CN107809175B - 开关电源、数控电压源及数控可调基准源芯片 - Google Patents
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Abstract
一种开关电源、数控电压源及数控可调基准源芯片，包括：一数控电压源控制电路和与该数控电压源控制电路相连的一数字控制信号输入端口、一控制信号输出端口、一采样电压输入端口以及一接地端口；其中，该数控电压源控制电路能够根据该数字控制信号输入端口输入的数字信号的要求，生成一电压源，与根据该采样电压输入端口采样的输出电压信号比较后，由该控制信号输出端口输出一控制信号。本发明能够提供稳定可靠的基准，并且易于与通信协议芯片配接。
Description
技术领域
本发明涉及基准源芯片，尤其涉及一种适用于开关电源的基准源芯片。
背景技术
在USB Type-C及高通公司的QC3.0快充标准发布后，具有输出电压切换功能的开关电源应用得到快速发展。依据其要求，在上电时输出默认的 5V 电压，当终端连接并正确识别后，可进一步按照终端要求将输出电压调整，例如：从5V升至最高20V，从而可以传输高达100W的功率给终端负载，同时电源依然可以兼容标准的5V设备。
参见图1所示的现有一种开关电源及基准源，当需要输出14.5V时，通信协议芯片U2的端口Ctrl1输出高电平，MOS管Q1导通，电阻R5与电阻R4并联，改变采样分压电阻阻值，通过型号为TL431的电压基准芯片U1调整输出电压到14.5V，此电压借助光耦芯片U3，可以反馈到PWM控制芯片U4的FB端口来控制输出电压Vout。当需要输出20V时，通信协议芯片U2的端口Ctrl1和端口Ctrl2同时输出高电平，MOS管Q1和MOS管Q2均导通，电阻R6、电阻R5与电阻R4并联，改变采样分压电阻阻值，通过电压基准芯片U1调整输出电压到20V。这种现有的基准源存在一些问题：外围器件较多，增多一个输出电压值，就相应地需要增加一个MOS管及相应的控制电阻，还相应地需要增多一个通信协议芯片U2的控制端口来控制新增的该MOS管；并且，由于输出电压值是靠与新增的MOS管的漏极串联的控制电阻的阻值大小来决定，因此在电路设定好之后，如需要改变输出电压值，必须同时更改通信协议芯片U2软件和控制电阻的阻值才能实现。
参见图2所示的现有另一种开关电源及基准源，在通信协议芯片U2内部集成有一个下拉电流源，其是通过通信协议芯片U2的端口CTRL1以2uA每步，通过控制型号为TL431的电压基准芯片U1的FB端口来控制输出电压Vout。这种的基准源存在一些问题：对于通常用来作为接口协议处理单元的单片机系统而言，要产生精确的2uA每步的电流源是非常困难的事情，无法直接使用通用的单片机电路进行控制；另外，对于2uA的电流来说，极易因为布线不良或连接距离因素而受到外部信号干扰。
可见，在设计从5V可升高至20V的电源系统时，基于现有三端可调分流源，例如：TL431型电压基准、TSM1052型电压电流基准，所实现的基准源，存在很多的问题，给诸如手机之类的智能终端进行全数字的控制带来根本性的障碍，实有必要进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种数控可调基准源芯片，能够提供稳定可靠的基准，并且易于与通信协议芯片配接。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种数控可调基准源芯片，包括：一数控电压源控制电路和与该数控电压源控制电路相连的一数字控制信号输入端口、一控制信号输出端口、一采样电压输入端口以及一接地端口；其中，该数控电压源控制电路能够根据该数字控制信号输入端口输入的数字信号的要求，生成一电压源，与根据该采样电压输入端口采样的输出电压信号比较后，由该控制信号输出端口输出一控制信号。
在一些实施例中，该数控电压源控制电路包括：一串口处理逻辑单元，用于从该数字控制信号输入端口输入控制信号，生成一开关控制信号；一选择开关与电阻网络单元，包括多个选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供该电压源；一参考电平单元，为该电阻网络提供一基准电平；以及一比较单元，用于将该电压源与该输出电压信号比较，比较的结果作为该控制信号输出。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种开关电源，包括：一通信协议芯片，经由一光耦芯片受控于该通信协议芯片的一PWM控制芯片，以及设置在该通信协议芯片与该光耦芯片之间的、如上所述的数控可调基准源芯片，其中，该数字控制信号输入端口与该通信协议芯片的一输出端口相连，该控制信号输出端口与该光耦芯片相连，该采样电压输入端口与该开关电源的输出电压相连。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种数控电压源，包括：如上所述的数控可调基准源芯片，其中，该控制信号输出端口与一供给电源之间串设一第一电阻，该采样电压输入端口与该控制信号输出端口之间串设一第二电阻。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种数控可调基准源芯片，包括：一数控电压源控制电路，一输出电流检测电路，与该数控电压源控制电路相连的一数字控制信号输入端口、一控制信号输出端口、一采样电压输入端口以及一接地端口，以及与该输出电流检测电路相连的一采样电流输入端口；其中，该数控电压源控制电路能够根据该数字控制信号输入端口输入的数字信号的要求，生成一电压源，与根据该采样电压输入端口采样的输出电压信号比较后，由该控制信号输出端口输出一恒电压控制信号；该输出电流检测电路能够根据该数字控制信号输入端口输入的数字信号的要求，生成另一个电压源，与根据该采样电流输入端口采样的输出电流信号比较后，由该控制信号输出端口输出一恒电流控制信号。
在一些实施例中，该数控电压源控制电路包括：一串口处理逻辑单元，用于从该数字控制信号输入端口输入控制信号，生成一开关控制信号；一第一选择开关与电阻网络单元，包括多个选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供该电压源；一第一参考电平单元，为该电阻网络提供一第一基准电平；以及一第一比较单元，用于将该电压源与该采样的输出电压信号比较，比较的结果作为恒电压控制信号输出。
在一些实施例中，该输出电流检测电路包括：一第二选择开关与电阻网络单元，包括多个选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供该另一电压源；一第二参考电平单元，为该电阻网络提供一第二基准电平；以及一第二比较单元，用于将该另一电压源与该采样的输出电流信号比较，比较的结果作为恒电流控制信号输出。
在一些实施例中，还包括：设置在该第一比较单元与该控制信号输出端口之间的一第一隔离单元，和设置在该第二比较单元与该控制信号输出端口之间的一第二隔离单元，以使该恒电压控制信号输出与该恒电流控制信号输出相互之间不会产生冲突。
在一些实施例中，该第一隔离单元/第二隔离单元选用隔离二极管，该隔离二极管的正极与该控制信号输出端口相连、负极与该第一比较单元/第二比较单元的输出端相连。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种开关电源，包括：一通信协议芯片，经由一光耦芯片受控于该通信协议芯片的一PWM控制芯片，以及设置在该通信协议芯片与该光耦芯片之间的、如上所述的数控可调基准源芯片，其中，该数字控制信号输入端口与该通信协议芯片的一输出端口相连，该控制信号输出端口与该光耦芯片相连，该采样电压输入端口与该开关电源的输出电压相连，该采样电流输入端口与该开关电源的输出电流相连。
与现有技术相比，本发明通过数字控制信号输入端口从通信协议芯片输入的数字信号，相应地在芯片内部产生一个电压源，与采样电压输入端口提供的开关电源的输出电压进行比较，经由光耦芯片来控制PWM控制芯片，这样就可以输入数字信号指令来实现开关电源输出不同电压值；另外，数字控制信号输入端口上的控制信号采用数字串行指令，极大地增强了采样反馈电路的抗干扰性；并且，只需要一个普通的数字I/O端口输出所要求的串行指令就可以实现不同的电压输出。
附图说明
图1是现有的一种开关电源及基准源的电原理图。
图2是现有的另一种开关电源及基准源的电原理图。
图3是本发明的开关电源及数控可调基准源芯片第一实施例的电原理图。
图4是本发明的数控可调基准源芯片第一实施例的详细电原理图。
图5是本发明的数控可调基准源芯片第一实施例的一种应用。
图6是本发明的开关电源及数控可调基准源芯片第二实施例的电原理图。
图7是本发明的数控可调基准源芯片第二实施例的详细电原理图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
参见图3，图3是本发明的开关电源及数控可调基准源芯片第一实施例的电原理图。本发明提出一种开关电源，其包括：数控可调基准源芯片U1，通信协议芯片U2，光耦芯片U3和PWM控制芯片U4。
数控可调基准源芯片U1内部包括一个数控电压源控制电路31。该数控可调基准源芯片U1设有与该数控电压源控制电路31相连的数字控制信号输入端口Ki、控制信号输出端口Ko、采样电压输入端口Vi以及接地端口Gnd。其中，该数控电压源控制电路31可根据端口Ki输入的数字信号的要求，生成一个电压源，与根据端口Vi采样的输出电压信号比较后，由端口Ko输出一控制信号，经由光耦芯片U3来控制PWM控制芯片U4。这样就可以根据从通信协议芯片U2输入的数字信号指令，来实现电源输出不同电压值。由于控制信号是采用数字串行指令，可极大地增强采样PWM控制芯片U4的反馈电路的抗干扰性。另外，对于通信协议芯片U2来说，只需要利用一个普通的数字I/O输出端口，就可以输出所要求的串行指令信息，来实现不同电压的输出，选用通信协议芯片U2所受到的限制较少。
参见图4，图4是本发明的数控可调基准源芯片第一实施例的详细电原理图。结合图3，上述的数控可调基准源芯片U1具体包括：串口处理逻辑单元41，能够从端口Ki输入控制信号，转而生成开关控制信号；选择开关与电阻网络单元42，包括若干选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供一个电压源；参考电平单元43，为该电阻网络提供基准电平；以及比较单元44，将该电压源与端口Vi提供的输出电压Vout信号进行比较，比较的结果作为控制信号从端口Ko输出。可以理解的是，该串口处理逻辑单元41、选择开关与电阻网络单元42、参考电平单元43以及比较单元44构成前述的数控电压源控制电路31。
举例而言，该数控可调基准源芯片U1的控制串行数据包含“包头标示+数据区+校验码+包尾标示”。芯片U1在接收到数据包并确认为有效数据包后，根据数据区给出的指令给该比较单元44输出一个所需的参考电压，与采样信号比较后，可控制PWM控制芯片U4输出需要的输出电压；如无新的数据包或接收到无效的数据包，则维持现有状态，直到接收到新的有效指令。
值得一提的是，在本实施例中，该数控电压源控制电路31可根据端口Ki输入的数字信号的要求与PWM控制芯片U4一起组成一个电压源；在其他实施例中，该数控电压源控制电路31也可以是能够根据端口Ki输入的数字信号的要求与PWM控制芯片U4一起组成一个恒流源。
与现有技术相比，这种的数控可调基准源芯片U1结构，可根据端口Ki从通信协议芯片U2输入的数字信号的要求，在芯片内部产生一个电压源，与端口Vi提供的开关电源的输出电压信号进行比较，经由光耦芯片U3来控制PWM控制芯片U4，这样就可以输入数字信号指令来实现开关电源输出不同电压值；另外，端口Ki上的控制信号采用数字串行指令，极大地增强了采样反馈电路的抗干扰性；并且，只需要一个普通的数字I/O端口输出所要求的串行指令就可以实现不同的电压输出，可以理解，通信协议芯片U2的选用方面，几乎没有什么限制。
参见图5，图5是本发明的数控可调基准源芯片第一实施例的一种应用。该数控可调基准源芯片U1的应用并不局限于开关电源。外围器件只需要两个电阻R1、R2，具体而言，该数控可调基准源芯片U1的端口Ko与一供给电源Vcc之间串设第一电阻R1，该数控可调基准源芯片U1的端口Vi与端口Ko之间串设第二电阻R2，就可以实现精确的数控电压源，可方便地实现数字信号对模似信号的控制。
参见图6，图6是本发明的开关电源及数控可调基准源芯片第二实施例的电原理图。该数控可调基准源芯片U1与前述第一实施例的差异主要体现在：内部电路除了数控电压源控制电路61之外，增加了一个输出电流检测电路62。在端口方面相应地增加了一个采样电流输入端口Ii，该输出电流检测电路62能够探知电流检测电阻Ris上的电压值，从而得到输出电流I的大小，输出电流采样信号与芯片U1内部的基准电压比较后，经由光耦芯片U3来控制PWM控制芯片U4，这样就可以根据来自通信协议芯片U2的数字信号指令，实现电源输出不同电流值。可以理解的是，该数控可调基准源芯片U1与该PWM控制芯片U4相配合可构成恒压输出/恒流输出的开关电源。
参见图7，图7是本发明的数控可调基准源芯片第二实施例的详细电原理图。结合图6，上述的数控可调基准源芯片U1具体包括：串口处理逻辑单元71，能够从端口Ki输入控制信号，转而生成开关控制信号；第一选择开关与电阻网络单元72，包括若干选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供一个电压源；第一参考电平单元73，为该第一电阻网络提供基准电平；第一比较单元74以及第一隔离单元75，将该电压源与端口Vi提供的输出电压Vout信号进行比较，比较的结果作为恒电压控制信号可从端口Ko输出；第二选择开关与电阻网络单元76，包括若干选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供另一个电压源；第二参考电平单元77，为该第二电阻网络提供基准电平；第二比较单元78以及第二隔离单元79，将该另一电压源与端口Ii提供的输出电流采样信号（也即采样的输出电流信号）进行比较，比较的结果作为恒电流控制信号可从端口Ko输出。可以理解的是，该串口处理逻辑单元71、第一选择开关与电阻网络单元72、第一参考电平单元73以及第一比较单元74构成前述的数控电压源控制电路61；该第二选择开关与电阻网络单元76、第二参考电平单元77以及第二比较单元78构成前述的输出电流检测电路62。
值得一提的是，设置这两个隔离单元75、79可以实现两个比较单元74、78之间的隔离，也就是说，在电源输出恒压状态时，控制电流的比较单元78输出高电平，有隔离单元79的作用，就不会对恒电压控制信号产生影响；同样地，在电源输出恒流状态时，控制电压的比较单元74输出高电平，有隔离单元75的作用，就不会对恒电流控制信号产生影响。在本实施例中，隔离单元75、79选用二极管实现，比较单元74、78选用运算放大器实现。
与现有技术相比，这种的数控可调基准源芯片U1结构，可根据端口Ki从通信协议芯片U2输入的数字信号的要求，在芯片内部产生两个电压源，分别与与端口Vi提供的开关电源的输出电压信号以及端口Ii提供的开关电源的输出电流采样信号进行比较，经由光耦芯片U3来控制PWM控制芯片U4，这样就可以输入数字信号指令来实现开关电源输出不同电压值/电流值；另外，端口Ki上的控制信号采用数字串行指令，极大地增强了采样反馈电路的抗干扰性；并且，只需要一个普通的数字I/O端口输出所要求的串行指令就可以实现不同的电压输出，可以理解，通信协议芯片U2的选用方面，几乎没有什么限制。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种数控电压源，其特征在于，包括：一数控电压源控制电路和与该数控电压源控制电路相连的一数字控制信号输入端口、一控制信号输出端口、一采样电压输入端口以及一接地端口；其中，该数控电压源控制电路能够根据该数字控制信号输入端口输入的数字信号的要求，生成一电压源与根据该采样电压输入端口采样的输出电压信号比较后，由该控制信号输出端口输出一控制信号；该控制信号输出端口与一供给电源之间串设一第一电阻，该采样电压输入端口与该控制信号输出端口之间串设一第二电阻。
2.依据权利要求1所述的数控电压源，其特征在于，该数控电压源控制电路包括：一串口处理逻辑单元，用于从该数字控制信号输入端口输入控制信号，生成一开关控制信号；一选择开关与电阻网络单元，包括多个选择开关和与这些选择开关相连的电阻网络，这些选择开关受控于该开关控制信号，提供该电压源；一参考电平单元，为该电阻网络提供一基准电平；以及一比较单元，用于将该电压源与该采样的输出电压信号比较，比较的结果作为该控制信号输出。
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