CN113300584B - 避免输入端限流的电源电路及电源芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种避免输入端限流的电源电路及电源芯片。其中，所述电源电路基于外部电源为负载供电，所述电源电路包括限流判定模块和电流调整模块，其中，所述限流判定模块用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；所述电流调整模块接收到所述限流信号时，持续地减小所述电源电路的设定输出电流以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述设定输出电流维持。如此配置，能够及时解除所述外部电源的所述限流状态，从而确保所述外部电源的输出功率始终接近最大输出功率。解决了现有技术中电源系统有时会因为电源芯片输入端限流导致输出功率远远低于输入端未限流时的最大输出功率的问题。

Description

避免输入端限流的电源电路及电源芯片

技术领域

本发明涉及电源芯片技术领域，特别涉及一种避免输入端限流的电源电路及电源芯片。

背景技术

由电源芯片组成的电源系统在使用过程中，有时会出现电源芯片输入端限流的问题。

上述的电源系统实际上包括两个部分，第一部分是提供能量的电源，第二部分是电源芯片，其中电源芯片先接收电源所提供的电能，然后进行能量转化输出给后续的电路，因此整个电源系统也可以视为一个电源。为了便于描述问题，对上述的电源的概念进行清晰的区分，在本文的其他部分，将提供能量的电源称为供电电源，将不提供能量，仅仅是进行能量转换的部分称为电源芯片或者电源电路，将两者组成的系统称为电源系统。而事实上，供电电源本身可能也存在保护措施，当供电电源处于保护状态下，其输出电流会被限制在一个范围内，将这种状态称为限流状态。

输入端限流的问题往往是由于供电电源的最大输出功率小于电源芯片的最大输出功率导致的。在BUCK 芯片中，供电电源处于限流状态时，供电电源的输出电压下降至略高于电源芯片的输出电压，电源芯片的输出电流降低至供电电源的输出电流（考虑到电源芯片组成的系统的转换损耗，一般情况下，电源系统输出的电流基本等于供电电源的输出电流）。电源芯片输入端限流时，会造成电源芯片的输出功率明显减小。例如，在电源芯片给超级电容充电的应用中，电源芯片输出功率明显减小的时候，超级电容的充电时间明显增加，无法满足用户需要快速充电的需求。

例如，供电电源的电压为24V，供电电源的最大电流能力为1A，电源芯片的输出端接负载为超级电容，超级电容充电截止电压12V，最大充电电流3A（即电源芯片设定输出电流）。在超级电容充电至接近8V时，供电电源的输出功率可达24W，当超级电容的电压达到8V时，由于输出功率24W，考虑到系统转换损耗，此时电源系统的所需要的输入功率超过24W，大于供电电源所能提供的功率，会触发到供电电源内部的限流点；此时电源芯片输入端限流（供电电源为恒流源状态），电源芯片的输入端电压下降至略高于输出电压，电源芯片的输出端电流等于输入最大电流1A。即在超级电容电压8-12V区间内，电源芯片的输出功率在8W-12W，远小于输入端未限流时的输出功率24W。

综上，现有技术中，电源系统有时会出现电源芯片输入端限流的现象，并进一步导致电源芯片的输出功率远远低于输入端未限流时的最大输出功率的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免输入端限流的电源电路及电源芯片，以解决现有技术中电源系统有时会因为电源芯片输入端限流导致输出功率远远低于输入端未限流时的最大输出功率的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种避免输入端限流的电源电路，所述避免输入端限流的电源电路基于外部电源为负载供电，所述避免输入端限流的电源电路包括限流判定模块和电流调整模块，其中，

所述限流判定模块用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；

所述电流调整模块接收到所述限流信号时，持续地减小设定输出电流以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述电流调整模块维持所述电源电路的设定输出电流；

所述避免输入端限流的电源电路的输出电流小于或者等于所述设定输出电流。

可选的，在第一次接收到所述限流信号之前，所述电流调整模块用于将所述设定输出电流维持在第一预设范围内。

可选的，所述限流信号为高电平或低电平，所述电流调整模块包括恒流元件、第一开关元件和第一电容器，所述恒流元件的输出端通过所述第一开关元件连接所述第一电容器；所述第一开关元件的控制端接收到所述限流信号时，所述第一开关元件导通，所述第一电容器充电；当接收到的所述限流信号消失后，所述第一开关元件关断，所述第一电容器维持电量；所述恒流元件用于限制所述第一电容器的充电电流在第二预设范围内；所述设定输出电流基于所述第一电容器的电压确定。

可选的，所述限流信号为高电平，所述电流调整模块包括第一电阻、第二电容器、第二开关元件和第三开关元件；其中，

所述第一电阻的第一端用于接收所述限流信号，所述第一电阻的第二端与所述第二电容器的第一端连接，所述第二电容器的第二端用于接地；

所述第一电阻的第二端与所述第二开关元件的控制端连接，所述第二开关元件的第一连接端与所述第一电容器的第一端连接，所述第二开关元件的第二连接端与所述第一电容器的第二端连接；所述第一电容器的第二端还用于接地；当所述第二开关元件的控制端接收到高电平时，所述第二开关元件关断，否则，所述第二开关元件导通；

所述第三开关元件的第一连接端用于连接稳压源，所述第三开关元件的控制端与所述第三开关元件的第二连接端连接，所述第三开关元件的第二连接端与所述第二电容器的第一端连接；当所述第三开关元件的控制端接收到低电平时，所述第三开关元件关断，否则，所述第三开关元件导通。

可选的，所述避免输入端限流的电源电路包括功率管，所述电流调整模块还包括运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、误差放大器和第三电容器；其中，

所述运算放大器的同相端用于获取所述第一电容器的电压，所述运算放大器的反相端与所述运算放大器的输出端连接；

所述运算放大器的输出端通过所述第二电阻与所述误差放大器的反相端连接，所述误差放大器的同相端用于获取基准电压，所述误差放大器的输出端用于输出控制信号驱使所述功率管的开断以控制所述避免输入端限流的电源电路的设定输出电流，所述误差放大器的输出端还与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端用于通过所述第三电容器接地；

所述第三电阻的第一端与所述误差放大器的反相端连接，所述第三电阻的第二端用于获取反馈电压，所述反馈电压与所述设定输出电流存在比例关系。

可选的，所述限流判定模块包括第一判定单元和第二判定单元；当所述避免输入端限流的电源电路的输入电压符合第一限流判断条件时，所述第一判定单元输出第一限流判定信号；当所述避免输入端限流的电源电路的输入电压和所述避免输入端限流的电源电路的输出电压的差值符合第二限流判断条件时，所述第二判定单元输出第二限流判定信号；当所述第一判定单元输出第一限流判定信号以及所述第二判定单元输出所述第二限流判定信号时，所述限流判定模块输出所述限流信号。

可选的，所述第一限流判断条件包括：所述外部电源的输出电压持续下降，且下降压差超过第一预设压差；和/或，所述第二限流判断条件包括：所述外部电源的输出电压和所述电源电路的输出电压的差值小于第二预设压差。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种电源芯片，包括上述的电源电路。

与现有技术相比，本发明提供的避免输入端限流的电源电路及电源芯片中，所述电源电路基于外部电源为负载供电，所述电源电路包括限流判定模块和电流调整模块，其中，所述限流判定模块用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；所述电流调整模块接收到所述限流信号时，持续地减小所述电源电路的设定输出电流以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述电流调整模块维持所述电源电路的设定输出电流。如此配置，能够及时解除所述外部电源的所述限流状态，从而确保所述外部电源的输出功率始终接近最大输出功率。解决了现有技术中电源系统有时会因为电源芯片输入端限流导致输出功率远远低于输入端未限流时的最大输出功率的问题。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明一实施例的电源电路的结构示意图；

图2是本发明一实施例的电源电路的电路示意图；

图3是本发明一实施例的电源电路在一工况下的波形图；

图4是本发明一实施例的电源电路工作时的流程示意图；

图5是本发明一实施例的电源系统的电路示意图；

图6a是现有技术的电源系统在一工况下的波形图；

图6b是图6a中A部的局部放大示意图；

图6c是本发明一实施例的电源系统在图6a所示的工况下的波形图；

图6d是图6c中A部的局部放大示意图；

图6e是图6c中B部的局部放大示意图；

图6f是图6c所示的电源系统的输出电流和设定输出电流的波形示意图；

图6g是一超级电容通过图6a所示的电源系统进行充电和图6c所示的电源系统进行充电的电压波形比较图。

附图中：

10-限流判定模块；20-电流调整模块；101-第一判定单元；102-第二判定单元；103-逻辑门元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的核心思想在于提供一种电源电路及电源芯片，以解决现有技术中电源系统有时会因为电源芯片输入端限流导致输出功率远远低于输入端未限流时的最大输出功率的问题。

以下参考附图进行描述。

请参考图1至图6g，其中，图1是本发明一实施例的电源电路的结构示意图；图2是本发明一实施例的电源电路的电路示意图；图3是本发明一实施例的电源电路在一工况下的波形图；图4是本发明一实施例的电源电路工作时的流程示意图；图5是本发明一实施例的电源系统的电路示意图；图6a是现有技术的电源系统在一工况下的波形图；图6b是图6a中A部的局部放大示意图；图6c是本发明一实施例的电源系统在图6a所示的工况下的波形图；图6d是图6c中A部的局部放大示意图；图6e是图6c中B部的局部放大示意图；图6f是图6c所示的电源系统的输出电流和设定输出电流的波形示意图；图6g是一超级电容通过图6a所示的电源系统进行充电和图6c所示的电源系统进行充电的电压波形比较图。

如图1所示，本实施例提供了一种避免输入端限流的电源电路，为了便于描述，后续内容中，“电源电路”即指代“避免输入端限流的电源电路”。输入端限流是指所述电源电路的输入端所连接的器件处于限流状态，或者是指电源芯片的输入端所连接的器件处于限流状态，具体可以根据描述对象进行理解。所述电源电路基于外部电源为负载供电，所述电源电路包括限流判定模块10和电流调整模块20，其中，

所述限流判定模块10用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；

所述电流调整模块20接收到所述限流信号时，持续地减小设定输出电流IOUTset以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述电流调整模块20维持所述电源电路的设定输出电流IOUTset。

在所有的工况下，所述避免输入端限流的电源电路的输出电流IOUT小于或者等于所述设定输出电流IOUTset。具体地，若所述外部电源处于限流状态，IOUT小于IOUTset，若外部电源解除限流状态，IOUT等于IOUTset。需理解，当所述设定输出电流IOUTset减小后，所述电源电路的需求输出功率降低，从而使得所述外部电路解除所述限流状态。所述限流状态实际上是对于所述外部电源处于一种保护工作模式的称呼，在限流的同时，所述外部电源也同时会降低输出电压，不应该理解为仅仅是限制了输出电流。

所述电流调整模块20基于所述设定输出电流IOUTset控制所述电源电路的输出电流IOUT，从而确保了IOUT始终小于或者等于IOUTset。具体方案可以根据本领域公知常识进行设置。

如此配置，当所述外部电源进入所述限流状态时，通过持续减少所述电源电路的设定输出电流IOUTset能够驱使所述外部电源解除所述限流状态，并且，当所述外部电源解除所述限流状态后，所述电源电路能够维持当前的设定输出电流IOUTset，从而保证所述外部电源不会重复进入所述限流状态（除非是当前的工况又发生了新的变化）。最终使得所述外部电源可以工作在接近触发所述限流状态的临界点，确保了所述外部电源的输出功率始终接近最大输出功率。

较优地，在第一次接收到所述限流信号之前，所述电流调整模块20用于将所述设定输出电流IOUTset维持在第一预设范围内。所述第一预设范围即所述电源电路的输出电流IOUT的最大输出电流。在一实施例中，所述第一预设范围为一固定的电流值IOUTmax，可基于所述电源电路的工作环境进行配置。

如此设置，可以节约电路的功能模块数量，用同一个模块同时实现普通的电流调节功能和输入端限流时的电流调节功能，复用了元件，节约了制造成本和电路所占用的空间。

请参考图2，所述限流信号为高电平或低电平，所述电流调整模块20包括恒流元件IS1、第一开关元件和第一电容器C1，所述恒流元件IS1的输出端通过所述第一开关元件连接所述第一电容器C1；所述第一开关元件的控制端接收到所述限流信号时，所述第一开关元件导通，所述第一电容器C1充电；当接收到的所述限流信号消失后，所述第一开关元件关断，所述第一电容器C1维持电量；所述恒流元件IS1用于限制所述第一电容器C1的充电电流在第二预设范围内；在图2所示的实施例中，所述恒流元件IS1用于限制所述第一电容器C1的充电电流为一恒定值。所述设定输出电流IOUTset基于所述第一电容器C1的电压VT3确定。在图2所示的实施例中，当所述第一电容器C1的电压VT3上升时，所述设定输出电流IOUTset下降。所述恒流元件IS1的内部结构可以根据本领域公知常识进行配置，在此不再进行展开描述。在本实施例及其他的可能的实施例中，所述设定输出电流IOUTset和所述第一电容器C1的电压VT3存在函数关系。

基于上述电路结构，当所述第一开关元件第一次接收到所述限流信号之前，所述第一电容器C1的电压VT3为初始值，所述设定输出电流IOUTset被维持在所述第一预设范围。当所述第一开关元件接收到所述限流信号之后，所述第一电容器C1以恒定速率充电，从而慢慢提高自身的电压VT3，所述设定输出电流IOUTset也随之降低，从而实现解除所述外部电源的所述限流状态的功能。当所述限流信号消失后，所述第一电容器C1维持当前电压，于是所述电源电路的设定输出电流IOUTset维持在所述限流状态解除时的电流值，因而能够使得所述外部电源可以工作在接近触发所述限流状态的临界点。

进一步地，所述限流信号为高电平，所述第一开关元件可以通过一个非门NOT1和一个P型MOS管M1连接实现，需理解，所述第一开关元件也可以通过其他的方式实现。所述电流调整模块20包括第一电阻R1、第二电容器C2、第二开关元件和第三开关元件；其中，

所述第一电阻R1的第一端用于接收所述限流信号，所述第一电阻R1的第二端与所述第二电容器C2的第一端连接，所述第二电容器C2的第二端用于接地；

所述第一电阻R1的第二端与所述第二开关元件的控制端连接，所述第二开关元件的第一连接端与所述第一电容器C1的第一端连接，所述第二开关元件的第二连接端与所述第一电容器C1的第二端连接；所述第一电容器C1的第二端还用于接地；当所述第二开关元件的控制端接收到高电平时，所述第二开关元件关断，否则，所述第二开关元件导通；在图2所示的实施例中，所述第二开关元件可以通过一个非门NOT2和一个N型MOS管M2连接实现，所述第二开关元件也可以通过其他的方式实现。

所述第三开关元件的第一连接端用于连接稳压源VDD，需理解，此处的稳压源VDD由所述电源电路内部的稳压模块提供，在特殊的一些实施例中，也可以由所述电源电路外部的稳压电路提供。所述第三开关元件的控制端与所述第三开关元件的第二连接端连接，所述第三开关元件的第二连接端与所述第二电容器C2的第一端连接；当所述第三开关元件的控制端接收到低电平时，所述第三开关元件关断，否则，所述第三开关元件导通。在图2所示的实施例中，所述第三开关元件可以通过一个非门NOT3和一个P型MOS管M3连接实现，所述第三开关元件也可以通过其他的方式实现。

基于上述电路结构，当所述电源电路不上电时，即VDD为0时，所述第二电容器C2可通过所述第一电阻R1的第一端进行放电，因而所述第二电容器C2的电压VT2在上电之前总是保持低电平。当所述电源电路上电后，若所述第一电阻R1未接收到所述限流信号，则此时所述第二开关元件导通，所述第一电容器C1通过所述第二开关元件放电，从而所述第一电容器C1的电压VT3为0，此时，所述设定输出电流IOUTset可以保持在所述第一预设范围。一旦所述第一电阻R1接收到所述限流信号，所述第二电容器C2被充电，通过合理设置所述第一电阻R1和所述第二电容器C2的自身参数，可以使得所述第二电容器C2被充电后维持高电平。所述第三开关元件导通，电源VDD持续为所述第二电容器C2充电，使得所述第二电容器C2维持高电平，从而永久地关闭所述第二开关元件，直至所述电源电路下电，所述第一电容器C1的电量得以维持。

上述逻辑可以参考图3进行理解，在图3中，VD为所述限流判定模块10的输出端电压，VT2为所述第二电容器C2的电压，VE为P型MOS管M1的控制端电压，VF为N型MOS管M2的控制端电压。从图3可知，当VD按照一定的周期在高电平和低电平之间切换时，VE始终保持和VD反向，但是VT2在第一次转变为高电平后就始终保持了高电平, VF在第一次转变为低电平后就始终保持了低电平。

如此配置，可以防止所述第一电容器C1的残余电荷对所述第一预设范围的影响。

请继续参考图2，所述电源电路包括功率管（未图示），所述电流调整模块20还包括运算放大器E2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、误差放大器E3和第三电容器C3；其中，

所述运算放大器E2的同相端用于获取所述第一电容器C1的电压VT3，所述运算放大器E2的反相端与所述运算放大器E2的输出端连接；所述运算放大器E2构成了一个电压跟随器，所述运算放大器E2的输出端电压被称为VG。VG和VT3相等。

所述运算放大器E2的输出端通过所述第二电阻R2与所述误差放大器E3的反相端连接，所述误差放大器E3的同相端用于获取基准电压VREF，所述误差放大器E3的输出端用于输出控制信号VO驱使所述功率管的开断以控制所述电源电路的设定输出电流IOUTset，所述误差放大器E3的输出端还与所述第四电阻R4的第一端连接，所述第四电阻R4的第二端用于通过所述第三电容器C3接地；

所述第三电阻R3的第一端与所述误差放大器E3的反相端连接，所述第三电阻R3的第二端用于获取反馈电压VCS，所述反馈电压VCS与所述设定输出电流IOUTset存在比例关系。所述反馈电压VCS的测量位置可以根据本说明书的后续内容进行理解。

当电路平衡时，所述误差放大器E3两端的电压相等，根据电压叠加原理可知，

VCS=(VREF*(R2+R3)-VG*R3)/R2；

式中，R2和R3为同符号电阻的阻值。

由于VREF为固定值，所以VCS的电压随着VG的增加而减小，从而所述电源电路的设定输出电流IOUTset也随着VG的增加而减小，实现预期的效果。

限流判定模块10包括第一判定单元101和第二判定单元102；当所述电源电路的输入电压VIN符合第一限流判断条件时，所述第一判定单元101输出第一限流判定信号；当所述电源电路的输入电压VIN和所述电源电路的输出电压VOUT的差值符合第二限流判断条件时，所述第二判定单元102输出第二限流判定信号；当所述第一判定单元101输出第一限流判定信号以及所述第二判定单元102输出所述第二限流判定信号时，所述限流判定模块输出所述限流信号。所述限流判定模块10还包括逻辑门元件103，所述逻辑门元件103的第一输入端与所述第一判定单元101的输出端连接，所述逻辑门元件103的第二输入端与所述第二判定单元102的输出端连接，所述逻辑门元件103的输出端被配置为所述限流判定模块10的输出端。

当所述第一限流判定信号为高电平，所述第二限流判定信号为高电平，且所述限流信号为高电平时，所述逻辑门元件103的内部逻辑为与门逻辑。当所述第一限流判定信号、所述第二限流判定信号和所述限流信号为其他的情况时，所述逻辑门元件103可以根据公知常识进行设置，在此不进行展开描述。在图2所示的实施例中，与门AND1被配置为所述逻辑门元件103。

具体的，所述第一限流判断条件包括：所述电源电路的输入电压VIN持续下降，且下降压差超过第一预设压差；也就是说，当上述两个条件都满足时，第一判定单元101输出第一限流判定信号，但是当上述两者中有一者未满足时，第一判定单元101可以输出第一限流判定信号也可以不输出第一限流判定信号，具体可以根据实际的电路结构决定。所述第二限流判断条件包括：所述电源电路的输入电压VIN和所述电源电路的输出电压VOUT的差值小于第二预设压差。在本实施例中，所述第一预设压差为1.4V，所述第二预设压差为1.4V。如此配置，可以增加限流判定模块10的判断精度，避免误判。需理解，在其他的实施例中，上述的第一限流判定条件和第二限流判定条件也可以设置成其他的条件。

所述电源电路的工作时的流程示意图请参考图4，当所述第一限流判断条件和所述第二限流判断条件均满足时，所述电源电路降低设定输出电流IOUTset，否则，保持当前的设定输出电流IOUTset。

具体地，所述电源电路的工作时的流程包括：

S1电源电路输入电压检测，S1包括：S2判断电源电路输入电压下降且下降压差超过第一预设压差，以及S3判断电源电路输入电压和输出电压的差值小于第二预设压差；

S4判断步骤S2和步骤S3的条件是否同时满足；

S5若步骤S4的结果为是，则提升VG电压；

S6电源电路降低设定输出电流IOUTset，并返回步骤S1；

S7若步骤S4的结果为否，则维持当前VG电压；

S8电源电路维持当前设定输出电流IOUTset，并返回步骤S1。

根据上述逻辑，本领域技术人员可以自行设置所述第一判定单元101和所述第二判定单元102的内部结构，较优的实施例如下。

所述第一判定单元101包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容器C4、第一二极管D1、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第四开关元件、第五开关元件和比较器E1；其中，

所述第五电阻R5的第一端用于获取所述外部电源的输出电压，所述第五电阻R5的第一端获得的电压也就是所述电源电路的输入电压VIN，所述第五电阻R5的第二端与所述第六电阻R6的第一端连接，所述第六电阻R6的第二端用于接地；

所述第一二极管D1的正极与所述第五电阻R5的第二端连接，所述第七电阻R7的第一端与所述第一二极管D1的负极连接，所述第七电阻R7的第二端用于接地；

所述第四电容器C4的第一端与所述第七电阻R7的第一端连接，所述第四电容器C4的第二端与所述第七电阻R7的第二端连接；

所述第一三极管Q1为PNP型三极管，所述第一三极管Q1的发射极与所述第四电容器C4的第一端连接，所述第一三极管Q1的基极与所述第五电阻R5的第二端连接，所述第一三极管Q1的集电极与所述第八电阻R8的第一端连接；

所述第二三极管Q2为NPN型三极管，所述第二三极管Q2的集电极用于连接稳压源VDD，所述第二三极管Q2的基极与所述第八电阻R8的第二端连接，所述第九电阻R9的第一端与所述第八电阻R8的第二端连接，所述第九电阻R9的第二端用于接地，所述第二三极管Q2的发射极与所述第十电阻R10的第一端连接，所述第十电阻R10的第二端用于接地；

所述第四开关元件的第一连接端用于连接稳压源VDD，所述第四开关元件的第二连接端与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第四开关元件的控制端与所述第四开关元件的第二连接端连接；当所述第四开关元件的控制端接收到高电平时，所述第四开关元件导通，否则，所述第四开关元件关断；在图2所示的实施例中，所述第四开关元件可以通过一个非门NOT4和一个P型MOS管M4连接实现，所述第四开关元件也可以通过其他的方式实现。

所述比较器E1的同相端与所述第五电阻R5的第二端连接，所述比较器E1的反相端与所述第七电阻R7的第一端连接，所述比较器E1的输出端与所述第五开关元件的控制端连接，所述第五开关元件的第一连接端与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第五开关元件的第二连接端用于接地；当所述第五开关元件的控制端接收到高电平时，所述第五开关元件导通，否则所述第五开关元件关断；在图2所示的实施例中，所述第五开关元件可以通过一个N型MOS管实现，所述第五开关元件也可以通过其他的方式实现。

所述第二三极管Q2的发射极被配置为所述第一判定单元的输出端。所述第一判定信号为高电平。

基于上述电路连接关系，所述第一判定单元101的工作逻辑如下。

所述第五电阻R5接电源芯片输入端VIN。VIN在所述第六电阻R6上产生V1电压，V1电压通过二极管D1给电容C4充电。由于C4电容容量很小，C4两端电压VT1很快升至V1-0.7V。三极管Q1发射极输入VT1电压，基极输入V1电压。

在电源电路输入端恢复正常工作过程中或者在电源电路输入端正常工作中（电源电路输入端正常工作指所述外部电源未出现限流的情况），V1电压始终是大于VT1电压的，即三极管Q1处于关断的状态。当所述外部电源处于限流状态时，所述电源电路的输入电压VIN下降，输入电压从VIN下降到一定值开始（ΔV1下降值大于等于1.4V），三极管Q1导通。在VIN电压还未下降至第最低电压之前（最低电压近似等于所述电源电路的输出电压VOUT），电容C4两端电压VT1随VIN下降而下降，此过程中，由于Q3导通，Q3的VBE电压维持在0.7V，所以VT1和V1电压差值钳位在0.7V（VT1-V1=0.7V），即三极管Q1保持导通状态。当VIN下降至最低电压一定时间内，电容C4仍在放电（此过程中VT1和V1电压差值钳位在0.7V，Q1保持导通状态），直至C4放电至两端电压VT1和V1电压差值小于0.7V，此时三极管Q1关断，C4电容不再放电。即从VIN下降到第一预设电压（V1-1.4V）开始到下降至最低电压一定时间内，三极管Q1保持导通状态。当VIN下降到最低电压一定时间后（此时间长短并不影响第一判定单元101的电路的正常工作，故此时间不做具体计算说明），三极管Q1仍然会再次关断。

当三极管Q1关断时，不代表第一判定条件不成立。但此时若没有其他的附加电路，会使三极管Q2也关断，此时电阻R10上产生的电压VA为低电平，与设计意图不一致。

为了解决上述问题，设置了第四开关元件、比较器E1和第五开关元件。当三极管Q1导通时，VT1电压通过电阻R8传递至三极管Q2使三极管Q2导通（所述外部电源处于限流状态时，VT1电压大于Q2 的BE间压降0.7V）。三极管Q2导通后，电阻R10上产生的电压VA为高电平。当VA为高电平时，通过第四开关元件锁定此高电平信号，即当所述外部电源处于限流状态时，VA一直输出高电平（在VIN下降至最低电压一定时间后，Q1关断使Q2关断，此时若是没有所述第四开关元件锁定VA的高电平信号，VA电压会翻转为低电平）。比较器E1由稳压源VDD供电，E1输入端接V1和VT1电压。当电源芯片输入端处于限流状态时，VT1电压始终大于V1电压，比较器E1输出VB电压为低电平使所述第五开关元件关断。

在所述外部电源恢复正常工作过程中，VIN迅速上升，V1电压会迅速大于VT1电压。此时，C4电容两端电压VT1和V1电压差值小于0.7V（VT1-V1＜0.7V），Q1和Q2均处于关断状态。在比较器E1检测到V1电压大于VT1电压时，比较器E1输出的电压VB为高电平，使所述第五开关元件导通。所述第五开关元件导通后，VA电压被强制拉到低电平。VA为低电平，所述第四开关元件关断，随后VA一直保持为低电平，解决了第四开关元件锁定高电平后带来的无法直接通过Q2切换低电平的问题。

即所述第一判定单元可实现当所述外部电源处于限流状态，VA一直输出高电平。在所述外部电源恢复正常工作过程中或者在所述外部电源正常工作中，VA输出低电平。

在所述电源电路断电时，C4可通过R7电阻和三极管Q1放电，直至三极管Q1关断（C4两端电压VT1＜0.7V，若是断电时间足够，VT1电压为零）。在下一次所述电源电路重新上电时，虽然V1电压从零开始上升，但三极管Q1仍然是关断的，不会出现Q1导通的逻辑错误。

所述第二判定单元102包括第二二极管D2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13；其中，

所述第二二极管D2的正极用于获取所述外部电源的输出电压，所述第二二极管D2的正极获取的电压也即所述电源电路的输入电压VIN，所述第三三极管Q3为PNP型三极管，所述第三三极管Q3的发射极与所述第二二极管D2的负极连接，所述第三三极管Q3的基极用于获取所述电源电路的输出电压VOUT，所述第三三极管Q3的集电极用于通过所述第十一电阻R11接地；

所述第四三极管Q4为NPN型三极管，所述第四三极管Q4的基极通过所述第十二电阻R12与所述第三三极管Q3的集电极连接，所述第四三极管Q4的发射极用于接地，所述第四三极管Q4的集电极用于通过所述第十三电阻R13连接稳压源VDD；

所述第四三极管Q4的集电极被配置为所述第二判定单元102的输出端。

基于上述电路连接关系，所述第二判定单元的工作逻辑如下。

当所述外部电源处于限流状态时，所述电源电路的输入电压VIN会下降至略高于所述电源电路的输出电压VOUT，上述两者的压差值取决于所述功率管的导通压降值和所述电源电路寄生参数上的压降值。一般情况下，当所述外部电源处于限流状态时，两者的差值在1V左右。利用这一特征，作为所述第二限流判断条件。

当所述外部电源处于限流状态时，此时VIN- VOUT＜1.4V（即（VIN-0.7V）-VOUT＜0.7V），三极管Q3关断，三极管Q3集电极输出电压V3为低电平。当V3为低电平零伏时，三极管Q4关断，此时三极管Q4的集电极电压VC为高电平。当所述外部电源恢复正常工作过程中或者在正常工作中，此时VIN-VOUT≥1.4V，三极管Q3导通，三极管Q3集电极输出电压V3为高电平，值为VIN-0.7V（忽略Q3CE间导通压降）。由于VIN-0.7V远大于0.7V，三极管Q4导通，此时VC电压为低电平。

所述电源电路的其他元件和连接关系，例如基准电压模块，稳压模块等，以及功率管的具体选型，本领域技术人员可以根据实际需求和公知常识进行设置，在本说明书中不进行展开描述。

本实施例还提供了一种电源芯片，所述电源芯片包括上述的电源电路。所述电源芯片也具有将所述外部电源维持在接近限流状态临界点的有益效果。

请参考图5，本实施例还提供了一种电源系统，所述电源系统包括上述的电源芯片、供电电源（即外部电源）、第一电解电容CIN、第一陶瓷电容C11、电感L1、采样电阻RCS、第三二极管D3、第二电解电容COUT、第二陶瓷电容C12，第一分压电阻R21以及第二分压电阻R22所述电源芯片。上述元件的连接关系请参考图5进行理解。所述第一电解电容CIN的两端用于连接供电电源的正负极；所述第二电解电容COUT的两端用于连接负载。

所述第一电解电容CIN和所述第二电解电容COUT用于滤波稳压，所述第一陶瓷电容C11和所述第二陶瓷电容C12用于滤除高频毛刺，所述电感L1用于在所述功率管关断时维持电流，所述二极管D3用于在所述功率管关断时提供电流通过的回路，所述采样电阻RCS用于产生所述反馈电压VCS，所述返馈电压VCS的测量点位于所述采样电阻RCS接地端的另一端。所述第一分压电阻R22和所述第二分压电阻R21用于分压输出采样电压FB，采样电压FB用于控制所述电源芯片的输出电压，当所述电源系统为超级电容供电时，采样电压FB用于控制超级电容的充电截止电压，在本说明书中不再展开说明。

为了体现所述供电系统以及所述电源电路的有益效果。在一工况下，所述供电系统为超级电容供电，同时，还提供了现有技术的电源系统工作时的波形图作为比较。

图6a是现有技术的电源系统在一工况下的波形图，请结合图6b进行理解。在图6a中，上方的图为电压波形图，其中位于上侧的曲线为VIN曲线，即所述电源芯片（电源电路）的输入电压VIN，位于下侧的曲线为VOUT曲线，即所述电源芯片（电源电路）的输出电压VOUT；下方的图为电流波形图，其中位于上侧的曲线为IOUT曲线，即所述电源芯片（电源电路）的输出电流IOUT，位于下侧的曲线为IIN曲线，即所述电源芯片（电源电路）的输入电流IIN；在下方的图中，纵坐标标记了两个特殊的位置，其中IOUTmax表示所述电源芯片（电源电路）在第一次判断所述外部电源（供电电源）处于限流状态之前的设定输出电流IOUTset；IINmax表示所述外部电源（供电电源）用于触发自身的限流状态的判断依据，也就是说当IIN等于或者略微超过IINmax时，所述外部电源（供电电源）基于自身的内部逻辑触发自身的限流状态，可以将IINmax称为限流触发值。在图6a中，为了使得图像清晰，未将IOUTset标出，可以理解的，IOUTset为一条与x轴平行的直线，值为IOUTmax，也就是说IOUTset始终和IOUTmax重合。

由图6a和图6b可知，在超级电容充电的初期，现有技术的电源系统正常工作。当超级电容的电压值上升至一定高度时，IIN等于或者略微超过IINmax，此时，所述外部电源（供电电源）处于限流状态，VIN开始下降至略大于VOUT，两者差值ΔV＜1.4V；IIN为最大值IINmax且保持恒定；IOUT由最大值IOUTmax降低至和IINmax相等的电流值。此状态会持续较长的时间，在这个状态中，现有技术的电源系统输出的功率远没有达到其理论的最大输出功率，从而降低了充电效率。在超级电容充电的末期，由于超级电容两端电压接近于充电截止电压（电容将要充满状态），IIN和IOUT由IINmax最终下降至零（两者开始下降的时间点有所不同，IIN先下降）。当IIN下降后，所述外部电源（供电电源）解除自身的限流状态，VIN恢复至正常的电压。

图6c是本实施例的电源系统在相同工况下的波形示意图，图6c中的曲线及相关符号的解释与图6a的相同；请结合图6d和图6e进行理解。在图6e的中间阶段，IOUT和IIN重合。

在超级电容充电的初期，本实施例的电源系统也正常工作，波形曲线和图6a没有区别。一旦所述外部电源（供电电源）处于限流状态，此时电源电路的电流调节模块20开始工作，通过降低VCS值来降低电源芯片的设定输出电流IOUTset，从而解除电源输入端限流状态。

解除限流状态所需的延迟时间td可以根据下式计算：td = (ΔVT3*C1)/IS1；其中，ΔVT3为解除限流状态所需要的电压下降值，C1为所述第一电容器C1的容值，IS1为所述恒流元件IS1的输出电流值。

解除限流状态后，所述外部电源（供电电源）恢复正常工作。VIN恢复至正常值，IOUT由IINmax恢复至设定输出电流IOUTset。在超级充电初期，由于超级电容两端电压持续上升，所述外部电源（供电电源）会多次触发到限流状态，故此过程在超级充电初期会多次循环。此处需要理解的是，这与电源芯片（电源电路）可以将所述外部电源（供电电源）维持在接近触发所述限流状态的临界点的描述并不冲突，因为事实上，外部的情况一直发生变化。假设所述电源芯片（电源电路）连接了一个电阻型负载，电阻型负载在一时刻阻值变小后，若电源芯片（电源电路）通过减小设定输出电流IOUTset后解除了所述外部电源（供电电源）的限流状态，那么确实可以将所述外部电源（供电电源）维持在接近触发所述限流状态的临界点工作。而本工况下由于是给电容充电，因此随着电容的电压升高，所需要的输出功率一直在增加，因而才产生了多次循环的现象。

在超级电容充电的末期，由于超级电容两端电压接近于充电截止电压（电容将要充满状态），电源芯片（电源电路）的输出电流IOUT由设定输出电流IOUTset最终下降至零，所述外部电源（供电电源）的输出电流IIN由IINmax最终下降至零。

请参考图6f，在本工况下，IOUTset和IOUT的关系如图6f所示。在图6f中，位于上方的曲线为IOUTset曲线，位于下方的曲线为IOUT曲线，在a、b、c、d、e、f区域，两者实际是重合的，但是为了便于理解，进行了错位的展示。由图6f可知，当且仅当限流状态时，IOUTset持续下降；当且仅当限流状态解除时，IOUTset保持。在触发限流状态的瞬间，IOUT突变至IIN，在解除限流状态的瞬间，IOUT突变至IOUTset。与前文的描述相符。

需理解，图6a和图6c都是为了解释上述两个不同的电源系统的波形变化趋势，因而采用了不同的比例，将图6a中的VOUT和图6c中的VOUT放在同一个坐标系中进行比较，得到的结果如图6g所示。在图6g中，0~t1时刻，以及t3~∞时刻的实线，同时代表图6a中的VOUT和图6c中的VOUT，t1~t3时刻，实现代表图6c中的VOUT，虚线代表图6a中的VOUT。VOUT也可以理解为超级电容的电压。

在t1时刻，所述外部电源（供电电源）触发限流状态，现有技术的电源系统在t3时刻超级电容充电截止（即电容充满），本实施例的电源系统在t2时刻超级电容充电截止。t3＞t2，t3和t2的大小取决于所述外部电源（供电电源）的限流触发值IINmax的大小。例如，电源芯片（电源电路）的输入功率是24W，可以是12V/2A或者24V/1A。由于所述外部电源（供电电源）限流时超级电容两端电压不变，给超级电容充电功率取决于所述外部电源（供电电源）限流电流大小，故12V/2A的所述外部电源（供电电源）给超级电容充电的功率是24V/1A所述外部电源（供电电源）给超级电容充电的功率的两倍。

通过图6g可知，本实施例的电源系统在给超级电容充电时，所消耗的时间更短。根据图6g可以得到如下推论，在其他类似的工况下，本实施例的电源系统的供电效率都比现有技术中的电源系统的供电效率更高。

综上，本实施例提供的电源电路、电源芯片及电源系统中，所述电源电路基于外部电源为负载供电，所述电源电路包括限流判定模块10和电流调整模块20，其中，所述限流判定模块10用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；所述电流调整模块20接收到所述限流信号时，持续地减小所述电源电路的设定输出电流以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述电流调整模块20维持所述电源电路的设定输出电流。如此配置，能够及时解除所述外部电源的所述限流状态，从而确保所述外部电源的输出功率始终接近最大输出功率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述避免输入端限流的电源电路基于外部电源为负载供电，所述避免输入端限流的电源电路包括限流判定模块和电流调整模块，其中，

所述限流判定模块用于当判断所述外部电源处于限流状态时，输出限流信号；

所述电流调整模块接收到所述限流信号时，持续地减小设定输出电流以驱使所述外部电源解除所述限流状态；当接收到的所述限流信号消失后，所述电流调整模块维持设定输出电流；

所述避免输入端限流的电源电路的输出电流小于或者等于所述设定输出电流。

2.根据权利要求1所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，在第一次接收到所述限流信号之前，所述电流调整模块用于将所述设定输出电流维持在第一预设范围内。

3.根据权利要求2所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述限流信号为高电平或低电平，所述电流调整模块包括恒流元件、第一开关元件和第一电容器，所述恒流元件的输出端通过所述第一开关元件连接所述第一电容器；所述第一开关元件的控制端接收到所述限流信号时，所述第一开关元件导通，所述第一电容器充电；当接收到的所述限流信号消失后，所述第一开关元件关断，所述第一电容器维持电量；所述恒流元件用于限制所述第一电容器的充电电流在第二预设范围内；所述设定输出电流基于所述第一电容器的电压确定。

4.根据权利要求3所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述限流信号为高电平，所述电流调整模块包括第一电阻、第二电容器、第二开关元件和第三开关元件；其中，

所述第一电阻的第一端用于接收所述限流信号，所述第一电阻的第二端与所述第二电容器的第一端连接，所述第二电容器的第二端用于接地；

所述第一电阻的第二端与所述第二开关元件的控制端连接，所述第二开关元件的第一连接端与所述第一电容器的第一端连接，所述第二开关元件的第二连接端与所述第一电容器的第二端连接；所述第一电容器的第二端还用于接地；当所述第二开关元件的控制端接收到高电平时，所述第二开关元件关断，否则，所述第二开关元件导通；

所述第三开关元件的第一连接端用于连接稳压源，所述第三开关元件的控制端与所述第三开关元件的第二连接端连接，所述第三开关元件的第二连接端与所述第二电容器的第一端连接；当所述第三开关元件的控制端接收到低电平时，所述第三开关元件关断，否则，所述第三开关元件导通。

5.根据权利要求3所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述避免输入端限流的电源电路包括功率管，所述电流调整模块还包括运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、误差放大器和第三电容器；其中，

所述运算放大器的同相端用于获取所述第一电容器的电压，所述运算放大器的反相端与所述运算放大器的输出端连接；

所述运算放大器的输出端通过所述第二电阻与所述误差放大器的反相端连接，所述误差放大器的同相端用于获取基准电压，所述误差放大器的输出端用于输出控制信号驱使所述功率管的开断以控制所述避免输入端限流的电源电路的设定输出电流，所述误差放大器的输出端还与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端用于通过所述第三电容器接地；

所述第三电阻的第一端与所述误差放大器的反相端连接，所述第三电阻的第二端用于获取反馈电压，所述反馈电压与所述设定输出电流存在比例关系。

6.根据权利要求1~5中任一项所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述限流判定模块包括第一判定单元和第二判定单元；当所述避免输入端限流的电源电路的输入电压符合第一限流判断条件时，所述第一判定单元输出第一限流判定信号；当所述避免输入端限流的电源电路的输入电压和所述避免输入端限流的电源电路的输出电压的差值符合第二限流判断条件时，所述第二判定单元输出第二限流判定信号；当所述第一判定单元输出第一限流判定信号以及所述第二判定单元输出所述第二限流判定信号时，所述限流判定模块输出所述限流信号。

7.根据权利要求6所述的避免输入端限流的电源电路，其特征在于，所述第一限流判断条件包括：所述避免输入端限流的电源电路的输入电压持续下降，且下降压差超过第一预设压差；和/或，所述第二限流判断条件包括：所述避免输入端限流的电源电路的输入电压和所述避免输入端限流的电源电路的输出电压的差值小于第二预设压差。

8.一种避免输入端限流的电源芯片，其特征在于，包括如权利要求1~7中任一项所述的避免输入端限流的电源电路。

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