CN216720950U - 开关电源系统及其快充协议芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例提供了一种开关电源系统及其快充协议芯片，通过在芯片内部集成输出模块、电流放大模块以及环路控制模块等，可以提高系统集成度，节约系统元器件，降低成本，有利于实现系统的小型化。

Description

开关电源系统及其快充协议芯片

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，尤其涉及一种开关电源系统及其快充协议芯片。

背景技术

近年来，随着诸如智能手机、平板电脑、笔记本电脑之类的移动设备的屏幕变大、处理器速度变快，移动设备的耗电变得很大。为了满足用户对移动设备的待机时间的要求，移动设备的供电电池的容量不断增大。为了减少移动设备的供电电池的充电时间，移动设备的充电功率也相应地增大。但是，受限于通用串行总线(USB)的最大电流的物理限制，充电器只能以提高输出电压的方法来为移动设备提供更大的充电功率。

USB协会正在向通用充电器的方向努力，即，这种充电器可以为具有各种不同的充电功率需求的设备充电。在现有技术中，由于用作这种充电器的交流/直流(AC/DC)开关电源电路的反馈控制芯片的引脚数量较多、外围补偿元器件也较多等，导致其无法满足小型化的需求。

实用新型内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本实用新型提供了一种开关电源系统及其快充协议芯片，通过在芯片内部集成输出模块、电流放大模块以及环路控制模块等，可以提高系统集成度，节约系统元器件，降低成本，有利于实现系统的小型化。

本实用新型的第一实施例提供了一种快充协议芯片，用于为待充电设备进行充电，包括芯片供电引脚、输出引脚、光耦驱动引脚、输出模块、电流放大模块、输出电流反馈模块以及环路控制模块，其中：所述输出模块的第一端子连接到所述芯片供电引脚、第二端子连接到所述输出引脚，所述输出模块中的开关晶体管在所述待充电设备满足快充协议的情况下被导通；所述电流放大模块的第一和第二端子连接到所述输出模块的第三和第四端子；所述输出电流反馈模块的第一端子连接到所述电流放大模块的第三端子；以及所述环路控制模块的第一端子连接到所述输出电流反馈模块的第二端子，第二端子连接到所述光耦驱动引脚。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括分压模块和输出电压反馈模块，其中：所述分压模块的第一端子连接到所述芯片供电引脚，第二端子连接至参考地；以及所述输出电压反馈模块的第一端子连接到所述分压模块的第三端子，第二端子连接到所述环路控制模块的第三端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括电压基准模块，其中：所述电压基准模块连接到所述芯片供电引脚。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括数据通信引脚、通道配置引脚、快充协议译码和解码控制模块，以及栅极驱动器，其中：所述快充协议译码和解码控制模块的第一和第二端子连接到所述数据通信引脚和所述通道配置引脚；以及所述栅极驱动器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第三端子，第二端子连接到所述开关晶体管的第一端子；并且其中，所述开关晶体管的第二和第三端子用作所述输出模块的第一和第二端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括第一数模转换器，其中：所述第一数模转换器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第四端子，第二端子连接到所述输出电流反馈模块的第三端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括第二数模转换器，其中：所述第二数模转换器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第五端子，第二端子连接到所述输出电压反馈模块的第三端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，还包括保护控制模块，其中：所述保护控制模块连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第六端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，所述输出模块还包括电流检测单元，其中：所述电流检测单元的第一端子连接到所述开关晶体管的第一端子，第二端子连接到所述开关晶体管的第二端子，第三和第四端子用作所述输出模块的第三和第四端子。

根据本实用新型的第一实施例提供的快充协议芯片，所述电流检测单元为SenseFET。

本实用新型的第二实施例提供了一种开关电源系统，包括如第一实施例所述的快充协议芯片。

根据本实用新型实施例提供的开关电源系统及其快充协议芯片，通过将输出模块、电流放大模块以及环路控制模块集成在快充协议芯片内部，可以减少快充协议芯片的引脚数量和外围器件数量，从而可以提高系统集成度，节约系统元器件，有利于实现系统的小型化。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型，其中：

图1示出了现有技术中的包括常规快充协议芯片的开关电源系统100的电路示意图；

图2A示出了本实用新型的第一实施例提供的开关电源系统200的电路示意图；

图2B示出了本实用新型的第二实施例提供的开关电源系统300的电路示意图；

图3示出了本实用新型的实施例提供的快充协议芯片的引脚示意图；以及

图4示出了本实用新型实施例提供的快充协议芯片400的电路示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素和部件的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。另外，需要说明的是，这里使用的用语“A与B连接”可以表示“A与B直接连接”也可以表示“A与B经由一个或多个其他元件间接连接”。

随着诸如智能手机、平板电脑、笔记本电脑之类的移动设备的功能越来越多，为其进行供电的电池容量也呈指数式增加。然而，局限于USB最大电流物理限制，这些移动设备采用与充电器智能协商更高的电压，例如，从传统的5V供电，切换到诸如9V、12V甚至20V或其他特定电压值以用于供电，在这种情况下，出现了使用PD快充协议进行快充的应用。

可以理解的是，PD快充协议是USB-IF组织公布的功率传输协议，它的公布使得充电器默认的5V/2A的输出能力提高到诸如100W，这可以实现更高的电压和电流，并且可以自由地改变电力的输送方向。然而，由于输出电压不再是传统的5V输出，因此，为了保证插入待充电设备的安全可靠，本实用新型提供的实施例通过在输出Vbus上增加输出开关，并该输出开关可以在输出线和待充电设备满足协议要求的情况下而被使能，从而可以为待充电设备提供合适的电压和电流。

当前，在输出功率处于100W以内的场景下，减少系统元器件的数量以实现协议芯片的高度集成，这成为现有技术中需要解决的关键技术问题之一，本实用新型提供的实施例通过在快充协议芯片中内置诸如输出模块、电流放大电路、环路控制模块中的一者或多者，从而可以实现PD快充电源的小型化、低成本、高效率。

为了更好地理解本实用新型提供的开关电源系统及其快充协议芯片，以下首先对现有技术中的开关电源系统进行介绍，其中以反激式开关电源系统为例进行介绍。

具体地，参见图1，图1示出了现有技术中的包括常规快充协议芯片的开关电源系统100的电路示意图。

如图1所示，开关电源系统100主要包括EMI滤波器，脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)模块、快充协议芯片以及同步整流(synchronous rectifier，SR)模块等。

其中，快充协议芯片的引脚数量较多，且输出开关M2和检测电阻(标记为sense)位于芯片外部，导致芯片的集成度较低，成本较高且尺寸较大。

为了解决现有技术中存在的上述问题中的一者或多者，本实用新型实施例提供了一种高度集成的快充协议芯片以及包括这种芯片的开关电源系统。

具体地，参考图2A和图2B，图2A示出了本实用新型的第一实施例提供的开关电源系统200的电路示意图，以及图2B示出了本实用新型的第二实施例提供的开关电源系统300的电路示意图，其中以反激式开关电源系统为例进行介绍，可以理解的是，这些图示仅出于说明的目的，而不应当解释为限制性的。

其中，图2A和图2B的不同之处在于芯片的光耦驱动引脚OPTO(这将在下面描述)的驱动方式不同，图2A的驱动方式为上驱动，而图2B的驱动方式为下驱动。

以下结合图3对图2A和图2B提供的快充协议芯片的各个引脚进行介绍，具体地，图3示出了本实用新型的实施例提供的快充协议芯片的引脚示意图，其封装形式可以采用SOP8或者ESOP8。

如图3所示，本实用新型的实施例提供的快充协议芯片的引脚数量可以为8个，例如，快充协议芯片可以包括诸如以下引脚：输出Vbus引脚、芯片供电Vin引脚、光耦驱动OPTP引脚、芯片接地GND引脚、USB/TYPE C CC2引脚、USB/TYPE C CC1引脚、USB/TYPE C DN引脚以及USB/TYPE C DP引脚等。

再次参考图2A和图2B，芯片的上述引脚在开关电源系统内的连接关系如下：芯片的Vbus引脚可以连接至USB/TYPE-C接口的VBUS端，可以用于接收VBUS信号；芯片的Vin引脚可以连接至输出电容的正端，可以用于除了为芯片进行供电之外，还可以对输出电压进行检测，以实现对系统的不同的输出电压的控制；芯片的OPTO引脚，可以连接至开关电源系统的光耦，可以用于通过控制流经光耦的电流，以实现系统环路控制；芯片的GND引脚可以连接至输出电容的负端，还可以连接至USB/TYPE-C接口的GND端；芯片的USB/TYPE C CC2引脚可以连接至USB/TYPE-C接口的CC2端，可以用于接收CC2信号；芯片的USB/TYPE C CC1引脚可以连接至USB/TYPE-C接口的CC1端，可以用于接收CC1信号；芯片的USB/TYPE C DN引脚可以连接至USB/TYPE-C接口的DN端，可以用于接收DN信号；以及芯片的USB/TYPE C DP引脚可以连接至USB/TYPE-C接口的DP端，可以用于接收DP信号。

综上，本实用新型实施例提供的快充协议芯片可以集成有电流检测引脚、输出开关以及驱动引脚、电压/电流环路补偿引脚等，因此，与图1的传统开关电源系统相比，图2A和图2B提供的开关电源系统的元器件数量较少，且成本较低。

以下通过具体示例的方式对本实用新型实施例提供的快充协议芯片进行介绍，具体地，参见图4，图4示出了本实用新型实施例提供的快充协议芯片400的电路示意图。

作为一个示例，如图4所示，该快充协议芯片400可以包括Vbus引脚、Vin引脚、OPTP引脚以及输出模块402、电流放大模块404、输出电流反馈(CC EA)模块406以及环路控制模块408等。

具体地，该输出模块402的第一端子可以连接到Vin引脚，第二端子可以连接到Vbus引脚，第三和第四端子可以连接到电流放大模块404的第一和第二端子，电流放大模块404的第三端子可以连接到输出电流反馈模块406的第一端子，输出电流反馈模块406的第二端子可以连接到环路控制模块408的第一端子，环路控制模块408的第二端子可以连接到OPTO引脚。

作为一个示例，该输出模块402可以包括开关晶体管M1和电流检测单元(例如，功率开关senseFET)，其中senseFET可以包括晶体管M2和电阻R1，该电阻R1可以用于对输出电流进行检测，其中，电流检测单元的第一端子(例如，M2的栅极)可以连接到开关晶体管M1的第一端子(例如，M1的栅极)，第二端子可以连接到开关晶体管的第二端子(即，连接到Vin引脚)，第三和第四端子可以用作输出模块402的第三和第四端子(即，可以分别连接到电流放大模块404的第一和第二端子)。

具体地，当在后端接入满足USB/TYPE-C协议的待充电设备时，快充协议芯片可以控制开关晶体管M1导通，以为待充电设备提供合适的电压，同时可以利用功率开关senseFET来实现对输出电流的检测，以为待充电设备提供合适的电流。

作为一个示例，电流放大模块404可以用于对输出电流进行放大。

作为一个示例，输出电流反馈模块406可以为输出电流反馈运算放大器，其可以用于实现不同的输出电流。

作为一个示例，环路控制模块408可以用于对输出电流反馈环路进行补偿，以保证在各种条件下的稳定性。

作为一个示例，该快充协议芯片400还可以包括分压模块410和输出电压反馈(CVEA)模块412等。

具体地，分压模块410的第一端子可以连接到Vin引脚，第二端子可以连接至参考地；以及输出电压反馈模块412的第一端子可以连接到分压模块410的第三端子，第二端子可以连接到环路控制模块408的第三端子。

此外，该分压模块410可以用于利用两个分压电阻(例如，R1和R2)来对输入电压Vin进行分压之后，将分压电压Vin_div输入到例如输出电压反馈模块412，使得输出电压反馈模块412可以基于来自快充协议译码和解码控制模块416(这将在下面介绍)的电压基准和分压电压Vin_div来实现不同的输出电压。

作为一个示例，上述环流控制模块408除了对输出电流反馈环路进行补偿之外，还可以用于对输出电压反馈环路进行补偿，以保证在各种条件下的稳定性。

作为一个示例，分压模块410可以包括串联连接在Vin引脚和参考地之间的电阻R1和电阻R2，其中，电阻R1和电阻R2的公共端可以用作分压模块410的第三端子，即可以输出分压电压vin_div至输出电压反馈模块412。

作为一个示例，输出电压反馈模块412可以为输出电压反馈运算放大器，其可以实现不同的输出电压。

作为一个示例，该快充协议芯片400还可以包括电压基准模块414，具体地，该电压基准模块414可以连接到Vin引脚，可以用于为芯片中的一个或多个组件进行供电，该电压基准模块414可以为欠压锁定(Under Voltage Lock Out，UVLO)模块和低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)，其可以用于检测输出电压，并为内部控制提供输出电压信息等。

作为一个示例，该快充协议芯片400还可以包括数据通信引脚(例如，DP引脚和DN引脚)、通道配置引脚(例如，CC1引脚和CC2引脚)、快充协议译码和解码控制模块416，以及栅极驱动器418等。

具体地，快充协议译码和解码控制模块416的第一和第二端子可以连接到数据通信引脚和通道配置引脚，栅极驱动器418的第一端子可以连接到快充协议译码和解码控制模块416的第三端子，栅极驱动器418的第二端子可以连接到开关晶体管M1的第一端子(例如，栅极端子)，并且其中，开关晶体管M1的第二和第三端子可以分别用作输出模块402的第一和第二端子(即，可以分别连接到Vin引脚和Vbus引脚)。

作为一个示例，快充协议译码和解码控制模块416可以用于实现开关电源系统与待充电设备之间的通信，以及基于来自该待充电设备的命令来实现不同的电压输出、电流输出以及保护控制等功能。

作为一个示例，栅极驱动器418基于来自快充协议译码和解码控制模块416的信号来控制M1和M2的导通，可以理解的是，M1和M2为共栅极结构，二者同时导通和关断，具体地，栅极驱动器418的输出端可以连接到M1和M2的栅极，以基于来自快充协议译码和解码控制模块416的信号而被导通和关断。

作为一个示例，该快充协议芯片400还可以包括数模转换器420(例如，DAC1)，具体地，该数模转换器420的第一端子可以连接到快充协议译码和解码控制模块416的第四端子，第二端子可以连接到输出电流反馈模块406的第三端子。

作为一个示例，该数模转换器420可以用于基于来自快充协议译码和解码控制模块416的信号来生成电流基准，以用于实现不同的电流控制，具体地，将该电流基准输入至输出电流反馈模块406，使得输出电流反馈模块406可以基于该电流基准和来自电流放大模块404的经放大的电流来实现不同的输出电流。

作为一个示例，该快充协议芯片400还可以包括数模转换器422(例如，DAC2)，具体地，数模转换器422的第一端子可以连接到快充协议译码和解码控制模块416的第五端子，第二端子可以连接到输出电压反馈模块412的第三端子。

作为一个示例，该数模转换器422可以用于基于来自快充协议译码和解码控制模块416的信号来生成电压基准，以用于实现不同的电压控制，具体地，将该电压基准输入至输出电压反馈模块412，使得该输出电压反馈模块412可以基于该电压基准和来自分压模块410的分压信号来实现不同的输出电压。

作为一个示例，该快充协议芯片400可以包括保护控制模块424，具体地，该保护控制模块424可以连接到快充协议译码和解码控制模块416的第六端子。

作为一个示例，该保护控制模块424可以用于保护芯片在发生异常故障时，实现保护功能，防止芯片被损坏等。

综上，本实用新型实施例提供的快充协议芯片可以通过在芯片内部集成输出模块(例如，输出开关)、电流放大模块以及环路控制模块(例如，电流环路补偿、电压环路补偿)等，可以最大限度地减少快充协议芯片的引脚数量和外围器件数量，使得芯片可以采用SOP8封装形式，从而可以提高系统集成度，节约系统元器件，降低成本，有利于实现系统的小型化，其能够实现PD协议充电系统的低成本、小型化方案，符合最新的PD3.0/3.1协议标准，并且支持DPDN接口的高压快速充电协议。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变都被包括在本实用新型的范围中。

Claims (10)

1.一种快充协议芯片，用于为待充电设备进行充电，其特征在于，包括芯片供电引脚、输出引脚、光耦驱动引脚、输出模块、电流放大模块、输出电流反馈模块以及环路控制模块，其中：

所述输出模块的第一端子连接到所述芯片供电引脚、第二端子连接到所述输出引脚，所述输出模块中的开关晶体管在所述待充电设备满足快充协议的情况下被导通；

所述电流放大模块的第一和第二端子连接到所述输出模块的第三和第四端子；

所述输出电流反馈模块的第一端子连接到所述电流放大模块的第三端子；以及

所述环路控制模块的第一端子连接到所述输出电流反馈模块的第二端子，第二端子连接到所述光耦驱动引脚。

2.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括分压模块和输出电压反馈模块，其中：

所述分压模块的第一端子连接到所述芯片供电引脚，第二端子连接至参考地；以及

所述输出电压反馈模块的第一端子连接到所述分压模块的第三端子，第二端子连接到所述环路控制模块的第三端子。

3.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括电压基准模块，其中：

所述电压基准模块连接到所述芯片供电引脚。

4.根据权利要求2所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括数据通信引脚、通道配置引脚、快充协议译码和解码控制模块，以及栅极驱动器，其中：

所述快充协议译码和解码控制模块的第一和第二端子连接到所述数据通信引脚和所述通道配置引脚；以及

所述栅极驱动器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第三端子，第二端子连接到所述开关晶体管的第一端子；并且其中，

所述开关晶体管的第二和第三端子用作所述输出模块的第一和第二端子。

5.根据权利要求4所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括第一数模转换器，其中：

所述第一数模转换器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第四端子，第二端子连接到所述输出电流反馈模块的第三端子。

6.根据权利要求4所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括第二数模转换器，其中：

所述第二数模转换器的第一端子连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第五端子，第二端子连接到所述输出电压反馈模块的第三端子。

7.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，还包括保护控制模块，其中：

所述保护控制模块连接到所述快充协议译码和解码控制模块的第六端子。

8.根据权利要求1所述的快充协议芯片，其特征在于，所述输出模块还包括电流检测单元，其中：

所述电流检测单元的第一端子连接到所述开关晶体管的第一端子，第二端子连接到所述开关晶体管的第二端子，第三和第四端子用作所述输出模块的第三和第四端子。

9.根据权利要求8所述的快充协议芯片，其特征在于，所述电流检测单元为SenseFET。

10.一种开关电源系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的快充协议芯片。

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