TWI440274B - 具過流保護升壓轉換器 - Google Patents

Description

具過流保護升壓轉換器

本發明關於一種具有限流功能的升壓變換電路，具體地說，本發明提供了一種對前端裝置的輸出電流進行精確限流保護的升壓變換電路。本發明一般應用於USB供電的電池充電電路中，但是，本專業技術人員可以得知，本發明也可以應用於其他內部具有充電管理電路的後續負載上。

如今，對各種電子裝置的電池進行充電的充電器，已經從傳統的充電器發展到用USB埠供電進行充電的USB充電器。USB充電器克服了傳統充電器對AC電源、額定電壓等充電要求，可以在帶有USB埠的電腦或其他裝置上直接取電，不受很多場合的限制，應用廣泛。一般單個USB埠提供5V電壓，最大輸出電流是500mA，一旦連接負載增大，輸出電流隨之逐步增大超過最大限額時，可能導致USB埠損壞，或者引起主板故障。因此有必要對連接在USB埠上的充電電路的輸入電流進行限制，保持充電電路正常運行同時實現輸出最大化。現有技術一般通過主板提供的限流IC限制USB埠電流。此外，在限流功能的實現上，目前的現有技術往往將限流模組集成在整個充電電路中，例如美國專利號US6664765B2的專利《鋰電池充電器功率限制方法》(LITHIUM-ION BATTERY CHARGER POWER LIMITATION METHOD)，該發明通過對功率、電壓和電流 的比較，在3種不同的工作模式之間進行切換實現電流限制。該限流功能內置集成在整個充電器電路中，不能將限流電路模組應用於其他內部具有充電管理電路的裝置上。

本發明旨在提供一種對輸入電流進行限流的、連接在USB埠進行使用的充電電路。

為實現上述發明目的，本發明採取以下技術方案：一種具有輸入限流功能的升壓變換電路，具有：一電流輸入埠，用於連接前端USB埠；一電流輸出埠，用於輸出充電電流；一輸入電流偵測電路，與前端電流輸入埠連接，例如前端的USB埠連接，用於偵測變換電路的輸入電流，並將偵測結果傳輸給控制單元；一控制單元，連接輸入電流偵測電路，該控制單元的參考電壓產生電路提供一個參考電壓，用於設定最大輸出電流值，將偵測到的電壓信號與參考電壓進行比較，將比較結果送入閉環調節器進行調整，由閉環調節器輸出控制信號調節保護單元的阻抗；一保護單元，連接在升壓電路單元和電流輸出埠之間，同時與控制單元連接，根據控制單元的控制信號改變阻抗進行電流限制；一升壓電路單元，耦合至所述的輸出電流偵測電路，用於將USB埠輸出電壓升高到後續負載所需的電壓後，通過保護單元輸出。

該發明電路還可以包括一個輔助電源，用於給保護單元和控制單元提供電源。

該發明閉環調節方式是當輸入電流偵測電路偵測到的 電流小於所設定的輸入電流值時，控制單元中的閉環調節器調節保護單元阻抗減小至最小，使功率全部輸出到後續的負載。當偵測到的電流逐步增大到所設定的輸入電流值時，閉環調節器調節保護單元會及時調整導通阻抗，從而將整個升壓變換電路的輸入電流維持在所設定的最大輸出電流值，實現限制從前端USB吸取的最大電流。

該升壓變換電路的升壓電路單元是一個BOOST電路，將USB埠的輸出電壓升高至後續負載所需電壓，同時將電壓輸送到輔助電源和保護單元，為其提供工作電源。輔助電源為一個泵升電路；輸入電流偵測電路通過對阻性器件電壓的偵測實現對電流的偵測，所述的阻性器件可以是簡單的電阻、開關型器件的導通電阻或上述電感器件的直流電阻；保護單元的開關型器件可以是三極管或者是MOS管。

本發明的技術方案還包括，在控制單元中還包括一部分電路，用於偵測輸出電壓，當輸出電壓長時間短路時，輸出電壓表現為長時間、大幅度的低於所設定的輸出電壓，控制保護單元中的執行器件做出關斷保護，保護整體的升壓變換電路不受損壞。

本發明的技術方案還包括，在控制單元中還包括一部分電路，用於偵測系統的溫度，當系統的工作溫度超過設定值時，控制保護單元中的執行器件做出關斷保護。

本發明的有益效果在於：將從前端USB埠吸取的變換器輸入電流限制在一定範圍以內，防止由於變換器後續負 載增大導致電流過大引起的USB埠或主板故障、USB裝置損壞，同時實現升壓變換器的穩定輸出和最大化的輸出，採用簡單的電路結構實現對輸入電流的限制，可以封裝得很小，除了作為USB充電器的限流電路外，也可以連接其他內部具有充電管理電路的裝置。

本專業技術人員將會知道，雖然以下的具體實施方式將以較佳實施例作為參考加以說明，但並不意味著本發明被局限於這個較佳實施例。更正確的說，本發明具有較廣泛的範圍，並且只被隨附的權利要求範圍所限定和闡明。

下面參考附圖對本發明進行具體說明。

參考第1圖，輸入埠、輸入電流偵測電路1、升壓電路單元2、保護單元3和電流輸出埠依次連接，同時，輸入電流偵測電路1還連接控制單元5，控制單元5分別連接升壓電路單元2和保護單元3，其中升壓電路單元2連接輔助電源4，輔助電源4分別連接保護單元3和控制單元5。

本發明的工作原理如下：當升壓變換器的輸入端插到前端的USB埠處後，輸入電流偵測電路1開始持續地偵測電流，同時將偵測信號傳送到控制單元5。參考第2圖，輸入電流偵測電路1的實施例可以是一個簡單的電阻，也可以是一個開關型器件的導通電阻，或者是上述升壓電路單元2中電感器件的直流電阻。輸入電流偵測電路1是通過對阻性器件兩端電壓進行偵測來實現對電流的偵測。

參考第3圖，升壓電路單元2的一個實施例為BOOST 電路，該電路能將輸入端的電壓升高到後續負載所需的電壓，然後將該電壓通過保護單元輸出到後續負載。升壓電路單元2工作後，輔助電源4啟動。輔助電源4為一個泵升電路，其工作原理是借用整個電路中的升壓電路單元2中的開關信號SW，並以該信號為基礎，採用一個泵升電路，來得到一個輔助電源。參考第5圖，輔助電源4的一個實施例為一個電荷泵電路，其IN輸入端接輸入端，SW端接升壓電路單元2的二極體D1的陽極，當升壓電路單元2工作時，SW處被驅動為高低電平。當SW端為低電平時，C3被充電至輸入電壓，當SW端為高電平時(例如6V),C4被充電至C3電壓和SW電壓之和，產生例如10V左右的輔助電源，用於給保護單元3和控制單元5提供電源。

輸入電流的變化是由於升壓電路單元2的負載的阻抗變化導致的，當負載阻抗減小時，這個充電器的輸入電流就會增大。反之，輸入電流就會減小。本發明的控制單元同實際的負載串連連接在一起，作為升壓電路單元2的負載。根據上述原理，控制單元可以通過調節自身的阻抗，實現對升壓電路單元2的負載進行控制，進而實現對前端USB裝置的輸出電流(即升壓變換電路的輸入電流)的限制。參考第6圖，輸入電流偵測電路1將偵測到的電壓信號輸送到控制單元，控制單元5有一個最大輸入電流設定電路，通常該電路提供一個參考電壓，來確定最大輸出電流設定值6，將偵測到的反映輸入電流大小的電壓信號與該參考電壓進行比較，然後將比較結果送入控制單元5的閉 環調節器7進行調整，閉環調節器7的輸出用於驅動保護單元3。保護單元3的執行器件實際上是由一個可以由控制信號調節阻抗的開關型器件構成，並且是和後續負載串聯在一起，本實施例中的後續負載為鋰電池充電電路。參考第4圖，保護單元的一個實施例是三極管，或者是MOS管。閉環調節器7根據上述比較結果輸出控制電壓信號，調節保護單元3中開關型器件的阻抗來對輸出電流進行限制。當實際的輸出電流小於最大輸出電流設定值6時，閉環調節器7的輸出信號使保護單元3的執行器件完全導通，從而使得升壓電路單元2的輸出電壓直接輸入到後續的負載，提供最大化的穩定電流；而隨著後續負載功率的增加，升壓電路單元2的輸入電流會逐步增大，當輸出電流試圖超過最大輸出電流設定值6時，閉環調節器7的輸出電壓就會控制保護單元3的開關型器件，此時保護單元3中的開關型器件進入線性工作區，通過增加導通的阻抗，從而使得整個電路的輸出功率減小，最終將輸入埠的電流，即前端USB埠的輸出電流，維持在最大輸出電流設定值6。通過上述步驟實現了本發明的輸入限流功能。第7圖中為控制單元5中主要的閉環調節器7和最大輸入電流設定電路的一個實施例。最大輸出電流設定值6由一分壓電阻接收一參考電壓Vref形成，通過調節分壓電阻R1、R2的阻值可得到不同的最大輸出電流設定值6。閉環調節器7由一比較電路和回饋網路的電阻R，C組成。其中電阻R，C串聯，分別連接於比較電路的反向輸入端和輸出端。比較器 將最大輸出電流設定值6與表徵偵測電流值的電壓相比較，當偵測電流小於最大輸出電流設定值6，閉環調節器7輸出大電壓控制保護單元3中開關器件完全導通；當偵測電流大於最大輸出電流設定值6，閉環調節器7輸出電壓控制保護單元3中開關器件工作于線性工作區。

控制單元5還包括另外一部分電路(未圖示)，用於偵測輸出電壓，當輸出電壓長時間短路時，保護單元3中的執行器件便成為整個電路的實際負載，所有的功率都轉化為熱量耗散在電路中，可能導致電路燒毀，此時由控制電路的閉環調節器7輸出控制信號控制保護單元3中的執行器件，將負載電路從升壓電路的輸出端斷開，實現短路保護功能。控制電路5也可以包括這樣一部分電路(未圖示)，用於偵測系統的溫度，當溫度超過設定值時，控制保護單元3中的執行器件做出關斷保護，將負載電路從升壓電路的輸出端斷開，實現過熱保護功能。

本發明中的需要限流的後續負載可以是鋰電池充電電路，也可以是其他內部具有充電管理電路的裝置。

1‧‧‧輸入電流偵測電路

2‧‧‧升壓電路單元

3‧‧‧保護單元

4‧‧‧輔助電源

5‧‧‧控制單元

R‧‧‧電阻

L1‧‧‧電感器

S1‧‧‧開關

D1‧‧‧整流二極體

C1‧‧‧輸入電容器

C2‧‧‧輸出電容器

N1、N2‧‧‧節點

SW‧‧‧開關節點

C3、C4、C‧‧‧電容器

D2、D3‧‧‧二極體

6‧‧‧最大輸入電流設定值

7‧‧‧閉環調節器

Vref‧‧‧參考電壓

R1、R2‧‧‧分壓電阻

GND‧‧‧地面

(a)、BJT‧‧‧雙極性電晶體

(b)、MOSFET‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體

70‧‧‧比較器

R3、R4‧‧‧電阻器

第1圖為本發明的結構框架圖；第2圖為本發明中電流偵測電路的一個實施例；第3圖為本發明中升壓單元的一個實施例；第4圖為本發明中保護單元的一個實施例，其中(a)為三極管，(b)為MOS管；第5圖為本發明中輔助單元的一個實施例；第6圖為本發明中控制單元閉環調節的一個實施例；第7圖為本發明中控制單元中主要的閉環調節器和最大輸入電流設定電路的一個實施例。

1‧‧‧輸入電流偵測電路

2‧‧‧升壓電路單元

3‧‧‧保護單元

4‧‧‧輔助電源

5‧‧‧控制單元

Claims (11)

1. 一種具有輸入限流功能的升壓變換電路，其中包括：一後續負載；一升壓電路單元；一電流輸入埠，連接一前端裝置；一電流輸出埠，用於輸出一負載電流；一輸入電流偵測電路，與所述電流輸入埠連接，用於偵測所述電流輸入埠的一輸入電流；一控制單元，連接所述輸入電流偵測電路，接收一偵測結果，且包括一閉環調節器，其中該控制單元的一最大輸入電流參考設定電路提供一個參考值，用於設定該升壓變換電路的最大輸入電流值，將偵測到的該輸入電流與上述參考值進行比較，將比較結果送入該閉環調節器進行調整，而由該閉環調節器輸出一控制信號；一保護單元，連接在該升壓電路單元和該電流輸出埠之間，同時與該控制單元相連接，根據該控制單元的該控制信號改變阻抗進行輸出電流限制，以對該電流輸入埠的電流進行限制，其中該升壓電路單元耦合至所述的輸入電流偵測電路，用於將該電流輸入埠的電壓升高到該後續負載所需的電壓後，通過該保護單元輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，當該輸入電流偵測電路偵測到的電流小於上述 控制單元中設定的一輸入電流值，該控制單元調節該保護單元阻抗減小，輸出該電流輸出埠所需要的功率；當該電流輸出埠的功率逐漸增大時，偵測到的該輸入電流也逐漸增大。當輸出電流達到上述控制單元中設定的該輸入電流值時，該保護單元會動態調整阻抗，從而將該輸入電流維持在設定電流值，而不能超過該設定值，最終實現對該輸入電流的限制。
3. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，還包括一輔助電源，耦合至該升壓電路單元，用於給該保護單元和該控制單元提供電源。
4. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的升壓電路單元為一BOOST電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的輸入電流偵測單元包括一阻性器件。
6. 如申請專利範圍第5項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的阻性器件是簡單的電阻、開關型器件的導通電阻或上述電感器件的直流電阻。
7. 如申請專利範圍第3項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的輔助電源為一泵升電路。
8. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的保護單元由一開關型器件構成。
9. 如申請專利範圍第8項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的開關型器件是三極管或MOS管。
10. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵 在於，其中所述的控制單元還包括一部分電路，用於偵測輸出電壓，當輸出電壓長時間短路時，控制該保護單元中的執行器件做出關斷保護。
11. 如申請專利範圍第1項所述的升壓變換電路，其特徵在於，其中所述的控制單元還包括一部分電路，用於偵測系統的溫度，當溫度超過設定值時，控制該保護單元中的執行器件做出關斷保護。