一种用于DC-DC中恒流恒功率控制电路及实现方法与流程

本发明涉及电源管理及能源转换领域，具体地说，是涉及一种用于dc-dc中恒流恒功率控制电路及实现方法。

背景技术：

在能源转换、电源管理等领域中，为实现恒流或恒功率控制，现有的方法一般是在芯片外部增加电流检测元件检测输入或输出电流，然后通过加入到芯片内部的环路选择电路实现；如图1所示的普通dc-dc恒流或恒功率输入输出控制电路，在芯片的外部增加电阻或电流互感器等电流检测元件，并在其内部增加电流预放大器、乘法器、恒流/恒功率环路误差放大器，以及环路选择电路，最终实现恒流/恒功率控制。

在电源中，效率是一个重要指标，在芯片的外部增加电阻或电流互感器等电流检测元件后，会造成i²r的功率损失，其中，i为输入输出电流，r为等效电阻，电阻r越大，功率损失越大，而r越小时，电流预放大器检测到的有效电压i*r越小，电流检测精度将会变差；且电流预放大器需在vout与vin相近、vout短路到地时能正常工作，电流的共模输入范围需轨到轨，因此会使得电路的结构复杂，增加了设计的成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于dc-dc中恒流恒功率控制电路及实现方法，解决了现有控制电路存在结构复杂、成本高，且功率损失大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于dc-dc中恒流恒功率控制电路，包括计时器、电压环路误差放大器op1、电流检测电路、比较器cmp1，还包括比较器cmp2，时序产生电路，电荷泵电路，mos管pm1，除法器，所述除法器连接在比较器cmp2的正相输入端，所述比较器cmp2的反相输入端与电流检测电路连接，所述时序产生电路的cmpo接口与比较器cmp1的输出端连接、cmpo_2接口与比较器cmp2的输出端连接、clk接口与计时器的输出端连接、up接口与电荷泵电路的up接口连接、down接口与电荷泵电路的down接口连接，所述mos管pm1的栅极与电荷泵电路输出端cp_out连接、漏极接地，所述比较器cmp1的正相输入端和mos管pm1的源极均接在电压环路误差放大器op1的输出端上。

基于上述电路构造，本发明还提供了该电路的实现方法，包括如下步骤：

(1)在电压输入端vin加载电源，通过除法器在比较器cmp2的正相输入端上输入一个基准电流i_set，该基准电流为ref_power/vout，其中，ref_power为外部设置的输出功率；

(2)在一个时钟clk周期内，当clk处于上升沿时，连接在电压输入端vin上的mos管m0导通，电感电流il上升，将比较器cmp1的输出端cmpo和比较器cmp2的输出端cmpo_2加载在时序产生电路的输入端；

(3)将时序产生电路的输出端down加载在电荷泵电路的输入端down、输出端up加载在电荷泵电路的输入端up，当电感电流il未达到基准电流i_set时，在电荷泵电路中产生上拉电流iup，从而使输出电压cp_out上升；

(4)当电感电流il达到基准电流i_set时，通过时序产生电路控制电荷泵电路中产生下拉电流idown，从而使输出电压cp_out下降；

(5)当电感电流il不断上升达到峰值ilmax时，mos管m0关闭，时序产生电路产生的信号控制上拉电流iup和下拉电流idown同时为零，输出电压cp_out保持不变，电感电流il不断下降至ilmin，直到下一个时钟clk周期的上升沿到达；

(6)重复步骤(2)-(5)，直至连接在输出电压cp_out上的输出电容c_cp在各周期内的充放电达到平衡，即充放电时间相等，从而使输出电压cp_out保持稳定不变，同时，mos管pm1导通，其源极电压v_comp固定，此时的电感电流为：

il＝(ilmax+ilmin)/2

该电流也等于输出电流iout，从而使输出电流保持恒定，同时也实现了输出功率的恒定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过一种利用mos管开关控制输入电流通断，在mos管导通时利用电流检测电路检测电感电流il，通过比较器与基准电流比较，并用比较器的输出信号控制时序产生电路输出端up和输出端down的信号占空比，使电荷泵电路中的输出电容c_cp充放电平衡，从而使输出电压cp_out维持不变，此时的电感电流il取其平均值即为输出电流iout，也等于基准电流i_set，实现了恒流输出，由于基准电流i_set的预设值与输出功率ref_power有关，因此，在实现恒流的同时也实现了功率恒定，不用在功率通路上串接电阻或电流互感器等电流检测元件，有效地解决了现有控制电路存在功率损失大的问题，达到功率损失小的效果。

(2)本发明利用比较器、时序产生电路和电荷泵电路实现控制，解决了现有控制电路存在结构复杂、成本高的问题，相于现有的控制电路而言，降低了电路的复杂度，降低了成本，电路简单。

附图说明

图1为现有的恒流恒功率控制电路。

图2为本发明的恒流恒功率控制电路。

图3为图2中比较器的工作原理图。

图4为图2中时序产生电路的电路图。

图5为图2中电荷泵电路的电路图。

图6为本发明工作时的时序图。

图7为本发明达到恒流恒功率工作时的时序图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图2所示，本发明公开的一种用于dc-dc中恒流恒功率控制电路，包括计时器、电压环路误差放大器op1、电流检测电路、比较器cmp1，还包括比较器cmp2，时序产生电路，电荷泵电路，mos管pm1，除法器，所述除法器连接在比较器cmp2的正相输入端，所述比较器cmp2的反相输入端与电流检测电路连接，所述时序产生电路的cmpo接口与比较器cmp1的输出端连接、cmpo_2接口与比较器cmp2的输出端连接、clk接口与计时器的输出端连接、up接口与电荷泵电路的up接口连接、down接口与电荷泵电路的down接口连接，所述mos管pm1的栅极与电荷泵电路输出端cp_out连接、漏极接地，所述比较器cmp1的正相输入端和mos管pm1的源极均接在电压环路误差放大器op1的输出端上。

所述比较器cmp1的输出端连接有逻辑电路，用于驱动mos管m0的驱动电路，所述mos管m0的漏极作为电压输入端vin，所述mos管m0的源极与电路输出端vout之间连接有电感l，连接在电路输出端vout上的反馈电阻r2和r3用于反馈流过电感l的实时电流，并通过电压环路误差放大器的反向端将电压传输到比较器cmp1的正相输入端，所述电压环路误差放大器的输出端连接有串联的补偿电阻r_cv和补偿电容c_cv，连接在电路输出端vout上的电阻rout和电容cout起到保护电路的作用。

如图3所示的比较器工作原理图，该电路由12个mos管组成，其中，mos管t6的栅极作为pos端，mos管t7的栅极作为neg端，mos管t12的漏极作为out端，在反相输入端neg的电压高于正相输入端pos时，net1的电压将会变高，从而使输出out变低；在反相输入端neg的电压低于正相输入端pos时，输出out变高。

如图4所示的时序产生电路，该电路由两个d触发器、或非门及多个非门组成，当clk处于上升沿时，d触发器dff1和dff2将会对输入端的电压进行采样并传输到输出端q，若d触发器的reset端口为高电平，则输出端q为低电平。

如图5所示的电荷泵电路，该电路由8个mos管、两个非门及输出电容c_cp组成，其中，该电路的输入信号up通过非门连接在mos管t16的栅极，输入信号down通过非门连接在mos管t17的栅极，输出电容c_cp连接在输出端cp_out与mos管t19的源极之间。

当输入信号up为高电平时，则会产生上拉电流iup，并给输出电容c_cp充电，使输出电压cp_out上升；当输入信号down为高电平时，则会产生下拉电流idown，并将输出电容c_cp中的电荷释放出来，使输出电压cp_out下降；当输入信号up和输入信号down同时为高电平或同时为低电平时，上拉电流iup和下拉电流idown相互抵消或为零，使输出电容c_cp上的电荷量保持不变，从而保持输出电压cp_out不变。

一种用于dc-dc中恒流恒功率控制电路的实现方法，包括如下步骤：

(1)在电压输入端vin加载电源，通过除法器在比较器cmp2的正相输入端上输入一个基准电流i_set，该基准电流为ref_power/vout，其中，ref_power为外部设置的输出功率；

(2)在一个时钟clk周期内，当clk处于上升沿时，连接在电压输入端vin上的mos管m0导通，电感电流il上升，比较器cmp1的输出端cmpo和比较器cmp2的输出端cmpo_2均为高电平，并将该信号加载在时序产生电路的输入端，从而使时序产生电路的输出端up为高电平、输出端down为低电平；

(3)将up端的高电平、down端的低电平分别加载在电荷泵电路的输入端，即up端和down端，在电荷泵电路中产生上拉电流iup，从而使输出电压cp_out上升；

(4)当电感电流il达到基准电流i_set时，cmpo_2变为低电平，而cmpo仍为高电平，通过时序产生电路控制电荷泵电路中产生下拉电流idown，从而使输出电压cp_out下降；

(5)当电感电流il不断上升达到峰值ilmax时，cmpo变为低电平，cmpo_2此时为低电平，mos管m0关闭，时序产生电路产生的两个低电平控制上拉电流iup和下拉电流idown同时为零，输出电压cp_out保持不变，电感电流il不断下降至ilmin，直到下一个时钟clk周期的上升沿到达，在此过程中产生的时序图如图6所示；

(6)重复步骤(2)-(5)，直至连接在输出电压cp_out上的输出电容c_cp在各周期内的充放电达到平衡，即充放电时间相等，从而使输出电压cp_out保持稳定不变，同时，mos管pm1导通，其源极电压v_comp固定，此时的电感电流为：

il＝(ilmax+ilmin)/2

该电流也等于输出电流iout，从而使输出电流保持恒定，同时也实现了输出功率的恒定，此时的时序图如图7所示。

在每个周期内，上拉电流iup给输出电容c_cp的充电量为iup*tup，下拉电流idown给输出电容c_cp的放电量为idown*tdn，上拉电流iup等于下拉电流idown，当时钟上升时间tup等于下降时间tdn时，才可保持充放电量保持平衡，从而维持输出电压cp_out不变。

本发明通过电流检测电路检测电感电流il，并通过比较器比较电感电流il与设置的基准电流i_set大小，然后通过时序产生电路不断地调节输出端up和输出端down的信号占空比，从而达到控制电荷泵电路中的输出电容c_cp充放电平衡的目的，当充放电平衡之后，输出电压cp_out维持不变，电感电流il在基准电流i_set上上下等幅波动，取其平均值即为电感电流il的值，也就是输出电流iout，此时的输出电流iout等于基准电流i_set，实现了恒流输出，由于基准电流i_set的预设值与输出功率ref_power有关，即i_set＝ref_power/vout，因此，在实现恒流的同时也实现了功率恒定。

本发明提供了一种利用mos管开关控制输入电流通断，在mos管导通时利用电流检测电路检测电感电流il，通过比较器与基准电流比较，并用比较器输出信号的占空比判断平均电流，将电荷泵电路加入环路控制中，最终实现恒流恒功率控制，不用在功率通路上串接电阻或电流互感器等电流检测元件，有效地解决了现有控制电路存在功率损失大的问题，从而减小电路中的功率损失；现有的恒流恒功率控制中采用的电流预放大器对电路的要求较大，且共模的输入范围为轨到轨，在一定程度上增加了电路的复杂度，本发明利用比较器、时序产生电路和电荷泵电路实现控制，解决了现有控制电路存在结构复杂、成本高的问题，相于现有控制电路而言，电路简单，降低了电路的成本和复杂度。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。