CN104993719B - 一种集成有调光和usb输出的智能电源及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法，智能电源包括整流电路、调光电路和USB电源输出电路；整流电路的交流侧用于与市电相接；调光电路和USB电源输出电路均与整流电路的直流侧相接；USB电源输出电路包括SF5940器件、MOS管Q1和隔离变压器TR2；MOS管Q1为N沟道MOS管；调光电路包括DU7761器件、MOS管Q4、隔离变压器TR1、恒流芯片和MUC芯片。本发明的集成有调光和USB输出的智能电源支持LED调光输出，且具有双路USB电源输出，功能丰富，实用性强。

Description

一种集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法

技术领域

本发明涉及一种集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法。

背景技术

现在的较常用的电源只具有一个USB充电口，而且不具有调光输出，实用性不强。

目前一般充电器用电阻偏压就解决了USB充电兼容性问题：一般USB充电口的D+/D-是通过电阻分压成2.7V和2.0V。这种设置是可以解决苹果的移动设备和部分其他品牌的智能手机充电问题。这种设置不能对三星的平板电脑和部分黑莓的手机充电，同时大部分智能手机只是充500mA，不支持USB BC1.2移动设备快速充电（即原装充电器充电电流）。

目前市场上一共有三种充电模式：苹果手机的10W模式，三星手机的10W模式，USBBC1.2 DCP模式。USB口如果只是用电阻分压成其中一种模式，就只能支持部分移动设备充电，在兼容性上面有一定的局限性，同时很多移动设备不能支持快速充电，充电电流只能500mA，因此现有的充电器不能满足兼容性的要求。

因此，有必要设计一种集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法，该集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法易于实施，功能丰富。

发明的技术解决方案如下：

一种集成有调光和USB输出的智能电源，包括整流电路、调光电路和USB电源输出电路；

整流电路的交流侧用于与市电相接；调光电路和USB电源输出电路均与整流电路的直流侧相接；

USB电源输出电路包括SF5940器件、MOS管Q1和隔离变压器TR2； MOS管Q1为N沟道MOS管；

隔离变压器TR2具有两个原边线圈和一个副边线圈；

隔离变压器TR2的第一原边线圈的一端接整流电路，SF5940器件的3脚通过电阻R12和MOS管Q1接第一原边线圈的另一端，以控制第一原边线圈的供电；

隔离变压器TR2的第二原边线圈接有由电阻R26、二极管D3和电解电容EC2组成的偏置电路;

隔离变压器TR2的副边线圈接有输出电路，所述的输出电路包括并联的2个肖特基势垒二极管D4和D8，还包括由电解电容EC4和EC6、电容C5以及电感L3组成的滤波电路，还包括负载电阻R28；USB电源输出电路的输出端从所述的输出电路引出。

USB电源输出电路还包括支持2个USB输出接口的UC2634芯片，所述的USB的输出端为2个，2个USB的输出端均与UC2634芯片相连。

所述的第一原边线圈还连接有由电容C2、电阻R9和R14以及二极管D2组成的钳位电路。

所述的调光电路包括DU7761器件、MOS管Q4、隔离变压器TR1、恒流芯片和MCU芯片；

MOS管Q4为N沟道MOS管；

隔离变压器TR1具有两个原边线圈和一个副边线圈；

隔离变压器TR1的第一原边线圈的一端接整流电路，DU7761器件的1脚通过电阻R10和MOS管Q4接第一原边线圈的另一端，以控制第一原边线圈的供电；

隔离变压器TR1的第二原边线圈接有由电阻R2、R3和R11、电解电容EC1和二极管D5组成的偏置电路;

隔离变压器TR1的副边线圈的输出电路中包括二极管D7、负载电阻R4以及所述的恒流芯片，负载电阻R4的两端即为调光电路的输出端LED+和LED-；恒流芯片受控于MCU芯片。

所述的调光电路还包括与所述隔离变压器TR1的第一原边线圈相连的钳位电路，该钳位电路由电阻R5、二极管D6和电容C4组成。

所述的恒流芯片为DU2702器件；所述的MCU芯片为HC8T0506器件。

所述的整流电路的输出侧还接有滤波器，滤波器由电感L2、电阻R16以及电解电容EC5和EC3组成。

整流电路为桥式整流电路，整流电路的交流侧串接保险丝F1。

一种智能电源的实现方法，采用前述的集成有调光和USB输出的智能电源；

采用桥式整流电路将市电转换为直流电为调光电路和USB电源输出电路供电，并设置滤波器实现滤波；

所述的USB电源输出电路中，采用SF5940器件通过MOS管Q1控制隔离变压器TR2的原边线圈工作，隔离变压器TR2的输出侧采用UC2634器件形成2路USB输出接口；

所述的调光电路中，采用DU7761器件和MOS管Q4控制隔离变压器TR1的原边线圈工作，在隔离变压器TR1的副边线圈的输出电路中，由MCU芯片控制恒流芯片实现LED调光。

有益效果：

本发明的集成有调光和USB输出的智能电源及实现方法，其核心在于采用桥式整流电路将市电转换为直流电为调光电路和USB电源输出电路供电，并设置滤波器实现滤波；

所述的USB电源输出电路中，采用SF5940器件通过MOS管Q1控制隔离变压器TR2的原边线圈工作，隔离变压器TR2的输出侧采用UC2634器件形成2路USB输出接口；

所述的调光电路中，采用DU7761器件和MOS管Q4控制隔离变压器TR1的原边线圈工作，在隔离变压器TR1的副边线圈的输出电路中，由MCU芯片控制恒流芯片实现LED调光。

因此，本发明的集成有调光和USB输出的智能电源构思巧妙，采用常用的器件通过巧妙的组合形成具有调光功能和双USB输出的电源电路，兼容性好，实用性强。

附图说明

图1是本发明的集成有调光和USB输出的智能电源的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，本方案提出了一种隔离式可宽电压100-265V输入，内置触摸调光恒流驱动与具有双USB 5V 2.1A与1A智能输出为一体的电路，AC宽电压输入，通过DB1整流桥进行整流实现AC/DC转换，再通过由组成的EMI抗干扰滤波电路，整流后的DC由大容量电容CE3和CE5进行滤波与电感（CE3-CE5- L2- R16）组成一个滤波器，使得低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用，减小被外界干扰。对差模传导EMI 噪声进行衰减。在此情况下能够满足EMI要求，并具有较大的裕量。保险丝F1提供严重故障保护。此电路分两路控制，其中一组为：

DU7761器件(U2)集成了功率开关器件、振荡器、恒压控制引擎、启动以及保护功能。700 V MOSFET在通用输入AC应用中可提供很大的漏极电压裕量，可通过使用更大的变压器匝数比，提高可靠性，并减小输出二极管的电压应力。该器件可通过旁路引脚和退耦电容EC1完全实现自供电。本设计添加了一个偏置电路（D5、EC1及R2、R3），将空载输入功耗降至140 mW以下。经整流及滤波的输入电压加在TR1初级绕组的一侧。U2旁的MOSFET（Q4）驱动变压器初级绕组的另一侧。（R5,C4,D6）组成箝位电路，对漏感引起的漏极电压尖峰进行限制。本电路选用了齐纳二极管泄放箝位电路，以获得最低的空载输入功率，但在接受较高空载输入功率的应用中，以形成标准RCD箝位。

(TR1)高频隔离变压器，将高压转变为低压, 变压器的次级由器件（D7，C6，U3，D1，L1，CE2，R4）组成输出回路，D7进行整流，C6进行滤波，提供LED负载电源.本设计输出使用了肖特基势垒二极管以提高效率，这样可以消除开关频率纹波。（R20，R19，R18，Q5）组成降压稳压电路以提供给U3-（MCU芯片）稳定的电源，电阻作为限压限流电路加三端稳压器Q5给MCU芯片提供稳定电源；R21也为限压限流电路可提供给恒流芯片DU2702电压。（D1 – L1 -CE2 – R4-U3）组成降压结构电路，以满足宽电压0-30V安全电压的输出，CE2对输出进行后级滤波,电阻R4充当假负载，在无负载时可使输出电压维持在各自的限度内。为降低高频率振荡及相关的辐射EMI。电阻（R23，R24）在此电路中作为±1％精度的检测采样电阻可调节0-500mA的输出电流。

基于MCU芯片HC8T0506形成触摸控制电路，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度。当接触触摸点（可同时接入N个触摸点）时人体感应的杂波信号经电阻进入MCU芯片（如电阻R11，R12等有助于提升EMC和安规特性），并对此信号进行处理，再由MCU芯片内部的占空比数据，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度，对LED进行调光。

一组电路控制USB驱动电源提供管理，SF5940器件(U1)集成了功率开关器件、振荡器、恒压控制引擎、启动以及保护功能。700 V MOSFET在通用输入AC应用中可提供很大的漏极电压裕量，可通过使用更大的变压器匝数比，提高可靠性，并减小输出二极管的电压应力。该设计中添加了一个偏置电路（D3，R26，EC2）。经整流及滤波的输入电压加在TR2初级绕组的一侧。U1旁MOSFET驱动变压器初级绕组的另一侧。（R9,R14,C2,D2）组成箝位电路，对漏感引起的漏极电压尖峰进行限制。电路选用了齐纳二极管泄放箝位电路，以获得最低的空载输入功率，但在接受较高空载输入功率的应用中，以形成标准RCD箝位

(TR2)高频隔离变压器，将高压转变为低压，变压器的次级由器件（D4，D8，EC4，EC6，L3，C5，U4， R28）组成输出回路, 本设计对5 V输出（D4、D8）使用了肖特基势垒二极管以提高效率。（EC4，EC6，L3，C5）对输出进行后级滤波，这样可以消除开关频率纹波。电阻R28充当假负载，在无负载时可使输出电压维持在各自的限度内。为降低高频率振荡及相关的辐射EMI，在D8上添加了由R27和C3组成的RC缓冲电路。其中U4在电路中为一颗智能USB输出芯片，可提供两组USB智能输出。

本设计输出电压电流DC5V 3.1A 可分为两组USB输出，一组为电流1A。一组为电流2.1A，两组可自由组合自动智能分配电流，芯片UC2634是 USB 专用充电端口 (DCP) 控制器。自动监控 USB 数据线路电压，并且自动在数据线路上提供正确的电气特征，从而在为专用充电系统配置中为兼容器件充电，并可自动智能同时两组对不同的产品充电如：手机与平板电脑。

以下对本电路的各部分做一些说明：

1.恒流控制

驱动器中DU2702采用独特的闭环恒流控制专利－TRUEC2技术，可在宽输入电压、输出电压以及电感参数条件下实现高精度的输出电流，确保LED亮度的一致性。

闭环恒流控制，即真正检测输出电流值，以此为标准来发出PWM信号。所谓开环，不以检测到的输出电流值来做发出PWM信号的参考。从电路拓扑上，二者没有区别。但是在芯片内部对检测到CS脚电感电流信号， TRUEC2部分做积分处理，并同时检测峰值电流。这样，就检测到了电感电流的平均值，也就是输出电流的平均值。芯片针对检测到的值，控制输出占空比，实现了闭环控制。这种控制结构，同时使得线路极为简单，由于闭环控制电流，相比于开环方式，此线路具有电感短路保护功能。这在应用中是非常重要的，这相当于大大降低了系统发生故障的风险。使得这种方案不仅在性能上有了质的飞跃，在可靠性上也大大提高。全闭环控制，检测输出电流，来发出PWM信号，是真正的恒流电源驱动控制技术。相对于其他非闭环的方案，这种独有的闭环恒流控制技术使输出电流精度有了质的飞跃，使整机电源在全电压、全负载、电感变化范围内的电流精度达到行业内目前最高的±0.9%， 同时，由于闭环控制，线路具备了电感短路、电流检测电阻短路/开路保护功能，相比与开环方案，电路可靠性有了很大提高。

2.可调PWM占空比电路触摸控制

MCU控制芯片的软件程序自动控制电路，通过改变PWM输出端的占空比来改变LED亮度，其特征在于：包括自校准电路、数据存储电路、输入电路和主控制计算电路；数据存储电路，存有组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路；主控制计算电路，其利用上述两组数据建立起内部数据库，通过该数据库把信号转化为LED实际输出的光通量或光强，并根据设定的数据发出相应控制信号给LED恒流驱动电路，使LED调整其光通量或光强比例；自校准电路也对上述转化过程进行修正，确保实际值与设定值吻合。

控制原理如下：使用的芯片DU2702提供的外部可编程的PWM信号输入，经由MCU控制芯片PWM信号的输出，设置PWM信号的输出占空比；

当用手短触触摸点时（电路上的ON/OFF-DIMMER点或其他接触点，可接入N个触摸点）人体感应的杂波信号经电阻进入MCU芯片内部，这样就激活MCU内部的数据储存电路，储存数据电路再将已经编程好的组成LED光源输出电流占空比数据，并将该数据发送给主控制计算电路，再利用上述数据建立起内部数据库，通过该数据库把信号转化为LED实际输出的占空比信号，并根据设定的数据发出相应控制信号给DU2702 DIM调光输入引脚，使LED调整其光通量或光强比例。

短触ON键默认的输出占空比为100%。

当短触ON输出100%,然后每短触一次跳一档，即：100%-0%,任意占空比，进行占空比调光。

MCU控制触摸键可分为N个按键，例如5键式： 1.ON/OFF 2.为占空比0-39% 3.为占空比40%-69% 4.为占空比70%-99% 5.为占空比100%；当短触ON即开机并输出100%,然后短触OFF即关机。每个触摸按键可分为不同的占空比（0%-100%）调节LED亮度。

数据储存电路里含有记忆功能,此功能会根据关机时输出的占空比数据进行储存，再开机是恢复关机前的输出占空比；关机断电再开机时PWM以上一次的百分比输出。

任意一占空比档位触摸OFF，即关机。

3.大电流双USB智能输出电路

USB驱动电路为隔离式恒压电路，输出电压电流DC5V 3.1A 可分为两组USB输出，一组为电流1A。一组为电流2.1A，两组可自由组合智能分配电流。

目前一般充电器用电阻偏压就解决了USB充电兼容性问题：一般USB充电口的D+/D-是通过电阻分压成2.7V和2.0V。这种设置是可以解决苹果的移动设备和部分其他品牌的智能手机充电问题。这种设置不能对三星的平板电脑和部分黑莓的手机充电，同时大部分智能手机只是充500mA，不支持USB BC1.2移动设备快速充电（即原装充电器充电电流）。

目前市场上一共有三种充电模式：苹果10W模式，三星10W模式，USB BC1.2 DCP模式。USB口如果只是用电阻分压成其中一种模式，就只能支持部分移动设备充电，在兼容性上面有一定的局限性，同时很多移动设备不能支持快速充电，充电电流只能500mA。

本设计输出电压电流DC5V 3.1A 可分为两组USB输出，一组为电流1A。一组为电流2.1A，两组可自由组合智能分配电流，芯片UC2634是 USB 专用充电端口 (DCP) 控制器。自动监控 USB 数据线路电压，并且自动在数据线路上提供正确的电气特征，来在为专用充电系统配置中为兼容器件充电，并可同时两组对不同的产品充电如：手机与平板电脑。

USB充电电流取决于两个条件：VBUS电压和D+/D-的偏置电压。UC2634智能USB识别芯片只是解决了D+/D-的偏置电压。VBUS电压的大小会直接影响移动设备的充电电流。如三星S4手机：VBUS=5.0, 充电电流为1.6A左右；VBUS=4.9V, 充电电流为1.0A左右。同时，在测试充电电流时尽量用原装数据线，因为有一些数据线内部D+/D-被偏置成固定电压或寄生电阻比较大。

一般情况下，VBUS=5.0V可以实现移动设备最佳充电电流状态。因为移动设备会检查VBUS电压来决定对移动设备充多少电流。所以在系统设计时，需要考虑寄生电阻R1和USBCable 寄生电阻R2的影响。

如联想的ThinkPad Tablet充电电流为1A。充电器为了提供充电电流同时不让对一般5V-1A充电器进行保护，所以原装充电器的电压进行了调整，如ThinkPad Tablet的输出电压为5.3V左右。在5V输出电压情况下，充电电流只有1A；5.3V左右充电电流可以达到2.0A左右。

加入了UC2634智能USB识别芯片后，要求移动电源有至少2.1A输出电流能力。因为目前苹果、三星的平板电脑或三星S4的原装充电器的充电电流是2.1A，这些移动设备设别到D+/D-和原装充电器电压一样，就会尝试从5V电源充2.1A电流，如果DC/DC的输出电流达不到2.1A的话，容易让5V DC/DC进入保护状态，导致移动电源重启或不充电。

芯片UC2634是 USB 专用充电端口 (DCP) 控制器，具有的一个自动检测特性就是监控 USB 数据线路电压，并且自动在数据线路上提供正确的电气特征，来在下列专用充电系统配置中为兼容器件充电：分压器 1 DCP，被要求在 D+ 和 D- 线路上分别施加 2V 和2.7V 电压，分压器 2 DCP，被要求在 D+ 和 D- 线路上分别施加 2.7V 和 2V 电压，BC1.2DCP，被要求将 D+ 线路短接至 D- 线路中国电信标准 YD/T 1591-2009 短接模式，被要求将 D+ 线路短接至 D- 线路D+ 和 D- 线路上的电压均为 1.2V特性。按照当前市面最常用手机及平板：IPHONE苹果 IPAD 三星HTC 黑莓联想 LG 摩托罗拉诺基亚索尼亚马逊谷歌中兴华为酷派小米魅族等各类流行手机的USB不同接法而自动转换，并能识别目前市面上98%以上的USB充电产品。

Claims (6)

1.一种集成有调光和USB输出的智能电源，其特征在于，包括整流电路、调光电路和USB电源输出电路；

整流电路的交流侧用于与市电相接；调光电路和USB电源输出电路均与整流电路的直流侧相接；

USB电源输出电路包括SF5940器件、MOS管Q1和隔离变压器TR2；MOS管Q1为N沟道MOS管；

隔离变压器TR2具有两个原边线圈和一个副边线圈；

隔离变压器TR2的第一原边线圈的一端接整流电路，SF5940器件的3脚通过电阻R12和MOS管Q1接第一原边线圈的另一端，以控制第一原边线圈的供电；

隔离变压器TR2的第二原边线圈接有由电阻R26、二极管D3和电解电容EC2组成的偏置电路；

隔离变压器TR2的副边线圈接有输出电路，所述的输出电路包括并联的2个肖特基势垒二极管D4和D8，还包括由电解电容EC4和EC6、电容C5以及电感L3组成的滤波电路，还包括负载电阻R28；USB电源输出电路的输出端从所述的输出电路引出；

USB电源输出电路还包括支持2个USB输出接口的UC2634芯片，所述的USB的输出端为2个，2个USB的输出端均与UC2634芯片相连；

所述的第一原边线圈还连接有由电容C2、电阻R9和R14以及二极管D2组成的钳位电路；

所述的调光电路包括DU7761器件、MOS管Q4、隔离变压器TR1、恒流芯片和MCU芯片；

MOS管Q4为N沟道MOS管；

隔离变压器TR1具有两个原边线圈和一个副边线圈；

隔离变压器TR1的第一原边线圈的一端接整流电路，DU7761器件的1脚通过电阻R10和MOS管Q4接第一原边线圈的另一端，以控制第一原边线圈的供电；

隔离变压器TR1的第二原边线圈接有由电阻R2、R3和R11、电解电容EC1和二极管D5组成的偏置电路；

隔离变压器TR1的副边线圈的输出电路中包括二极管D7、负载电阻R4以及所述的恒流芯片，负载电阻R4的两端即为调光电路的输出端LED+和LED-；恒流芯片受控于MCU芯片。

2.根据权利要求1所述的集成有调光和USB输出的智能电源，其特征在于，所述的调光电路还包括与所述隔离变压器TR1的第一原边线圈相连的钳位电路，该钳位电路由电阻R5、二极管D6和电容C4组成。

3.根据权利要求2所述的集成有调光和USB输出的智能电源，其特征在于，所述的恒流芯片为DU2702器件；所述的MCU芯片为HC8T0506器件。

4.根据权利要求3所述的集成有调光和USB输出的智能电源，其特征在于，所述的整流电路的输出侧还接有滤波器，滤波器由电感L2、电阻R16以及电解电容EC5和EC3组成。

5.根据权利要求4所述的集成有调光和USB输出的智能电源，其特征在于，整流电路为桥式整流电路，整流电路的交流侧串接保险丝F1。

6.一种智能电源的实现方法，其特征在于，采用权利要求5所述的集成有调光和USB输出的智能电源；

采用桥式整流电路将市电转换为直流电为调光电路和USB电源输出电路供电，并设置滤波器实现滤波；

所述的USB电源输出电路中，采用SF5940器件通过MOS管Q1控制隔离变压器TR2的原边线圈工作，隔离变压器TR2的输出侧采用UC2634器件形成2路USB输出接口；

所述的调光电路中，采用DU7761器件和MOS管Q4控制隔离变压器TR1的原边线圈工作，在隔离变压器TR1的副边线圈的输出电路中，由MCU芯片控制恒流芯片实现LED调光。