CN115333353B - Buckboost直通模式输入限流控制电路及方法 - Google Patents

Buckboost直通模式输入限流控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路及方法，涉及电源管理技术领域，输入限流控制电路用于对BUCKBOOST电路的输入电流进行控制；输入限流控制电路，包括：电流采样电阻、电流采样运放、限流控制运放、第一切换开关和第二切换开关。当输入电压大于输出电压且需要BUCKBOOST电路进入直通模式时，控制第四开关管打开，第二开关管和第三开关管关闭，第一切换开关闭合，第二切换开关断开，并控制限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得输入电压与输出电压的差值处于设定范围内。本发明能对浪涌电流进行限制，避免对器件造成损坏。

Description

BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路及方法
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，特别是涉及一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路及方法。
背景技术
BUCKBOOST是一个四管交替开关，工作在buck（降压）、buckboost（升降压）、boost（升压）三种工作模式，实现升降压功能的开关电源结构。BUCKBOOST通过直通模式，使四个功率开关管中的两个下管常关，两个上管常开，输入直通到输出，可实现大功率充电，减小开关损耗，提高效率，同时可配合PPS快充协议芯片实现大电流直充功能。
在进入上述直通模式时，由于输入电压和输出电压的初始值可能存在较大的差异，两个上管同时导通时，会出现较大的不可控的浪涌电流，该浪涌电流可能会对器件造成损坏，因此有必要对该电流进行限制。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路及方法，以对浪涌电流进行限制，避免对器件造成损坏。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，所述输入限流控制电路用于对BUCKBOOST电路的输入电流进行控制；
所述BUCKBOOST电路，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感；
所述第一开关管的漏极连接输入电压；所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极均连接所述电感的一端；所述电感的另一端连接所述第三开关管的漏极和所述第四开关管的源极；所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极分别连接对应的栅极驱动信号；所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极均接地；所述第四开关管的漏极连接输出电压；
所述输入限流控制电路，包括：电流采样电阻、电流采样运放、限流控制运放、第一切换开关和第二切换开关；
所述电流采样电阻的一端连接输入电压以及所述电流采样运放的正端；所述电流采样电阻的另一端连接所述第一开关管的漏极以及所述电流采样运放的负端；所述电流采样运放的输出端连接所述限流控制运放的负端；所述限流控制运放的正端连接限流参考电压；所述限流控制运放的输出端通过所述第一切换开关与所述第一开关管的栅极连接；所述第一开关管的栅极通过所述第二切换开关连接对应的栅极驱动信号；所述电流采样运放用于检测所述电流采样电阻流过的电流，并根据所述电流输出第一电压；所述限流控制运放根据所述第一电压和所述限流参考电压输出第二电压；
当所述输入电压大于所述输出电压且需要所述BUCKBOOST电路进入直通模式时，控制所述第四开关管打开，所述第二开关管和所述第三开关管关闭，所述第一切换开关闭合，所述第二切换开关断开，并控制所述限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内。
可选地，所述BUCKBOOST电路，还包括：BUCKBOOST控制模块；
所述BUCKBOOST控制模块的输入端连接所述输入电压；所述BUCKBOOST控制模块的输出端连接所述输出电压；
所述BUCKBOOST控制模块通过所述第二切换开关与所述第一开关管的栅极连接；
所述BUCKBOOST控制模块还分别与所述第二开关管的栅极、所述第二开关管的漏极、所述第三开关管的漏极、第三开关管的栅极和第四开关管的栅极连接。
可选地，所述BUCKBOOST电路，还包括：第五开关管；
所述第五开关管的栅极与所述BUCKBOOST控制模块连接；所述第五开关管的源极连接所述输出电压；所述第五开关管的漏极连接输出电池电压；所述BUCKBOOST控制模块连接所述输出电池电压。
可选地，所述BUCKBOOST电路，还包括：第一电容、第二电容和电池；
所述第一电容的一端连接所述输入电压；所述第一电容的另一端接地；
所述第二电容的一端连接所述输出电压；所述第二电容的另一端接地；
所述电池的正极端连接所述输出电池电压；所述电池的负极端接地。
可选地，所述BUCKBOOST电路，还包括：第二电阻；
所述第五开关管的漏极通过所述第二电阻连接输出电池电压。
本发明还提供了一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制方法，所述输入限流控制方法应用于上述输入限流控制电路；所述输入限流控制方法，包括：
确定所述BUCKBOOST电路是否进入直通模式，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则判断输入电压是否大于输出电压，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则控制第四开关管打开，第二开关管和所述第三开关管关闭，第一切换开关闭合，第二切换开关断开，并控制限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内。
可选地，在所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内之后，还包括：
控制第一切换开关断开，第二切换开关闭合，使第一开关管完全导通。
可选地，所述第一开关管完全导通时，所述BUCKBOOST电路的输入电流为：
IBUS=(VBUS-VSYS)/(R1+Rdson(M1)+ Rdson(M4))；
其中，IBUS表示输入电流；VBUS表示输入电压；VSYS表示输出电压；R1表示电流采样电阻的阻值；Rdson(M1)表示第一开关管的导通电阻；Rdson(M4)表示第四开关管的导通电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提出了一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路及方法，输入限流控制电路用于对BUCKBOOST电路的输入电流进行控制；输入限流控制电路，包括：电流采样电阻、电流采样运放、限流控制运放、第一切换开关和第二切换开关。当输入电压大于输出电压且需要BUCKBOOST电路进入直通模式时，控制第四开关管打开，第二开关管和第三开关管关闭，第一切换开关闭合，第二切换开关断开，并控制限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得输入电压与输出电压的差值处于设定范围内。本发明通过线性增大限流参考电压，使得输入电流线性增加，保证了当输入电压和输出电压存在较大差值时，输入电流可控，实现了对浪涌电流的限制，避免了浪涌电流对器件造成损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路的电路原理图；
图2为本发明实施例提供的BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路的控制波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了对BUCKBOOST电路进入直通模式时可能出现的浪涌电流进行限制，本发明利用BUCKBOOST电路的第一开关管短时间工作在线性区对进入直通模式时的输入电流进行限制，以防止可能出现的浪涌电流对器件造成损坏。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路的电路原理图。所述输入限流控制电路用于对BUCKBOOST电路的输入电流进行控制。
参见图1，所述BUCKBOOST电路，包括：第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4和电感L1。该BUCKBOOST电路可称之为四开关管BUCKBOOST。
所述第一开关管M1的漏极连接输入电压VBUS；所述第一开关管M1的源极和所述第二开关管M2的漏极均连接所述电感L1的一端；所述电感L1的另一端连接所述第三开关管M3的漏极和所述第四开关管M4的源极；所述第一开关管M1的栅极、所述第二开关管M2的栅极、所述第三开关管M3的栅极和所述第四开关管M4的栅极分别连接对应的栅极驱动信号；所述第二开关管M2的源极和所述第三开关管M3的源极均接地；所述第四开关管M4的漏极连接输出电压VSYS。
所述输入限流控制电路，包括：电流采样电阻、电流采样运放A1、限流控制运放A2、第一切换开关S1和第二切换开关S2。电流采样电阻的阻值为R1。
所述电流采样电阻的一端连接输入电压VBUS以及所述电流采样运放A1的正端；所述电流采样电阻的另一端连接所述第一开关管M1的漏极以及所述电流采样运放的负端；所述电流采样运放A1的输出端连接所述限流控制运放A2的负端；所述限流控制运放A2的正端连接限流参考电压；所述限流控制运放A2的输出端通过所述第一切换开关S1与所述第一开关管M1的栅极连接；所述第一开关管M1的栅极通过所述第二切换开关S2连接对应的栅极驱动信号；所述电流采样运放A1用于检测所述电流采样电阻流过的电流，并根据所述电流输出第一电压；所述限流控制运放A2根据所述第一电压和所述限流参考电压输出第二电压。
当所述输入电压VBUS大于所述输出电压VSYS且需要所述BUCKBOOST电路进入直通模式时，通过改变限流参考电压，实现对输入电流的控制，具体的：控制所述第四开关管M4打开，所述第二开关管M2和所述第三开关管M3关闭，所述第一切换开关S1闭合，所述第二切换开关S2断开，并控制所述限流参考电压在设定时间△t内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压VBUS与所述输出电压VSYS的差值处于设定范围内。这样通过线性增大限流参考电压，使得输入电流线性增加，保证了当输入电压VBUS和输出电压VSYS存在较大差值时，输入电流可控，实现了对浪涌电流的限制，避免了浪涌电流对器件造成损坏。
为了防止第一开关管M1长时间工作在可变电阻区（又称线性区），导致开关管严重发热，一般选择的设定时间△t的范围在50us以内，例如，△t可取值为30us-50us。
所述电流采样运放A1和限流控制运放A2的具体工作过程为：
当BUCKBOOST电路需要进入直通模式，第四开关管M4打开，第二开关管M2、第三开关管M3关闭，第一切换开关S1打开，第二切换开关S2关闭，电流采样运放A1检测流过电流采样电阻的电流，并将采样值作为限流控制运放A2的输入，限流控制运放A2的另一输入端连接限流参考电压，输出端连接到第一开关管M1的栅极。当电流采样运放A1检测流过电流采样电阻的电流变大时，电流采样运放A1的输出的第一电压增大，当其大于限流控制运放A2的另一输入端的限流参考电压时，限流控制运放A2输出端电压减小，工作在可变电阻区的第一开关管M1的栅源电压Vgs减小，使得输入电压VBUS到输出电压VSYS电流通路电阻增大，达到减小输入电流的目的。反之，电流采样运放A1检测流过电流采样电阻的电流变小时，电流采样运放A1的输出端电压减小，当其小于限流控制运放A2的另一输入端限流参考电压时，限流控制运放A2的输出端电压就会增大，工作在可变电阻区的第一开关管M1的栅源电压Vgs增大，使得输入电压VBUS到输出电压VSYS电流通路电阻减小，达到增大输入电流的目的。
在一个示例中，所述BUCKBOOST电路，还包括：BUCKBOOST控制模块。
所述BUCKBOOST控制模块的输入端连接所述输入电压VBUS；所述BUCKBOOST控制模块的输出端连接所述输出电压VSYS。所述BUCKBOOST控制模块通过所述第二切换开关S2与所述第一开关管M1的栅极连接，为第一开关管M1的栅极提供栅极驱动信号HD1。所述BUCKBOOST控制模块还分别与所述第二开关管M2的栅极、所述第二开关管M2的漏极、所述第三开关管M3的漏极、第三开关管M3的栅极和第四开关管M4的栅极连接，分别对应为第二开关管M2的栅极提供栅极驱动信号LD1，为所述第二开关管M2的漏极提供漏极驱动信号SW1，为所述第三开关管M3的漏极提供漏极驱动信号SW2，为第三开关管M3的栅极提供栅极驱动信号LD2，为第四开关管M4的栅极提供栅极驱动信号HD2。
在一个示例中，所述BUCKBOOST电路，还包括：第五开关管M5。所述第五开关管M5的栅极与所述BUCKBOOST控制模块连接；所述第五开关管M5的源极连接所述输出电压VSYS；所述第五开关管M5的漏极连接输出电池电压VBAT；所述BUCKBOOST控制模块连接所述输出电池电压VBAT。
在一个示例中，所述BUCKBOOST电路，还包括：第一电容C1、第二电容C2和电池BT1。所述第一电容C1的一端连接所述输入电压VBUS；所述第一电容C1的另一端接地。所述第二电容C2的一端连接所述输出电压VSYS；所述第二电容C2的另一端接地。所述电池BT1的正极端连接所述输出电池电压VBAT；所述电池的负极端接地。
所述BUCKBOOST控制模块分别控制HD1、LD1、HD2、LD2实现升降压功能，并且通过BATDRV连接的第五开关管M5实现对电池BT1的充电电流的控制。
在一个示例中，所述BUCKBOOST电路，还包括：第二电阻；所述第五开关管M5的漏极通过所述第二电阻连接输出电池电压VBAT。第二电阻的阻值为R2。
上述实施例的BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，可应用于带有电池或DCDC升降压的电源管理设备，又或者需大电流直充协议的设备，包括笔记本、平板、智能移动电源、电动工具等。
下面对BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路一个更为具体的控制过程进行说明。
参见图2，充电模式下，VBUS为输入端口的输入电压，VSYS为输出端口的输出电压，VBAT为输出端口的输出电池电压，输入电压VBUS=V2，输出电压VSYS=V1。输入电压VBUS远大于输出电压VSYS，未进入直通模式（0-t1阶段）时，输入电压VBUS通过BUCKBOOST控制模块控制各个开关管的工作模式，以提供输出端口VSYS和VBAT的功率，并通过BATDRV实现对VBAT充电电流的控制。
为了实现大电流直充功能，当准备进入直通模式（t1-t2阶段）时，限流参考电压开始以初始的第一参考电压值VREF1增加，在△t时间内增加到第二参考电压值VREF2，对应的输入电流值也从Ilimt1增加到Ilimt2。在△t时间内，输出电压VSYS以线性增大的电流值（Ilimt1~Ilimt2）充电，经过△t时间的充电过程，输入电压VBUS与输出电压VSYS的电压差已经很小，第一开关管M1可变电阻区工作时间△t计时结束后，将第一开关管M1完全导通，此时不会产生较大的浪涌电流，实现了输入限流控制，BUCKBOOOST电路的开关工作模式可以平滑地过渡到直通模式。
当进入到直通模式（t2之后的阶段）时，第一开关管M1、第四开关管M4完全导通后，输入电压VBUS到输出电压VSYS电流通路的电流由电流采样电阻的阻值R1、第一开关管M1的导通电阻和第四开关管M4的导通电阻决定，输入电流IBUS=(VBUS-VSYS)/(R1+Rdson(M1)+Rdson(M4))。
上述实施例的BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，实现了直通模式下输入限流的控制，本实施例通过线性增大限流参考电压，控制输入电流线性增加，使得当输入电压VBUS和输出电压VSYS初始态存在较大差值时，输入电流可控，避免了浪涌电流对器件造成的损坏。并将限流参考电压线性增大的时间限制为△t，之后再将第一开关管M1完全导通，这样一方面避免第一开关管M1长时间工作在可变电阻区，导致发热损坏；另一方面减小进入直通模式后的功率损耗，提高直通模式的效率。本发明实施例可有效减小直通模式下的浪涌电流问题，达到大功率充电，减小开关损耗的目的。
本发明还提供了一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制方法，所述输入限流控制方法应用于上述实施例的输入限流控制电路；所述输入限流控制方法，包括：
确定所述BUCKBOOST电路是否进入直通模式，得到第一判断结果。若所述第一判断结果为是，则判断输入电压VBUS是否大于输出电压VSYS，得到第二判断结果。
若所述第二判断结果为是，则控制第四开关管M4打开，第二开关管M2和所述第三开关管M3关闭，第一切换开关S1闭合，第二切换开关S2断开，并控制限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压VBUS与所述输出电压VSYS的差值处于设定范围内。
在一个示例中，在所述输入电压VBUS与所述输出电压VSYS的差值处于设定范围内之后，还包括：
控制第一切换开关S1断开，第二切换开关S2闭合，使第一开关管M1完全导通。所述第一开关管M1完全导通时，所述BUCKBOOST电路的输入电流为：
IBUS=(VBUS-VSYS)/(R1+Rdson(M1)+ Rdson(M4))；
其中，IBUS表示输入电流；VBUS表示输入电压VBUS；VSYS表示输出电压VSYS；R1表示电流采样电阻的阻值；Rdson(M1)表示第一开关管M1的导通电阻；Rdson(M4)表示第四开关管M4的导通电阻。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，其特征在于，所述输入限流控制电路用于对BUCKBOOST电路的输入电流进行控制；
所述BUCKBOOST电路，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感；
所述第一开关管的漏极连接输入电压；所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极均连接所述电感的一端；所述电感的另一端连接所述第三开关管的漏极和所述第四开关管的源极；所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极分别连接对应的栅极驱动信号；所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极均接地；所述第四开关管的漏极连接输出电压；
所述输入限流控制电路，包括：电流采样电阻、电流采样运放、限流控制运放、第一切换开关和第二切换开关；
所述电流采样电阻的一端连接输入电压以及所述电流采样运放的正端；所述电流采样电阻的另一端连接所述第一开关管的漏极以及所述电流采样运放的负端；所述电流采样运放的输出端连接所述限流控制运放的负端；所述限流控制运放的正端连接限流参考电压；所述限流控制运放的输出端通过所述第一切换开关与所述第一开关管的栅极连接；所述第一开关管的栅极通过所述第二切换开关连接对应的栅极驱动信号；所述电流采样运放用于检测所述电流采样电阻流过的电流，并根据所述电流输出第一电压；所述限流控制运放根据所述第一电压和所述限流参考电压输出第二电压；
当所述输入电压大于所述输出电压且需要所述BUCKBOOST电路进入直通模式时，控制所述第四开关管打开，所述第二开关管和所述第三开关管关闭，所述第一切换开关闭合，所述第二切换开关断开，并控制所述限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内。
2.根据权利要求1所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，其特征在于，所述BUCKBOOST电路，还包括：BUCKBOOST控制模块；
所述BUCKBOOST控制模块的输入端连接所述输入电压；所述BUCKBOOST控制模块的输出端连接所述输出电压；
所述BUCKBOOST控制模块通过所述第二切换开关与所述第一开关管的栅极连接；
所述BUCKBOOST控制模块还分别与所述第二开关管的栅极、所述第二开关管的漏极、所述第三开关管的漏极、第三开关管的栅极和第四开关管的栅极连接。
3.根据权利要求2所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，其特征在于，所述BUCKBOOST电路，还包括：第五开关管；
所述第五开关管的栅极与所述BUCKBOOST控制模块连接；所述第五开关管的源极连接所述输出电压；所述第五开关管的漏极连接输出电池电压；所述BUCKBOOST控制模块连接所述输出电池电压。
4.根据权利要求3所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，其特征在于，所述BUCKBOOST电路，还包括：第一电容、第二电容和电池；
所述第一电容的一端连接所述输入电压；所述第一电容的另一端接地；
所述第二电容的一端连接所述输出电压；所述第二电容的另一端接地；
所述电池的正极端连接所述输出电池电压；所述电池的负极端接地。
5.根据权利要求3所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制电路，其特征在于，所述BUCKBOOST电路，还包括：第二电阻；
所述第五开关管的漏极通过所述第二电阻连接输出电池电压。
6.一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制方法，其特征在于，所述输入限流控制方法应用于权利要求1-5中任意一项所述的输入限流控制电路；所述输入限流控制方法，包括：
确定所述BUCKBOOST电路是否进入直通模式，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则判断输入电压是否大于输出电压，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则控制第四开关管打开，第二开关管和所述第三开关管关闭，第一切换开关闭合，第二切换开关断开，并控制限流参考电压在设定时间内由第一参考电压值线性增大至第二参考电压值，使得所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内。
7.根据权利要求6所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制方法，其特征在于，在所述输入电压与所述输出电压的差值处于设定范围内之后，还包括：
控制第一切换开关断开，第二切换开关闭合，使第一开关管完全导通。
8.根据权利要求7所述的一种BUCKBOOST直通模式输入限流控制方法，其特征在于，所述第一开关管完全导通时，所述BUCKBOOST电路的输入电流为：
IBUS=(VBUS-VSYS)/(R1+Rdson(M1)+ Rdson(M4))；
其中，IBUS表示输入电流；VBUS表示输入电压；VSYS表示输出电压；R1表示电流采样电阻的阻值；Rdson(M1)表示第一开关管的导通电阻；Rdson(M4)表示第四开关管的导通电阻。
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