一种限流开关电路以及开关电源装置的制作方法

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种限流开关电路以及开关电源装置。

背景技术：

随着科学技术日新月异的发展，电子设备的功能越来越强大，对于所使用的电源也提出了更高的要求。通常情况下，电源的供电电压并不能完全匹配电子设备正常工作所需要的电压，因此就需要利用电压转换装置(例如：开关电源、稳压电路等)将电源电压进行转换后再提供给所述电子设备。

为了能够同时给多个电子设备充电，现有技术中通常采用在电压转换装置的输出端外接多条充电支路，具体应用时，可以通过在电压转换装置的输出口外接多个usb(universalserialbus)接口，以实现同时对多个电子设备充电。为了弥补usb接口到电子设备之间的线路损耗、线缆阻抗、接触阻抗等而造成的电压降，通常采用提高usb接口处的电压的方式，以保证电子设备具有较高的充电速率。

由于每条支路的输入端所接收的电压都来自于同一个电压转换装置的输出端。若为某条带负载支路进行电压补偿，其余空载支路的输出电压也会跟随上升，造成空载支路的输出电压超过规格，不仅会造成电能的浪费，还会影响电压转换装置的寿命。

如何提供一种可以准确补偿线路损耗的限流开关电路是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何提供一种可以准确补偿线路损耗的限流开关电路。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种限流开关电路，具有输入电压端和输出电压端，所述限流开关电路包括：电压控制模块，所述电压控制模块的第一输入端接收关联电压，所述电压控制模块的第二输入端接收参考电压，所述电压控制模块根据所述关联电压和参考电压生成充电控制信号，所述充电控制信号经由所述电压控制模块的输出端输出，其中，所述关联电压随输出电压端的电压的变化而变化；开关模块，所述开关模块的输入端接收所述输入电压端的输入电流，并根据所述充电控制信号确定是否向所述输出电压端充电；补偿模块，适于根据所述输入电压端的所述输入电流生成补偿电流，所述补偿电流用于向所述输出电压端提供补偿。

可选的，所述限流开关电路还包括：采样模块，适于接收所述输入电压端的输入电流，并将所述输入电流转化为控制电压，所述控制电压用于控制所述补偿模块生成的所述补偿电流的大小。

可选的，所述补偿模块包括：第一电流源，所述第一电流源的输入端连接电源，所述第一电流源的控制端接收所述控制电压；第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述第一电流源的输出端，所述第一电阻的第二端接地；第二电流源，所述第二电流源的控制端连接所述第一电流源的输出端，所述第二电流源的输出端接地，所述第二电流源的输入端为所述补偿模块的输出端。

可选的，当所述输入电压端的电流增大时，所述第一电流源的控制端接收的控制电压增大，所述第一电流源产生的第一电流增大，第一电阻的第一端的电压增大，所述第二电流源产生的第二电流增大，所述第二电流向所述输出电压端提供补偿，以使所述输出电压端的输出电压升高。

可选的，所述限流开关电路还包括：分压模块，所述分压模块适于接收所述输出电压端的电压，并生成所述关联电压。

可选的，所述分压模块包括：第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述输出电压端；第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述第三电阻的第二端接地，其中，所述第三电阻的第一端为所述分压模块的输出端。

可选的，所述开关模块包括：场效应晶体管，所述场效应晶体管的源极接收所述输入电流，所述场效应晶体管的漏极连接所述输出电压端，所述场效应晶体管的栅极接收所述充电控制信号。

可选的，在电路初始运行时，所述关联电压小于所述参考电压，所述充电控制信号控制所述场效应晶体管开通，为所述输出电压端充电；随着输出电压端的输出电压的升高，所述关联电压与参考电压之间的电压差值减小，当所述关联电压与参考电压之间的电压差值减小至0后，所述关联电压等于所述参考电压，所述输出电压端的输出电压达到稳定状态。

可选的，所述电压控制模块包括：运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收所述参考电压，所述运算放大器的第二输入端接收所述关联电压，所述运算放大器的输出端生成所述充电控制信号。

可选的，所述限流开关电路还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端接收所述充电控制信号，所述第四电阻的第二端连接所述开关模块的控制端。

可选的，所述限流开关电路还包括：过流检测电路，所述过流检测电路适于接收预设电流以及所述输入电压端的所述输入电流，并根据所述输入电流与预设电流的比较结果生成过流控制信号；过流控制开关，所述过流控制开关的输入端连接所述开关模块的输入端，所述过流控制开关的输出端连接所述开关模块的控制端，所述过流控制开关的控制端接收所述过流控制信号，所述过流控制开关在所述过流控制信号的控制下导通或关断。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种开关电源装置，包括开关电源，还包括前述的限流开关电路。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案的限流开关电路包括电压控制模块、开关模块以及补偿模块，所述电压控制模块的第一输入端接收关联电压，所述电压控制模块的第二输入端接收参考电压，所述电压控制模块根据所述关联电压和参考电压生成充电控制信号，所述充电控制信号经由所述电压控制模块的输出端输出，其中，所述关联电压随输出电压端的电压的变化而变化；所述开关模块的输入端接收所述输入电压端的输入电流，并根据所述充电控制信号确定是否向所述输出电压端充电；所述补偿模块适于根据所述输入电压端的所述输入电流生成补偿电流，所述补偿电流用于向所述输出电压端提供补偿。由此，可以有效补偿因线路损耗而导致的电压降，提高负载的充电速率。另外，还可以对限流开关电路的输出电压端的电压进行控制，避免空载输出电压超过规格。

进一步，本发明技术方案中的补偿模块包括：第一电流源、第一电阻以及第二电流源，所述第一电流源的输入端连接电源，所述第一电流源的控制端接收所述控制电压；所述第一电阻的第一端连接所述第一电流源的输出端，所述第一电阻的第二端接地；所述第二电流源的控制端连接所述第一电流源的输出端，所述第二电流源的输出端接地，所述第二电流源的输入端为所述补偿模块的输出端。由此，仅通过可控电流源与电阻的配合，便可以实现对输出电压端进行补偿，有效简化了电路结构，优化了电路成本。

进一步，本发明技术方案的开关模块包括场效应晶体管，所述场效应晶体管的源极接收所述输入电流，所述场效应晶体管的漏极连接所述输出电压端，所述场效应晶体管的栅极接收所述充电控制信号。由于场效应晶体管的温度稳定性以及抗辐射能力较强，因此，以场效应晶体管作为电路的开关模块可以有效提高输出电压端的电压稳定性。

附图说明

图1是现有技术中一种限流开关电路的结构示意图；

图2是现有技术中另一种限流开关电路的结构示意图；

图3是本发明实施例一种限流开关电路的结构示意图；

图4是本发明实施例一种具体应用场景的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对现有技术以及本发明的具体实施例做详细的说明。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1是现有技术中一种限流开关电路的结构示意图。

请参考图1，所述限流开关电路具有输入端in以及多个输出端out1、out2、……outn，所述输入端in与电压转换装置1的输出端连接，所述电压转换装置1可以是开关电源或稳压电路，所述电压转换装置1可以实现直流-直流电压变换或交流-直流电压变换，并将变换后的直流电压输出至所述限流开关电路，每条输出支路上的限流开关k1、限流开关k2……限流开关kn只能限制输出电流的大小，并不具有调节多个输出端out1、out2、……outn的输出电压的功能。在实际应用中，为了避免若干空载支路的空载电压超过规格，则需要限制限流开关电路的输入端in的电压，这就造成带负载支路的电压被限制，影响了负载充电的速率。

图2是现有技术中另一种限流开关电路的结构示意图。

请参考图2，所述限流开关电路具有输入端in以及多个输出端out1、out2、……outn，所述输入端in与电压转换装置1的输出端连接，所述电压转换装置1可以是开关电源或稳压电路，所述电压转换装置1可以实现直流-直流电压变换或交流-直流电压变换，并将变换后的直流电压输出至所述限流开关电路，每条输出支路上依次设置有第一电阻r1、第二电阻r2……、第n电阻rn，电流采样模块2通过采集流过每条支路的电流，通过调节电压转换装置1的控制端fb的电压，进而调节限流开关电路的输入端in的电压。具体实施时，当控制端fb的电压升高时，由于控制端fb的电压与限流开关电路的输入端in的电压之间的电压差恒定，因此，所述限流开关电路的输入端in的电压随之升高。然而，在所述的限流开关电路中，任何一条支路引起的输入端in的电压升高，必然也会造成其他支路的输入电压的升高，进而可能导致其中空载支路的输出电压超过规格。

本发明实施例中的限流开关电路通过电压控制模块、开关模块以及补偿模块的配合，可以有效补偿因线路损耗而导致的电压降，保证高效率的为负载充电。另外，还可以对限流开关电路的输出电压端的电压进行控制，避免空载输出电压超过规格。

图3是本发明实施例一种限流开关电路的结构示意图。

本实施例中，所述限流开关电路可以是集成电路芯片，也可以是由各种分立器件构成的板级电路。所述限流开关电路可以用于连接在电压转换装置与负载之间，也可以作为集成电路中的起到限流作用的子电路使用。

具体地，所述电压转换装置可以是开关电源、稳压电路等，所述电压转换装置可以实现直流-直流电压变换(例如：40v高压直流-5v低压直流的电压变换)或交流-直流电压变换(例如：220v高压交流-5.5v低压直流的电压变换)。

请参考图3，所述限流开关电路具有输入电压端in和输出电压端out，所述限流开关电路可以包括：电压控制模块4，所述电压控制模块4的第一输入端接收关联电压vb，所述电压控制模块4的第二输入端接收参考电压vref，所述电压控制模块4根据所述关联电压vb和参考电压vref生成充电控制信号vc，所述充电控制信号vc经由所述电压控制模块4的输出端输出，其中，所述关联电压vb随输出电压端out的电压的变化而变化；开关模块2，所述开关模块2的输入端接收所述输入电压端in的输入电流，并根据所述充电控制信号vc确定是否向所述输出电压端out充电；补偿模块3，适于根据所述输入电压端in的所述输入电流生成补偿电流，所述补偿电流用于向所述输出电压端out提供补偿。

具体地，所述输入电压端in可以连接电压转换装置的输出端，并接收转换后的直流电压；所述输出电压端out可以是usb端口，所述输出电压端out用于连接负载，所述负载可以是各种电子设备。

在一个非限制性的实施例中，所述补偿模块3可以直接接收所述输入电压端in的输入电流，所述输入电流用于控制所述补偿模块3产生的补偿电流的大小。

在另一个非限制性的实施例中，所述补偿模块3可以接收控制电压，所述控制电压由所述输入电流转化得到，所述补偿模块3产生的补偿电流的大小由所述控制电压控制。之后，本申请都将以所述补偿模块3根据所述控制电压的大小来控制补偿电流为例进行详细说明。

进一步地，所述限流开关电路还可以包括：采样模块1，适于接收所述输入电压端in的输入电流，并将所述输入电流转化为控制电压。

进一步地，所述采样模块1可以包括采样电阻rsense以及电流检测及转换电路11，所述电流检测及转换电路11可以采集流过采样电阻rsense的所述输入电流，并将所述输入电流转化为所述控制电压。

更进一步地，由于所述输入电流的电流值较小，所述电流检测及转换电路11可以将所述输入电流进行电压转换并线性放大，所述线性放大后的电压作为控制电压提供给所述补偿模块3。

需要说明的是，所述将输入电流转化为控制电压的电流检测及转换电路11可以采用现有技术中的电流-电压转换电路，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，所述补偿模块3可以包括：第一电流源i1，所述第一电流源i1的输入端连接电源vcc，所述第一电流源i1的控制端接收所述控制电压；第一电阻r1，所述第一电阻r1的第一端连接所述第一电流源i1的输出端，所述第一电阻r1的第二端接地；第二电流源i2，所述第二电流源i2的控制端连接所述第一电流源i1的输出端，所述第二电流源i2的输出端接地，所述第二电流源i2的输入端为所述补偿模块3的输出端。

进一步地，所述电源vcc可以是限流开关电路外部的供电电源，或者所述电源vcc可以集成在所述限流开关电路中。具体地，所述电源vcc可以是直流电源，并且所述电源vcc的电压值可以是固定值或可调节的值，以适应对不同场合的供电需求。

另外，为了节约电路面积，所述第一电流源i1的输入端也可以连接所述输入电压端in，由所述输入电压端in的直流电压为所述第一电流源i1供电。

具体地，所述第一电阻r1可以为固定阻值或可变阻值的电阻，以适应不用的应用场合的需要。

更进一步地，所述第一电阻r1可以是由多个子电阻并联或串联而得到。

进一步地，所述限流开关电路还可以包括：分压模块5，所述分压模块5适于接收所述输出电压端out的电压，并生成所述关联电压vb。

进一步地，所述分压模块5可以包括：第二电阻r2，所述第二电阻r2的第一端连接所述输出电压端out；第三电阻r3，所述第三电阻r3的第一端连接所述第二电阻r2的第二端，所述第三电阻r3的第二端接地，其中，所述第三电阻r3的第一端为所述分压模块5的输出端。

具体实施时，所述第二电阻r2的阻值与第三电阻r3的阻值可以相同也可以不同；所述第二电阻r2和/或第三电阻r3可以为固定阻值或可变阻值的电阻，以适应不用的应用场合的需要。

进一步地，所述第二电阻r2和/或第三电阻r3可以是由多个子电阻并联或串联而得到。

进一步地，所述开关模块2可以包括：场效应晶体管p，所述场效应晶体管p的源极接收所述输入电流，所述场效应晶体管p的漏极连接所述输出电压端out，所述场效应晶体管p的栅极接收所述充电控制信号vc。

具体实施时，所述场效应晶体管p可以为p型场效应晶体管。

作为一个变化例，所述场效应晶体管p还可以为n型场效应晶体管，在该变化例中，所述场效应晶体管p的漏极接收所述输入电流，所述场效应晶体管p的源极连接所述输出电压端out，所述场效应晶体管p的栅极接收所述充电控制信号vc。

可以理解的是，本领域技术人员可以根据不同的应用场合来适应性的选择场效应晶体管p的具体类型，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，所述电压控制模块4可以包括：运算放大器，所述运算放大器的第一输入端接收所述参考电压vref，所述运算放大器的第二输入端接收所述关联电压vb，所述运算放大器的输出端生成所述充电控制信号vc。

具体地，所述运算放大器的第一输入端为负输入端，所述运算放大器的第二输入端为正输入端。所述充电控制信号vc的大小是所述参考电压vref以及关联电压vb的电压差值与运算放大器增益的乘积。

为了防止过电流对电路中的元器件以及负载的冲击，进一步地，所述限流开关电路还可以包括：过流检测电路6，所述过流检测电路6适于接收预设电流以及所述输入电压端in的所述输入电流，并根据所述输入电流与预设电流的比较结果生成过流控制信号sw；过流控制开关s，所述过流控制开关s的输入端连接所述开关模块2的输入端，所述过流控制开关s的输出端连接所述开关模块2的控制端，所述过流控制开关s的控制端接收所述过流控制信号sw，所述过流控制开关s在所述过流控制信号sw的控制下导通或关断。

具体地，所述过流控制开关s输入端连接所述场效应晶体管p的源极，所述过流控制开关s的输出端连接所述场效应晶体管p的栅极，所述过流控制开关s的控制端接收所述过流控制信号sw。

当所述过流控制开关s闭合后，所述场效应晶体管p的源极和栅极连接在一起，也就是说，所述场效应晶体管p的源极与栅极之间的电压差为0，所述场效应晶体管p关断。

本实施例中的所述过流检测电路6可以采用现有技术中的过流检测电路，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，所述限流开关电路还可以包括第四电阻r4，所述第四电阻r4的第一端接收所述充电控制信号vc，所述第四电阻r4的第二端连接所述开关模块2的控制端。所述第四电阻r4可以将所述运算放大器与过流检测电路6以及过流控制开关s隔离，以避免过流控制信号sw以及充电控制信号vc之间的相互影响。

请同时参考图3、图4，其中，图4是本发明实施例一种具体应用场景的示意图。

所述电压转换装置a的输出端连接了多条支路(例如：两条支路，其中一条支路为带负载支路，另一条支路为空载支路)，多条支路可以采用相同结构的限流开关电路。

对于带负载支路来说，其具有第一输入电压端in1和第一输出电压端out1。在所述限流开关电路初始运行时，所述关联电压vb小于第一参考电压vref1，所述充电控制信号vc控制所述场效应晶体管p开通，为所述第一输出电压端out1充电。所述第一输出电压端out1的电压vout1可以通过如下公式计算得到：

vout1＝vref1*(r2+r3)/r3

其中，所述vref1为带负载支路中第一参考电压的电压值，r2为分压模块中第二电阻的电阻值，r3为分压模块中第三电阻的电阻值。

在具体实施时，通过调节第一参考电压vref1的电压值的大小，可以控制所述第一输出电压端out1的电压值的大小，也就是可以控制提供给负载的充电电压的大小。

由于采样电阻rsense与场效应晶体管p的损耗可以忽略不计，当所述关联电压vb与所述第一参考电压vref相等时，所述第一输出电压端out1的电压达到稳定状态。若所述第一输出电压端out1与负载之间的线路没有损耗，则负载接收的期望充电电压即为所述第一输出电压端out1的电压达到稳定状态时的电压值。但实际上，第一输出电压端out1与负载之间的充电线路往往较长(例如：0.5m或1m)。因此，充电电流流过所述充电线路时会造成比较大的线路损耗，充电电流越大，所述线路损耗也就越大。在这种情况下，负载接收的实际充电电压就会小于期望的充电电压，影响了负载充电的效率。

本实施例中，所述第一输入电压端in1的输入电流流过与负载连接的充电线路，并在充电线路上产生线路损耗。为了弥补所述线路损耗，所述采样模块1可以采集所述第一输入电压端in1的输入电流，并将所述输入电流转化为控制电压，所述控制电压控制第一电流源i1产生第一电流，所述第一电流流过第一电阻r1，所述第一电阻r1第一端的电压提供至第二电流源i2的控制端，以使所述第二电流源i2生成补偿电流，所述补偿电流流过第二电阻r2，以提高所述第一输出电压端out1的电压，此时，负载接收到的充电为所述提高之后的电压减去线路损耗的电压，也就是说，补偿模块3通过提高第一输出电压端out1的电压，从而补偿了充电线路的线损电压，从而使负载接收到的电压仍然是期望的充电电压。

在给负载充电的过程中，当所述第一输入电压端in1的电流增大时，所述充电线路的线损增加。此时，所述第一电流源i1的控制端接收的控制电压增大，所述第一电流源i1产生的第一电流增大，第一电阻r1的第一端的电压增大，所述第二电流源i2产生的补偿电流增大，进而提高了对所述第一输出电压端out1的补偿电压，使负载接收到的电压依然是期望的充电电压。

另外，通过调节第一电阻r1的阻值大小，可以调整第二电流源i2生成的补偿电流的大小，进而可以调整补偿给第一输出电压端out1的电压的大小。

在给负载充电的过程中，当所述过流检测电路6接收到的所述输入电流超过所述预设电流，则生成过流控制信号sw。响应于所述过流控制信号sw，所述过流控制开关s闭合，从而使所述场效应晶体管p的源极与场效应晶体管p的栅极连接在一起。此时，所述场效应晶体管p的源极与栅极之间的电压差为0，则不会有电流从场效应晶体管p通过，从而可以有效避免过电流对电路元器件以及负载的冲击。

对于空载支路来说，其具有第二输入电压端in2和第二输出电压端out2，并且所述第二输出电压端out2没有连接负载，即空载。

具体地，在所述限流开关电路初始运行时，所述关联电压vb小于第二参考电压vref2，所述充电控制信号vc控制所述场效应晶体管p开通，为所述第二输出电压端out2充电，随着第二输出电压端out2的输出电压的升高，所述关联电压vb与第二参考电压vref2之间的电压差值减小；当所述关联电压vb与第二参考电压vref2之间的电压差值减小至0后，所述关联电压vb等于所述第二参考电压vref2，所述第二输出电压端out2的输出电压达到稳定状态。由于所述关联电压vb与第二参考电压vref2之间为线性比例关系，为了防止第二输出电压端out2的输出电压超过规格，只需要通过合理设置第二参考电压vref2的电压值，便可以将第二输出电压端out2的输出电压控制在合理的范围。

进一步地，本发明实施例还提供了一种开关电源装置(未图示)，包括开关电源，还包括前述的限流开关电路。

更进一步地，所述开关电源可以包括buck电路、boost电路或者buck-boost电路，所述开关电源的输出端可以连接所述限流开关电路的输入电压端，所述限流开关电路的输出电压端可以连接负载，以实现对负载充电。

需要说明的是，本发明实施例中的“高压”和“低压”的电压值并不做具体限定，只要高压的电压值高于低压的电压值即可。例如，高压的电压值能够被识别为逻辑1，而低压的电压值能够被识别为逻辑0。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。