CN106385091A - 一种输出电压、电流可调的快速充电系统及电源适配器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速充电系统，包括反激式变压器、快充协议接口、初级芯片、次级芯片和光耦；快充协议接口至少配置有QC快充协议接口、USB PD快充协议接口；次级芯片识别当前的快充协议接口，且基于当前的快充协议接口与待充电负载之间双向通信，获得待充电负载的充电电源需求，并将充电电源需求转换成内部识别码后编码输出；光耦实现初级芯片和次级芯片之间的编码通信；初级芯片解码获得负载的充电电源需求，并根据负载的充电电源需求控制反激式变压器，使得次级输出端输出恒定电流值能够调整的充电电流和/或恒定电压值能够调整的充电电压。本发明的快速充电系统，可同时支持多种快充协议，实现输出充电电压、输出充电电流的双重可调。

Description

一种输出电压、电流可调的快速充电系统及电源适配器
技术领域
本发明属于快速充电技术领域，具体涉及一种输出电压、电流可调的快速充电系统及使用该充电系统的直冲电源适配器。
背景技术
智能手机已经深入到人们生活的方方面面，成为引领半导体产业前进的主导力量，目前，智能手机的充电方式有两种：一种是标准的5.0V电压输出，电压不可变；另一种是以美国高通公司为代表的充电方式，通过QC2.0/QC3.0快充接口协议与终端双向通信，通过USB的D+、D-引脚发送信号，适配器识别后调整输出电压。
第二种方案虽然能够输出电压可调的充电电压，但是不能针对不同协议接口兼容性的匹配适用；同时，不能调整输出电流，且实现可调电压输出的结构复杂、成本高，不易实现。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种快速充电系统及使用该充电系统的电源适配器，系统可同时支持多种快充协议，实现输出充电电压、输出充电电流的双重可调。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种输出电压、电流可调的快速充电系统，包括反激式变压器，所述反激式变压器具有初级输入端、初级输出端和次级输出端，所述次级输出端与待充电负载连接，给所述待充电负载提供充电电源，其特征在于：其还包括快充协议接口、初级芯片、次级芯片和光耦，
-所述快充协议接口，其至少配置有两个，分别为QC快充协议接口、USB PD快充协议接口；
-所述次级芯片，其与次级输出端连接，其能够识别当前的快充协议接口，且识别后基于当前的快充协议接口与所述待充电负载之间双向通信，其通过与待充电负载之间双向通信获得待充电负载的充电电源需求，并将充电电源需求转换成内部识别码后编码输出；
-所述光耦，其具有光配合的光输出端和光接收端；
其光输出端受控于所述次级芯片，所述次级芯片编码后的信息基于光输出端发出；
其光接收端连接所述初级芯片，所述光接收端和光输出端配合将次级芯片的编码信息传递给所述初级芯片；
-所述初级芯片，其与初级输出端连接，其对光接收端传递过来的编码信息进行解码，获得待充电负载的充电电源需求，并根据待充电负载的充电电源需求控制所述反激式变压器，使得其次级输出端输出恒定电流值能够调整的充电电流和/或恒定电压值能够调整的充电电压。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述初级芯片包括解码模块、误差放大器模块、基准电压调整模块和电流输出控制模块，
-所述解码模块，其对光接收端传递过来的编码信息进行解码，以获得初级芯片能够识别的识别码，解码后的识别码包含有待充电负载的充电电源需求；
-所述误差放大器模块，其具有误差放大器，系统输出采样电压和系统基准电压分别形成误差放大器的两个输入端，所述误差放大器的输出端连接开关管以控制所述开关管的通断；
-所述基准电压调整模块，其输出可调的基准电压，用作所述误差放大器的基准电压输入，通过调整所述基准电压调整模块输出的基准电压来控制所述误差放大器的输出，从而控制反激式变压器，使得其次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电压值能够调整的充电电压；
-所述电流输出控制模块，其用于调整所述初级芯片的内部参数，使得反激式变压器的次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述次级芯片包括协议识别模块、协议通信模块、编码模块和控制模块，
-所述协议识别模块，其用于识别与系统连接的待充电负载为哪一种协议接口；
-所述协议通信模块，其基于识别的当前接口协议与待充电负载之间进行双向通信，获取待充电负载的充电电源需求信息；
-所述编码模块，其用于将协议通信模块获取的充电电源需求信息转换成内部能够识别的识别码，并基于一定的编码原则编制成码；
-所述控制模块，其用于控制所述光输出端，将编制成码后的编码信息发送出去。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述光耦为封装为一体的发光二极管和光敏三极管，所述发光二极管和光敏三极管分别形成光耦的光输出端和光接收端，所述发光二极管的正极连接次级输出端，其负连接次级芯片的光控制引脚DR，所述光敏三极管的集电极连接初级芯片的反馈引脚FB，其发射极接地，其基极耦合所述发光二极管。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述初级芯片与初级输出端还连接有采样电阻R1、R2，采样电阻R1、R2之间串联，采样电阻R1接地，采样电阻R2连接初级输出端，采样电阻R1、R2之间的节点连接初级芯片的电压采样引脚Vs。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述系统输出采样电压为初级芯片电压采样引脚Vs的采样电压Vs，Vs为：
V s = V 0 * N a N s * R 1 R 1 + R 2 ;
V0-次级输出端的输出电压；
Na-反激式变压器初级输出端的辅助绕组匝数；
Ns-反激式变压器次级输出端的绕组匝数；
R1-采样电阻R1的阻值；
R2-采样电阻R2的阻值。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述电流输出控制模块调整初级芯片内部的值，使得反激式变压器的次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流，
其中，Tdemag-反激式变压器去磁时间；
T-开关管Q的导通周期；
Vcs-初级芯片的电流检测引脚Cs的阀值电压。
本发明的一个较佳实施例中，进一步包括所述编码模块编码的数字信号包含数字位信号位和截止位信号位，数字位信号至少包含了待充电负载需要的输出电压信息和输出电流信息，输出电压信息包括输出电压可调范围、调节的档位和每档调节的幅度；输出电流信息包括电流可调范围、调节的档位和每档调节的幅度。
为达到上述目的，本发明的另一技术方案如下：一种电源适配器，其特征在于：其包括权利要求1-8任一项所述的快速充电系统。
本发明的有益效果是:本发明的快速充电系统及使用该充电系统的电源适配器，可同时支持多种快充协议，实现输出充电电压、输出充电电流的双重可调，结构简单、易于实现、批量生产成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是带QC快充协议接口的电路原理图；
图2是带USB PD快充协议接口的电路原理图；
图3是本发明优选实施例初级芯片的内部结构框图；
图4是本发明优选实施例次级芯片的内部结构框图；
图5是本发明优选实施的例光耦传输信号图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1、2所示，本实施例中公开了一种输出电压、电流可调的快速充电系统，包括反激式变压器T、快充协议接口、初级芯片U1、次级芯片U2和光耦U3A、U3B。
反激式变压器T具有初级输入端Ti、初级输出端To1和次级输出端To2，初级输入端Ti连接输入电路，其中输入电路为常规PSR(原边反馈系统)的输入电路，包括依次连接的交流输入、初级整流、初级滤波，给反激式变压器T提供初级输入电源，待充电负载连接次级输出端To2，次级输出端To2给充电负载提供充电电源Vbus。
光耦具有光配合的光输出端和光接收端，本发明优选光耦为封装为一体的发光二极管U3A和光敏三极管U3B，所述发光二极管U3A和光敏三极管U3B分别形成光耦的光输出端和光接收端。
本发明的快充协议接口至少配置有两个，分别为QC快充协议接口、USB PD快充协议接口，QC快充协议接口上设有D+、D-引脚；USB PD快充协议接口上设有CC1、CC2引脚，同时支持QC2.0/QC3.0快充协议、USB PD快充协议。
如图1、2、4所示，次级芯片U2具有光控制引脚DR、协议接口引脚D+、D-、CC1、CC2，输出控制引脚DIS，其输出控制引脚DIS连接次级输出端Uo2，协议接口引脚连接快充协议接口，光控制引脚DR控制连接光耦。
所述次级芯片U2，其能够识别当前的快充协议接口，且识别后基于当前的快充协议接口与所述待充电负载之间双向通信，其通过与待充电负载之间双向通信获得待充电负载的充电电源需求，并将充电电源需求转换成内部识别码后编码输出。具体的：如图4所示，所述次级芯片U2包括协议识别模块21、协议通信模块22、编码模块23和控制模块24，协议识别模块21用于识别与系统连接的待充电负载为哪一种协议接口；所述协议通信模块22基于识别的当前接口协议与待充电负载之间进行双向通信，获取待充电负载的充电电源需求信息；所述编码模块23用于将协议通信模块22获取的充电电源需求信息转换成内部能够识别的识别码，并基于一定的编码原则编制成码；所述控制模块24用于控制所述光输出端U3A，将编制成码后的编码信息发送出去。
光耦的光输出端受控于次级芯片U2，所述次级芯片U2编码后的信息基于光输出端发出，具体是通过光控制引脚DR控制发光二极管U3A的导通或者关断来传输数字信号。
初级芯片U1具有反馈引脚FB、电压采样引脚Vs、电流检测引脚Cs。电压采样引脚Vs通过采样电阻R1、R2连接初级输出端Uo1，采样电阻R1、R2之间串联，采样电阻R1接地，采样电阻R2连接初级输出端Uo1，采样电阻R1、R2之间的节点连接初级芯片的电压采样引脚Vs；反馈引脚FB连接光敏三极管U3B的集电极，光敏三极管U3B的发射极接地，其基极耦合所述发光二极管U3A；电流检测引脚Cs接地。
初级芯片U1对光接收端传递过来的编码信息进行解码，获得待充电负载的充电电源需求，并根据待充电负载的充电电源需求控制所述反激式变压器T，使得其次级输出端Uo2输出恒定电流值能够调整的充电电流和/或恒定电压值能够调整的充电电压。具体的，所述初级芯片U1包括解码模块11、误差放大器模块12、基准电压调整模块13和电流输出控制模块14。
其中，所述解码模块11对光接收端传递过来的编码信息进行解码，以获得初级芯片能够识别的识别码，解码后的识别码包含有待充电负载的充电电源需求；
所述误差放大器模块12具有误差放大器U4和开关管Q，系统输出采样电压和系统基准电压分别形成误差放大器U4的两个输入端，所述误差放大器U4的输出端连接开关管Q以控制所述开关管Q的通断，具体是误差放大器U4的输出端连接系统恒压环路控制，通过恒压环路控制开关管Q的通断，实现恒压输出。
所述基准电压调整模块13输出可调的基准电压，用作所述误差放大器U4的基准电压输入，通过调整所述基准电压调整模块13输出的基准电压来控制所述误差放大器U4的输出，从而控制反激式变压器T，使得其次级输出端Uo2输出符合待充电负载需求、恒定电压值能够调整的充电电压；
所述电流输出控制模块14用于调整所述初级芯片U1的内部参数，使得反激式变压器T的次级输出端Uo2输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流。
光耦的光接收端连接所述初级芯片U1，具体是光敏三极管U3B的集电极连接初级芯片U1的反馈引脚FB；所述光接收端和光输出端配合将次级芯片的编码信息传递给所述初级芯片，具体是发光二极管U3A导通时，光敏三极管U3B的集电极被拉低电位，也就是初级芯片U1的反馈引脚FB被拉低电位；发光二极管U3A断开时，光敏三极管U3B截止，初级芯片U1的反馈引脚FB为高电平。
本发明的充电系统能够根据充电负载的使用需求调整输出的充电电压值和充电电流值。
调整充电电压值的调节原理如下：
系统输出采样电压和基准电压分别作为误差放大器U4的两个输入端，通过改变输入的基准电压来实现输出充电电压的调整。其中，系统输出采样电压为初级芯片电压采样引脚(Vs)的采样电压Vs，Vs为：
V s = V 0 * N a N s * R 1 R 1 + R 2 ;
V0-次级输出端的输出电压；
Na-反激式变压器初级输出端的辅助绕组匝数；
Ns-反激式变压器次级输出端的绕组匝数；
R1-采样电阻R1的阻值；
R2-采样电阻R2的阻值。
根据光耦解码获得充电负载的需求，比如，充电负载需要5V的输出，光耦解码后，初级芯片U1选择基准电压为1.2V作为误差放大器U4的输入端；如果负载要求12V输出，光耦解码后，初级芯片U1选择基准电压为2.6V作为误差放大器U4的输入端。以此实现输出充电电压的调节。
调整充电电流值的调节原理如下：
初级芯片U1改变其内部的值，使得反激式变压器T的次级输出端Uo2输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流，
其中，Tdemag-反激式变压器去磁时间；
T-开关管Q的导通周期；
Vcs-初级芯片的电流检测引脚Cs的阀值电压。
如图5所示，本发明编码模块编码23的数字信号包含数字位信号位和截止位信号位，数字位信号至少包含了待充电负载需要的输出电压信息和输出电流信息，输出电压信息包括输出电压可调范围、调节的档位和每档调节的幅度；输出电流信息包括电流可调范围、调节的档位和每档调节的幅度。比如，根据QC3.0协议输出电压在3.6V～20V之间有82档，200mV一档，此时数字位信号可以为9位，其中的7位用于满足电压信息的编码，2位为用于满足电流信息的编码。
实施例二
本实施例提供一种电源适配器，其包括如上所述的快速充电系统，可同时支持多种快充协议，实现输出充电电压、输出充电电流的双重可调。
由此，本发明的快速充电系统及使用该充电系统的电源适配器，可同时支持多种快充协议，实现输出充电电压、输出充电电流的双重可调。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种输出电压、电流可调的快速充电系统，包括反激式变压器，所述反激式变压器具有初级输入端、初级输出端和次级输出端，所述次级输出端与待充电负载连接，给所述待充电负载提供充电电源，其特征在于：其还包括快充协议接口、初级芯片、次级芯片和光耦，
-所述快充协议接口，其至少配置有两个，分别为QC快充协议接口、USB PD快充协议接口；
-所述次级芯片，其与次级输出端连接，其能够识别当前的快充协议接口，且识别后基于当前的快充协议接口与所述待充电负载之间双向通信，其通过与待充电负载之间双向通信获得待充电负载的充电电源需求，并将充电电源需求转换成内部识别码后编码输出；
-所述光耦，其具有光配合的光输出端和光接收端；
其光输出端受控于所述次级芯片，所述次级芯片编码后的信息基于光输出端发出；
其光接收端连接所述初级芯片，所述光接收端和光输出端配合将次级芯片的编码信息传递给所述初级芯片；
-所述初级芯片，其与初级输出端连接，其对光接收端传递过来的编码信息进行解码，获得待充电负载的充电电源需求，并根据待充电负载的充电电源需求控制所述反激式变压器，使得其次级输出端输出恒定电流值能够调整的充电电流和/或恒定电压值能够调整的充电电压。
2.根据权利要求1所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述初级芯片包括解码模块、误差放大器模块、基准电压调整模块和电流输出控制模块，
-所述解码模块，其对光接收端传递过来的编码信息进行解码，以获得初级芯片能够识别的识别码，解码后的识别码包含有待充电负载的充电电源需求；
-所述误差放大器模块，其具有误差放大器，系统输出采样电压和系统基准电压分别形成误差放大器的两个输入端，所述误差放大器的输出端连接开关管以控制所述开关管的通断；
-所述基准电压调整模块，其输出可调的基准电压，用作所述误差放大器的基准电压输入，通过调整所述基准电压调整模块输出的基准电压来控制所述误差放大器的输出，从而控制反激式变压器，使得其次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电压值能够调整的充电电压；
-所述电流输出控制模块，其用于调整所述初级芯片的内部参数，使得反激式变压器的次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流。
3.根据权利要求1所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述次级芯片包括协议识别模块、协议通信模块、编码模块和控制模块，
-所述协议识别模块，其用于识别与系统连接的待充电负载为哪一种协议接口；
-所述协议通信模块，其基于识别的当前接口协议与待充电负载之间进行双向通信，获取待充电负载的充电电源需求信息；
-所述编码模块，其用于将协议通信模块获取的充电电源需求信息转换成内部能够识别的识别码，并基于一定的编码原则编制成码；
-所述控制模块，其用于控制所述光输出端，将编制成码后的编码信息发送出去。
4.根据权利要求1所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述光耦为封装为一体的发光二极管和光敏三极管，所述发光二极管和光敏三极管分别形成光耦的光输出端和光接收端，所述发光二极管的正极连接次级输出端，其负连接次级芯片的光控制引脚(DR)，所述光敏三极管的集电极连接初级芯片的反馈引脚(FB)，其发射极接地，其基极耦合所述发光二极管。
5.根据权利要求2所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述初级芯片与初级输出端还连接有采样电阻(R1、R2)，采样电阻(R1、R2)之间串联，采样电阻(R1)接地，采样电阻(R2)连接初级输出端，采样电阻(R1、R2)之间的节点连接初级芯片的电压采样引脚(Vs)。
6.根据权利要求5所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述系统输出采样电压为初级芯片电压采样引脚(Vs)的采样电压Vs，Vs为：
V s = V 0 * N a N s * R 1 R 1 + R 2 ;
V0-次级输出端的输出电压；
Na-反激式变压器初级输出端的辅助绕组匝数；
Ns-反激式变压器次级输出端的绕组匝数；
R1-采样电阻R1的阻值；
R2-采样电阻R2的阻值。
7.根据权利要求2所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述电流输出控制模块调整初级芯片内部的值，使得反激式变压器的次级输出端输出符合待充电负载需求、恒定电流能够调整的充电电流，
其中，Tdemag-反激式变压器去磁时间；
T-开关管(Q)的导通周期；
Vcs-初级芯片的电流检测引脚(Cs)的阀值电压。
8.根据权利要求3所述的一种输出电压、电流可调的快速充电系统，其特征在于：所述编码模块编码的数字信号包含数字位信号位和截止位信号位，数字位信号至少包含了待充电负载需要的输出电压信息和输出电流信息，输出电压信息包括输出电压可调范围、调节的档位和每档调节的幅度；输出电流信息包括电流可调范围、调节的档位和每档调节的幅度。
9.一种电源适配器，其特征在于：其包括权利要求1-8任一项所述的快速充电系统。
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