CN209571953U - 开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本开关电源电路用集成电路的高集成优势，把采样网络集成在芯片内部，然后在晶圆测试时利用测试设备编程自动修调，同时配合内部温度补偿电路，实现‑40～85℃全温度范围内精度优于±0.5％。不同的电池电压和电池节数则采用电阻分档选择的方式实现，芯片可设置一个电池节数选择电阻引脚和一个电池电压选择电阻引脚。

Description

开关电源电路

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，尤其涉及一种开关电源电路。

背景技术

为了预防锂电池过充电发生损坏或安全事故，通常会要求严格控制AC/DC电源的输出电压精度，以防在充电系统工作时或后级充电开关电源电路失效时，有效预防过充。目前，行业厂商一般要求电源输出精度要优于±0.5％，例如5节4.2V，典型输出电压为21V，上限是21.105V，下限是20.895V。

目前开关电源都是普遍使用精度为±0.5％的TL431作为基准，精度为±1％的电阻作为采样，因此边界精度仅±2.5％，远低于±0.5％的要求。如此，生产时一般是使用多个电阻并联作为采样，然后根据测试结果手工调整电阻数量实现±0.5％精度要求，作业效率差，成本高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种开关电源电路，旨在解决传统的开关电源生产时一般是使用多个电阻并联作为采样，手工调整电阻数量实现±0.5％精度要求，作业效率差，成本高的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种开关电源电路，包括：

电压变换模块，所述电压变换模块接入输入电压，所述电压变换模块输出第一直流电压，所述电压变换模块用于将输入电压进行电压变换；

PWM控制芯片，所述PWM控制芯片的输出端连接所述电压变换模块；

采样模块，与所述电压变换模块的输出连接，所述采样模块包括开关电源控制芯片、与所述开关电源控制芯片连接的补偿单元及与所述开关电源控制芯片连接的负载参数设定单元，所述开关电源控制芯片用于根据所述负载参数设定单元的预设负载参数和所述第一直流电压得到采样信号，所述补偿单元用于对所述采样信号进行电压电流补偿；

光耦反馈模块，所述光耦反馈模块的输入端连接所述采样模块的输出端，所述光耦反馈模块的输出端连接所述PWM控制芯片的反馈引脚，所述光耦反馈模块用于反馈所述采样信号至所述PWM控制芯片，所述PWM控制芯片根据所述采样信号对所述第一直流电压进行精准调节以匹配负载。

在其中一个实施例中，所述开关电源控制芯片包括：

接地脚；

电池节数设定脚，用于连接所述负载参数设定单元以设定并联负载的数量；

电池电压设定脚，用于连接所述负载参数设定单元以设定各个所述负载的额定电压；

LED驱动脚，用于驱动LED灯；

供电脚，用于接入电源电压；

光耦驱动脚，用于与所述光耦反馈模块连接，输出所述采样信号；

电压环路补偿脚，与用于所述补偿单元连接；及

电流采样脚，用于连接所述第一直流电压。

在其中一个实施例中，所述开关电源控制芯片包括：第一电流源、第二电流源、模数转换电路、基准偏置电路、光耦驱动电路以及转灯驱动电路；

所述模数转换电路的第一输入端连接所述第一电流源和所述电池节数设定脚，所述模数转换电路的第二输入端连接所述第二电流源和所述电池电压设定脚，所述基准偏置电路的输入端连接所述模数转换电路的输出端，所述基准偏置电路的第一输出端连接所述光耦驱动电路的第一输入端提供电压基准信号，所述基准偏置电路的第二输出端连接所述光耦驱动电路的第二输入端提供电流基准信号，所述光耦驱动电路的第三输入端经过第一分压电阻连接所述供电脚、经过第二分压电阻接地，所述电压环路补偿脚与所述光耦驱动电路的第三输入端连接，所述电流采样脚连接所述光耦驱动电路的第四输入端和所述转灯驱动电路的输入端，所述光耦驱动电路的输出端连接所述光耦驱动脚，所述转灯驱动电路的输出端连接LED驱动脚。

在其中一个实施例中，所述负载为电池，所述开关电源控制芯片还包括：

温度检测脚，用于检测电池温度；

开关驱动脚，用于在电池充电充满后，关断所述第一直流电压的输出；

通讯脚，用于与外部通讯，鉴别接入的电池是否合规以决定是否充电；以及

电压输出脚，用于给外部提供稳压电源。

在其中一个实施例中，所述光耦驱动电路包括：

电压误差放大器，所述电压误差放大器的正相输入端作为所述光耦驱动电路的第三输入端，所述电压误差放大器的反相输入端作为所述光耦驱动电路的第一输入端，

电流误差放大器，所述电流误差放大器的正相输入端作为所述光耦驱动电路的第二输入端，所述电流误差放大器的反相输入端作为所述光耦驱动电路的第四输入端；

第一NMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接所述电压误差放大器的输出端，所述第一NMOS管源极接地；

第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极连接所述电流误差放大器的输出端，所述第二NMOS管的源极基地，所述第一NMOS管的漏极与所述第二NOMS管的漏极共接并作为所述光耦驱动电路的输出端。

在其中一个实施例中，所述负载参数设定单元包括第一预设电阻和第二预设电阻，所述第一预设电阻连接在所述电池节数设定脚和地之间，所述第二预设电阻连接在所述电池电压设定脚和地之间。

在其中一个实施例中，所述第一预设电阻和所述第二预设电阻为5％精度。

在其中一个实施例中，所述补偿单元包括稳压补偿电路，所述稳压补偿电路连接在所述电压环路补偿脚和所述光耦驱动脚之间。

在其中一个实施例中，所述稳压补偿电路包括串联连接的第一电阻和第一电容。

在其中一个实施例中，还包括与串联连接的第一电阻和第一电容并联的第二电容。

在其中一个实施例中，所述补偿单元包括恒流补偿电路，所述恒流补偿电路与所述电流采样脚和所述光耦驱动脚连接。

在其中一个实施例中，所述恒流补偿电路包括串联连接在所述电流采样脚和所述光耦驱动脚之间的第二电阻和第三电容，以及连接在所述电流采样脚和地之间的第四电容。

在其中一个实施例中，所述光耦反馈模块包括光电耦合器、第一限流电阻和第三电阻，所述光电耦合器的发光器的输入端通过所述第三电阻连接所述电压变换模块的输出，所述光电耦合器的发光器的输出端作为所述光耦反馈模块的输入端，所述第一限流电阻连接在所述发光器的输入端和输出端之间。

上述开关电源电路使用集成电路的高集成优势，把采样网络集成在芯片内部，然后在晶圆测试时利用测试设备编程自动修调，同时配合补偿电路，实现-40～85℃全温度范围内精度优于±0.5％。另外，不同的负载电压和并联个数则采用负载参数预设的方式实现，并免于电源生产线的人工修调，提高作业效率，提高性能且降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的开关电源电路结构示意图；

图2为图1所示的开关电源电路中开关电源控制芯片的示例电路原理图；

图3A为图1所示的开关电源电路的高压侧示例电路原理图；

图3B为图1所示的开关电源电路的其中一种低压侧示例电路原理图；

图4为图1所示的开关电源电路的另一种低压侧示例电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的开关电源电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

开关电源电路包括电压变换模块110、PWM控制芯片120、采样模块130和光耦反馈模块140。

电压变换模块110接入输入电压VI，电压变换模块110输出第一直流电压VO，电压变换模块110用于将输入电压VI进行电压变换；电压变换模块110可以为隔离式DC/DC转换器、非隔离式DC/DC转换器，输入电压VI可以是直接直流输入，也可以是交流输入后整流为直流，参阅图3A和图3B。PWM控制芯片120的输出端连接电压变换模块110；PWM控制芯片120用于输出PWM信号控制电压变换模块110工作。

采样模块130与电压变换模块110的输出连接，采样模块130包括开关电源控制芯片131、与开关电源控制芯片131连接的补偿单元132及与开关电源控制芯片131连接的负载参数设定单元133，开关电源控制芯片131用于根据负载参数设定单元133的预设负载参数和第一直流电压VO得到采样信号，补偿单元132用于对采样信号进行电压电流补偿；光耦反馈模块140，光耦反馈模块140的输入端连接采样模块130的输出端，光耦反馈模块140的输出端连接PWM控制芯片120的反馈引脚，光耦反馈模块140用于反馈采样信号至PWM控制芯片120，PWM控制芯片120根据采样信号对第一直流电压VO进行精准调节以匹配负载。

具体地，采样模块130设置补偿单元132构成高精度恒压恒流环路，可以不依赖外部器件实现优于0.5％精度的稳定输出电压；另外，开关电源控制芯片131内置光耦驱动电路，具有独立的反馈补偿脚，可在外部进行系统补偿匹配，从而适应各种电源设计条件下的补偿设计；采样模块130低至50mV的恒流环路控制阈值，可有效降低系统采样损耗，提高系统效率，配合低至0.5mA的最小工作电流，可容易地设计满足能效要求的应用。采样模块130搭配各种PWM开关即可构建超简洁的0.5％高精度充电电源系统。

请参阅图2，开关电源控制芯片131包括接地脚1；用于连接负载参数设定单元133以设定并联负载的数量的电池节数设定脚2，例如负载是电池组，或者LED灯组；用于连接负载参数设定单元133以设定各个负载的额定电压的电池电压设定脚3；用于驱动LED灯的LED驱动脚4；用于接入电源电压的供电脚5；用于与光耦反馈模块140连接输出采样信号的光耦驱动脚6；与用于补偿单元132连接的电压环路补偿脚7；及用于连接第一直流电压VO的电流采样脚8。本开关电源控制芯片131上电后即开始工作，并产生所需要的内部参考电压信号，使用中只需在供电端子加必要的退耦电容C0即可满足系统使用。

请参阅图2、图3A和图3B，在一个实施例中，开关电源控制芯片131包括：第一电流源1311、第二电流源1312、模数转换电路1313、基准偏置电路1314、光耦驱动电路1315以及转灯驱动电路1316；模数转换电路1313的第一输入端连接第一电流源1311和电池节数设定脚2，模数转换电路1313的第二输入端连接第二电流源1312和电池电压设定脚3，基准偏置电路1314的输入端连接模数转换电路1313的输出端，基准偏置电路1314的第一输出端连接光耦驱动电路1315的第一输入端提供电压基准信号，基准偏置电路1314的第二输出端连接光耦驱动电路1315的第二输入端提供电流基准信号，光耦驱动电路1315的第三输入端经过第一分压电阻1317连接供电脚5、经过第二分压电阻1318接地，电压环路补偿脚7与光耦驱动电路1315的第三输入端连接，电流采样脚8连接光耦驱动电路1315的第四输入端和转灯驱动电路1316的输入端，光耦驱动电路1315的输出端连接光耦驱动脚6，转灯驱动电路1316的输出端连接LED驱动脚4。

请参阅图3A和图4，图3A示出的开关电源电路的高压侧示例电路可以和图4示出的开关电源电路的低压侧示例电路构成一个完整开关电源电路，即图4示出的开关电源电路的低压侧示例电路可以和图3B示出的开关电源电路的低压侧示例电路相互替换。

在进一步的实施例中，请参阅图3A和图4，开关电源控制芯片131还包括通讯脚13、温度检测脚14及开关驱动脚12，那么开关电源可进一步增加通讯和外部传感功能，当电池温度低于某个值或高于某个值，系统拒绝充电，系统可接入温敏电阻分压网络可在外部温度达到保护动作阈值时自动关闭输出，实现过温度保护。通讯脚13与外部通讯，用于鉴别接入的电池是否合规以决定是否充电。开关驱动脚13用于在电池充电充满后，关断所述第一直流电压V0的输出，具体在可以在电压变换模块110低压侧输出正极设置一开关管M1，开关驱动脚12控制该开关管M1以控制第一直流电压V0的输出。

请参阅图2，光耦驱动电路1315包括电压误差放大器OP1、电流误差放大器OP2、第一NMOS管Q1及第二NMOS管Q2。

电压误差放大器OP1的正相输入端作为光耦驱动电路1315的第三输入端，电压误差放大器OP1的反相输入端作为光耦驱动电路1315的第一输入端，电流误差放大器OP2的正相输入端作为光耦驱动电路1315的第二输入端，电流误差放大器OP2的反相输入端作为光耦驱动电路1315的第四输入端；第一NMOS管Q1的栅极连接电压误差放大器OP1的输出端，第一NMOS管Q1源极接地；第二NMOS管Q2的栅极连接电流误差放大器OP2的输出端，第二NMOS管Q2的源极基地，第一NMOS管Q1的漏极与第二NOMS管的漏极共接并作为光耦驱动电路1315的输出端。开关电源控制芯片131内置电压和电流双回路控制的光耦驱动电路1315，采样信号(调节信号)经过该驱动电路直接驱动光耦，以将调节信息反馈至初级侧的PWM控制芯片120，实现输出电压的稳定和输出恒流的控制。

转灯驱动电路1316包括充电电流检测和状态检测电路，可在充电时指示当前状态，典型的充电指示阈值电流为10％的输出恒流点大小，当输出电流大于10％时，LED驱动脚4会被内部下拉到地，从而点亮一个充电指示灯，并通过充电指示灯电压钳位作用熄灭与其并联的用于指示充满状态的一个灯；而当电池逐渐充满使得充电电流减小至不足10％时，LED驱动脚4会被断开，从而熄灭充电指示灯，同时充满指示灯得以点亮；该接法可只需使用一个端口即可控制两个状态的转换。LED接法如附图2所示。该转换电路还具有一定的迟滞，从而可避免输出在临界时处于反复切换状态，例如，额定输出为21V/1.5A的电源系统即5节4.2V电池，则充电指示阈值电流为150mA，当输出电流大于151mA时，点亮充电指示灯同时充满指示灯等熄灭；当输出电流小于149mA时，熄灭充电指示灯同时点亮充满指示灯。

请参阅图2至图4，负载参数设定单元133包括第一预设电阻133A和第二预设电阻133B，第一预设电阻133A连接在电池节数设定脚2和地之间，第二预设电阻133B连接在电池电压设定脚3和地之间。

集成电路(开关电源控制芯片131)通过一个简单的外部电池节数设定电阻(第一预设电阻133A)选择电池节数即系统的额定输出电压，该电阻与输出电压精度无关，仅需要使用精度5％的普通电阻即可，系统具有高达10％的边界冗余，从而可以确保选择电路可稳定地处在所设定的值。例如，5节电池，则外部电池节数设定电阻可选用30k，用9.1k代表7节电池，用91k代表3节电池等等，当电阻开路时则自动处于最小节数或处于保护状态。

集成电路通过一个简单的外部电池电压设定电阻(第二预设电阻133B)选择单节电池的额定电压规格，并内置了几种电池电压规格，从而适用于不同类型的电池系统，同样该电池电压设定电阻应不会影响输出电压精度，只需根据电池类型选择对应的电池电压设定电阻，且只需5％精度电阻即可，同时具有安全的故障保护机制，可在电阻开路时处于保护状态，避免输出电压超过设定的大小。例如，单节电池电压为4.2V，则外部电池电压设定电阻可选用68k，用91k代表4.25V/CELL，用9.1k代表5.30V/CELL等等。当电阻开路时则自动处于最低电压或处于保护状态。而选择电阻则只需使用5％精度的普通电阻即可，而电压精度与选择电阻完全无关。

请参阅图2至图4，补偿单元132包括稳压补偿电路1321，稳压补偿电路1321连接在电压环路补偿脚7和光耦驱动脚6之间。在一个实施例中，稳压补偿电路1321为一阶补偿方式，包括串联连接的第一电阻R1和第一电容C1。进一步地，稳压补偿电路1321为二阶补偿方式，还包括与串联连接的第一电阻R1和第一电容C1并联的第二电容C2。开关电源控制芯片131设置独立的光耦驱动脚6可在外部方便地实施环路补偿工作。

另外，补偿单元132还包括恒流补偿电路1322，恒流补偿电路1322与电流采样脚8和光耦驱动脚6连接。恒流补偿电路1322包括串联连接在电流采样脚8和光耦驱动脚6之间的第二电阻R2和第三电容C3，以及连接在电流采样脚8和地之间的第四电容C4。通过开关电源控制芯片131外部低边电流采样电阻R0得到输出电流信息，并在内部的电流误差放大器与电流采样基准电压(电流基准信号)进行比较，产生电流误差信号，从而驱动输出改变采样电流，实现恒定的输出电流控制。通常还应在电流采样电阻R0到电流采样脚8之间串联一个隔离电阻(如附图2中的R6)，以便电流采样脚8和光耦驱动脚6之间施加必要的电流环路补偿网络(如附图2中的R4、C3)，并施加必要的退耦电容(如附图2中的C4)。电流补偿回路接法如附图2所示。

请参阅图2至图4，光耦反馈模块140包括光电耦合器U1、第一限流电阻R4和第三电阻R3，光电耦合器U1的发光器的输入端1通过第三电阻R3连接电压变换模块110的输出，光电耦合器U1的发光器的输出端2作为光耦反馈模块140的输入端，第一限流电阻R4连接在发光器的输入端1和输出端2之间。一般情况，应在光耦回路串联必要的限流电阻R4限制光耦的电流，提高光耦的寿命，并促使环路稳定。

上述实施例中的开关电源电路利用集成电路内部电阻比例匹配和温度补偿设计实现高精度，优于0.5％；利用集成电路的高集成特性，芯片测试时完成校准，不依赖外部电阻；负载数可外部选择电阻设定，且选择电阻与精度无关；负载电压可外部选择电阻设定，且选择电阻与精度无关。工厂无需再进行人工修调。

上述实施例中的开关电源电路涉及的开关电源控制芯片131内置电压采样分压网络，在输出不大于40V的条件下其耗电量不大于2mA。

优选地，请参阅图2和图4，开关电源控制芯片131内置低压差稳压器，还设置电压输出脚4(替换LED驱动脚)，可对外输出稳定直流电压，供芯片外部负载(如LED灯)或电池包内的电路使用，其电压范围可设置在不低于2V且不高于5.5V。电压输出脚4连接两个LED灯的正极，开关电源控制芯片利用另外两个引脚连接15、16两个LED灯的负极以控制其点亮或熄灭。通讯脚13、温度检测脚14及电源输出脚V+可以集合在一个接口CN1上用于向外部设备传输数据。

开关电源控制芯片131内置电流误差放大器的比较电平可设置为一个较低的电压以降低采样损耗，其电平大小设置在500mV以下。

上述实施例中的开关电源电路具有安全保护功能，当电池节数选择或电池电压选择设定电阻开路时，则选择电池节数对应最低档位或选择电池电压对应最低档位，或者使系统强制进入保护状态。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，其特征在于，包括：

电压变换模块，所述电压变换模块接入输入电压，所述电压变换模块输出第一直流电压，所述电压变换模块用于将输入电压进行电压变换；

PWM控制芯片，所述PWM控制芯片的输出端连接所述电压变换模块；

采样模块，与所述电压变换模块的输出连接，所述采样模块包括开关电源控制芯片、与所述开关电源控制芯片连接的补偿单元及与所述开关电源控制芯片连接的负载参数设定单元，所述开关电源控制芯片用于根据所述负载参数设定单元的预设负载参数和所述第一直流电压得到采样信号，所述补偿单元用于对所述采样信号进行电压电流补偿；

光耦反馈模块，所述光耦反馈模块的输入端连接所述采样模块的输出端，所述光耦反馈模块的输出端连接所述PWM控制芯片的反馈引脚，所述光耦反馈模块用于反馈所述采样信号至所述PWM控制芯片，所述PWM控制芯片根据所述采样信号对所述第一直流电压进行精准调节以匹配负载。

2.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源控制芯片包括：

接地脚；

电池节数设定脚，用于连接所述负载参数设定单元以设定并联负载的数量；

电池电压设定脚，用于连接所述负载参数设定单元以设定各个所述负载的额定电压；

LED驱动脚，用于驱动LED灯；

供电脚，用于接入电源电压；

光耦驱动脚，用于与所述光耦反馈模块连接，输出所述采样信号；

电压环路补偿脚，与用于所述补偿单元连接；及

电流采样脚，用于连接所述第一直流电压。

3.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源控制芯片包括：第一电流源、第二电流源、模数转换电路、基准偏置电路、光耦驱动电路以及转灯驱动电路；

所述模数转换电路的第一输入端连接所述第一电流源和所述电池节数设定脚，所述模数转换电路的第二输入端连接所述第二电流源和所述电池电压设定脚，所述基准偏置电路的输入端连接所述模数转换电路的输出端，所述基准偏置电路的第一输出端连接所述光耦驱动电路的第一输入端提供电压基准信号，所述基准偏置电路的第二输出端连接所述光耦驱动电路的第二输入端提供电流基准信号，所述光耦驱动电路的第三输入端经过第一分压电阻连接所述供电脚、经过第二分压电阻接地，所述电压环路补偿脚与所述光耦驱动电路的第三输入端连接，所述电流采样脚连接所述光耦驱动电路的第四输入端和所述转灯驱动电路的输入端，所述光耦驱动电路的输出端连接所述光耦驱动脚，所述转灯驱动电路的输出端连接LED驱动脚。

4.如权利要求2或3所述的开关电源电路，其特征在于，所述负载为电池，所述开关电源控制芯片还包括：

温度检测脚，用于检测电池温度；

开关驱动脚，用于在电池充电充满后，关断所述第一直流电压的输出；

通讯脚，用于与外部通讯，鉴别接入的电池是否合规以决定是否充电；以及

电压输出脚，用于给外部提供稳压电源。

5.如权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，所述光耦驱动电路包括：

电压误差放大器，所述电压误差放大器的正相输入端作为所述光耦驱动电路的第三输入端，所述电压误差放大器的反相输入端作为所述光耦驱动电路的第一输入端，

电流误差放大器，所述电流误差放大器的正相输入端作为所述光耦驱动电路的第二输入端，所述电流误差放大器的反相输入端作为所述光耦驱动电路的第四输入端；

第一NMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接所述电压误差放大器的输出端，所述第一NMOS管源极接地；

第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极连接所述电流误差放大器的输出端，所述第二NMOS管的源极基地，所述第一NMOS管的漏极与所述第二NOMS管的漏极共接并作为所述光耦驱动电路的输出端。

6.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述负载参数设定单元包括第一预设电阻和第二预设电阻，所述第一预设电阻连接在所述电池节数设定脚和地之间，所述第二预设电阻连接在所述电池电压设定脚和地之间。

7.如权利要求6所述的开关电源电路，其特征在于，所述第一预设电阻和所述第二预设电阻为1％～5％精度。

8.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述补偿单元包括稳压补偿电路，所述稳压补偿电路连接在所述电压环路补偿脚和所述光耦驱动脚之间；所述稳压补偿电路包括串联连接的第一电阻和第一电容。

9.如权利要求8所述的开关电源电路，其特征在于，还包括与串联连接的第一电阻和第一电容并联的第二电容。

10.如权利要求2或7所述的开关电源电路，其特征在于，所述补偿单元包括恒流补偿电路，所述恒流补偿电路与所述电流采样脚和所述光耦驱动脚连；所述恒流补偿电路包括串联连接在所述电流采样脚和所述光耦驱动脚之间的第二电阻和第三电容，以及连接在所述电流采样脚和地之间的第四电容。