，降低电路的实现成本。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双向开关电源的控制电路，用于对内部电源进行控制，其特征在于，所述双向开关电源的控制电路包括外部接入端、控制逻辑单元（10）、检测单元（20）、控制信号单元（30）和驱动电路；

外部接入端分别与控制信号单元（30）及检测单元（20）相连；

控制逻辑单元（10）分别与检测单元（20）、控制信号单元（30）及驱动电路相连；

内部电源分别与检测单元（20）及控制信号单元（30）相连；

驱动电路分别与控制逻辑单元（10）及检测单元（20）相连；

其中，控制逻辑单元（10）用于检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并将触发信号发送至控制信号单元（30）和检测单元（20）；控制信号单元（30）用于根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元（20）用于根据接收到的触发信号产生对应的检测信号，控制逻辑单元（10）用于根据控制信号单元（30）产生的控制信号和检测单元（20）产生的检测信号产生对应的逻辑信号，并将逻辑信号发送至驱动电路，驱动电路用于根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元内部器件；

所述控制逻辑单元（10）包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路；

比较器的同相输入端与所述检测单元（20）中的电流检测电路相连，比较器的反相输入端与所述控制信号单元中的误差放大器的输出端相连；

控制逻辑电路的输入端分别与比较器的输出端、模式检测电路及定时电路的输出端相连，控制逻辑电路的输出端分别与所述驱动电路及定时电路的输入端相连；

其中，模式检测电路用于检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，比较器用于比较所述检测单元（20）产生的检测信号与所述控制信号的大小，进而向控制逻辑电路输出对应的比较信号，控制逻辑电路用于根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生逻辑信号，并将逻辑信号传输至所述驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号开始工作或者重置；

所述检测单元（20）包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2；

场效应管N1的栅极及场效应管N2的栅极分别与所述驱动电路的输出端相连，场效应管N1的漏极与电流检测电路相连，场效应管N2的源极接地，场效应管N1的源极与场效应管N2的漏极通过电感L与所述内部电源相连；

其中，所述驱动电路用于根据所述逻辑信号来输出驱动电压，从而控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合；电流检测电路根据所述触发信号检测场效应管N1的漏极与源极之间的电流，并根据检测到的电流向所述比较器的同相输入端输入对应的检测信号。

2.根据权利要求1所述的一种双向开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制信号单元（30）包括误差放大器，以及连接于误差放大器的同相输入端的基准电路和连接于误差放大器的反相输入端的选择器，误差放大器的输出端与所述控制逻辑单元（10）中的比较器的反相输入端相连；

其中，选择器根据所述触发信号选择外部接入端的电压或内部电源的电压作为反馈信号，传输至误差放大器的反相输入端，误差放大器放大基准电路产生的固定电压与反馈信号的误差，从而产生对应的控制信号，并发送至控制逻辑单元（10）。

3.一种双向开关电源的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的开关电源的控制电路，所述方法包括：

控制逻辑单元（10）检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号，并将触发信号发送至控制信号单元（30）和检测单元（20）；

控制信号单元（30）根据收到的触发信号产生对应的控制信号，检测单元（20）根据接收到的触发信号产生对应的检测信号；

控制逻辑单元（10）根据控制信号单元（30）产生的控制信号（ve）和检测单元（20）产生的检测信号产生对应的逻辑信号，并将逻辑信号发送至驱动电路；驱动电路根据接收到的逻辑信号产生不同的驱动电压来打开或关闭检测单元内部器件。

4.根据权利要求3所述的双向开关电源的控制方法，其特征在于，所述控制信号单元（30）包括误差放大器、基准电路和选择器；

控制信号单元（30）根据收到的触发信号产生对应的控制信号的步骤，包括：

选择器根据所述触发信号选择外部接入端的电压或内部电源的电压作为反馈信号，并将反馈信号传输至误差放大器的反相输入端；

误差放大器放大基准电路产生的固定电压与反馈信号的误差，从而产生对应的控制信号，并发送至控制逻辑单元（10）。

5.根据权利要求4所述的双向开关电源的控制方法，其特征在于，所述控制逻辑单元（10）包括模式检测电路、比较器、控制逻辑电路及定时电路；

控制逻辑单元（10）根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生对应的逻辑信号的步骤，包括：

模式检测电路检测接入外部接入端的器件的电压，根据检测到的电压生成对应的触发信号；

比较器比较所述检测单元（20）产生的检测信号与所述控制信号的大小，产生对应的比较信号，并将比较信号传输至控制逻辑电路；

控制逻辑电路根据比较信号、触发信号及定时电路的输出产生逻辑信号，并将逻辑信号传输至所述驱动电路及定时电路，定时电路根据逻辑信号开始工作或者重置。

6.根据权利要求5所述的双向开关电源的控制方法，其特征在于，所述检测单元（20）包括电流检测电路、场效应管N1及场效应管N2；

检测单元（20）根据检测到的场效应管N1的漏极与源极之间的电流大小而输出检测信号的步骤，包括：

所述驱动电路根据所述逻辑信号控制场效应管N1及场效应管N2的打开或闭合；

电流检测电路根据所述触发信号检测场效应管N1漏极到源极或者源极到漏极的电流，根据检测到的电流得到检测信号，并将检测信号传输至所述比较器的同相输入端。

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