CN110119177B - 一种低压制造工艺的集成电路及其电源电路 - Google Patents
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Abstract
目前采用低压制造工艺的USB PD集成电路中只提供恒压充电的模式而不具备恒流充电的模式，USB PD集成电路的应用有所受限，本发明提供了一种低压制造工艺的集成电路及其电源电路，该集成电路支持PD3.0协议，所述低压制造工艺的集成电路相对于现有技术具备恒流模式，所述电源电路是基于低压制造工艺的集成电路设计的，该电源电路通过对输出信号的实时监测和调整，从而达到恒流/恒压的充电功能，克服市面上低压制造工艺的USB PD集成电路缺少恒流功能的缺陷，相对于采用高压制造工艺的USB PD集成电路而言降低了生产的成本，为PD充电的大量普及奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及快速充电技术领域，具体涉及一种低压制造工艺的集成电路及其电源电路。
背景技术
随着科技的进步，人们对便携式设备的使用要求也越来越高，主要体现在追求更快、更安全的充电和数据传输速度。目前的大部分便携式设备都是通过USB接口进行充放电和数据传输，伴随着人们的应用需求增长，USB协议也不停的进行升级换代，USB的充电功率由2.5W升级到7.5W，数据传输速度也由1.5Mbps升级到5Gbps。目前为了实现手机的快速充电功能，很多设备厂商基于USB-C接口，通过制定自身的快充协议（QC/FCP/MTK/VOOC）把充电功率提升到20W左右，大大的缩短了设备的充电时间。但也导致了市面上充斥着各种快充协议和设备，它们之间不能兼容，这给消费者的使用带来了极大的不便和造成了资源的极度浪费。2017年1月12日USB组织推出了[PD3.1]协议规范，其中USB PD 是“USB PowerDelivery Specification（USB PD）”供电规格，该协议规定最大输出功率可达100W，传输速度可达10Gbps，并且使用了一种新的USB接口：Type-C接口。Type-C接口早在2016年5月25日推出[Type-C1.2]协议规范中定义好的。[Type-C1.2]协议规定最大输出功率可达15W，同时支持Source/Sink、DFP/UFP、VCONN_Source等角色的互换，让应用场景更广阔。而[PD3.1]协议则是在[Type-C1.2]协议基础上把最大输出功率进一步提升到了100W，这极大的提升了便携设备的充电速度。
目前大部分的USB PD集成电路都采用高压制造工艺（其中该类型的芯片引脚的耐压值范围为-0.3～25V），但采用高压制造工艺会导致设计时间周期较长，生产制造成本高，比如台湾立立锜科技的一款用于控制开关电源的芯片RT7207D,是采用高压制造工艺的一款PD芯片，生产制造成本比低压工艺制造的芯片要高。而目前市面上采用低压工艺制造的USB PD集成电路中（其中该类型芯片引脚的耐压值范围为-0.3～6.5V）只提供CV（恒压）充电的工作模式而不具备CC（恒流）充电的工作模式，比如台湾亚法科技带PD的TYPE-C接口芯片UM1135是低压工艺制造出来的，它只提供CV（恒压）充电的工作模式，基于该芯片的移动电源产品不能以恒流模式工作，使得电源电路不能有效地提高用电装置的充电效率，减少充电时的发热量，限制了USB PD集成电路的使用范围。
发明内容
本发明提供了一种低压制造工艺的集成电路,该集成电路支持PD协议。所述集成电路包括了恒流控制模块和参考电压生成模块；其中，所述的集成电路的端口包括了电流采样第一输入端、电流采样第二输入端和电流控制端；参考电压生成模块与恒流控制模块连接，并用于给恒流控制模块提供恒流参考电压，恒流控制模块用于把所述集成电路外部输入的采样电流与所述恒流参考电压进行比较，并输出用于控制所述集成电路外部的电源输出模块输出恒定电流的反馈信号。
进一步地，所述恒流控制模块包括了第九NMOS管、差分放大器和第一误差放大器，所述集成电路的电流采样第一输入端作为差分放大器的正输入端，所述集成电路的电流采样第二输入端作为差分放大器的负输入端;所述差分放大器的输出信号端连接到第一误差放大器的正输入端，参考电压生成模块产生的恒流参考电压输出端连接到第一误差放大器的负输入端，第一误差放大器的输出端连接到第九NMOS管的栅极，第九NMOS管的源极接地，第九NMOS管的漏极连接所述集成电路的电流控制端。
进一步地，所述集成电路还包括恒压控制模块，其中恒压控制模块包括了第二误差放大器和第十NMOS管，第二误差放大器的正输入端作为所述集成电路的电压采样端，用于采样所述集成电路外部的反馈电压，参考电压生成模块的恒压参考电压的输出端连接到第二误差放大器的负输入端，第二误差放大器的输出端连接到第十NMOS管的栅极, 第十NMOS管的源极接地，第十NMOS管的漏极连接所述集成电路的电流控制端。
进一步地，所述的集成电路还包括滤波模块，所述滤波模块包括第三滤波电阻、第二滤波电容和第四滤波电阻；所述集成电路的电流采样第一输入端通过第三滤波电阻连接到第二滤波电容的一端，所述集成电路的电流采样第二输入端通过第四滤波电阻连接到第二滤波电容的另一端；所述滤波模块与所述恒流控制模块连接，并用于为所述恒流控制模块提供滤波后的采样电流。
本发明提供了一种电源电路，包括了所述集成电路和电源输出模块，其中电源输出模块包括了电流采样子模块、电流控制子模块和恒流恒压调节子模块，电流采样子模块连接到所述集成电路的恒流控制模块，给所述集成电路的恒流控制模块提供采样电流；所述集成电路的恒流控制模块与电流控制子模块连接，用于通过电流控制子模块为恒流恒压调节子模块提供反馈信号，并使恒流恒压调节子模块根据反馈信号控制电源输出模块输出恒定电流。
进一步地，所述电流采样子模块包括采样电阻，采样电阻的两端分别通过电流采样第一输入端和电流采样第二输入端连接到所述集成电路，用于采样电源输出模块输出的电流。
进一步地，所述电流控制子模块包括了限流电阻、第四NMOS管和光耦器的发光二极管。所述集成电路的电流控制端连接第四NMOS管的源极，第四NMOS管的漏极与光耦器的发光二极管的负极，第四NMOS管的栅极连接到所述电源电路外挂的线性稳压模块的电压输出端，光耦器的发光二极管的正极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接到电源电路输出端。
进一步地，所述恒流恒压调节子模块包括了光耦器的光敏三极管、滤波电容、第八NMOS管、第六电阻、同步整流子模块和整流滤波子模块，光耦器的光敏三极管与第六电阻串联后与滤波电容并联；光耦器的光敏三极管的集极通过第六电阻与同步整流子模块连接,并用于提供同步整流子模块的反馈电压；光耦器的光敏三极管的射极接地；第八NMOS管的栅极连接同步整流子模块，并用于接收同步整流子模块输出的驱动信号；第八NMOS管的漏极耦接于变压器一的同名端, 第八NMOS管的源极接地;整流滤波子模块与变压器一连接，并用于传输整流滤波后的直流电源；变压器二与同步整流子模块连接，并作为同步整流子模块的供电电源。
进一步地，所述电源输出模块还包括电压采样子模块，其中电压采样子模块包括第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一反馈电阻的一端连接电源电路输出端，第一反馈电阻的另一端连接第二反馈电阻的一端，第二反馈电阻的另一端接地; 第一反馈电阻和第二反馈电阻的公共端与所述集成电路的电压采样端连接。
本发明还提供了一种电源电路，包括所述集成电路和电源输出模块，其中电源输出模块包括电流采样子模块、电流控制子模块、滤波子模块和恒流恒压调节子模块，电流采样子模块通过滤波子模块连接到所述集成电路的恒流控制模块，给所述集成电路的恒流控制模块提供采样电流；所述集成电路的恒流控制模块与电流控制子模块连接，用于通过电流控制子模块为恒流恒压调节子模块提供反馈信号，并使恒流恒压调节子模块根据反馈信号控制电源输出模块输出恒定电流。
进一步地，所述电流采样子模块包括采样电阻，所述滤波子模块包括第一滤波电阻、第一滤波电容和第二滤波电阻；所述集成电路的电流采样第一输入端通过第一滤波电阻连接到采样电阻的一端，电流采样第二输入端通过第二滤波电阻连接到采样电阻的另一端；所述集成电路的电流采样第一输入端与电流采样第二输入端连在第一滤波电容的两端，并为所述集成电路的恒流控制模块提供滤波后的采样电流。
进一步地，所述电流控制子模块包括了限流电阻、第四NMOS管和光耦器的发光二极管。所述集成电路的电流控制端连接第四NMOS管的源极，第四NMOS管的漏极与光耦器的发光二极管的负极，第四NMOS管的栅极连接到所述电源电路外挂的线性稳压模块的电压输出端，光耦器的发光二极管的正极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接到电源电路输出端。
进一步地，所述恒流恒压调节子模块包括了光耦器的光敏三极管、滤波电容、第八NMOS管、第六电阻、同步整流子模块和整流滤波子模块，光耦器的光敏三极管与第六电阻串联后与滤波电容并联；光耦器的光敏三极管的集极通过第六电阻与同步整流子模块连接,并用于提供同步整流子模块的反馈电压；光耦器的光敏三极管的射极接地；第八NMOS管的栅极连接同步整流子模块，并用于接收同步整流子模块输出的驱动信号；第八NMOS管的漏极耦接于变压器一的同名端, 第八NMOS管的源极接地;整流滤波子模块与变压器一连接，并用于传输整流滤波后的直流电源；变压器二与同步整流子模块连接，并作为同步整流子模块的供电电源。
进一步地，所述电源输出模块还包括电压采样子模块，其中电压采样子模块包括第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一反馈电阻的一端连接电源电路输出端，第一反馈电阻的另一端连接第二反馈电阻的一端，第二反馈电阻的另一端接地; 第一反馈电阻和第二反馈电阻的公共端与所述集成电路的电压采样端连接。
本发明实施的有益效果是，本发明的一种低压制造工艺的集成电路相对于现有技术的区别是本发明的集成电路带有恒流工作模式、外围电路设计简单。所述集成电路搭配上所述电源电路通过光耦器的反馈作用，并实时采样输出环路上的电流，根据电流的变化自动调整第八NMOS管Q8的导通时间,实现了一种带有恒流功能的快充系统，克服了市面上低压制造工艺的USB PD集成电路应用平台缺少恒流充电功能这一缺陷。同时，相对于高压制造工艺的USB PD集成电路而言，本发明的低压制造工艺的集成电路和电源电路设计缩短开发周期，提高产品的竞争力, 降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的一种低压制造工艺的集成电路(不集成电流采样滤波模块)及其电源电路的整体结构框图；
图2为本发明的一种低压制造工艺的集成电路(集成电流采样滤波模块)及其电源电路的整体结构框图；
图3为本发明的一种电源电路的电路图（集成电路不集成电流采样滤波模块）；
图4为本发明的一种电源电路的电路图（集成电路集成电流采样滤波模块）；
图5中虚线内为本发明的一种低压制造工艺的集成电路的恒流控制模块和恒压控制模块的电路图，虚线外为对应搭配的外围电路图；
图6中虚线内为本发明的一种低压制造工艺的集成电路的滤波模块、恒流控制模块和恒压控制模块的电路图，虚线外为对应搭配的外围电路图；
图7为本发明的一种电源电路外挂的电源稳压模块结构图；
图8为Type-C母座接口的示意图。
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详细描述。应当理解，下面所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施提供了一种不集成电流采样滤波模块的集成电路，如附图3所示，所述集成电路的端口有电流采样第一输入端CS+、电流采样第二输入端CS-、配置端一CC1、配置端二CC2、电压采样端VFB和电流控制端OPTO。如附图1和附图3所示，所述集成电路包括了恒流控制模块8和参考电压生成模块10。其中参考电压生成模块10包括了微控制单元MCU和数模转换器DAC。所述集成电路中的微控制单元MCU通过配置端一CC1或配置端二CC2和PD设备握手通讯后决定需要供给该PD设备的电流，然后微控制单元MCU基于此输出电流通过数模转换器DAC产生一个参考电压VREF_CC，所以参考电压生成模块10给恒流控制模块8提供恒流参考电压VREF_CC，同时恒流控制模块8把所述集成电路外部采样的电流信号放大得到输出信号Io_signal，然后恒流控制模块8把所述输出信号Io_signal与所述恒流参考电压VREF_CC进行比较，输出电压信号，对所述集成电路外部的恒流恒压子模块4起反馈调节作用，从而控制所述集成电路外部的电源输出模块12输出恒定电流。
如附图3和附图5所示，所述恒流控制模块8包括了第九NMOS管、一个零点漂移很小的差分放大器DA和第一误差放大器EA1。如附图5所示，电流采样第一输入端CS+接入所述差分放大器DA的正输入端，电流采样第二输入端CS-接入所述差分放大器DA的负输入端，构成了差分比例放大电路。由于所述集成电路外部的采样电阻Rsen阻值较小（毫欧级别），电流流经采样电阻Rsen后，两端的电压也比较低，容易受到干扰，为提高采样精度，所以对电流采样的电压使用差分比例放大电路。所述差分放大器DA的输出端连接到第一误差放大器EA1的正输入端；结合附图3，所述参考电压生成模块10的微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯后协定需要供给该PD设备的电流，所述参考电压生成模块10的数模转换器DAC产生恒流参考电压VREF_CC输入第一误差放大器EA1的负输入端，第一误差放大器EA1的输出端连接到第九NMOS管Q9的栅极，第九NMOS管Q9的源极接地，第九NMOS管Q9的漏极连接所述集成电路的电流控制端OPTO。当第一误差放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较大时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1的输出端的电压比较大，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变小，流经第九NMOS管Q9的电流较大，即流经电流控制端OPTO的电流较大；当第一误差放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较小时，第一误差放大器EA1输出端的电压比较小，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变大，流经第九NMOS管Q9的电流较小，即流经电流控制端OPTO的电流较小。这是基于协议基础上利用微控制器的数字信号对模拟运放电路进行的一种有效的控制。
如附图3和附图5所示，所述不集成电流采样滤波模块的集成电路还包括恒压控制模块7，其中恒压控制模块7包括了第十NMOS管Q10和第二误差放大器EA2，如附图5所示，所述集成电路的电压采样端VFB连接到第二误差放大器EA2的正输入端，微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯协定需要供给该PD设备的电压后，通过参考电压生成模块10产生恒压参考电压VREF_CV输入到第二误差放大器EA2的负输入端，第二误差放大器EA2输出端连接到第十NMOS管Q10的栅极，第十NMOS管Q10的源极接地，第十NMOS管Q10的漏极连接所述集成电路的电流控制端。当电压采样端VFB的采样电压与恒压参考电压VREF_CV的差值比较大时（电压采样端VFB的采样电压比PD协议确定的恒压参考电压VREF_CV小），第二误差放大器EA2输出端的电压比较大，第十NMOS管Q10的漏源导通电阻变小，流经第十NMOS管Q10的电流较大，即流经电流控制端OPTO的电流较大；当电压采样端VFB的采样电压与恒压参考电压VREF_CV的差值比较小时，第二误差放大器EA2输出端的电压比较小，第十NMOS管Q10的漏源导通电阻变大，流经第十NMOS管Q10的电流较小，即流经电流控制端OPTO的电流较小。这样，所述的集成电路通过采样反馈电压对流经电流控制端OPTO的电流形成有效的控制。
本发明实施还提供了一种集成电流采样滤波模块的集成电路，如附图4所示，所述集成电路的端口有电流采样第一输入端CS+、电流采样第二输入端CS-、配置端一CC1、配置端二CC2、电压采样端VFB和电流控制端OPTO。如附图2和附图4所示，所述集成电路包括了滤波模块9、恒流控制模块8和参考电压生成模块10。其中参考电压生成模块10包括了微控制单元MCU和数模转换器DAC。所述集成电路中的微控制单元MCU通过配置端一CC1或配置端二CC2和PD设备握手通讯后决定需要供给该PD设备的电流。然后微控制单元MCU基于此输出电流通过数模转换器DAC产生一个参考电压VREF_CC，所以参考电压生成模块10给恒流控制模块8提供恒流参考电压VREF_CC，同时滤波模块9把所述集成电路外部采样的信号经过低通滤波作用后，传给恒流控制模块8进行差分放大，得到输出信号Io_signal。然后恒流控制模块8把所述输出信号Io_signal与所述恒流参考电压VREF_CC进行比较，用来控制所述集成电路外部的电源输出模块12输出恒定的电流值，从而进入恒流工作模式。本发明实施中的集成电路增加了滤波功能，可让外围配置的电路更加简单。
如附图4和附图6所示，所述滤波模块9包括第三滤波电阻R3CS+、第二滤波电容C2CS和第四滤波电阻R4CS-；所述集成电路的电流采样第一输入端CS+通过第三滤波电阻R3CS+连接到第二滤波电容C2CS的一端，所述集成电路的电流采样第二输入端CS-通过第四滤波电阻R4CS-连接到第二滤波电容C2CS的另一端。所述滤波模块9将所述集成电路外部的采样电阻Rsen两端的电压进行RC低通滤波处理，消除干扰信号。所述滤波模块9与所述恒流控制模块8连接，并用于为所述恒流控制模块8提供滤波后的采样电流。
如附图4和附图6所示，所述恒流控制模块8包括了第九NMOS管、一个零点漂移很小的差分放大器DA和第一误差放大器EA1，电流采样第一输入端CS+接入所述差分放大器DA的正输入端，电流采样第二输入端CS-接入所述差分放大器DA的负输入端，构成了差分比例放大电路。由于所述集成电路外部的采样电阻Rsen阻值较小（毫欧级别），电流通过采样电阻Rsen后，两端的电压也比较低，容易受到干扰，为提高采样精度，减少噪声信号，所以对采样的充电电流使用差分比例放大电路。而所述差分放大器DA的输出端连接到第一误差放大器EA1的正输入端。如附图4所示，所述参考电压生成模块10的微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯后协定需要供给该PD设备的电流，所述参考电压生成模块10的数模转换器DAC产生恒流参考电压VREF_CC输入第一误差放大器EA1的负输入端，第一误差放大器EA1的输出端连接到第九NMOS管Q9的栅极，第九NMOS管Q9的源极接地，第九NMOS管Q9的漏极连接所述集成电路的电流控制端。当第一误差放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较大时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1的输出端的电压比较大，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变小，流经第九NMOS管Q9的电流较大，即流经电流控制端OPTO的电流较大；当第一误差放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较小时，第一误差放大器EA1输出端的电压比较小，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变大，流经第九NMOS管Q9的电流较小，即流经电流控制端OPTO的电流较小。这是基于PD协议基础上利用微控制器的数字信号对模拟运放电路进行的一种有效的控制。
如附图4和附图6所示，所述集成电流采样滤波模块的集成电路还包括恒压控制模块7，其中恒压控制模块7包括了第十NMOS管Q10和第二误差放大器EA2，所述集成电路的电压采样端VFB连接到第二误差放大器EA2的正输入端，微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯协定需要供给该PD设备的电压后，通过参考电压生成模块10产生恒压参考电压VREF_CV输入到第二误差放大器EA2的负输入端，第二误差放大器EA2输出端连接到第十NMOS管Q10的栅极，第十NMOS管Q10的源极接地，第十NMOS管Q10的漏极连接所述集成电路的电流控制端。当电压采样端VFB的采样电压与恒压参考电压VREF_CV的差值比较大时（电压采样端VFB的采样电压比PD协议确定的恒压参考电压VREF_CV小），第二误差放大器EA2输出端的电压比较大，第十NMOS管Q10的漏源导通电阻变小，流经第十NMOS管Q10的电流较大，即流经电流控制端OPTO的电流较大；当电压采样端VFB的采样电压与恒压参考电压VREF_CV的差值比较小时，第二误差放大器EA2输出端的电压比较小，第十NMOS管Q10的漏源导通电阻变大，流经第十NMOS管Q10的电流较小，即流经电流控制端OPTO的电流较小。这样，所述的集成电路通过采样的反馈电压对流经电流控制端OPTO的电流形成有效的控制。
如附图2、附图4和附图6所示，本发明提供了一种电源电路，包括了所述集成电流采样滤波模块的集成电路和电源输出模块12，其中电源输出模块12包括了电流采样子模块1、电流控制子模块3和恒流恒压调节子模块4，电流采样子模块1将采样电阻Rsen上采样的电压加载在所述集成电路的电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-，为所述集成电路的恒流控制模块8提供采样电流。当流经采样电阻Rsen的电流发生变化时，所述集成电路的恒流控制模块8控制所述集成电路的电流控制端OPTO的输入电流变化，则电流控制子模块3发出的光照亮度发生变化，恒流恒压调节子模块4的同步整流子模块6接收到光照亮度的变化信号后，驱动第八NMOS管Q8改变导通时间，进一步地调节电源输出模块12的输出电流，从而实现恒流工作功能。本发明实施包含所述集成电流采样滤波模块的集成电路，所以电源电路的外围电路虽不具备滤波模块，但元器件更简单，成本有所降低。
如附图2和附图4所示，所述电流采样子模块1包括采样电阻Rsen，采样电阻Rsen的两端分别通过电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-连接到所述集成电路,用于采样通过采样电阻Rsen两端的电压，提供给所述集成电路中的滤波模块9滤波处理，提高采样信号的精度。
如附图2和附图4所示，电流控制子模块3包括了限流电阻RD、第四NMOS管Q4和光耦器的发光二极管L1；其中光耦器在变压器一T1副边一侧为发光二极管L1，在变压器一T1主边一侧为光敏三极管L2，所述集成电路的电流控制端OPTO连接第四NMOS管Q4的源极，第四NMOS管Q4的漏极与光耦器的发光二极管L1的负极，第四NMOS管Q4的栅极连接线性稳压模块13的电压输出端VDD，第四NMOS管Q4避免了电流控制端OPTO在空闲的时候和高压直接接触。光耦器的发光二极管L1的正极连接限流电阻RD的一端，限流电阻RD的另一端连接电源电路输出端VOUT。所述集成电路的电流控制端OPTO通过第四NMOS管Q4和光耦器的发光二极管L1相接，当流经所述集成电路的电流控制端OPTO的电流变大时，流经光耦器的发光二极管L1的电流也增大，发光二极管L1发出的光照亮度增强；当流经电流控制端OPTO的电流变小时，流经光耦器的发光二极管L1的电流也减小，发光二极管L1发出的光照亮度减弱。上述过程体现了电流控制子模块起到发送反馈信号的作用。
如附图2和附图4所示，所述恒流恒压调节子模块4包括了光耦器的光敏三极管L2、第八NMOS管Q8、第六电阻R6、滤波电容CL和整流滤波子模块11；整流滤波子模块11通过与变压器一T1连接，把输入的交流电整流滤波后变成直流电源。光耦器的光敏三极管L2与第六电阻R6串联后与滤波电容CL并联连接；光耦器的光敏三极管L2的集极通过第六电阻R6与所述同步整流子模块6连接,向同步整流子模块6传输第六电阻R6的电压反馈信号；光耦器的光敏三极管L2的射极接地。第八NMOS管Q8的栅极连接所述同步整流子模块6，用于接收同步整流子模块6传来的驱动信号；同步整流子模块6与变压器二T2连接，并作为同步整流子模块6的供电电源。第八NMOS管Q8的漏极耦接于变压器一T1的同名端。光耦器的光敏三极管L2可接收所述发光二极管L1发出的光照亮度信号。发光二极管L1发出的光照亮度有变化时，流经光耦器的光敏三极管L2的电流发生变化，第六电阻R6两端的电压也改变，则进入同步整流子模块6的反馈电压也发生改变。当进入同步整流子模块6的反馈电压变大时，同步整流子模块6传给第八NMOS管Q8栅极的高电平驱动信号的持续时间变长，第八NMOS管Q8的导通时间变长，从而增加向电源电路输出端VOUT补充的电能；当进入同步整流子模块6的反馈电压变小时，同步整流子模块6传给第八NMOS管Q8栅极的低电平驱动信号的持续时间变长，第八NMOS管Q8的导通时间变短，减少向电源电路输出端VOUT补充电能。所述恒流恒压调节子模块4根据同步整流子模块6的反馈电压大小来改变第八NMOS管Q8导通时间，使电源输出模块12的输出电流/电压在工作条件变化时保持恒定。
如附图2和附图4所示，电压采样子模块5包括第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2，所述第一反馈电阻RFB1与第二反馈电阻RFB2串联，它们的公共端A与所述集成电路的电压采样端VFB连接。所述集成电路的电压采样端VFB采样的电压是变压器一T1提供的次级电压在第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2的串联电路的第二反馈电阻RFB2的分压值，能够为所述集成电路提供电源电路的输出电压的反馈值。
如附图2、附图4和附图6所示，本发明实施中，所述集成电路集成电流采样滤波模块，所述电源电路先采样电阻Rsen两端压降，再被所述集成电路的电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-接收，然后所述滤模块9进行RC低通滤波，消除干扰信号，再送入所述集成电路的差分放大器DA的正负输入端，对两端输入信号进行放大，从而实现对电流的精确采样。所述参考电压生成模块10的微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯协定需要供给该PD设备的电流后，所述数模转换器DAC产生恒流参考电压VREF_CC输入第一误差放大器EA1的负输入端。而所述差分放大器DA的输出信号Io_signal输入第一误差放大器EA1的正输入端。当所述差分放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较大时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1输出端的电压比较大，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变小，则流经第九NMOS管Q9的电流变大，流经电流控制端OPTO的电流也变大，即流经光耦器的发光二极管L1的电流增大，发光二极管L1发出的光照亮度增强，所述光耦器的光敏三极管L2接受的光照亮度增强，流经第六电阻R6的电流变大，进入同步整流子模块6的反馈电压变大，使得所述同步整流子模块6输出给第八MOS管Q8栅极的高电平的持续时间变长，第八MOS管Q8的导通时间变长，则变压器一T1向电源电路输出端VOUT补充的电能增加，让所述差分放大器DA的输出信号Io_signal缩小与参考电压VREF_CC的差值；当输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC差值比较小时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1输出端的电压比较小，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变大，则流经第九NMOS管Q9的电流较小，流经所述集成电路的电流控制端OPTO的电流也变小，即流经光耦器的发光二极管L1的电流增小，发光二极管L1发出的光照亮度减弱，所述光耦器的光敏三极管L2接受的光照亮度减弱，流经第六电阻R6的电流变小，进入同步整流子模块6的反馈电压变小，使得所述同步整流子模块6输出给第八MOS管Q8栅极的高电平的持续时间变短，第八MOS管Q8的导通时间变短，则变压器一T1向电源电路输出端VOUT补充的电能减少，让所述差分放大器DA的输出信号Io_signal稳定在参考电压VREF_CC的附近。通过上述方式可以实现所述电源电路的电源输出模块12输出恒定的电流。
如附图1、附图3和附图5所示，本发明提供了另一种电源电路，包括了所述不集成电流采样滤波模块的集成电路和电源输出模块12，其中电源输出模块12包括了电流采样子模块1、滤波子模块2、电流控制子模块3和恒流恒压调节子模块4，电流采样子模块1将采样电阻Rsen上采样的电压经过滤波子模块2的RC低通滤波网络的滤波作用后，加载在所述集成电路的电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-。当流经采样电阻Rsen的电流发生变化时，所述集成电路的恒流控制模块8控制所述集成电路的电流控制端OPTO的输入电流变化，则电流控制子模块3发出的光照亮度发生变化，恒流恒压调节子模块4的同步整流子模块6接收到光照亮度的变化信号后，驱动第八NMOS管Q8改变导通时间，进一步地调节电源输出模块12的输出电流，从而实现恒流工作功能。
如附图1和附图3所示，所述电流采样子模块1包括采样电阻Rsen；所述滤波子模块2包括第一滤波电阻R1CS+、第一滤波电容C1CS和第二滤波电阻R2CS-，所述集成电路的电流采样第一输入端CS+通过第一滤波电阻R1CS+连接到采样电阻Rsen的一端，电流采样第二输入端CS-通过第二滤波电阻R2CS-连接到采样电阻Rsen的另一端；所述集成电路的电流采样第一输入端CS+与电流采样第二输入端CS-连在第一滤波电容C1CS的两端。所述采样电阻Rsen的压降将被第一滤波电阻R1CS+、第一滤波电容C1CS和第二滤波电阻R2CS-组成的低通滤波网络除去纹波信号的干扰，经过滤波后的电压将加载在所述集成电路的电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-上，经过所述集成电路的差分放大器DA进行差分放大，提高采样信号的精度。
如附图1和附图3所示，电流控制子模块3包括了限流电阻RD、第四NMOS管Q4和光耦器的发光二极管L1；其中光耦器在变压器一T1副边一侧为发光二极管L1，在变压器一T1主边一侧为光敏三极管L2，所述集成电路的电流控制端OPTO连接第四NMOS管Q4的源极，第四NMOS管Q4的漏极与光耦器的发光二极管L1的负极，第四NMOS管Q4的栅极连接线性稳压模块13的电压输出端VDD，第四NMOS管Q4避免了电流控制端OPTO在空闲的时候和高压直接接触。光耦器的发光二极管L1的正极连接限流电阻RD的一端，限流电阻RD的另一端连接电源电路输出端VOUT。所述集成电路的电流控制端OPTO通过第四NMOS管Q4和光耦器的发光二极管L1相接，当流经所述集成电路的电流控制端OPTO的电流变大时，流经光耦器的发光二极管L1的电流也增大，发光二极管L1发出的光照亮度增强；当流经电流控制端OPTO的电流变小时，流经光耦器的发光二极管L1的电流也减小，发光二极管L1发出的光照亮度减弱。上述过程体现了电流控制子模块起到发送反馈信号的作用。
如附图1和附图3所示，所述恒流恒压调节子模块4包括了光耦器的光敏三极管L2、第八NMOS管Q8、第六电阻R6、滤波电容CL和整流滤波子模块11；整流滤波子模块11通过与变压器一T1连接，把输入的交流电整流滤波后变成直流电源。光耦器的光敏三极管L2与第六电阻R6串联后与滤波电容CL并联连接；光耦器的光敏三极管L2的集极通过第六电阻R6与所述同步整流子模块6连接,向同步整流子模块6传输来自第六电阻R6的反馈电压；光耦器的光敏三极管L2的射极接地。第八NMOS管Q8的栅极连接所述同步整流子模块6，用于接收同步整流子模块6传来的驱动信号；同步整流子模块6与变压器二T2连接，并作为同步整流子模块6的供电电源。第八NMOS管Q8的漏极耦接于变压器一T1的同名端。光耦器的光敏三极管L2接收所述发光二极管L1发出的光照亮度信号。发光二极管L1发出的光照亮度有变化时，流经光耦器的光敏三极管L2的电流发生变化，第六电阻R6两端的电压也改变，则进入同步整流子模块6的反馈电压也发生改变。当输入同步整流子模块6的反馈电压变大时，同步整流子模块6传给第八NMOS管Q8栅极的高电平信号的持续时间变长，第八NMOS管Q8的导通时间变长，从而增加向电源电路输出端VOUT补充的电能；当进入同步整流子模块6的反馈电压变小时，同步整流子模块6传给第八NMOS管Q8栅极的低电平信号的持续时间变长，第八NMOS管Q8的导通时间变短，从而减少向电源电路输出端VOUT补充电能。所述恒流恒压调节子模块4根据同步整流子模块6的反馈电压大小来改变第八NMOS管Q8导通时间，使电源输出模块12的输出电流/电压在工作条件变化时保持恒定。
如附图1和附图3所示，电压采样子模块5包括第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2，所述第一反馈电阻RFB1与第二反馈电阻RFB2串联，它们的公共端A与所述集成电路的电压采样端VFB连接。所述集成电路的电压采样端VFB采样的电压是变压器一T1提供的次级电压在第一反馈电阻RFB1和第二反馈电阻RFB2的串联电路的第二反馈电阻RFB2的分压值，能够为所述集成电路提供电源电路的输出电压的反馈值。
如附图1、附图3和附图5所示，本发明实施中，所述集成电路不集成电流采样滤波模块，所述电源电路将采样电阻Rsen的压降经过所述滤波子模块2进行RC低通滤波，消除干扰信号，送入所述集成电路，被所述集成电路中的差分放大器DA的电流采样第一输入端CS+和电流采样第二输入端CS-接收，差分放大器DA对电流采样两端输入信号进行放大，从而实现对电流的精确采样。所述参考电压生成模块10的微控制单元MCU在PD设备经过握手通讯协定需要供给该PD设备的电流后，所述数模转换器DAC产生恒流参考电压VREF_CC输入第一误差放大器EA1的负输入端。而所述差分放大器DA的输出信号Io_signal输入第一误差放大器EA1的正输入端。当所述差分放大器DA的输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC的差值比较大时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1输出端的电压比较大，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变小，则流经第九NMOS管Q9的电流变大，流经电流控制端OPTO的电流也变大，即流经光耦器的发光二极管L1的电流增大，发光二极管L1发出的光照亮度增强，所述光耦器的光敏三极管L2接受的光照亮度增强，流经第六电阻R6的电流变大，进入同步整流子模块6的反馈电压变大，使得所述同步整流子模块6输出给第八MOS管Q8栅极的高电平的持续时间变长，第八MOS管Q8的导通时间变长，则变压器一T1向电源电路输出端VOUT补充的电能增加，让所述差分放大器DA的输出信号Io_signal缩小与参考电压VREF_CC的差值；当输出信号Io_signal与恒流参考电压VREF_CC差值比较小时（输出信号Io_signal比PD协议确定好的恒流参考电压VREF_CC小），第一误差放大器EA1输出端的电压比较小，第九NMOS管Q9的漏源导通电阻变大，则流经第九NMOS管Q9的电流较小，流经所述集成电路的电流控制端OPTO的电流也变小，即流经光耦器的发光二极管L1的电流增小，发光二极管L1发出的光照亮度减弱，所述光耦器的光敏三极管L2接受的光照亮度减弱，流经第六电阻R6的电流变小，进入同步整流子模块6的反馈电压变小，使得所述同步整流子模块6输出给第八MOS管Q8栅极的高电平的持续时间变短，第八MOS管Q8的导通时间变短，则变压器一T1向电源电路输出端VOUT补充的电能减少，让所述差分放大器DA的输出信号Io_signal稳定在参考电压VREF_CC的附近。通过上述方式可以实现所述电源电路的电源输出模块12输出恒定的电流。
如附图7所示，电源电路上的电压输出端VBUS连接外挂的线性稳压模块13（输出稳压5V）产生稳定的低电压，供所述线性稳压模块13的电压输出端VDD使用, 这样可以避免直接把电压输出端VBUS的电压（最大输出20V）作为VDD端口的输入源。
如附图3或附图4所示，所述集成电路的端口还包括放电控制端BLD,第一NMOS管Q1的栅极连接所述集成电路的放电控制端BLD,第一NMOS管Q1的漏极通过第一电阻R1连接到电源电路输出端VOUT,电源电路输出端VOUT通过第一电容C1连接到采样电阻Rsen的一端，第一NMOS管Q1的源极接地。其中第一电容C1作为存储电容，在电路充电过程中存储电荷。当所述集成电路检测到Type-C接口处的PD设备被拔掉时，放电控制端BLD输出高电平导通第一NMOS管Q1，可以将存储在第一电容中的多余的电荷释放，让电源电路输出端VOUT的电压恢复在Vsafe5V(大于4.75V，小于5.5v)，防止接入的PD设备被高压损坏。当所述集成电路检测到输出电压高于PD设备的请求电压时，所述集成电路通过放电控制端BLD导通第一NMOS管Q1，将存储在第一电容中的多余的电荷释放，快速让电源电路输出端VOUT的电压降压到PD设备的请求电压。
如附图3或附图4所示，所述集成电路还包括使能端EN,第五三极管Q5的基极连接所述集成电路的使能端EN，第五三极管Q5的射极接地，第五三极管Q5的集极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接第二PMOS管的栅极，第二PMOS管Q2的源极和栅极连接到第二电阻R2的两端，第二PMOS管Q2的漏极连接到电源电路的电压输出端VBUS。当所述集成电路的使能端EN输出高于0.7V的电压时，第五三极管Q5导通，第二PMOS管Q2的源极电压被第二电阻R2抬升，高于第二PMOS管Q2的栅极电压，则第二PMOS管也导通，电源电路的电压输出端VBUS向PD设备供电工作。在空闲状态时，第二PMOS管Q2可避免使能端EN与高压接触。
如附图3或附图4所示,配置通道保护模块9包括第六NMOS管Q6、第七NMOS管Q7、第四电阻R4和第五电阻R5，如附图8所示，Type-C接口中有配置通道一CC1和配置通道二CC2。本发明实施运用NMOS管的开关特性，将第六NMOS管Q6串联在所述集成电路的配置端一CC1和Type-C接口的配置通道一CC1的信号通道中，将第七NMOS管Q7串联在所述集成电路的配置端二CC2和Type-C接口的配置通道二CC2的信号通道中。其中第六NMOS管Q6和第七NMOS管Q7的栅极都通过电阻连接到所述线性稳压模块13的电压输出端VDD。当PD设备插上Type-C接口正常工作时，Type-C接口中的配置通道一CC1和配置通道二CC2为1.2V左右的低电压；当处于空闲状态时，所述集成电路的配置端一CC1和配置端二CC2通过NMOS管与Type-C接口断开连接，从而避免被高压损坏。
如附图3或附图4所示，第三NMOS管Q3作为开关MOS管使用，当所述恒流恒压调节模块4中的第八NMOS管Q8导通时，所述第三NMOS管Q3关断，第一电容C1通过对外放电，实现对接入的PD设备供电；当所述第八MOS管Q8关断时，所述第三NMOS管Q3导通，变压器一T1对接入的PD设备和第一电容C1充电。
综合上述，本发明实施主要采用低压制造工艺的集成电路结合光耦器的电流反馈，调节MOS管的导通时间，实现一套充电效率高、并具备恒流充电功能的低压的PD充电系统，减小了集成电路的设计周期和制造成本，同时电源电路搭配的端口保护电路提高了充电的安全性，为低压制造工艺的USB PD集成电路在电源适配器上开拓了具有价格优势的市场。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种低压制造工艺的集成电路，该集成电路支持PD协议，其特征在于，包括了恒流控制模块(8)和参考电压生成模块(10)；其中，所述的集成电路的端口包括了电流采样第一输入端、电流采样第二输入端和电流控制端；参考电压生成模块(10)与恒流控制模块(8)连接，并用于给恒流控制模块(8)提供恒流参考电压，恒流控制模块(8)把所述集成电路外部的采样电流与所述恒流参考电压进行比较，并输出用于控制所述集成电路外部的电源输出模块(12)输出恒定电流的反馈信号；
所述恒流控制模块(8)包括了第九NMOS管、差分放大器和第一误差放大器，所述集成电路的电流采样第一输入端作为差分放大器的正输入端，所述集成电路的电流采样第二输入端作为差分放大器的负输入端；所述差分放大器的输出端连接到第一误差放大器的正输入端，参考电压生成模块(10)的恒流参考电压输出端连接到第一误差放大器的负输入端，第一误差放大器的输出端连接到第九NMOS管的栅极，第九NMOS管的源极接地，第九NMOS管的漏极连接所述集成电路的电流控制端。
2.根据权利要求1所述一种低压制造工艺的集成电路,其特征在于：所述集成电路还包括恒压控制模块(7)，其中恒压控制模块(7)包括了第二误差放大器和第十NMOS管，第二误差放大器的正输入端作为所述集成电路的电压采样端，用于采样所述集成电路外部的反馈电压；参考电压生成模块(10)的恒压参考电压的输出端连接到第二误差放大器的负输入端，第二误差放大器的输出端连接到第十NMOS管的栅极，第十NMOS管的源极接地，第十NMOS管的漏极连接所述集成电路的电流控制端。
3.根据权利要求1或权利要求2所述一种低压制造工艺的集成电路,其特征在于：所述的集成电路还包括滤波模块(9)，所述滤波模块(9)包括第三滤波电阻、第二滤波电容和第四滤波电阻；所述集成电路的电流采样第一输入端通过第三滤波电阻连接到第二滤波电容的一端，所述集成电路的电流采样第二输入端通过第四滤波电阻连接到第二滤波电容的另一端；所述滤波模块(9)与所述恒流控制模块(8)连接，并用于为所述恒流控制模块(8)提供滤波后的采样电流。
4.一种电源电路，其特征在于：包括了权利要求1至3中任一项所述集成电路和电源输出模块(12)，其中电源输出模块(12)包括电流采样子模块(1)、电流控制子模块(3)和恒流恒压调节子模块(4)，电流采样子模块(1)连接到所述集成电路的恒流控制模块(8)，给所述集成电路的恒流控制模块(8)提供采样电流；所述集成电路的恒流控制模块(8)与电流控制子模块(3)连接，用于通过电流控制子模块(3)为恒流恒压调节子模块(4)提供反馈信号，并使恒流恒压调节子模块(4)根据反馈信号控制电源输出模块(12)输出恒定电流。
5.根据权利要求4所述一种电源电路，其特征在于：所述电流采样子模块(1)包括采样电阻，采样电阻的两端分别通过电流采样第一输入端和电流采样第二输入端连接到所述集成电路，用于采样电源输出模块(12)输出的电流。
6.根据权利要求4所述一种电源电路，其特征在于：所述电流控制子模块(3)包括了限流电阻、第四NMOS管和光耦器的发光二极管；所述集成电路的电流控制端连接第四NMOS管的源极，第四NMOS管的漏极连接到光耦器的发光二极管的负极，第四NMOS管的栅极连接到所述电源电路外挂的线性稳压模块(13)的电压输出端，光耦器的发光二极管的正极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接到电源电路输出端。
7.根据权利要求6所述一种电源电路，其特征在于：所述恒流恒压调节子模块(4)包括了光耦器的光敏三极管、滤波电容、第八NMOS管、第六电阻、同步整流子模块(6)和整流滤波子模块(11)，光耦器的光敏三极管与第六电阻串联后与滤波电容并联；光耦器的光敏三极管的集极通过第六电阻与同步整流子模块(6)连接,并用于提供同步整流子模块(6)的反馈电压；光耦器的光敏三极管的射极接地；第八NMOS管的栅极连接同步整流子模块(6)，并用于接收同步整流子模块(6)输出的驱动信号；第八NMOS管的漏极耦接于变压器一的同名端，第八NMOS管的源极接地；整流滤波子模块(11)与变压器一连接，并用于传输整流滤波后的直流电源；变压器二与同步整流子模块(6)连接，并作为同步整流子模块(6)的供电电源。
8.根据权利要求4所述一种电源电路，其特征在于，所述电源输出模块12还包括有电压采样子模块(5)，其中电压采样子模块(5)包括第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一反馈电阻的一端连接电源电路输出端，第一反馈电阻的另一端连接第二反馈电阻的一端，第二反馈电阻的另一端接地；第一反馈电阻和第二反馈电阻的公共端与所述集成电路的电压采样端连接。
9.一种电源电路，其特征在于：包括了权利要求1至2中任一项所述集成电路和电源输出模块(12)，其中电源输出模块(12)包括电流采样子模块(1)、电流控制子模块(3)、滤波子模块(2)和恒流恒压调节子模块(4)，电流采样子模块(1)通过滤波子模块(2)连接到所述集成电路的恒流控制模块(8)，给所述集成电路的恒流控制模块(8)提供采样电流；所述集成电路的恒流控制模块(8)与电流控制子模块(3)连接，用于通过电流控制子模块(3)为恒流恒压调节子模块(4)提供反馈信号，并使恒流恒压调节子模块(4)根据反馈信号控制电源输出模块(12)输出恒定电流。
10.根据权利要求9所述一种电源电路，其特征在于：所述电流采样子模块(1)包括采样电阻，所述滤波子模块(2)包括第一滤波电阻、第一滤波电容和第二滤波电阻；所述集成电路的电流采样第一输入端通过第一滤波电阻连接到所述采样电阻的一端，所述集成电路的电流采样第二输入端通过第二滤波电阻连接到所述采样电阻的另一端；所述集成电路的电流采样第一输入端与电流采样第二输入端连在第一滤波电容的两端，并为所述集成电路的恒流控制模块(8)提供滤波后的采样电流。
11.根据权利要求9所述一种电源电路，其特征在于：所述电流控制子模块(3)包括了限流电阻、第四NMOS管和光耦器的发光二极管；所述集成电路的电流控制端连接第四NMOS管的源极，第四NMOS管的漏极连接到光耦器的发光二极管的负极，第四NMOS管的栅极连接到所述电源电路外挂的线性稳压模块(13)的电压输出端，光耦器的发光二极管的正极连接限流电阻的一端，限流电阻的另一端连接到电源电路输出端。
12.根据权利要求11所述一种电源电路，其特征在于：所述恒流恒压调节子模块(4)包括了光耦器的光敏三极管、滤波电容、第八NMOS管、第六电阻、同步整流子模块(6)和整流滤波子模块(11)，光耦器的光敏三极管与第六电阻串联后与滤波电容并联；光耦器的光敏三极管的集极通过第六电阻与同步整流子模块(6)连接,并用于提供同步整流子模块(6)的反馈电压；光耦器的光敏三极管的射极接地；第八NMOS管的栅极连接同步整流子模块(6)，并用于接收同步整流子模块(6)输出的驱动信号；第八NMOS管的漏极耦接于变压器一的同名端，第八NMOS管的源极接地；整流滤波子模块(11)与变压器一连接，并用于传输整流滤波后的直流电源；变压器二与同步整流子模块(6)连接，并作为同步整流子模块(6)的供电电源。
13.根据权利要求9所述一种电源电路，其特征在于，所述电源输出模块(12)还包括有电压采样子模块(5)，其中电压采样子模块(5)包括第一反馈电阻和第二反馈电阻，第一反馈电阻的一端连接电源电路输出端，第一反馈电阻的另一端连接第二反馈电阻的一端，第二反馈电阻的另一端接地；第一反馈电阻和第二反馈电阻的公共端与所述集成电路的电压采样端连接。
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