CN111650985A - 限制功率输出的电源电路和充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种限制功率输出的电源电路和充电装置，该电源电路包括：第一电压采样模块、判断控制模块、电压参数选择模块、电流参数选择模块、减法模块、比例放大模块和加法模块，判断控制模块根据电压转换模块的当前输出电压，判断当前输出电压所处的功率线性段，从而控制电压参数选择模块输出该功率线性段的最小输出电压以及控制电流参数选择模块输出该功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压，再通过减法模块、比例放大模块和加法模块获得电流负反馈电路的电流反馈端参考电压。该充电装置应用该电源电路。应用本发明的限制功率输出的电源电路可实现输出功率限制。

Description

限制功率输出的电源电路和充电装置
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体的，涉及一种限制功率输出的电源电路，还涉及应用该限制功率输出的电源电路的充电装置。
背景技术
随着移动终端的日益普及和快充技术的迅速发展，越来越多的终端设备在被充电时，需要从电源抽取更大的功率。提供多个充电口的电源(如，移动电源、适配器、车充等)也日益增多。这些电源本质上都是单电源输入、多输出口的供电结构。电源能够提供的功率是有最大限制的，比如5W、10W、18W、24W、36W、45W、60W和100W等。系统设计时，会给每一路限定一定的输出功率，所有的输出口抽取的总功率不能超过电源提供的最大功率。这就要求每一路的电压转换器必须有限制自身最大输出功率的功能。传统的输出功率限制，一般通过限制最大输出电压、最大输出电流来实现。
图1给出了一个传统的具有“恒定输出电压、限定输出电流”功能的电压转换电路。该电路包括由电压转换模块、误差放大器1和电压采样模块1构成的恒定输出电压的电路模块以及电流采样模块、误差放大器2。恒定输出电压的工作原理是：误差放大器1根据参考电压vref_cv和电压反馈信号fb_cv，得出电压误差信号vc_cv；如果输出电压低于预期值，电压误差信号vc_cv变高，控制电压转换模块调高输出电压；如果输出电压高于预期值，电压误差信号vc_cv变低，控制电压转换模块调低输出电压；最终使到输出电压为预期值。限定输出电流的工作原理是：电流采样模块采集输出电流的值得出电流反馈信号fb_cc，误差放大器2根据参考电压vref_cc和电流反馈信号fb_cc得出电流误差信号vc_cc；如果输出电流低于预期值，电流误差信号vc_cv变高，不会影响输出电压；如果输出电流高于预期值，电流误差信号vc_vc变低，调整输出电压下降；通过负反馈控制，最终使到输出电流小于或等于设定电流。
图2给出了“恒定输出电压、限定输出电流”的电压转换电路的电流-电压特性。“恒定输出电压”阶段：负载比较轻时，输出预期电压；随着负载电流的增大，输出电压保持恒定。“限定输出电流”阶段：电流增大到限定值时，输出电压开始下降。一般情况下，如果检测到电压下降，会自动减小抽取的电流，最终达到平衡，电压、电流保持在一定值。
但是，实际限制的输出功率和理想的限制输出功率差距较大，这就造成了输入电源必须增加相应的功率余量，从而造成浪费，也带来不安全的因素。因此，急需要开发一种较为理想的可限制功率输出的电源电路。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种可实现输出功率限制的限制功率输出的电源电路。
本发明的第二目的是提供一种可实现输出功率限制的充电装置。
为了实现上述第一目的，本发明提供的限制功率输出的电源电路包括电压输入端、电压转换模块、电压负反馈电路、电流负反馈电路和电压输出端，电压输入端与电压转换模块电连接，电压负反馈电路获取电压转换模块的输出电压并向电压转换模块发送电压误差信号，电流负反馈电路获取电压转换模块的输出电流并向电压负反馈电路发送电流误差信号；电源电路还包括：第一电压采样模块、判断控制模块、电压参数选择模块、电流参数选择模块、减法模块、比例放大模块和加法模块；第一电压采样模块获取电压转换模块的当前输出电压并分别发送至判断控制模块和减法模块的第一输入端；判断控制模块向电压参数选择模块发送电压选择控制信号，电压参数选择模块向减法模块的第二输入端发送当前输出电压对应的功率线性段的最小输出电压；减法模块向比例放大模块发送当前输出电压与最小输出电压相减后的差值电压；判断控制模块向比例放大模块发送功率线性段对应的比例放大系数，比例放大模块向加法模块的第一输入端发送差值放大电压；判断控制模块向电流参数选择模块发送电流选择控制信号，电流参数选择模块向加法模块的第二输入端发送功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压；加法模块向电流负反馈电路输出电流反馈端参考电压。
由上述方案可见，本发明的限制功率输出的电源电路通过判断控制模块根据电压转换模块的当前输出电压，判断当前输出电压所处的功率线性段，从而控制电压参数选择模块输出该功率线性段的最小输出电压以及控制电流参数选择模块输出该功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压，再通过减法模块、比例放大模块和加法模块获得电流负反馈电路的电流反馈端参考电压，实现对功率曲线进行线性拟合，从而可利用简单的电路结构实现限制功率输出。
进一步的方案中，电压负反馈电路包括第二电压采样模块和第一误差放大器，第二电压采样模块分别与电压转换模块的输出端和第一误差放大器的反向输入端电连接，第一误差放大器的输出端与电压转换模块电连接。
由此可见，电压负反馈电路通过第二电压采样模块获取电压转换模块的输出电压，并通过第一误差放大器进行比较，从而输出控制电压负反馈电路的输出电压的电压误差信号。
进一步的方案中，电流负反馈电路包括电流采样电路和第二误差放大器，电流采样电路分别与电压转换模块的输出端和第二误差放大器的反向输入端电连接，第二误差放大器的正向输入端与加法模块的输出端电连接，第二误差放大器的输出端与电压负反馈电路电连接。
由此可见，电流负反馈电路通过电流采样电路获取电压转换模块的输出电流，并通过第二误差放大器进行比较，从而输出控制电压转换模块的输出电流的电流误差信号。
进一步的方案中，第二误差放大器的输出端与第一误差放大器的反向输入端电连接。
由此可见，电流负反馈电路可通过控制电压反馈信号实现控制电压转换模块的输出电流。
进一步的方案中，第二误差放大器的输出端与第一误差放大器的正向输入端电连接。
由此可见，电流负反馈电路可通过控制电压参考信号实现控制电压转换模块的输出电流。
进一步的方案中，第二误差放大器的输出端与第一误差放大器的输出端电连接。
由此可见，电流负反馈电路可通过控制电压误差信号实现控制电压转换模块的输出电流。
进一步的方案中，电压参数选择模块包括第一多通路控制开关和多路参考电压输入端，多路参考电压输入端分别与第一多通路控制开关对应的输入端电连接，第一多通路控制开关的控制端与判断控制模块电连接，第一多通路控制开关的输出端与减法模块电连接。
由此可见，电压参数选择模块通过判断控制模块的电压控制信号切换与参考电压输入端的连接，从而选择当前输出电压对应的功率线性段的最小输出电压。
进一步的方案中，电流参数选择模块包括第二多通路控制开关和多路参考电压输入端，多路参考电压输入端分别与第二多通路控制开关对应的输入端电连接，第二多通路控制开关的控制端与判断控制模块电连接，第二多通路控制开关的输出端与加法模块电连接。
由此可见，电流参数选择模块通过判断控制模块的电流控制信号切换与参考电压输入端的连接，从而选择当前的功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压。
为了实现上述第二目的，本发明提供的充电装置包括上述的限制功率输出的电源电路。
附图说明
图1是现有具有恒定输出电压、限定输出电流功能的电压转换电路块的电路框图。
图2是具有恒定输出电压、限定输出电流功能的电压转换电路的电流-电压特性示意图。
图3是本发明限制功率输出的电源电路实施例的电路框图。
图4是本发明限制功率输出的电源电路实施例中电压负反馈电路和电流负反馈电路一种连接方式的电路框图。
图5是本发明限制功率输出的电源电路实施例中电压负反馈电路和电流负反馈电路另一种连接方式的电路框图。
图6是本发明限制功率输出的电源电路实施例中电压负反馈电路和电流负反馈电路又一种连接方式的电路框图。
图7是恒定输出功率为10W、18W和30W的功率曲线示意图。
图8是恒定输出功率的电压和电流变化曲线示意图。
图9是线性拟合的电压和电流变化曲线示意图。
图10是线性拟合的电压和电流变化曲线中某一功率线性段的曲线示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
限制功率输出的电源电路实施例：
如图3所示，限制功率输出的电源电路包括电压转换模块6、电压负反馈电路7、电流负反馈电路8、第一电压采样模块9、判断控制模块10、电压参数选择模块11、电流参数选择模块12、减法模块13、比例放大模块14、加法模块15、电压输入端16和电压输出端17。
电压输入端16和电压输出端17均与电压转换模块6电连接，电压输入端16向电压转换模块6提供输入电源，电压负反馈电路7获取电压转换模块6的输出电压并向电压转换模块6发送电压误差信号，电流负反馈电路8获取电压转换模块6的输出电流并向电压负反馈电路7发送电流误差信号，电压转换模块6用于根据电压误差信号向电压输出端17输送输出电压。其中，电压负反馈电路7包括第二电压采样模块71和第一误差放大器72，第二电压采样模块71分别与电压转换模块6的输出端和第一误差放大器72的反向输入端电连接，第一误差放大器72的输出端与电压转换模块6电连接。电流负反馈电路8包括电流采样电路81和第二误差放大器82，电流采样电路81分别与电压转换模块6的输出端和第二误差放大器82的反向输入端电连接，第二误差放大器82的正向输入端与加法模块15的输出端电连接，第二误差放大器82的输出端与电压负反馈电路7电连接。电压转换模块6包括且不仅限于ACDC模块、DCDC模块、LDO模块等。
由于电流信息和电压信息在电路里运算时，需要按照比例转成同一种类型的参量，因此，电流负反馈电路8向电压负反馈电路7发送电流反馈信号时需要进行信号的转化，电流负反馈电路8可通过某些公知电路对电压负反馈电路7进行下拉电压参考、上拉电压反馈信号、下拉电压误差信号等方式进行连接。
一个优选的实施例中，参见图4，电流负反馈电路8还包括电压转电流模块83，第二误差放大器82的输出端通过电压转电流模块83与电压负反馈电路7电连接。电压转电流模块83与第一误差放大器72的反向输入端电连接。电流负反馈电路8可通过控制电压反馈信号实现控制电压转换模块6的输出电流。电压转电流模块83为本领域技术人员所公知的技术，在此不再赘述。
另一优选的实施例中，参见图5，电流负反馈电路8还包括电压转电流模块83，第二误差放大器82的输出端通过电压转电流模块83与电压负反馈电路7电连接。电压转电流模块83与第一误差放大器72的反向输入端电连接。电压转电流模块83与第一误差放大器72的正向输入端电连接。电流负反馈电路8可通过控制电压参考信号实现控制电压转换模块6的输出电流。
另一优选的实施例中，参见图6，电流负反馈电路8还包括电压转电流模块83，第二误差放大器82的输出端通过电压转电流模块83与电压负反馈电路7电连接。电压转电流模块83与第一误差放大器72的反向输入端电连接。电压转电流模块83与第一误差放大器72的输出端电连接。电流负反馈电路8可通过控制电压误差信号实现控制电压转换模块6的输出电流。
由图3中可知，第一电压采样模块9与电压输出端17电连接，第一电压采样模块9获取电压转换模块6的当前输出电压并分别发送至判断控制模块10和减法模块13的第一输入端。判断控制模块10向电压参数选择模块11发送电压选择控制信号，电压参数选择模块11向减法模块13的第二输入端发送当前输出电压对应的功率线性段的最小输出电压。减法模块13向比例放大模块14发送当前输出电压与最小输出电压相减后的差值电压。判断控制模块10向比例放大模块14发送功率线性段对应的比例放大系数，比例放大模块14向加法模块15的第一输入端发送差值放大电压。判断控制模块10向电流参数选择模块12发送电流选择控制信号，电流参数选择模块12向加法模块15的第二输入端发送功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压。加法模块15向电流负反馈电路8输出电流反馈端参考电压。
电压参数选择模块11包括第一多通路控制开关111和参考电压输入端V_V1至V_Vn，n值根据需要确定。参考电压输入端V_V1至V_Vn分别与第一多通路控制开111关对应的输入端电连接，第一多通路控制开关111的控制端与判断控制模块10电连接，第一多通路控制开关的输出端与减法模块13电连接。电流参数选择模块12包括第二多通路控制开关121和参考电压输入端V_I 1至V_I n，n值根据需要确定。参考电压输入端V_I 1至V_I n分别与第二多通路控制开关121对应的输入端电连接，第二多通路控制开关121的控制端与判断控制模块10电连接，第二多通路控制开关121的输出端与加法模块15电连接。
为了更清楚的对本发明进行说明，下面对本发明的原理进行说明。
参见图7，图7示出了恒定输出功率为10W、18W和30W的功率曲线示意图，要使到输出功率小于或等于预期值，即，使输出电压与输出电流的乘积小于或等于预期值，必须使到电流、电压坐标位于恒定功率曲线的下方。如果能够有电路能够将输出电压和输出电流钳制在曲线下方，那么就能实现输出功率等于或小于曲线对应的功率。
参见图8，对于某一个输出电压V1，随着输出电流的增大，功率也随着增大，当输出电流达到I1时，功率达到限定值，这时，若增大负载，控制电路需控制降低输出电压，一般情况下，电压降低，会使用电设备抽取电流变小。所以，理论上，电压-电流值会在恒功率曲线上移动，此时实现了限定功率的功能，即，用电器不会抽取超过限定功率的功率。对于某一个输出电流I 3，随着输出电压的增大，功率也随着增大，当输出电压达到V3时，功率达到限定值，这时，若调大输出电压，控制电路会降低限流值，使到用电设备抽取电流变小。所以，理论上，电压-电流值会在恒功率曲线上移动，此时实现了限定功率的功能，即，用电器不会抽取超过限定功率的功率。
理论上，电源电路在恒定输出功率下，恒定功率曲线为双曲线，对于集成电路来说，很难找到器件的特性满足设计要求。因此，本申请通过“分段线性”的方法，可以根据精度需求非常接近理想的误差需求，更好地保证实际需求和实现难度之间的折中。
参见图9，在输出的电压电流范围，利用曲线1、……、曲线i、……、曲线n(n≥2)拟合原来的恒功率曲线，其中，误差Ei为第i段的最大误差。从图9可以看出，随着n的增多，拟合曲线越来越接近恒定功率曲线，误差也越来越小。拟合曲线由线性的电流-电压直线构成，所以能够较为简单地用集成电路来实现。
如图10所示，第i段功率线性段的电流-电压特性可由线性原理推出：
Figure BDA0002529567230000081
其中：Vi+1、Ii+1表示第i段功率线性段的最大输出电压，和对应的最大输出电流，Vi、Ii表示第i段功率线性段的最小输出电压和对应的最大输出电流，Vx、Ix表示第i段功率线性段中的任意电压和对应的最大输出电流，
Figure BDA0002529567230000082
表示第i段功率线性段的斜率，即比例放大系数。
基于上述原理，本发明限制功率输出的电源电路通过第一电压采样模块9获取电压转换模块6的当前输出电压，判断控制模块10判断当前输出电压所处的功率线性段，从而控制确电压参数选择模块11输出该功率线性段的最小输出电压以及控制电流参数选择模块12输出该功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压，再通过减法模块13、比例放大模块14和加法模块15获得电流负反馈电路8的电流反馈端参考电压，电流负反馈电路8根据电流反馈端参考电压和电流反馈信号向电压负反馈电路7发送电流误差信号，电压负反馈电路7根据电流误差信号和输出电压向电压转换模块6发送电压误差信号，从而实现对功率曲线进行线性拟合，进而实现利用简单的电路结构实现电源电路的限制功率输出。
充电装置实施例：
本发明的充电装置包括主控电路(未示出)以及至少一路上述实施例中的限制功率输出的电源电路，主控电路与每一路限制功率输出的电源电路中的判断控制模块10电连接，主控电路向判断控制模块10发送功率选择信号，判断控制模块10根据功率选择信号确定当前限制功率输出的电源电路的限制功率，从而进一步控制电压参数选择模块11和电流参数选择模块12输出当前功率对应的电压。
需要说明的是，限制功率输出的电源电路的数量可根据需要设置，每一路电源电路的限制功率可以相同，也可以不同。充电装置包括移动电源、电源适配器或车充等。
由上述可知，本发明的限制功率输出的电源电路通过判断控制模块根据电压转换模块的当前输出电压，判断当前输出电压所处的功率线性段，从而控制电压参数选择模块输出该功率线性段的最小输出电压以及控制电流参数选择模块输出该功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压，再通过减法模块、比例放大模块和加法模块获得电流负反馈电路的电流反馈端参考电压，实现对功率曲线进行线性拟合，从而可利用简单的电路结构实现限制功率输出。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种限制功率输出的电源电路，包括电压输入端、电压转换模块、电压负反馈电路、电流负反馈电路和电压输出端，所述电压输入端与所述电压转换模块电连接，所述电压负反馈电路获取所述电压转换模块的输出电压并向所述电压转换模块发送电压误差信号，所述电流负反馈电路获取所述电压转换模块的输出电流并向所述电压负反馈电路发送电流误差信号，其特征在于：
所述电源电路还包括：第一电压采样模块、判断控制模块、电压参数选择模块、电流参数选择模块、减法模块、比例放大模块和加法模块；
所述第一电压采样模块获取所述电压转换模块的当前输出电压并分别发送至所述判断控制模块和所述减法模块的第一输入端；
所述判断控制模块向所述电压参数选择模块发送电压选择控制信号，所述电压参数选择模块向所述减法模块的第二输入端发送所述当前输出电压对应的功率线性段的最小输出电压；
所述减法模块向所述比例放大模块发送所述当前输出电压与所述最小输出电压相减后的差值电压；
所述判断控制模块向所述比例放大模块发送所述功率线性段对应的比例放大系数，所述比例放大模块向所述加法模块的第一输入端发送差值放大电压；
所述判断控制模块向所述电流参数选择模块发送电流选择控制信号，所述电流参数选择模块向所述加法模块的第二输入端发送所述功率线性段的最大输出电流对应的电流参考电压；
所述加法模块向所述电流负反馈电路输出电流反馈端参考电压。
2.根据权利要求1所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述电压负反馈电路包括第二电压采样模块和第一误差放大器，所述第二电压采样模块分别与所述电压转换模块的输出端和所述第一误差放大器的反向输入端电连接，所述第一误差放大器的输出端与所述电压转换模块电连接。
3.根据权利要求2所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述电流负反馈电路包括电流采样电路和第二误差放大器，所述电流采样电路分别与所述电压转换模块的输出端和所述第二误差放大器的反向输入端电连接，所述第二误差放大器的正向输入端与所述加法模块的输出端电连接，所述第二误差放大器的输出端与所述电压负反馈电路电连接。
4.根据权利要求3所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述第二误差放大器的输出端与所述第一误差放大器的反向输入端电连接。
5.根据权利要求3所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述第二误差放大器的输出端与所述第一误差放大器的正向输入端电连接。
6.根据权利要求3所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述第二误差放大器的输出端与所述第一误差放大器的输出端电连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述电压参数选择模块包括第一多通路控制开关和多路参考电压输入端，多路所述参考电压输入端分别与所述第一多通路控制开关对应的输入端电连接，所述第一多通路控制开关的控制端与所述判断控制模块电连接，所述第一多通路控制开关的输出端与所述减法模块电连接。
8.根据权利要求1至6任一项所述的限制功率输出的电源电路，其特征在于：
所述电流参数选择模块包括第二多通路控制开关和多路参考电压输入端，多路所述参考电压输入端分别与所述第二多通路控制开关对应的输入端电连接，所述第二多通路控制开关的控制端与所述判断控制模块电连接，所述第二多通路控制开关的输出端与所述加法模块电连接。
9.一种充电装置，其特征在于：包括权利要求1至8任意一项所述的限制功率输出的电源电路。
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