恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法
【专利摘要】公开了一种恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法，所述恒流控制电路用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，恒流控制电路包括开关电流采样电路，用于采样流过所述上功率开关和/或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号；补偿信号生成电路，用于根据开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比或多个开关电流采样信号生成补偿信号；开关控制信号生成电路，用于根据补偿信号生成开关控制信号。基于本发明的方案，可以降低开关调节器外部电路的复杂度和器件数量，同时减少控制电路的输入端口。
【专利说明】恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法，特别是用于充电电池充电器的恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法。
【背景技术】
[0002]恒流型开关调节器能够输出恒定电流，其可以应用于电池充电器等场合。
[0003]为了实现对于开关调节器的恒流控制，需要对输出电流进行采样。图1是现有的恒流型开关调节器的电路示意图。如图1所示，开关调节器10包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容Q。为了对输出电流进行采样，开关调节器10还包括采样电阻Rsen以及RC滤波器RCF。如图1所示，采样电阻Rsen串联在储能电感Lb和负载之间。RC滤波器RCF可以包括电阻R1、R2和滤波电容Cl。RC滤波器RCF输出的输出电流采样信号输入到前置放大器Al放大，放大后的电流米样信号输入到误差放大器EA。误差放大器EA根据放大后的电流采样信号和参考电压Vkef输出补偿信号V。，开关控制信号生成电路根据补偿信号V。输出开关控制信号，以控制上功率开关SI和下功率开关S2交替导通和关断，由此实现恒流控制。
[0004]但是，图1所示的开关调节器为了进行输出电流采样需要设置采样电阻和RC滤波器，这使得外部电路的复杂度较高并且具有较多的器件数量，同时，控制电路的输入端口也较多。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，提供一种恒流控制电路、开关调节器、集成电路和恒流控制方法，以降低外部电路的复杂度和器件数量，同时减少控制电路的输入端口。
[0006]第一方面，提供一种恒流控制电路，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述恒流控制电路包括:
[0007]开关电流采样电路，用于采样流过所述上功率开关或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号；
[0008]补偿信号生成电路，用于根据所述开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号；
[0009]开关控制信号生成电路，用于根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
[0010]优选地，所述开关电流采样电路采样流过所述上功率开关的电流；
[0011]所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器；
[0012]所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间；
[0013]所述乘法电路与所述误差放大器的第二输入端连接，用于将输入的所述开关电流采样信号乘以1/D后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比；[0014]所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
[0015]优选地，所述开关电流采样电路采样流过所述上功率开关的电流；
[0016]所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器；
[0017]所述乘法电路连接在所述参考电压源的高压端和所述误差放大器的第一输入端之间，用于对参考电压源输出端参考电压乘以D后输出，其中，D为开关控制信号的占空比；
[0018]所述参考电压源的低压端与接地端连接；
[0019]所述误差放大器的第二输入端输入所述开关电流采样信号，所述误差放大器输出所述补偿信号。
[0020]优选地，所述开关电流采样电路采样流过所述下功率开关的电流；
[0021]所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器；
[0022]所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间；
[0023]所述乘法电路与误差放大器的第二输入端连接，用于将输入的所述开关电流采样信号乘以I/ (1-D)后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比；
[0024]所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
[0025]优选地，所述开关电流采样电路采样流过所述下功率开关的电流；
[0026]所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器；
[0027]所述乘法电路连接在所述参考电压源的高压端和所述误差放大器的第一输入端之间，用于对参考电压源输出的参考电压乘以1-D后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比；
[0028]所述参考电压源的低压端与接地端连接；
[0029]所述误差放大器的第二输入端输入所述开关电流采样信号，所述误差放大器输出所述补偿信号。
[0030]优选地，所述上功率开关为功率晶体管，所述开关电流采样电路包括采样晶体管和米样电阻；
[0031]所述采样晶体管的源极和栅极分别与所述上功率开关的源极和栅极连接；
[0032]所述采样电阻连接在所述采样晶体管的漏极与接地端之间；
[0033]所述采样晶体管的漏极电压作为所述开关电流采样信号输出。
[0034]优选地，所述下功率开关为功率晶体管，所述开关电流采样电路包括采样晶体管和米样电阻；
[0035]所述采样晶体管的源极和栅极分别与所述下功率开关的源极和栅极连接；
[0036]所述采样电阻连接在上拉电位端和所述采样晶体管的漏极之间；
[0037]所述采样晶体管的漏极电压作为所述开关电流采样信号输出。
[0038]优选地，乘法电路根据开关控制信号来进行输入的开关电流采样信号Vseni与占空比相关参数的乘法操作。
[0039]第二方面，还提供一种恒流控制电路，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述恒流控制电路包括:
[0040]第一开关电流采样电路，用于采样流过所述上功率开关的电流，输出第一开关电流采样信号；
[0041]第二开关电流采样电路，用于采样流过所述下功率开关的电流，输出第二开关电流采样信号；
[0042]补偿信号生成电路，用于根据所述第一开关电流采样信号和所述第二开关电流采样信号生成补偿信号；
[0043]开关控制信号生成电路，用于根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
[0044]优选地，所述补偿信号生成电路包括参考电压源、加法电路和误差放大器；
[0045]所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间；
[0046]所述加法电路与误差放大器的第二输入端连接，用于将所述第一开关电流采样信号和所述第二开关电流采样信号相加后输出；
[0047]所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
[0048]优选地，所述上功率开关和所述下功率开关均为功率晶体管，所述上功率开关的漏极与所述下功率晶体管的漏极连接；
[0049]所述第一开关电流米样电路包括第一米样晶体管和第一米样电阻；
[0050]所述第一采样晶体管的源极和栅极分别与所述上功率开关的源极和栅极连接；
[0051]所述第一采样电阻连接在所述第一采样晶体管的漏极与接地端之间；
[0052]所述第一采样晶体管的漏极电压作为所述第一开关电流采样信号输出。
[0053]所述第二开关电流采样电路包括第二采样晶体管和第二采样电阻；
[0054]所述第二采样晶体管的源极和栅极分别与所述下功率开关的源极和栅极连接；
[0055]所述第二采样电阻连接在上拉电位端和所述第二采样晶体管的漏极之间；
[0056]所述第二采样晶体管的漏极电压作为所述第二开关电流采样信号输出。
[0057]第三方面，提供一种开关调节器，包括功率级电路和如上所述的恒流控制电路；
[0058]所述功率级电路包括上功率开关、下功率开关、储能电感和输出电容。
[0059]第四方面，提供一种用于开关调节器的集成电路，包括上功率开关、下功率开关以及如上所述的恒流控制电路；
[0060]其中，所述上功率开关和所述下功率开关用于构成所述开关调节器的功率级电路。
[0061]第五方面，提供一种恒流控制方法，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括:
[0062]采样流过所述上功率开关或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号；
[0063]根据所述开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号；
[0064]根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
[0065]第六方面，提供一种恒流控制方法，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括:
[0066]采样流过所述上功率开关和下功率开关的电流，分别输出第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号；
[0067]根据第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号生成补偿信号；
[0068]根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。[0069]通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息，从而可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。由此，可以降低外部电路的复杂度和器件数量，同时减少控制电路的输入端口。
【专利附图】
【附图说明】
[0070]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0071]图1是现有的恒流型开关调节器的电路示意图；
[0072]图2是本发明第一实施例的开关调节器的电路示意图；
[0073]图3是本发明第一实施例一个优选的开关调节器的电路示意图；
[0074]图4是本发明第二实施例的开关调节器的电路示意图；
[0075]图5是本发明第二实施例所采用的乘法电路的电路示意图；
[0076]图6是本发明第三实施例的开关调节器的电路示意图；
[0077]图7是本发明第三实施例一个优选的开关调节器的电路示意图；
[0078]图8是本发明第四实施例的开关调节器的电路示意图；
[0079]图9是本发明第四实施例所采用的乘法电路的电路示意图；
[0080]图10是本发明第五实施例的开关调节器的电路示意图；
[0081]图11是本发明第六实施例的恒流控制方法的流程图；
[0082]图12是本发明第七实施例的恒流控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0083]以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0084]此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
[0085]同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
[0086]除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
[0087]在如下描述中(除另有说明)，“已知”、“固定”、“给定”和“预定”通常情况下，指的是一个值，数量、参数、约束条件、条件、状态、流程、过程、方法、实施，或各种组合等在理论上是可变的，但是如果提前设定，则在后续使用中是保持不变的。[0088]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0089]以下以降压型拓扑的开关调节器为例对本发明的具体实施例进行描述。当然，本领域技术人员能够理解，本发明可以应用于升压型拓扑以及升降压型拓扑的开关调节器。
[0090]图2是本发明第一实施例的开关调节器的电路示意图。本发明实施例中所述开关调节器接收一输入电源INPUT，经电压转换后用以给一充电电池充电。当然，本领域技术人员可以理解，本实施例所述开关调节器也可以适用于其它应用领域。如图2所示，开关调节器20包括功率级电路21和恒流控制电路22。功率级电路21包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容Q。
[0091]恒流控制电路22包括开关电流采样电路22a、补偿信号生成电路22b和开关控制信号生成电路22c。
[0092]其中，开关电流采样电路22a用于采样流过上功率开关SI的电流，输出开关电流
米样信号Vsem。
[0093]补偿信号生成电路22b用于根据开关电流采样信号vSEm以及开关控制信号Vs的占空比D生成补偿信号V。。开关控制信号vs用于控制上功率开关SI和下功率开关S2交替导通和关断。开关控制信号的占空比D被定义为开关控制信号控制上功率开关导通的时间与开关周期的比值，也即，
[0094]D=ton/T
[0095]其中，tm为上功率开关导通的时间，T为开关周期。
[0096]在开关调节器对充电电池充电过程中，所述功率级电路工作在降压模式，在一个开关周期内，流过上功率开关SI的电流Isi的平均值等于储能电感电流的平均值乘以开关控制信号的占空比D，而输出电流Itj等于储能电感的电流，也即:
[0097]Isi=D.10 (I)
[0098]因此，通过采样流过上功率开关SI的电流可以获得输出电流‘的状况。本实施例中所述输出电流Itj即为所述充电电池的充电电流。
[0099]由此，可以利用采样获得的开关电流采样信号Vseni来表征所述输出电流Itj的信息，对功率级电路21进行恒流控制。
[0100]在本实施例中，补偿信号生成电路22b包括参考电压源Ukef、乘法电路MULl和误差放大器EA。
[0101]参考电压源Ukef连接在误差放大器的第一输入端和接地端之间。所述参考电压源用以提供一参考电压VKEF，所述参考电压Vkef表征期望输出电流值(或充电电流值)。
[0102]乘法电路MULl与误差放大器EA的第二输入端连接，用于将输入的开关电流采样信号vSffli乘以1/D后输出。
[0103]开关电流采样信号Vseni与流过上功率开关SI的电流成正比，也即:
[0104]Vsen1-K.Isl (2)
[0105]其中，K为比例系数，结合上述公式(I)和(2)可得:
[0106]Vseni=K.D.I。(3)
[0107]也即，开关电流采样信号Vseni与占空比D以及输出电流Itj的乘积成正比。[0108]因此，乘法电路MULl输出的反馈信号vFB满足如下公式:
[0109]Vfb=K.10 (4)
[0110]从式(4)中可以看出，反馈信号vFB与输出电流Itj成比例关系，因此，反馈信号vFB可以输入到误差放大器的第二输入端，由误差放大器EA比较反馈信号vFB与参考电压的差值输出补偿信号V。。
[0111]乘法电路MULl基于开关控制信号vs来进行输入的开关电流采样信号与占空比相关参数(在本实施例中为占空比的倒数1/D)的乘法操作。乘法电路MULl可以使用各种现有的占空比除法电路来实现。
[0112]在图2中，第一输入端为误差放大器EA的同相输入端，第二输入端为误差放大器EA的反相输入端。当然，本领域技术人员可以理解，第一输入端也可以为反相输入端，对应地，第二输入端可以为同相输入端。
[0113]开关控制信号生成电路22c用于根据补偿信号V。生成开关控制信号vs。开关控制信号生成电路22c可以使用任何已有的或其它可以实现恒流控制的开关控制信号生成电路来实现。
[0114]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的反馈信息，实现恒流控制。
[0115]图3是本实施例一个优选的开关调节器的电路示意图。如图3所示，上功率开关SI为PMOS功率晶体管，下功率开关S2为NMOS功率晶体管，两者的源极分别连接到电压输入端和接地端，漏极相互连接。开关电流采样电路22a包括采样晶体管Qsi和采样电阻Rseni。
[0116]采样晶体管Qsi的源极与上功率开关SI的源极连接。采样晶体管Qsi的栅极与上功率开关Si的栅极连接，输入相同的开关控制信号。
[0117]采样电阻Rseni连接在采样晶体管Qsi的漏极与接地端之间。
[0118]由于采样晶体管Qsi的源极电位和栅极电位与上功率开关SI的源极电位和栅极电位相同，两者的栅源电压相同。对于功率晶体管，其漏极电流由栅源电压控制，因此，对于上功率开关SI和采样晶体管Qsi在栅源电压相同的前提下，漏极电流相同或者成比例。由此，通过获取对采样晶体管Qsi漏极电流，即可实现对流过上功率晶体管SI的电流采样。
[0119]在一个优选实施方式中，在集成电路中，采样晶体管Qsi的尺寸设置为上功率开关SI的尺度的k倍，可以使得采样晶体管Qsi的漏极电流为上功率开关SI的漏极电流的k倍(通常k小于I)。由此，采样晶体管Qsi的漏极电压Vd满足下式:
[0120]Vd=Isi.k.Rsen (5)
[0121]通过将采样晶体管Qsi的漏极电压Vd作为开关电流采样信号Vseni输出，可以实现对流过上功率开关SI的电流进行采样。
[0122]结合上述公式(2)和(5)可知，比例系数K等于采样晶体管Qsi的漏极电流与上功率开关SI的漏极电流的比值，k与采样电阻阻值Rseni的乘积，为固定值。
[0123]上述开关电流采样电路中的采用采样晶体管Qsi和采样电阻Rseni均可以集成在集成电路中。当然，本领域技术人员容易理解，开关电流采样电路22c也可以使用其他公知的电路结构来实现。
[0124]优选地，本实施例中，上功率开关S1、下功率开关S2以及恒流控制电路22均可以形成在集成电路中，由此，可以减少芯片的输入管脚。[0125]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过上功率开关的电流可以通过各类便于集成在集成电路中的开关电流采样电路来实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0126]而且，由于补偿信号生成电路根据开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号，补偿信号生成电路的参考电流源以及误差放大器均可以基于现有的设计参数设置，无需对电路进行大幅修改和调整，简化了电路设计。
[0127]图4是本发明第二实施例的开关调节器的电路示意图。本发明实施例中所述开关调节器接收一输入电源INPUT，经电压转换后用以给一充电电池充电。在图4中，相同的电路及部件使用相同的附图标记指代，在本实施例中，开关调节器20包括功率级电路21和恒流控制电路22。功率级电路21包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容C。。
[0128]恒流控制电路22包括开关电流采样电路22a、补偿信号生成电路22b ’和开关控制信号生成电路22c。
[0129]其中，开关电流采样电路22a用于采样流过上功率开关SI的电流，输出开关电流
米样信号Vsem。
[0130]补偿信号生成电路22b’用于根据开关电流采样信号vSEm以及开关控制信号Vs的占空比D生成补偿信号vc。
[0131]开关控制信号生成电路22c用于根据补偿信号V。生成开关控制信号vs。开关控制信号生成电路22c可以使用任何已有的或其它可以实现恒流控制的开关控制信号生成电路来实现。
[0132]本实施例与第一实施例的不同在于，补偿信号生成电路22b ’包括参考电压源UKEF、乘法电路MUL2和误差放大器EA。
[0133]乘法电路MUL2连接在所述参考电压源Ukef的高压端和误差放大器EA的第一输入端之间，用于对参考电压源Ukef输出的参考电压vKEF乘以D后输出，其中,D为开关控制信号Vs的占空比。
[0134]参考电压源Ukef的低压端与接地端连接。所述参考电压源用以提供一参考电压Veef,所述参考电压Vkef表征期望输出电流值(或充电电流值)。
[0135]误差放大器EA的第二输入端输入开关电流米样信号Vseni,误差放大器EA输出补偿信号W。
[0136]由于Vseni=K.D.Itj，而本实施例的补偿信号生成电路22b’对参考电压源Ukef的参考电压Vkef乘以D后输出到误差放大器EA的第一输入端，也即，误差放大器的输入端分别输入的为D.Veef和K.D.Itj,由此，两者的相对关系不会随占空比D的变化而变化，误差放大器EA输出的补偿信号可以反映输出电流相对于参考电压的当前状况，可以用于调整开关控制信号。
[0137]图5是本发明第二实施例所采用的乘法电路的电路示意图。如图6所示，乘法电路MUL2基于开关控制信号vs来进行输入的开关电流采样信号Vseni与占空比相关参数(在本实施例中为占空比D)的乘法操作。[0138]如图5所示，乘法电路MUL2包括反相器NOT、第一乘法开关S3、第二乘法开关S4、电阻R1、输出电容Cl。
[0139]其中，第一乘法开关S3和第二乘法开关S4串联连接在开关电流采样信号输入端和接地端之间，电阻Rl连接在中间端和乘积输出端M之间，输出电容Cl连接在乘积输出端M和接地端之间。
[0140]开关控制信号vs直接连接到第一乘法开关S3的控制端，并通过反相器NOT连接到第二乘法开关S4的控制端，使得第一乘法开关S3和第二乘法开关S4交替导通和断开。开关控制信号vs为脉宽调制信号(PWM信号)，当其为高电平时，直接施加至第一乘法开关S3的控制端的信号为高电平，经过反相器NOT反相后施加至第二乘法开关S4的控制端的信号为低电平，从而第一乘法开关S3导通，第二乘法开关S4关断。输入的开关电流采样信号经由第一乘法开关S3和电阻R2对输出电容C2充电。当开关控制信号Vs为低电平时，输出电容C2放电。
[0141]由于电阻R2和输出电容C2对于脉冲输入具有平滑作用，在连续的PWM信号的控制下，乘法电路MUL2的输出是具有极小纹波叠加分量的平滑直流电压和直流电流。如果电阻R2和输出电容C2的时间常数远大于输入的开关控制信号频率,则乘积输出端M输出的
电压 vRef _vref.D。
[0142]由此，乘法电路MUL2通过由开关控制信号Vs控制的第一乘法开关S3和第二乘法开关S4实现对输入的参考电压乘以D后输出。
[0143]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过上功率开关的电流可以通过各类可以集成在集成电路中的开关电流采样电路来实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0144]图6是本发明第三实施例的开关调节器的电路示意图。如图6所示，开关调节器30包括功率级电路31和恒流控制电路32。功率级电路31包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容Ctj，其被形成为降压型拓扑。
[0145]恒流控制电路32包括开关电流采样电路32a、补偿信号生成电路32b和开关控制信号生成电路32c。
[0146]其中，开关电流采样电路32a用于采样流过下功率开关S2的电流，输出开关电流采样信号。
[0147]补偿信号生成电路32b用于根据开关电流采样信号vSEN2以及开关控制信号Vs的占空比D生成补偿信号。
[0148]补偿信号生成电路32b包括参考电压源Ukef、乘法电路MUL3和误差放大器EA。
[0149]参考电压源Ukef连接在误差放大器EA的第一输入端和接地端之间。
[0150]乘法电路MUL3与误差放大器的第二输入端连接，用于将输入的开关电流采样信号化^乘以I/ (1-D)后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比。乘法电路MUL3可以使用各种现有的占空比除法电路来实现。
[0151]在开关调节器对充电电池充电过程中，功率级电路工作在降压模式，在一个开关周期内，流过下功率开关S2的电流Is2的平均值等于储能电感电流Itj的平均值乘以1-D，而输出电流1等于储能电感的电流，也即:
[0152]Is2=(1-D).10 (6)
[0153]本实施例中所述输出电流Itj即为所述充电电池的充电电流。由于开关电流采样信号vSEN2与流过下功率开关S2的电流成正比，也即:
[0154]Vsen2=K.Is2 (7)
[0155]因此，乘法电路MUL3输出的反馈信号vFB满足如下公式:
[0156]Vfb=K.10 (8)
[0157]从式(8)中可以看出，反馈信号Vfb与输出电流Itj成比例关系，因此，反馈信号Vfb可以输入到误差放大器的第二输入端，由误差放大器EA比较反馈信号vFB与参考电压Vkef输出补偿信号V。。
[0158]开关控制信号生成电路32c用于根据补偿信号V。生成开关控制信号vs。开关控制信号生成电路32c可以使用任何已有的或其它可以实现恒流控制的开关控制信号生成电路来实现。
[0159]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息，实现恒流控制。
[0160]图7是本实施例一个优选的开关调节器的电路示意图。如图7所示，上功率开关SI为PMOS功率晶体管，下功率开关S2为NMOS功率晶体管，两者的源极分别连接到电压输入端和接地端。开关电流采样电路32a包括采样晶体管Qs2和采样电阻RSEN2。
[0161]采样晶体管Qs2的源极与下功率开关S2的源极连接。采样晶体管Qs2的栅极与下功率开关S2的栅极连接，输入相同的控制信号。
[0162]采样电阻Rsen2连接在采样晶体管Qs2的漏极与上拉电位端之间。
[0163]由于采样晶体管Qs2的源极电位和栅极电位与下功率开关S2的源极电位和栅极电位相同，两者的栅源电压相同。对于功率晶体管，其漏极电流由栅源电压控制，因此，对于下功率开关S2和采样晶体管Qs2，在两者的栅源电压相同的前提下，漏极电流相同或者成比例。由此，通过获取对采样晶体管Qs2漏极电流，即可实现对流过下功率晶体管S2的电流进行采样。
[0164]上述开关电流采样电路中的采用采样晶体管Qs2和采样电阻Rsen2均可以集成在集成电路中。当然，本领域技术人员容易理解，开关电流采样电路也可以使用其他公知的电路结构来实现。
[0165]优选地，本实施例中，上功率开关S1、下功率开关S2以及恒流控制电路32均可以形成在集成电路中，由此，可以减少芯片的输入管脚。
[0166]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过下功率开关的电流可以通过可以集成在集成电路中的开关电流采样电路来实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0167]而且，由于在补偿信号生成电路根据开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比D生成补偿信号，补偿信号生成电路的参考电流源以及误差放大器均可以基于现有的设计参数设置，无需对电路进行大幅修改和调整，简化了电路设计。[0168]图8是本发明第四实施例的开关调节器的电路示意图。本发明实施例中所述开关调节器接收一输入电源INPUT，经电压转换后用以给一充电电池充电。在图8中，相同的电路及部件使用相同的附图标记指代，在本实施例中，开关调节器30包括功率级电路31和恒流控制电路32。功率级电路31包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容C。。
[0169]恒流控制电路32包括开关电流采样电路32a、补偿信号生成电路32b ’和开关控制信号生成电路32c。
[0170]其中，开关电流采样电路32a用于采样流过下功率开关S2的电流，输出开关电流采样信号。
[0171]补偿信号生成电路32b’用于根据开关电流采样信号vSEN2以及开关控制信号Vs的占空比D生成补偿信号。
[0172]开关控制信号生成电路32c用于根据补偿信号V。生成开关控制信号vs。开关控制信号生成电路32c可以使用任何已有的或其它可以实现恒流控制的开关控制信号生成电路来实现。
[0173]本实施例与第三实施例的不同在于，补偿信号生成电路32b ’包括参考电压源UKEF、乘法电路MUL4和误差放大器EA。
[0174]乘法电路MUL4连接在参考电压源Ukef的高压端和误差放大器EA的第一输入端之间，用于对参考电压源输出端参考电压乘以1-D后输出，其中，D为开关控制信号Vs的占空t匕。乘法电路MUL4可以采用与图5相同的乘法电路实现，对其输入开关控制信号的反相信号即可。同时，乘法电路MUL6也可以通过与图5类似的乘法电路实现(如图9所示)，仅需要将反相器NOT连接到第一乘法开关S3的控制端，而将开关控制信号vs直接输入到第二乘法开关S4的控制端即可。
[0175]参考电压源Ukef的低压端与接地端连接。所述参考电压源用以提供一参考电压Veef,所述参考电压Vkef表征期望输出电流值(或充电电流值)。
[0176]误差放大器EA的第二输入端输入开关电流米样信号vSEN2,误差放大器EA输出补偿信号W。
[0177]由于Vsen2=K.(1-D).Itj，而本实施例的补偿信号生成电路32b’对参考电压源Ukef的参考电压Vkef乘以1-D后输出到误差放大器EA的第一输入端，也即，误差放大器的输入端分别输入的为(1-D).Vkef和K.(1-D).10,由此，两者的相对关系不会随占空比D的变化而变化，误差放大器EA输出的补偿信号Vc可以反映输出电流和参考电压的相对关系，从而用于调整开关控制信号。
[0178]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过下功率开关的电流可以通过各类便于集成在集成电路中的开关电流采样电路来实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0179]图10是本发明第五实施例的开关调节器的电路示意图。如图10所示，开关调节器40包括功率级电路41和恒流控制电路42。功率级电路41包括上功率开关S1、下功率开关S2、储能电感Lb和功率输出电容Ctj，其被形成为降压型拓扑。[0180]恒流控制电路42包括第一开关电流采样电路42a、第二开关电流采样电路42a’、补偿信号生成电路42b和开关控制信号生成电路42c。
[0181]第一开关电流米样电路42a用于米样流过上功率开关SI的电流Isi,输出第一开关电流采样信号vSEN3。其可以采用如图3所述的采样电路实现，在此不再赘述。
[0182]第二开关电流采样电路42a’用于采样流过所述下功率开关S2的电流Is2，输出第二开关电流采样信号vSEN4。其可以采用如图7所述的采样电路实现，在此不再赘述。
[0183]补偿信号生成电路42b用于根据第一开关电流采样信号vSEN3和第二开关电流采样信号Vsen4生成补偿信号
[0184]开关控制信号生成电路用于根据补偿信号生成开关控制信号Vs。开关控制信号生成电路42c可以使用任何已有的或其它可以实现恒流控制的开关控制信号生成电路来实现。
[0185]在本实施例的一个优选方案中，补偿信号生成电路42b包括参考电压源Ukef、加法电路ADD和误差放大器EA。
[0186]参考电压源Ukef连接在误差放大器EA的第一输入端和接地端之间。
[0187]加法电路ADD与误差放大器EA的第二输入端连接,用于将第一开关电流米样信号Vsen3和第二开关电流米样信号Vsem相加后输出。
[0188]由于第一开关电流米样信号Vsen3=K.D.10,同时，第二开关电流米样信号
vSEM-K.(1-D).10。
[0189]因此，作为两者相加的和的反馈信号Vfb=K.I。。
[0190]误差放大器EA比较参考电压vKEF和反馈信号vFB输出补偿信号V。。反馈信号vFB与输出电流Itj成比例关系，因此，反馈信号Vfb可以输入到误差放大器的第二输入端，由误差放大器EA比较反馈信号vFB与参考电压的差值输出补偿信号vc。
[0191]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过上功率开关和下功率开关的电流的电路可以通过各类便于集成在集成电路中的电路来实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0192]图11是本发明第六实施例的恒流控制方法的流程图。所述方法基于上述第一至第四实施例控制开关调节器输出恒定电流，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括:
[0193]步骤1101、采样流过上功率开关或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号。
[0194]步骤1102、根据所述开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号。
[0195]优选地，将采样上功率开关获得的开关电流采样信号Vseni乘以1/D后作为反馈信号输出，比较反馈信号与参考电压生成补偿信号。
[0196]优选地，也可以将采样上功率开关获得的开关电流采样信号Vseni直接作为反馈信号，同时将参考电压乘以D后得到的乘积信号输入到误差放大器，比较乘积电压和反馈信号生成补偿信号。
[0197]优选地，将采样下功率开关获得的开关电流采样信号vSEN2乘以1/(1-D)后作为反馈信号输出，比较反馈信号与参考电压生成补偿信号。
[0198]优选地，也可以将采样下功率开关获得的开关电流采样信号Vsen2直接作为反馈信号，同时将参考电压乘以1-D后得到的乘积信号输入到误差放大器，比较乘积电压和反馈电压生成补偿信号。
[0199]步骤1103、根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
[0200]所述步骤1103可以基于现有的恒流控制方式进行。
[0201]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过上功率开关或下功率开关的电流的电路可以在集成电路中实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻，仍然实现恒流控制。从而可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0202]图12是本发明第七实施例的恒流控制方法的流程图。所述方法控制上述第五实施例的开关调节器输出恒定电流，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括:
[0203]步骤1201、采样流过所述上功率开关和下功率开关的电流，分别输出第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号。
[0204]步骤1202、根据第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号生成补偿信号。
[0205]优选地,将第一开关电流米样信号Vsen3和第二开关电流米样信号Vsem的和作为反馈信号，比较反馈信号与参考电压生成补偿信号。
[0206]步骤1203、根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
[0207]所述步骤1203可以基于现有的恒流控制方式进行。
[0208]本实施例通过采样开关调节器中流过功率开关的电流，基于采样获得的开关电流采样信号与输出电流之间的关系，可以获得输出电流的信息。由于采样流过上功率开关和下功率开关的电流的电路可以在集成电路中实现，因此可以在外部电路中不使用采样电阻的前提下，仍然实现恒流控制。由此可以简化外部电路，提高电路集成度，同时减少控制电路的输入端口。
[0209]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种恒流控制电路，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述恒流控制电路包括: 开关电流采样电路，用于采样流过所述上功率开关或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号； 补偿信号生成电路，用于根据所述开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号； 开关控制信号生成电路，用于根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
2.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关电流采样电路采样流过所述上功率开关的电流； 所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器； 所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间； 所述乘法电路与所述误差放大器的第二输入端连接，用于将输入的所述开关电流采样信号乘以1/D后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比； 所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
3.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关电流采样电路采样流过所述上功率开关的电流； 所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器； 所述乘法电路连接在所述参考电压源的高压端和所述误差放大器的第一输入端之间，用于对参考电压源输出端参考电压乘以D后输出，其中，D为开关控制信号的占空比； 所述参考电压源的低压端与接地端连接； 所述误差放大器的第二输入端输入所述开关电流采样信号，所述误差放大器输出所述补偿信号。
4.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关电流采样电路采样流过所述下功率开关的电流； 所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器； 所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间； 所述乘法电路与误差放大器的第二输入端连接，用于将输入的所述开关电流采样信号乘以I/ (1-D)后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比； 所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
5.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关电流采样电路采样流过所述下功率开关的电流； 所述补偿信号生成电路包括参考电压源、乘法电路和误差放大器； 所述乘法电路连接在所述参考电压源的高压端和所述误差放大器的第一输入端之间，用于对参考电压源输出的参考电压乘以1-D后输出，其中，D为所述开关控制信号的占空比； 所述参考电压源的低 压端与接地端连接； 所述误差放大器的第二输入端输入所述开关电流采样信号，所述误差放大器输出所述补偿信号。
6.根据权利要求2或3所述的恒流控制电路，其特征在于，所述上功率开关为功率晶体管，所述开关电流采样电路包括采样晶体管和采样电阻； 所述采样晶体管的源极和栅极分别与所述上功率开关的源极和栅极连接； 所述采样电阻连接在所述采样晶体管的漏极与接地端之间； 所述采样晶体管的漏极电压作为所述开关电流采样信号输出。
7.根据权利要求4或5所述的恒流控制电路，其特征在于，所述下功率开关为功率晶体管，所述开关电流采样电路包括采样晶体管和采样电阻； 所述采样晶体管的源极和栅极分别与所述下功率开关的源极和栅极连接； 所述采样电阻连接在上拉电位端和所述采样晶体管的漏极之间； 所述采样晶体管的漏极电压作为所述开关电流采样信号输出。
8.据权利要求2-5中任一项所述的恒流控制电路，其特征在于，所述乘法电路根据开关控制信号来进行输入的开关电流采样信号与占空比相关参数的乘法操作。
9.一种恒流控制电路，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述恒流控制电路包括: 第一开关电流采样电路，用于采样流过所述上功率开关的电流，输出第一开关电流采样信号; 第二开关电流采样电路，用于采样流过所述下功率开关的电流，输出第二开关电流采样信号; 补偿信号生成电路，用于根据所述第一开关电流采样信号和所述第二开关电流采样信号生成补偿信号； 开关控制信号生成电路，用于根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
10.根据权利要求9所述的恒流控制电路，其特征在于，所述补偿信号生成电路包括参考电压源、加法电路和误差放大器； 所述参考电压源连接在所述误差放大器的第一输入端和接地端之间； 所述加法电路与误差放大器的第二输入端连接，用于将所述第一开关电流采样信号和所述第二开关电流采样信号相加后输出； 所述误差放大器用于输出所述补偿信号。
11.根据权利要求9所述的恒流控制电路，其特征在于，所述上功率开关和所述下功率开关均为功率晶体管，所述上功率开关的漏极与所述下功率晶体管的漏极连接； 所述第一开关电流采样电路包括第一采样晶体管和第一采样电阻； 所述第一采样晶体管的源极和栅极分别与所述上功率开关的源极和栅极连接； 所述第一采样电阻连接在所述第一采样晶体管的漏极与接地端之间； 所述第一采样晶体管的漏极电压作为所述第一开关电流采样信号输出； 所述第二开关电流采样电路包括第二采样晶体管和第二采样电阻； 所述第二采样晶体管的源极和栅极分别与所述下功率开关的源极和栅极连接； 所述第二采样电阻连接在上拉电位端和所述第二采样晶体管的漏极之间； 所述第二采样晶体管的漏极电压作为所述第二开关电流采样信号输出。
12.—种开关调节器，包括功率级电路和如权利要求1-11中任一项所述的恒流控制电路； 所述功率级电路包括上功率开关、下功率开关、储能电感和输出电容。
13.一种用于开关调节器的集成电路，包括上功率开关、下功率开关以及如权利要求1-11中任一项所述的恒流控制电路； 其中，所述上功率开关和所述下功率开关用于构成所述开关调节器的功率级电路。
14.一种恒流控制方法，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括: 采样流过所述上功率开关或下功率开关的电流，输出开关电流采样信号； 根据所述开关电流采样信号以及开关控制信号的占空比生成补偿信号； 根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和关断。
15.一种恒流控制方法，用于开关调节器，所述开关调节器包括上功率开关和下功率开关，所述方法包括: 采样流过所述上功率开关和下功率开关的电流，分别输出第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号； 根据第一开关电流采样信号和第二开关电流采样信号生成补偿信号； 根据所述补偿信号生成开关控制信号，所述开关控制信号控制所述上功率开关和所述下功率开关交替导通和 关断。
【文档编号】H02M3/156GK103840664SQ201410119696
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】程帅 申请人:南京矽力杰半导体技术有限公司