CN115729308B - 一种动态限流控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种动态限流系统，包括采样电压电路、低压限流电路和待控制电路；所述待控制电路连接输入电源信号为负载提供电流；所述采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，所述采样电流与输入电源电压成正比关系，所述采样电流用于控制所述待控制电路的最大限流；所述低压限流电路与所述采样电压电路连接，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值。本发明的动态限流控制系统能够在输入电源电压低的时候，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值，当电源电压低于低压阈值后，固定最大限流值，不再随电源电压而变化，有效的保证系统工作安全。
Description
技术领域
本发明涉及电源芯片领域，特别是涉及一种动态限流控制系统。
背景技术
在电子系统中，不同的产品工作需在不同的电源电压下工作，但电子系统整体供电统一，例如有适配器供电和有电池供电。电源芯片需将统一的电源经过升压、降压、隔离等处理后提供给不同的产品使用。
如图1所示，电源芯片接收输入电源信号，产生输出电源给负载供电。为了保护输入供电系统，同时为了保护电源芯片，需要限制最大的输入电流ICL。当输入电流ICL太大，可能会将供电系统拉跨或者将电源芯片烧损。在适配器供电等稳定供电应用下，可以根据输入电源供电能力以及电源芯片能承受的最大电流结合负载需要的最大电流等参数选择合适的最大限流值，以确保输入电流ICL不会过大。
但是在电池供电系统中，固定的最大限流值会带来一些问题。由于电池的供电能力随着电量的消耗会发生改变，当电池电压较高时，供电能力较强，可以给出较大的电流。随着电池的使用，电池电压降低，由于电池的内阻增大，此时电池给出相同电流所产生的压降对系统的应用会越来越大。当电池到达低电量范围时，电池内阻快速增大，供电能力明显减弱。如果要提供较大输出电流的能力，需要将最大限流值设置较高，但此时还需要设置较高的关机电压，避免电池电压降低后引起的系统风险。为了充分利用电池的供电范围，又需要将最大限流值设置较低，避免电池被拉跨或者系统出现电源跌落异常，但这样在电池电压较高时也无法提供更大的驱动能力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种动态限流控制系统，当电源电压低于低压阈值后，可以固定最大限流值，不再随电源电压而变化，在电源电压低的时候，限流较小，保证系统工作安全。
为实现上述目的，本发明提供一种动态限流控制系统，包括：
采样电压电路、低压限流电路和待控制电路；
所述待控制电路连接输入电源信号为负载提供电流；
所述采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，所述采样电流与输入电源电压成正比关系，所述采样电流用于控制所述待控制电路的最大限流；
所述低压限流电路与所述采样电压电路连接，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值。
进一步的，所述采样电压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、运算放大器、采样电阻和第一MOS管；
所述第一分压电阻和第二分压电阻串联后一端连接输入电源电压，另一端接地；
所述运算放大器的同相输入端连接在所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间，所述运算放大器的反相输入端连接所述第一MOS管的源极，所述运算放大器的输出端连接所述第一MOS管的栅极；
所述第一MOS管的漏极连接输入电源电压，源极通过所述采样电阻接地。
进一步的，所述低压限流电路包括第一电流镜和第二电流镜，所述第一电流镜的输入端分别连接输入电源电压和所述第一MOS管的漏极，所述第一电流镜的输出端连接所述第二电流镜的输入端，所述第二电流镜的输出端输出用于控制所述最大限流的控制信号。
进一步的，所述第一电流镜包括第二MOS管和第三MOS管，所述第二电流镜包括第四MOS管和第五MOS管；
所述第二MOS管和第三MOS管共栅极，所述第二MOS管和第三MOS管共源极并连接输入电源电压，所述第二MOS管的漏极与栅极相连并连接所述一MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接所述第四MOS管的漏极；所述第四MOS管和所述第五MOS管共栅极，所述第四MOS管和所述第五MOS管共源极接地，所述第四MOS管的漏极与栅极相连，所述第五MOS管的漏极输出所述控制信号。
进一步的，还包括高压限流电路，所述高压限流电路包括第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第九MOS管；
所述第六MOS管和第七MOS管共栅极，所述第六MOS管和第七MOS管共源极并连接工作电源，所述第六MOS管的漏极与栅极相连并接地；
所述第七MOS管的漏极分别连接所述第八MOS管的栅极和第九MOS管的漏极，所述第八MOS管的源极连接所述第四MOS管的漏极，所述第八MOS管的漏极连接所述第三MOS管的漏极；
所述第九MOS管和所述第五MOS管共栅极，所述第九MOS管和所述第五MOS管共源极并接地。
进一步的，所述运算放大器还包括限幅电路。
进一步的，还包括高压限流电路，所述高压限流电路连接所述低压限流电路，根据系统最大工作电流设置高压限流值。
进一步的，所述待控制电路包括第三电流镜，所述第三电流镜包括第十MOS管和第十一MOS管，所述第十MOS管和第十一MOS管共栅极，所述第十MOS管和第十一MOS管共源极并连接输入电源电压，所述第十MOS管的漏极与栅极相连并连接所述低压限流电路的输出端，所述第十一MOS管的漏极连接所述负载。
相比于现有技术，本发明的有益效果主要体现在：
采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，采样电流与输入电源电压成正比关系，采样电流用于控制待控制电路的最大限流值，并通过低压限流电路在输入电源低电压的时候，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值；当电源电压低于低压阈值后，固定最大限流值，使其不再随电源电压而变化，有效的保证系统工作安全。
进一步的，在电压较高时，通过高压限流电路根据系统最大工作电流设置高压限流值，可以给出较大驱动能力。
附图说明
图1为现有技术中限流控制系统的示意图；
图2为本发明动态限流控制系统的示意图；
图3为本发明系统低压时未设定低压限流值的控制效果；
图4为本发明系统低压时设定低压限流值的控制效果；
图5为本发明设有高压限流电路时的动态限流控制系统的示意图；
图6为本发明同时设有低压限流值与高压限流值的控制效果示意图；
图7为本发明根据不同的应用需求，设定不同的限流曲线效果示意图；
图8为现有技术中固定限流值的控制效果示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的一种动态限流控制系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本实施例中提出了一种动态限流控制系统，包括：
采样电压电路、低压限流电路和待控制电路；
所述待控制电路连接输入电源信号为负载提供电流；
所述采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，所述采样电流与输入电源电压成正比关系，所述采样电流用于控制所述待控制电路的最大限流；
所述低压限流电路与所述采样电压电路连接，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值。
具体的，请参考图2所示，所述采样电压电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、运算放大器A、采样电阻R3和第一MOS管Q1；所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联后一端连接输入电源电压VCC，另一端接地；所述运算放大器A的同相输入端连接在所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2之间，所述运算放大器A的反相输入端连接所述第一MOS管Q1的源极，所述运算放大器A的输出端连接所述第一MOS管Q1的栅极；所述第一MOS管Q1的漏极连接输入电源电压VCC，源极通过所述采样电阻R3接地。
其中，输入电源电压通过采样分压电路采样电压分压Vd=VCC*R2/(R2+R1)，采样电流为Id=Vd/R3=VCC*R2/(R3*(R2+R1))。
当电源电压低于低压阈值VCCL后，此时的动态采样电流：ILth= VCCL*R2/(R3*(R2+R1))，此时动态采样电流IDCL=(VCC-VCCL)*R2/(R3*(R2+R1))，此时限流值-电源电压关系图如图3所示。
在本实施例中，所述低压限流电路包括第一电流镜和第二电流镜，所述第一电流镜的输入端分别连接输入电源电压VCC和所述第一MOS管Q1的漏极，所述第一电流镜的输出端连接所述第二电流镜的输入端，所述第二电流镜的输出端输出用于控制所述限流值的控制信号。
具体的，所述第一电流镜包括第二MOS管Q2和第三MOS管Q3，所述第二电流镜包括第四MOS管Q4和第五MOS管Q5。
其中，所述第二MOS管Q2和第三MOS管Q3共栅极，所述第二MOS管Q2和第三MOS管Q3共源极并连接输入电源电压VCC，所述第二MOS管Q2的漏极与栅极相连并连接所述一MOS管的漏极，所述第三MOS管Q3的漏极连接所述第四MOS管Q4的漏极；所述第四MOS管Q4和所述第五MOS管Q5共栅极，所述第四MOS管Q4和所述第五MOS管Q5共源极接地，所述第四MOS管Q4的漏极与栅极相连，所述第五MOS管Q5的漏极输出所述控制信号。
在本实施例中，所述待控制电路包括第三电流镜，所述第三电流镜包括第十MOS管Q10和第十一MOS管Q11，所述第十MOS管Q10和第十一MOS管Q11共栅极，所述第十MOS管Q10和第十一MOS管Q11共源极并连接输入电源电压VCC，所述第十MOS管Q10的漏极与栅极相连并连接所述低压限流电路的输出端，所述第十一MOS管Q11的漏极连接所述负载。
其中，第二电流镜比例为m，第三电流镜比例为n。
具体的，在图3的电路中，根据系统低压时需要的最小工作电流ICLmin设定低压限流值ILref，可以得到如图4中所示的限流值-电源电压关系图，其中：ILref=LCLmin/(m*n)；进一步的，低压限流值ILref与动态采样电流IDCL叠加，得到最终的限流值。其中，最大限流ICL=(IDCL+ILref)*m*n=m*n*(VCC-VCCL)* R2/(R3*(R2+R1))+ICLmin。
在本实施例中，除了低压限流阈值，还需要同时考虑高压的限流值，如果没有设定高压的限流值，输入电源电压VCC较高时，限流值可能会超过电池的供电电流或者电源芯片的最大驱动电流，根据电池的最大供电电流和芯片的最大驱动能力，设定高压限流值为ICLmax，可以通过控制高压限流值的大小或者控制输入电源电压VCC的大小来控制最大的限流值。
具体的，请参考图5所示，还包括高压限流电路，所述高压限流电路连接所述低压限流电路，根据系统最大工作电流设置高压限流值。
其中，所述高压限流电路包括第六MOS管Q6、第七MOS管Q7、第八MOS管Q8和第九MOS管Q9。
所述第六MOS管Q6和第七MOS管Q7共栅极，所述第六MOS管Q6和第七MOS管Q7共源极并连接工作电源，所述第六MOS管Q6的漏极与栅极相连并接地。
所述第七MOS管Q7的漏极分别连接所述第八MOS管Q8的栅极和第九MOS管Q9的漏极，所述第八MOS管Q8的源极连接所述第四MOS管Q4的漏极，所述第八MOS管Q8的漏极连接所述第三MOS管Q3的漏极。
所述第九MOS管Q9和所述第五MOS管Q5共栅极，所述第九MOS管Q9和所述第五MOS管Q5共源极并接地。
在本实施例中，通过高压限流阈值控制电路对最大输出限流进行控制，高压限流阈值IHth=ICLmax/(m*n)。
具体的，本实施例中的所述运算放大器还包括限幅电路，通过对采样电压进行最高电压的限幅达到控制最大限流值的目的，其中限幅电压Vclamp=(ICLmax/(m*n)-ILref+ILth)*R3。
本领域技术人员可以知晓的是，限幅电路通过对采样电压进行最高电压的限幅达到控制最大限流值的目的，高压限流电路是根据系统最大工作电流设置高压限流值，以达到保护目的。两者可同时增加在系统中，也可以根据需要选择其中一种电路，例如高压限流电路或限幅电路进行高电压保护。在本实施例中，以两种均增加在系统中为例做了介绍。但在本实施例以外的其他实施例中，可以仅选用其中一种，但均在本方案的保护范围之内。
本发明提出的动态限流控制系统在同时设有低压限流值与高压限流值的控制效果如图6所示，可以根据实际情况灵活设定该曲线，既保证低压工作的安全，又保证高压驱动工作的驱动能力。本发明还可以根据不同的应用需求，设定不同的限流曲线，具体请参考图7所示，图中为三条斜率不同的限流控制曲线。
相比于传统的限流控制方式，如图8所示，只能设置固定限流值，随着限流值的增大，工作电压范围越来越小，当输入电源电压降低后电源的限流太小，无法给系统提供基本的供电电流，容易出现电池被拉跨或者系统出现电源跌落异常，本发明提出的采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，采样电流与输入电源电压成正比关系，采样电流用于控制待控制电路的最大限流值，并通过低压限流电路在输入电源低电压的时候，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值；当电源电压低于低压阈值后，固定最大限流值，使其不再随电源电压而变化，有效的保证系统工作安全。此外，在电压较高时，通过高压限流电路根据系统最大工作电流设置高压限流值，可以给出较大驱动能力。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种动态限流控制系统，其特征在于，包括：采样电压电路、低压限流电路、高压限流电路和待控制电路；
所述待控制电路连接输入电源信号为负载提供电流；
所述采样电压电路根据输入电源电压得到采样电流，所述采样电流与输入电源电压成正比关系，所述采样电流用于控制所述待控制电路的最大限流；
所述低压限流电路与所述采样电压电路连接，根据系统低压时需要的最小工作电流设置低压限流值；
所述高压限流电路包括第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第
九MOS管；
所述第六MOS管和第七MOS管共栅极，所述第六MOS管和第七MOS管共源极并连接工作电源，所述第六MOS管的漏极与栅极相连并接地；
所述第七MOS管的漏极分别连接所述第八MOS管的栅极和第九MOS管的漏极，所述第八MOS管的源极与漏极均连接所述低压限流电路；
所述第九MOS管的栅极与所述低压限流电路相连，所述第九MOS管的源极连接所述低压限流电路并接地。
2.如权利要求1所述的动态限流控制系统，其特征在于，所述采样电压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、运算放大器、采样电阻和第一MOS管；
所述第一分压电阻和第二分压电阻串联后一端连接输入电源电压，另一端接地；
所述运算放大器的同相输入端连接在所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间，所述运算放大器的反相输入端连接所述第一MOS管的源极，所述运算放大器的输出端连接所述第一MOS管的栅极；
所述第一MOS管的漏极连接输入电源电压，源极通过所述采样电阻接地。
3.如权利要求2所述的动态限流控制系统，其特征在于，所述低压限流电路包括第一电流镜和第二电流镜，所述第一电流镜的输入端分别连接输入电源电压和所述第一MOS管的漏极，所述第一电流镜的输出端连接所述第二电流镜的输入端，所述第二电流镜的输出端输出用于控制所述最大限流的控制信号。
4.如权利要求3所述的动态限流控制系统，其特征在于，所述第一电流镜包括第二MOS管和第三MOS管，所述第二电流镜包括第四MOS管和第五MOS管；
所述第二MOS管和第三MOS管共栅极，所述第二MOS管和第三MOS管共源极并连接输入电源电压，所述第二MOS管的漏极与栅极相连并连接所述一MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接所述第四MOS管的漏极；所述第四MOS管和所述第五MOS管共栅极，所述第四MOS管和所述第五MOS管共源极接地，所述第四MOS管的漏极与栅极相连，所述第五MOS管的漏极输出所述控制信号。
5.如权利要求4中的动态限流控制系统，其特征在于，所述第八MOS管的源极连接所述第四MOS管的漏极，所述第八MOS管的漏极连接所述第三MOS管的漏极；所述第九MOS管和所述第五MOS管共栅极，所述第九MOS管和所述第五MOS管共源极并接地。
6.如权利要求2-5任一项所述的动态限流控制系统，其特征在于，所述运算放大器还包括限幅电路。
7.如权利要求1所述的动态限流控制系统，其特征在于，还包括高压限流电路，所述高压限流电路连接所述低压限流电路，根据系统最大工作电流设置高压限流值。
8.如权利要求1所述的动态限流控制系统，其特征在于，所述待控制电路包括第三电流镜，所述第三电流镜包括第十MOS管和第十一MOS管，所述第十MOS管和第十一MOS管共栅极，所述第十MOS管和第十一MOS管共源极并连接输入电源电压，所述第十MOS管的漏极与栅极相连并连接所述低压限流电路的输出端，所述第十一MOS管的漏极连接所述负载。
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