CN110383665A - 电源提供装置和充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种电源提供装置和充电控制方法。该电源提供装置包括：变压器；第一转换电路，位于变压器的初级侧，用于将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压；第二转换电路，位于变压器的次级侧，用于生成电源提供装置的输出电流；反馈电路，用于生成输出电流的反馈信号；开关控制单元，用于根据电网同步信号和反馈信号对脉冲形式的电压进行控制，使得输出电流的波形与电网同步信号的波形保持一致，其中电网同步信号为脉冲形式的信号，且电网同步信号的频率为交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。将电源提供装置的输出电流设置为脉冲形式的电流，可以降低电池的极化阻抗，增加恒流充电阶段的充电时间，进而可以提升电池的充电效率。

Description

电源提供装置和充电控制方法
技术领域
本申请涉及充电领域，并且更为具体地，涉及一种电源提供装置和充电控制方法。
背景技术
目前，移动终端(例如智能手机)越来越受到消费者的青睐，但是移动终端耗电量大，需要经常充电。因此，电池的充电效率成为各大厂商关心的热点问题。
发明内容
本申请提供一种电源提供装置和充电控制方法，可以提高电池的充电效率。
第一方面，提供一种电源提供装置，包括：变压器；第一转换电路，位于所述变压器的初级侧，用于将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压；第二转换电路，位于所述变压器的次级侧，用于生成所述电源提供装置的输出电流；反馈电路，用于生成所述输出电流的反馈信号；开关控制单元，用于根据电网同步信号和所述反馈信号对所述脉冲形式的电压进行控制，使得所述输出电流的波形与所述电网同步信号的波形保持一致，其中所述电网同步信号为脉冲形式的信号，且所述电网同步信号的频率为所述电网提供的所述交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。
第二方面，提供一种充电控制方法，包括：在变压器的初级侧，将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压；将所述脉冲形式的电压耦合至所述变压器的次级侧以生成电源提供装置的输出电流；根据电网同步信号和所述输出电流的反馈信号对所述脉冲形式的电压进行控制，使得所述输出电流的波形与所述电网同步信号的波形保持一致，其中所述电网同步信号为脉冲形式的信号，且所述电网同步信号的频率为所述电网提供的所述交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。
将电源提供装置的输出电流设置为脉冲形式的电流，可以降低电池的极化阻抗，增加恒流充电阶段的充电时间，进而可以提升电池的充电效率。
附图说明
图1是传统电源提供装置的示意性结构图。
图2是本申请一个实施例提供的电源提供装置的示意性结构图。
图3是本申请实施例提供的电源提供装置的输出电流的波形示例图。
图4是本申请另一实施例提供的电源提供装置的示意性结构图。
图5是本申请又一实施例提供的电源提供装置的示意性结构图。
图6是本申请实施例提供的充电控制方法的示意性流程图。
具体实施方式
为了便于理解，先对传统电源提供装置的结构进行简单介绍。
如图1所示，传统的电源提供装置10通常包括第一转换电路11、变压器12，第二转换电路13，反馈电路14以及开关控制单元15。
第一转换电路11位于变压器12的初级侧，因此，第一转换电路11有时也可称为初级转换电路。第一转换电路11可以包括整流电路以及用于滤波的液态电解电容(如液态铝制电解电容)。整流电路和液态电解电容可用于对电网提供的交流电进行整流和滤波。由于液态电解电容具有很强的滤波能力，因此，第一转换电路11输出的电压通常为恒定电压。该恒定电压的波形在图1的附图标记16处示出。
变压器12可以以电磁耦合的方式将电能从初级侧耦合至次级侧。耦合至次级的电能可以从第一转换电路11输出的电信号的能量中抽取。能量的抽取方式可以由开关控制单元15根据电源提供装置10的输出情况进行实时调整。
第二转换电路13位于变压器12的次级侧，因此，第二转换电路13有时也可称为次级转换电路。第二转换电路13可用于对变压器12的次级(或副边)的输出电压进行整流和/或滤波，形成电源提供装置10的输出电流。传统的电源提供装置10输出电流通常为恒定直流电。
反馈电路14可用于生成电源提供装置10的输出电压和/或输出电流的反馈信号，并将该反馈信号提供给开关控制单元15。
开关控制单元15可以通过控制开关元件(图1未示出)的开关频率和/或占空比，实现对电源提供装置10的输出电压和/或输出电流进行控制，使得电源提供装置10的输出电压和/或输出电流达到期望值。开关控制单元15控制的开关元件例如可以是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)管。
在使用电源提供装置10为电池充电的过程中，由于电池具有极化阻抗，导致电池的充电过程过早地从恒流充电阶段转入恒压充电阶段，进而降低电池的充电效率。下面对这一现象的产生原因进行分析。
电池的充电阶段可以包括涓流充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。涓流充电阶段也可称为预充阶段，通常采用较小的电流对电池进行充电。等电池的电量(或电压)达到一定要求时，会进入恒流充电阶段。在恒流充电阶段，可以采用较大电流对电池进行充电。当电池两端的电压达到恒流充电阶段的充电截止电压时，为了避免电池过充，需要进入恒压充电阶段，缓慢地对电池进行充电，直到电池的电量充满(或达到预设阈值)为止。
电池两端的电压不但包括电池的实际电压(即电池的当前电量所对应的真实电压)，还包括电池的极化阻抗引起的“虚电压”。电池的极化阻抗越高，其引起的“虚电压”也就相应越高。极化阻抗引起的“虚电压”较高，就会导致电池两端的实际电压还比较小时，电池的充电过程就已经从恒流充电阶段转入恒压充电阶段，进而导致电池的充电效率较低。
本申请实施例提供一种电源提供装置。该电源提供装置的输出电流并非恒定直流电，而是脉冲形式的电流。脉冲形式的电流能够减少电池的极化阻抗。极化阻抗越小，恒流充电阶段的充电时间越长，电池的充电效率也就相应越高。
如图2所示，本申请实施例提供的电源提供装置20可以包括第一转换电路21，变压器22，第二转换电路23，反馈电路24以及开关控制单元25。
第一转换电路21位于变压器22的初级侧(或原边)。第一转换电路21可用于将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压。例如，可以去掉初级侧的滤波能力较强的液态电解电容，使得第一转换电路21输出的电压为脉冲形式的电压。
图5给出了第一转换电路21的一种可能的实现方式。如图5所示，第一转换电路21可以包括整流电路211以及一个或多个滤波能力较小的电容212(如多层陶瓷电容)。图5是以整流电路211为全桥整流电路为例进行说明的，本申请实施例不限于此，第一转换电路21中的整流电路也可以是半桥整流电路，或其他类型的整流电路。电容212可用于滤除整流电路211输出的电压的毛刺，提高信号质量。或者，在某些实施例中，第一转换电路21也可以仅包含整流电路211，不包含任何电容元件。
图2在附图标记26处示出了第一转换电路21输出的脉冲形式的电压的波形。对比图1的附图标记16处的电压波形与图2的附图标记26处的电压波形即可以看出去掉液态电解电容对第一转换电路21输出的电压波形的影响。去掉液态电解电容可以减小了电源提供装置20的体积。此外，液态电解电容的使用寿命较短，且容易爆浆，因此，去掉液态电解电容还可以提高电源提供装置20的使用寿命和安全性。
变压器22可以是普通的变压器，也可以是能够将初级和次级电气隔离的隔离变压器。变压器22可以以电磁耦合的方式将电能从初级侧耦合至次级侧。耦合至次级的电能可以从
第一转换电路21输出的电信号的电能中抽取。能量的抽取方式可以由开关控制单元25根据电源提供装置20的输出情况进行实时调整。
第二转换电路23位于变压器22的次级侧。第二转换电路23可用于根据变压器22从初级侧耦合至次级侧的电能生成电源提供装置20的输出电流。
图5示出了第二转换电路23的一种可能的实现方式。如图5所示，第二转换电路23可以包括整流电路231和滤波电路232。
整流电路231例如可以是同步整流电路。整流电路231可以采用二极管或同步整流芯片实现。
滤波电路232通常选用并联的一个或多个滤波能力较小的电容。滤波电容232主要用于滤除整流电路231输出的电压的毛刺，以提高电源提供装置20的输出电流的质量。可选地，某些实施例中，也可以去掉滤波电路232，仅保留整流电路231。
反馈电路24可用于生成电源提供装置20的输出电流的反馈信号。本申请实施例对反馈电路24的具体形式不做限定，只要该反馈电路24能够实时检测电源提供装置20的输出电流，当电源提供装置20的输出电流偏离期望的输出电流时，能够及时向开关控制单元25提供反馈信号即可。反馈电路24可以是电压检测电路、运放等元件组成的电压反馈电路，也可以由电流检测电路、运放等元件组成的电流反馈电路，还可以是电压反馈电路和电流反馈电路的组合。
反馈电路24可以直接向控制单元25发送反馈信号。在某些实施例中，反馈电路24也可以通过光耦器件向控制单元25发送反馈信号，以增强变压器22的初级侧和次级侧的隔离性。
开关控制单元25可用于根据电网同步信号和反馈电路24提供的反馈信号对脉冲形式的电压(即第一转换电路21输出的电压)进行控制(有时也可称为调制，斩波控制，或斩波调制)，使得电源提供装置20的输出电流的波形(或输出电流的波形的包络)与电网同步信号的波形保持一致。
电源提供装置20的输出电流可以跟随电网同步信号的变化而变化，意味着初级侧的输入电流也可以跟随所述电网同步信号的变化而变化。进一步地，电网同步信号可以是第一转换电路21输出的脉冲形式的电压(或称初级侧的输入电压)的同步信号(即电网同步信号跟随该脉冲形式的电压的变化而变化)。因此，在这种情况下，初级侧的输入电压和初级侧的输入电流可以保持同步。由于整个系统的功率因数(power factor，PF)与该输入电压和输入电流之间的相位差有关，二者的相位差越小，整个系统的功率因数越高。因此，本申请实施例提供的电源提供装置20具有较高的功率因素。
开关控制单元25的控制方式可以有多种，例如可以采用传统的峰值电流法或平均电流法对电源提供装置20的输出电流进行控制。峰值电流法和平均电流法的实现方式可以参见现有技术，此处不再详述。
图5示出了开关控制单元25的一种可能的实现方式。如图5所示，开关控制单元25可以是脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)控制单元。PWM控制单元25可以为电流型PWM控制单元。该电流型PWM控制单元可以向开关元件28发送经峰值电流法或平均电流法得到的PWM信号，从而对开关元件28的通断进行控制。
上文提及的电网同步信号是指信号频率为电网提供的交流电的频率的n倍或1/n倍的信号，其中，n可以为不小于1的正整数。换句话说，电网同步信号是指信号频率为电网提供的交流电的频率的整数倍或整数倒数倍的信号。例如，电网同步信号的频率可以为电网提供的交流电的频率的2倍。由于电源提供装置20的输出电流的波形与电网同步信号的波形保持一致，因此，电源提供装置20的输出电流的波形也可以追随电网提供的交流电的频率(即电源提供装置20的输出电流的波形的频率也为电网提供的交流电的频率的整数倍或整数倒数倍)。
电网同步信号可以是最小值为0的周期性信号，也可以是最小值过0点(即为负数)的周期性信号。相应地，电源提供装置20的输出电流可以是最小值为0的周期性信号，也可以是最小值过0点(即为负数)的周期性信号。
电网同步信号在一个周期内的波形可以是如图3中的(a)所示的正弦半波；相应地，电源提供装置20的输出电流在一个周期内的波形也是如图3中的(a)所示的正弦半波。在其他实施例中，电网同步信号在一个周期内的波形可以是如图3中的(b)所示的梯形波；相应地，电源提供装置20的输出电流在一个周期内的波形也可以是如图3中的(b)所示的梯形波。
正弦半波在一个周期内的峰值为一个点，且两个相邻的正弦半波之间的夹角比较大，这样会导致电源提供装置20的输出电流的有效值比较低。在一个周期内，梯形波的波形的峰值并非一个点，而是一条线段。换句话说，在一个周期内，梯形波会有一段时间维持在波形的峰值。与峰值仅为一个点的正弦半波相比，如果控制电源提供装置20的输出电流为梯形波，不但维持了电源提供装置20的输出电流为脉冲形式的电流的特性，而且增大了输出电流的有效值，进一步提升了电池的充电效率。
电网同步信号的获取方式可以有多种，可以直接从变压器的初级侧截取，也可以利用其他方式生成。
下面结合图4，以电网同步信号为梯形波为例，对电网同步信号的获取方式进行举例说明。
如图4所示，电源提供装置20还可包括塑形电路27。塑形电路27可用于从第一转换电路21的输出端获取原始同步信号；对原始同步信号进行塑形，得到电网同步信号；向开关控制单元25发送电网同步信号。
在图4实施例中，由于塑形电路27从第一转换电路21的输出端截取原始同步信号，因此，该原始同步信号的波形与附图标记26处所示的波形的形状相同，其在一个周期内的波形也为正弦半波。塑形电路27可以根据实际需要对原始同步信号的波形进行塑形。例如，塑形电路27可以将原始同步信号的波形塑形成附图标记31处所示的波形，即梯形波。由于电源提供装置20的输出电流的波形与电网同步信号的波形保持一致，因此，电源提供装置20的输出电流的波形如附图标记32所示，也为梯形波。梯形波能够增大电源提供装置20的输出电流的有效值。
图5给出了塑形电路27从电网截取原始同步信号的方式的一个示例，如图5所示，可以在整流电路211的输出端A截取原始同步信号。
可选地，在某些实施例中，也可以不对原始同步信号进行塑形，将该原始同步信号直接作为电网同步信号。
可选地，在某些实施例中，还可以根据实际需要将原始同步信号的波形塑形成其他任意形状，从而使得电源提供装置20的输出电流的波形可以变换成其他任意形状的波形。此外，在上文描述的任一实施例的基础上，开关控制单元25还可以控制开关元件停止若干个开关周期(如控制开关进入skip模式)，从而使得电源提供装置20的输出电流的波形可以形成其他形式的新波形。
上文提及的电源提供装置20有时也可称为转换器或开关电源。电源提供装置20的拓扑架构可以采用反激式(flyback)、顺向式(forward)、半桥式(half bridge)或全桥式(full bridge)中的任意一种拓扑架构，本申请实施例对此并不限定。电源提供装置20可以采用单极性电源。去掉电解电容的单极性电源的输入输出信号具有很好的跟随性，因此可以降低系统的总谐波失真，提高系统的功率因素。
上文结合图1至图5，详细描述了本申请的装置实施例，下面结合图6，详细描述本申请的方法实施例。应理解，方法实施例的描述与装置实施例的描述相互对应，因此，未详细描述的部分可以参见前面装置实施例。
图6是本申请实施例提供的充电控制方法的示意性流程图。图6的方法包括步骤S62至步骤S66。
在步骤S62，在变压器的初级侧，将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压。
在步骤S64，将脉冲形式的电压耦合至变压器的次级侧以生成电源提供装置的输出电流。
在步骤S66，根据电网同步信号和输出电流的反馈信号对脉冲形式的电压进行控制，使得输出电流的波形与电网同步信号的波形保持一致。电网同步信号为脉冲形式的信号，且电网同步信号的频率为电网提供的交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。
可选地，电网同步信号在一个周期内的波形为梯形。
可选地，图6的方法还可包括：从第一转换电路的输出端获取原始同步信号，第一转换电路为初级侧的用于将交流电转换成脉冲形式的电压的电路；对原始同步信号进行塑形，得到电网同步信号。
可选地，图6的方法还可包括：对脉冲形式的电压的波形进行调整以生成电网同步信号。
可选地，电源提供装置的输出电流的最小值小于或等于0。
可选地，电网同步信号是脉冲形式的电压的同步信号。
可选地，电源提供装置的输出电流可以跟随电网同步信号的变化而变化。
可选地，电源提供装置为单极性电源。
可选地，上述脉冲形式的电压的控制是基于PWM控制单元进行的。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种电源提供装置，其特征在于，包括：
变压器；
第一转换电路，位于所述变压器的初级侧，用于将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压；
第二转换电路，位于所述变压器的次级侧，用于生成所述电源提供装置的输出电流；
反馈电路，用于生成所述输出电流的反馈信号；
开关控制单元，用于根据电网同步信号和所述反馈信号对所述脉冲形式的电压进行控制，使得所述输出电流的波形与所述电网同步信号的波形保持一致，其中所述电网同步信号为脉冲形式的信号，且所述电网同步信号的频率为所述电网提供的所述交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的电源提供装置，其特征在于，所述电网同步信号在一个周期内的波形为梯形。
3.根据权利要求1或2所述的电源提供装置，其特征在于，所述电源提供装置还包括：
塑形电路，用于从所述第一转换电路的输出端获取原始同步信号；对所述原始同步信号进行塑形，得到所述电网同步信号；向所述开关控制单元发送所述电网同步信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电源提供装置，其特征在于，所述输出电流的最小值小于或等于0。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电源提供装置，其特征在于，所述电网同步信号是所述脉冲形式的电压的同步信号。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电源提供装置，其特征在于，所述输出电流跟随所述电网同步信号的变化而变化。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的电源提供装置，其特征在于，所述电源提供装置为单极性电源。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的电源提供装置，其特征在于，所述开关控制单元为脉冲宽度调制PWM控制单元。
9.一种充电控制方法，其特征在于，包括：
在变压器的初级侧，将电网提供的交流电转换成脉冲形式的电压；
将所述脉冲形式的电压耦合至所述变压器的次级以生成电源提供装置的输出电流；
根据电网同步信号和所述输出电流的反馈信号对所述脉冲形式的电压进行控制，使得所述输出电流的波形与所述电网同步信号的波形保持一致，其中所述电网同步信号为脉冲形式的信号，且所述电网同步信号的频率为所述电网提供的所述交流电的频率的n倍或1/n倍，n为不小于1的正整数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电网同步信号在一个周期内的波形为梯形。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从第一转换电路的输出端获取原始同步信号，所述第一转换电路为所述初级侧的用于将所述交流电转换成所述脉冲形式的电压的电路；
对所述原始同步信号进行塑形，得到所述电网同步信号。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述输出电流的最小值小于或等于0。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述电网同步信号是所述脉冲形式的电压的同步信号。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述输出电流跟随所述电网同步信号的变化而变化。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述电源提供装置为单极性电源。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述脉冲形式的电压的控制是基于脉冲宽度调制PWM控制单元进行的。
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