带线损补偿的电压转换器 【技术领域】
本发明涉及电压转换中输出电压的线损补偿技术，尤其涉及车载充电器输出电压的线损补偿技术。
背景技术
如图1所示的电压转换器(1)需输出恒定电压，输出电压经过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2分压后，电压转换器(1)控制FB端口电压值等于电压转换器(1)内部基准电压值来实现的。然而电压转换器(1)对负载进行供电时，往往由于连接电压转换器(1)与负载的导线过长，导线的寄生电阻为Rline，负载电流流过导线的寄生电阻Rline产生压降，最终导致电压转换器(1)向负载提供的电压低于设定的输出电压，影响负载的正常工作。
电压转换器输出恒压的需求在车载充电器中尤为明显，车载充电器往往要求恒流/恒压(CC/CV)控制，即当输出电流小于限流值时，输出电压稳定在设定值；当输出电流达到限流值时，输出电流稳定在限流值，而输出电压开始下降。车载充电器的CC/CV特性曲线如图2所示。
目前车载充电器一般由带恒流控制的电压转换器实现。图3为电压转换器框图，包括电流采样模块(10)、电流误差放大模块(11)、电压误差放大模块(12)、PWM控制模块(13)、驱动及开关模块(14)，其中：
所述电流采样模块(10)包括电压运算放大器A1，A1的正输入端作为电压转换器的CS+端口，A1的负输入端作为电压转换器的CS-端口；
所述电流误差放大模块(11)包括电流误差放大器A2，电流误差放大器A2的正输入端接第二基准电压VREF2，电流误差放大器A2的负输入端接电压运算放大器A1的输出；
所述电压误差放大模块(12)包括电压误差放大器A3，电压误差放大器A3的正输入端接内部基准电压VREF，电压误差放大器A3的负输入作为电压转换器的FB端口；
所述PWM控制模块(13)的输入端连接电流误差放大器A2的输出端以及电压误差放大器A3的输出端；
所述驱动及开关模块(14)包括功率开关管PMOS M1以及驱动电路A4，驱动电路A4的输入端连接到PWM控制模块的输出端，驱动电路A4的输出端连接功率开关管PMOS M1的栅极，功率开关管PMOS M1的源极作为电压转换器的Vin端口，功率开关管PMOS M1的漏极作为电压转换器的SW端口。
如附图3所示车载充电器在工作时，与滤波电路和外部电路连接构成车载充电器系统，其系统结构如图4所示：
所述滤波电路和外部电路包括电感L1、采样电阻Rsense、续流二极管D1、输出电容C1、反馈分压电阻R1和R2、寄生电阻Rline以及负载；所述电感L1跨接在电压转换器的SW端口和CS+端口；所述采样电阻Rsense跨接在电压转换器的CS+端口和CS-端口；所述续流二极管D1正极连接到地，负极连接到电压转换器的SW端口：所述输出电容C1一端连接到地，另一端连接到电压转换器的CS+端口；所述寄生电阻Rline一端连接到电压转换器的CS-端口，另一端连接到负载，流经采样电阻Rsense但尚未流经寄生电阻Rline的电压称为线前输出电压，记为V′O，流经寄生电阻Rline之后的的电压称为线后输出电压，记为Vo。
图4所示的车载充电器系统的工作原理为：
系统初始上电后，建立内部基准电压VREF和VREF2；当负载电流小于设定的输出电流限流值时，外部输出电压Vo经过分压电阻R1、R2分压后，输入电压转换器的FB端口，电压误差放大模块(12)放大FB端口电压与基准电压VREF之间的压差，PWM控制模块(13)根据电压误差放大模块(12)的输出，控制开关M1的开通和截止，通过电感L1的储存和释放能量，对电容C1充电；最终电压误差放大模块(12)的正输入端VREF电压与负输入端FB端口电压相等，此时，线前电压V′O为线后电压Vo为VREF·R1+R2R2-Io·Rline.]]>
由线后电压公式可见，当前车载充电器系统的线后电压随负载电流值变化，由于电压转换器的CS+端口和CS-端口的输出连接一条充电电源线，该充电电源线存在一定的电阻，输出电流流经该充电电源线，会产生相应的压降，导致车载充电器的线后输出电压低于设定值，存在误差，而且输出电流越大，充电线电阻越大，输出电压的误差越大，影响后级负载地正常工作。
【发明内容】
本发明要解决现有技术的不足，提供一种带线损补偿的电压转换器。
同时本发明还将带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器。
带线损补偿的电压转换器，包括控制电路和线损补偿模块：输入电压Vin输入所述控制电路，控制电路对输入电压Vin进行电压转换，控制电路的输出经滤波电路后输出转换电压VOUT，转换电压VOUT经过导线后的电压为线后输出电压Vo，线后输出电压Vo提供给负载，由于导线本身的寄生电阻Rline，导致转换电压VOUT与线后输出电压Vo之间产生压降；所述线损补偿模块采样转换电压VOUT与线后输出电压Vo之间产生的压降并反馈给控制电路，从而使线后输出电压Vo达到设定值。
进一步带线损补偿的电压转换器同外围电路连接，所述外围电路包括导线、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、采样电阻Rsense，所述控制电路经滤波电路连接导线和第一分压电阻R1，导线的另一端连接到负载，转换电压VOUT经过导线向负载供电并形成输出电流通路，第一分压电阻R1的另一端串联第二分压电阻R2，并由第二分压电阻R2接地，在输出电流Io流经的输出电流通路中串联一采样电阻Rsense，所述线损补偿模块的两个输入端连接在采样电阳Rsnse的两端以采样输出电流通路的电流，线损补偿模块的输出端输出负电流，线损补偿模块的输出端经带线损补偿的电压转换器的FB端口连接到第二分压电阻R2同第一分压电阻R1的连接点，所述负电流流经第一分压电阻R1，使FB端口电压降低，通过控制电路的调节，从而使线后输出电压Vo达到设定值。
所述线损补偿模块为跨导器A5，第一分压电阻R1与采样电阻Rsense、导线的寄生电阳Rline以及线损补偿模块的跨导器A5之间的关系为：R1=RlineRsense·Gm,]]>其中Gm是跨导器A5的跨导值。
所述补偿模块与控制电路集成在同一芯片。
将上述带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器，其中，所述控制电路包括电压误差放大模块、PWM控制模块、驱动及开关模块：
所述电压误差放大模块的正端输入第一基准电压VREF，负端连接所述FB端口，电压误差放大模块放大FB端口电压和第一基准电压VREF之间的误差；
所述电压误差放大模块的输出端连接PWM控制模块的输入端，PWM控制模块输出开关驱动信号；
所述驱动及开关模块包括驱动电路A4以及功率开关管M1，所述开关驱动信号输入驱动电路A4，驱动电路A4的输出端连接功率开关管M1的控制端，功率开关管M1的第一输出端和第二输出端分别作为控制电路的Vin端口和SW端口，驱动电路A4根据PWM控制模块输出的开关驱动信号，控制功率开关管M1的开通和截止；
所述线损补偿模块的负输入端作为CS+端口，正输入端作为CS-端口。
所述滤波电路包括电感L1、续流二极管D1、输出电容C1，所述电感L1一端连接SW端口，另一端连接电容，电容的另一端接地，续流二极管D1正极接地，负极连接SW端口。
所述电压误差放大模块包括第一误差放大器A3，第一误差放大器A3的正输入端接第一基准电压VREF，第一电压误差放大器A3的负输入连接FB端口。
所述PWM控制模块包括比较器A7和振荡器A8，所述振荡器A8输出固定频率的三角波信号，所述比较器A7的正输入端作为PWM控制模块的输入端，比较器A7的负输入端输入振荡器模块A8的三角波输出信号，比较器A7的输出端为PWM控制模块的输出。当PWM控制模块的输入大于A8输出的三角波信号时，PWM模块输出为高电平，通过开关驱动模块控制功率开关M1导通；当PWM控制模块的输入小于振荡器A8输出的三角波信号时，PWM模块输出为低电平，通过开关驱动模块控制功率开关M1截止。
所述带线损补偿的电压转换器用于车载充电器时，所述的控制电路还包括电流采样模块和电流误差放大模块：
所述电流采样模块的正输入端连接CS+端口，负输入端连接CS-端口，电流采样模块采样CS+端口和CS-端口之间的压差，通过该电压差反映流经跨接在CS+端口和CS-端口之间的采样电阻Rsense的输出电流；
所述电流误差放大模块的正输入端输入第二基准电压VREF2，负端连接电流采样模块的输出端，电流误差放大模块放大电流采样模块输出电压与第二基准电压VREF2之间的误差，电流误差放大模块的输出端连接PWM控制模块的输入端。
进一步，所述电流采样模块包括第二运算放大器A1，第二运算放大器A1的正输入端连接CS+端口，负输入端连接CS-端口；
所述电流误差放大模块包括第三误差放大器A2，第三误差放大器A2的正输入端输入第二基准电压VREF2，负输入端连接第二运算放大器A1的输出。
电流误差放大模块和电压误差放大模块可以合并为一个电压误差放大模块，所述的电压误差放大模块有两个负输入端，分别连接电流采样模块和线损补偿模块的输出端。
所述电压误差放大模块、PWM控制模块、驱动电路A4以及线损补偿模块集成在一个芯片，在该芯片中还可以进一步集成功率开关管M1、电流采样模块以及电流误差放大模块。
线损补偿模块为跨导器，所述跨导器的输出电流与跨导器输入电压的关系为：
I1＝(V1+-V1-)Gm，
其中，I1是跨导器的输出电流，V1-是负输入端电压，V1+是正输入端电压。
本发明的有益效果是：本发明提供带线损补偿的电压转换器通过引入线损补偿模块克服了由于导线本身的寄生电阻Rline，导致转换电压VOUT与线后输出电压Vo之间产生压降，从而使线后输出电压Vo达到设定值，极大地减小了不同负载电流下输出电压的变化，同时本发明实现简单，只需根据线损补偿模块的跨导以及车载充电器的导线寄生电阻阻值，即可以实现线损补偿；本发明应用于车载充电器时，可以实现达到恒压/恒流控制，同时同传统的车载充电器相比，可以将线损补偿模块与电流采样模块共用同一端口，不需要增加电路的输入输出端口和外部元器件。
附图说明：
图1为传统电压转换器及其与负载的连接示意图
图2为传统车载充电器电路输出的CC/CV特性曲线图
图3为传统电压转换器结构图
图4为传统带恒流控制的电压转换器实现的车载充电器系统框图
图5为本发明带线损补偿的电压转换器结构图
图6为本发明带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器的结构图
图7为本发明带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器的结构图
图8为本发明带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器的结构图
图9为本发明车载充电器中的PWM控制模块结构图
图10为本发明线损补偿模块电路图
图11为本发明线损补偿模块电路图
图12为增加线损补偿模块前后的车载充电器的输出电压对输出电流的变化曲线图
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明内容进一步说明。
带线损补偿的电压转换器，包括控制电路(31)和线损补偿模块(32)：输入电压Vin输入所述控制电路(31)，控制电路(31)对输入电压Vin进行电压转换，控制电路(31)的输出经滤波电路(33)后输出转换电压VOUT，转换电压VOUT经过导线后的电压为线后输出电压Vo，线后输出电压Vo提供给负载，由于导线本身的寄生电阻Rline，导致转换电压VOUT与线后输出电压Vo之间产生压降；所述线损补偿模块(32)采样转换电压VOUT与线后输出电压Vo之间产生的压降并反馈给控制电路(31)，从而使线后输出电压Vo达到设定值。
进一步带线损补偿的电压转换器同外围电路的连接，所述外围电路包括导线、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、采样电阻Rsense，所述控制电路(31)经滤波电路(33)连接导线和第一分压电阻R1，导线的另一端连接到负载，转换电压VOUT经过导线向负载供电并形成输出电流通路，第一分压电阻R1的另一端串联第二分压电阻R2，并由第二分压电阻R2接地，在输出电流Io流经的输出电流通路中串联一采样电阻Rsense，线损补偿模块(32)的两个输入端连接在采样电阻Rsense的两端以采样输出电流通路的电流，线损补偿模块(32)的输出端输出负电流，线损补偿模块(32)的输出端经带线损补偿的电压转换器的FB端口连接到第二分压电阻R2同第一分压电阻R1的连接点，所述负电流流经第一分压电阻R1，使FB端口电压降低，通过控制电路(31)的调节，从而使线后输出电压Vo达到设定值。
所述线损补偿模块(32)为跨导器A5，第一分压电阻R1与采样电阻Rsense、导线的寄生电阳Rline以及线损补偿模块(32)的跨导器A5之间的关系为：R1=RlineRsense·Gm,]]>其中Gm是跨导器A5的跨导值。
所述补偿模块(32)与控制电路(31)集成在同一芯片。
下面以图5为例说明如上所述带线损补偿的电压转换器的实现原理为：
如图5所示，采样电阻Rsense和导线之间的电压为线前输出电压，记为V′O，其设定值为：
VOSET=R1+R2R2VREF;---(1)]]>
VREF为控制电路(31)内部设定的第一参考电压，控制电路(31)经滤波电路、采样电阻Rsense、导线向负载供电，电流Io流经采样电阻Rsense，在采样电阻Rsense两端产生的压降，线损补偿模块(32)输出负电流并通过FB端口流经第一分压电阻R1，使得FB端口的电压下降，通过控制电路(31)的调节，线前输出电压V′O上升，上升的部分电压补偿因输出电流流经导线而产生的输出电压的线损，具体计算如下：
采样电阻Rsense两端的压降为Io·Rsense，其中Io为负载电流；
线损补偿模块(32)输出的负电流为：Io·Rsense·Gm；
该电流流经第一分压电阻R1，则FB端口的电压变为：
VFB=VO,·R2R1+R2-Io·Rsense·Gm·R1·R2R1+R2---(2)]]>
设定FB端口的电压等于第一参考电压VREF，则
VREF=VO′·R2R1+R2-Io·Rsense·Gm·R1·R2R1+R2---(3)]]>
则，VO′=R1+R2R2(VREF+Io·Rsense·Gm·R1·R2R1+R2)---(4)]]>
=R1+R2R2VREF+Io·Rsense·Gm·R1---(5)]]>
经过导线的线后输出电压：Vo＝V′O-Io·Rline (6)
将(4)式代入(6)式中，得到：
Vo=R1+R2R2VREF+Io·Rsense·Gm·R1-Io·Rline---(7)]]>
=R1+R2R2VREF+Io·(Rsense·Gm·R1-Rline)---(8)]]>
与额定输出电压VOSET=R1+R2R2VREF]]>的差为：
VO-VOSET＝Io·(Rsense·Gm·R1-Rline) (9)
要使两者的差最小且与输出电流无关，则
Rsense·Gm·R1-Rline＝0 (10)
即，R1=RlineRsense·Gm---(11)]]>
其中，跨导器的跨导值Gm是确定的，Rsense值根据输出限流值确定，寄生电阻Rline与充电电源线的长度、型号(电阻率)有关。因此，只要第一分压电阻R1满足(11)式，即可以达到线损补偿的效果。
将上述带线损补偿的电压转换器应用于车载充电器，如图6所示，其中，所述控制电路(31)包括电压误差放大模块(312)、PWM控制模块(313)、驱动及开关模块(314)：
所述电压误差放大模块(312)的正端输入第一基准电压VREF，负端连接所述FB端口，电压误差放大模块(312)放大FB端口电压和第一基准电压VREF之间的误差；
所述电压误差放大模块(312)的输出端连接PWM控制模块(313)的输入端，PWM控制模块(313)输出开关驱动信号；
所述驱动及开关模块(314)包括驱动电路A4以及功率开关管M1，所述开关驱动信号输入驱动电路A4，驱动电路A4的输出端连接功率开关管M1的控制端，功率开关管M1的第一输出端和第二输出端分别作为控制电路(31)的Vin端口和SW端口，驱动电路A4根据PWM控制模块(313)输出的开关驱动信号，控制功率开关管M1的开通和截止；
所述线损补偿模块(32)的负输入端作为CS+端口，正输入端作为CS-端口。
所述滤波电路包括电感L1、续流二极管D1、输出电容C1，所述电感L1-端连接SW端口，另一端连接电容，电容的另一端接地，续流二极管D1正极接地，负极连接SW端口。
所述电压误差放大模块(312)包括第一误差放大器A3，第一误差放大器A3的正输入端接第一基准电压VREF，第一电压误差放大器A3的负输入连接FB端口。
所述PWM控制模块(313)包括比较器A7和振荡器A8，所述振荡器A8输出固定频率的三角波信号，所述比较器A7的正输入端作为PWM控制模块的输入端，比较器A7的负输入端输入振荡器模块A8的三角波输出信号，比较器A7的输出端为PWM控制模块的输出。当PWM控制模块的输入大于A8输出的三角波信号时，PWM模块输出为高电平，通过开关驱动模块控制功率开关M1导通；当PWM控制模块的输入小于振荡器A8输出的三角波信号时，PWM模块输出为低电平，通过开关驱动模块控制功率开关M1截止。
所述开关管及其驱动模块(314)的功率开关管M1为PMOS管，功率开关管M1的源极作为电压转换器的Vin端口，功率开关管M1的漏极作为电压转换器的SW端口；所述功率开关管M1也可以为PNP型三极管、N沟道增强型MOS管或NPN型三极管，如果M1为N沟道增强型MOS管或NPN型三极管，驱动模块A4一般采用自举方式。
如图7所示，所述带线损补偿的电压转换器用于车载充电器时，所述的控制电路(31)还包括电流采样模块(310)和电流误差放大模块(311)：
所述电流采样模块(310)的正输入端连接CS+端口，负输入端连接CS-端口，电流采样模块采样CS+端口和CS-端口之间的压差，通过该电压差反映流经跨接在CS+端口和CS-端口之间的采样电阻Rsense的输出电流；
所述电流误差放大模块(311)的正输入端输入第二基准电压VREF2，负端连接电流采样模块(310)的输出端，电流误差放大模块(311)放大电流采样模块输出电压与第二基准电压VREF2之间的误差，电流误差放大模块的输出端连接PWM控制模块的输入端。
进一步，所述电流采样模块(310)包括第二运算放大器A1，第二运算放大器A1的正输入端连接CS+端口，负输入端连接CS-端口；
所述电流误差放大模块(311)包括第三误差放大器A2，第三误差放大器A2的正输入端输入第二基准电压VREF2，负输入端连接第二运算放大器A1的输出。
如图8所示，电流误差放大模块(311)和电压误差放大模块(312)可以合并为一个电压误差放大模块，所述的电压误差放大模块有两个负输入端，分别连接电流采样模块(310)和线损补偿模块(3)的输出端。
所述电压误差放大模块、PWM控制模块、驱动电路A4以及线损补偿模块集成在一个芯片，在该芯片中还可以进一步集成功率开关管M1、电流采样模块以及电流误差放大模块。
图5、6、7、8的线损补偿模块(32)为跨导器，如图10、11所示，所述跨导器的输出电流与跨导器输入电压的关系为：I1＝(V1+-V1-)Gm，其中，I1是跨导器的输出电流，V1-是负输入端电压，V1+是正输入端电压。
如图10所示的跨导器包括第五电阻R5、第六电阻R6，第四误差放大器A8，MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12；第五电阻R5的一端作为跨导器的正输入端V1+，另一端连到第四误差放大器A8的正输入端，第六电阻R6的一端作为跨导器的负输入端V1-，另一端连到误差放大器A8的负输入端，误差放大器A8的输出连到MOS管M10的栅极，MOS管M10的源极连到误差放大器A8的正输入端，M10的漏极连到M11的漏极；M11、M12的栅极都连到M11的漏极，M11、M12的源极都连到地；M12的源极作为跨导器输出端I1。
其中，所述MOS管M10为P沟道增强型MOS管，所述MOS管M11、M12为N沟道增强型MOS管；
其中，所述MOS管M10可以替换为PNP三极管，所述MOS管M11、M12可以替换为NPN三极管，其对应连接方式同理；
类似地，所述跨导器模块也可以如图11所示，同时所述MOS管M13为N沟道增强型MOS管，所述MOS管M14、M15为N沟道增强型MOS管；所述MOS管M13可以替换为NPN三极管，所述MOS管M14、M15可以替换为NPN三极管，其对应连接方式同理。
所述线损补偿模块也可以用其它结构的跨导器实现。
图12是增加线损补偿模块前后，输出电压对输出电流的变化的仿真结果对比。
本发明公开了带线损补偿的电压转换器及其在车载充电器中的应用，并且参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于对补偿模块线路的修改、对电路的局部构造的变更(如利用本领域技术人员所能想到的技术方法替换本发明中的跨导器等)、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。