開關電源轉換電路、充電電流源及其控制方法
2023-09-19 09:54:25
專利名稱：開關電源轉換電路、充電電流源及其控制方法
技術領域：
本發明涉及電路領域。本發明更具體地但不限於涉及開關電源轉換電路及其充電電流源和控制方法。
背景技術：
在開關電源領域，恆定導通時間控制模式的開關電源變換器由於其優越的負載瞬態響應、簡單的內部結構和平滑的工作模式切換，在行業中得到了廣泛的應用。傳統的恆定時間模式開關電源控制器通常包含一個用於設定導通或關斷時間的計時器。圖1示出了一個現有技術中計時器10的電路圖。如圖所示，計時器10包含充電電流源11，充電電容12，比較器13和計時開關14。充電電流源11和充電電容12串接在電源電壓VDD和系統參考地GND之間。計時開關14並聯在充電電容12兩端。比較器13的同相端連接到充電電流源11和充電電容12的公共端，反相端連接到一參考信號VREFl。初始狀態時，計時開關14斷開，電流源11對充電電容12充電，輸出端VO上的電壓上升。當VO上的電壓上升到與參考信號VREFl相同時，比較器13輸出的信號變為高電平，同時計時開關14閉合，充電電容12經由計時開關14放電，輸出端VO上的電壓逐漸下降到0，同時使得比較器13的輸出信號變為低電平。這樣電流源11對充電電容12的充電時間就作為恆定時間控制器的導通或關斷時間。為了使開關電源轉換電路的工作頻率近似恆定，控制器的導通時間TON或關斷時間TOFF需要隨著當開關電源變換器的輸入電壓VIN的變化而變化。例如，當輸入電壓VIN變大時，控制器的導通時間相應變短，當輸入電壓VIN變小時，控制器的導通時間相應變長。為了實現這一目標，計時器中電流源的充電電流被要求隨輸入電壓VIN變化而變化。圖2A為現有技術中一種計時器的充電電流源21。如圖2A所示，在該充電電流源中，運算放大器210的同相端通過電阻R l耦接到輸入電壓VIN，反相端耦接到一參考信號VREF。第一金屬氧化物場效應管(MOSFET)Ml的源漏兩端分別耦接運算放大器210的同相端和參考地GND，柵極耦接於運算放大器210的輸出端，用於形成運算放大器210的負反饋環路。第二 MOSFET管M2，第三MOSFET管M3和第四MOSFET管M4共同構成一鏡像電流源，其中第二MOSFET管M2的柵極耦接到運算放大器210的輸出端獲得偏置電壓，以提供基準電流。這樣，可變充電電流源21的輸出電流IOUT = (VIN-VREF) /Rl，即輸出的充電電流IOUT正比於輸入電壓VIN。圖2B所示為現有技術中另一種計時器的充電電流源22，與充電電流源21相比，電阻Rl和R2組成一電阻分壓器，將分壓後的輸入電壓(R2XVIN)/(R1+R2)耦接到運算放大器220的同相端。電阻R3的一端耦接到第一 MOSFET管Ml和運算放大器220的反相端，另一端耦接參考地。此時充電電流源22的輸出電流IOUT = (R2XVIN)/R3 (R1+R2)，即輸出的充電電流IOUT正比於輸入電壓VIN。現有技術中的計時器的充電電流源在非工作狀態時存在無法徹底關斷的問題，增大了開關電源控制器的功耗。
另一方面，目前的開關電源控制器往往集成了多種可選的模式，供用戶在具體應用場合選擇。例如，某些開關電源控制器可以選擇使用強制連續電流(FCCM)控制模式或者非連續電流(DCM)控制模式對開關電源進行控制。另一些開關電源控制器可以選擇其它工作模式，例如是否開啟多相位輸出。在集成電路中，實現這樣類似的特性往往需要額外的引腳來進行選擇判斷，而增加額外的引腳會造成集成電路成本的上升。
發明內容
本發明考慮到現有技術中的一個或多個問題，提出了一種開關電源轉換電路及其充電電流源和控制方法。本發明的第一方面，提出了一種開關電源轉換電路，包含開關電源轉換器，開關電源控制器和一個充電電流源，用於將一輸入電壓轉換為輸出電壓，其特徵在於，所述充電電流源包含:多用途引腳，通過一第一電阻，耦接到所述輸入電壓或系統地，所述多用途引腳上產生一個頻率信號，其中所述頻率信號的初始值根據所述輸入電壓或系統地產生；邏輯判斷電路，與所述多用途引腳耦接，所述邏輯判斷電路根據所述頻率信號的初始值輸出一個邏輯控制信號，所述邏輯控制信號耦接輸出到所述開關電源控制器，用於在開關電源控制器的兩種工作模式中的選擇其一；第一電流源，同所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳分別耦接，所述第一電流源根據所述頻率信號和所述邏輯控制信號，輸出第一輸出電流；第二電流源，同所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳分別耦接，所述第二電流源根據所述頻率信號和所述邏輯控制信號，輸出第二輸出電流；其中，所述第一輸出電流和第二輸出電流相疊加後形成一充電電流，提供給所述開關電源控制器，所述充電電流與所述輸入電壓成正比。在另一實施例中，所述開關電源控制器的至少一個工作模式為一個恆定時間控制模式，所述充電電流源為所述恆定導通時間開關電源控制器中的一計時器提供所述充電電流。
在又一實施例中，所述當所述多用途引腳耦接到所述輸入電壓時，所述第二輸出電流為零，當所述多用途引腳耦接到所述系統地時，所述第一輸出電流為零。本發明的第二方面，提出了一種充電電流源，其特徵在於所述充電電流源包含:多用途引腳，通過一第一電阻，耦接到所述輸入電壓或系統地，所述多用途引腳上產生一個頻率信號，其中所述頻率信號的初始值根據所述輸入電壓或系統地產生；邏輯判斷電路，與所述多用途引腳耦接，所述邏輯判斷電路根據所述頻率信號的初始值輸出一個邏輯控制信號，所述邏輯控制信號耦接輸出到一控制電路，用於在所述控制電路的兩種工作模式中的選擇其一；第一電流源，同所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳分別耦接，所述第一電流源根據所述頻率信號和所述邏輯控制信號，輸出第一輸出電流；第二電流源，同所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳分別耦接，所述第二電流源根據所述頻率信號和所述邏輯控制信號，輸出第二輸出電流；其中，所述第一輸出電流和第二輸出電流相疊加後形成充電電流，所述充電電流與所述輸入電壓成正比。本發明的第三方面，提出了一種控制開關電源轉換電路的方法，包含:根據一輸入電壓或系統地產生一個電壓信號的初始值；根據所述電壓信號的初始值產生一個邏輯控制信號，用於指示一開關電源控制器的工作模式；根據所述邏輯控制信號和所述電壓信號，產生一第一輸出電流；根據所述邏輯控制信號和所述電壓信號，產生一第二輸出電流；和將所述第一輸出電流和所述第二輸出電流疊加得到一充電電流，所述充電電流與所述輸入電壓成正比。相比現有技術，本發明能夠在非工作時將充電電流源徹底關斷，降低了開關電源控制器的功耗，同時實現了電路引腳的復用，降低了電路的成本。
下列附圖涉及有關本發明非限制性和非窮舉性的實施例的描述。除非另有說明，否則同樣的數字和符號在整個附圖中代表同樣或相似的部分。附圖無需按比例畫出。另外，圖中所示相關部分尺寸可能不同於說明書中敘述的尺寸。為更好地理解本發明，下述細節描述以及附圖將被提供以作為參考。圖1示出了一個現有技術中導通時間計時器10的電路圖。圖2A示出了現有技術中一種計時器的充電電流源21的電路圖。圖2B示出了現有技術中另一種計時器的充電電流源22的電路圖。圖3所示為依據本發明一個實施例的開關電源轉換電路30的模塊框圖。圖4示出了根據本發明一個實施例的邏輯判斷電路303的電路示意圖。圖5所示為根據本發明一個實施例的第一電流源304的電路示意圖。圖6所示為根據本發明一個實施例的第二電流源305的電路示意圖。圖7示出了一種依據本發明一個實施例的開關電源控制方法流程圖。不同附圖中相同的標記表示相同或相似的特徵。
具體實施例方式在下文所述的特定實施例代表本發明的示例性實施例，並且本質上僅為示例說明而非限制。在說明書中，提及「一個實施例」或者「實施例」意味著結合該實施例所描述的特定特徵、結構或者特性包括在本發明的至少一個實施例中。術語「在一個實施例中」在說明書中各個位置出現並不全部涉及相同的實施例，也不是相互排除其他實施例或者可變實施例。本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。下面將參考附圖詳細說明本發明的具體實施方式
。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同的部件或特徵。圖3所示為依據本發明一個實施例的開關電源轉換電路30的模塊圖。如圖3所示，開關電源轉換電路30包含開關電源轉換器301，開關電源控制器302，和充電電流源31，開關電源轉換電路30用於將一輸入電壓VIN轉換為一輸出電壓V0UT。其中充電電流源31包含邏輯判斷電路303，第一電流源304和第二電流源305。在一個實施例中，開關電源控制器302的至少一個控 制模式為恆定時間控制模式。邏輯判斷電路303包含第一輸入端3031，第二輸入端3032和輸出端3033。第一電流源304包含第一輸入端3041，第二輸入端3042，第三輸入端3043和一個輸出端3044，第二電流源305包含第一輸入端3051，第二輸入端3052，第三輸入端3053和一個輸出端3054。開關電源系統還包括多用途引腳311和第一電阻312。多用途引腳311通過第一電阻312耦接到開關電源轉換電路30的輸入電壓VIN或者系統地GND。多用途引腳311同時還耦接到邏輯判斷電路303的輸入端3031，第一電流源304的第一輸入端3041和第二電流源305的第一輸入端3051。多用途引腳311上產生一頻率信號Vfreq，該頻率信號Vfreq的初始值根據輸入電壓VIN或系統地GND產生。邏輯判斷電路303根據來自於多用途引腳311的頻率信號Vfreq的初始值，和耦接到第二輸入端3032的使能信號EN，在輸出端3033上產生一控制邏輯信號CTRL。在圖示實施例中，控制邏輯信號CTRL被耦接到第一電流源304的第二輸入端3042和第二電流源的第二輸入端3052。使能信號EN進一步被耦接到第一電流源304的第三輸入端3043和第二電流源的第三輸入端3053。在一個實施例中，邏輯控制信號CTRL和使能信號EN共同決定第一電流源304和第二電流源305工作狀態。第一電流源304的輸出端3043根據頻率信號Vfreq，使能信號EN和邏輯控制信號CTRL輸出第一輸出電流IOUTl，第二電流源的輸出端3053根據頻率信號Vfreq，使能信號EN和邏輯控制信號CTRL輸出第二輸出電流10UT2。IOUTl或者10UT2作為充電電流10UT，提供給電源控制器302，其中充電電流IOUT正比於輸入電壓VIN。在一個實施例中，在使能信號EN為高電平時，如果控制邏輯信號CTRL為高電平，第一電流源304完全關閉，輸出端3043輸出為零，第二電流源305工作，輸出端3053輸出第二輸出電流10UT2 ;如果控制邏輯信號CTRL為低電平，第一電流源304工作，輸出端3043輸出第一輸出電流10UT1，第二電流源305完全關閉，輸出端3053輸出為零。當使能信號EN為低電平時，無論邏輯控制信號CTRL為何值，第一電流源304和第二電流源305均完全關閉。如圖3所示，控制邏輯信號CTRL進一步被耦接到電源控制器302，用於指示開關電源控制器302的工作模式。在一個實施例中，控制邏輯信號CTRL被耦接到開關電源控制器302用於指示開關電源轉換電路30工作於強制連續電流模式(FCCM)或非連續電流模式(DCM)。例如，當控制邏輯信號CTRL為高電平時，開關電源轉換電路30工作於FCCM模式，當控制邏輯信號CTRL為低電平時，開關電源轉換電路30工作於DCM模式。在其它實施例中，控制邏輯信號CTRL可能指示開關電源控制器其它的工作模式，例如指示是開關電源是否工作於恆定導通電流模式，或者開關電源系統是否工作在多相輸出模式，或者指示開關電源的工作頻率檔位等等。
當第一電流源304根據邏輯控制信號CTRL和使能信號EN正常工作時，其通過第一輸入端3041耦接多功能引腳311，根據頻率信號Vfreq，輸出第一充電電流10UT1，其中IOUTl與輸入電壓VIN相關聯。在一個實施例中，多功能引腳311通過第一電阻312接收開關電源轉換電路30的輸入電壓VIN，此時，第一充電電流IOUTl由輸入電壓VIN與頻率信號Vfreq的差決定。在一個實施例中，第一充電電流IOUTl = Kl X (VIN-Vfreq), Kl為非零常數。此時，第二電流源305被邏輯控制信號CTRL完全關閉，輸出為零。因此，總充電電流IOUT = IOUTl = KlX (VIN-Vfreq)，即充電電流IOUT與輸入電壓VIN成正比。當第二電流源305根據邏輯控制信號CTRL和使能信號EN正常工作時，其通過第一輸入端3051耦接於多功能引腳311，根據頻率信號Vfreq，輸出第二充電電流10UT2，其中第二充電電流10UT2與輸入電壓VIN相關聯。在一個實施例中，多功能引腳311通過第一電阻312連接到開關電源轉換電路30的參考地電壓GND。而頻率信號Vfreq被設置成與輸入電壓VIN成正比，例如，Vfreq = VIN_b，其中b為任意常數。因此第二充電電流10UT2=K2XVfreq = K2X (VIN-b)，其中K2為非零常數。此時，第一電流源304被邏輯控制信號CTRL完全關閉，輸出為零。因此，總充電電流IOUT = 10UT2 = K2X (VIN_b)，即充電電流IOUT與輸入電壓VIN成正比。圖4示出了根據本發明一個實施例的邏輯判斷電路303的電路示意圖。如圖4所示，邏輯判斷電路303包含第一反相器401，第二反相器402，第三反相器403，電容Cl，延遲模塊404，觸發器405，或非門406和開關407。在圖示實施例中，觸發器405為D觸發器，
具有D輸入端，CP輸入端，CLR輸入端，Q輸出端以及Q輸出端，開關407為一個NMOS管。
本領域內具有一般水平的技術人員能夠理解，在其它實施例中，觸發器405可能具有其它類型，例如RS觸發器，JK觸發器等等，開關407也可以為其它本領域技術人員公知的合適的器件或電路。開關407稱接在第一電阻312和第一反相器401的輸入端之間,第一反相器401的輸出端耦接第二反相器402的輸入端，第二反相器402的輸出端耦接到D觸發器405的D輸入端。第一電容Cl稱接於第一反相器401的輸出端和開關電源轉換電路30的參考地GND之間。觸發器405的CP輸入端通過延遲模塊404接收使能信號EN，同時CLR輸入端直接接收使能信號EN 。觸發器405的Q輸出端輸出邏輯控制信號CTRL。第三反相器403的輸入端連接使能信號EN，輸出端耦接到或非門406的第一輸入端。或非門406的第二輸出端接收邏輯控制信號CTRL，輸出端耦接到開關407的柵極控制其導通和斷開。系統初始化時，使能信號EN = 1，通過CLR端使觸發器405重置，邏輯控制信號CTRL = O,即或非門406的第二輸入端上為低電平。同時，使能信號EN被第三反相器403反相為低電平後輸入到或非門406的第一輸入端。這樣或非門406的兩輸入端上均為低電平，輸出端輸出一高電平信號使開關407導通。頻率信號Vfreq的初始值經開關407傳遞到第一反相器401的輸入端。當多用途引腳311通過第一電阻312耦接到輸入電壓VIN時，頻率信號Vfreq的初始值等於開關電源系統30的輸入電壓VIN，即高電平。第一反相器401的輸出端輸出一低電平信號，電容Cl上兩端維持電壓不變。第二反相器402的輸出端輸出一高電平信號傳遞到觸發器405的D輸入端。而CP輸入端上的使能信號EN的上升沿在被延遲模塊404延遲T2時間後才到來。此時觸發器405的Q輸出端輸出一個高電平信號，使得邏輯控制信號CTRL為高電平，邏輯判斷完成。當多功能引腳311通過第一電阻312耦接到開關電源轉換電路30的參考地GND，即Vfreq的初始值為低電平時,第一反相器401的輸出端輸出一高電平信號，電容Cl被充電。經過Tl時間(Tl <T2)後，電容Cl兩端的電壓到達高電平，使得第二反相器402輸出端，即觸發器405的D輸入端上為低電平信號。當CP輸入端上的信號上升沿在被延遲模塊404延遲Τ2時間後才到來，觸發器405的Q輸出端維持到低電平，使得邏輯控制信號CTRL為低電平，邏輯判斷完成。本領域內具有一般水平的技術人員能夠理解，在其它實施例中，邏輯判斷電路303可能具有其它的電路結構或輸出結果。例如，在某些實施例中，邏輯判斷電路303可能使用
Q輸出端的輸出作為CTRL信號，或者取消第二反相器402,將第一反相器401的輸出端直
接接到觸發器405的D輸入端，此時，當多用途引腳311通過第一電阻312耦接到VIN時，CTRL為低電平，當多用途引腳311通過第一電阻耦接到GND時，CTRL為高電平。圖5所示為根據本發明一個實施例的第一電流源304的電路示意圖。如圖5所示，在所不實施例中，第一電流源304包含一開關組,主電流鏡502和偏置電壓設定電路503。所述開關組包含多個開關SI，S2，S3和S4，用於控制主電流鏡502和偏置電壓設定電路503的工作和關閉，其中所述多個開關的開通或關斷由邏輯控制信號CTRL和使能信號EN所決定。主電流鏡502具有位於對稱位置的X端和Y端，其中X端耦接到多用途引腳311，Y端耦接到偏置電壓設定電路503。當主電流鏡502工作時，偏置電壓設定電路503在主電流鏡502的Y端上產生一個偏置電壓Vb，偏置電壓Vb被鏡像到主電流鏡上與Y端對稱的X端，代替前述頻率信號Vfreq的初始值形成頻率信號Vfreq，使X端上產生一個與輸入電壓VIN成正比的電流信號Ix，該電流信號Ix被鏡像到Y端作為第一輸出電流IOUTl。在圖示實施例中，所述開關組具有4個開關S1-S4。在其它的實施例中，開關組可能包含不等於4的正整數個數量。主電流鏡502為共源共柵電流鏡，包含第一 NMOS管MNl，第二 NMOS管MN2，第三NMOS管MN3，第四NMOS管MN4，第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc 2。其中第一 WOS管麗I和第二 NMOS管麗2的源極耦接到系統地GND，第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc2的一端耦接到電源電壓VDD，第三NMOS管麗3的源極耦接第二直流電流源Idc2的另一端，第四NMOS管MN4的漏極耦接第一直流電流源Idcl的另一端，第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4的源極分別耦接第一 NMOS管MNl和第二 NMOS管麗2的漏極，第一 NMOS管麗I和第二 NMOS管麗2的柵極連接在一起並耦接到第四NMOS管MN4的漏極，第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4的柵極連接在一起並耦接到第三NMOS管MN3的漏極。其中，第一 NMOS管MNl的漏極為主電流鏡502的X端，第二 NMOS管MN2的漏極為主電流鏡502的Y端。在一個實施例中，開關組中的第一開關SI進一步耦接在第一直流電流源Idcl和第四NMOS管MN4之間，第二開關S2進一步耦接在第二直流電流源Idc2和第三NMOS管麗3之間。在一個實施例中，直流電流源Idcl和Idc2的輸出電流相等。在圖示實施例中，偏置電壓設定電路503包含第三直流電流源Idc3，第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6。 其中第五NMOS管麗5與第三直流電流源Idc3串聯耦接於電源電壓VDD與系統地GND之間，第五NMOS管MN5為二極體連接，即MN5的柵極與漏極相耦接，第六NMOS管MN6的柵極與第五NMOS管MN5的柵極相耦接，第六NMOS管MN6的源極與主電流鏡502的Y端相耦接，漏極作為第一輸出電流IOUTl的輸出端。 在一個實施例中，第三開關S3進一步耦接在第三直流電流源Idc3和第五NMOS管麗5之間。在一個實施例中，第三直流電流源Idc3的輸出電流同第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc2相等。在其它實施例中，第三直流電流源Idc3的輸出電流可能不同於第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc2。在某些實施例中，開關S1-S4為MOSFET管。例如，在一個實施例中，開關S1-S3為PMOS管，邏輯控制信號CTRL和使能信號EN被分別耦接到一個與門電路505的兩輸入端，與門505輸出一個開關控制信號。該開關控制信號通過一反相器504被PMOS開關S1-S3的柵極接收。開關S4為NMOS管，直接接收開關控制信號。在其它實施例中，開關S1-S4可能為其它為本領域內技術人員所公知的合適的器件或電路。下文將以圖5所示的電路結構為例敘述第一電流源304的工作原理。本領域內的技術人員應當理解如下例子是為了更好地描述本發明實施例，而並非對本發明範圍的限定。
為了理解上的方便，下文中將推定NMOS管^l-MM為相同的器件，且第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc2具有相同的輸出電流II。作為公知常識，本領域內具有一般水平的技術人員應當理解，在其它實施例中，^l-MM的某些參數，例如溝道長寬比，可能並不相同，對應第一直流電流源Idcl和第二直流電流源Idc2的輸出電流也不相同，此處不再贅述。如果邏輯控制信號CTRL和使能信號EN均為高，第一電流源304進入工作狀態。此時，開關SI，S2，S3和S4同時開通，使得主電流鏡502和偏置電壓設定電路503進入工作狀態。一旦使能信號EN為低，或者控制信號CTRL為低，開關SI，S2，S3，S4同時關斷，主電流鏡502和偏置電壓設定電路503可以被徹底關閉，不再消耗任何能量。當第一電流源304工作時，在偏置電壓設定電路503的第五NMOS管麗5的漏極會產生偏置電壓Vb。此時，主電流鏡502的Y端電壓為Vb-VGSN6，VGSN6為第六NMOS管MN6的柵源電壓。由於麗1-MN4為具有相同參數的器件，Y端上的電壓與對稱的X端上的電壓相等，因此頻率信號Vfreq = Vb_VGSN6。此時，流入X端的電流Ix大小為:Ix =[VIN-(Vb-VGSN6)]/R，方向為從多用途引腳311流入X端，其中，R為第一電阻312的電阻值。另一方面，NMOS管麗I上流過的電流INl等於流入X端電流Ix與第一直流電流源Idcl的輸出電流Il之和，即Ix+Il = INI。因為^l-MM為相同器件，麗2上流過的電流IN2與INl相同，而第二直流電流源Idc2的輸出電流也為II。這樣，流入Y端的電流Iy，即第一輸出電流 IOUTl 的大小為:10UT1 = Iy = IN2_Id = INl-1l = Ix。因此最終:IOUTl= Iy = Ix = [VIN-(Vb_VGSN6) ]/R，即第一電流源 304 的第一輸出電流IOUTl與輸入電壓VIN成正比。本領域內具有一般水平的技術人員能夠理解，在其它實施例中，第一電流源304可以應用不同的電路結構和器件參數來實現輸出電流與輸入電壓成正比的功能。例如，在一個實施例中，第一電流源304可能還包含一個副電流鏡(圖5中未示出)，耦接於偏置電壓設定電路503中第六NMOS管MN6的漏極，用於將第一輸出電流IOUTl由灌電流輸出轉換為拉電流輸出。在另一個實施·例中，偏置電壓設定電路503中的第三直流電流源Idc3和第五NMOS管MN5可能由一個電壓源代替。在又一實施例中，主電流鏡502可能為其它類型的電流鏡，例如雙極性電晶體(BJT)電流鏡等。圖6所示為根據本發明一個實施例的第二電流源305的電路示意圖。在所示實施例中，第二電流源305包含一開關組，主電流鏡602和偏置電壓設定電路603。所述開關組包含多個開關Tl，T2，…，T5，用於控制主電流鏡602和偏置電壓設定電路603的工作和關閉，其中所述多個開關的開通或關斷由邏輯控制信號CTRL和使能信號EN所決定。主電流鏡602具有位於對稱位置的A端和B端，其中A端耦接到多用途引腳311，B端耦接到偏置電壓設定電路603。當主電流鏡602工作時，偏置電壓設定電路603在主電流鏡602的B端上產生一個偏置電壓VIN-Vd，偏置電壓VIN-Vd被鏡像到主電流鏡上與B端對稱的A端，替換前述的頻率信號Vfreq的初始值，形成頻率信號Vfreq，使A端上產生一個與輸入電壓VIN成正比的電流信號Ia，該電流信號Ia被鏡像到B端作為第二輸出電流10UT2。在圖示實施例中，所述開關組具有5個開關T1-T5，其中，開關T5包含第一端，第二端和控制端，其第一端與輸入電壓VIN耦接。第二鏡像電流源602為共源共柵電流鏡，包含由第一 PMOS管MPI，第二 PMOS管MP2，第三PMOS管MP3，第四PMOS管MP4，第四直流電流源Idc4和第五直流電流源Idc5。其中第一 PMOS管MPl和第二 PMOS管MP2的源極耦接到輸入電壓VIN，第四直流電流源Idc4和第五直流電流源Idc5的一端耦接到系統地GND，第四PMOS管MP4和第三PMOS管MP3的漏極分別耦接到第四直流電流源Idc4和第五直流電流源Idc5的另一端，第四PMOS管MP4和第三PMOS管Mp3的源極分別耦接到第一 PMOS管MPl和第二 PMOS管MP2的漏極，其中，第一 PMOS管MPl的漏極為主電流鏡602的A端，第二PMOS管的漏極為主電流鏡602的B端。在一個實施例中，開關組中的開關Tl進一步耦接在第四直流電流源Idc4和第四PMOS管MP4之間，開關T2進一步耦接在第五直流電流源Idc5和第三PMOS管MP3之間。在一個實施例中，直流電流源Idc4和Idc5的輸出電流相等。在圖示實施例中，偏置電壓設定電路603包含第六直流電流源Idc6，第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6。其中第五PMOS管MP5為二極體連接，源極耦接到輸入電壓VIN，第六直流電流源Idc6耦接在第五PMOS管MP5的漏極和系統地GND之間，第六PMOS管MP6的柵極與第五PMOS管MP5的柵極相連，源極與主電流鏡602的B端相連，漏極作為第二輸出電流10UT2的輸出端。在一個實施例中，第三開關T3進一步耦接在第六直流電流源Idc6和第五PMOS管MP5之間。第四開關T4的一端耦接到輸入電壓VIN，另一端耦接到第一 PMOS管MPl，第二PMOS管MP2和第五PMOS管MP5的源極。在一個實施例中，第六直流電流源Idc6的輸出電流同第四直流電流源Idc4和第五直流電流源Idc5相等。在其它實施例中，第六直流電流源Idc6的輸出電流可能不同於第四直流電流源Idc4和第五直流電流源Idc5。在圖示實施例中，第四開關T4為PMOS管，T4的漏極耦接輸入電壓VIN，PMOS管MP1-MP6的基極均連接到開關T4的源極。第二電流源305進一步包含第七直流電流源Idc7和關斷電阻Roff。其中，第五開關T5的一端耦接到第四開關T4的柵極，第七直流電流源Idc7耦接在第五開關T5的另一端和系統地GND之間，關斷電阻Roff耦接在第四開關T4的柵極與輸入電壓VIN之間。`在某些實施例中，開關Tl、T2、T3與T5亦為MOSFET管。在一個實施例中，第二電流源305中進一步包含一個與門605,具有第一輸入端,第二輸入端和一個輸出端,邏輯控制信號CTRL通過一反相器604耦接到與門605的第一輸入端，使能信號EN耦接到與門605的第二輸入端，與門605的輸出端輸出一個開關控制信號。開關Tl、T2、T3與T5為NMOS管，其各自柵極接收開關控制信號。在其它實施例中，開關T1-T5可能為其它為本領域內技術人員所公知的合適的器件或電路。下文將以圖6所示的電路結構為例敘述第二電流源305的工作原理。本領域內的技術人員應當理解如下例子是為了更好地描述本發明實施例，而並非對本發明範圍的限定。為了理解上的方便，下文中將推定PMOS管MP1-MP4為相同的器件，且直流電流源Idc4, Idc5具有相同的輸出電流12。作為公知常識，本領域內具有一般水平的技術人員應當理解，在其它實施例中，PMOS管MP1-MP4的某些參數，例如溝道寬度與長度之比，可能並不相同，對應直流電流源Idc4和Idc5的輸出電流也不相同，此處不再贅述。如果控制信號CTRL為低，使能信號EN為高，第二電流源305進入工作狀態。此時，開關Tl，T2，T3，T5同時開通，開關Τ5開通後，關斷電阻Roff上有電流流過，產生一電壓降，使得開關Τ4也開通。這樣主電流鏡602和偏置電壓設定電路603進入工作狀態。一旦使能信號EN為低，或者控制信號CTRL為高時，開關Tl，T2，T3，T5會同時關斷，由於T5關斷後關斷電阻Roff上不再有電流流過，沒有壓降產生，所以開關T4也被關斷。此時主電流鏡602和偏置電壓設定電路603可以被徹底關閉，不再消耗任何能量。當第二電流源305工作時，開關T4和T5開通，電流流過第五PMOS管MP5，將第五PMOS管MP5的源極電壓上拉到輸入電壓VIN，並使第五PMOS管MP5的漏極上產生偏置電壓VIN-Vd，其中Vd為PMOS管MP5的源漏電壓，該偏置電壓使第六PMOS管MP6的柵源電壓VGSP6為負，第六PMOS管MP6開通。此時主電流鏡602的B端電壓為VIN-Vd_VGSP6。由於MP1-MP4為具有相同參數的器件，A端上的電壓與對稱的B端上的電壓相等，因此頻率信號Vfreq = VIN-Vd_VGSP6。由於Vfreq通過第一電阻312接地，所以電流從A端流出，流出A端的電流Ia大小為Ia = (VIN-Vd-VGSP6)/R。其中，R為第一電阻312的電阻值。另一方面，MPl上流過的電流IPl等於流出A端電流Ia與第四直流電流源Idc4的輸出電流12之和，即Ia+I2 = IPl0因為MP1-MP4為相同器件，MP2上流過的電流IP2與IPl相同，而第二直流電流源Idc2的輸出電流也為12。這樣，流出B端的電流Ib，即第二輸出電流10UT2為:10UT2 = Ib = Ip2-12 = Ipl_I2 = la。因此最終:10UT2= Ib = Ia= (VIN_Vb_VGSP6)/R，即第二電流源 305 的第二輸出電流10UT2與輸入電壓VIN成正比。本領域內具有一般水平的技術人員能夠理解，在其它實施例中，第二電流源305也可以應用不同的電路結構和器件參數來實現輸出電流10UT2與輸入電壓VIN成正比的功能。例如，在一個實施例中，偏置電壓設定電路603中的第六直流電流源Idc6和第五PMOS管MP5可能由一個電壓源代替。在又一實施例中，第二鏡像電流源602可能為其它類型的電流鏡，例如雙極性電晶體(BJT)電流鏡等。
本領域內具有一般水平技術人員還應理解，在某些實施例中，圖6中所示的第二電流源305與圖5中所示的第一電流源304可以互換。在這些實施例中，CTRL信號可直接耦接到與門605，而無需通過反相器604轉換。圖7示出了一種依據本發明一個實施例的開關電源控制方法流程700圖。如圖所示，控制流程700包含多個步驟701-705，其中:步驟701:根據輸入電壓VIN或系統地GND產生一個頻率信號Vfreq的初始值；步驟702:根據頻率信號Vfreq的初始值，和一個使能信號EN，產生一個邏輯控制信號CTRL，用於指示開關電源控制器的工作模式；步驟703:根據邏輯控制信號CTRL，使能信號EN和頻率信號Vfreq，產生一第一輸出電流IOUTl ；步驟704:根據邏輯控制信號CTRL，使能信號EN和頻率信號Vfreq，產生一第二輸出電流10UT2 ；步驟705:將第一輸出電流和第二輸出電流IOUTl和10UT2疊加得到一充電電流10UT，該充電電流IOUT與輸入電壓VIN成正比。其中頻率信號Vfreq為一個電壓信號。
在一個實施例中，所述控制 方法進一步包含步驟706:使用恆定時間控制模式產生一個開關電源控制信號，其中恆定時間依據所述的充電電流來產生。在一個實施例中，在使能信號EN使能時，如果頻率信號Vfreq的初始值根據輸入電壓VIN產生，第一輸出電流IOUTl和輸入電壓VIN成正比，第二輸出電流10UT2為零，如果頻率信號Vfreq的初始值根據系統地GND產生，第一輸出電流IOUT為零，第二輸出電流10UT2和輸入電壓VIN成正比。在又一實施例中，如果頻率信號Vfreq的初始值根據輸入電壓VIN產生，步驟703或704中的頻率信號Vfreq為一個設定的偏置電壓Vb，代替前述的頻率信號Vfreq的初始值。如果頻率信號Vfreq的初始值根據系統地GND產生，步驟703或704的頻率信號Vfreq為一個設定的偏置電壓VIN_Vb。在一個實施例中，邏輯控制信號CTRL在步驟702中指示指示開關電源變換電路工作於強制連續電流模式(FCCM)或非連續電流模式(DCM)。在另一個實施例中，在使能信號使能時，如果頻率信號Vfreq的初始值根據所述輸入電壓VIN產生，邏輯控制信號CTRL為高電平，如果頻率信號Vfreq的初始值根據系統地GND產生時，邏輯控制信號CTRL為低電平。關於上述內容，顯然本發明的很多其它改型和改動也是可行的。這裡應該明白，在隨附的權利要求書所涵蓋的保護範圍內，本發明可以應用此處沒有具體描述的技術而實施。當然還應該明白，由於上述內容只涉及本發明的較佳具體實施例，所以還可以進行許多改型而不偏離隨附的權利要求所涵蓋的本發明的精神和保護範圍。由於公開的僅是較佳實施例，本領域普通技術人員可以推斷出不同的改型而不脫離由隨附的權利要求所定義的本發明的精神和保 護範圍。
權利要求
1.一種開關電源轉換電路，包含開關電源轉換器、開關電源控制器和一個充電電流源，開關電源轉換電路用於將一輸入電壓轉換為輸出電壓，其特徵在於，所述充電電流源包含: 多用途引腳，通過一第一電阻耦接到所述輸入電壓或系統地，所述多用途引腳上產生一個頻率信號，其中所述頻率信號的初始值根據所述輸入電壓或系統地產生； 邏輯判斷電路，與所述多用途引腳耦接，所述邏輯判斷電路根據所述頻率信號的初始值以及一個使能信號輸出一個邏輯控制信號，所述邏輯控制信號耦接所述開關電源控制器，用於在開關電源控制器的兩種工作模式中選擇其一； 第一電流源，耦接所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳，所述第一電流源根據所述頻率信號、所述使能信號和所述邏輯控制信號輸出第一輸出電流； 第二電流源，耦接所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳，所述第二電流源根據所述頻率信號、所述使能信號和所述邏輯控制信號輸出第二輸出電流； 其中，所述第一輸出電流或所述第二輸出電流作為充電電流，用於提供給所述開關電源控制器，其中所述充電電流與所述輸入電壓成正比。
2.如權利要求1所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述開關電源控制器包括計時器，所述兩種工作模式中的至少一個工作模式為恆定時間控制模式，所述充電電流源為所述計時器提供所述充電電流。
3.如權利要求2所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述邏輯控制信號決定所述開關電源控制器工作在強制連續電流模式或非連續電流模式。
4.如權利要求1所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，在所述使能信號使能時，如果所述多用途引腳耦接到所述輸入電壓，所述第二輸出電流為零，如果所述多用途引腳耦接到所述系統地 ，所述第一輸出電流為零。
5.如權利要求所述I的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述第一電流源和所述第二電流源包含: 偏置電壓設定電路，所述偏置電壓設定電路產生一個偏置電壓； 主電流鏡，具有位於對稱位置的第一端和第二端，所述第二端接收所述偏置電壓，所述第一端耦接到所述多用途引腳，其中，當所述主電流鏡工作時，所述偏置電壓被鏡像到所述第一端形成所述頻率信號，使所述第一端上產生一個與所述輸入電壓成正比的電流信號，所述電流信號被鏡像到所述第二端作為所述第一輸出電流或所述第二輸出電流； 開關組，包含多個開關，所述多個開關根據所述邏輯控制信號和所述使能信號控制所述偏置電壓設定電路和所述主電流鏡的開通和關閉。
6.如權利要求5所述的開關電源轉換電路，其特徵在於: 所述主電流鏡包含第一 NMOS管，第二 NMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第一直流電流源和第二直流電流源，其中所述第一 NMOS管和第二 NMOS管的源極耦接到系統地，所述第一直流電流源和所述第二直流電流源的一端耦接到電源電壓，所述第三NMOS管的源極耦接所述第二直流電流源的另一端，所述第四NMOS管的漏極耦接所述第一直流電流源的另一端，所述第三匪OS管和所述第四NMOS管的源極分別耦接所述第一 NMOS管和所述第二NMOS管的漏極，所述第一 NMOS管和第二 NMOS管的柵極連接在一起並耦接到所述第四NMOS管的漏極，所述第三NMOS管和第四NMOS管的柵極連接在一起並耦接到所述第三NMOS管的漏極，其中所述第一 NMOS管的漏極為所述主電流鏡的第一端，所述第二 NMOS管的漏極為所述主電流鏡的第二端；以及 所述偏置電壓設定電路包含第五NMOS管，第六NMOS管和第三直流電流源，其中所述第五NMOS管與所述第三直流電流源串聯耦接於所述電源電壓與所述系統地之間，所述第五NMOS管為二極體連接，所述第六NMOS管的柵極與所述第五NMOS管的柵極相連，所述第六NMOS管的源極與所述主電流鏡的第二端相連，所述第六NMOS管的漏極作為所述第一輸出電流或所述第二輸出電流的輸出端。
7.如權利要求6所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述開關組至少包含: 第一開關，耦接在所述第一直流電流源和所述第四NMOS管之間； 第二開關，耦接在所述第二直流電流源和所述第三NMOS管之間； 第三開關，耦接在所述第三直流電流源與所述第五NMOS管之間；以及 第四開關，耦接在所述多用途引腳與所述主電流鏡的第一端之間。
8.如權利要求7所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述第一開關，第二開關和第三開關為PMOS管，所述第四開關為NMOS管，所述第一至第四開關均具有柵極、源極和漏極，所述第一電流源還包含: 與門，具有兩個輸入端和輸出端，其中所述與門的兩個輸入端分別接受所述邏輯控制信號和所述使能信號，所述與門的輸出端耦接到所述第四開關的柵極；和 反相器，具有輸入端和輸出端，其中所述反相器的輸入端耦接到所述與門的輸出端，所述反相器的輸出端耦接到所述第一開關，第二開關和第三開關的柵極。
9.如權利要求6所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述第一電流源或所述第二電流源進一步包含一個副電流鏡，所述副電流鏡與所述第六NMOS管的漏極耦接，將所述第一輸出電流或第二輸出電流由灌電流轉換為拉電流。
10.如權利要求5所述的開關電源轉換電路，其特徵在於: 所述主電流鏡包含第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第四直流電流源和第五直流電流源，其中所述第一 PMOS管和所述第二 PMOS管的源極耦接到所述輸入電壓，所述第四直流電流源和所述第五直流電流源的一端耦接到所述系統地，所述第四PMOS管和所述第三PMOS管的漏極分別耦接到所述第四直流電流源和所述第五直流電流源的另一端，所述第四PMOS管和所述第三PMOS管的源極分別耦接到所述第一 PMOS管和所述第二 PMOS管的漏極，其中，所述第一 PMOS管的漏極為所述主電流鏡的第一端，所述第二PMOS管的漏極為所述主電流鏡的第二端；以及 所述偏置電壓設定電路包含第五PMOS管、第六PMOS管和第六直流電流源，其中所述第五PMOS管為二極體連接，源極耦接到所述電源電壓，所述第六直流電流源耦接在所述第五PMOS管的漏極和所述系統地之間，所述第六PMOS管的柵極與所述第五PMOS管的柵極相連，源極與所述主電流鏡的第二端相連，漏極作為所述第一輸出電流或所述第二輸出電流的輸出端。
11.如權利要求10所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述開關組至少包含: 第一開關，耦接在所述第四PMOS管和所述第四直流電流源之間； 第二開關，耦接在所述第三PMOS管和所述第五直流電流源之間； 第三開關，耦接在所述第五PMOS管和所述第六直流電流源之間；以及第四開關，所述第四開關的一端耦接到所述輸入電壓，另一端耦接到所述第一 PMOS管、第二 PMOS管和第五PMOS管的源極。
12.如權利要求11所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述第一開關，第二開關和第三開關為NMOS管，所述第四開關為PMOS管，所述第一至第四開關具有柵極、源極和漏極，其中: 所述第一電流源或所述第二電流源進一步包含: 第五開關，為NMOS管，具有柵極、源極和漏接，所述第五開關的漏極耦接到所述第四開關的棚極； 第七直流電流源，耦接在所述第五開關的源極和所述系統地之間； 關斷電阻，耦接在所述第四開關的柵極與所述輸入電壓之間； 反相器，具有輸入端和輸出端，所述反相器的輸入端接收所述邏輯控制信號；以及與門，具有兩個輸入端和一個輸出端，所述與門的兩個輸入端分別與所述反相器的輸入端和所述使能信號耦接，所述與門的輸出端耦接到所述第一開關、第二開關、第三開關和第五開關的柵極。
13.如權利要求1所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，在所述使能信號使能時，當所述多用途引腳耦接到輸入電壓，所述邏輯控制信號為高電平，當所述多用引腳耦接到系統地，所述邏輯控制信號為低電平。
14.如權利要求13所述的開關電源轉換電路，其特徵在於，所述邏輯控制電路包含: 開關，具有第一端，第二端和控制端，所述第一端耦接到所述多用途引腳； 第一反相器，具有輸入端和輸出端，所述輸入端耦接到所述開關的第二端； 第二反相器，具有輸入端和輸出端，所述輸入端耦接到所述第一反相器的輸出端； 電容，耦接於所述第一反相器的輸出端和所述系統地之間； 第三反相器，具有輸入端和輸出端，所述輸入端接收所述使能信號； 延遲模塊，具有輸入端和輸出端，所述輸入端接收所述使能信號； D觸發器，具有D端、時鐘端、復位端和Q輸出端，所述D端耦接到所述第二反相器的輸出端，所述時鐘端耦接到所述延遲模塊的輸出端，所述復位端接收所述使能信號，所述Q輸出端耦接到所述開關的控制端，並輸出所述邏輯控制信號；以及 與門，具有兩個輸入端和一個輸出端，所述與門的兩個輸入端分別與所述D觸發器的Q輸出端和所述第三反相器的輸出端耦接，所述與門的輸出端與所述開關的控制端耦接。
15.一種充電電流源，其特徵在於，所述充電電流源包含: 多用途引腳，通過一第一電阻，耦接到輸入電壓或系統地，所述多用途引腳上產生一個頻率信號，其中所述頻率信號的初始值根據所述輸入電壓或系統地產生； 邏輯判斷電路，與所述多用途引腳耦接，所述邏輯判斷電路根據所述頻率信號的初始值和一個使能信號，輸出一個邏輯控制信號，所述邏輯控制信號耦接輸出到一控制電路，用於在所述控制電路的兩種工作模式中選擇其一； 第一電流源，耦接所述邏輯判斷電路和所述多用途引腳，所述第一電流源根據所述頻率信號、所述使能信號和所述邏輯控制信號輸出第一輸出電流； 第二電流源，耦接所 述邏輯判斷電路和所述多用途引腳，所述第二電流源根據所述頻率信號、所述使能信號和所述邏輯控制信號輸出第二輸出電流；其中，所述第一輸出電流或第二輸出電流作為充電電流，所述充電電流與所述輸入電壓成正比。
16.—種開關電源的控制方法,其特徵在於,所述控制方法包含: 根據一輸入電壓或系統地產生一個頻率信號的初始值； 根據所述頻率信號的初始值和一個使能信號產生一個邏輯控制信號，用於指示一開關電源控制器的工作模式； 根據所述邏輯控制信號、所述使能信號和所述頻率信號，產生一第一輸出電流； 根據所述邏輯控制信號、所述使能信號和所述頻率信號，產生一第二輸出電流；和 將所述第一輸出電流和所述第二輸出電流疊加得到一充電電流，所述充電電流與所述輸入電壓成正比。
17.如權利要求16所述的開關電源的控制方法，其特徵在於，所述控制方法進一步包含:使用恆定時間控制模式產生一個開關電源控制信號，其中所述恆定時間依據所述的充電電流來產生。
18.如權利要求16所述的開關電源的控制方法，其特徵在於: 在所述使能信號使能時，如果所述頻率信號的初始值根據所述輸入電壓產生，所述第一輸出電流和所述輸入電壓成正比，所述第二輸出電流為零； 如果所述頻率信號的初始值根據所述系統地產生，所述第一輸出電流為零，所述第二輸出電流和輸入電壓成正比。
19.如權利要求16所述的開關電源的控制方法，其特徵在於，所述邏輯控制信號指示開關電源變換電路工作於強制連續電流模式或非連續電流模式。
20.如權利要求16所述的開關電源的控制方法，其特徵在於，在使能信號使能時，如果所述頻率信號初始值根據所述輸入電壓產生，則所述邏輯控制信號為高電平，如果所述頻率信號初始值根據所述系統地產生，則所述邏輯控制信號為低電平。
全文摘要
本發明提供了一種開關電源轉換電路、充電電流源及其控制方法。該電路由開關電源轉換器，開關電源控制器和一個充電電流源組成。所述充電電流源包含邏輯控制電路，第一電流源和第二電流源，輸出一個與開關電源轉換電路的輸入電壓成正比的充電電流，並輸出一個指示開關電路控制器工作模式的邏輯控制信號。
文檔編號H02M1/08GK103248208SQ20131020634
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月29日 優先權日2013年5月29日
發明者李磊 申請人:成都芯源系統有限公司