TWM496295U - 一種新型輸出電壓電流可變式開關電源電路 - Google Patents

Description

一種新型輸出電壓電流可變式開關電源電路

本創作涉及一種新型開關電源電路，並更具體而言，涉及一種輸出電壓和電流智慧動態可調的開關電源電路。

目前使用的開關電源產品一般為固定輸出電壓或固定輸出電流設計，通常不能根據負載的狀態動態調節輸出電壓或電流，尤其是針對電池充電應用的開關電源，如能根據電池的電量狀態即時調整供電電壓和電流，將能大大節省充電時間，並且提高充電效率。

第1圖示出了傳統的輸出電壓電流調節方案的框圖。如第1圖所示，第1圖的左側表示負載設備，右側表示開關電源電路。開關電源電路的功率控制模組向負載模組提供輸出電壓/電流(如圖所示，輸出+/-)。為了實現對於輸出電壓/電流的調節，負載設備側設置有主控晶片，開關電源側設置有專用的解碼晶片。主控晶片和解碼晶片之間通過資料線相互通信(如圖所示，通信A和B)。負載側的主控晶片根據監控負載模組得到電池電量等資訊從而生成電壓和電流調節指令，並對其進行編碼，然後向開關電源側的解碼晶片發送該編碼後的資訊。在接收到編碼資訊後，解碼晶片對其進行解碼得到調節指令，並將調節指令發送給功率控制模組，從而實現對輸出電壓和電流的調節。

可見，傳統的方案需要負載側和開關電源側的通信，因此，需要在負載側和開關電源側分別設置通信晶片(分別置於主控晶片和解碼晶片中)，從而導致成本高昂。另外，電壓/電流調節的實現需要通過複雜的通信和系統控制，由於複雜性導致可靠性降低，從而導致市場接受度低。另外，由於通信標準和協議的壟斷性，存在各品牌之間不能相容的缺陷。因此，迫切需要一種新型的開關電源電路來解決上述問題。

本創作的目的在於解決以上技術難點，提供一種成本低，電路結構簡單，相容性好的輸出電壓電流智慧可調的開關電源電路。

根據本創作的一個方面，公開了一種開關電源電路，包括交流電源輸入整流電路、電磁干擾濾波電路、開關電路、輸出整流濾波電路、回饋取樣電路、過沖吸收電路、控制電路以及供電電路。其中，所述控制電路與所述供電電路、所述回饋取樣電路和所述開關電路相連。所述開關電源電路的特徵在於包括指令協定傳輸電路，所述指令協定傳輸電路與所述控制電路相連，並用於接收負載的電壓/電流調節指令。

根據本創作的方案，無需在開關電源內裝置專用解碼晶片，開關電源控制晶片本身設置特定通信協定。通過這樣的配置，負載設備可按設定的協定方式直接給開關電源發送電壓和電流設定指令，來實現輸出電壓電流可調。

1‧‧‧AC輸入整流電路

2‧‧‧EMI濾波電路

3‧‧‧開關電路

4‧‧‧控制電路

5‧‧‧供電電路

6‧‧‧輸出整流濾波電路

7‧‧‧回饋取樣電路

8‧‧‧過沖吸收電路

9‧‧‧指令協定傳輸電路

第1圖示出了傳統的輸出電壓電流調節方案的框圖。

第2圖示出了本創作輸出電壓電流調節方案的示意性框圖。

第3、4圖示出了根據本創作實施例的開關電源電路的兩個實施例的電路圖。

第5圖示出了第3圖所示的開關電源電路的詳細結構的兩個示例性實施例。

第6圖示出了EMI(電磁干擾)濾波電路的多種不同示例性接法。

第7、8圖示出了供電電路的示例性接法。

第9圖示出了輸出整流濾波電路的示例性接法。

第10圖示出了過沖吸收電路的接法。

下面將詳細描述本創作各個方面的特徵和示例性實施例。下 面的描述涵蓋了許多具體細節，以便提供對本創作的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本創作可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本創作的示例來提供對本創作更清楚的理解。本創作絕不限於下面所提出的任何具體配置，而是在不脫離本創作的精神的前提下覆蓋了相關元素或部件的任何修改、替換和改進。

第2圖示出了本創作輸出電壓電流調節方案的示意性框圖。如圖所示，開關電源內的功率器件從供電電源(例如AC電源、DC電源等)接收輸入，該供電電源適於採用交流或直流供電等各種供電方式。功率器件向負載提供電力。負載部分向開關電源發送調節指令。該指令的傳輸方式可以有單線或多線等各種方式，指令類型包括電壓准位元、脈衝信號、數位串碼等各種指令方式。該調節指令被發送給開關電源內的控制晶片。控制晶片根據調節指令的資訊控制功率器件，從而調節功率器件到負載的輸出。

圖中所示的開關電源類型包括隔離型和非隔離型等各種電路結構，隔離型電路結構的回饋方式適用於原邊回饋方式和二次側回饋方式。另外，開關電源功率轉換的拓撲結構包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck-Boost)、反激式(Flyback)、正激式(Forward)等各種電路拓撲結構。

下面將對第2圖所示的開關電源的電路結構進行詳細描述。為了便於闡述本創作的內容，以下以一種用於手機外置充電器的反激式開關電源為例進行說明。但是，請注意，本創作覆蓋範圍絕不僅限於以下實例應用，而是可以應用於需要對輸出電壓/電流進行調節的各種開關電源電路，包括但不限於上述的降壓式、升壓式、反激式、正激式等等。

第3圖示出了根據本創作實施例的開關電源電路的第一實施例的電路圖。該電路採用交流輸入，電路結構為隔離型反激式開關電源電路。其中，二次側負載設備的指令通過光耦合器件傳輸至一次側控制晶片。根據線路啟動方式和供電方式的不同，此電路還可以衍生出另外形式的電路接法。例如，第4圖示出了根據本創作實施例的開關電源電路的第 二實施例的電路圖。

下面將結合第5圖詳細描述第3圖所示的反激式開關電源電路的第一實施例的詳細結構。如第5圖所示，此輸出電壓電流可調節式開關電源電路主要包括AC輸入整流電路1、EMI濾波電路2、開關電路3、控制電路4、供電電路5、輸出整流濾波電路6、回饋取樣電路7、過沖吸收電路8和指令協定傳輸電路9。

AC輸入整流電路1包括保險絲FUSE和整流二極體，主要作用對交流電壓進行整流。整流二極體的數量可以是最少一個，最多八個。保險絲也可以用保險絲電阻、繞線電阻或電感代替。

EMI濾波電路2包括電感、高壓電解電容及ESD放電電阻R1，主要作用是抑制EMI及整流後濾波。依不同應用，電感可以有兩個電感，也可以用一個共模電感；高壓電解電容可以是一個電容，也可以是多個電容；在有些場合中，可以不用ESD放電電阻R1。

第6圖示出了EMI濾波電路2的多種不同接法。如第6圖所示，R1為ESD放電電阻。根據實際的需要，ESD放電電阻R1在與電感並聯後，可以與一個或兩個或者更多個電容串聯或者並聯，電感可以是一個電感或者兩個電感。根據電阻值的需要，ESD放電電阻R1本身也可以是多個電阻的串聯，當然，在有些情況下，ESD放電電阻R1也可以取消。

開關電路3包括變壓器T、開關MOSFET管或BJT三極管、以及原邊電流取樣電阻部分。

控制電路4的主要器件是一顆PWM控制晶片及必要的週邊輔助元件，在本示例中是一顆六個功能腳或八個功能腳的控制晶片，下面給出各個功能腳的具體描述(不按腳位元順序)：A：供電輸入PIN，用於晶片供電啟動，與供電電路5相連；B：回饋取樣PIN，用於檢測輸出電壓，與回饋取樣電路7相連；C：晶片地PIN，晶片的參考地；D：Gate驅動PIN，用於控制開關MOSFET管或BJT三極管的開關，與開關電路3相連； E：電流採樣PIN，用於檢測變壓器原邊電流，在採樣電阻R7上採集電壓資訊，與開關電路3相連；F：通信指令PIN，用於接收負載設備傳送的調節輸出電壓和電流的指令資訊，與指令協定傳輸電路9相連；G：源級PIN，在採用八腳晶片的電路中帶有此腳，與開關電路3中的MOSFET管的源級或BJT三極管的發射極相連；H：環路補償PIN，在採用八腳晶片的電路中帶有此腳，外接環路補償電容，用於改善負反饋系統環路回應及穩定性。

供電電路5包括整流、濾波及穩壓三部分器件，其中穩壓部分視實際應用環境可以省略。

第7圖和第8圖示出了供電電路5中的A、B兩點之間(即，第5圖中的R4的上端與VDD之間)與第5圖所示不同的兩種示例性接法。第7圖是接法(一)，第8圖是接法(二)。

輸出整流濾波電路6包括輸出整流二極體、濾波電容及輸入假負載三個主要部分。輸出整流二極體視EMI需要可並聯RC吸收電路。此外，針對不同的輸出紋波要求，輸出整流濾波電路6可以增加π型濾波電路或者共模濾波電路。另外，輸出整流濾波電路6還可以採用其他的結構。例如，第9圖示出了輸出整流濾波電路6中的A、B兩點之間(即，第5圖中的V_BUS 和GND之間)與第5圖所示不同的兩種示例性接法。但是，在實踐中，並不限於所示的兩種接法。

回饋取樣電路7包括變壓器輔助繞組及分壓電阻網路，用於檢測輸出電壓資訊。

過沖吸收電路8包括吸收電阻，吸收電容和單向二極體。第10圖示出了過沖吸收電路8中的A、B兩點之間(即，第5圖中的R6的上端與D7的正極之間)的一種示例性接法。但是，在實踐中，並不限於所示的接法。

指令協定傳輸電路9包括限流電阻和光耦合器兩部分，跨接在開關電源的原邊和副邊兩側，用於接收負載的電壓/電流調節指令。如上所述，指令協定傳輸電路9的通信方式包括但不限於以下幾種方式：電壓 准位元信號、PWM脈衝調製信號、數位串碼信號等。

本創作提供的開關電源電路具有以下優點：將其應用在電池充電領域可顯著提高充電效率，縮短充電時間，並且成本低廉。

以上已經參考本創作的具體實施例來描述了本創作，但是本領域技術人員均瞭解，可以對這些具體實施例進行各種修改、組合和變更，而不會脫離由所附申請專利範圍或其等同物限定的本創作的精神和範圍。此外，附圖中的任何信號箭頭應當被認為僅是示例性的，而不是限制性的，除非另有具體指示。當術語被預見為使分離或組合的能力不清楚時，元件或者步驟的組合也將被認為是已經記載了。

1‧‧‧AC輸入整流電路

2‧‧‧EMI濾波電路

3‧‧‧開關電路

4‧‧‧控制電路

5‧‧‧供電電路

6‧‧‧輸出整流濾波電路

7‧‧‧回饋取樣電路

8‧‧‧過沖吸收電路

9‧‧‧指令協定傳輸電路

Claims (12)

1. 一種新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，包括交流電源輸入整流電路、電磁干擾濾波電路、開關電路、輸出整流濾波電路、回饋取樣電路、過沖吸收電路、控制電路以及供電電路，其中，所述控制電路與所述供電電路、所述回饋取樣電路和所述開關電路相連，所述開關電源電路的特徵在於包括指令協定傳輸電路，所述指令協定傳輸電路與所述控制電路相連，並用於接收負載的電壓/電流調節指令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，開關電路包括變壓器、開關MOSFET管或BJT三極管和原邊電流取樣電阻。
3. 如申請專利範圍第2項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述控制電路包括控制晶片，所述控制晶片包括：供電輸入腳，用於所述控制晶片的供電啟動，並與所述供電電路相連；回饋取樣腳，用於檢測輸出電壓，並與所述回饋取樣電路相連；晶片接地腳，用作所述控制晶片的參考地；驅動腳，用於控制所述開關MOSFET管或BJT三極管的開關，並與所述開關電路相連；電流採樣腳，用於檢測所述開關電路中的變壓器的原邊電流，在所述取樣電阻上採集電壓資訊，並與所述開關電路相連；通信指令腳，用於接收負載傳送的調節輸出電壓和電流的指令資訊，並與所述指令協定傳輸電路相連。
4. 如申請專利範圍第3項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述控制晶片還包括：源級腳，其與所述開關電路中的MOSFET管的源級或BJT三極管的發射極相連；以及環路補償腳，其外接環路補償電容。
5. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述AC輸入整流電路包括保險絲和整流二極體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電 路，其特徵在於，所述電磁干擾濾波電路包括電感、高壓電解電容以及ESD放電電阻中的一個或者多個。
7. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述供電電路包括整流部、濾波部和穩壓部中的一個或者多個。
8. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述輸出整流濾波電路包括輸出整流二極體、濾波電容、輸入假負載、π型濾波電路、共模濾波電路、和RC吸收電路中的一個或多個。
9. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述回饋取樣電路包括變壓器輔助繞組和分壓電阻網路。
10. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述過沖吸收電路包括吸收電阻、吸收電容和單向二極體。
11. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述指令協定傳輸電路包括限流電阻和光耦合器。
12. 如申請專利範圍第1項所述之新型輸出電壓電流可變式開關電源電路，其特徵在於，所述指令協定傳輸電路的通信方式包括電壓准位元信號、PWM脈衝調製信號和數位串碼信號。