CN211296557U - 一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种结构简单、发热量低的Type‑C大功率小纹波输出任意可调充电装置。本实用新型包括AC‑DC电源（1）、功率因数校正电路（2）、PD控制器（3）及Type‑C接口（4），AC‑DC电源、功率因数校正电路、PD控制器及Type‑C接口依次连接，在功率因数校正电路和PD控制器之间还设置有低压差线性稳压电路（5），低压差线性稳压电路包含有DAC，功率因数校正电路设置有数字控制电阻（RDAC），DAC对功率因数校正电路输出的电压进行纹波调节，控制输出到PD控制器的纹波水平，数字控制电阻及DAC对低压差线性稳压电路的电压输出进行调节，输出任意电压值到PD控制器。本实用新型用于充电领域。

Description

一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置

技术领域

本实用新型涉及充电领域，尤其涉及一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置。

背景技术

USB Type-C具有我们常见的普通USB-A接口不具有的新特性，例如：支持正反***，支持更强的电力传输（最大功率100W），更快的传输速度（最高10Gbps）等。这也是越来越多的Android手机、Apple的Macbook等开始使用Type-C接口的原因。而基于USB-PD快充协议，使用USB Type-C作为输出接口最为重要的就是最大功率100W这个特性。虽说USB3.1下的USB-A也可以做到大功率输出，但尺寸却过大。因此，Type-C接口就成为符合时代主流、使当今电子设备越发轻薄这一要求的不二之选。

但是，现有的100W PD TYPE-C充电技术还存在如下缺点：1、发热严重，100W充电30分钟，发热温度高达80摄氏度；2、纹波大，100W 5A充电，输出电压源纹波高达100mV；3、输出电压只有5V,9V,12V和20V四种可调电压，可选范围极少。鉴于此，设计一种小纹波、输出电压任意可调且损耗低的基于Type-C接口的充电装置显得尤为必要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种结构简单、发热量低的Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置。

本实用新型所采用的技术方案是：它包括AC-DC电源、功率因数校正电路、PD控制器及Type-C接口，所述AC-DC电源、所述功率因数校正电路、所述PD控制器及所述Type-C接口依次连接，在所述功率因数校正电路和所述PD控制器之间还设置有低压差线性稳压电路，所述低压差线性稳压电路包含有DAC，所述功率因数校正电路设置有数字控制电阻，所述DAC对所述功率因数校正电路输出的电压进行纹波调节，控制输出到所述PD控制器的纹波水平，同时所述数字控制电阻及所述DAC对所述低压差线性稳压电路的电压输出进行调节，输出任意电压值到所述PD控制器。

上述方案可见，AC-DC电源将交流转为直流后输出高电压到所述功率因数校正电路，所述功率因数校正电路实现将高电压转换为低电压输出给所述低压差线性稳压电路，且通过数字控制电阻控制功率因数校正电路的电压输出以及通过DAC来控制低压差线性稳压电路的电压输出，保持功率因数校正电路输出的电压值与低压差线性稳压电路输出的电压值的差值在较低的水平，从而降低功率因数校正电路的损耗，使得整个充电装置的发热量大大地降低，保证Type-C接口端保持大功率输出，从而保证Type-C最大功率100W的特性；在低压差线性稳压电路中设置DAC来对输出到PD控制器端的纹波进行控制，由功率因数校正电路输出到低压差线性稳压电路的大纹波低压，经过所述DAC的纹波控制，输出小纹波低压到PD控制器，保证了Type-C接口端的小纹波低压输出；所述PD控制器通过Type-C接口接收来自被充设备发送来的充电命令信号，充电装置接受命令并解析后，调整功率因数校正电路的电压输出和低压差线性稳压电路的电压输出，保证对被充设备提供不同的充电电压5V,9V,15V和20V, 电流从0A到5A, 充电功率达到100W，实现Type-C大功率小纹波任意电压和电流输出；另外，本实用新型电路简单，成本低。

进一步地，所述低压差线性稳压电路还包括MOS开关管、由电阻和电容组成的滤波电路、运算放大器、第三分压电阻及第四分压电阻，所述MOS开关管的漏极与所述功率因数校正电路的输出相连接，所述MOS开关管的源极向所述PD控制器输出，所述MOS开关管的栅极分别连接滤波电路的电阻端及所述运算放大器的比较输出端，所述DAC的输入端分别与所述滤波电路的电容端及所述运算放大器的负输入极连接，所述DAC的输出端与所述PD控制器连接，所述第三分压电阻的一端与所述MOS开关管的源极连接，另一端与所述运算放大器的正输入极及所述第四分压电阻连接，所述第四分压电阻的另一端接地，所述DAC的输出端还与所述数字控制电阻相连接。

上述方案可见，MOS开关管起到开关的作用，运算放大器用于比较整个低压差线性稳压电路的输出电压值与输入电压值的大小，进而通过DAC来调节输出电压值，以保证整个低压差线性稳压电路输出的纹波维持在低水平；通过DAC和数字控制电阻来调节功率因数校正电路的输出，保证实现PD控制器输出任意可调的电压的同时，保证低压差线性稳压电路的转换效率, 保证充电装置的散热最小；保证低压差线性稳压电路的低转换损耗。

再进一步地，所述功率因数校正电路还包括PWM控制器、变压器、光耦、电压基准芯片、场效应管及第二分压电阻，所述数字控制电阻RDAC的两端接入所述电压基准芯片，其中一端还接地，另一端还串接所述第二电阻，所述场效应管的栅极与所述PWM控制器连接，漏极与所述变压器初级相连接。。由此可见，所述功率因数校正电路的输出电压VIN_LDO=1.24V*(1+R2/RDAC),1.24V的参考电压由电压基准芯片TR0的特性所决定，当功率因数校正电路的输出的电压VIN_LDO高于设定的电压6V时（如输出VOUT_LDO=5V,VIN_LDO=6V）, 电压基准芯片VFB0的电压高于1.24V的参考电压，电压基准芯片TR0会导通，LED0的阴极被拉到低电位接近地，LED0被导通发光，NPN0被触发引起功率因数校正电路对输出的电压VIN_LDO进行调整，最终VIN_LDO会被稳定在所设计的电压。

附图说明

图1是本实用新型的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括AC-DC电源1、功率因数校正电路2、PD控制器3及Type-C接口4。所述AC-DC电源1、所述功率因数校正电路2、所述PD控制器3及所述Type-C接口4依次连接。所述AC-DC电源1将100～240V的交流电转换为390V的直流电输出给所述功率因数校正电路2。在所述功率因数校正电路2和所述PD控制器3之间还设置有低压差线性稳压电路5，所述低压差线性稳压电路5包含有DAC，所述功率因数校正电路2设置有数字控制电阻RDAC，所述DAC对所述功率因数校正电路2输出的电压进行纹波调节，控制输出到所述PD控制器3的纹波水平，同时所述数字控制电阻RDAC及所述DAC对所述低压差线性稳压电路5的电压输出进行调节，输出任意电压值到所述PD控制器3。所述低压差线性稳压电路5还包括MOS开关管P0、由电阻R1和电容C1组成的滤波电路、运算放大器OP、第三分压电阻R3及第四分压电阻R4，所述MOS开关管P0的漏极与所述功率因数校正电路2的输出相连接，所述MOS开关管P0的源极向所述PD控制器3输出，所述MOS开关管P0的栅极分别连接滤波电路的电阻端及所述运算放大器OP的比较输出端，所述DAC的输入端分别与所述滤波电路的电容端及所述运算放大器OP的负输入极连接，所述DAC的输出端与所述PD控制器3连接，所述第三分压电阻R3的一端与所述MOS开关管P0的源极连接，另一端与所述运算放大器OP的正输入极及所述第四分压电阻R4连接，所述第四分压电阻R4的另一端接地，所述DAC的输出端还与所述数字控制电阻RDAC相连接。

所述功率因数校正电路2还包括PWM控制器PFC、变压器MC1、光耦NPNO-LEDO、电压基准芯片TRO、场效应管M0及第二分压电阻R2，所述数字控制电阻RDAC的两端接入所述电压基准芯片TR0，其中一端还接地，另一端还串接所述第二电阻R2，所述场效应管M0的栅极与所述PWM控制器PFC连接，漏极与所述变压器MC1初级相连接。

本实施例中，AC-DC电源1实现交流到直流的转变，输入是100V～240V交流电，频率是50Hz～60Hz, 输出是接近DC的高电压390V。功率因数校正电路实现高效率的功率因数转变，输入的高压为390V, 输出低压VIN_LDO至功率因数校正电路，其中的PWM控制器PFC提高高压到低压的转换效率到90%，但低压VIN_LDO的纹波根据电流的负载，在5A输出的时候，峰峰值高达300mV，故需要通过低压差线性稳压电路5减小纹波。低压差线性稳压电路5实现低纹波的稳压输出，输入是低压大纹波的VIN_LDO, 输出低压小纹波VOUT_LDO。VOUT_LDO的纹波,被DAC的输出纹波决定，根据电流的负载，在5A输出的时候，峰峰值都小于20mV，从而实现小纹波输出。为了保证低压差线性稳压电路5的转换效率, 低压差线性稳压电路5的输入电压和输出电压之差应小于1V, 这样在负载最大5A的情况下，低压差线性稳压电路的损耗功率小于5W。具体地，根据VBUS的需求：

当VBUS=5V时， VOUT_LDO=5V, VIN_LDO=6V；

当VBUS=9V时， VOUT_LDO=9V, VIN_LDO=10V；

当VBUS=15V时， VOUT_LDO=15V, VIN_LDO=16V；

当VBUS=20V时， VOUT_LDO=20V, VIN_LDO=21V。

在本实施例中，所述功率因数校正电路的输出电压VIN_LDO= 1.24V*(1+R2/RDAC),1.24V的参考电压由电压基准芯片TR0的特性所决定，当功率因数校正电路的输出的电压VIN_LDO高于设定的电压6V时（如输出VOUT_LDO=5V,VIN_LDO=6V）, 电压基准芯片VFB0的电压高于1.24V的参考电压，电压基准芯片TR0会导通，LED0的阴极被拉到低电位接近地，LED0被导通发光，NPN0被触发引起功率因数校正电路对输出的电压VIN_LDO进行调整，最终VIN_LDO会被稳定在所设计的电压。

PD控制器3及Type-C接口4实现PD协议，被充设备通过Type-C的接口，发送不同的充电命令到充电装置，充电装置接受命令并解析后，调整VIN_LDO和VOUT_LDO，保证对被充电器提供不同的充电电压5V,9V,15V和20V, 电流从0A到5A, 充电功率高达100W。

本实用新型中，涉及到的器件的型号如下：

AC-DC电源：2KBP06M-E4/51；PWM控制器PFC：STCH03TR；场效应管M0：STF7N80K5；光耦NPNO-LEDO：SFH617A-2；电压基准芯片TR0：TS3431；MOS开关管P0：IRFP9140NPBF；运算放大器OP：OPA192IDBVR；DAC：AD5683RACPZ-RL7；数字控制电阻RDAC：AD5246。

本实用新型发热均匀，100W充电30分钟，温度最高达50摄氏度。小纹波，100W5A充电，输出电压源纹波<20mV。输出电压范围为5V～20V, 任意可调。

Claims (3)

1.一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置，包括AC-DC电源（1）、功率因数校正电路（2）、PD控制器（3）及Type-C接口（4），所述AC-DC电源（1）、所述功率因数校正电路（2）、所述PD控制器（3）及所述Type-C接口（4）依次连接，其特征在于：在所述功率因数校正电路（2）和所述PD控制器（3）之间还设置有低压差线性稳压电路（5），所述低压差线性稳压电路（5）包含有DAC，所述功率因数校正电路（2）设置有数字控制电阻（RDAC），所述DAC对所述功率因数校正电路（2）输出的电压进行纹波调节，控制输出到所述PD控制器（3）的纹波水平，同时所述数字控制电阻（RDAC）及所述DAC对所述低压差线性稳压电路（5）的电压输出进行调节，输出任意电压值到所述PD控制器（3）。

2.根据权利要求1所述的一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置，其特征在于：所述低压差线性稳压电路（5）还包括MOS开关管（P0）、由电阻（R1）和电容（C1）组成的滤波电路、运算放大器（OP）、第三分压电阻（R3）及第四分压电阻（R4），所述MOS开关管（P0）的漏极与所述功率因数校正电路（2）的输出相连接，所述MOS开关管（P0）的源极向所述PD控制器（3）输出，所述MOS开关管（P0）的栅极分别连接滤波电路的电阻端及所述运算放大器（OP）的比较输出端，所述DAC的输入端分别与所述滤波电路的电容端及所述运算放大器（OP）的负输入极连接，所述DAC的输出端与所述PD控制器（3）连接，所述第三分压电阻（R3）的一端与所述MOS开关管（P0）的源极连接，另一端与所述运算放大器（OP）的正输入极及所述第四分压电阻（R4）连接，所述第四分压电阻（R4）的另一端接地，所述DAC的输出端还与所述数字控制电阻（RDAC）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种Type-C大功率小纹波输出任意可调充电装置，其特征在于：所述功率因数校正电路（2）还包括PWM控制器（PFC）、变压器（MC1）、光耦（NPNO-LEDO）、电压基准芯片（TR0）、场效应管（M0）及第二分压电阻（R2），所述数字控制电阻（RDAC）的两端接入所述电压基准芯片（TR0），其中一端还接地，另一端还串接所述第二分压电阻（R2），所述场效应管（M0）的栅极与所述PWM控制器（PFC）连接，漏极与所述变压器（MC1）初级相连接。

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