CN106712457B - 充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种充电电容时分复用电路，包括：通过充电实现定时的充电电容；向充电电容充电的电流源；用于判断定时结束的定时比较器以及根据各定时比较器的输出结果依次产生定时时间到达信号的定时器逻辑电路。电感的电流达到峰值时，功率开关管关断，充电电容开始对预设的最小续流时间定时，定时结束后，电感的实际续流时间小于最小续流时间，则启动负载过压保护；反之，则对充电电容泄放后对预设的开关关断时间定时，定时结束后，功率开关管导通，进入下一周期。本发明复用同一个充电电容，先后计算最小续流时间和开关关断时间，合并了开关恒流源负载过压保护和平均输出电流调整功能，减少了片上集成电容的个数，从而减小芯片面积，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法。
背景技术
开关恒流源是通过开关的控制使输出电流不因负载或输出电压变化而变化，输出电流基本保持不变的电流源。峰值电流模式开关恒流源转换器是现有技术中比较常见的开关恒流源，其***结构如图1所示，峰值电流模式开关恒流源转换器1包括输出电容COUT，所述输出电容COUT的上极板作为正向电压输出端VOUT+、下极板作为反向电压输出端VOUT-，所述输出电容COUT的上极板连接输入电压VIN、下极板连接电感L；所述电感L的另一端连接续流二极管D1的阳极，所述续流二极管D1的阴极连接所述输入电压VIN；功率开关管M0的漏端连接于所述电感L及所述续流二极管D1之间，所述功率开关管M0的源端经过采样电阻R3后连接到***的参考地；检测电路11的输入端连接于所述功率开关管M0及所述采样电阻R3之间，所述检测电路11的输出端连接控制电路12的输入端，所述控制电路12进一步包括最小续流时间定时电路121及开关关断时间定时电路122，所述控制电路12的输出端连接所述功率开关管M0的栅端；所述功率开关管M0、所述检测电路11以及所述控制电路12形成与芯片内；分压电阻R1的一端连接于所述输入电压VIN，另一端连接储能电容C1后接地，所述芯片连接于所述分压电阻R1与所述储能电容C1之间以获取电源电压VCC；所述输入电压VIN的两端还并联有稳压电容CIN。
所述峰值电流模式开关恒流源转换器1工作在电感电流断续模式下，所述功率开关管M0的漏极电压波形和所述电感L的电流波形如图2所示。在所述电感L的电流断续的开关工作模式下，所述功率开关管M0导通后，所述电感L的电流IL不断增大，当所述电感L的电流增大到限定值Ilim时，所述功率开关管M0关断，所述电感L的电流通过所述续流二极管D1续流，所述电感L的电流不断减小，当所述电感L的电流减小到零时所述功率开关管M0仍保持关断，当开关关断时间到达时所述功率开关管M0重新导通。此时所述峰值电流模式开关恒流源转换器1的平均输出电流与电感电流峰值和开关频率相关。因此，我们需要通过所述开关关断时间定时电路122来控制所述功率开关管M0的关断时间，从而调整平均输出电流。
另一方面，当所述功率开关管M0关断后，所述续流二极管D1的导通时间(即续流时间Trfy)与开关恒流源的负载电压相关。所述峰值电流模式开关恒流源转换器1通过检测所述电感L的电流减小到零，得到续流时间Trfy。所述峰值电流模式开关恒流源转换器1中设定了最小续流时间，在实际续流时间小于所述最小续流时间后，所述功率开关管M0停止动作，从而进行负载过压保护。这就需要所述最小续流时间定时电路121来设定最小续流时间限制，进而控制负载过压保护。
上述两个定时电路定时功能，在集成电路中通常都是采用电流对集成电容充电至设定电压值的定时方法来实现，而集成电路中大容值电容通常会占用较大的芯片面积，增加集成电路的成本。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法，用于解决现有技术中开关恒流源集成多个定时电路时，用于定时的充电电容占用较大的芯片面积，增加集成电路成本的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种充电电容时分复用电路，所述充电电容时分复用电路至少包括：
充电电容、至少一个电流源、至少一个定时比较器、定时器逻辑电路；
所述充电电容具有上极板和下极板，所述下极板接地；
所述电流源的输入端连接电源电压、输出端经由开关连接至所述上极板，藉由所述电流源向所述上极板充电实现定时；
所述定时比较器的正向输入端连接所述上极板，所述定时比较器的反向输入端分别连接多个电源，所述电源的值为设定的阈值电压，当所述充电电容上的电压达到各阈值电压时，相应的定时比较器翻转；
所述定时器逻辑电路连接于所述定时比较器的输出端，根据各定时比较器的输出结果依次产生定时时间到达信号。
优选地，各电流源为可调电流源。
优选地，各阈值电压可以是固定值也可以是变化值。
优选地，所述充电电容的上极板连接至开关后接地，在两次定时之间对所述充电电容泄放。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种开关恒流源电流控制方法，所述开关恒流源电流控制方法包括：在电感的电流达到峰值时，功率开关管关断，所述电感的电流减小，充电电容开始充电，所述充电电容对预设的最小续流时间定时，所述最小续流时间定时结束后，若所述电感的实际续流时间小于所述最小续流时间，则启动负载过压保护；若所述电感的实际续流时间大于所述最小续流时间，则对所述充电电容泄放，泄放结束后再次对所述充电电容充电，所述充电电容对预设的开关关断时间定时，所述开关关断时间定时结束后，所述功率开关管导通，所述电感的电流增大，进入下一开关周期。
优选地，当所述充电电容中的电压达到第一阈值电压时，所述最小续流时间定时结束。
优选地，当所述充电电容中的电压达到第二阈值电压时，所述开关关断时间定时结束。
优选地，所述第二阈值电压可实时动态调整，以此实时调整所述开关关断时间，进而调整平均输出电流。
优选地，所述功率开关管的关断与所述充电电容开始充电的操作同步，当所述功率开关管关断时，所述充电电容开始充电。
优选地，所述最小续流时间及所述开关关断时间的定时通过不同的电流源对所述充电电容充电实现。
如上所述，本发明的充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法，具有以下有益效果：
本发明的充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法在功率开关管关断后，定时器复用同一个充电电容，依次以不同的定时充电电流和不同的充电时间到达阈值电压，先后计算最小续流时间限定值和开关关断时间调节值，合并实现了开关恒流源负载过压保护和平均输出电流调整的功能。本发明减少了峰值电流模式开关恒流源集成电路中所需片上集成电容的个数，从而有效减小了集成电路芯片面积，降低了成本。
附图说明
图1为现有技术中的峰值电流模式开关恒流源转换器结构示意图。
图2为现有技术中的峰值电流模式开关恒流源转换器的波形示意图。
图3为本发明的充电电容时分复用电路结构示意图。
图4为本发明的开关恒流源电流控制方法的波形示意图。
元件标号说明
1 峰值电流模式开关恒流源转换器
11 检测电路
12 控制电路
121 最小续流时间定时电路
122 开关关断时间定时电路
2 充电电容时分复用电路
21 第一定时比较器
22 第二定时比较器
23 定时器逻辑电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图3所示，本发明提供一种充电电容时分复用电路2，所述充电电容时分复用电路2包括：
充电电容C、至少一个电流源、至少一个定时比较器、定时器逻辑电路23。
如图3所示，所述充电电容C的下极板接地、上极板经由开关连接至电流源的输出端，所述电流源的输入端连接电源电压，通过所述电流源对所述充电电容的充电获取所需的定时时间。
所述充电电容C充电的电流源数量可以是一路，直接由一路电流源对所述充电电容C多次充电实现不同功能的时间定时；所述充电电容C充电的电流源数量也可以根据要复用的定时功能数量进行设定，增加变量，以便于实现多个时间相差较大的定时。
在本实施例中，所述充电电容C的上极板连接两路电流源，通过第一开关连接至第一电流源Ichg1的输出端，通过第二开关连接至第二电流源Ichg2的输出端，所述第一电流源Ichg1以及所述第二电流源Ichg2的另一端连接电源电压Vdd。在本实施例中，所述充电电容时分复用电路2用于对开关电流源中的最小续流时间Trfymin和开关关断时间Toffcont定时，由于所述最小续流时间Trfymin和所述开关关断时间Toffcont相差的时间比较长，为了增加变量，所述第一电流源Ichg1以及所述第二电流源Ichg2为可调电流源，所述第一电流源Ichg1可通过第一控制信号Ctrl_minoff实现所述最小续流时间Trfymin定时的时候充电电流大小的控制，所述第二电流源Ichg2可通过第二控制信号Ctrl_contoff实现所述开关关断时间Toffcont定时的时候充电电流大小的控制。
如图3所示，各定时比较器的第一输入端连接所述充电电容C的上极板，各定时比较器的第二输入端分别连接多个阈值电压，当所述充电电容C上的电压VC1达到各阈值电压时，相应的定时比较器翻转。
在本实施例中，所述定时比较器的数量设定为2个，分别用于所述最小续流时间Trfymin和所述开关关断时间Toffcont的定时比较。如图3所示，第一定时比较器21的正向输入端连接于所述充电电容C的上极板，所述第一定时比较器21的反向输入端连接第一阈值电压Vth1，当充电电压VC1达到所述第一阈值电压Vth1时，所述第一定时比较器21的输出电平翻转；所述第一定时比较器21用于所述最小续流时间Trfymin的定时，所述第一阈值电压Vth1与所述最小续流时间Trfymin有关，所述第一开关K1闭合，所述第一电流源Ichg1向所述充电电容C充电，所述充电电压VC1慢慢增大，经过一段时间后，所述充电电压VC1达到所述第一阈值电压Vth1，所述第一定时比较器21的输出电平翻转，定时结束，此时所述充电电容C的充电时间即为所述最小续流时间Trfymin。第二定时比较器22的正向输入端连接于所述充电电容C的上极板，所述第二定时比较器22的反向输入端连接第二阈值电压Vth2，当所述充电电压VC1达到所述第二阈值电压Vth2时，所述第二定时比较器22的输出电平翻转；所述第二定时比较器22用于所述开关关断时间Toffcont的定时，所述第二阈值电压Vth2与所述开关关断时间Toffcont有关，所述第二开关K2闭合，所述第二电流源Ichg2向所述充电电容C充电，所述充电电压VC1慢慢增大，经过一段时间后，所述充电电压VC1达到所述第二阈值电压Vth2，所述第二定时比较器22的输出电平翻转，定时结束，此时所述充电电容C的充电时间即为所述开关关断时间Toffcont。
所述第一阈值电压Vth1及所述第二阈值电压Vth2可以是固定值也可以是变化值。在本实施例中，所述第一阈值电压Vth1为设定的固定值，所述第二阈值电压Vth2为变化值。通过检测到的物理量(采样电流)的变化实时调整所述第二阈值电压Vth2，以此实时调整调整功率开关管的工作频率，进而实时调整平均输出电流，实现输出电流的恒流控制。
如图3所示，所述定时器逻辑电路23连接于各定时比较器的输出端，根据各定时比较器的输出结果依次产生定时时间到达信号。
在本实施例中，所述定时器逻辑电路23的输入端连接所述第一定时比较器21及所述第二定时比较器22的输出端，对所述第一定时比较器21及所述第二定时比较器22的输出结果进行逻辑判断并输出相应的定时时间到达信号。当所述充电电容时分复用电路2开始工作时，首先对所述最小续流时间Trfymin进行定时，所述定时器逻辑电路23输出第一开关控制信号Do_mintrfy闭合所述第一开关K1，所述定时器逻辑电路23输出第二开关控制信号Do_contoff断开所述第二开关K2，使所述第一电流源Ichg1对所述充电电容C充电，并在所述充电电压VC1到达所述第一阈值电压Vth1时，接收所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号，然后输出所述最小续流时间Trfymin的定时时间到达信号Trfymin_out。然后所述充电电容时分复用电路2对所述开关关断时间Toffcont进行定时，所述定时器逻辑电路23输出第一开关控制信号Do_mintrfy断开所述第一开关K1，所述定时器逻辑电路23输出第二开关控制信号Do_contoff闭合所述第二开关K2，使所述第二电流源Ichg2对所述充电电容C充电，并在所述充电电压VC1到达所述第一阈值电压Vth1时，所述定时器逻辑电路23接收所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号，随着所述充电电压VC1不断上升，在所述充电电压VC1到达所述第二阈值电压Vth2时，所述定时器逻辑电路23接收所述第二定时比较器22输出的电平翻转信号，由于本次是对所述开关关断时间Toffcont定时，因此所述定时器逻辑电路23对所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号不响应，仅对所述第二定时比较器22输出的电平翻转信号相应，最后输出所述开关关断时间Toffcont的定时时间到达信号Toffcont_out。
如图3所示，所述充电电容C的上极板还连接第三开关K3后接地，当所述最小续流时间Trfymin定时结束后，所述定时器逻辑电路23输出第三开关控制信号Do_dischg闭合所述第三开关K3，所述充电电容C的上极板接地，所述充电电压VC1快速降至零后，所述定时器逻辑电路23控制所述充电电容时分复用电路2进行所述开关关断时间Toffcont的定时。
如图3所示，所述充电电容C的上极板还连接第四开关K4后接地，所述第四开关K4受使能信号Do_on的控制，在本实施例中，当所述功率开关管导通时，所述使能信号Do_on控制所述第四开关K4闭合，所述充电电容C的上极板被拉低，无法进行充电；当所述功率开关管关断时，所述使能信号Do_on控制所述第四开关K4断开，所述充电电容C可进行正常充电。所述使能信号Do_on还连接于所述定时器逻辑电路23的使能端，当所述功率开关管导通时，所述使能信号Do_on控制所述定时器逻辑电路23停止工作；当所述功率开关管关断时，所述使能信号Do_on控制所述第四开关K4断开，所述定时器逻辑电路23可进行正常工作。
如图3～图4所示，本发明还提供一种开关恒流源电流控制方法，所述开关恒流源电流控制方法包括：
在电感的电流达到峰值时，功率开关管关断，所述电感的电流减小，充电电容C开始充电，所述充电电容C对预设的最小续流时间Trfymin定时。
具体地，如图4所示，在功率开关管导通时间Ton内，电感处于充电状态，所述电感的电流IL逐渐升高。如图3所示，所述使能信号Do_on控制所述第四开关K4闭合，所述充电电容C无法充电，所述使能信号Do_on控制所述定时器逻辑电路23不工作。如图4所示，当所述电感的电流IL达到峰值电流Ilim时，所述功率开关管关断，所述功率开关管的漏端电压Vsw被拉至高电平，所述电感的电流IL减小。如图3所示，在所述功率开关管关断的同时，所述使能信号Do_on控制所述第四开关K4关断，所述充电电容C正常工作，所述使能信号Do_on控制所述定时器逻辑电路23正常工作。所述定时器逻辑电路23输出第一开关控制信号Do_mintrfy闭合所述第一开关K1，所述定时器逻辑电路23输出第二开关控制信号Do_contoff断开所述第二开关K2，使所述第一电流源Ichg1对所述充电电容C充电，并在所述充电电压VC1到达所述第一阈值电压Vth1时，接收所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号，然后输出所述最小续流时间Trfymin的定时时间到达信号Trfymin_out。
所述最小续流时间Trfymin定时结束后，若所述电感的实际续流时间Trfy小于所述最小续流时间Trfymin，则启动负载过压保护；若所述电感的实际续流时间Trfy大于所述最小续流时间Trfymin，则对所述充电电容C泄放，泄放结束后再次对所述充电电容C充电，所述充电电容C对预设的开关关断时间Toffcont定时，所述开关关断时间Toffcont定时结束后，所述功率开关管导通，所述电感的电流增大，进入下一开关周期。
具体地，判断所述定时器逻辑电路23输出所述最小续流时间Trfymin的定时时间到达信号Trfymin_out时，所述电感的电流是否已经降至零，若所述电感的电流已经降至零，则启动负载过压保护；反之，如图3所示，则由所述定时器逻辑电路23输出第三开关控制信号Do_dischg闭合所述第三开关K3，所述充电电容C的上极板接地，所述充电电容C快速泄放至零后，所述定时器逻辑电路23输出第一开关控制信号Do_mintrfy断开所述第一开关K1，所述定时器逻辑电路23输出第二开关控制信号Do_contoff闭合所述第二开关K2，使所述第二电流源Ichg2对所述充电电容C充电，并在所述充电电压VC1到达所述第一阈值电压Vth1时，所述定时器逻辑电路23接收所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号，随着所述充电电压VC1不断上升，在所述充电电压VC1到达所述第二阈值电压Vth2时，所述定时器逻辑电路23接收所述第二定时比较器22输出的电平翻转信号，所述第二阈值电压Vth2可实时动态调整，以此实时调整所述开关关断时间，进而调整平均输出电流。由于本次是对所述开关关断时间Toffcont定时，因此所述定时器逻辑电路23对所述第一定时比较器21输出的电平翻转信号不响应，仅对所述第二定时比较器22输出的电平翻转信号相应，最后输出所述开关关断时间Toffcont的定时时间到达信号Toffcont_out。所述定时器逻辑电路23输出所述开关关断时间Toffcont的定时时间到达信号Toffcont_out后所述功率开关管重新导通，进入下一开关周期。
本发明的开关恒流源电流控制方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序及电路结构部，凡是本领域技术人员利用现有技术对本发明所述方案的变形都包括在本发明的保护范围内。
本发明的充电电容时分复用电路及开关恒流源电流控制方法在功率开关管关断后，定时器复用同一个充电电容，依次以不同的定时充电电流和不同的充电时间到达阈值电压，先后计算最小续流时间限定值和开关关断时间调节值，合并实现了开关恒流源负载过压保护和平均输出电流调整的功能。本发明减少了峰值电流模式开关恒流源集成电路中所需片上集成电容的个数，从而有效减小了集成电路芯片面积，降低了成本。
综上所述，本发明提供一种充电电容时分复用电路，包括：通过充电实现定时的充电电容；向充电电容充电的电流源；用于判断定时结束的定时比较器以及根据各定时比较器的输出结果依次产生定时时间到达信号的定时器逻辑电路。本发明还提供一种开关恒流源电流控制方法，包括：在电感的电流达到峰值时，功率开关管关断，电感的电流减小，充电电容开始充电，充电电容对预设的最小续流时间定时，最小续流时间定时结束后，若电感的实际续流时间小于最小续流时间，则启动负载过压保护；若电感的实际续流时间大于最小续流时间，则对充电电容泄放，泄放结束后再次对充电电容充电，充电电容对预设的开关关断时间定时，开关关断时间定时结束后，功率开关管导通，电感的电流增大，进入下一开关周期。本发明在功率开关管关断后，定时器复用同一个充电电容，依次以不同的定时充电电流和不同的充电时间到达阈值电压，先后计算最小续流时间限定值和开关关断时间调节值，合并实现了开关恒流源负载过压保护和平均输出电流调整的功能。本发明减少了峰值电流模式开关恒流源集成电路中所需片上集成电容的个数，从而有效减小了集成电路芯片面积，降低了成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种充电电容时分复用电路，其特征在于，所述充电电容时分复用电路包括：
充电电容、至少一个电流源、至少一个定时比较器、定时器逻辑电路；
所述充电电容具有上极板和下极板，所述下极板接地；
所述电流源的输入端连接电源电压、输出端经由开关连接至所述上极板，藉由所述电流源向所述上极板充电实现定时；
所述定时比较器的正向输入端连接所述上极板，所述定时比较器的反向输入端分别连接多个电源，所述电源的值为设定的阈值电压，当所述充电电容上的电压达到各阈值电压时，相应的定时比较器翻转；
所述定时器逻辑电路连接于所述定时比较器的输出端，根据各定时比较器的输出结果依次产生定时时间到达信号。
2.根据权利要求1所述的充电电容时分复用电路，其特征在于：各电流源为可调电流源。
3.根据权利要求1所述的充电电容时分复用电路，其特征在于：各阈值电压可以是固定值也可以是变化值。
4.根据权利要求1所述的充电电容时分复用电路，其特征在于：所述充电电容的上极板连接开关后接地，在两次定时之间对所述充电电容泄放。
5.一种开关恒流源电流控制方法，其特征在于，包括：在电感的电流达到峰值时，功率开关管关断，所述电感的电流减小，充电电容开始充电，所述充电电容对预设的最小续流时间定时，所述最小续流时间定时结束后，若所述电感的实际续流时间小于所述最小续流时间，则启动负载过压保护；若所述电感的实际续流时间大于所述最小续流时间，则对所述充电电容泄放，泄放结束后再次对所述充电电容充电，所述充电电容对预设的开关关断时间定时，所述开关关断时间定时结束后，所述功率开关管导通，所述电感的电流增大，进入下一开关周期。
6.根据权利要求5所述的开关恒流源电流控制方法，其特征在于：当所述充电电容中的电压达到第一阈值电压时，所述最小续流时间定时结束。
7.根据权利要求5所述的开关恒流源电流控制方法，其特征在于：当所述充电电容中的电压达到第二阈值电压时，所述开关关断时间定时结束。
8.根据权利要求7所述的开关恒流源电流控制方法，其特征在于：所述第二阈值电压可实时动态调整，以此实时调整所述开关关断时间，进而调整平均输出电流。
9.根据权利要求5所述的开关恒流源电流控制方法，其特征在于：所述功率开关管的关断与所述充电电容开始充电的操作同步，当所述功率开关管关断时，所述充电电容开始充电。
10.根据权利要求5所述的开关恒流源电流控制方法，其特征在于：所述最小续流时间及所述开关关断时间的定时通过不同的电流源对所述充电电容充电实现。
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