本发明公开了一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，涉及模拟集成电路领域，包括信号输入检测电路、信号幅值比较电路、升压判断时序控制电路、限流时序控制电路、升压档位选择电路和升压主体电路。本发明通过检测输入信号包络的幅度，实时动态调整升压值，选择内部设定的多段电压值中最适合的电压输出，提高了系统工作效率；此外，在DCDC升压芯片输出电压值动态切换过程中，增加了内置自动限流保护功能，当检测到系统要求输出比当前值要高的电压值时，自动限流过程介入，克服了输出电压切换时产生大浪涌电流的风险。
1.一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，其特征在于，包括信号输入检测电路、信号幅值比较电路、升压判断时序控制电路、限流时序控制电路、升压档位选择电路和升压主体电路；
所述信号输入检测电路包括第一运算放大器、电阻R1、R2；所述电阻R1一端接输入信号，另一端接所述第一运算放大器负端；所述电阻R2一端接所述第一运算放大器负端，另一端接所述第一运算放大器输出端；所述第一运算放大器的正端输入接共模电平VCOM，负端接所述电阻R1和所述电阻R2的连接点；
所述信号幅值比较电路包括第二运算放大器、电阻R3、R4、R5和三个比较器；所述第二运算放大器的正端输入接所述共模电平VCOM，负端与输出端相连，一个基准电流流过依次首尾串联的所述电阻R3、R4、R5后，流入所述第二运算放大器的输出端，产生三个输出参考电压Vref1、Vref2和Vref3；所述三个比较器的正端输入都接所述信号输入检测电路输出电压Vdet，负端分别接所述输出参考电压Vref1、Vref2和Vref3，产生三个输出信号COUT_1、COUT_2和COUT_3；
所述升压判断时序控制电路包含：信号上升沿检测电路301、303、305，信号下降沿
100mS延时检测电路302、304、306，RS触发器Q3、Q2、Q1，和信号编码器；所述信号上升沿检测电路301、303、305输入分别接所述信号幅值比较电路的输出信号COUT_3、COUT_2、COUT_1；
所述信号下降沿100mS延时检测电路302，304，306输入分别接所述信号幅值比较电路的输出信号COUT_3、COUT_2、COUT_1；所述信号上升沿检测电路301输出端接所述RS触发器Q3的S端；所述信号上升沿检测电路303输出端接所述RS触发器Q2的S端；所述信号上升沿检测电路305输出端接所述RS触发器Q1的S端；所述信号下降沿100mS延时检测电路302输出端接所述RS触发器Q3的R端；所述信号下降沿100mS延时检测电路304输出端接所述RS触发器Q2的R端；所述信号下降沿100mS延时检测电路306输出端接所述RS触发器Q1的R端；所述RS触发器Q3、Q2、Q1的输出接所述信号编码器的输入，所述信号编码器的输出信号为2bit控制码Vsel<1:0>；
所述限流时序控制电路包括2bit数字检测电路和延时电路，所述2bit数字检测电路的输入信号为所述升压判断时序控制电路的输出信号，所述2bit数字检测电路的输出信号与所述延时电路的输入相连；
所述升压档位选择电路包括电阻R6、R7、R8、R9和4选1电压选择输出部件，一个基准电流流过首尾相连的所述电阻R6、R7、R8、R9，最后流到地，分压产生4个参考电平V4、V3、V2、V1，所述4选1电压选择输出部件输入控制信号接所述升压判断时序控制电路的输出，输入基准信号接4个所述参考电平V4、V3、V2、V1；
所述升压主体电路包括一个误差放大器、两个电压比较器、一个双输入或非门、一个PWM产生电路、两个PWM信号驱动器、一个低端开关管、一个高端整流管、电阻R10、R11、Risense、电感和低端管电流限制模块；
所述低端管电流限制模块的输入接所述限流时序控制电路的输出，通过2bit控制信号Ilim_ctl<1:0>控制基准电流大小，产生限流控制信号Climit；
所述误差放大器的正端输入接升压档位选择电路的输出信号Vboot_ref信号；
所述电压比较器其中的一个的负输入端接所述误差放大器的输出误差比较结果，正输入端接所述电阻Risense的正端；另一个电压比较器的负输入端接所述低端管电流限制模块的限流控制信号Climit，正输入端接所述电阻Risense的正端；
所述双输入或非门的输入分别接所述两个电压比较器的输出；
所述PWM产生电路的输入接所述双输入或非门的输出与系统时钟，输出为频率固定、占空比自动调节的PWM方波；
所述两个PWM信号驱动器的输入分别接所述PWM产生电路的输出，输出分别用于驱动所述低端开关管和所述高端整流管的栅极；
所述低端开关管的源端通过所述电阻Risense接地，漏端通过所述电感接电源VCC；
所述高端整流管的源端与所述低端开关管的漏端连接在一起，通过所述电感接电源VCC，漏端为系统输出电压VOUT，所述电阻Risense串接所述低端开关管源端与地之间；
所述电阻R10、R11串联在所述系统输出电压VOUT与地之间，电阻中间抽头信号FB为电压反馈信号，输入到所述误差放大器的负端。
2.如权利要求1所述的自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，其特征在于，所述电阻R1设计为可调。
3.如权利要求1所述的自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，其特征在于，所述Boost升压芯片的动态调整多段升压包含但不仅限于4段升压，可以通过增加电路做到需要的任意段数。
4.如权利要求1所述的自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，其特征在于，所述Boost升压芯片的自动限流保护功能包含但不限于3段限流值，可以通过增加电路做到需要的任意段数。
一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片
技术领域
[0001] 本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片。
背景技术
[0002] 近年来，便携式设备应用越来越广泛，这些设备大部分采用锂电池供电，单节锂电池最高电压在4.2V，大部分的便携设备为了满足系统供电的需求，内部都会用到一个DCDC升压芯片来抬升系统供电电压。现有方案多是DCDC升压芯片输出一个固定的电压，这个电压值的要求是：能满足系统内驱动电路输出要求的最大信号幅度。然而在大部分工作条件下，系统驱动电路的输出信号幅度是很小的，DCDC升压芯片输出电压值一直在高电压的情况会导致系统效率很低，不符合绿色节能环保的趋势，而且便携式设备的续航时间也会降低。
[0003] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，克服当前便携式设备上，使用DCDC升压芯片为驱动电路供电方式的低效率问题。通过检测输入信号包络的幅度，实时动态调整升压值，选择内部设定的多段电压值中最适合的电压输出，提高了系统工作效率；此外，在DCDC升压芯片输出电压值动态切换过程中，增加了内置自动限流保护功能，当检测到系统要求输出比当前值要高的电压值时，自动限流过程介入，克服了输出电压切换时产生大浪涌电流的风险。
发明内容
[0004] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是克服当前便携式设备上，使用DCDC升压芯片为驱动电路供电方式的低效率问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种自适应多段升压、带自动限流保护功能的Boost升压芯片，包括信号输入检测电路、信号幅值比较电路、升压判断时序控制电路、限流时序控制电路、升压档位选择电路和升压主体电路。
[0006] 进一步地，所述信号输入检测电路包括运算放大器、电阻R1、R2；所述电阻R1一端接输入信号，另一端接所述运算放大器负端；所述电阻R2一端接所述运算放大器负端，另一端接所述运算放大器输出端；所述运算放大器的正端输入接共模电平VCOM，负端接所述电阻R1和所述电阻R2的连接点。
[0007] 进一步地，所述信号幅值比较电路包括运算放大器、电阻R3、R4、R5和三个比较器；所述运算放大器的正端输入接所述共模电平VCOM，负端与输出端相连，一个基准电流流过依次首尾串联的所述电阻R3、R4、R5后，流入所述运算放大器的输出端，产生三个输出参考电压Vref1、Vref2和Vref3；所述比较器的正端输入都接所述信号输入检测电路输出电压Vdet，负端分别接所述输出参考电压Vref1、Vref2和Vref3，产生三个输出信号COUT_1、COUT_2和COUT_3。
[0008] 进一步地，所述升压判断时序控制电路包括三个信号上升沿检测电路、三个信号下降沿100mS延时检测电路、三个RS触发器和一个信号编码器；所述信号上升沿检测电路和信号下降沿100mS延时检测电路输入分别接所述信号幅值比较电路的输出信号COUT_1、COUT_2和COUT_3；所述三个信号上升沿检测电路的输出端分别接三个RS触发器的R端，所述三个信号下降沿100mS延时检测电路的输出端分别接三个RS触发器的S端，所述三个RS触发器的输出接所述信号编码器的输入，所述信号编码器的输出信号为2bit控制码Vsel<1:0>。
[0009] 进一步地，所述限流时序控制电路包括2bit数字检测电路和延时电路，所述2bit数字检测电路的输入信号为所述升压判断时序控制电路的输出信号，所述2bit数字检测电路的输出信号与所述延时电路的输入相连。
[0010] 进一步地，所述升压档位选择电路包括电阻R6、R7、R8、R9和4选1电压选择输出部件，一个基准电流流过首尾相连的所述电阻R6、R7、R8、R9，最后流到地，分压产生4个参考电平V4、V3、V2、V1，所述4选1电压选择输出部件输入控制信号接所述升压判断时序控制电路的输出，输入基准信号接4个所述参考电平V4、V3、V2、V1。
[0011] 进一步地，所述升压主体电路包括一个误差放大器、两个电压比较器、一个双输入或非门、一个PWM产生电路、两个PWM信号驱动器、一个低端开关管、一个高端整流管、电阻R10、R11、Risense、电感和低端管电流限制模块；
[0012] 所述低端管电流限制模块的输入接所述限流时序控制电路的输出，通过所述2bit控制信号Ilim_ctl<1:0>控制基准电流大小，产生限流控制信号Climit；
[0013] 所述误差放大器的正端输入接升压档位选择电路的输出信号Vboot_ref信号；
[0014] 所述电压比较器其中的一个的负输入端接所述误差放大器的输出误差比较结果，正输入端接所述电阻Risense的正端；另一个电压比较器的负输入端接所述低端管电流限制模块的限流控制信号Climit，正输入端接所述电阻Risense的正端；
[0015] 所述双输入或非门的输入分别接所述两个电压比较器的输出；
[0016] 所述PWM产生电路的输入接所述双输入或非门的输出与系统时钟，输出为频率固定、占空比自动调节的PWM方波；
[0017] 所述两个PWM信号驱动器的输入分别接所述PWM产生电路的输出，输出分别用于驱动所述低端开关管和所述高端整流管的栅极；
[0018] 所述低端开关管的源端通过所述电阻Risense接地，漏端通过所述电感接电源VCC；
[0019] 所述高端整流管的源端与所述低端开关管的漏端连接在一起，通过所述电感接电源VCC，漏端为系统输出电压VOUT，所述Risense电阻串接所述低端开关管源端与地之间；
[0020] 所述电阻R10、R11串联在所述系统输出电压VOUT与地之间，电阻中间抽头信号FB为所述电压反馈信号，输入到所述误差放大器的负端。
[0021] 进一步地，所述电阻R1设计为可调。
[0022] 进一步地，所述Boost升压芯片的动态调整多段升压包含但不仅限于4段升压，可以通过增加电路做到需要的任意段数。
[0023] 进一步地，所述Boost升压芯片的自动限流保护功能包含但不限于3段限流值，可以通过增加电路做到需要的任意段数。
[0024] 本发明提出了一种自动检测输入信号幅度、动态调整多段升压、带自动限流保护的DCDC升压芯片，根据输入信号动态调整多段升压的技术，极大地改善了目前采用DCDC升压芯片为信号放大器供电方案中的低效率问题。根据实验结果，在相同条件下可以至少延长20～30％的工作时间；本发明提出的自动限流保护功能，解决了动态调整升压过程中，输出电压切换瞬间可能导致的浪涌和高EMI问题。
附图说明
[0025] 图1是本发明的一个较佳实施例的DCDC升压芯片和外部信号放大器及其负载电路框图；
[0026] 图2是本发明的一个较佳实施例的信号输入检测电路框图；
[0027] 图3是本发明的一个较佳实施例的信号幅值比较电路框图；
[0028] 图4是本发明的一个较佳实施例的升压判断时序控制电路框图；
[0029] 图5是本发明的一个较佳实施例的限流时序控制电路框图；
[0030] 图6是本发明的一个较佳实施例的升压档位选择电路框图；
[0031] 图7是本发明的一个较佳实施例的升压主体电路框图；
[0032] 其中，01-实时监测放大器输入信号包络、动态调整多段升压、带自动限流功能的DCDC升压芯片电路，02-外部信号放大器及其负载电路，11-信号输入检测电路，101-可调电阻R1，102-电阻R2，103-运算放大器，12-信号幅值比较电路，201-运算放大器，202-比较电平产生模块，203-电压比较器、204-电压比较器、205-电压比较器、31-升压判断时序控制电路，301-信号上升沿检测电路，303-信号上升沿检测电路，305-信号上升沿检测电路，302-信号下降沿100mS延时检测电路，304-信号下降沿100mS延时检测电路，306-信号下降沿100mS延时检测电路，307-RS触发器，308-RS触发器，309-RS触发器，310-信号编码器，41-限时时序控制电路，401-2bit数字检测电路，402-延时电路，15-升压档位选择电路，501-一个基准电流流过4个首尾相连的电阻串，502-4选1电压选择输出部件，16-升压主体电路，601-误差放大器，602-电压比较器，603-电压比较器，604-双输入或非门，605-PWM产生电路，
606-PWM信号驱动器，607-PWM信号驱动器，608-低端开关管，609-高端整流管，610-电阻R10，611-电阻R11，612-低端管电流限制模块。
具体实施方式
[0033] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0034] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0035] 图1所示01是一种实时监测放大器输入信号包络、动态调整多段升压、带自动限流功能的DCDC升压芯片框图。图1所示02模块是外部信号放大器及其负载。图1所示的01模块检测输入到所示的02模块中信号放大器的输入信号幅度，动态调整输出理想的电压信号VOUT，然后给02模块中的信号放大器供电。整个芯片架构包含6个小模块。
[0036] 11为信号输入检测电路，如图2所示。本电路的作用为检测输入到02模块中信号放大器的输入信号幅度。图中101部件R1为可调阻值的输入电阻，102部件R2为固定阻值的反馈电阻。图中103部件为运算放大器。电阻R1一头接输入信号，另外一头接103运算放大器负端。电阻R2一头接运算放大器负端，另一头接103运算放大器输出端Vdet。运算放大器103正端输入接VCOM共模电平，负端接电阻R1，R2的连接点。信号输入检测电路11为了能匹配不同02模块中信号放大器的增益，输入电阻R1阻值设计为可调。输出相对输入的电压增益Vdet/Vin＝-R2/R1，输出信号共模电平为VCOM。
[0037] 12为信号幅值检测电路，如图3所示。本电路作用为：信号输入检测电路11的输出信号Vdet与本模块内部预设的三个比较电平：Vref3、Vref2、Vref1作比较，得到三个比较结果：COUT_3、COUT_2、COUT1。图中201部件为一个运算放大器，正端接VCOM，该电压与信号输入检测电路11中103部件所接VCOM电压一致。201运算放大器负端与输出端相连，该运算放大器作为电压缓冲器使用，输出电压为VCOM。图中202部件为比较电平产生模块，如图3所示，一个基准电流流过三个依次首尾串联的电阻：R3，R4，R5，最后流入201运算放大器的输出端。202比较电平产生部件生成Vref1，Vref2，Vref3三个参考电压，电压大小关系为：Vref1COUT_3，COUT_2，COUT_1组合只有四种输出状态：000，001，011，111。
[0038] 13为升压判断时序控制电路，如图4所示。
[0039] 其中301，303，305部件为信号上升沿检测电路，输入分别接信号幅值检测电路12的输出COUT_3，COUT_2，COUT_1，当主时钟检测到输入信号从低变高后，输出一个高电平脉冲。
[0040] 其中302，304，306部件为信号下降沿100mS延时检测电路，输入信号分别接信号幅值检测电路12的输出COUT_3，COUT_2，COUT_1。当主时钟检测到输入信号由高变低后，302，304，306模块内部的时钟复位并开始计数，如果输入信号在100mS以内保持低电平，输出一个高电平脉冲；如果输入信号在100mS内检测到输入信号由低变高，内部的时钟复位，计数器停止计数。
[0041] 其中307，308，309部件为RS触发器，S端为设置端(SET)，R端为复位端(RESET)，Q端为输出端。当RS触发器S端为高R端为低时输出Q为高，当R端为高时输出Q为低，当S端与R端都为低时输出Q保持当前状态。307部件S端接301输出，R端接302输出，Q端输出信号Q3；308部件S端接303输出，R端接304输出，Q端输出信号Q2；309部件S端接305输出，R端接306输出，Q端输出信号Q1。
[0042] 其中310部件为信号编码器，输入信号分别接307，308，309部件的输出Q3，Q2，Q1，输出信号为2bit控制码Vsel<1:0>，输入Q3，Q2，Q1与输出Vsel<1:0>的真值表如下表1。
[0043] 表1
[0044] Q3 Q2 Q1 Vsel<1:0>0 0 0 00
0 0 1 01
0 1 1 10
1 1 1 11
[0045] 该模块电路通过检测信号幅值检测电路12输出的三个信号：COUT_3、COUT_2、COUT1的上升下降沿来判断当前系统应当输出的正确电压值。当系统检测到应当输出比当前值要高的电压时，系统立即响应。当系统检测到应当输出比当前值要低的电压时，系统开始用时钟CLK计数，如果在100mS之内系统一直请求输出比当前值要低的电压，那么当100mS计时结束之后输出比当前值低一个档位的电压。如果在100mS计数周期内系统请求输出电压保持当前值，或者请求输出电压高于当前值，计数器清零，输出电压维持或者立即输出比当前值高的电压。该模块最后输出2bit的控制码：Vsel<1:0>来控制输出电压。
[0046] 14为限流时序控制电路，如图5所示。如图5所示401部件为2bit数字检测电路，当2bit数字Vsel<1:0>值增加时，输出变为高电平。如图5所示402部件为延时脉冲产生电路，输入接401部件的输出，当接收到401部件输出由低变高时，输出信号Ilim_ctl<1:0>变为
00。同时402部件内部计数器复位并开始计数，当计数到2mS时Ilim_ctl<0>变为0，当计数到
4mS时Ilim_ctl<1>为0。本模块用于控制输出电压从低档位切换到高档位时Boost芯片输入电流的大小，防止出现大的浪涌电流。该模块输出2bit控制信号：Ilim_ctl<1:0>。
[0047] 15为升压基准电压产生电路，如图6所示。如图6中501部件，一个基准电流流过4个首尾相连的电阻串，最后流到地，电阻分压产生4个参考电平：V4、V3、V2、V1，其中V4>V3>V2>V1。如图6中502部件为4选1电压选择输出部件，部件输入控制信号Vsel<1:0>接13模块的输出，部件输入基准信号接501部件输出信号V4、V3、V2、V1，部件输出信号Vboot_ref。当输入控制信号Vsel<1:0>为00时，Vboot_ref选择V1输出；当Vsel<1:0>为01时，Vboot_ref选择V2输出；当Vsel<1:0>为10时，Vboot_ref选择V3输出；当Vsel<1:0>为11时，Vboot_ref选择V4输出。
[0048] 16为升压主体电路，如图7所示。
[0049] 如图7所示，601部件是一个误差放大器，正端输入接15模块输出信号Vboot_ref信号，负端接输出电压反馈信号FB，输出误差比较结果。
[0050] 602，603部件是电压比较器，602比较器负输入端接601部件的输出误差比较结果，正输入端接Risense的正端。603比较器的负输入端接612部件的输出Climit，正输入端接Risense的正端。
[0051] 604部件为一个双输入的或非门，输入分别接602部件和603部件的输出。
[0052] 605部件为一个PWM产生电路，输入接604部件双输入或非门的输出与系统时钟，输出为频率固定、占空比自动调节的PWM方波。
[0053] 606，607部件分别是PWM信号驱动器，输入分别接605部件的输出，输出分别用于驱动608部件(低端开关管)和609部件(高端整流管)的栅极。
[0054] 608部件是低端开关管，栅极接606部件输出，源极通过一个电流检测电阻Risense接地，漏极通过电感接电源VCC。609部件是高端整流管，栅极接607部件输出，源极与608低端开关管的漏极连接在一起，通过电感接电源VCC，漏极为系统输出电压VOUT。Risense电阻串接在608部件低端开关管源端与地之间，用于检测流过608低端管的电流值。
[0055] 610部件，611部件分别为电阻R10，R11，两个电阻串联在VOUT与地之间，电阻中间抽头信号FB为电压反馈信号，输入到601部件的负端输入端。
[0056] 612部件为低端管电流限制模块。部件输入接限流时序控制电路14的输出信号Ilim_ctl<1:0>。2bit控制信号Ilim_ctl<1:0>控制基准电流大小，基准电流通过电阻Rilim流到地，产生限流控制信号Climit，Climit输入到603部件电压比较器的负端输入。当控制信号Ilim_ctl<1:0>＝00时，基准电流为最大值I0；当控制信号Ilim_ctl<1:0>＝10时，基准电流为0.75*I0；当控制信号Ilim_ctl<1:0>＝11时，基准电流为0.5*I0。
[0057] 当低端开关管608部件打开时，流入低端开关管608的电流被检流电阻Risense检测并转为电压信号，当这个电压大于Climit所设定的电压时低端开关管的栅极将变为低，同时高端整流管609的栅极将变为高，这样就限制了输出电压转换过程中低端开关管608流过的最大电流，限制了浪涌。
[0058] 本发明适用于所有需要放大器对输入信号放大、驱动负载并由升压电路为放大器供电的场合。本发明涉及的动态调整多段升压包含但不仅限于4段升压，可以通过增加电路做到需要的任意段数。本发明涉及自动限流保护功能包含但不限于3段限流值，可以通过增加电路做到需要的任意段数。
[0059] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
