CN207234465U - 一种大功率电源模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率电源模块，包括接口单元、自适应控制单元、自适应实施单元、功率发生单元、USB 3.1控制单元、QC 3.0控制单元、自充电单元、电池管理系统和系统控制单元；本实用新型提供的电源模块将USB 3.1和QC 3.0两大功率传输协议集成到一起，运用范围更广泛，几乎涵盖所有的可充电电子产品；不仅具备对外充电能力，还可以为内部系统提供多个电压轨以满足复杂供电系统的需求。采用电源分配处理方式扩大输入电压范围，提高能量转换效率，降低系统功耗。能适用于各种复杂的电气环境，特别适用于特殊作业设备。内部集成微控制器，将整个供电系统封装成一个独立运行的模块，仅以一路串口与外部通信，集成度高，体积小，接口简单，性价比高。

Description

一种大功率电源模块

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种大功率电源模块。

背景技术

随着电子设备技术快速发展，电子设备内部电路集成度不断提高，功能日益强大，其功耗也随之加大。受限于电池容量，设备在长时间使用时续航能力非常有限。基于USB3.1和QC 3.0功率传输协议的电子设备，可以通过TYPE-C接口传输多种功率的电流，甚至可以根据不同的用电设备自动调整最佳输出功率，其最大传输能力高达100W，足以满足生活中常用的智能手机、平板电脑以及笔记本电脑等电子设备的用电需求。

目前，USB 3.1 和QC 3.0主要运用于家用电源适配器、移动电源和车载电源适配器。家用电源适配器主要是将家用220V交流电转换成符合USB 3.1和QC 3.0要求的电源，其内部电源发生模块电路并不复杂，且较为成熟，成本一般。遵循USB 3.1和QC 3.0功率传输协议的移动电源，其电源发生模块只需要考虑将低电压的锂电池电能转换成协议所需的较高电压值电源对外输出，其原理及结构也是单一的，能满足USB 3.1和QC 3.0基本要求的电源管理芯片种类较多但都不可能达到大功率传输要求，这是由移动电源的初始输入端锂电池电量决定的。车载电源适配器是三种应用中最复杂的一种，因为车载电源适配器电源初始输入端为汽车蓄电池，不同的车型其蓄电池属性不同，例如普通小汽车的蓄电池电压为12V而商用车的蓄电池电压高达24V。而且，在发动机点火运行以后，蓄电池电压会受发动机上挂载的发电机影响迅速上升，也会因为各种用电设备例如大功率直流电机等的运行而产生电压波动，当外部温度较低时蓄电池长时间不用时还会出现馈电等低电压情况，电源发生模块的初始电源参数是十分复杂的。目前市面上还未出现可以同时满足所有车型且遵循完整的USB 3.1和QC 3.0功率传输协议的车载电源适配器。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种大功率电源模块，能够适应各种复杂的电源环境且遵循完整的USB 3.1和QC 3.0功率传输协议。

本实用新型所采用的技术方案是：一种大功率电源模块，包括接口单元、自适应控制单元、自适应实施单元、功率发生单元、USB 3.1控制单元、QC 3.0控制单元、自充电单元、电池管理系统和系统控制单元；所述接口单元包括USB TYPE-C接口、大功率电源接口和保护电路；所述自适应控制单元包括电压识别电路和使能控制电路；所述功率发生单元受控于所述系统控制单元、USB 3.1控制单元和QC 3.0控制单元；所述USB 3.1控制单元包括USB3.1专用控制器电路；所述QC 3.0控制单元包括QC 3.0专用控制器电路和温度传感器；所述自充电单元包括所述接口单元中的大功率电源接口和USB TYPE-C接口；所述系统控制单元包括微控制器和电压检测电路，通过串口与集成系统的中央处理器实现通信。

所述大功率电源模块兼容USB 3.1和QC 3.0功率传输协议，同时向下兼容USB3.0、USB 2.0、QC 2.0协议；对外供电能力为0~100W且输出电压0~20V内的任意值可调，对外接口通用且可靠；采用电源分配处理方式扩大输入电压范围，提高能量转换效率，降低系统功耗；不仅具备对外充电能力，还可以为内部系统提供多个电压轨以满足复杂供电系统的需求；内部集成了高效电池管理系统，可应对集成系统的电池需求而无需拆卸电池单独充电。所述系统控制单元内部集成微控制器，将整个供电系统封装成一个独立运行的模块，仅以一路串口与外部通信，方便集成，操作简单。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提出的大功率电源模块，遵循完整的USB 3.1和QC 3.0功率传输协议，采用特殊电路设计，摆脱了现有USB 3.1电源适配器供电范围的限制。本实用新型提供的电源模块有以下优点：

（1）将市面上主流的USB 3.1和QC 3.0两大功率传输协议集成到一起，运用范围更广泛，几乎涵盖所有的可充电电子产品；

（2）不仅可以作为对外充电端，还可以运行为受电设备，实现双向供电功能，非常适合集成于各种设备中，这都是一般电源适配器所不能比拟的；

（3）在电源转换效率方面，低电压电源运用中，本电源模块转换效率可高达95%以上，而在高电压电源运用中，也能保证90%的转换效率，总体性能较优越；

（4）整个电源模块成本在100元以内，性价比高；

（5）电压范围宽、大功率供电能力、适应性强，尤其是在车载适配器方向。

本电源模块全面的电源输入输出保护措施，可以抵抗如大电流浪涌等严苛的电气环境，对于复杂的电气环境适应性极强，各项保护功能都具备完善，特别适用于特殊作业设备。且本模块集成度较高，体积小，接口简单，特别适合集成为其他系统的电源模块。在保证模块正常运行的情况下，其自身的诊断监测系统还可以大大降低其集成系统的工作负担，因此运用起来简单方便利于维护。

附图说明

图1为本实用新型的组成框图；

具体实施方式

本实用新型提供的大功率电源模块主要由接口单元、自适应控制单元、自适应实施单元、功率发生单元、USB 3.1控制单元、QC 3.0控制单元、自充电单元、系统控制单元和电池管理系统组成。对外接口USB TYPE-C，兼容绝大多数电子设备的功率传输协议，不仅可以给手机、电脑等电子产品充电，还可以使用通用的手机充电器对所述大功率电源模块充电，电流传输过程高效高速，充电用时较短。本实用新型提供的大功率电源模块已经运用到本公司某款测试工具上，集成了该电源模块的设备具备非常优秀的抗外部干扰能力。在复杂的电气环境中，该模块可以抵抗各种大电流浪涌、电压冲击等问题。当外部线路出现问题时，该模块也可以立刻识别并自行处理，实时切断外部供电连接，保证系统内部安全。

所述接口单元主要由USB TYPE-C接口和大功率电源接口组成，为应对复杂而苛刻的外部电气环境，接口单元内部还集成了各种保护电路。所述大功率电源模块中用到的大功率电源接口允许传输10A的电流，为主要的受电端口，该电源接口设计用于连接汽车蓄电池，为电源发生模块提供初始电源。而USB TYPE-C接口允许通过的最大电流为3A，为主要的输出接口和二级受电端口，该接口做电源输出时用于连接笔记本、手机、平板等电子设备，支持电源接头正反插；当其用作二级受电端口时，用于连接支持USB 3.1的电源适配器，由外部供电设备给所述大功率电源模块所集成系统充电；同时，该接口还用于集成系统的数据传输接口。TYPE-C接口内部也集成了特殊的保护电路，允许的最高输出电压为20V，符合USB 3.1和QC 3.0的标准，最高可对外输出100W。该接口具备抗浪涌保护能力，ESD静电防护能力，电源电缆防反接能力，过载过流保护能力等。除了符合USB 3.1和QC 3.0功率传输协议，该接口同时向下兼容USB 3.0、USB 2.0、QC 2.0等协议，因此，市面上绝大部分电子设备均可以通过此接口实现充电。

所述自适应控制单元主要由电压识别电路和使能控制电路组成。所述电压识别电路主要负责识别并判断初始输入电源的电压值，通过硬件设置一个阈值电压来决定后续的电源处理方式，目的是能在不同的输入电压情况下选择最适合的电源处理途径。适合的电源处理途径将大大提高电源转换效率，降低功率损耗，从而降低电源模块自身发热，避免因温度而导致的寿命衰减，保证系统的可靠运行。所述使能控制电路主要是根据电压识别电路识别的电压值使能不同的电源处理途径。所述使能控制电路不仅受外部输入电压影响，还可以由系统控制单元直接控制，这样就可以在电压识别电路控制的同时，由系统控制单元直接监测外部输入电压信号，从而对电压识别电路的动作进行校验，防止误动作，一旦出现误动作或是错误判断时，由系统控制单元直接修正。

所述自适应实施单元主要包含两种电源处理途径，这两种电源处理途径适用于不同的电压范围。对于大功率电源模块，能量转换效率至关重要，效率低必然导致热量损失过大直接影响性能，甚至会造成系统失效或火灾隐患。本实用新型提供的大功率电源模块由于其输入电压范围很广，导致高低电压差距较大，现有的电源管理芯片很难在如此大的电压范围下保证大功率电源高效率转换。因此，本实用新型针对两个上下电压范围采用不同的电源转换途径，即低于某一电压阈值时模块采用某种高效转换途径，当输入电压值高于阈值时自动切换为另一种高效处理途径，且这两种电源处理途径的转换效率都能保证在95%以上。

所述功率发生单元受控于所述系统控制单元、USB 3.1控制单元和QC 3.0控制单元，主要负责按需输出符合要求的电源。所述功率发生单元内部集成了特殊的电路用于感知输出电压值和电流值，从而自行判断及调整以满足需求。所述功率发生单元还集成了限流保护功能和过压保护功能，当外部设备出现异常导致线路过流过压时，功率发生电路可以立即关闭对外电源输出。除此以外，当外部用电设备移除或未连接时，所述功率发生单元可以自动切断对外供电输出，从而降低功耗，避免外部接口误操作对电源模块内部造成影响。

所述USB 3.1控制单元主要由USB 3.1专用控制器电路组成，主要负责从USBTYPE-C接口上获取所需的信号，并按USB 3.1通讯协议与受电或者供电方实现握手通信，从而判断受电设备所需的电源参数或供电方所能够提供的供电参数，继而将这些信息交由系统控制单元做决定。所述控制单元由控制器运行电压供电，当运行电压正常时，即整个电源模块正常运转，可以通过控制单元决定所述大功率电源模块是充电还是对外供电状态。当所述大功率电源模块所集成的系统内部电池电量耗尽或者运行电压处于关断系统关机状态时，控制单元将在外部充电器与TYPE-C接口相连时默认运行为充电模式，此时外部充电器将对整个系统直接供电同时对内部电池进行充电，可以保证随时给设备充电。

所述QC 3.0控制单元主要由QC 3.0专用控制器电路组成。由于USB 3.1和QC 3.0识别对方设备时的方式不同，为兼容仅遵循USB 3.1或仅遵循QC 3.0的电子设备，所述大功率电源模块还集成了QC 3.0控制单元。通过对控制单元的局部调整可以设置QC 3.0的工作类别，从而决定其输出目标电压调整范围。所述QC 3.0控制单元通过TYPE-C接口上的相应数据线实现与用电设备的握手通信，当检测到对方设备也遵循QC 3.0协议时，会输出控制功率发生单元对外输出一个电压，然后以0.2V为步长对输出电压进行调整直至达到一个最适合用电设备的供电电压。所述控制单元内部集成了特殊的电路，直接从TYPE-C接口上的电源线上取电，以保证当TYPE-C接口上有设备连接时控制单元才工作，其余时间均保持关闭状态。所述QC 3.0控制单元内部还集成有温度传感器，通过相关设置可以决定控制芯片在达到某个特定温度时关闭对外电源输出，此功能可以有效避免电源模块充电过程中过热起火等安全问题。

所述自充电单元主要由两部分组成，一部分电源来自接口单元中的大功率电源接口，所述大功率电源模块系统设定大功率电源接口无有效电源时不对外部设备进行供电；另一组成部分电源来自USB TYPE-C接口，系统内部无电时一旦接口上有供电设备连接，电能将会通过该接口以5V的电压值传递进来，系统控制单元启动，对所述USB 3.1控制单元进行配置，对供电设备提出其他的供电要求。

所述系统控制单元内部集成有微控制器及电压检测电路。所述系统控制单元管理并监测其他模块，实时监测各个电源电压值是否正常。同时，通过安装在所述大功率电源模块关键发热元件附近的数字温度计不断读取电路运行温度，在保证系统安全的情况下控制对外输出的功率大小。所述系统控制单元通过串口与集成系统的中央处理器实现通信，集成系统的控制单元可以实时获取电源模块的运行状态。如果将该路串口通信中的数据通过数码管或显示屏显示出来，就可以将所述大功率电源模块直接设计成带数显功能的智能电源适配器。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种大功率电源模块，其特征在于：所述电源模块包括接口单元、自适应控制单元、自适应实施单元、功率发生单元、USB 3.1控制单元、QC 3.0控制单元、自充电单元、电池管理系统和系统控制单元；所述接口单元包括USB TYPE-C接口、大功率电源接口和保护电路；所述自适应控制单元包括电压识别电路和使能控制电路；所述功率发生单元受控于所述系统控制单元、USB 3.1控制单元和QC 3.0控制单元；所述USB 3.1控制单元包括USB 3.1专用控制器电路；所述QC 3.0控制单元包括QC 3.0专用控制器电路和温度传感器；所述自充电单元包括所述接口单元中的大功率电源接口和USB TYPE-C接口；所述系统控制单元包括微控制器和电压检测电路，通过串口与集成系统的中央处理器实现通信。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述大功率电源模块兼容USB 3.1和QC 3.0功率传输协议，同时向下兼容USB 3.0、USB 2.0、QC 2.0协议。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述大功率电源模块对外供电能力为0~100W且输出电压0~20V内的任意值可调，对外接口通用且可靠。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述大功率电源模块采用电源分配处理方式扩大输入电压范围，提高能量转换效率，降低系统功耗。

5.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述大功率电源模块不仅具备对外充电能力，还可以为内部系统提供多个电压轨以满足复杂供电系统的需求。

6.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述系统控制单元内部集成微控制器，将整个供电系统封装成一个独立运行的模块，仅以一路串口与外部通信。

7.根据权利要求1所述的一种大功率电源模块，其特征在于：所述大功率电源模块内部集成了高效电池管理系统，可应对集成系统的电池需求而无需拆卸电池单独充电。