具有负电流检测机制的电源转换器的制作方法

1.本发明涉及一种电源转换器，特别是涉及一种具有负电流检测机制的电源转换器。


背景技术：

2.对于电子装置而言，电压转换器为不可缺少的装置，用以转换电压，并供应转换后的电压给电子装置。电压转换器的传统检测电路是检测下桥开关的电流，并基于检测的电流与下桥开关的导通电阻值，以计算电压值，电压转换器的控制电路依据计算出的电压值，以控制驱动电路切换电压转换器的上桥开关和下桥开关。然而，当电压转换器原有的下桥开关更换为其他具有不同导通电阻值的下桥开关时，需重新取得更换后的下桥开关的导通电阻值，才能适当地切换上桥开关和下桥开关。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种具有负电流检测机制的电源转换器，包含上桥开关、下桥开关、电感、输出电容、第一电阻、第一电容、感测电阻以及负电流检测电路。上桥开关的第一端连接输入电压，上桥开关的控制端连接一触发电路。下桥开关的第一端连接上桥开关的第二端。下桥开关的第二端接地。下桥开关的控制端连接触发电路。电感的第一端连接上桥开关的第二端以及下桥开关的第一端之间的节点。输出电容的第一端连接电感的第二端。输出电容的第二端接地。第一电阻的第一端连接电感的第一端。第一电容的第一端连接第一电阻的第二端。第一电容的第二端连接电感的第二端。感测电阻的第一端连接电感的第二端。负电流检测电路包含第一运算放大器、第一晶体管以及第二晶体管。第一运算放大器的非反相输入端连接感测电阻的第二端。第一运算放大器的反相输入端连接第一电容的第一端。第一晶体管的控制端连接第一运算放大器的输出端，第一晶体管的第一端连接第一运算放大器的非反相输入端，第一晶体管的第二端接地。第二晶体管的控制端连接第一运算放大器的输出端。第二晶体管的第一端耦接共享电压并连接第一运算放大器的非反相输入端以及第一晶体管的第一端。第二晶体管的第二端接地。
4.在一实施例中，负电流检测电路还包含第一电流镜电路。第一电流镜电路的输入端连接第二晶体管的第一端。第一电流镜电路的输出端为所述具有负电流检测机制的电源转换器的第一输出端。
5.在一实施例中，第一电流镜电路包含第三晶体管以及第四晶体管。第三晶体管的第一端以及第四晶体管的第一端耦接共享电压。第三晶体管的第二端连接第二晶体管的第一端、第三晶体管的控制端以及第四晶体管的控制端。第四晶体管的第二端为所述具有负电流检测机制的电源转换器的第一输出端。
6.在一实施例中，所述具有负电流检测机制的电源转换器还包含钳位电路。钳位电路连接第一运算放大器的非反相输入端、第一晶体管的第一端、第二晶体管的第一端以及
第三晶体管的第二端。
7.在一实施例中，钳位电路包含一运算放大器以及一晶体管。晶体管的第一端连接第三晶体管的第二端。运算放大器的非反相输入端连接第一晶体管的第一端以及第一运算放大器的非反相输入端。运算放大器的反相输入端连接第二晶体管的第一端以及晶体管的第二端。运算放大器的输出端连接晶体管的控制端。
8.在一实施例中，所述具有负电流检测机制的电源转换器还包含负电流限制电路。负电流限制电路包含负电流判断电路。负电流判断电路连接第四晶体管的第二端以及触发电路的输入端。负电流判断电路配置以依据第四晶体管的第二端的电流，输出电流限制信号至触发电路，以控制触发电路开启或关闭上桥开关以及下桥开关。
9.在一实施例中，负电流限制电路还包含第二运算放大器。第二运算放大器的非反相输入端连接第四晶体管的第二端。第二运算放大器的反相输入端耦接参考电压。第二运算放大器的输出端连接负电流判断电路的输入端。
10.在一实施例中，负电流限制电路还包含电阻。电阻的第一端连接第二运算放大器的非反相输入端。电阻的第二端接地。
11.在一实施例中，所述具有负电流检测机制的电源转换器还包含正电流检测电路。正电流检测电路包含第三运算放大器以及第五晶体管。第三运算放大器的非反相输入端连接第一电容的第一端。第三运算放大器的反相输入端连接感测电阻的第二端。第三运算放大器的输出端连接第五晶体管的控制端。第五晶体管的第一端耦接共享电压。第五晶体管的第二端连接三运算放大器的反相输入端。
12.在一实施例中，正电流检测电路还包含第二电流镜电路。第二电流镜电路的输入端连接第五晶体管的第一端。第二电流镜电路的输出端为所述具有负电流检测机制的第二输出端。
13.在一实施例中，第二电流镜电路包含第六晶体管以及第七晶体管。第六晶体管的第一端以及第七晶体管的第一端耦接共享电压。第六晶体管的第二端连接第五晶体管的第一端、第六晶体管的控制端以及第七晶体管的控制端。第七晶体管的第二端为所述具有负电流检测机制的电源转换器的第二输出端。
14.如上所述，本发明提供一种具有负电流检测机制的电源转换器，其设有负电流检测电路，在未增加额外的引脚、未取得下桥开关的导通电阻值的情况下，也就是下桥开关任意更换后，仍可实时检测电感的负电流，特别是在电源转换器输出低电压时。当电感的负电流到达电流阀值时，负电流限制电路可指示触发电路实时适当地切换上桥开关以及下桥开关，以限制电感的负电流保持不大于电流阀值。
15.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
16.图1为本发明第一实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
17.图2为本发明第二实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的负电流检测电路的电路布局图。
18.图3为本发明第三实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
19.图4为本发明第四实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
20.图5为本发明第五实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
21.图6为本发明第五实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路的信号的波形图。
具体实施方式
22.以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
23.[第一实施例]
[0024]
请参阅图1，其为本发明第一实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
[0025]
本实施例的电源转换器可包含上桥开关ug、下桥开关lg、电感l、输出电容cout、第一电阻r1、第一电容c1、感测电阻rsen以及负电流检测电路ncs。
[0026]
上桥开关ug的第一端可连接输入电压vin。上桥开关ug的第二端可连接下桥开关lg的第一端。下桥开关lg的第二端接地。
[0027]
上桥开关ug的控制端及下桥开关lg的控制端可连接触发电路或可直接耦接参考电位。举例而言，触发电路可包含反相器n1、控制电路以及驱动电路，但本发明不以此为限。控制电路的输出端可连接驱动电路的输入端。驱动电路的输出端可连接反相器n1的输入端以及上桥开关ug的控制端。反相器n1的输出端可连接下桥开关lg的控制端。控制电路可输出控制信号至驱动电路。驱动电路可依据控制信号输出上桥导通信号ton至上桥开关ug以控制上桥开关ug，并可输出上桥导通信号ton至反相器n1以通过反相后形成一反相信号输出至下桥开关lg以控制下桥开关lg。
[0028]
电感l可具有阻值dcr。电感l的第一端可连接上桥开关ug的第二端以及下桥开关lg的第一端之间的节点。电感l的第二端可连接输出电容cout的第一端。输出电容cout的第二端接地。
[0029]
第一电阻r1的第一端可连接电感l的第一端。第一电阻r1的第二端可连接第一电容c1的第一端。第一电容c1的第二端可连接电感l的第二端。感测电阻rsen的第一端可连接电感l的第二端以及输出电容cout的第一端之间的节点。
[0030]
值得注意的是，负电流检测电路ncs可包含第一运算放大器p1、第一晶体管m1以及第二晶体管m2。
[0031]
第一运算放大器p1的非反相输入端可连接感测电阻rsen的第二端。第一运算放大器p1的反相输入端可连接第一电容c1的第一端以及第一电阻r1的第二端之间的节点。若有需要，第一运算放大器p1的另一输入端可接收偏压电流ofs，以防止电感l的电流为零值时，由于第一运算放大器p1的偏压，导致第一晶体管m1(以及如图4、图5所示的第五晶体管m5)
导通，形成漏电路径。
[0032]
第一晶体管m1的控制端可连接第一运算放大器p1的输出端。第一晶体管m1的第一端可连接第一运算放大器p1的非反相输入端。第一晶体管m1的第二端可接地。
[0033]
第二晶体管m2的控制端可连接第一运算放大器p1的输出端。第二晶体管m2的第一端可耦接共享电压(未示出)，并可连接第一运算放大器p1的非反相输入端以及第一晶体管m1的第一端。第二晶体管m2的第二端可接地。第二晶体管m2的第一端的电流可作为本实施例的电源转换器的负电流检测电路ncs所检测的电流。
[0034]
若有需要，本实施例的电源转换器可还包含第一电流镜电路mr1。第一电流镜电路mr1的电路组件及其配置可如本实施例举例，但本发明不以此为限。第一电流镜电路mr1的输入端可连接第二晶体管m2的第一端。第一电流镜电路mr1的输出端可为电源转换器的第一输出端。第一电流镜电路mr1的输出端的输出电流可为电源转换器的负电流检测电路ncs所检测的电流。
[0035]
详言之，第一电流镜电路mr1可包含第三晶体管m3以及第四晶体管m4。第三晶体管m3的第一端以及第四晶体管m4的第一端可耦接共享电压(未示出)。第三晶体管m3的第二端可连接第二晶体管m2的第一端、第三晶体管m3的控制端以及第四晶体管m4的控制端。
[0036]
第四晶体管m4的第二端可为电源转换器的第一输出端。第四晶体管m4的第二端的电流可为电源转换器的负电流检测电路ncs所检测的电流。
[0037]
第一电流镜电路mr1的输入端(即第三晶体管m3的第二端)的输入电流与第一电流镜电路mr1的输出端(即第四晶体管m4的第二端)的输出电流的比例可为1：k，其中k为比例系数，可为任意适当的数值。
[0038]
第一运算放大器p1配置以将第一运算放大器p1的非反相输入端的电压csn，与第一运算放大器p1的反相输入端的电压csp的差值乘以一增益值，以输出第一运算放大信号至第一晶体管m1的控制端以及第二晶体管m2的控制端。
[0039]
电压csp与电压csn的差值是与电感l的负电流iln正相关的电压值。因此，当负电流iln流经电感l时，负电流isn流经感测电阻rsen，电源转换器的负电流检测电路ncs检测出的电流为k倍的负电流iln，其中k值大小取决于第一电流镜电路mr1的比例。应理解，当第一电流镜电路mr1的比例系数k为1时，负电流检测电路ncs检测出的电流等于电感l的负电流iln。
[0040]
若有需要，本实施例的电源转换器可包含钳位电路cla。钳位电路cla可连接第一运算放大器p1的非反相输入端以及第一晶体管m1的第一端，并可连接在第二晶体管m2的第一端以及第三晶体管m3的第二端之间。
[0041]
钳位电路cla可配置以钳位第一晶体管m1的第一端以及第二晶体管m2的第一端至相同的一目标电压，使得负电流检测电路ncs检测出的电流可确实为k倍的负电流iln。
[0042]
[第二实施例]
[0043]
请参阅图2，其为本发明第二实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的负电流检测电路的电路布局图。与第一实施例相同之处，不在此赘述。
[0044]
举例而言，电源转换器的负电流检测电路ncs的钳位电路cla可包含运算放大器pa以及晶体管ma，但本发明不以此为限。
[0045]
晶体管ma的第一端可连接第三晶体管m3的第二端(即第一电流镜电路mr1的输入
端)。晶体管ma的第二端可连接第二晶体管m2的第一端。
[0046]
运算放大器pa的非反相输入端可连接第一晶体管m1的第一端以及第一运算放大器p1的非反相输入端。运算放大器pa的反相输入端可连接第二晶体管m2的第一端以及晶体管ma的第二端之间的节点。运算放大器pa的输出端可连接晶体管ma的控制端。
[0047]
[第三实施例]
[0048]
请参阅图3，其为本发明第三实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。与第一实施例相同之处，不在此赘述。
[0049]
在本实施例中，电源转换器可还包含负电流限制电路ncls。
[0050]
负电流限制电路ncls可包含负电流判断电路neu。负电流判断电路neu可直接连接第四晶体管m4的第二端以及触发电路所包含的控制电路的输入端。负电流判断电路neu可依据第四晶体管m4的第二端的电流大小，以输出电流限制信号至触发电路，以控制触发电路所包含的控制电路控制驱动电路开启或关闭上桥开关ug以及下桥开关lg。
[0051]
若有需要，负电流限制电路ncls可还包含第二运算放大器p2。第二运算放大器p2的非反相输入端可连接第四晶体管m4的第二端。第二运算放大器p2的反相输入端可耦接参考电压octh。第二运算放大器p2的输出端可连接负电流判断电路neu的输入端。
[0052]
第二运算放大器p2配置以将第四晶体管m4的第二端的电压vsen与参考电压octh的差值乘上一增益值，以输出第二运算放大信号。负电流判断电路neu可依据第二运算放大信号，以输出电流限制信号至触发电路，以控制触发电路所包含的控制电路控制驱动电路开启或关闭上桥开关ug以及下桥开关lg。
[0053]
若有需要，负电流限制电路ncls可还包含电阻rncl。电阻rncl的第一端可连接第二运算放大器p2的非反相输入端。电阻rncl的第二端可接地。
[0054]
[第四实施例]
[0055]
请参阅图4，其为本发明第四实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图。
[0056]
本实施例的电源转换器可包含负电流检测电路ncs以及正电流检测电路pcs两者，但本发明不以此为限。实际操作上，可依据实际需求，在电源转换器中仅设置负电流检测电路ncs用于检测电感l的负电流iln，或是仅设置正电流检测电路pcs用于检测电感l的正电流ilp。
[0057]
本实施例的负电流检测电路ncs可与第一或第二实施例的负电流检测电路ncs相同，在此不赘述，以下针对正电流检测电路pcs进行描述。
[0058]
正电流检测电路pcs可包含第三运算放大器p3以及第五晶体管m5。
[0059]
第三运算放大器p3的非反相输入端可连接第一电容c1的第一端以及第一电阻r1的第二端之间的节点。第三运算放大器p3的反相输入端连接感测电阻rsen的第二端。第三运算放大器p3的输出端可连接第五晶体管m5的控制端。第五晶体管m5的第一端可耦接共享电压(未示出)。第五晶体管m5的第二端连接第三运算放大器p3的反相输入端。流经第五晶体管m5的第一端的电流isen可为电源转换器的正电流检测电路pcs所检测的电流。
[0060]
若有需要，正电流检测电路pcs可还包含第二电流镜电路mr2。第二电流镜电路mr2的输入端可连接第五晶体管m5的第一端。第二电流镜电路mr2的输出端可作为电源转换器的第二输出端。第二电流镜电路mr2的输出端的输出电流可为电源转换器的正电流检测电
路pcs所检测的电流。
[0061]
详言之，第二电流镜电路mr2可包含第六晶体管m6以及第七晶体管m7。第六晶体管m6的第一端以及第七晶体管m7的第一端可耦接共享电压(未示出)。第六晶体管m6的第二端可连接第五晶体管m5的第一端、第六晶体管m6的控制端以及第七晶体管m7的控制端。第七晶体管m7的第二端可为电源转换器的第二输出端。第七晶体管m7的输出端的输出电流可为电源转换器的正电流检测电路pcs所检测的电流。
[0062]
第二电流镜电路mr2的输入端(即第六晶体管m6的第二端)的输入电流与第二电流镜电路mr2的输出端(即第七晶体管m7的第二端)的输出电流的比例可为1：k，其中k为比例系数，可为任意适当的数值。
[0063]
电压csp与电压csn的差值是与电感l的正电流ilp相关的电压值。因此，当正电流ilp流经电感l时，正电流isp流经感测电阻rsen，正电流检测电路pcs检测出的电流为k倍的正电流ilp，其中k值大小取决于第二电流镜电路mr2的比例。应理解，当第二电流镜电路mr2的比例系数k为1时，正电流检测电路pcs检测出的电流等于电感l的正电流ilp。
[0064]
[第五实施例]
[0065]
请参阅图5和图6，其中图5为本发明第五实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路布局图；图6为本发明第五实施例的具有负电流检测机制的电源转换器的电路的信号的波形图。
[0066]
如图5所示，本实施例的电源转换器可包含上桥开关ug、下桥开关lg、电感l、输出电容cout、第一电阻r1、第一电容c1、感测电阻rsen、正电流检测电路pcs、负电流检测电路ncs以及负电流限制电路ncls，这些电路组件的配置与前述相同，不在此赘述。
[0067]
值得注意的是，当电源转换器的输出电压vout过小时，会因第二电流镜电路mr2的余度电压，使得正电流检测电路pcs无法用于检测小于零值的电流，因此本发明各实施例改进正电流检测电路pcs的电路配置，以形成负电流限制电路ncls，适用于检测电感l的负电流iln。
[0068]
当电源转换器的输出端的输出电压vout缓降时，负电流判断电路neu依据从外部电路接收到的频率脉宽调制信号fpwms，指示触发电路开启下桥开关lg，以对输出电压vout放电，此时电感l的电流il为负值，电流iln由电源转换器的输出端往下桥开关lg流动，最后流到地。
[0069]
当电感l的电流il下降至电流阀值时，第二运算放大器p2的第一输入端例如非反相输入端的电压vsen到达参考电压octh。此时，负电流判断电路neu可依据第二运算放大器p2所输出的高电平的第二运算放大信号，以输出下桥关闭指示信号nclpl。触发电路依据下桥关闭指示信号nclpl，以输出上桥导通信号ton至上桥开关ug，以开启上桥开关ug，并输出上桥导通信号ton至反相器n1，上桥导通信号ton通过反相后形成一反相信号至下桥开关lg以关闭下桥开关lg。
[0070]
在上桥导通信号ton的导通时间结束后，再开启下桥开关lg，并关闭上桥开关ug。通过轮流切换上桥开关ug以及下桥开关lg仅导通一段时间，以限制电感l的电流il不下降至低于电流阀值，以防止电源转换器的下桥开关lg烧毁。如图6所示的开关切换信号cts为高电平代表切换上桥开关ug以及下桥开关lg。
[0071]
综上所述，本发明提供一种具有负电流检测机制的电源转换器，其设有负电流检
测电路，在未增加额外的引脚、未取得(更换后的)下桥开关的导通电阻值的情况下，也就是下桥开关任意更换后，仍可实时检测电感的负电流，特别是在电源转换器输出低电压时。当电感的负电流到达电流阀值时，负电流限制电路可指示触发电路实时适当地切换上桥开关以及下桥开关，以限制电感的负电流保持不大于电流阀值。
[0072]
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书内。