开关电源、控制芯片及为充电电缆进行电压补偿的方法
【专利摘要】本申请公开了一种开关电源、控制芯片及电缆压降补偿的方法，所述开关电源包括：变压器，具有与外部输入电压耦合的原边绕组，向开关电源负载提供一输出电压的副边绕组，以及一辅助绕组；分压器，与所述辅助绕组连接，提供一表征开关电源输出电压的反馈信号，所述分压电路具有连接于反馈节点的第一和第二反馈电阻；功率开关，与所述原边绕组耦合；控制器，与所述功率开关耦合，所述控制器用于控制输出电压随补偿电阻的阻值增加。通过改变所述随补偿电阻可以对充电电缆进行电压补偿。结果，可以避免控制器集成电路高成本的重复工作，相同的控制器集成电路可以校准不同的充电电缆。另外，在本发明的实施例中，不需要增加额外的引脚。
【专利说明】开关电源、控制芯片及为充电电缆进行电压补偿的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的领域为开关电源(SMPS)。更具体地说，本发明的实施例涉及开关电源用作电池充电器，可以适用于补偿不同充电电缆的电压。
【背景技术】
[0002]开关电源产品因其体积小，重量轻，高功率转换效率的特点，已经被广泛应用。例如，该产品应用于工业自动化与控制，军事设备，科研设备，LED照明，工业设备，通讯设备，机电设备，仪器仪表，医疗设备，半导体制冷和加热，空气净化器，电冰箱，液晶显示屏，视听产品，安全，计算机机箱，数码产品，设备以及其他领域。
[0003]开关电源(SMPS)通常包含了 一个变压器，此变压器的初级绕组耦合输入电压和次级绕组来输出。在开关电源的充电器应用中，输出能够通过不同的方法达到CV (恒压)/CC(恒流)的特点。举例来说，在次边调整方案(SSR)中，在次边中的传感信号作为反馈信号传输给控制器。在原边调整方案(PSR)中，在原边中的辅助绕组的传感信号提供给控制器。在任何一种情况下，输出基于脉冲宽度调整或者脉冲频率调整，通过控制器保持在电源输出终端。
[0004]开关电源作为电池充电器被配置为类似于手提电脑，手机和数码相机等电子设备的充电电池。电池通常通过充电电缆连接电池充电器。电缆上的电压降随着负载的变化而变化。举例来说，在重载下的充电电缆电压降大于低载下的充电电缆电压，导致装置中接收到的电压的变化。因此，充电电缆上的电压降需要进行补偿。
[0005]在传统的补偿方法中，电缆电压补偿通过增加一电压来实现，该电压与负载电流，恒压参考电压成正比，在输出电缆终端得到恒压。一些可调的补偿方法需要控制集成电路增加额外的引脚来实现。所以，根据以上所解释的，补偿充电电缆电压降的传统方法有很多弊端。因此，改进充电电缆补偿的方法是可取的。
【发明内容】
[0006]本发明涉及的领域为开关电源(SMPS)。更具体地说，本发明的实施例涉及开关电源用作电池充电器，可以适用于补偿不同充电电缆的电压。如上所述，补偿充电电路电压的传统方法有很多弊端。例如，传统的补偿方法增加了补偿电压到参考电压，此方法是不可取的，因为它需要额外的电子元件，是浪费成本效益的。额外的补偿电路可能需要很多控制器集成电路的版本用来校准充电电缆。进一步来说，补偿通过电路是固定，不同的充电电缆不能提供不同的补偿。本发明的实施例中，通过改变外部电阻器和/或控制器集成电路来调节补偿。结果，可以避免控制器集成电路高成本的重复工作，相同的控制器集成电路可以校准不同的充电电缆。一些传统的方法能够提供可调节补偿，但是需要添加额外的引脚到控制器集成电路，增加了设计的复杂度和系统成本。在本发明的实施例中，不需要额外的引脚，因为调节电阻器可以连接到附有标准包装现有引脚的控制器集成电路。在具体的实施例中，电阻是标准电源电路的一部分，用于调节电阻器，不再需要额外的调节电阻，进一步降低了系统的复杂性和成本。
[0007]本发明的实施例提供了电路和关于充电电缆电压在整个负载范围补偿的方法。此夕卜，电缆补偿是可以调节的，用以满足应用性能，诸如不同的输出电流，不同的输出电压和不同的充电电缆电阻之类。就像实例中所述，在初级端调节系统中使用闭环恒压调节器。因此，该发明也可应用于其他控制器。
[0008]根据本发明的实施例，电池充电控制器介绍了反馈控制环路中电源的输出电压随输出电流来补偿充电电缆电压降。在一些实施例中，输出电压的一部分与补偿电阻器的电阻成正比，在控制集成电路的外部。因此，电缆电压降补偿很容易适用于电阻器。在实施例中，在控制集成电路外部的可调电阻器可能是连接在电压反馈引脚中的一个反馈电阻，并且不需要额外的组件。在其他的一些实施例中，可调电阻是在反馈电阻和电压反馈引脚之间的电阻。在另外的一些实施例中，可调电阻是一个与补偿电容器并行工作的电阻。在本发明的实施例中，补偿电阻的可调电阻能够改变电压降补偿，允许电源满足不同充电电缆程序的需求。
[0009]根据本发明的其他实施例，开关电源包括一个变压器，此变压器附有一个与外部输入电压耦合的初级绕组，一个供给电源输出电压负载的次级绕组和一个辅助绕组。电压分频器与辅助绕组耦合，提供电源输出电压的反馈信号代表，电压分频器具有第一和第二反馈电阻，在反馈节点连接。开关电源包括一个与电源初级绕组相耦合的开关，还有一个与电源开关相耦合的控制器。此控制器包含一个第一终端，此终端与用于接收反馈信号的反馈节点相耦合；电流源与第一终端耦合。电流源所供给的补偿电流与电源的输出电流成正t匕。电源的输出电压控制器还包括一个控制信号产生电路生成控制电源开关的控制信号，在第一终端电压和参考电压比较的基础上，使得电源的输出电压随着输出电流的增加而增力口。另外，控制器被配置为输出电压的一部分随着补偿电阻器电阻的增加而增加。
[0010]根据本发明的其他的实施例。关于补偿在充电电池上的充电电缆的电压降方法，包括提供电池充电器，用来连接通过充电电缆的电池，其特征是电缆电阻。电池充电器包括控制器集成电路和外部补偿电阻器。控制器集成电路有一个第一端子，此端子用于接收电源输出电压的反馈信号代表，电源与控制器第一终端相I禹合，供给补偿电流，与电源输出电流成正比，在第一终端电压与参考电压比较的基础上，控制信号生成电路产生控制信号。控制集成电路还包括一个二级终端，提供电源开关的控制信号来调节电源的输出电压，输出电压的一部分与输出电流量和在控制集成电路外部的补偿电阻成正比。该方法确定外部补偿电阻器的电阻，在充电电缆相关信息的基础上接收到持续的充电电压。
[0011]为了更进一步地理解本发明的性质和优点，可以通过参考以下的技术参数和图示来实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
[0013]图1为根据本申请实施例中电源开关的简单示意图，用于说明开关充电系统；[0014]图2为根据本申请实施例中电源开关控制器的示意图，用于说明开关电源；
[0015]图3为根据本申请实施例中用于说明控制器的一部分与充电电缆补偿有关联的示意图；
[0016]图4为根据本申请实施例中一个用于说明在图3电子回路中选择定时参数的波形图；
[0017]图5为根据本申请实施例中用于说明电压控制电流源的简单示意图；
[0018]图6为根据本申请实施例中用于说明伴随着充电电缆补偿，定时信号在电池充电器中的波形图；
[0019]图7为根据本申请实施例中电池充电系统包括充电电缆补偿的简单示意图；
[0020]图8为一个示意图，用于说明控制器的一部分与在图7中电池充电系统中的充电电缆补偿有关联；
[0021]图9为一个电池充电系统包括充电电缆补偿的简单示意图；
[0022]图10为一个简单示意图，用于说明控制器一部分与图9中电池充电系统中的充电电缆补偿有关联。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0024]本发明的实施例提供了补偿方法，此方法用于补偿充电电缆的电流电阻电压降实现精确控制电缆终端输出的电压。通过改变控制器集成电路外部的电阻器的电阻，能够为不同的充电电缆进行电压补偿。
[0025]根据本发明的实施例，图1是电池充电系统的简单示意图。电池充电系统包括一个原边控制器200，一个电池122，充电电缆131和132，其中电池122连接到开关电源100中。根据图1所示，开关电源100输出终端的输出电压是Vo，电池122的终端电压为Vo_cable。
[0026]开关电源100包括变压器102，其中初级绕组141用于耦合输入电压Vin和次级绕组142，通过整流二极管120和电容器119，提供输出电压V0.变压器102的辅助绕组143产生电源输出反馈信号Vfb。在图1中，Vs指示次级绕组电压，Va指示辅助绕组电压。Ns为次级绕组中的线圈匝数，Na为辅助绕组中的线圈匝数。
[0027]电源100包括电源开关101，此开关与初级绕组141耦合，还包括控制器200，此控制器用于接收电源开关101的控制信号，用于控制通过初级绕组141的初级电流，从而调节输出电压Vo。在图1中，电源开关101如三级电源晶体管所示。在其他的实施例中，电源开关101还可以为MOSFET或者其他的电源开关类型。在图1中的实施例中，控制器200是有一些终端的信号集成电路的终端，比如，VCC，GND, FB, CS, DRIVE,和CPC。控制器200从电容器106的VCC终端接收它的运行能量。在启动期间，电容器106通过电阻器107和108由输入电压Vin所产生的电流充电。在正常的运行中，电容器106通过电阻器104和二极管105的辅助绕组143所产生的电流充电。终端FB从辅助绕组123通过一由电阻器117和118所形成的分压电路130接收反馈信号Vfb，该反馈信号是通过电阻器117和118 (Rfbl和Rfb2)所形成的分压器130，终端CS通过一电流检测电阻116 (Rcs)接收一代表原边电流的电流检测电压信号。控制器200被定义为基于FB和CS端提供的信息提供一控制信号在DRIVE端去控制功率开关101。CPC端与一补偿电容Ccpc连接，提供一电压Vcpc。
[0028]在电池充电系统中，充电电缆的电阻产生的压降是电源的输出电压Vo和电缆产生的输出电压Vo_cable电压差,此电缆产生的电压Vo_cable是电池的输入电压。如果控制器保持恒定Vo，那么电压Vo_cable将等于Vo减去充电电缆上的电压降。让电源的输出电流为Ιο，代表电源的负载电流。电压降与1乘以充电电缆的电阻成正比。为了补偿充电电缆的电压降超过负载电流范围，Vo被控制，这样No随着负载电流1的增加而增加，从而使Vo_cable保持在恒定状态中。本发明的实施例提供了补偿充电电缆电压降的电路和方法，能够调节不同的电压和负载条件。在一些实施例中，通过挑选控制器集成电路外部的电阻器的电压来调节。另外，不需要控制器集成电路添加额外的专用引脚连接到可调节电压器。
[0029]根据本发明的实施例，图2是关于开关电源的简单示意图。如图2所示，控制器200包含了脉冲频率控制PFM电路，此电路表现出了脉冲频率调整PFM控制功能，但是，容易理解的是该电路也同样适合脉冲宽度调整FWM控制功能。在图2中，控制器200还包含了用于接收反馈信号Vfb的终端FB。控制器200还包含控制信号产生电路，此配置产生DRIVE终端的控制信号以控制电源开关的打开与关闭时间。在图2中，反馈信号电压信号Vfb与参考电压比较通过误差放大器EA来体现。反馈信号Vfb和CS终端的电流传感信号Vcs通过控制器打开和关闭开关来控制初级绕组中的电流和调节恒压控制模块中的输出电压Vo得以应用。为了对原电流源做出响应，次级电流产生于次级绕组中。在以下的描述中，次级电流的打开时间被指定为Tons，次级电流的关闭时间被指定为Toffs。如图2所示，在恒流调整中,通过对控制器中的电容器充电和放电,恒流环路控制功能在次边Tons和Toffs之间保持固定的比例。根据具体的应用，控制器200还包含了被挑选出来作为设计参数的参考电压V1-V5。
[0030]如图2所示，控制器200包含了电流源Icmp，此电流源在FB终端和地GND之间耦合。电源配置供给与电源的输出电流1成正比的补偿电流Icmp。本发明的实施例中，补偿电流Icmp添加到反馈终端来改变控制信号，使电源Vo的输出电压随着输出电流1的增加而增加。更多的细节参考图3中所述。
[0031]根据本发明的实施例，图3是用于说明控制器的一部分与充电电缆补偿有关联的示意图。根据图3所示，当电压信号Vfb通过包括了电阻Rfbl和Rfb2的反馈电压分配模块，辅助绕组电压Va通过控制器集成电路的FB引脚被检测出，Vfb和参考电压Vref耦合到误差放大器EA，计算出误差电压Vea，显示了 Vfb和Vref之间的区别。
[0032]根据图3所示，为了提供充电电缆电压降的补偿，补偿电流Icmp嵌入到在FB终端和地GND之间的控制器200中。在本发明的实施例中，Icmp通过与输出电流1成正比的电压Vcpc的电压控制电流源获得。结果，如以上所述，Icmp与1成正比。
[0033]在开关电源中，输出电流1是通过次边二极管Vd电流的平均值。如果次边二级管的峰值是ipks，次边二极管的开关时间是Tons，开关周期是Tsw，那么，
【权利要求】
1.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括: 变压器，具有与外部输入电压耦合的原边绕组，向开关电源负载提供一输出电压的副边绕组，以及一辅助绕组； 分压器，与所述辅助绕组连接，提供一表征开关电源输出电压的反馈信号，所述分压电路具有连接于反馈节点的第一和第二反馈电阻； 功率开关，与所述原边绕组耦合； 控制器，与所述功率开关耦合，所述控制器包括:与所述反馈节点耦合并接收反馈信号的第一端子；与所述第一端子耦合的电流源，所述电流源被定义为提供一与开关电源输出电流成比例的补偿电流；控制所述功率开关的控制信号产生电路，至少依靠比较所述第一端子的电压与参考电压，以使所述开关电源的输出电压随输出电流增加； 其中，所述控制器用于控制输出电压的一部分随补偿电阻的阻值增加。
2.根据权利要求1 所述的开关电源，其特征在于，所述补偿电阻表现为这样的阻值:在开关电源通过充电电缆为电池充电时，开关电源的输出电压用于补偿充电电缆上的压降。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述第一反馈电阻是补偿电阻。
4.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述补偿电阻耦合于所述反馈节点与所述控制器的第一端子之间。
5.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述电流源包括: 电压控制电流源，被定义为产生补偿电流，所述补偿电流依靠在副边电流导通时间内为一补偿电容充电所决定的电压产生补偿电流。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述补偿电阻与所述补偿电容并联。
7.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述副边电流导通时间取决于一低通滤波器。
8.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述副边电流导通时间取决于一数字电路。
9.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制信号产生电路包括一脉冲频率控制PFM电路。
10.一种开关电源的控制芯片，其特征在于，包括: 接收表征开关输出电压的反馈信号的第一端子； 与所述第一端子耦合的电流源，所述电流源被定义为提供一与开关电源输出电流成比例的补偿电流； 控制信号产生电路，至少依靠比较所述第一端子的电压与参考电压来控制所述功率开关；以及 第二端子，提供控制信号给功率开关以调节开关电源的输出电压，使得输出电压的一部分与输出电流和一芯片外的补偿电阻的乘积成比例。
11.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，所述电流源耦合于第一端子与芯片地之间。
12.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，所述补偿电阻耦合于所述控制芯片的第一端子。
13.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，所述电流源包括:电压控制电流源，被定义为产生补偿电流，所述补偿电流依靠在副边电流导通时间内为一补偿电容充电所决定的电压产生补偿电流。
14.根据权利要求13所述的控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括耦合有电容的第三端子。
15.根据权利要求14所述的控制芯片，其特征在于，所述补偿电阻耦合于所述第三端子。
16.一种补偿为电池充电在充电电缆上产生的压降的方法，其特征在于，该方法包括: 提供通过充电电缆连接的电池充电器，所述充电电缆被描述为一电缆阻值，所述电池充电器包括一控制芯片和一外部补偿电阻，所述控制芯片包括:接收表征开关输出电压的反馈信号的第一端子；与所述第一端子耦合的电流源，所述电流源被定义为提供一与开关电源输出电流成比例的补偿电流；控制信号产生电路，至少依靠比较所述第一端子的电压与参考电压来控制所述功率开关；以及第二端子，提供控制信号给功率开关以调节开关电源的输出电压，使得输出电压的一部分与输出电流和一芯片外的补偿电阻的乘积成比例；其中，所述方法还包括依靠关于充电电缆的信息决定外部补偿电阻的阻值，使得电池接收一恒定的充电电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电池充电器还包括: 变压器，具有与外部输入电压耦合的原边绕组，向开关电源负载提供一输出电压的副边绕组，以及一辅助绕组； 分压器，与所述辅助绕组连接，提供一表征开关电源输出电压的反馈信号，所述分压电路具有连接于反馈节点的第一和第二反馈电阻； 功率开关，与所述原边绕组耦合。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反馈节点耦合于所述控制器的第一端子，所述第一反馈电阻是补偿电阻。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反馈节点通过补偿电阻耦合于所述控制器的第一端子。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述控制芯片还包括一补偿端子，与外部补偿电容和补偿电阻耦合。
【文档编号】H02J7/00GK103780096SQ201410035354
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】赵晶晶, 宿清华, 汪虎 申请人:上海新进半导体制造有限公司