CN110957924A - 支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法 - Google Patents

支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法 Download PDF

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张�杰
王福龙
郑凌波
朱敏
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Abstract

本申请涉及一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法，属于电源技术领域，该反激式开关电源包括电源电路、第一误差放大器、第二误差放大器、脉冲宽度调制电路、反相器、延时调整电路、驱动电路、与门电路以及控制开关；可以解决反激式开关电源输出电压发生变化时，开关电源芯片工作电压不足或过高的问题；由于可以通过时分复用技术为电源芯片供电，灵活地利用线圈上的能量，当副边线圈导通时，线圈上的能量首先用于提供电源输出；当辅助线圈导通时，线圈上剩余的能量用于为原边的开关电源芯片提供工作电压；避免开关电源芯片对线圈能量的浪费。本申请输出范围较宽，工作原理简单，方便实现。

Description

支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法
技术领域
本申请涉及一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法，属于电源技术领域。
背景技术
近年来，由于电子产品的种类增多，通用的充电器成为一种必然趋势，支持功率传输协议(USB Power Delivery，USB-PD)协议的充电器可满足该需求。该充电器可通过Type-C连接器对手机、笔记本、平板等终端进行快充(最大功率100W)。同时，当终端不支持快充或未采用Type-C连接器时，支持宽输出电压范围的充电器也可以对终端进行小功率充电，因此支持宽输出电压范围的充电器允许很宽的输出电压范围。反激式开关电源由于其安全性高、成本低以及***电路简单等优点，应用十分广泛。
在典型的反激式开关电源中，开关电源芯片的供电一般来自辅助线圈的感应电压，因为***总是试图保持输出电压稳定，辅助线圈的感应电压因与输出线圈同相而受制于副边线圈的电压，在最低输出电压下(例如USB PD充电器工作于初始5V输出电压时)，需要对应且足够的辅助线圈电压，以免供电不足；当反激式开关电源输出电压较高时(例如USB PD充电器工作于20V输出电压时)，辅助线圈上的感应电压也势必变得很高，为保证芯片供电在允许的范围内，辅助线圈上的感应电压需要采取必要的限制措施(例如使用一个串联稳压器)使芯片供电电压不高于允许的电压值，这将会浪费掉一部分线圈能量，从而导致降低反激式开关电源效率，增大反激式开关电源功耗，同时串联稳压电路也产生较大发热。
本发明提供一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源，该电源仅需要增加一个简单的控制电路，便能满足电源在输出电压范围扩大后，该电源芯片也能够通过辅助线圈上的感应电压，得到一个正常的工作电压。
发明内容
本申请提供了一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源及充电方法，可以解决电源输出电压发生变化时，开关电源芯片工作电压不足或过高的问题；本申请提供如下技术方案：
第一方面，提供了一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源，所述支持宽输出电压范围的反激式开关电源包括开关电源芯片，所述开关电源芯片包括：
用于产生所述开关电源芯片内部工作用低压电压的电源电路；
第一同相输入端与所述电源电路的第一电源输出端相连、第一反相输入端引出所述开关电源芯片的第一引脚的第一误差放大器；
第二同相输入端与所述电源电路的第二电源输出端相连、第二反相输入端引出所述开关电源芯片的第二引脚的第二误差放大器；
第一信号输入端与所述第一误差放大器的输出端相连、第二信号输入端引出所述开关电源芯片的第三引脚的脉冲宽度调制电路；
与所述脉冲宽度调制电路的输出端相连的反相电路；
与所述脉冲宽度调制电路的输出端相连的驱动电路；所述驱动电路的输出端引出所述开关电源芯片的第五引脚；
输入端分别与所述第一误差放大器的输出端、所述第二误差放大器的输出端相连的延时调整电路；
输入端分别与所述延时调整电路的输出端、所述反相电路的输出端和所述电源电路的第三电源输出端相连的与门电路；以及，
与所述与门电路的输出端相连的控制开关，所述控制开关用于控制所述电源电路的第四电源输出端与所述开关电源芯片的第四引脚之间的连接或断开。
可选地，所述开关电源芯片还包括接地引脚。
可选地，所述电源电路还包括工作电压输出端及电源输入端。
可选地，所述延时调整电路经延时时长后输出方波信号；其中，所述延时时长与所述第二误差放大器的输出电压呈负相关关系；与所述第一误差放大器的输出电压呈正相关关系。
第二方面，提供一种充电方法，用于第一方面提供的支持宽输出电压范围的反激式开关电源中，所述方法包括：
在所述反激式开关电源的副边线圈导通时，基于所述第一误差放大器的输出电压以及所述第二误差放大器的输出电压确定延时时长，所述延时时长与所述第一误差放大器的输出电压呈正相关关系，且与所述第二误差放大器的输出电压呈负相关关系；
在所述延时时长内，通过所述副边线圈为负载提供输出电压；
在当前时长到达所述延时时长时控制所述控制开关闭合，所述反激式开关电源的辅助线圈为所述储能电容储能其中。
可选地，在所述脉冲宽度调制电路输出的脉冲宽度调制信号的下降沿，所述第二误差放大器将通过所述第二引脚采样到的电压信号与所述第二电压输出端输出的第二参考电压进行比较，并产生第二误差放大信号；
结合所述第二误差放大信号和所述第一误差放大器输出的第一误差放大信号，得到具有所述延时时长的延时控制方波信号，所述延时控制方波信号用于生成控制所述控制开关的控制信号。
本申请的有益效果在于：通过在支持宽输出电压范围的反激式开关电源中额外设置延时调整电路，通过该延时调整电路根据第一误差放大信号和第二误差放大信号来确定方波信号的延时时长；使得反激式开关电源在延时时长内副边线圈为负载提供输出电压以充电，在延时时长到达方波信号位置时，变压器的剩余能量通过辅助线圈为储能电容充电；可以解决电源输出电压发生变化时，支持宽输出电压范围的反激式开关电源工作电压不足或过高的问题；由于可以通过时分复用技术，灵活地利用线圈上的能量，当副边线圈导通时副边线圈上的能量首先用于提供电源输出；当辅助线圈导通时，副边线圈上剩余的能量用于为原边的开关电源芯片提供工作电压；避免开关电源芯片对副边线圈能量的浪费；在辅助线圈为芯片供电时，线圈电压被强制拉低到芯片电压的水平上，并以当前电流为芯片供电电容充电，此时输出二极管反偏截止。
另外，使用开关电源芯片的反激式开关电源能够保证较宽范围的电压输出，可作为支持宽输出电压范围(例如USB PD充电器、锂离子电池包充电器等)的充电器使用。
另外，开关电源芯片的集成度高，无需增加***器件，采用主动控制技术，控制电路简单，适用于所有反激式开关电源。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的现有的反激式充电电源的结构示意图；
图2是支持宽输出电压范围的反激式开关电源中开关电源芯片的示意框图；
图3是支持宽输出电压范围的反激式开关电源电路示意图
图4是支持宽输出电压范围的反激式开关电源内部信号波形图；
图5是支持宽输出电压范围的反激式开关电源的充电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
首先，对本申请所涉及的名词进行解释。
USB-PD协议：USB Power Delivery功率传输协议，其标准电压存在5V、9V、15V、20V，其对应标准电流如表1所示，表1所示为标准电压电流对。
表1
Figure BDA0002314976360000051
除上述标准电压电流对外，也可根据特殊的终端，对充电器进行优化，使其提供可编程的功率输出。对于USB-PD协议，其每个固定的标准电压档都对应一个可编程电压范围，其对应关系如下表2所示，表2所示为可编程充电电压范围。
表2
Figure BDA0002314976360000052
图1是现有的反激开关电源的结构示意图，如图1所示，该反激式开关电源包括开关电源芯片11、原边线圈12、副边线圈13和辅助线圈14。
其中，原边线圈12、副边线圈13与辅助线圈14互感(图1中为方便图示辅助线圈14与副边线圈13分离表示，在实际实现时原边线圈12、副边线圈13与辅助线圈14为整体)。
上述反激式开关电源的运行原理为：在K2闭合、原边线圈12导通时，副边线圈13和辅助线圈14断开；反激式开关电源的输入端为线圈储存电量；在K2断开、原边线圈断开时，原边线圈12将存储的电量互感至副边线圈13；副边线圈13提供输出电压，且将部分能量互感至辅助线圈14；辅助线圈14为电容C1充电，以为开关电源芯片11供电。
根据上述工作原理可知，开关电源芯片11的供电来自辅助线圈14的感应电压。而辅助线圈14的感应电压受制于副边线圈13的电压及副边线圈与辅助线圈之间的匝数比。
当电源输出电压VOUT较高时，辅助线圈14上的感应电压变高。为保证辅助线圈14上的感应电压所提供的芯片工作电压不至于过高，会浪费掉一部分线圈能量，从而造成电源效率降低、增大电源的功耗的问题。
当电源输出电压VOUT较低时，辅助线圈14上的感应电压变低。当感应电压不能够使开关电源芯片11产生控制功率开关的信号时，电源便不能正常工作。
基于上述问题，本申请提供了一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源及该电源的充电方法。
图2是本申请一个实施例提供的支持宽输出电压范围的反激式开关电源中的开关电源芯片的示意框图，如图2所示，该开关电源芯片包括：电源电路21；延时调整电路26、脉冲宽度调制电路24、第一误差放大器22、第二误差放大器23、驱动电路29、反相器25、与门电路27及控制开关28。
第一误差放大器22包括第一同相输入端、第一反相输入端和输出端。其中，第一同相输入端与电源电路21的第一电源输出端相连、第一反相输入端引出开关电源芯片的第一引脚(VFB)。
第二误差放大器23包括第二同相输入端、第二反相输入端和输出端。其中，第二同相输入端与电源电路21的第二电源输出端相连、第二反相输入端引出开关电源芯片的第二引脚(VCC)。
脉冲宽度调制电路24包括第一信号输入端、第二信号输入端和输出端。其中，第一信号输入端与第一误差放大器22的输出端相连、第二信号输入端引入开关电源芯片的第三引脚(CS)。
反相电路25的输入端及驱动电路29的输入端与脉冲宽度调制电路24的输出端相连。驱动电路29的输出端引出开关电源芯片的第五引脚(DRV)。
延时调整电路26的输入端分别与第一误差放大器22的输出端、第二误差放大器23的输出端相连。
门电路27的输入端分别与延时调整电路26的输出端、反相电路25的输出端和电源电路21的第三电源输出端相连。
控制开关28与与门电路27的输出端相连。控制开关28用于控制第二引脚(VCC)与第四引脚(Vin)之间的连接或断开。
其中，开关电源芯片还包括接地引脚(GND)。
电源电路还包括工作电压输出端(VDD)及电源输入端。
图3是本申请一个实施例提供的支持宽输出电压范围的反激式开关电源结构示意图，该反激式开关电源使用图2所示的开关电源芯片。如图3所示，开关电源芯片的第四引脚(Vin)与第一二极管D1连接，开关电源芯片的第二引脚(VCC)与电容C1连接，开关电源芯片的第一引脚(VFB)与电阻R1、R2连接，开关电源芯片的第三引脚(CS)与开关K2及电阻R3连接，开关电源芯片的第五引脚(DRV)控制开关K2。
上述支持宽输出电压范围的反激式开关电源的运行原理包括：当脉冲宽度调制信号产生SW＝0信号(下降沿信号)时K2断开，第二误差放大器23输出第二引脚输入的VCC信号与第二参考电压Vref2之间的第二误差放大信号eaout2；第一误差放大器22输出第一引脚输入的反馈电压VFB与第一参考电压Vref1之间的第一误差放大信号eaout1；第一误差放大信号eaout1和第二误差放大信号eaout2同时输入延时调整电路26。延时调整电路26经过延时时长后输出方波信号S_dly，该延时时长与第一误差放大信号eaout1的电压呈正相关关系，该延时时长与第二误差放大信号eaout2的电压呈负相关关系。
基于上述过程可知，通过延时调整电路26经过延时时长可得到控制开关28的控制信号。在控制开关28闭合后，辅助线圈33上的电流开始为电容32充电。由此可以满足在反激式开关电源的输出电压较高时，在延时时长内副边线圈35上的能量首先为输出电容C2充电，为负载提供稳定输出电压；在到达延时调整电路26输出的方波信号时，副边线圈35上剩余的能量经辅助线圈33为储能电容32充电，从而为支持宽输出电压范围的反激式开关电源芯片提供合适的工作电压，可以解决反激式开关电源的输出电压发生变化时，支持宽输出电压范围的反激式开关电源芯片工作电压不足或过高的问题。
参考图4所示的支持宽输出电压范围的反激式开关电源内部信号波形图。Ion对应的波形为原边线圈上的电流、Ioff对应的波形为副边线圈或辅助线圈上电流，在脉冲宽度调制信号SW高电平时，K2闭合，仅原边线圈有电流，在脉冲宽度调制信号SW低电平时，K2断开，副边线圈和辅助线圈有电流。当副边线圈导通时，辅助线圈的电压感应副边线圈电压，辅助线圈的电压会远高于电源芯片VCC电压，但暂不会作用于电源芯片，直到辅助线圈导通。在脉冲宽度调制信号SW的下降沿，第二误差放大器23将采样到的VCC电压信号与第二参考电压Vref2进行比较，并产生第二误差放大信号eaout2。结合第一误差放大信号eaout1的结果，可得到延时后的方波信号S_dly，然后得到控制开关28的使能信号，经一段时间延时，辅助线圈上的电流将给储能电容32充电。根据图4可知，当检测到SW下降沿VCC＞Vref2，则输出第二误差放大信号eaout2偏小，延时Tdly1时间后输出方波信号S_dly＝1；当检测到SW下降沿VCC＜Vref2，则输出第二误差放大信号eaout2值偏大，延时Tdly2时间后S_dly＝1，其中Tdly1＞Tdly2。
综上所述，本实施例提供的支持宽输出电压范围的反激式开关电源，通过额外设置延时调整电路，通过该延时调整电路根据第一误差放大信号和第二误差放大信号来确定方波信号的延时时长；使得反激式开关电源在延时时长内副边线圈为负载提供输出电压以充电，在延时时长到达方波信号位置时，副边线圈的剩余能量通过辅助线圈为储能电容充电；可以解决电源输出电压发生变化时，支持宽输出电压范围的反激式开关电源工作电压不足或过高的问题；由于可以通过时分复用技术，灵活地利用线圈上的能量，当副边线圈导通时副边线圈上的能量首先用于提供电源输出；当辅助线圈导通时，副边线圈上剩余的能量用于为原边的开关电源芯片提供工作电压；避免开关电源芯片对副边线圈能量的浪费。
另外，开关电源芯片的集成度高，无需增加***器件，采用主动控制技术，控制电路简单，适用所有反激式开关电源。
图5是本申请一个实施例提供的支持宽输出电压范围的反激式开关电源方法的流程图。本实施例以该方法应用于图3所示的反激式开关电源中为例进行说明。该方法至少包括以下几个步骤：
步骤501，在副边线圈导通时，基于第一误差放大器的输出电压以及第二误差放大器的输出电压确定延时时长，该延时时长与第一误差放大器的输出电压呈正相关系，且与第二误差放大器的输出电压呈负相关系。
可选地，在脉冲宽度调制电路输出的脉冲宽度调制信号的下降沿，第二误差放大器将通过第二引脚采样到的电压信号与第二电压输出端输出的第二参考电压进行比较，并产生第二误差放大信号；结合第二误差放大信号和第一误差放大器输出的第一误差放大信号，得到具有延时时长的延时控制方波信号。
延时控制方波信号用于生成控制控制开关的控制信号。
步骤502，在延时时长内，通过副边线圈为负载提供输出电压。
步骤503，在当前时长到达延时时长时控制控制开关闭合，以使副边线圈停止导通，辅助线圈为储能电容储能。
其中，闭合时长为延时调整电路输出的方波信号的宽度。
相关内容参考上述实施例，本实施例在此不再赘述。
综上所述，本实施例提供的电源充电方法，在副边线圈导通时，基于第一误差放大器的输出电压以及第二误差放大器的输出电压确定延时时长，延时时长与第一误差放大器的输出电压呈正相关关系，且与第二误差放大器的输出电压呈负相关关系；在延时时长内，通过副边线圈为负载提供输出电压；在当前时长到达延时时长时控制控制开关闭合，以使副边线圈停止导通，辅助线圈为储能电容储能；可以解决电源输出电压发生变化时，开关电源芯片工作电压不足或过高的问题；由于可以通过时分复用技术，灵活地利用线圈上的能量，当副边线圈导通时线圈上的能量首先用于提供电源输出；当辅助线圈导通时，线圈上剩余的能量用于为原边的开关电源芯片提供工作电压；避免开关电源芯片对副边线圈能量的浪费。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种支持宽输出电压范围的反激式开关电源，其特征在于，包括开关电源芯片，所述开关电源芯片包括：
用于生成所述开关电源芯片内部工作用低压电压的电源电路；
第一同相输入端与所述电源电路的第一电源输出端相连、第一反相输入端引出所述开关电源芯片的第一引脚的第一误差放大器；
第二同相输入端与所述电源电路的第二电源输出端相连、第二反相输入端引出所述开关电源芯片的第二引脚的第二误差放大器；
第一信号输入端与所述第一误差放大器的输出端相连、第二信号输入端引出所述开关电源芯片的第三引脚的脉冲宽度调制电路；
与所述脉冲宽度调制电路的输出端相连的反相电路；
与所述脉冲宽度调制电路的输出端相连的驱动电路；所述驱动电路的输出端引出所述开关电源芯片的第五引脚；
输入端分别与所述第一误差放大器的输出端、所述第二误差放大器的输出端相连的延时调整电路；
输入端分别与所述延时调整电路的输出端、所述反相电路的输出端和所述电源电路的第三电源输出端相连的与门电路；以及，
与所述与门电路的输出端相连的控制开关，所述控制开关用于控制所述第二引脚与第四引脚之间的连接或断开。
2.根据权利要求1所述的支持宽输出电压范围的反激式开关电源，其特征在于，所述开关电源芯片还包括接地引脚。
3.根据权利要求1所述的支持宽输出电压范围的反激式开关电源，其特征在于，所述电源电路还包括工作电压输出端及电源输入端。
4.根据权利要求1至3任一所述的支持宽输出电压范围的反激式开关电源，其特征在于，所述延时调整电路经延时时长后输出方波信号；其中，所述延时时长与所述第二误差放大器的输出电压呈负相关关系；与所述第一误差放大器的输出电压呈正相关关系。
5.一种充电方法，其特征在于，用于权利要求1至4任一所述的支持宽输出电压范围的反激式开关电源中，所述方法包括：
在所述反激式开关电源的副边线圈导通时，基于所述第一误差放大器的输出电压以及所述第二误差放大器的输出电压确定延时时长，所述延时时长与所述第一误差放大器的输出电压呈正相关关系，且与所述第二误差放大器的输出电压呈负相关关系；
在所述延时时长内，通过所述副边线圈为负载提供输出电压；
在当前时长到达所述延时时长时控制所述控制开关闭合，所述反激式开关电源的辅助线圈为所述储能电容储能。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
在所述脉冲宽度调制电路输出的脉冲宽度调制信号的下降沿，所述第二误差放大器将通过所述第二引脚采样到的电压信号与所述电源电路的第二电压输出端输出的第二参考电压进行比较，并产生第二误差放大信号；
结合所述第二误差放大信号和所述第一误差放大器输出的第一误差放大信号，得到具有所述延时时长的延时控制方波信号，所述延时控制方波信号用于生成控制所述控制开关的控制信号。
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