开关电源系统及其功率传输协议芯片的制作方法

1.本实用新型涉及电路领域，更具体地，涉及一种开关电源系统及其功率传输协议芯片。


背景技术：

2.随着手机、平板电脑等移动设备的功能越来越多，不同厂商都内置了大容量的电池来增加续航能力，但是电池容量的增大会导致手机等移动设备充电时间的增多，用户体验下降，因此急需对充电方式进行新的研究。
3.手机、平板电脑等移动设备都是通过通用串行总线(usb)进行充电，但是usb有最大电流的物理上限，不同的厂商为了提高充电功率，只能采用将输出电压从传统的5v供电切换到9v、12v、甚至20v或其他特定电压供电，以实现其电池的快速充电。虽然都是对移动设备进行快速充电，但原理不尽相同，各个便携式电源适配器并不通用。
4.为了规范充电标准，usb标准化组织(usb-if)发布了usb pd3.0(power delivery 3.0)的重要更新，正式推出旨在统一快速充电技术规范的pps(programmable power supply)，将便携式适配器的电力输出能力从默认的10w提高到了100w(20v/5a)，容许对总线电压和电流进行精确调节，也容许对含有大型电池的笔记本电脑等设备进行充电。
5.当便携式电源适配器采用pd协议对被充电设备进行充电时，由于便携式电源适配器的输出电压不是传统的5v输出，为了保证被充电设备的安全可靠，需要在便携式电源适配器的输出电压总线(vbus)上增加一个用于接通/关断vbus的mosfet开关，同时vbus线上也增加一个电流的检测电阻，其主要作用是对输出电流进行恒流或过流控制，只有便携式电源适配器和被充电设备二者都满足pd协议的要求时才使输出mosfet导通，便携式电源适配器才能为被充电设备充电。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述的问题，本实用新型提供了一种新颖的降压调光驱动电路。
7.根据本实用新型实施例的一方面，提供了一种用于开关电源系统的功率传输协议芯片，包括：电流检测引脚，用于连接开关电源系统中的输出电流检测电阻；输出电压总线引脚，用于从开关电源系统的输出电压总线接收开关电源系统的输出电压；输出电压导出引脚，用于将开关电源系统的输出电压提供给被充电设备；以及输出开关，其中，输出开关的漏极连接到输出电压总线引脚，输出开关的源极连接到输出电压导出引脚，当输出开关处于导通状态时，开关电源系统的输出电压经由输出电压总线引脚、输出开关、以及输出电压导出引脚被提供给被充电设备。
8.根据本实用新型实施例另一方面，提供了一种开关电源系统，包括如上所述的功率传输协议芯片。
9.根据本实用新型实施例的用于开关电源系统的功率传输协议芯片，集成了原本连接到开关电源系统的输出电压总线、用于控制是否向被充电设备提供输出电压的输出开
关，同时还集成了电流检测电阻，可以实现开关电源系统(例如，pd快充电源)的小型化、低成本、高效率。
附图说明
10.从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中，可以更好地理解本实用新型，其中：
11.图1示出了采用常规的pd协议芯片的反激式开关电源的电路图；
12.图2示出了根据本实用新型实施例的pd协议芯片的框图；以及
13.图3示出了采用根据本实用新型实施例的pd协议芯片的反激式开关电源的电路图。
具体实施方式
14.下面将参考附图详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。示例实现方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于本文阐述的实现方式；相反，提供这些实现方式以使得本实用新型更全面和完整，并将示例实现方式的构思全面地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰，可能夸大了区域和组件的尺寸。此外，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的结构，因而将省略它们的详细描述。
15.在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素和部件的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。另外，需要说明的是，这里使用的用语“a与b连接”可以表示“a与b直接连接”也可以表示“a与b经由一个或多个其他元件间接连接”。
16.下面结合附图详细描述本实用新型的示例实施例。
17.图1示出了采用常规的pd协议芯片102的反激式开关电源100的电路图。从图1可以看出，由于pd协议芯片102的引脚多、外围器件冗余，反激式开关电源100的系统成本高且很难实现小型化。
18.鉴于上述问题，本实用新型提供了一种高度集成的pd协议芯片，以使得采用该pd协议芯片的开关电源系统能够实现小型化和高度集成化，从而降低采用该pd协议芯片的开关电源系统的成本。
19.图2示出了根据本实用新型实施例的pd协议芯片202的框图。如图2所示，pd协议芯片202可以包括以下引脚中的一个或多个引脚：
20.·
电流检测引脚，用于连接开关电源系统中的输出电流检测电阻(即，用于检测开关电源系统的输出电流的电阻)。例如，pd协议芯片202可以包括电流检测正引脚(即，引脚isp)和电流检测负引脚(即，引脚isn)两个电流检测引脚，分别用于连接到输出电流检测电阻的正引脚和负引脚，以实现开关电源系统的输出恒流控制和过流保护检测。
21.·
输出电压总线引脚(即，引脚vbus)，用于从开关电源系统的输出电压总线接收
开关电源系统的输出电压；
22.·
输出电压导出引脚(即，引脚vbus_c)，用于将开关电源系统的输出电压提供给被充电设备；以及
23.pd协议芯片202还可以包括输出开关与sensefet(检测开关)，其包含两个功能，一个是输出开关功能，由输出电压总线引脚(即，引脚vbus)、输出电压导出引脚(即，引脚vbus_c)、以及输出开关来实现。输出开关的漏极连接到引脚vbus，输出开关的源极连接到引脚vbus_c。当输出开关处于导通状态时，开关电源系统的输出电压经由引脚vbus、输出开关、以及引脚vbus_c被提供给被充电设备。另一个功能是sensefet功能，用于对sensefet中流经的电流进行检测，通过pd协议芯片202的电流检测模块(例如，包括输出电流检测电阻)对检测到的isp和isn两个信号进行放大与控制，实现输出电流的恒流控制和过流检测功能。这里，需要说明的是，只有开关电源系统和被充电设备二者都满足pd协议的要求时，输出开关才可以从关断状态变为导通状态，开关电源系统的输出电压才可以被提供给被充电设备。
24.根据本实用新型实施例的pd协议芯片202集成了原本连接到开关电源系统100的输出电流检测电阻的正引脚和负引脚、电流检测电阻、用于控制是否向被充电设备提供输出电压的输出开关以及驱动引脚，可以实现开关电源系统(例如，pd快充电源)的小型化、低成本、高效率。
25.如图2所示，在一些实施例中，pd协议芯片202还可以包括以下引脚中的一个或多个引脚：
26.·
数据通信引脚，用于连接通用串行总线接口的数据通信引脚，其中，引脚vbus_c经由该通用串行总线接口将开关电源系统的输出电压提供给被充电设备。例如，在通用串行总线为usb pd类型c(type-c)接口时，pd协议芯片202可以包括usb pd type-c数据正(dp)引脚(即，引脚dp)和usb pd type-c数据负(dn)引脚(即，引脚dn)两个数据通信引脚，其中，引脚dp用于连接usb pd type-c接口的dp信号，引脚dn用于连接usb pd type-c接口的dn信号。
27.·
通道配置引脚，用于连接通用串行总线接口的通道配置引脚，其中，引脚vbus_c经由该通用串行总线接口将开关电源系统的输出电压提供给被充电设备。例如，在通用串行总线为usb pd type-c接口时，pd协议芯片202可以包括usb pd type-c cc1引脚(即，引脚cc1)和usb pd type-c cc2引脚(即，引脚cc2)两个通道配置引脚，其中，引脚cc1用于连接usb pd type-c接口的cc1信号，引脚cc2用于接收usb pd type-c接口的cc2信号。
28.·
光耦驱动引脚(即，引脚opto)，用于连接开关电源系统中的光耦的输出端，以实现开关电源系统的系统级环路控制。
29.·
电压环路补偿引脚(即，引脚vfb)，用于连接开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地。例如，引脚vfb可以经由第一补偿电容和第一补偿电阻连接到开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地，以实现开关电源系统的输出恒压的环路补偿。
30.·
电流环路补偿引脚(即，引脚ifb)，用于连接开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地。例如，引脚ifb可以经由第二补偿电容和第二补偿电阻连接到开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地，以实现开关电源系统的输出恒流的环路补偿。
31.·
过温保护引脚(即，引脚rt)，用于连接开关电源系统中的变压器的副边侧的参
考地。例如，引脚rt可以经由负温度系统(ntc)电阻连接到开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地，以实现开关电源系统的温度检测和过温保护。
32.·
芯片供电引脚(即，引脚vdd)，用于连接开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地。例如，引脚vdd可以经由供电电容连接到开关电源系统中的变压器的副边侧的参考地，以实现pd协议芯片202的芯片内部供电。
33.·
电压输入引脚(即，引脚vin)，用于连接开关电源系统的输出电压总线。例如，引脚vin可以经由输出电压检测电阻(即，用于检测开关电源系统的输出电压的电阻)连接到开关电源系统的输出电压总线，以对开关电源系统的输出电压进行检测并实现不同的输出电压控制功能。
34.·
芯片接地引脚(即，引脚gnd)，连接参考地，用于提供pd协议芯片202内部的参考地。
35.·
通用输入输出扩展引脚(即，引脚gpio)，用于扩展pd协议芯片202的输入或输出引脚。
36.如图2所示，在一些实施例中，根据本实用新型实施例的pd协议芯片202还可以包括以下功能模块中的一个或多个功能模块：
37.·
栅极驱动器模块，连接到输出开关，用于实现对输出开关的栅极驱动。
38.·
协议控制模块，连接到数据通信引脚(例如，引脚dp和引脚dn)和通道配置引脚(例如，引脚cc1和引脚cc2)，用于实现开关电源系统与被充电设备之间的通讯，以及基于来自被充电设备的命令实现不同的电压输出、电流输出、以及保护控制。
39.·
电压/电流控制模块，连接到引脚opto、引脚vfb、以及引脚ifb中的一个或多个引脚，用于实现以下的一个或多个功能：根据引脚opto处的电压实现开关电源系统的系统级环路控制、根据引脚vfb处的电压实现开关电源系统的输出恒压的环路补偿、根据引脚ifb处的电压实现开关电源系统的输出恒流的环路补偿。
40.·
温度检测及过温保护模块，连接到引脚rt，用于根据引脚rt处的电压实现开关电源系统的温度检测和过温保护。
41.·
欠压锁定/低压差线性稳压器(uvlo/ldo)模块，连接到引脚vin和引脚vdd，用于根据引脚vin处的电压启动或关断pd协议芯片202(例如，在引脚vin处的电压大于预定的欠压锁定电压时，启动pd协议芯片202，否则关断pd协议芯片202)，并基于引脚vdd处的电压提供芯片内部电源。
42.·
保护控制模块，用于在pd协议芯片202发生故障时实现保护功能，避免pd协议芯片202的损坏。
43.·
逻辑控制模块，连接到协议控制模块、栅极驱动器模块、温度检测及过温保护模块、电压/电流控制模块、电流检测模块、以及保护控制模块中的一个或多个功能模块，用于实现pd协议芯片202内部的各个功能模块的逻辑控制。
44.·
微控制单元(mcu)模块，连接到引脚gpio，用于实现pd协议芯片202的内部控制和gpio扩展功能。
45.图3示出了采用根据本实用新型实施例的pd协议芯片的反激式开关电源200的电路图。从图3可以看出，由于pd协议芯片202集成了原本连接到开关电源系统100的输出电流检测电阻的正引脚和负引脚、电流检测电阻、用于控制是否向被充电设备提供输出电压的
输出开关以及驱动引脚，相比开关电源系统100，开关电源系统200包含的元器件的数目更少，成本更低。
46.需要说明的是，根据本实用新型实施例的pd协议芯片不仅可以应用于反激式开关电源，而且可以应用于诸如，正激式(forward)、半桥式(half-brige)、全桥式(full-brige)等各种架构的开关电源系统。
47.本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。