CN113300577B - 针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其中，该方法包括：根据开关电源的负载电流阈值设置在预设时间段内的开关次数阈值，该预设时间段内的开关次数阈值即为开关频率阈值、持续实时检测开关电源在预设时间段内的开关次数，即开关频率、通过判断开关频率与开关频率阈值之间的关系，并基于开关频率阈值与负载电流阈值之间的对应关系，检测开关电源的负载电流是否达到了负载电流阈值。本发明还涉及一种相应的电路结构及其功率分配的电路系统。采用了本发明的该方法、电路结构及其功率分配的电路系统，通过在特定时间段内对开关次数进行计数，利用开关次数与电流之间的相关性，可满足非精确负载检测要求。

Description

针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功 率分配电路系统

技术领域

本发明涉及负载电流检测技术领域，尤其涉及轻负载电流检测技术领域，具体是指一种针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统。

背景技术

现代生活越来越多的电池驱动的设备进入人们的生活，对这些设备充电也成了日常生活的一部分，开关电源以其高能量转换效率的特点，被广泛地应用在各类充电设备中。现代的开关电源往往与协议芯片配合使用，后者介于开关电源与被充电设备之间，用来协调开关电源的输出电压及电流。协议芯片往往控制一个以上的开关电源，例如它可以同时控制一个USBA和一个USBC。当某个开关电源没有加设备负载时，协议芯片不对该设备产生控制。当某个开关电源被加了设备负载，它将对协议芯片发出通知，从而协议芯片与被充电设备之间进行握手互通，在了解被充电设备的属性后，协议芯片进而协调配置该开关电源的输出电压及电流。该过程是动态的，随着设备里电池电量的变化，协议芯片也动态地调整开关电源的输出电压和电流。

请参阅图1所示，通常当一个设备插入之初，它只从开关电源抽取10mA左右的电流。传统的方案是通过电流检测电阻两端的压差来检测电流。通常为了减少功耗，电流检测电阻非常小，典型值为10mΩ，10mA的电流流过10mΩ电阻只产生0.1mV的电压，这个电压非常小，基本上与电噪声处在同一级别，也远小于电流检测电路的失调电压。要检测这么小的电压，传统的做法往往要采用非常复杂的电路和算法，才能把低频噪声和失调电压降下来，但代价是大大增加了芯片的设计难度和成本。图1中的“高精度电流检测模块”就是为此设计的，它可以精确测量几毫安到几安的电流，但代价是大大增加了芯片的设计难度和成本。另外可行的方案是采用外置霍尔电流传感器芯片检测电流，但这将大大提高总体成本，对于消费类电子产品是不可取的。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种简单而高效，能够间接地判断出设备是否插入了负载的针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统。

为了实现上述目的，本发明的针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统如下：

该针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)根据开关电源的负载电流阈值设置该开关电源在预设时间段内对应的开关次数阈值，该预设时间段内对应的开关次数阈值即为开关频率阈值；

(2)持续实时检测所述的开关电源在所述的预设时间段内的开关次数，即开关频率；

(3)通过判断所述的开关频率与所述的开关频率阈值之间的关系，并基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，检测所述的开关电源的负载电流是否达到了所述的负载电流阈值。

较佳地，所述的步骤(1)所述的负载电流阈值为满足系统工作在PFM模式范围内的负载电流。

更佳地，所述的负载电流阈值可以为大于0mA到500mA。

更佳地，所述的负载电流阈值可以为10mA。

较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)判断所述的开关频率是否不小于所述的开关频率阈值；如是，则继续步骤(3.2)；否则，继续步骤(3.3)；

(3.2)基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流已经达到了所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤(2)；

(3.3)基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流未达到所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤(2)。

该用于实现上述方法的针对开关电源进行轻负载电流检测的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构具体包括：

时间计数器，时钟信号CLK通过所述的计数器生成时钟计数信号，用于进行周期频率统计；

N次脉冲计数器，开关信号通过所述的N次脉冲计数器生成开关计数信号，用于统计周期频率内高、低电平的脉冲次数；

单脉冲发生器，清零信号CLR输入至所述的N次脉冲计数器的nRST复位端，用于生成周期频率内所述的N次脉冲计数器的清零信号CLR；以及

D触发器，所述的时钟计数信号、开关计数信号与所述的D触发器的数据输入端相连接，所述的单脉冲发生器的输出端与所述的D触发器的时钟输入端相连接，所述的D触发器的数据锁存输出端用于输出高、低电平信号，该D触发器用于检测单位时间内所述的负载的开关频率。

该包括了上述电路结构的实现开关电源轻负载工作状态下的功率分配的电路系统，其主要特点是，所述的电路系统具体包括：

DC/DC芯片处理模块，用于进行负载电流的判断与检测；

协议芯片，与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，用于接收所述的DC/DC芯片处理模块输出的负载插入信号，以进行负载功率分配；

负载端口，所述的负载端口的VCC端通过第一电感与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，且所述的负载端口的VCC端还通过第一电容接地，所述的负载端口的GND端通过电流检测电阻接地；

变压器，所述的变压器的第一输出端通过第一二极管的正端以及第二电容接地，所述的变压器的第二输出端接地，所述的变压器的输入端与AC/DC芯片的第一端相连接；

所述的AC/DC芯片的第二端通过光电耦合器与所述的协议芯片以及DC/DC芯片处理模块相连接；

其中，所述的DC/DC芯片处理模块具体包括：

负载判断处理单元，其应用了上述所述的电路结构，用于通过开关电源的PFM特性，输出负载插入信号至所述的协议芯片进行负载加入的判断处理；以及

电流检测处理单元，用于检测所述的负载的安培级充电电流。

采用了本发明的该针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统，利用开关电源本身具有的PFM特性，通过对特定时间段内开关发生次数的统计，间接地估算出负载电流，进而判断是否有设备负载插入，简单而有效。由于采用了在特定时间段内对开关次数进行计数的方法，观测到的是一个统计值，它本能地消除了小幅电流波动所产生的偏差，具有极好的可靠性和一致性。只要统计时间选的足够长，开关次数与电流的相关性也就足够好，可满足非精确负载检测要求。只需要一些简单的数字电路即可完成对特定时间段内的开关次数统计，所占面积极小，成本极低。并且可通过实测来标定开关频率阈值。从仿真得到的开关频率阈值与负载(例如10mA)的关系也许与实测有些偏差，可以加修调电路根据实测值来修正开关频率阈值。检测的精度取决于修调的位数。理论上讲，只要有足够的修调位数，即可达到所需的检测精度，具有较好的适应性。

附图说明

图1为现有技术的DC/DC芯片处理模块的内部结构示意图。

图2为本发明的实现开关电源轻负载工作状态下的功率分配的电路系统的结构示意图。

图3为本发明的DC/DC芯片处理模块的内部结构示意图。

图4为开关电源输出功率与开关频率的关系示意图。

图5为本发明的开关频率与负载电流在时域上的关系示意图。

图6为本发明的针对开关电源进行轻负载电流检测的电路结构的示意图。

图7为本发明的针对开关电源进行轻负载电流检测的电路结构的时序关系示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，第一和第二之类的关系术语仅仅用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

该针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其中，所述的方法包括以下步骤：

(1)根据开关电源的负载电流阈值设置该开关电源在预设时间段内对应的开关次数阈值，该预设时间段内对应的开关次数阈值即为开关频率阈值；

(2)持续实时检测所述的开关电源在所述的预设时间段内的开关次数，即开关频率；

(3)通过判断所述的开关频率与所述的开关频率阈值之间的关系，并基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，检测所述的开关电源的负载电流是否达到了所述的负载电流阈值。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)所述的负载电流阈值为满足系统工作在PFM模式范围内的负载电流。

比如，对于一个给定的开关电源系统，若负载在0mA到500mA的范围内工作在PFM模式，则阈值可取的范围就是大于0mA到500mA，一个较为典型的实施例中，所述的负载电流阈值可以为10mA。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)判断所述的开关频率是否不小于所述的开关频率阈值；如是，则继续步骤(3.2)；否则，继续步骤(3.3)；

(3.2)基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流已经达到了所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤(2)；

(3.3)基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流未达到所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤(2)。

请参阅图6所示，该实现上述方法的对开关电源进行轻负载电流检测的电路结构，其中，所述的电路结构具体包括：

时间计数器，时钟信号CLK通过所述的计数器生成时钟计数信号，用于进行周期频率统计；

N次脉冲计数器，开关信号通过所述的N次脉冲计数器生成开关计数信号，用于统计周期频率内高、低电平的脉冲次数；

单脉冲发生器，清零信号CLR输入至所述的N次脉冲计数器的nRST复位端，用于生成周期频率内所述的N次脉冲计数器的清零信号CLR；以及

D触发器，所述的时钟计数信号、开关计数信号与所述的D触发器的数据输入端相连接，所述的单脉冲发生器的输出端与所述的D触发器的时钟输入端相连接，所述的D触发器的数据锁存输出端用于输出高、低电平信号，该D触发器用于检测单位时间内所述的负载的开关频率。

在本发明的一具体实施方式中，请参阅图7所示，利用时钟信号CLK，“时间计数器“模块产生信号TCounter，它的时间周期为T。“N次脉冲计数器“模块在T时间段内计数Switching Pulse即开关的个数，它在TCounter的上升沿被短暂清零然后开始计数,模块“单脉冲发生器“用来产生清零信号”CLR“。若在T时间段内“N次脉冲计数器”计数值大于开关频率阈值后，它立刻输出高电平到NCounter，这个高电平在TCounter上升沿被D触发器锁存，从而D触发器的输出信号Load Detect输出高电平。反之，若在T时间段内“N次脉冲计数器“计数值小于开关频率阈值，NCounter保持低电平，这个低电平在TCounter上升沿被D触发器锁存，D触发器的输出信号Load Detect输出低电平。这样周而复始，在每个T时间段内检测开关个数，根据个数来刷新Load Detect为高电平或低电平。

请参阅图2所示，该包括上述电路结构的实现开关电源轻负载工作状态下的功率分配的电路系统，其中，所述的电路系统具体包括：

DC/DC芯片处理模块，用于进行负载电流的判断与检测；

协议芯片，与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，用于接收所述的DC/DC芯片处理模块输出的负载插入信号，以进行负载功率分配；

负载端口，所述的负载端口的VCC端通过第一电感L1与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，且所述的负载端口的VCC端还通过第一电容C1接地，所述的负载端口的GND端通过电流检测电阻接地；

变压器，所述的变压器的第一输出端通过第一二极管D1的正端以及第二电容C2接地，所述的变压器的第二输出端接地，所述的变压器的输入端与AC/DC芯片的第一端相连接；

所述的AC/DC芯片的第二端通过光电耦合器与所述的协议芯片以及DC/DC芯片处理模块相连接；

其中，所述的DC/DC芯片处理模块具体包括：

负载判断处理单元，其应用了上述所述的电路结构，用于通过开关电源的PFM特性，输出负载插入信号至所述的协议芯片进行负载加入的判断处理；以及

电流检测处理单元，用于检测所述的负载的安培级充电电流。

在本发明的一具体实施方式中，请参阅图3所示，本技术方案将DC/DC芯片处理模块内设置包含负载判断处理单元以及电流检测处理单元，其中，“电流检测处理单元”是固有的模块，它用来检测安培级充电电流，具有电路简单和低成本特点，但它却无法检测毫安级精度的电流。新增的“负载判断处理单元”利用开关电源本身具有的PFM(PulseFrequency Modulation)特性，通过对特定时间段内开关发生次数的统计，间接地估算出负载电流，进而判断是否有设备负载插入，成本低，简单有效。

请参阅图4所示，图4为开关电源输出功率与开关频率的关系示意图，在频率低于f_PWM时，它工作在PFM(Pulse Frequency Modulation)模式，输出功率与工作频率成正比，图中的k1是个系数。对于一个给定的电源系统，例如给定了输入电压，输出电压和电感值，k1系数就是个常数。需要说明的是工作在PFM模式下有多种方法来设定脉宽，例如(1)Constant On Time(COT)法，人为设定一个适当的脉宽(2)利用电感电流为阈值来设定脉宽(3)利用输出电压纹波为阈值来设定脉宽；等等方法。当频率升高到一定值后，它工作在PWM(Pulse Width Modulation)模式，这时开关频率固定在fPWM，通过调整脉宽来控制输出功率。

本技术方案就是利用在PFM模式下，输出功率与开关频率成正比。利用P＝Vo*Io关系式，对于一个固定的输出电压Vo，输出功率即与输出电流Io成正比，这也意味着输出电流与开关频率成正比，这就是本专利理论基础。因此，在一个特定的时间段内统计开关的次数，在PFM工作范围内，开关的次数与负载电流呈正相关性。所以特定时间段内开关的次数表征了负载电流的大小，通过设定开关次数的阈值，来判断电流阈值，进而判断是否有设备负载插入。

在本发明的一具体实施方式中，本技术方案采用负载电流阈值为10mA进行示意性的举例说明，例如，假设用开关次数N来标定10mA负载，在特定时间段内，若开关的次数小于N，则可以认定电流小于10mA，也就判断无负载加入；大于N，则认定电流大于10mA，以此来判断是否有负载加入。

请参阅图5所示，图5形象的示意出了开关频率与负载电流在时域上的关系，图中的每一条竖线代表一次开关，负载大于临界值后开关频率不变，即t0至t1时间段内竖线个数不变；低于临界值，负载越小，开关频率越小，即t0至t1时间段内竖线个数越少。本技术方案就是通过对特定时间段内开关发生次数的统计，间接地估算出负载电流，进而判断是否有设备负载插入，根据实际情况进行阈值调整，即可达到所需的检测精度。

在本发明的一具体实施方式中，本技术方案是利用Type-A口进行轻负载电流检测，需要说明的是，本技术方案可以应用于任何开关电源在PFM工作条件下的轻负载电流检测。在经过修调电路的实测修正后，它的精度得到提升，使得该方法可得到更多的应用。例如，一个更广泛的应用场景是电池充电结束电流EOC(End Of Charger)的检测。通常为了提高充电效率，中高功率的电池充电都采用开关电源充电。通常将充电电流低于某阈值(例如10毫安)来判断充电结束，本技术方案也非常适用于EOC检测。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成的，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“实施方式”、“实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

采用了本发明的该针对开关电源进行轻负载电流检测的方法、电路结构及其功率分配电路系统，利用开关电源本身具有的PFM特性，通过对特定时间段内开关发生次数的统计，间接地估算出负载电流，进而判断是否有设备负载插入，简单而有效。由于采用了在特定时间段内对开关次数进行计数的方法，观测到的是一个统计值，它本能地消除了小幅电流波动所产生的偏差，具有极好的可靠性和一致性。只要统计时间选的足够长，开关次数与电流的相关性也就足够好，可满足非精确负载检测要求。只需要一些简单的数字电路即可完成对特定时间段内的开关次数统计，所占面积极小，成本极低。并且可通过实测来标定开关频率阈值。从仿真得到的开关频率阈值与负载(例如10mA)的关系也许与实测有些偏差，可以加修调电路根据实测值来修正开关频率阈值。检测的精度取决于修调的位数。理论上讲，只要有足够的修调位数，即可达到所需的检测精度，具有较好的适应性。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）根据开关电源的负载电流阈值设置该开关电源在预设时间段内对应的开关次数阈值，该预设时间段内对应的开关次数阈值即为开关频率阈值；

（2）持续实时检测所述的开关电源在所述的预设时间段内的开关次数，即开关频率；

（3）通过判断所述的开关频率与所述的开关频率阈值之间的关系，并基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，检测所述的开关电源的负载电流是否达到了所述的负载电流阈值；

所述的步骤（1）所述的负载电流阈值为满足系统工作在PFM模式范围内的负载电流，且所述的负载电流与开关频率成正比。

2.根据权利要求1所述的针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其特征在于，所述的负载电流阈值为大于0mA到500mA。

3.根据权利要求2所述的针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其特征在于，所述的负载电流阈值为10mA。

4.根据权利要求1所述的针对开关电源进行轻负载电流检测的方法，其特征在于，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（3.1）判断所述的开关频率是否不小于所述的开关频率阈值；如是，则继续步骤（3.2）；否则，继续步骤（3.3）；

（3.2）基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流已经达到了所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤（2）；

（3.3）基于所述的开关频率阈值与所述的负载电流阈值之间的对应关系，得到检测开关电源的负载电流未达到所述的负载电流阈值的检测结果，并返回上述步骤（2）。

5.一种实现权利要求1至4中任一项所述的方法的针对开关电源进行轻负载电流检测的电路结构，其特征在于，所述的电路结构具体包括：

时间计数器，时钟信号CLK通过所述的计数器生成时钟计数信号，用于进行周期频率统计；

N次脉冲计数器，开关信号通过所述的N次脉冲计数器生成开关计数信号，用于统计周期频率内高、低电平的脉冲次数；

单脉冲发生器，清零信号CLR输入至所述的N次脉冲计数器的nRST复位端，用于生成周期频率内所述的N次脉冲计数器的清零信号CLR；以及

D触发器，所述的时钟计数信号、开关计数信号与所述的D触发器的数据输入端相连接，所述的单脉冲发生器的输出端与所述的D触发器的时钟输入端相连接，所述的D触发器的数据锁存输出端用于输出高、低电平信号，该D触发器用于检测单位时间内所述的负载的开关频率。

6.一种包括权利要求5所述的电路结构的实现开关电源轻负载工作状态下的功率分配的电路系统，其特征在于，所述的电路系统具体包括：

DC/DC芯片处理模块，用于进行负载电流的判断与检测；

协议芯片，与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，用于接收所述的DC/DC芯片处理模块输出的负载插入信号，以进行负载功率分配；

负载端口，所述的负载端口的VCC端通过第一电感（L1）与所述的DC/DC芯片处理模块相连接，且所述的负载端口的VCC端还通过第一电容（C1）接地，所述的负载端口的GND端通过电流检测电阻接地；

变压器，所述的变压器的第一输出端通过第一二极管（D1）的正端以及第二电容（C2）接地，所述的变压器的第二输出端接地，所述的变压器的输入端与AC/DC芯片的第一端相连接；

所述的AC/DC芯片的第二端通过光电耦合器与所述的协议芯片以及DC/DC芯片处理模块相连接；

其中，所述的DC/DC芯片处理模块具体包括：

负载判断处理单元，其应用了权利要求5所述的电路结构，用于通过开关电源的PFM特性，输出负载插入信号至所述的协议芯片进行负载加入的判断处理；以及

电流检测处理单元，用于检测所述的负载的安培级充电电流。

Images