CN112491263B - 无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备，供电电路包括电容，还包括：电压输入端；电压输出端；第一MOS管，漏极连接至电容的第一端，源极连接至电压输入端；第二MOS管，漏极连接至电容的第二端，源极接地；第三MOS管，源极连接至电容的第一端，漏极连接至电压输出端；第四MOS管，源极连接至电容的第二端，漏极连接至电压输出端；微控制单元，与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，控制第一MOS管和第二MOS管导通，并周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以控制输出输出电压Vout和向电容充电。采用上述技术方案后，除应用在充电上外，还可取代供电buck，提升电源的效率。

Description

无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备

技术领域

本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备。

背景技术

随着智能终端的快速发展，用户于日常使用智能终端的情形越来越多。由于电池容量的限制，为提高智能终端的续航能力，不少智能终端的厂商提出不断提高的充电技术。例如，随着以智能终端为代表的消费类电子的充电功率越来越大，从5W，10W，27W，65W至目前为止最为成熟的120W。该充电功率的提升，其重要的原因在于，充电方案从之前的buck升压开关充电过度到了charger pump方案，charger pump就是电荷泵，基本原理利用电容可以存储电荷的特性，来实现电压的调节。

目前采用的charger pump方案都是固定比例的4:2、2：1或者3:1，即输入电压是输出电压的2倍或者3倍，无法实现输入电压与输出电压间的任意比例，使得charger pump方案无法完全取代buck开关充电的方案，限制了充电功率的进一步提升。

因此，需要一种新型无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备，可完全取代buck开关充电的方案，并更进一步地增加充电功率。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种无极调节的供电电路、方法及具有该供电电路的充电设备，除应用在充电上外，还可取代供电buck，提升电源的效率。

本发明公开了一种无极调节的供电电路，包括用于存储电能的电容，供电电路还包括：

电压输入端，连接市电接收电能以形成一输入电压Vin；

电压输出端，与电压输入端连接，并连接至一外部负载，向外部负载输出一输出电压Vout；

第一MOS管，第一MOS管的漏极连接至电容的第一端，第一MOS管的源极连接至电压输入端；

第二MOS管，第二MOS管的漏极连接至电容的第二端，第二MOS管的源极接地；

第三MOS管，第三MOS管的源极连接至电容的第一端，第三MOS管的漏极连接至电压输出端；

第四MOS管，第四MOS管的源极连接至电容的第二端，第四MOS管的漏极连接至电压输出端；

微控制单元，分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接；

所述微控制单元于固定时间段下调节第一MOS管的电压，以调节第一MOS管的MOS电阻和经过第一MOS管的电流大小，实现输入电压Vin和输出电压Vout的任意比例；

或者，微控制单元控制第一MOS管和第二MOS管导通，以向电容充电，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电。

优选地，微控制单元于一第一控制时间Δt1内控制第一MOS管和第二MOS管导通，第三MOS管和第四MOS管关断，直至Vin＝X·Vout，其中Δt1＝t2-t1，t1为第一MOS管和第二MOS管导通、第三MOS管和第四MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选地，微控制单元于一第二控制时间内Δt2控制第二MOS管和第三MOS管导通，直至电容的两端电压降低至Vout’，其中Vout’＝Vout-ΔV，Δt2＝t3-t2，t3为第一MOS管和第四MOS管导通、第二MOS管和第三MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选地，微控制单元于一第三控制时间内Δt3控制第一MOS管和第四MOS管导通，直至电容的两端电压提升至Vout，其中Δt3＝t4-t3，t4为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻，t3为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻。

本发明还公开了一种充电设备，包括壳体，壳体内安装有如上所述的供电电路。

本发明又公开了一种无极调节的供电方法，供电方法包括以下步骤：

电压输入端连接市电接收电能，并形成一输入电压Vin；

将一第一MOS管的漏极连接至一电容的第一端，并将第一MOS管的源极连接至电压输入端；

将一第二MOS管的漏极连接至电容的第二端，并将第二MOS管的源极接地；

将一第三MOS管的源极连接至电容的第一端，并将第三MOS管的漏极连接至一电压输出端；

将一第四MOS管的源极连接至电容的第二端，并将第四MOS管的漏极连接至电压输出端；

将一微控制单元分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，并控制第一MOS管和第二MOS管导通，以向电容充电；

所述微控制单元于固定时间段下调节第一MOS管的电压，以调节第一MOS管的MOS电阻和经过第一MOS管的电流大小，实现输入电压Vin和输出电压Vout的任意比例；

或者，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电。

优选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤包括：

微控制单元于一第一控制时间Δt1内控制第一MOS管和第二MOS管导通，第三MOS管和第四MOS管关断，直至Vin＝X·Vout，其中Δt1＝t2-t1，t1为第一MOS管和第二MOS管导通、第三MOS管和第四MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤还包括：

微控制单元于一第二控制时间内Δt2控制第二MOS管和第三MOS管导通，直至电容的两端电压降低至Vout’，其中Vout’＝Vout-ΔV，Δt2＝t3-t2，t3为第一MOS管和第四MOS管导通、第二MOS管和第三MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤还包括：

微控制单元于一第三控制时间内Δt3控制第一MOS管和第四MOS管导通，直至电容的两端电压提升至Vout，其中Δt3＝t4-t3，t4为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻，t3为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.实现charger pump的输入电压和输出电压之间的任意比例关系后，可以取代buck开关充电的方案，比如高通的QC2/3.0充电，或利用平台电源IC的buck给电池充电；无极调节比例的charger pump可以取代buck来给电池充电。

2.由于使用本身是无损器件的电容，不消耗能量，由此充电的效率可以大大提升；3.除了上述应用外，还可以取代供电buck，用作为电源。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例中供电电路的电路连接示意图；

图2为符合本发明一优选实施例中供电方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

参阅图1，为符合本发明一优选实施例中无极调节的供电电路的连接示意图，在该实施例中，为实现对输入电压和输出电压件无极调节的任意比例配置，其包括有电容，用于存储电能，且存储后的电能可全部输出，不会消耗工作时的能量。此外，供电电路还包括有电压输入端，电压输入端与市电，或其他电源连接，以接收电能，从而形成一输入电压Vin；电压输出端，与电压输入端连接，例如通过各类电子元件电连接，并连接至一外部负载，如手机、平板电脑等，向外部负载输出输出电压Vout，以向该外部负载供电。本实施例中所要实现的，也即为输入电压Vin与输出电压Vout间任意比例，不限制于固定比例的4:2、2:1或者3:1。因此，供电电路还包括：

-第一MOS管

第一MOS管的漏极连接至电容的第一端，第一MOS管的源极连接至电压输入端；

-第二MOS管

第二MOS管的漏极连接至电容的第二端，第二MOS管的源极接地；

-第三MOS管

第三MOS管的源极连接至电容的第一端，第三MOS管的漏极连接至电压输出端；

-第四MOS管

第四MOS管的源极连接至电容的第二端，第四MOS管的漏极连接至电压输出端；

上述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管可以是NMOS管。

同时，供电电路还包括有微控制单元，如MCU，其引脚如phi1连接至第一MOS管和第四MOS管的栅极，引脚如phi2连接至第二MOS管和第三MOS管的栅极，从而通过控制传输至第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的电压以控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的导通或关断。

微控制单元对于第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的控制逻辑具体为，首先控制第一MOS管和第二MOS管导通(第三MOS管和第四MOS管关断)，从而将电容的第一端控制为正极，第二端控制为负极，并建立自电压输入端、第一MOS管、第二MOS管、接地端的充电电路，向电容充电，也即该电容首先存在有一软启动的过程。当电容预充到一指定输出电压Vout时，例如Vout＝1/2·Vin，或Vout＝1/x·Vin后，微控制单元周期性地控制四个MOS管处于：第二MOS管和第三MOS管导通(第一MOS管和第四MOS管关断)、及所述第一MOS管和第四MOS管(第二MOS管和第三MOS管关断)择一导通，从而在第二MOS管和第三MOS管导通时，建立电压输出端、第三MOS管、第二MOS管、接地端的供电电路，而在第一MOS管和第四MOS管导通时，又建立电压输入端、第一MOS管、第四MOS管、电压输出端的对电容的再充电电路。也就是说，反复控制供电电路在输出输出电压Vout和向电容充电的两状态间切换。若建立电容储电量的直角坐标关系，则将示出一齿状的波形图，各齿状单元为每次切换的表达。

具体地，微控制单元对于四MOS管的控制逻辑为：

微控制单元于一第一控制时间Δt1内控制第一MOS管和第二MOS管导通，第三MOS管和第四MOS管关断，直至Vin＝X·Vout，其中Δt1＝t2-t1，t1为第一MOS管和第二MOS管导通、第三MOS管和第四MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻么，从而对电容预充电。且在该过程中，因为，电容两端电压不能突变，所以可实现Vout＝1/X·Vin。

上述实施例中，根据电容的伏安特性，控制进入电容的电流大小就可以得到期望的电压。在输入电流一定的前提下，控制进入电容的时间段便可以实现得到期望的输出电压。同时，该X是期望的输入/输出比例，通过对导通时间的配置(在微控制单元内可任意调制)，便可实现输入电压Vin和输出电压Vout的任意比例。

进一步地，微控制单元于一第二控制时间内Δt2控制第二MOS管和第三MOS管导通，直至电容的两端电压降低至Vout’，其中Vout’＝Vout-ΔV，Δt2＝t3-t2，t3为第一MOS管和第四MOS管导通、第二MOS管和第三MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。在该第二控制时间内Δt2内，电容放电，自电压输出端向外部负载供电。

更进一步地，微控制单元于一第三控制时间内Δt3控制第一MOS管和第四MOS管导通，直至电容的两端电压提升至Vout，其中Δt3＝t4-t3，t4为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻，t3为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻。在该第三控制时间内Δt3内，电容放电部分后，再次被充电。

通过上述周而复始的控制，可实现如充电效率至96％，相较于现有技术中使用buck电路中充电效率为90％-92％，充电效率得到大幅度提升。且由于buck电路的电路设计，不再具有提升的潜力。

另外，也可以在时间段固定的前提下，控制进入电容的电流大小也可以起到同样的效果。例如，控制进入电容的电荷可以通过对第一MOS管来实现，其具体为一颗mosfet，让mosfet工作在可变电阻区域，就可以控制经过第一MOS管的电流大小。例如，微控制单元对于调节向该第一MOS管的电压，以调节第一MOS管的MOS电阻。

具有上述供电电路后，可将其安装在具有壳体的充电设备内，例如充电器，或是安装在智能终端内的主板上，作为充电电路使用。

参阅图2，还示出了一优选实施例中无极调节的供电方法，在该实施例中，供电方法包括以下步骤：

S100：电压输入端连接市电接收电能，并形成一输入电压Vin；

S200：将一第一MOS管的漏极连接至一电容的第一端，并将第一MOS管的源极连接至电压输入端；

S300：将一第二MOS管的漏极连接至电容的第二端，并将第二MOS管的源极接地；

S400：将一第三MOS管的源极连接至电容的第一端，并将第三MOS管的漏极连接至一电压输出端；

S500：将一第四MOS管的源极连接至电容的第二端，并将第四MOS管的漏极连接至电压输出端；

S600：将一微控制单元分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，并控制第一MOS管和第二MOS管导通，以向电容充电；

S700：微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电。

优选或可选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤S700包括：

S710：微控制单元于一第一控制时间Δt1内控制第一MOS管和第二MOS管导通，第三MOS管和第四MOS管关断，直至Vin＝X·Vout，其中Δt1＝t2-t1，t1为第一MOS管和第二MOS管导通、第三MOS管和第四MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选或可选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤S700包括：

S720：微控制单元于一第二控制时间内Δt2控制第二MOS管和第三MOS管导通，直至电容的两端电压降低至Vout’，其中Vout’＝Vout-ΔV，Δt2＝t3-t2，t3为第一MOS管和第四MOS管导通、第二MOS管和第三MOS管关断的时刻，t2为第一MOS管和第四MOS管关断、第二MOS管和第三MOS管导通的时刻。

优选或可选地，微控制单元周期性地控制第二MOS管和第三MOS管、及第一MOS管和第四MOS管择一导通，以择一控制输出输出电压Vout和向电容充电的步骤S700包括：

S730：微控制单元于一第三控制时间内Δt3控制第一MOS管和第四MOS管导通，直至电容的两端电压提升至Vout，其中Δt3＝t4-t3，t4为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻，t3为第一MOS管和第四MOS管再次关断、第二MOS管和第三MOS管再次导通的时刻。

智能终端可以以各种形式来实施。例如，本发明中描述的终端可以包括诸如移动电话、智能电话、笔记本电脑、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、导航装置等等的智能终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。下面，假设终端是智能终端。然而，本领域技术人员将理解的是，除了特别用于移动目的的元件之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于固定类型的终端。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种无极调节的供电电路，包括用于存储电能的电容，其特征在于，所述供电电路还包括：

电压输入端，连接市电接收电能以形成一输入电压Vin；

电压输出端，与所述电压输入端连接，并连接至一外部负载，向所述外部负载输出一输出电压Vout；

第一MOS管，所述第一MOS管的漏极连接至所述电容的第一端，所述第一MOS管的源极连接至所述电压输入端；

第二MOS管，所述第二MOS管的漏极连接至所述电容的第二端，所述第二MOS管的源极接地；

第三MOS管，所述第三MOS管的源极连接至所述电容的第一端，所述第三MOS管的漏极连接至所述电压输出端；

第四MOS管，所述第四MOS管的源极连接至所述电容的第二端，所述第四MOS管的漏极连接至所述电压输出端；

微控制单元，分别与所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接；

所述微控制单元于固定时间段下调节第一MOS管的电压，以调节第一MOS管的MOS电阻和经过第一MOS管的电流大小，实现输入电压Vin和输出电压Vout的任意比例。

2.一种充电设备，包括壳体，其特征在于，所述壳体内安装有如权利要求1所述的供电电路。

3.一种无极调节的供电方法，其特征在于，所述供电方法包括以下步骤：

电压输入端连接市电接收电能，并形成一输入电压Vin；

将一第一MOS管的漏极连接至一电容的第一端，并将所述第一MOS管的源极连接至所述电压输入端；

将一第二MOS管的漏极连接至所述电容的第二端，并将所述第二MOS管的源极接地；

将一第三MOS管的源极连接至所述电容的第一端，并将所述第三MOS管的漏极连接至一电压输出端；

将一第四MOS管的源极连接至所述电容的第二端，并将所述第四MOS管的漏极连接至所述电压输出端；

将一微控制单元分别与所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的栅极连接，并控制所述第一MOS管和第二MOS管导通，以向所述电容充电；

所述微控制单元于固定时间段下调节第一MOS管的电压，以调节第一MOS管的MOS电阻和经过第一MOS管的电流大小，实现输入电压Vin和输出电压Vout的任意比例。

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