CN113629828A - 一种自动补偿线损的pd充电电路及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动补偿线损的PD充电电路及充电方法,包括Type C接口、PD协议芯片和PD电源转换模块；输入电压Vin输入PD电源转换模块，PD电源转换模块对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，转换电压VBUS经过导线后的电压为线后输出电压Vo，线后输出电压Vo提供给受电设备，由于导线本身的寄生电阻R2，导致转换电压VBUS与线后输出电压Vo之间产生压降，DC‑DC转换芯片通过电流检测放大单元实时检测受电设备的电流大小，获取该电流值所在的预设区间，将转换电压VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压，从而使线后输出电压Vo达到设定值，并通过导线输出至TYPE C接口。

Description

一种自动补偿线损的PD充电电路及充电方法

技术领域

本发明涉及直流充电技术领域，更具体地说，涉及一种自动补偿线损的 PD充电电路及充电方法。

背景技术

TYPE C由于其强大的电性能规格及使用便利性，越来越成为各种电子产品的标配接口，如显示器，手机，平板，笔记本电脑及电源适配器,PD充电功能又是TYPE C各项性能规格中的核心参数。

由于PD对外充电的电流较大(标准上限为100W)，大电流通过Type C线传输后线损电压也很大，特别是TYPE C线较长的情况下。导致到终端后的电压较低，甚至低于终端的最小电压规格。所以如何提高终端得到的实际电压就是设计师所面临的问题。

线损电压＝传输电流*线材直流阻抗。线材的直流阻抗，只跟线材原材料/ 形状(含直径)/长度决定，即线材出厂后基本不会变，线损电压将由传输电流决定。

目前常用的减少线损办法有三种:(a)减少TYPE C线的长度，这种方案在大尺寸(体积)的产品下使用不方便；(b)变更传输线的材质：如用更好更小阻抗线材，铜线换成银线或金线，这会加大TYPE C的成本；或用更粗的线材，这样也会增加TYPE C的成本，并且直径增加的幅度有限，太粗了无法焊接在标准的TYPE C接口上面。(c)PD定置为一个固定的稍高电压输出，比如由5V输出改为5.3V输出，那么无论TYPE C线传输有多少线损电压，在终端得到的实际电压都会增加0.3V。这种方案有一个弊端就是在终端为轻载(小电流0A/0.1A/0.2A…)时，终端实际得到的电压也比较高的5.3V(非5.0V)：因为小电流情况下，TYPE C线造成线损电压也小。这个“高电压”对部分要求很精密电压的终端设备来说，可能就是一个高压的危险。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种自动补偿线损的PD充电电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种自动补偿线损的充电装置，包括Type C接口、PD协议芯片和PD 电源转换模块；所述Type C接口的电压输入端与PD电源转换模块的电压输出端连接，PD电源转换模块的电压输入端与外部电源连接，PD电源转换模块的控制信号输入端与PD协议芯片的控制信号输出端连接，PD协议芯片的CC信号连接端与Type C接口的CC信号连接端连接；所述充电装置通过Type C接口连接待充电设备，其中：

所述PD协议芯片，用于确定受电设备的需求电压，并控制PD电源转换模块将输入电压Vin转换成受电设备的需求电压；

所述PD电源转换模块，用于对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，还用于采样输出电流通路的电流，根据采样电流动态调整转换电压VBUS，使线后输出电压Vo达到受电设备的需求电压值；

所述TYPE C接口，用于将转换电压VBUS经过导线后形成的线后输出电压 Vo提供给受电设备。

优选的，所述电压转换模块包括DC-DC转换芯片、开关电路、滤波电路和采样电阻，所述开关电路的输入端连接电源，输出端连接滤波电路的输入端，控制端与所述DC-DC转换芯片连接，所述滤波电路的输出端连接采样电阻的正输入端，所述采样电阻负输入端连接Type C接口。

优选的，所述DC-DC转换芯片内设有PWM控制单元、驱动单元和电流检测放大单元，所述PWM控制单元和电流检测放大单元连接，所述采样电阻两端均与所述电流检测放大单元连接，所述开关电路包括功率开关管K1。

优选的，所述滤波电路包括电感L、第一电容C1和第二电容C2，所述电感、所述第一电容C1和所述第二电容C2三者的一端均与所述采样电阻正输入端连接，采样电阻的负输入端与所述Type C接口连接，所述电感的另一端连接所述三极管的发射极，所述第一电容C1和所述第二电容C2的另一端均接地。

优选的，所述功率开关管K1为PMOS管或NMOS管，所述功率开关管K1 的栅极与所述PWM控制单元连接，源极与电源连接，漏极与所述滤波电路连接。

优选的，PWM控制单元输出开关驱动信号，所述开关驱动信号输入驱动单元，驱动单元的输出端连接功率开关管K1的控制端，驱动单元根据PWM控制模块输出的开关驱动信号，控制功率开关管K1的开通和截止。

优选的，所述开关电路包括第一MOS管U48、第二MOS管U49、第三MOS 管U50和第四MOS管U51。

本发明还提供了一种自动补偿线损的PD充电方法，基于前述的自动补偿线损的PD充电电路，包括以下步骤：

步骤一：所述PD协议芯片检测到TYPE C接口与受电设备连接，则与受电设备进行标准的PD协议通讯，识别受电设备的电压需求；

步骤二：所述PD协议芯片将控制信号输入DC-DC转换芯片，DC-DC转换芯片根据控制信号对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波电路滤波后输出转换电压VBUS；

步骤三：所述DC-DC转换芯片通过电流检测放大单元实时检测输出电流 Io的电流值，确定该电流值是否在预设区间内，若电流值位于预设区间内，则执行步骤四，若电流值不在预设区间内，则执行步骤五；

步骤四：确定该电流值所在的预设区间，将转换电压VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压；

步骤五：转换电压VBUS经过导线后为符合受电设备需求的线后输出电压 Vo，线后输出电压Vo输出至TYPE C接口。

优选的，在步骤二中，转换电压VBUS的值为受电设备的需求电压的电压值，在步骤四中，转换电压VBUS值不高于需求电压值的105％。

本发明的有益效果在于：PD协议芯片检测到TYPE C接口与受电设备连接后与受电设备进行标准的PD协议通讯，识别受电设备的电压需求，输入电压 Vin输入PD电源转换模块，PD电源转换模块对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，转换电压VBUS经过导线后的电压为线后输出电压Vo，线后输出电压Vo提供给受电设备，由于导线本身的寄生电阻R2，导致转换电压VBUS与线后输出电压Vo之间产生压降，DC-DC转换芯片通过电流检测放大单元实时检测受电设备的电流大小，获取该电流值所在的预设区间，将转换电压VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压，从而使线后输出电压Vo达到设定值，并通过导线输出至TYPE C接口；极大地减小了不同负载电流下输出电压的变化，同时本发明实现简单，只要在芯片专用寄存器上预设多组电压/电流值，而后根据终端设备实际需要的电流大小动态调整电压输出，以补偿TYPE C固有的线损电压，即可以实现线损补偿；本发明应用于充电器时，可以实现达到恒压/恒流控制，同时同传统的充电器相比，不需要增加电路的输入输出端口和外部元器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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附图：

图1是本发明较佳实施例的自动补偿线损的PD充电电路的结构框图；

图2是本发明较佳实施例的自动补偿线损的PD充电电路的电路图；

图3是本发明较佳实施例的自动补偿线损的的PD充电方法的流程图；

图4是本发明另一较佳实施例的自动补偿线损的PD充电电路的PD电源转换模块的电路图；

图5是本发明另一较佳实施例的自动补偿线损的PD充电电路的PD协议芯片连接电路图；

图6是本发明较佳实施例的自动补偿线损的PD充电方法的实际充电实验数据表。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明较佳实施例的自动补偿线损的PD充电电路如图1所示，参阅图2、图6，包括Type C接口1、PD协议芯片2和PD电源转换模块3；Type C接口 1的电压输入端与PD电源转换模块3的电压输出端连接，PD电源转换模块3 的电压输入端与外部电源连接，PD电源转换模块3的控制信号输入端与PD协议芯片2的控制信号输出端连接，PD协议芯片2的CC信号连接端与Type C 接口1的CC信号连接端连接；充电装置通过Type C接口连接待充电设备，其中：

PD协议芯片2，用于确定受电设备的需求电压，并控制PD电源转换模块 3将输入电压Vin转换成受电设备的需求电压；

PD电源转换模块3，用于对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，还用于采样输出电流通路的电流，根据采样电流动态调整转换电压VBUS，使线后输出电压Vo达到受电设备的需求电压值；

TYPE C接口，用于将转换电压VBUS经过导线后形成的线后输出电压Vo提供给受电设备；

PD协议芯片2检测到TYPE C接口与受电设备连接后与受电设备进行标准的PD协议通讯，识别受电设备的电压需求，输入电压Vin输入PD电源转换模块3，PD电源转换模块3对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，转换电压VBUS经过导线后的电压为线后输出电压Vo，线后输出电压Vo提供给受电设备，由于导线本身的寄生电阻R2，导致转换电压VBUS与线后输出电压Vo之间产生压降，DC-DC转换芯片31通过电流检测放大单元33 实时检测受电设备的电流大小，获取该电流值所在的预设区间，将转换电压 VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压，从而使线后输出电压Vo达到设定值，并通过导线输出至TYPE C接口；极大地减小了不同负载电流下输出电压的变化，同时本发明实现简单，只要在芯片专用寄存器上预设多组电压/ 电流值，而后根据终端设备实际需要的电流大小动态调整电压输出，以补偿 TYPE C固有的线损电压，即可以实现线损补偿；本发明应用于充电器时，可以实现达到恒压/恒流控制，同时同传统的充电器相比，不需要增加电路的输入输出端口和外部元器件。

如图1-2所示，电压转换模块包括DC-DC转换芯片31、开关电路32、滤波电路33和采样电阻R1，开关电路32的输入端连接电源，输出端连接滤波电路33的输入端，控制端与DC-DC转换芯片31连接，滤波电路33的输出端连接采样电阻R1的正输入端，采样电阻R1负输入端连接Type C接口1；

DC-DC转换芯片型号为SC8815，是快充检测芯片，能进行充电电池管理，是同步升降压充电控制器,电流检测放大单元的正输入端连接SNS2P端口，负输入端连接SNS2N端口，电流检测放大单元采样SNS2N端口和SNS2P端口之间的压差，通过该电压差反映流经跨接在SNS2P端口和SNS2N端口之间的采样电阻R2的输出电流。

如图2所示，DC-DC转换芯片31内设有PWM控制单元311、驱动单元32 和电流检测放大单元33，PWM控制单元311和电流检测放大单元33连接，采样电阻R1两端均与电流检测放大单元33连接，开关电路32包括驱动单元32；

PWM控制单元311连接电流检测放大单元的输出端用于接收电流检测放大单元发送的采样电流，根据采样电流控制生成PWM控制信号，并通过PWM端将所述PWM控制信号发送至驱动单元32，PWM控制信号具有预定占空比；驱动单元32的控制端连接PWM控制单元311的PWM端，PWM控制单元311的输入端与电源输入端连接，驱动单元32的输出端与功率开关管K1连接；驱动单元 32和功率开关管K1用于接收所述PWM控制信号，根据所述PWM控制信号调节其输入端和输出端的导通时间的占空比，以调节输出的电压。在上述过程中 PWM控制单元311可以通过检测采样电阻R1的电流确定线路损耗，进而根据采样电阻R1的分压值确定输出至PWM电压调制模块的PWM控制信号，PWM电压调制模块由PWM控制信号控制其输入端和输出端的导通时间的占空比从而实现了对USB接口的供电引脚输出的电压的调节，由于在该过程中是根据USB 实际线损补偿充电电压，弥补线损造成的压降，因此能够使得USB充电电压符合相关认证规则。

如图2所示，滤波电路33包括电感L、第一电容C1和第二电容C2，电感、第一电容C1和第二电容C三者的一端均与采样电阻R1正输入端连接，采样电阻R1的负输入端与Type C接口1连接，电感的另一端连接三极管的发射极，第一电容C1和第二电容C2的另一端均接地；该电感L用于消除DC-DC转换芯片U1输出电压的纹波,再配合电容C2和电容C1的滤波，也可以在电路中增加 TVS二极管TVS2，进行稳压,能使DC-DC转换芯片U1输出稳定的电压。

如图2所示，功率开关管K1为PMOS管或NMOS管，功率开关管K1的栅极与PWM控制单元311连接，源极与电源连接，漏极与滤波电路33的输入端连接。

如图2所示，PWM控制单元311输出开关驱动信号，开关驱动信号输入驱动单元32，驱动单元32的输出端连接功率开关管K1的控制端，驱动单元32 根据PWM控制模块输出的开关驱动信号，控制功率开关管K1的开通和截止；当PWM控制单元的输出为高电平时，通过开关驱动模块控制功率开关K1导通；当PWM控制单元输出为低电平时，通过开关驱动模块控制功率开关K1截止。

如图2所示，功率开关管K1可以集成在DC-DC转换芯片31内，此时功率开关管K1为PMOs管，功率开关管K1的源极作为DC-DC转换芯片的Vin端口，功率开关管K1的漏极作为电压转换器的SW端口，栅极连接PWM控制单元。

本发明较佳实施例的自动补偿线损的PD充电方法如图1所示，，基于前述的自动补偿线损的PD充电电路，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：PD协议芯片2检测到TYPE C接口1与受电设备连接，则与受电设备进行标准的PD协议通讯，识别受电设备的电压需求；

步骤二：PD协议芯片2将控制信号输入DC-DC转换芯片31，DC-DC转换芯片31根据控制信号对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波电路33滤波后输出转换电压VBUS；

步骤三：DC-DC转换芯片31通过电流检测放大单元33实时检测输出电流 Io的电流值，确定该电流值是否在预设区间内，若电流值位于预设区间内，则执行步骤四，若电流值不在预设区间内，则执行步骤五；

步骤四：确定该电流值所在的预设区间，将转换电压VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压；

步骤五：转换电压VBUS经过导线后为符合受电设备需求的线后输出电压 Vo，线后输出电压Vo输出至TYPE C接口。

如图3所示，DC-DC转换芯片31内的寄存器预设有与设备需求电压对应的多个电流区间，和与多个电流区间对应的最优输出电压值，PWM控制单元311 控制功率开关管K1将转换电压VBUS的电压转换为最优输出电压值。

如图3所示，在步骤二中，转换电压VBUS的值为受电设备的需求电压的电压值，在步骤四中，转换电压VBUS值不高于需求电压值的105％；

本实施例以常规90W功率的PD充电器为例，具体参见图6，标准设计值为5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/4.5A，假定Type C线的线损为0.1V/A，那么当输出电流0-1A时，导线会产生0-0.1V的压降，对于输出电压影响较小，因此不需要调整转换电压VBUS；当输出电流1-2A时，导线会产生0.1-0.2V 的压降，需要提高将转换电压VBUS值提高2％-3％；当输出电流2-3A时，导线会产生0.2-0.3V的压降，需要提高将转换电压VBUS值提高3％-5％；当输出电流为3A以上时，将转换电压VBUS值提高5％。

本发明还提供了的自动补偿线损的PD充电电路的另一较佳实施例，如图 4-5所示，本实施例与上一实施例有相同之处，不同之处在于，开关电路包括第一MOS管U48、第二MOS管U49、第三MOS管U50和第四MOS管U51，第一 MOS管U48、第二MOS管U49、第三MOS管U50和第四MOS管U51的栅极分别与DC-DC转换芯片的HD1、HD2、LD1和LD2引脚连接，第一MOS管U48的漏极与电源连接，源极与第三MOS管U50的漏极连接，第三MOS管U50的源极与第四MOS管U51的源极连接，第四MOS管U51的漏极与第二MOS管U49的源极连接，第二MOS管U49的漏极与采样电阻的正输入端连接；电感两端分别连接 SW1引脚和SW2引脚；DC-DC转换芯片通过I2C通讯向PD协议芯片输出控制信号，具体的，DC-DC转换芯片的SCL端、SDL端分别与PD协议芯片的SCL 端、SDL端连接。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动补偿线损的充电装置，其特征在于，包括Type C接口(1)、PD协议芯片(2)和PD电源转换模块(3)；所述Type C接口(1)的电压输入端与PD电源转换模块(3)的电压输出端连接，PD电源转换模块(3)的电压输入端与外部电源连接，PD电源转换模块(3)的控制信号输入端与PD协议芯片(2)的控制信号输出端连接，PD协议芯片(2)的CC信号连接端与TypeC接口(1)的CC信号连接端连接；所述充电装置通过Type C接口(1)连接待充电设备，其中：

所述PD协议芯片(2)，用于确定受电设备的需求电压，并控制PD电源转换模块(3)将输入电压Vin转换成受电设备的需求电压；

所述PD电源转换模块(3)，用于对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波后输出转换电压VBUS，还用于采样输出电流通路的电流，根据采样电流动态调整转换电压VBUS，使线后输出电压Vo达到受电设备的需求电压值；

所述TYPE C接口，用于将转换电压VBUS经过导线后形成的线后输出电压Vo提供给受电设备。

2.根据权利要求1所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，所述电压转换模块包括DC-DC转换芯片(31)、开关电路(32)、滤波电路(33)和采样电阻R1，所述开关电路(32)的输入端连接电源，输出端连接滤波电路(33)的输入端，控制端与所述DC-DC转换芯片(31)连接，所述滤波电路(33)的输出端连接采样电阻R1的正输入端，所述采样电阻R1负输入端连接Type C接口(1)。

3.根据权利要求2所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，所述DC-DC转换芯片(31)内设有PWM控制单元(311)、驱动单元(32)和电流检测放大单元(33)，所述PWM控制单元(311)和电流检测放大单元(33)连接，所述采样电阻R1两端均与所述电流检测放大单元(33)连接，所述开关电路(32)包括功率开关管K1。

4.根据权利要求2所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，所述滤波电路(33)包括电感L、第一电容C1和第二电容C2，所述电感、所述第一电容C1和所述第二电容C2三者的一端均与所述采样电阻R1正输入端连接，采样电阻R1的负输入端与所述Type C接口(1)连接，所述电感的另一端连接所述三极管的发射极，所述第一电容C1和所述第二电容C2的另一端均接地。

5.根据权利要求3所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，所述功率开关管K1为PMOS管或NMOS管，所述功率开关管K1的栅极与所述PWM控制单元(311)连接，源极与电源连接，漏极与所述滤波电路(33)连接。

6.根据权利要求3所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，PWM控制单元(311)输出开关驱动信号，所述开关驱动信号输入驱动单元(32)，驱动单元(32)的输出端连接功率开关管K1的控制端，驱动单元(32)根据PWM控制模块输出的开关驱动信号，控制功率开关管K1的开通和截止。

7.根据权利要求2所述的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，所述开关电路(32)包括第一MOS管U48、第二MOS管U49、第三MOS管U50和第四MOS管U51。

8.一种自动补偿线损的PD充电方法，基于权利要求1-7所示的自动补偿线损的PD充电电路，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：所述PD协议芯片(2)检测到TYPE C接口(1)与受电设备连接，则与受电设备进行标准的PD协议通讯，识别受电设备的电压需求；

步骤二：所述PD协议芯片(2)将控制信号输入DC-DC转换芯片(31)，DC-DC转换芯片(31)根据控制信号对输入电压Vin进行电压转换，经过滤波电路(33)滤波后输出转换电压VBUS；

步骤三：所述DC-DC转换芯片(31)通过电流检测放大单元(33)实时检测输出电流Io的电流值，确定该电流值是否在预设区间内，若电流值位于预设区间内，则执行步骤四，若电流值不在预设区间内，则执行步骤五；

步骤四：确定该电流值所在的预设区间，将转换电压VBUS的电压调整为对应该电流预设区间的电压；

步骤五：所述转换电压VBUS经过导线后为符合受电设备需求的线后输出电压Vo，线后输出电压Vo输出至TYPE C接口。

9.根据权利要求8所述的自动补偿线损的PD充电方法，其特征在于，所述DC-DC转换芯片(31)内的寄存器预设有与设备需求电压对应的多个电流区间，和与多个电流区间对应的最优输出电压值，所述PWM控制单元(311)控制功率开关管K1将转换电压VBUS的电压转换为最优输出电压值。

10.根据权利要求8所述的自动补偿线损的PD充电方法，其特征在于，在步骤二中，转换电压VBUS的值为受电设备的需求电压的电压值，在步骤四中，转换电压VBUS值不高于需求电压值的105％。

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