CN109245519A - 一种分段式恒功率充电开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分段式恒功率充电开关电源，开关电源模块将方波信号输入整流滤波模块，整流滤波模块将方波信号整流滤波后，将直流电压输入A/D转换模块，A/D转换模块输出数字信号，数字信号输入到D/A转换模块，D/A转换模块将数字信号转换为模拟电流，模拟电流输入到限流模块，限流模块进行限流处理后输出调整电流并进入输出模块。本发明有效地保证在电路的输出端的输出功率在各自所属分端电压下保持恒定，其中恒功率的线性度可根据整流滤波模块产生的直流电压的分段数量灵活控制，实现电路简单，充电效率高效并且使用过程安全可靠，不仅节约成本，还大大减少了充电时间。

Description

一种分段式恒功率充电开关电源

技术领域

本发明涉及电动汽车的电源领域，尤其是一种充电开关电源。

背景技术

随着科技的快速发展，手机、平板电脑等便携电子产品成为人们形影不离的工具，但由于电子设备一般体积都很小的原因，导致自身电池的容量有限，很快电量就耗尽，就需要及时充电，以往的充电效率并不能满足人们的用电需求，所以快速高效的充电成为人们关心的主要问题。

目前生活中的便携式电子产品已经基本都支持市场上的各种快充协议，充电电压基本都是在4V～20V之间波动，输出电流随着电压的改变而进行调整，但由于现有的充电电源大多需要使用原装配件才能达到理想快充效果，如果没有原装充电线，就达不到对应的快充效果，这就需要电源内部自置自动识别充电设备输出电压大小，并根据输出电压的需要自动调节输出电流大小的内置电路，自动调整充电器的输出功率，使设备在允许的安全最高充电电压，在保护充电设备的前提下节省充电时间。

但在现有的充电方案中，基本使用的是恒压或恒流模式，在其充电过程中，由于各种设备的需求电压多种多样，这就需要充电器的输出功率随着输出电压的变化而发生变化，如果输出功率不能及时的跟随输出电压进行及时的变化，这将严重影响到充电效率，更为严重的在功率过大时会对充电电源造成很大的安全隐患，从而在使用时存在很大风险。

充电电源的充电效率和稳定性是目前研究的关键问题。如何降低制造成本，并能够通过一定的电路设计方案，提高充电效率，能够对电子设备在不同电压需求下进行分段式恒功率充电，并控制其最大输出功率保证设备充电过程的稳定性，是此项技术的热点与难点。

所以，需要开发一种方法简单、成本较低、安全可靠的分段式恒功率充电开关电源。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分段式恒功率充电开关电源，能够保证电源的输出功率跟随设备需求的分段电压及时调整并在各段电压内保持恒定，以解决上述问题的不足之处。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种分段式恒功率充电开关电源，包括开关电源模块、整流滤波模块、A/D转换模块、D/A转换模块、限流模块和输出模块，所述开关电源模块将方波信号输入整流滤波模块，整流滤波模块将方波信号整流滤波后，将直流电压输入A/D转换模块，A/D转换模块输出数字信号，数字信号输入到D/A转换模块，D/A转换模块将数字信号转换为模拟电流，模拟电流输入到限流模块，限流模块进行限流处理后输出调整电流并进入输出模块。

所述开关电源模块将电源信号转换成方波信号，开关电源模块本身的采用Buck拓扑结构，其中输入输出电压与控制信号的占空比D计算关系为：

D＝V_OUT/V_IN (1)

式中V_OUT为开关电源模块的输出电压，V_IN为开关电源模块的输入电压；

所述A/D转换模块和D/A转化模块共同构成的转换电路相当于一个反比译码器，根据直流电压的大小转换成对应的模拟电流，其中等效转换关系式为：

I＝1/V (2)

式中I为D/A转换模块输出的模拟电流，V为直流电压。

所述限流模块包括电流放大模块、电压检测模块和控制模块，所述电流放大模块输入端连接D/A转换模块的输出端，电流放大模块的输出端连接控制模块的电流输入端，电流放大模块将D/A转换模块产生的模拟电流通过电路内部放大器电路进行放大后传入控制模块中；所述电压检测模块的输出端连接控制模块的控制输入端，将整流滤波模块产生的直流电压传输到控制模块内部；所述控制模块，输出端连接输出模块的输入端，控制模块内部为功率管，根据电压检测模块传入的直流电压控制功率管的栅压，从而控制电流放大模块传入的电流大小，并将调整后的电流传入输出模块的输入端。

所述限流模块，通过电压检测模块将整流滤波模块产生的直流电压分为0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4…不同的电压段，由电压检测模块检测电压的大小确定属于哪个电压段，通过控制模块调整整流滤波模块产生的直流电压对应的限制电流，并在输出端输出电压Ui，与来自限流模块产生的限制电流Ii，根据公式

Pi＝Ui*Ii (3)

式中Pi为对应电压Ui的输出功率，Ui为电路的输出电压，Ii为对应电压Ui电路内部限流模块产生的限制电流；

输出模块产生对应电压段内的恒定输出功率，在0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4…各个电压段内产生对应的输出功率P1、P2、P3、P4…，使得在各个对应电压段输出功率保持恒定。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的整流滤波模块采用低通滤波器将供电电压方波信号转换成相对应的直流电压，后续A/D转换模块和D/A转换模块整体相当于反比译码器电路，进行电压-电流转化，限流模块内部检测模块将前段产生的直流电压值进一步分段，对不同输出电压下的输出电流进行限制调整，从而做到根据不同的直流电压值分段实现不同输出电压下的电流限制，就能够有效地保证在电路的输出端的输出功率在各自所属分端电压下保持恒定。

2.本发明不同于以往输出功率直接跟随电压的变化而变化，如图3，而是分段式恒功率输出，并在达到最大输出功率时保持恒定，如图4，其中恒功率的线性度可根据整流滤波模块产生的直流电压的分段数量灵活控制。

3.本发明实现电路简单，充电效率高效并且使用过程安全可靠，不仅节约成本，还大大减少了充电时间。

附图说明

图1为本发明的分段式恒功率充电开关电源的电路示意图。

图2为本发明的限流模块电路示意图。

图3为传统功率与电压关系图。

图4为本发明功率与电压关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种分段式恒功率充电开关电源，包括开关电源模块、整流滤波模块、A/D转换模块、D/A转换模块、限流模块和输出模块。所述开关电源模块将方波信号输入整流滤波模块，整流滤波模块将方波信号整流滤波后，将直流电压输入A/D转换模块，A/D转换模块输出数字信号，数字信号输入到D/A转换模块，D/A转换模块将数字信号转换为模拟电流，模拟电流输入到限流模块，限流模块进行限流处理后输出调整电流并进入输出模块。

所述开关电源模块将电源信号转换成方波信号，开关电源模块电路本身的采用Buck拓扑结构，其中输入输出电压与控制信号的占空比D计算关系为：

D＝V_OUT/V_IN (1)

式中V_OUT为开关电源模块的输出电压，V_IN为开关电源模块的输入电压；

所述整流滤波模块将开关电源传输的方波信号经过整流滤波模块内部电路的整流滤波后，转化为相对应的直流电压输出。

所述A/D转换模块将直流电压转换成数字信号。

所述D/A转换模块将数字信号转换成模拟电流。

所述A/D转换模块和D/A转化模块共同构成的转换电路相当于一个反比译码器，根据直流电压的大小转换成对应的模拟电流，其中等效转换关系式为：

I＝1/V (2)

式中I为D/A转换模块输出的模拟电流，V为直流电压。

所述限流模块包括电流放大模块、电压检测模块和控制模块。所述电流放大模块输入端连接D/A转换模块的输出端，所述电流放大模块的输出端连接控制模块的电流输入端，电流放大模块主要将D/A转换模块产生的模拟电流通过电路内部放大器电路进行放大传入控制模块中；

所述电压检测模块的输出端连接控制模块的控制输入端，主要将整流滤波模块产生的直流电压传输到控制模块内部；

所述控制模块，电流输入端连接电流放大模块的输出端，控制输入端连接输出电压检测模块的输出端，输出端连接输出模块的输入端，控制模块内部主要为功率管，主要根据电压检测模块传入的直流电压来控制功率管的栅压，从而控制电流放大模块传入的电流大小，并将调整后的电流传入输出模块的输入端。

所述限流模块，通过电压检测模块将整流滤波模块产生的直流电压分为0-U₁、U₁-U₂、U₂-U₃、U₃-U₄等不同的电压段，由电压检测模块检测电压的大小确定属于哪个电压段，通过控制模块调整整流滤波模块产生的直流电压对应的限制电流。并在输出端的输出电压Ui，与来自限流模块产生的限制电流Ii，根据公式

Pi＝Ui*Ii (3)

式中P_i为对应电压Ui的输出功率，U_i为电路的输出电压，I_i为对应电压Ui电路内部限流模块产生的限制电流。

输出模块产生对应电压段内的恒定输出功率，在0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4…各个电压段内产生对应的输出功率P1、P2、P3、P4…，使得在各个对应电压段输出功率保持恒定。

综上，本发明提出了一种分段式恒功率充电开关电源，实现方法简单，有利于成本优化，恒功率的线性度可根据分段的数量灵活控制，可以达到实现恒功率快速充电的效果。

Claims (4)

1.一种分段式恒功率充电开关电源，其特征在于：

所述的分段式恒功率充电开关电源，包括开关电源模块、整流滤波模块、A/D转换模块、D/A转换模块、限流模块和输出模块，所述开关电源模块将方波信号输入整流滤波模块，整流滤波模块将方波信号整流滤波后，将直流电压输入A/D转换模块，A/D转换模块输出数字信号，数字信号输入到D/A转换模块，D/A转换模块将数字信号转换为模拟电流，模拟电流输入到限流模块，限流模块进行限流处理后输出调整电流并进入输出模块。

2.根据权利要求1所述的一种分段式恒功率充电开关电源，其特征在于：

所述开关电源模块将电源信号转换成方波信号，开关电源模块本身的采用Buck拓扑结构，其中输入输出电压与控制信号的占空比D计算关系为：

D＝V_OUT/V_IN (1)

式中V_OUT为开关电源模块的输出电压，V_IN为开关电源模块的输入电压。

3.根据权利要求1所述的一种分段式恒功率充电开关电源，其特征在于：

所述A/D转换模块和D/A转化模块共同构成的转换电路相当于一个反比译码器，根据直流电压的大小转换成对应的模拟电流，其中等效转换关系式为：

I＝1/V (2)

式中I为D/A转换模块输出的模拟电流，V为直流电压。

4.根据权利要求1所述的一种分段式恒功率充电开关电源，其特征在于：

所述限流模块包括电流放大模块、电压检测模块和控制模块，所述电流放大模块输入端连接D/A转换模块的输出端，电流放大模块的输出端连接控制模块的电流输入端，电流放大模块将D/A转换模块产生的模拟电流通过电路内部放大器电路进行放大后传入控制模块中；所述电压检测模块的输出端连接控制模块的控制输入端，将整流滤波模块产生的直流电压传输到控制模块内部；所述控制模块，输出端连接输出模块的输入端，控制模块内部为功率管，根据电压检测模块传入的直流电压控制功率管的栅压，从而控制电流放大模块传入的电流大小，并将调整后的电流传入输出模块的输入端；

所述限流模块，通过电压检测模块将整流滤波模块产生的直流电压分为0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4…不同的电压段，由电压检测模块检测电压的大小确定属于哪个电压段，通过控制模块调整整流滤波模块产生的直流电压对应的限制电流，并在输出端输出电压Ui，与来自限流模块产生的限制电流Ii，根据公式

Pi＝Ui*Ii (3)

式中Pi为对应电压Ui的输出功率，Ui为电路的输出电压，Ii为对应电压Ui电路内部限流模块产生的限制电流；

输出模块产生对应电压段内的恒定输出功率，在0-U1、U1-U2、U2-U3、U3-U4…各个电压段内产生对应的输出功率P1、P2、P3、P4…，使得在各个对应电压段输出功率保持恒定。