CN217216355U - 开关电源电路以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源电路，包括：互感电感模块，互感电感模块至少包括反向并联设置的第一电感器和第二电感器；第一电感器的一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与开关电源电路的输出端耦接；和切换控制模块，切换控制模块至少包括一个开关元件；开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与第二电感器耦接；切换控制模块配置为接收处理芯片的电流需求反馈信号，切换导通或关断开关通路以对应接入或断开第二电感器。同时还提供一种电子设备。本实用新型利用对电感感值的控制实现轻负载下高电感感值配置，维持系统稳定性，重负载下低电感感值配置，获得快速响应特性。

Description

开关电源电路以及电子设备

技术领域

本实用新型属于电子设备技术领域，尤其涉及一种开关电源电路以及电子设备。

背景技术

系统级芯片（System on Chip, SoC）在不同模式下有不同的电流需求。以智能音箱和虚拟显示头戴式显示设备为例，系统级芯片在工作状态下电流需求大，但在待机状态下电流需求小。在开关电源电路设计角度，电流需求大且变化迅速的场合需要选用感值较小且饱和电流较高的电感元件以满足系统级芯片电流和响应的需求，因此常规的系统级芯片开关电源电路所选用的电感元件的感值通常在0.47μH左右。但是在系统级芯片处于待机状态且电流需求较小时，为了获得更高的开关电源转换效率，开关电源会进入间歇开关模式，即开关省电模式（Power Save Mode）。场效应管（MOSFET）的开关频率由2MHz下降到20KHz级别。在进入省电模式或者关闭一段时间后，如果侦测到系统级芯片电压显著降低，则退出省电模式或开启一小段时间。但是，此时因为电压显著下降，开关占空比大，0.47μH左右的电感抑制电流变化能力变弱，电流快速上升产生啸叫或者底噪等问题，进一步影响系统稳定性。

发明内容

为解决现有技术中开关电源进入间歇开关模式后，由于电压显著下降，开关占空比大，0.47μH左右的电感抑制电流变化能力变弱，电流快速上升产生啸叫、底噪的问题，本实用新型设计并提出一种开关电源电路。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用下述技术方案予以实现：

一种开关电源电路，包括：互感电感模块，所述互感电感模块至少包括反向并联设置的第一电感器和第二电感器；所述第一电感器的一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与开关电源电路的输出端耦接；和切换控制模块，所述切换控制模块至少包括一个开关元件；所述开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与第二电感器耦接；所述切换控制模块配置为接收处理芯片的电流需求反馈信号，切换导通或关断所述开关通路以对应接入或断开所述第二电感器。

针对高低两个档位的电流需求，设置所述电流需求反馈信号包括高电流需求反馈信号和低电流需求反馈信号；所述切换控制模块接收所述高电流反馈信号，切换导通所述开关通路以接入所述第二电感器；或所述切换控制模块接收所述低电流反馈信号，切换关断所述开关通路以断开所述第二电感器。

根据开关电源电路的拓扑设计，切换控制模块包括第一开关元件和第二开关元件。所述第一开关元件的控制端与所述处理芯片耦接以接收所述电流需求反馈信号，所述第一开关元件的开关通路一端接地；所述第二开关元件的控制端一路与所述第一开关元件的开关通路耦接，另一路与开关电源电路的输入端耦接；所述第二开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与所述第二电感器耦接。

考虑对能耗损失的控制，所述第一开关元件为N沟道场效应管，所述第一开关元件的栅极与所述处理芯片耦接以接收所述电流需求反馈信号，所述第一开关元件的源极接地；所述第二开关元件为P沟道场效应管，所述第二开关元件的栅极一路与所述第一开关元件的漏极耦接，另一路与开关电源电路的输入端耦接；所述第二开关元件的源极与开关电源电路的输入端耦接，漏极与第二电感器耦接。

可选的，开关电源电路还包括:高边场效应管，高边场效应管的漏极与开关电源电路的输入端耦接，高边场效应管的源极一路与所述第一电感器耦接，另一路与所述开关元件的开关通路耦接；和低边场效应管，低边场效应管的漏极与高边场效应管的源极耦接，低边场效应管的源极接地。

进一步的，还包括：第一电阻，所述第一电阻的一端与高边场效应管的源极耦接，另一端与开关元件的控制端耦接；和第一电容，所述第一电容的一端与高边场效应管的源极耦接，另一端与开关元件的控制端耦接。

为改善纹波电压，开关电源电路还包括纹波校正模块，所述纹波校正模块耦接于所述互感电感模块和开关电源电路的输出端之间；所述纹波校正模块包括多个并联设置的电容。

进一步的，开关电源电路的输入端与并联设置的多个电容耦接。

针对虚拟现实头戴显示设备或者智能音箱，所述互感电感模块的感值在0.47μH至4.7μH之间。

本实用新型的第二个方面提供一种电子设备，使用开关电源电路；开关电源电路包括：互感电感模块，所述互感电感模块至少包括反向并联设置的第一电感器和第二电感器；所述第一电感器的一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与开关电源电路的输出端耦接；和切换控制模块，所述切换控制模块至少包括一个开关元件；所述开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与第二电感器耦接；所述切换控制模块配置为接收处理芯片的电流需求反馈信号，切换导通或关断所述开关通路以对应接入或断开所述第二电感器。

本实用新型利用对电感感值的控制实现轻负载下高电感感值配置，维持系统稳定性，重负载下低电感感值配置，获得快速响应特性。

结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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 为本实用新型所提供的开关电源电路的原理示意框图；

图2为本实用新型所提供的开关电源电路的电路图。

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，以下将结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详细说明。

下面详细描述本实用新型的实施例，具体实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。此外，术语“耦接”可以是实现信号传输的电性连接的方式，“耦接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接的电性连接。

为解决现有技术中开关电源进入间歇开关模式后，由于在关闭状态下电压显著下降，占空比大，导致所采用的、感值较小的电感抑制电流变化的能力变弱，电流快速上升进一步导致啸叫、底噪的问题，本实用新型所提供的改进的开关电源电路如图1所示。开关电源电路设置于主板上。开关电源电路配置为将基准电压转换为与输出端耦接的下游处理芯片所需求的供电电压或供电电流。开关电源的输入可以是交流电源或直流电源，输出为直流电源。以系统级芯片作为处理芯片为例，开关电源电路的输入端与电池或市电电源耦接，输出端为下游的系统级芯片（System on Chip, SoC）供电。开关电源电路也可以为主板上的其它处理芯片，例如中央处理器(Central Processing Unit, CPU)或图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)等供电。

图1所示的开关电源电路主要包括互感电感模块10和切换控制模块11。互感电感模块10包括反向并联设置的第一电感器L1和第二电感器L2。第一电感器L1的一端与开关电源电路的输入端Vin耦接，另一端与开关电源电路的输出端Vout耦接。第一电感器L1是开关电源电路的主要储能元件。第二电感器L2则根据所接收的处理芯片的电流需求反馈信号接入或者从开关电源电路中断开,以调节整个互感电感模块10的等效电感。第二电感器L2的接入或断开具体通过切换控制模块11实现，切换控制模块11至少包括一个开关元件。开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端Vin耦接，另一端与第二电感器L2耦接。切换控制模块11配置为接收处理芯片的电流需求反馈信号，切换导通或关断开关通路以对应接入或断开第二电感器L2。接入第二电感器L2后，由于第一电感器L1和第二电感器L2反向并联，输入至输出的电流流向会产生于第一电感器L1相反的磁通量，互感电感模块10内部的磁力线密度降低，等效感值可以维持在所需要的水平，例如现有技术中智能音箱或VR头戴显示设备系统级芯片开关电源所需要的0.47μH，互感电感模块10的感值处于低感值状态，可以满足快速响应的需求。断开第二电感器L2后，没有电流流过第二电感器L2，互感电感模块10内部磁力线密度增加，等效感值增大，互感电感模块10的感值处于高感值状态，例如保持电源稳定所需要的4.7μH，能够满足间歇开关模式下电源稳定的需求，即在0.47μH和4.7μH两个档位之间可调。电流需求反馈信号可以基于系统级芯片的状态生成，例如工作状态或待机状态，也可以基于传感器的检测生成，也可以基于自学习的控制算法生成，如何生成电流需求反馈信号所采用的电路或者算法均可借鉴现有技术中的多种技术手段，不是本实用新型的保护重点，在此不再赘述。本领域技术人员可以毫无疑义地获知，为满足更为精细需求，还可以设置更多相互并联的电感器，在此不再一一介绍。

对于高低两个档位的感值需求，电流需求反馈信号可以通过一组电平信号实现。具体来说，电流需求反馈信号包括高电流需求反馈信号和低电流需求反馈信号。切换控制模块11接收高电流反馈信号，切换导通开关通路以接入第二电感器L2，为后级处理芯片提供电能，满足低感值快速的需求。与之对应的另一种情况，切换控制模块11接收低电流反馈信号，切换关断开关通路以断开第二电感器L2，满足高感值系统稳定的需求。第一电感器L1和第二电感器L2均可以选用功率电感器实现。

开关元件可以是一个开关管，还可以根据开关电源的不同拓扑选用不同的开关元件组合实现。如图2所示，以降压变换器(Buck Converter,又称Buck变换器，降压斩波器)为例，第一电感器L1一端与开关电源电路的输入端Vin耦接，另一端与开关电源电路的输出端Vout耦接。切换控制模块11由第一开关元件Q211和第二开关元件Q210实现，第一开关元件Q211的控制端与处理芯片（图中未示出）耦接以接收电流需求反馈信号，第一开关元件Q211的开关通路一路接地，第二开关元件Q210的控制端一路与第一开关元件Q211的开关通路耦接，另一路与开关电源电路的输入端Vin耦接，第二开关元件Q210的开关通路一端与开关电源电路的输入端Vin耦接，另一端与第二电感器L2耦接。第一开关元件Q211和第二开关元件Q210优选选择两个同类型但导通条件不同的开关管元件，以同时实现电路通断的控制和电平的转换。

考虑到对导通功率损失的控制，优选的，如图所示，第一开关元件Q211为N沟道场效应管，第二开关元件Q210为P沟道场效应管。第一开关元件Q211的栅极G与处理芯片耦接以接收电流需求反馈信号，第一开关元件Q211的源极S接地。第二开关元件Q210为P沟道场效应管，第二开关元件Q210的栅极G一路与第一开关元件Q211的漏极D耦接，另一路经由高边场效应管Q201耦接开关电源电路的输入端Vin。高边场效应管Q201为开关电源电路的主控开关元件，通过独立输出的驱动信号（Highside_CTL）驱动工作。第二开关元件Q210的源极S经由高边场效应管Q201耦接开关电源电路的输入端Vin，漏极D与第二电感器L2耦接。以设定高电流需求反馈信号为高电平信号为例，第一开关元件Q211的栅极G接收到高电平信号，第一开关元件Q211导通，第二开关元件Q210旋即导通，即将第二电感器L2接入。与之对应的，设定低电流需求反馈信号为低电平信号，第一开关元件Q211的栅极G接收到低电平信号，第一开关元件Q211保持关断，第二开关元件Q210也保持关断，第二电感器L2断开。第一开关元件Q211的栅极G和源极S之间还设置有电容C204。

从降压变换器(Buck Converter,又称Buck变换器，降压斩波器)的整体电路设计角度，开关电源电路还包括低边场效应管Q202。 Buck低边场效应管Q202的漏极D与高边场效应管Q201的源极S耦接，低边场效应管Q202的源极S接地，通过独立输出的驱动信号（Lowside_CTL）驱动工作。降压变换器的工作原理是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。如图2所示，还包括第一电阻R201和第一电容C205。第一电阻R201的一端与高边场效应管Q201的源极S耦接，另一端与开关元件，即第二开关元件Q210的控制端(栅极G)耦接，第一电容C205的一端与高边场效应管Q201的源极S耦接，另一端与开关元件的控制端即第二开关元件Q210的控制端(栅极G)耦接。在第二电感器L2的下游可以预留输出反馈电压（Vout_Feedback）的采样点。

开关电源电路的输出端Vout还设置有纹波校正模块12。纹波校正模块12由如图2所示的、并联设置的电容C212、C213、C214、C215实现。纹波校正模块12耦接于互感电感模块10和开关电源电路的输出端Vout之间,以降低纹波电压。并联电容的数量可以根据选用电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）调整。开关电源电路的输入端Vin同样与并联设置的多个电容(如图2所示C201、C202和C203)耦接，以改善开关电源电路的电流特性。

本实用新型的第二个方面提供一种电子设备。电子设备使用如上述实施例和说明书附图记载的开关电源电路。开关电源电路的具体电路结构参见上述实施例的详细记载，在此不再赘述。使用开关电源电路的电子设备可以实现同样的技术效果。电子设备包括手机、平板电脑、笔记本电脑、个人数码助理、摄像设备、计算机、车载设备、可穿戴设备、增强显示设备、虚拟显示设备或者音响设备。本申请实施例对电子设备的具体形式不做特殊限制。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，其特征在于，包括：

互感电感模块，所述互感电感模块至少包括反向并联设置的第一电感器和第二电感器；所述第一电感器的一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与开关电源电路的输出端耦接；和

切换控制模块，所述切换控制模块至少包括一个开关元件；所述开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与第二电感器耦接；所述切换控制模块配置为接收处理芯片的电流需求反馈信号，切换导通或关断所述开关通路以对应接入或断开所述第二电感器。

2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，

所述电流需求反馈信号包括高电流需求反馈信号和低电流需求反馈信号；

所述切换控制模块接收所述高电流反馈信号，切换导通所述开关通路以接入所述第二电感器；或

所述切换控制模块接收所述低电流反馈信号，切换关断所述开关通路以断开所述第二电感器。

3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，

所述切换控制模块包括：

第一开关元件，所述第一开关元件的控制端与所述处理芯片耦接以接收所述电流需求反馈信号，所述第一开关元件的开关通路一端接地；和

第二开关元件，所述第二开关元件的控制端一路与所述第一开关元件的开关通路耦接，另一路与开关电源电路的输入端耦接；所述第二开关元件的开关通路一端与开关电源电路的输入端耦接，另一端与所述第二电感器耦接。

4.根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，

所述第一开关元件为N沟道场效应管，所述第一开关元件的栅极与所述处理芯片耦接以接收所述电流需求反馈信号，所述第一开关元件的源极接地；

所述第二开关元件为P沟道场效应管，所述第二开关元件的栅极一路与所述第一开关元件的漏极耦接，另一路与开关电源电路的输入端耦接；所述第二开关元件的源极与开关电源电路的输入端耦接，漏极与第二电感器耦接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的开关电源电路，其特征在于，还包括:

高边场效应管，高边场效应管的漏极与开关电源电路的输入端耦接，高边场效应管的源极一路与所述第一电感器耦接，另一路与所述开关元件的开关通路耦接；和

低边场效应管，低边场效应管的漏极与高边场效应管的源极耦接，低边场效应管的源极接地。

6.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，还包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端与高边场效应管的源极耦接，另一端与开关元件的控制端耦接；和

第一电容，所述第一电容的一端与高边场效应管的源极耦接，另一端与开关元件的控制端耦接。

7.根据权利要求1至4任一项所述的开关电源电路，其特征在于，还包括：

纹波校正模块，所述纹波校正模块耦接于所述互感电感模块和开关电源电路的输出端之间；所述纹波校正模块包括多个并联设置的电容。

8.根据权利要求1至4任一项所述的开关电源电路，其特征在于，

开关电源电路的输入端与并联设置的多个电容耦接。

9.根据权利要求1至4任一项所述的开关电源电路，其特征在于，

所述互感电感模块的感值在0.47μH至4.7μH之间。

10.一种电子设备，其特征在于，使用权利要求1至9任一项所述的开关电源电路。

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