CN111434001A - 用于双输入充电器的电容器平衡驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

一种驱动器电路包含两个高侧开关(111、112)及单个低端开关(113)、输出电感器(114)及输出电容器(115)。通过具有多个高侧开关(111、112)，所述驱动器电路可调节来自多个充电装置的电力。所述高侧开关(111、112)与用于所述通道的输入电容器(105、106)共享通道，并且所述通道在公共节点(117)处连接到所述低侧开关(113)。当用于所述通道中的一者的所述电容器(105、106)快速充电时，另一通道的所述电容器(105、106)自身将与经充电电容器保持平衡。为避免损坏所述高侧开关(111、112)，将低阻抗电桥(118)及驱动器电路连接在所述通道之间。

Description

用于双输入充电器的电容器平衡驱动器电路
此大体上涉及电力管理装置，并且更特定来说，涉及用于具有多个输入的电力管理驱动器电路的控制布置。
背景技术
电力管理装置在当今社会无处不在，并有助于为我们每天使用的大多数电子装置(例如电话及笔记本计算机)供电。这些电子装置中很多都含有电池，并且电池需要充电。然而，在不太理想的电力条件下给电池充电会不利地影响电池的寿命及性能。为更好地控制输送到电池的电力，已将例如降压转换器的电力管理装置引入充电电路，以帮助使对电池充电的电力条件理想化。
大多数具有电池的消费型电子装置经设计为便携式的，并且消费者对快速方便的电池充电解决方案的需求在增加。同时，装置占据面积越来越小，使得占据面积中用于电力管理技术的面积越来越小。
发明内容
为提供便利的充电解决方案并补偿缩小的装置占据面积，提供具有两个高侧开关及单个低侧开关、输出电感器及输出电容器的驱动器电路。通过具有多个高侧开关，驱动器可调节来自多个充电装置的电力。然而，这些高侧开关中的每一者都与用于通道的输入电容器共享所述通道，并且所述通道在公共节点处连接到低侧开关。当用于通道中的一者的电容器快速充电时，另一个通道的电容器自身将与经充电电容器保持平衡。此平衡可能致使大量电流通过公共节点到未充电电容器。沿此路径的高侧开关不能承受如此大的电流，并且可能被损坏。为避免损坏高侧开关，低阻抗电桥及驱动器电路连接在通道之间。
低阻抗电桥及驱动器电路为在平衡期间流动的大量电流提供安全路径。低阻抗电桥及驱动器电路可为例如连接在第一输入电容器与第一高侧开关之间以及第二输入电容器与第二高侧开关之间的控制电路。低阻抗桥及驱动器电路可具有例如串联连接的第一启用开关及第二启用开关。第一启用开关的端子可连接在第一输入电容器与第一高侧开关之间，并且第二启用开关的端子可连接在第二输入电容器与第二高侧开关之间。第一及第二启用开关可由经配置以控制第一启用开关及第二启用开关的逻辑电路控制。控制电路控制启用开关，使得其防止电流响应于跨越第一输入电容器的电压与跨越第二输入电容器的电压不同而通过第一及第二高侧开关。
附图说明
图1说明根据各种实施例的具有电容器平衡驱动器电路的双输入充电器的电路图。
图2说明根据各种实施例的具有电容器平衡驱动器电路的双输入充电器的电路图。
图3说明根据各种实施例的具有电容器平衡驱动器电路的双输入充电器的电路图。
图4说明根据各种实施例的驱动器电路的电路图。
图5说明根据各种实施例的驱动器电路的电路图。
具体实施方式
图式不一定按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸及/或相对定位可能相对于其它元件被夸大，以帮助改进对各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必需的常规元件通常没有被描绘以促进更容易地观察这些各种实施例。可以发生的特定顺序描述或描绘某些动作及/或步骤，但是可能需要也可能不需要关于序列的此特异性。
图1说明具有输入端子VBUS1 121及VBUS2 120的双输入充电器设备的电路图。输入端子VBUS1 121及VBUS2 120可连接到不同电源，例如USB端口、感应或无线充电技术或充电插头，例如插入墙壁插座的插头。可通过输入开关SW_IN1 101及SW_IN2102连接或断开连接来自输入端子VBUS1 121及VBUS2 120的电力流。使用输入开关SW_IN1 101及SW_IN2 102从特定电源连接或断开连接电力流的能力允许双输入充电器设备在电源之间切换。当输入开关SW_IN1 101或SW_IN2 102闭合时，相应输入端子为双输入充电器电路的其余部分供电。输入电容器PMID_CAP1 105及PMID_CAP2106使来自输入端子VBUS1 121及VBUS2 120的电压平滑。高侧开关SW_HS1 111及SW_HS2 112在公共节点117处连接到低侧开关SW_LS 113及输出电感器114两者。从输入端子VBUS1 121通过高侧开关SW_HS1 111到公共节点117的路径形成第一通道。从输入端子VBUS2 120通过高侧开关SW_HS2 112到公共节点117的路径形成第二通道。在公共节点117处连接第一及第二通道允许双输入充电装置调节来自多个源的电力，而不必复制SW_LS 113、输出电感器114及输出电容器115。流动通过任一通道到输出端子VOUT 116的电力通过控制其相应高侧开关来进行脉冲宽度调制以调节在输出端子VOUT 116处提供的电压。输出电容器115用以使在输出端子VOUT 116处提供的电压平滑。
控制电路118连接在第一通道与第二通道之间。控制电路118具有两个开关118(a)及118(b)。如图2中所说明，可使用N型场效应晶体管(“NFET”)218(a)及218(b)来实施开关118(a)及118(b)。NFET晶体管218(a)及218(b)可为例如横向扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管(“LDMOS”)或其它金属氧化物半导体(“MOS”)型晶体管。图2进一步说明高侧驱动器电路HS_Driver1 231及HS_Driver2 232以及低侧驱动器电路LS_Driver2 233。高侧驱动器电路HS_Driver1 231及HS_Driver2 232通过控制到高侧开关中的每一者的栅极的电压来驱动高侧开关SW_HS1 211及SW_HS2 212。低侧驱动器电路LS_Driver2 233通过控制到低侧开关213的栅极的电压来驱动低侧开关213。
图3说明当跨越输入电容器PMID_CAP1 105的电压大于跨越输入电容器PMID_CAP2106的电压时，电流沿电流路径I1 300、I2 305及I3 310流动通过双输入驱动器电路。类似地，当跨越输入电容器PMID_CAP2 106的电压大于跨越输入电容器PMID_CAP1 105的电压时，电流可在与所说明的方向相反的方向上并沿电流路径I1 300、I2 304及I3 310流动。电流路径I1为由PMID_CAP1 105与PMID_CAP2 106之间的电压不平衡引起的过大电流提供安全路径以供流动。在不具有控制电路118的情况下，流动通过电流路径I1 300及I2 305的电流的总和将沿电流路径I2 305流动。如此大的电流流动通过电流路径I2 305将导致高侧开关SW_HS1及高侧开关SW_HS2 212烧毁并降低其使用寿命。
分流原本将流动通过电流路径I2的电流并替代地使致使其沿电流路径I1流动的能力通过使用其相应启用信号EN_VBUS1 425及EN_VBUS2 426使NFET晶体管218(a)及218(b)导通及关断来控制。NFET晶体管218(a)及218(b)使其源极短接到其主体，并在主体与漏极之间具有本征主体二极管。当EN_VBUS1 425及EN_VBUS2 426的电压电平过低而无法克服NFET晶体管218(a)及218(b)的阈值电压并致使其传导电流时，NFET晶体管218(a)及218(b)的背对背本征主体二极管确保没有流动电流流动通过控制电路118。当跨越输入电容器PMID_CAP1 105的电压大于跨越输入电容器PMID_CAP2106的电压时，并且当高侧开关SW_HS1 211导通时，控制电路118将增加NFET晶体管218(a)的栅极到源极电压，从而致使电流沿电流路径I1 300，并限制电流I2 305流动通过高侧晶体管SW_HS1 211及SW_HS2 212。类似地，当跨越输入电容器PMID_CAP2106的电压大于跨越输入电容器PMID_CAP1 105的电压时，并且当高侧开关SW_HS1212导通时，控制电路118将增加NFET 218(b)晶体管的栅极到源极电压，从而致使电流沿电流路径I1 300，并限制电流I2 305流动通过高侧晶体管SW_HS1211及SW_HS2 212。
图4说明控制电路118的细节。NFET晶体管218(a)由驱动器电路418(a)驱动，并且NFET晶体管218(b)由驱动器电路418(b)驱动。驱动器电路418(a)及418(b)确定NFET晶体管218(a)及218(b)的栅极到源极电压。NFET晶体管218(a)的栅极到源极电压由驱动器418(a)的EN_VBUS 425及VCEN 428之间的电压确定，且NFET晶体管218(b)的栅极到源极电压由驱动器418(b)的EN_VBUS 426及VCEN 428之间的电压确定，控制跨越NFET晶体管218(b)的栅极到源极电压。到驱动器418(a)的输入VCP1电压421是升压信号，其为输入电压VBUS1 121及恒定电压值(例如，六伏特)的总和。到驱动器418(b)的输入电压VCP2 422是升压信号，其为在输入端子VBUS2 120处的输入电压及恒定电压值(例如，六伏特)的总和。如下文详细描述，信号EN1_5V及EN2_5V控制驱动器418(a)及418(b)的逻辑状态。
图5说明驱动器418(a)及418(b)的电路图。驱动器418(a)及418(b)大体上相同。为简洁起见，下文描述将仅描述驱动器418(a)。输出电路550调节NFET晶体管218(a)的栅极到源极电压。输出电路550具有与电阻器542串联连接的齐纳二极管541。NFET晶体管543及输出电容器544与串联连接的齐纳二极管541及电阻器542并联布置。跨越输出电容器544的电压代表NFET晶体管218(a)的栅极-到-源极电压(VDS)。跨越电容器的电压可从七伏特变化到负十分之七伏特。负电压确保NFET晶体管218(a)及218(b)完全关断。举例来说，当启用信号EN_5V 423为逻辑低时，负电压确保NFET晶体管218(a)完全关断。
当启用信号EN_5V 423逻辑为低时，吸收(sink)开关533闭合，并且吸收电路540中的吸收十微安源532将降低NFET 218(a)的栅极到源极电压，以停止电流沿电流路径I1 300流动通过NFET晶体管218(a)。在此情况下，电流流动通过电阻器542且接着是齐纳二极管541，且最后通过节点590到接地。当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，齐纳二极管541也将用作钳位EN_VBUS 425的保护，使得其将不超过VCEN 428加6伏特。启用主信号控制开关531，并且可中断驱动器418(a)的正常操作并且将NFET晶体管218(a)拉低。NFET晶体管543用于将电流从VCEN 428传导到节点590。二极管569防止电流从节点590在PFET(P型场效应晶体管)控制晶体管570的方向上流动。
当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，吸收开关533断开，并且通过对从源送电路530流动通过节点590的源送两微安电流来对输出电路550的电容器544进行充电。两微安培电流将增加跨越电容器544的电压，且又增加NFET晶体管218(a)的栅极到源极的电压。当NFET晶体管218(a)的栅极到源极电压超过其阈值电压时，电流将能够沿电流路径I1流动通过NFET晶体管218(a)的通道，以防止大电流流动通过高侧开关211及212。
源送电路530包含PFET晶体管525及526。当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，开关568闭合。当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，电流吸收器567致使PFET晶体管525及526导通并感应出电流使其流动通过节点595。感应出的电流在节点595处从高压电平移位器电路620流动到源送电路530中。电流的一部分流动通过PFET晶体管525，电流的一部分流动通过PFET晶体管526。PFET控制晶体管570控制通过节点590的对电容器544充电的电流，从而致使NFET晶体管218(a)导通，并允许电流沿电流路径I1流动通过NFET晶体管218(a)的通道，以平衡输入电容器PMID_CAP2 106的电压与输入电容器PMID_CAP1 105的电压。当NFET晶体管218(a)变得完全导通时，流动通过节点590的Isource电流变为零。这减少驱动器电路418(a)的静态电流消耗，并且提供用于导通NFET晶体管218(a)的软启动行为。PFET控制晶体管570充当控制开关，其将Isource电流连接到输出电路550及使Isource电流与输出电路550断开连接。
高压电平移位器电路620通过电平移位启用信号EN_5V 423来控制到PFET控制晶体管570的栅极的电压。高压电平移位器电路将启用信号EN_5V 423移位到介于VCP1电压421与偏置电压509之间的值。到PFET控制晶体管570的高压电平移位器电路620的输出可被认为是数字信号，其具有对应于VCP1电压421的逻辑高值及对应于偏置电压509的逻辑低值。PFET晶体管501及PFET晶体管502的源极连接到VCP1电压421。PFET晶体管502的栅极连接到PFET晶体管501的漏极及PFET晶体管503的源极。PFET晶体管501的栅极连接到PFET晶体管502的漏极及PFET晶体管504的源极。PFET晶体管503及504的漏极可控地连接到接地。开关514控制PFET晶体管503的漏极与接地之间的连接。开关517控制PFET晶体管504的漏极与接地之间的连接。PFET晶体管503及504的漏极将不会同时连接到接地，这是因为当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，EN_5V信号致使开关514闭合并且致使开关517断开。当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，开关517断开，这是因为逻辑由反相器515反相。PFET晶体管503及504分别用于钳位PFET晶体管501及502的漏极处的电压。当开关514闭合时，PFET晶体管501的漏极电压将减小，直到到PFET晶体管503的栅极到源极电压变为零为止。当PFET晶体管503的栅极到源极电压变为零时，PFET晶体管501的漏极电压被钳位到偏置电压509。同时，因为开关517断开，因此PFET晶体管502的漏极电压将被上拉到VCP1电压421。同时，PFET晶体管502的栅极电压降低，从而将PFET晶体管502的漏极钳位到VCP1电压421。
当启用信号EN_5V 423为逻辑高时，开关517断开，并且高压电平移位器电路620输出对应于VCP-6V的逻辑低值。当高压电平电路620到PFET控制晶体管570的输出为逻辑低时，PFET控制晶体管570导通，并且电流Isource流动通过以朝向VCP1电压421对节点590充电。
当启用信号EN-5V 423信号为逻辑低时，开关517闭合，并且高压电平电路620输出对应于VCP1电压421的逻辑高值。当高压电平电路620到PFET控制晶体管570的输出为逻辑高时，PFET控制晶体管570关断，并且没有电流可流动通过到节点590。
NFET晶体管505及506进一步保护及钳位PFET晶体管501及502的漏极。偏置电压509被供应到PFET晶体管503、504、505及506的栅极。偏置电压509也被供应到NFET晶体管505及506的主体。此配置允许NFET晶体管防止到PFET晶体管501及502的漏极的电压下降过低。如果PFET控制晶体管570的漏极处的电压下降到低于偏置电压509一个以上电压阈值，那么NFET晶体管505将导通，并防止漏极下降到低于偏置电压509一个以上电压阈值。电压阈值对应于NFET晶体管505的本征主体二极管的电压阈值，并且通常约为十分之七伏特。
类似地，NFET晶体管506将防止PFET晶体管501及502的栅极处的电压下降过低。如果PFET控制晶体管570的栅极处的电压下降到低于偏置电压509一个以上电压阈值，那么NFET晶体管506将导通，并防止栅极下降到低于偏置电压509一个以上电压阈值。在此情况下，电压阈值对应于NFET晶体管506的本征主体二极管的电压阈值。
如此配置，充电装置可基于存在于不同端口处的电压自动重新路由电流，以减少由于过多电流流动而损坏装置内电路组件的可能性。
在此描述中，术语“耦合”及其派生词意指间接、直接、光学及/或无线电连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可为通过直接电连接，通过经由其它装置及连接的间接电连接，通过光学电连接及/或通过无线电连接。

Claims (20)

1.一种设备，其包括：
第一通道，其具有第一输入电容器及第一高侧开关；
第二通道，其具有第二输入电容器及第二高侧开关；及
控制电路，其耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间以及所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间，
其中控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的第一电压与跨越所述第二输入电容器的第二电压不同而分流通过所述第一高侧开关及所述第二高侧开关的电流。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括在公共节点处耦合到所述第一通道及所述第二通道的低侧开关。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制电路包括：
串联耦合的第一启用开关及第二启用开关，所述第一启用开关的端子耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间，且所述第二启用开关的端子耦合在所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间；
第一驱动器电路，其经配置以驱动所述第一启用开关；及
第二驱动器电路，其经配置以驱动所述第二启用开关。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第一启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第一启用开关的电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第一启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位启用信号的电压电平以断开及闭合所述控制开关。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第二启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第二启用开关的电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第二启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的所述电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位经配置以断开及闭合所述控制开关的启用信号的所述电压电平。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压大于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压而致使电流从所述第一通道流动到所述第二通道。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压大于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压而致使电流从所述第二通道流动到所述第一通道。
8.一种设备，其包括：
第一通道，其具有第一输入电容器及第一高侧开关；
第二通道，其具有第二输入电容器及第二高侧开关；及
控制电路，其耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间以及所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间，所述控制电路包括：
串联耦合的第一启用开关及第二启用开关，所述第一启用开关的端子耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间，且所述第二启用开关的端子耦合在所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间；
第一驱动器电路，其经配置以驱动所述第一启用开关；及
第二驱动器电路，其经配置以驱动所述第二启用开关；
其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压与跨越所述第二输入电容器的所述第二电压不同而分流通过所述第一高侧开关及所述第二高侧开关的电流。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第一驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第一启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第一启用开关的所述电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第一启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的所述电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位启用信号的所述电压电平以断开及闭合所述控制开关。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述第二驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第二启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第二启用开关的所述电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第二启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的所述电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位经配置以断开及闭合所述控制开关的启用信号的所述电压电平。
11.根据权利要求8所述的设备，其进一步包括在公共端子处耦合到所述第一通道及所述第二通道的低侧开关。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压大于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压而致使电流通过所述第一启用开关及所述第二启用开关从所述第一通道流动到所述第二通道。
13.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压大于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压而致使电流通过第一启用开关及所述第二启用开关从所述第二通道流动到所述第一通道。
14.一种双输入充电设备，其包括：
第一通道，其具有第一输入电容器及第一高侧开关；
第二通道，其具有第二输入电容器及第二高侧开关；
第一电源，其耦合到所述第一或所述第二通道中的一者，并且经配置以向所述第一或第二通道中的经耦合一者供应电流；及
控制电路，其耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间以及所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间，所述控制电路包括：
串联耦合的第一启用开关及第二启用开关，所述第一启用开关的端子耦合在所述第一输入电容器与所述第一高侧开关之间，且所述第二启用开关的端子耦合在所述第二输入电容器与所述第二高侧开关之间；
第一驱动器电路，其经配置以驱动所述第一启用开关；及
第二驱动器电路，其经配置以驱动所述第二启用开关；
其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压与跨越所述第二输入电容器的所述第二电压不同而分流从所述电源通过所述第一高侧开关及所述第二高侧开关的电流。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述第一驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第一启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第一启用开关的电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第一启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位启用信号的所述电压电平以断开及闭合所述控制开关。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述第二驱动器电路包括：
输出电路，其经配置以输出所述第二启用开关的栅极到源极电压；
吸收电路，其耦合到所述输出电路，所述吸收电路经配置以降低由所述输出电路输出到所述第二启用开关的所述电压；
源送电路，其耦合到所述输出电路，所述源送电路经配置以增加由所述输出电路输出到所述第二启用开关的所述电压；
控制开关，其经配置以控制从所述源送电路到所述输出电路的所述电流流动；及
高压电平移位器电路，其经配置以移位经配置以断开及闭合所述控制开关的启用信号的所述电压电平。
17.根据权利要求14所述的设备，其进一步包括在公共端子处耦合到所述第一通道及所述第二通道的低侧开关。
18.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压大于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压而致使电流通过所述第一启用开关及所述第二启用开关从所述第一通道流动到所述第二通道。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制电路经配置以响应于跨越所述第二输入电容器的所述第二电压大于跨越所述第一输入电容器的所述第一电压而致使电流通过第一启用开关及所述第二启用开关从所述第二通道流动到所述第一通道。
20.根据权利要求14所述的设备，其进一步包括：第二电源，其耦合到所述第一或所述第二通道中的一者；其中所述双输入充电设备经配置以在使用所述第一电源及所述第二电源之间选择。
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