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TWI898733B - 返馳式開關電源 - Google Patents

返馳式開關電源

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Publication number
TWI898733B
TWI898733B TW113127189A TW113127189A TWI898733B TW I898733 B TWI898733 B TW I898733B TW 113127189 A TW113127189 A TW 113127189A TW 113127189 A TW113127189 A TW 113127189A TW I898733 B TWI898733 B TW I898733B
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TW
Taiwan
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primary
signal
control chip
power supply
generate
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Application number
TW113127189A
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English (en)
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TW202545116A (zh
Inventor
張秀紅
林武平
李洋
Original Assignee
大陸商昂寶電子（上海）有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 大陸商昂寶電子（上海）有限公司 filed Critical 大陸商昂寶電子（上海）有限公司
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Publication of TWI898733B publication Critical patent/TWI898733B/zh
Publication of TW202545116A publication Critical patent/TW202545116A/zh

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    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
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Abstract

提供了一種返馳式開關電源，包括同步整流與協定控制晶片和一次側回饋控制晶片。同步整流與協定控制晶片被配置為在接收到來自待充電設備的電壓或電流請求資訊時或者在檢測到指示需要實現相應保護功能的保護資訊時生成與電壓或電流請求資訊或者保護資訊相對應的編碼信號，並通過基於編碼信號生成用於控制同步整流電晶體的導通與關斷的整流開關控制信號向一次側回饋控制晶片傳遞編碼信號。一次側回饋控制晶片被配置為基於表徵返馳式開關電源的系統輸出電壓的輸出電壓表徵信號和表徵流過變壓器的一次繞組的一次側電流的一次側電流表徵信號生成與編碼信號相對應的解碼信號，並基於解碼信號生成用於控制功率電晶體的導通與關斷的功率開關控制信號。

Description

返馳式開關電源
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種返馳式開關電源。
隨著社會數位化進程加快，智能手機的使用頻率大幅提升，這給智能手機的技術發展帶來更高的要求。得益於氮化鎵材料的應用，用於對智能手機充電的充電設備的功率密度越來越大，從20W到200W的產品紛紛落地。然而，隨著中低端智能手機的硬體設定的大幅升級，隨之而來的“續航焦慮”問題愈發嚴重，通常使用的5W、10W充電設備難以滿足中低端智能手機的快速充電要求。
根據本發明實施例的返馳式開關電源，包括同步整流與協定控制晶片、變壓器、以及一次側回饋控制晶片，其中：同步整流與協定控制晶片位於變壓器的二次側，被配置為在接收到來自待充電設備的電壓或電流請求資訊時或者在檢測到指示需要實現相應保護功能的保護資訊時生成與電壓或電流請求資訊或者保護資訊相對應的編碼信號，並通過基於編碼信號生成用於控制同步整流電晶體的導通與關斷的整流開關控制信號向一次側回饋控制晶片傳遞編碼信號；一次側回饋控制晶片位於變壓器的一次側，被配置為基於表徵返馳式開關電源的系統輸出電壓的輸出電壓表徵信號和表徵流過變壓器的一次繞組的一次側電流的一次側電流表徵信號生成與編碼信號相對應的解碼信號，並基於解碼信號生成用於控制功率電晶體的導通與關斷的功率開關控制信號。
100,200,200A,200B:一次側回饋雙繞組返馳式開關電源
202,202A,202B:一次側回饋控制晶片
204:同步整流與協定控制晶片
AC:交流電
B:基極
BD:整流橋
C:集極
Cbulk:輸入電容
Cdd:自供電電容
Co:輸出電容
Coss:同步整流電晶體寄生電容
CS:電流感測腳
D1:充電管(可以是二極體，也可以是P型MOS電晶體)
D2:體二極體
DP,DN:USB介面的信號端
FB:輸出回饋引腳
GND:晶片接地引腳
Idd:自供電電容的充電電流
Io:系統輸出電流
Ip:一次側電流
Iref1,Iref2:內部參考電流
Lm:電感
Naux:輔助繞組
Npri:一次繞組
Nsec:二次繞組
PG:供電正常信號
PSR FB,VFB:輸出電壓表徵信號
Q1:功率電晶體
Q2:同步整流電晶體
R1,R2:分壓電阻
Rs:一次側電流檢測電阻
Rst:電阻
SR gate:整流開關控制信號
SR Isk,Isk,Isk1:二次側電流
SR Vdrain:同步整流電晶體的汲極電壓
SW:源極電晶體
T1:變壓器
Tdemg:退磁時間
Tf1,Tf2:下降時間
Ton:導通階段
Ton1:原邊儲能階段
Ton2:自供電充電階段
Tring:諧振時間
USB,USB/Type-C:通用序列匯流排
UVLO:欠壓鎖定電壓
Vaux:電壓
Vbase:功率開關控制信號
VBUS:輸出匯流排引腳
Vcs:一次側電流表徵信號
Vcsmin:一次側電流表徵信號的最小值
VDD:晶片供電引腳
Vdrain:汲極電壓
VFB:輸出電壓表徵信號
VIN:直流輸入電壓
Vo:系統輸出電壓
Vref_cv:恆壓控制參考電壓
Vref1,Vref2:內部參考電壓
Vsample:輸出電壓採樣信號
Vth1,Vth2:閾值
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：圖1示出了傳統的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的示意電路圖。
圖2示出了根據本發明實施例的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的示意電路圖。
圖3示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源處於正常工作狀態下的多個信號的波形示意圖。
圖4示出了圖2所示的一次側回饋控制晶片的示例邏輯結構的框圖。
圖5示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片的示例邏輯結構的框圖。
圖6示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源處於編碼控制週期和正常工作週期的多個信號的波形示意圖。
圖7示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞請求7.5V輸出電壓的電壓請求資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。
圖8示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞請求2.4A輸出電流的電流請求資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。
圖9示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞保護資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。
圖10示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片和一次側回饋控制晶片之間實現通信應答機制時的多個信號的波形圖。
圖11A和11B分別示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的變體的示意電路圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理 解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。另外，需要說明的是，這裡使用的用語“A與B連接”可以表示“A與B直接連接”也可以表示“A與B經由一個或多個其他元件間接連接”。
一次側回饋雙繞組返馳式開關電源，由於採用了自供電方式，可以節省供電繞組、整流二極體等器件，系統元器件數量極其精簡，近年來被廣泛用在對各種待充電設備進行充電的各種充電設備中。圖1示出了傳統的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的示意電路圖。在圖1所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源100中，光耦器件將來自待充電設備的電壓請求資訊從變壓器的二次側回饋至一次側，一次側回饋控制晶片根據接收到的電壓請求資訊來即時調節系統輸出電壓。由於光耦信號的單一性，每次僅能是實現一個電壓變化，同時光耦器件的通信速率相對較低，受溫度影響大，待機功耗大，尺寸大，不僅增加了系統成本和體積，而且對於低成本消費類充電設備並不是最佳解決方案。同時，在採用光耦器件進行資訊傳遞時，僅能實現從變壓器的二次側到一次側的單向通信，如果對電壓請求資訊的解碼或編碼存在錯誤，則可能影響系統性能。
鑒於上述一個或多個問題，提出了根據本發明實施例的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源，其中，可以無需借助光耦器件實現變壓器的二次側到一次側的可靠通信，因而可以減小系統成本並實現充電設備的小型化。
圖2示出了根據本發明實施例的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的示意電路圖。如圖2所示，一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200包括電磁干擾濾波電路、整流橋BD、輸入電容Cbulk、內置功率電晶體 Q1的一次側回饋控制晶片202、一次側電流檢測電阻Rs、自供電電容Cdd、分壓電阻R1和R2、變壓器T1(包括一次繞組Npri、二次繞組Nsec、以及輔助繞組Naux)、內置同步整流電晶體Q2的同步整流與協定控制晶片204、以及輸出電容Co。需要說明的是，功率電晶體Q1可以由雙極型電晶體、達林頓電晶體等實現，可以集成在一次側回饋控制晶片202內也可以獨立封裝。同步整流電晶體Q2可以由金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor,MOS)場效應電晶體實現，可以集成在同步整流與協定控制晶片204內也可以獨立封裝。
圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200進入正常工作狀態之前的啟動過程包括：交流電壓接入後，電磁干擾濾波電路和整流橋BD對其進行濾波和整流得到直流輸入電壓VIN；直流輸入電壓VIN對輸入電容Cbulk進行充電，並通過變壓器T1的一次繞組Npri、功率電晶體Q1的集極C和基極B之間的電阻Rst、以及一次側回饋控制晶片202內部的充電管D1(充電管D1可以是二極體，也可以是P型MOS電晶體)對自供電電容Cdd進行充電；在自供電電容Cdd上的電壓(即，一次側回饋控制晶片202的晶片供電引腳VDD處的電壓)高於一次側回饋控制晶片202的欠壓鎖定(Under Voltage Lock Out，UVLO)電壓後，一次側回饋控制晶片202開始工作；變壓器T1將一次側的能量傳遞到二次側後，同步整流電晶體Q2的體二極體D2導通，一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200的系統輸出電壓Vo開始升高，在系統輸出電壓Vo高於同步整流與協定控制晶片204的UVLO電壓後，同步整流與協定控制晶片204開始工作。
圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200進入正常工作狀態之後的工作過程包括：
第一階段，在功率電晶體Q1處於導通狀態期間，將能量存儲在變壓器T1的一次繞組Npri處並為自供電電容Cdd進行充電，變壓器T1的二次側由輸出電容Co來提供能量。
第二階段，當功率電晶體Q1從導通狀態變為關斷狀態時，同步整流
電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態，並且在同步整流電晶體Q2處於導通狀態期間，將存儲在變壓器T1的一次繞組Npri處的能量釋放到變壓器T1的二次繞組Nsec以為負載提供能量同時為輸出電容Co進行充電，此時變壓器T1的輔助繞組Naux上的電壓Vaux能夠表徵系統輸出電壓Vo(由於同步整流電晶體Q2的導通阻抗較小，此處的壓降可以忽略不計)，將變壓器T1的輔助繞組Naux上的電壓Vaux經過分壓電阻R1和R2分壓得到的輸出電壓表徵信號VFB作為回饋控制信號，經由輸出回饋引腳FB輸入到一次側回饋控制晶片202。
第三階段，在同步整流電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態之後，變壓器T1的-一次繞組Npri的電感Lm和輸出電容Co發生諧振，根據輸出負載的不同，可以在不同的諧振谷底使得一次側回饋控制晶片202控制功率電晶體Q1從關斷狀態變為導通狀態，實現谷底導通降低關斷損耗，提高效率。反覆循環以上三個階段，最終通過通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)介面來向待充電設備提供期望的輸出電壓和/或電流或者實現相應保護功能。
圖3示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源處於正常工作狀態下的多個信號的波形示意圖，其中：Vbase代表用於控制功率電晶體Q1的導通與關斷的功率開關控制信號，實際上無論是雙極型電晶體還是達林頓電晶體，都是電流型驅動，此處用Vbase僅代表功率電晶體的開通與關斷工作狀態。功率電晶體Q1的導通階段Ton分為Ton1和Ton2兩個時間段：Ton1是原邊儲能階段，其中，一次側回饋控制晶片202內部的源極電晶體SW處於導通狀態，流過變壓器T1的一次繞組Npri的一次側電流Ip經由功率電晶體Q1和源極電晶體SW流到一次側回饋控制晶片202的晶片接地引腳GND，然後經由一次側電流檢測電阻Rs流到輸入電容Cbulk的地端，從而形成主功率回路；Ton2是自供電充電階段，其中，源極電晶體SW處於關斷狀態，一次側電流Ip經由功率電晶體Q1和充電管D1給自供電電容Cdd充電，以維持一次側回饋控 制晶片202的供電電壓。
SW代表用於控制源極電晶體SW的導通與關斷的源極開關控制信號。源極電晶體SW僅在自供電電容Cdd的充電階段處於關斷狀態，在其他階段均處於導通狀態。
Vcs代表用於表徵一次側電流Ip的一次側電流表徵信號(例如，一次側電流Ip流過一次側電流檢測電阻Rs產生的電壓)。當一次側電流表徵信號Vcs達到預定值時，源極電晶體SW從導通狀態變為關斷狀態。
Ip代表一次側電流Ip。
Idd代表自供電電容Cdd的充電電流。
PSR FB代表輸出電壓表徵信號VFB，其中，Tdemg對應於變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁時間，Tring對應於變壓器T1的一次繞組Npri的電感Lm和輸出電容Co的諧振時間。
SR Vdrain代表同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain。
SR gate代表用於控制同步整流電晶體Q2的導通與關斷的整流開關控制信號。
SR Isk代表流過變壓器T1的二次繞組Nsec的二次側電流Isk。
在圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200中，在經由USB介面的信號端DP和DN接收到來自待充電設備的電壓或電流請求資訊時或者在檢測到指示需要實現相應保護功能的保護資訊時，同步整流與協定控制晶片204生成與該電壓或電流請求資訊或者該保護資訊相對應的編碼信號，並通過基於編碼信號生成用於控制同步整流電晶體Q2的導通與關斷的整流開關控制信號來向一次側回饋控制信號202傳遞編碼信號(即，通過變壓器T1的輔助繞組Naux和一次側電流檢測電阻Rs向一次側回饋控制晶片202傳遞該電壓或電流請求資訊或者該保護資訊)；一次側回饋控制晶片202基於輸出電壓表徵信號VFB和一次側電流表徵信號Vcs生成與編碼信號相對應的解碼信號，並基於解碼信號生成用於控制功率電晶體Q1的導通與關斷的功率開關控制信號(即，基於該電壓或電流 請求資訊或者該保護資訊調節系統輸出電壓Vo和/或系統輸出電流Io或者實現相應保護功能)。
在一些實施例中，同步整流與協定控制晶片204可以進一步基於表徵變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁情況的第一退磁檢測信號生成編碼信號。在這種情況下時，同步整流與協定控制晶片204可以基於同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain生成第一退磁檢測信號。
在一些實施例中，同步整流與協定控制晶片204可以通過編碼控制週期與正常工作週期進行組合來傳遞編碼信號，其中，同步整流電晶體Q2在編碼控制週期比在正常工作週期延遲固定時段從導通狀態變為關斷狀態。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以基於輸出電壓表徵信號VFB生成表徵變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁情況的第二退磁檢測信號，基於一次側電流表徵信號Vcs生成表徵一次側電流Ip的變化情況的一次側電流檢測信號，並基於第二退磁檢測信號和一次側電流檢測信號生成解碼信號。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以控制功率電晶體Q1在預定時間內以解碼信號所對應的預定頻率在導通狀態和關斷狀態之間切換，並且同步整流與協定控制晶片204可以判斷同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain在預定時間內是否以編碼信號所對應的預定頻率在高位準和低位準之間切換，在判斷結果為是的情況下判定編碼信號已經被一次側回饋控制晶片202正確接收到，並且在判斷結果為否的情況下判定編碼信號沒有被一次側回饋控制晶片202正確接收到。進一步地，同步整流與協定控制晶片204可以在判定編碼信號沒有被一次側回饋控制晶片202正確接收到的情況下再次向一次側回饋控制晶片202傳遞編碼信號，和/或在向一次側回饋控制晶片202傳遞編碼信號預定次數後依然判定編碼信號沒有被一次側回饋控制晶片202正確接收到的情況下，預設系統輸出電壓Vo只需被保持在5V。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以基於輸出電壓表徵信號VFB、一次側電流表徵信號Vcs、以及恆壓控制參考電壓Vref_cv生成用於控制系統輸出電壓Vo保持恆定的恆壓控制信號，並進一步基於恆壓控制信號生成功率開關控制信號。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以通過對輸出電壓表徵信號VFB進行採樣生成輸出電壓採樣信號Vsample，通過對一次側電流表徵信號Vcs的變化情況進行檢測生成一次側電流檢測信號，並基於輸出電壓採樣信號Vsample、一次側電流檢測信號、以及恆壓控制參考電壓Vref_cv生成恆壓控制信號。在這種情況下，一次側回饋控制晶片202可以基於解碼信號切換恆壓控制參考電壓Vref_cv。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以基於輸出電壓表徵信號VFB和一次側電流表徵信號Vcs生成用於控制系統輸出電流Io保持恆定的恆流控制信號，並進一步基於恆流控制信號生成功率開關控制信號。
在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202可以基於輸出電壓表徵信號VFB生成表徵變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁情況的第二退磁檢測信號，基於一次側電流表徵信號Vcs生成表徵一次側電流Ip的變化情況的一次側電流檢測信號，並基於第二退磁檢測信號和一次側電流檢測信號生成恆流控制信號。
圖4示出了圖2所示的一次側回饋控制晶片的示例邏輯結構的框圖。如圖4所示，在一些實施例中，一次側回饋控制晶片202包括：供電模組，用於為晶片提供工作電壓、內部參考電壓Vref1、和內部參考電流Iref1。當晶片供電引腳VDD處的電壓超過晶片的UVLO電壓後，供電正常(Power Good，PG)信號置1，晶片內部電路開始工作。
退磁檢測模組，用於在功率電晶體Q1處於關斷狀態時，基於輸出回饋引腳FB處的輸出電壓表徵信號VFB對變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁情況進行檢測以生成第二退磁檢測信號，並將第二退磁檢測信號輸出到 恆流(Constant Current，CC)控制模組、恆壓(Constant Voltage，CV)控制模組、以及解碼器模組，其中，輸出電壓表徵信號VFB的上升沿大於預設值(例如，0.1V)的時刻到輸出電壓表徵信號VFB的下降沿低於該預設值(例如0.1V)的時刻之間的區間為變壓器T1的二次繞組Nsec的退磁時間Tdemg。
採樣模組，用於對輸出電壓表徵信號VFB進行採樣以生成輸出電壓採樣信號Vsample，並將輸出電壓採樣信號Vsample輸出到恆壓控制模組。
電流感測控制模組，用於對一次側電流表徵信號Vcs的正向/負向幅度和寬度進行檢測以生成一次側電流檢測信號，並將一次側電流檢測信號輸出到恆壓控制模組、恆流控制模組、解碼器模組、以及邏輯控制模組。例如，當功率電晶體Q1處於導通狀態時，對一次側電流表徵信號Vcs的負向幅度和寬度進行檢測；在變壓器T1的二次繞組Nsec退磁結束後，對一次側電流表徵信號Vcs的正向幅度和寬度進行檢測。
解碼器模組，用於基於第二退磁檢測信號和一次側電流表徵信號Vcs生成解碼信號，並將解碼信號輸出到真偽校驗模組和邏輯控制模組。
真偽校驗模組，用於基於解碼信號所對應的真偽校驗資訊，通過控制功率電晶體Q1在預定時間內以解碼信號所對應的預定頻率在導通狀態和關斷狀態之間切換來向同步整流與協定控制晶片204傳遞針對解碼信號的真偽校驗資訊。
恆壓控制模組，用於基於輸出電壓採樣信號Vsample、一次側電流檢測信號、以及恆壓控制參考電壓Vref_cv生成恆壓控制信號，並將恆壓控制信號輸出到邏輯控制模組。例如，可以基於輸出電壓採樣信號Vsample和恆壓控制參考電壓Vref_cv，利用誤差放大器生成輸出誤差表徵信號；然後，可以基於輸出誤差表徵信號和一次側電流表徵信號Vcs進行脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)來生成用於控制功率電晶體Q1的導通時間的開關導通控制信號。
恆流控制模組，用於基於第二退磁檢測信號和一次側電流檢測信號生 成恆流控制信號，並將恆流控制信號輸出到邏輯控制模組。例如，可以基於第二退磁檢測信號生成恆流控制參考電壓，並基於恆流控制參考電壓和一次側電流檢測信號生成恆流控制信號。
邏輯控制模組，用於基於輸入到其中的各個信號通過邏輯運算來生成用於控制功率電晶體Q1的導通與關斷的功率開關控制信號，並將功率開關控制信號輸出到驅動控制模組。
驅動控制模組，用於基於來自邏輯控制模組的功率開關控制信號生成用於驅動功率電晶體Q1的導通或關斷的功率開關驅動信號。
保護模組，用於基於輸出回饋引腳FB處的輸出電壓表徵信號VFB來實現諸如分壓電阻開路/短路保護、輔助繞組開路保護等的保護功能，並基於來自解碼器模組的解碼信號來實現對於系統輸出電壓Vo的過壓、欠壓、開路、短路等狀態的保護功能。
圖5示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片的示例邏輯結構的框圖。如圖5所示，在一些實施例中，同步整流與協定控制晶片204包括：供電模組，用於為晶片提供工作電壓、內部參考電壓Vref2、和內部參考電流Iref2。當晶片供電引腳VDD處的電壓超過晶片的UVLO電壓後，PG信號置1，晶片內部電路開始工作。
退磁檢測模組，用於基於同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain生成第一退磁檢測信號，並將第一退磁檢測信號輸出到應答模組。
編碼模組，用於基於電壓或電流請求資訊或者基於保護資訊生成編碼信號，並將編碼信號輸出到同步整流控制模組。
同步整流控制模組，用於基於同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain和編碼信號生成用於控制同步整流電晶體Q2的導通與關斷的整流開關控制信號，並將整流開關控制信號輸出到驅動器模組。例如，同步整流控制模組可以在同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain小於閾值Vth1(例如，-300mV)時控制同步整流電晶體Q2從關斷狀態變為導通狀態，在同步整 流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain大於閾值Vth2(例如，-3.5mV)時控制同步整流電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態，並設置同步整流電晶體Q2的最小導通時間。
應答模組，用於基於同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain判斷編碼信號是否被一次側回饋控制晶片202正確接收到，如果是，則控制編碼模組不再將編碼信號輸出到同步整流控制模組，否則控制編碼模組再次將編碼信號輸出到同步整流控制模組，並且在控制編碼模組多次輸出編碼信號後依然判定編碼信號沒有被一次側回饋控制晶片202正確接收到的情況下，預設系統輸出電壓Vo只需被保持在5V。
放電模組，用於在輸出負載變化時增加假負載，以防止系統輸出電壓Vo上過衝過高，或者在由於待充電設備從USB介面斷開或者空載而需要調節系統輸出電壓Vo或系統輸出電流Io時增加假負載，以提高系統工作頻率、減少編碼時間。
圖6示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源處於編碼控制週期和正常工作週期的多個信號的波形示意圖。如圖6所示，編碼控制週期和正常工作週期的區別在於：同步整流電晶體Q2延遲固定時段從導通狀態變為關斷狀態(如圖6的虛線部分所示)，在此固定時段期間，二次側電流Isk過零後繼續負向增大至Isk1，系統輸出電壓Vo對變壓器T1的二次繞組Nsec反向勵磁存儲能量；在同步整流電晶體Q2從導通狀態變為關斷狀態後，二次側電流Isk提供的反向勵磁能量傳遞至變壓器T1的一次繞組Npri，使得變壓器T1的一次繞組Npri反向退磁，能量通過一次側電流檢測電阻Rs和變壓器T1的一次繞組Npri回流到輸入電容Cbulk(即，一次側電流Ip出現幅度逐漸減小的負向電流，一次側電流表徵信號Vcs出現幅度逐漸減小的正向電壓)。
如圖6所示，由於同步整流電晶體Q2在編碼控制週期期間延遲固定時段從導通狀態變為關斷狀態，輸出電壓表徵信號VFB在編碼控制週期的下降時間Tf1較正常工作週期的下降時間Tf2更短(即，輸出電 壓表徵信號VFB在編碼控制週期的下降沿更陡)，並且一次側電流表徵信號Vcs在編碼控制週期有明顯區別於正常工作週期的正向電壓。因此，可以將輸出電壓表徵信號VFB的下降時間和一次側電流表徵信號Vcs的正向電壓作為解碼條件。在變壓器T1的二次繞組Nsec退磁結束後，如果輸出電壓表徵信號VFB的下降時間Tf1小於某個閾值(例如200ns)且一次側電流表徵信號Vcs的正向電壓低於某個設定值(例如50mV)並維持一定寬度(例如150ns)以上，則一次側回饋控制晶片202可以判定同步整流與協定控制晶片204向其傳遞了編碼信號。
假設編碼控制週期對應的編碼位為1，正常工作週期對應的編碼位為0。為了避免誤檢測，可以在對應於電壓或電流請求資訊或者保護資訊的編碼位之前和/或之後設置多個標誌位，使得一次側回饋控制晶片202能夠正確識別對應於電壓或電流請求資訊或者保護資訊的編碼位的開始和結束，從而能夠正確地執行後續處理。
圖7示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞請求7.5V輸出電壓的電壓請求資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。如圖7所示，請求7.5V輸出電壓的電壓請求資訊所對應的編碼信號為11010111，該編碼信號的傳遞可以通過8個週期完成：開始的兩個週期傳遞編碼信號的起始標誌位11，中間的四個週期傳遞代表電壓請求資訊的編碼位0101，最後的兩個週期傳遞編碼信號的結束標誌位11。一次側回饋控制晶片202生成解碼信號11010111(即，對應於編碼信號11010111的解碼信號)後，將恆壓控制參考電壓Vref_cv切換到對應7.5V輸出電壓的檔位，從而將系統輸出電壓Vo調節到7.5V。
圖8示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞請求2.4A輸出電流的電流請求資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。如圖8所示，請求2.4A輸出電流的電流請求資訊所對應的編碼信號為11000111。類似地，一次側回饋控制晶片202生成解碼信號11000111(即，對應編碼信號11000111的解碼信號)後，將系統 輸出電流Io調節到2.4A。
應該理解的是，編碼信號也可以同時包含電壓請求資訊和電流請求資訊二者。假設編碼信號11010111包含請求7.5V輸出電壓的電壓請求資訊和請求2.4A輸出電流的電流請求資訊二者。一次側回饋控制晶片202在生成解碼信號11010111(即，對應編碼信號11010111的解碼信號)後，可以先將系統輸出電壓Vo調節到7.5V，同時將系統輸出電流Io調節到2.4A。
圖9示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片向一次側回饋控制晶片傳遞保護資訊所對應的示例編碼信號時的多個信號的波形圖。當支援快充的待充電設備與充電設備斷開連接時，由於充電設備工作在高於5V的電壓狀態，直接將不支援快充的待充電設備與充電設備連接有可能會損壞該待充電設備，所以需要將系統輸出電壓Vo迅速調節到5V。如圖9所示，實現此項功能的保護資訊所對應的編碼信號為11010011。一次側回饋控制晶片202在生成解碼信號11010011(即，對應編碼信號11010011的解碼信號)後，將恆壓控制參考電壓Vref_cv切換到對應5V輸出電壓的檔位，從而將系統輸出電壓Vo調節到5V。
圖10示出了圖2所示的同步整流與協定控制晶片和一次側回饋控制晶片之間實現通信應答機制時的多個信號的波形圖。如圖10所示，一次側回饋控制晶片202生成解碼信號後，控制功率電晶體Q1在設定時間(例如，5us)內以預定頻率(例如，100kHz)在導通狀態和關斷狀態之間切換，使得一次側電流表徵信號Vcs維持最小值Vcsmin；一次側回饋控制晶片202通過判斷同步整流電晶體Q2的汲極電壓Vdrain在上述預設時間(例如，5us)內是否也以上述預定頻率在高位準和低位準之間切換來判斷編碼信號是否被一次側回饋控制晶片202正確接收到。
圖11A示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的變體的示意電路圖。可以看出，一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200A與200的不同在於，一次側電流檢測電阻Rs被集成在一次側回饋控制晶片 202A內部，這樣可以進一步減少系統元器件數量。
圖11B示出了圖2所示的一次側回饋雙繞組返馳式開關電源的另一變體的示意電路圖。可以看出，一次側回饋雙繞組返馳式開關電源200B與200的不同在於，一次側電流檢測電阻Rs和分壓電阻R2被集成在一次側回饋控制晶片202B內部，這樣可以進一步減少系統元器件數量。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且，落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
200:一次側回饋雙繞組返馳式開關電源
202:一次側回饋控制晶片
204:同步整流與協定控制晶片
AC:交流電
B:基極
BD:整流橋
C:集極
Cbulk:輸入電容
Cdd:自供電電容
Co:輸出電容
Coss:同步整流電晶體寄生電容
CS:電流感測腳
D1:充電管(可以是二極體，也可以是P型MOS電晶體)
D2:體二極體
DP,DN:USB介面的信號端
FB:輸出回饋引腳
GND:晶片接地引腳
Naux:輔助繞組
Npri:一次繞組
Nsec:二次繞組
Q1:功率電晶體
Q2:同步整流電晶體
R1,R2:分壓電阻
Rs:一次側電流檢測電阻
Rst:電阻
SW:源極電晶體
T1:變壓器
USB,USB/Type-C:通用序列匯流排
Vaux:電壓
VBUS:輸出匯流排引腳
VDD:晶片供電引腳
Vdrain:汲極電壓
VIN:直流輸入電壓
Vo:系統輸出電壓

Claims (15)

  1. 一種返馳式開關電源，包括同步整流與協定控制晶片、變壓器、以及一次側回饋控制晶片，其中：
    所述同步整流與協定控制晶片位於所述變壓器的二次側，被配置為在接收到來自待充電設備的電壓或電流請求資訊時或者在檢測到指示需要實現相應保護功能的保護資訊時生成與所述電壓或電流請求資訊或者所述保護資訊相對應的編碼信號，並通過基於所述編碼信號生成用於控制同步整流電晶體的導通與關斷的整流開關控制信號向所述一次側回饋控制晶片傳遞所述編碼信號；
    所述一次側回饋控制晶片位於所述變壓器的一次側，被配置為基於表徵所述返馳式開關電源的系統輸出電壓的輸出電壓表徵信號和表徵流過所述變壓器的一次繞組的一次側電流的一次側電流表徵信號生成與所述編碼信號相對應的解碼信號，並基於所述解碼信號生成用於控制功率電晶體的導通與關斷的功率開關控制信號。
  2. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為在所述返馳式開關電源的輸出側添加假負載。
  3. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為進一步基於表徵所述變壓器的二次繞組的退磁情況的第一退磁檢測信號生成所述編碼信號。
  4. 如請求項3所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為基於所述同步整流電晶體的汲極電壓生成所述第一退磁檢測信號。
  5. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為通過將編碼控制週期與正常工作週期進行組合來傳遞所述編碼信號，所述同步整流電晶體在所述編碼控制週期相比在所述正常工作週期延遲固定時段從導通狀態變為關斷狀態。
  6. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為基於所述輸出電壓表徵信號生成表徵所述變壓器的二次繞組的退磁情況的第二退磁檢測信號，基於所述一次側電流表徵信號生成表徵所述一次側電流的變化情況的一次側電流檢測信號，並基於所述第二退磁檢測信號和所述一次側電流檢測信號生成所述解碼信號。
  7. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為控制所述功率電晶體在預定時間內以所述解碼信號所對應的預定頻率在導通狀態和關斷狀態之間切換，並且
    所述同步整流與協定控制晶片還被配置為判斷所述同步整流電晶體的汲極電壓在所述預定時間內是否以所述編碼信號所對應的預定頻率在高位準和低位準之間切換，在判斷結果為是的情況下判定所述編碼信號已經被所述一次側回饋控制晶片正確接收到，並且在判斷結果為否的情況下判定所述編碼信號沒有被所述一次側回饋控制晶片正確接收到。
  8. 如請求項7所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為在判定所述編碼信號沒有被所述一次側回饋控制晶片正確接收到的情況下再次向所述一次側回饋控制晶片傳遞所述編碼信號。
  9. 如請求項8所述的返馳式開關電源，其中，所述同步整流與協定控制晶片還被配置為在向所述一次側回饋控制晶片傳遞所述編碼信號預定次數後依然判定所述編碼信號沒有被所述一次側回饋控制晶片正確接收到的情況下，預設所述系統輸出電壓只需被保持在5V。
  10. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為基於所述輸出電壓表徵信號、所述一次側電流表徵信號、以及恆壓控制參考電壓生成用於控制所述系統輸出電壓保持恆定的恆壓控制信號，並進一步基於所述恆壓控制信號生成所述功率開關控制信號。
  11. 如請求項10所述的返馳式開關電源，其中，所述一次 側回饋控制晶片還被配置為通過對所述輸出電壓表徵信號進行採樣生成輸出電壓採樣信號，通過對所述一次側電流表徵信號的變化情況進行檢測生成一次側電流檢測信號，並基於所述輸出電壓採樣信號、所述一次側電流檢測信號、以及所述恆壓控制參考電壓生成所述恆壓控制信號。
  12. 如請求項10所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為基於所述解碼信號切換所述恆壓控制參考電壓。
  13. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為基於所述輸出電壓表徵信號和所述一次側電流表徵信號生成用於控制所述返馳式開關電源的系統輸出電流保持恆定的恆流控制信號，並進一步基於所述恆流控制信號生成所述功率開關控制信號。
  14. 如請求項13所述的返馳式開關電源，其中，所述一次側回饋控制晶片還被配置為基於所述輸出電壓表徵信號生成表徵所述變壓器的二次繞組的退磁情況的第二退磁檢測信號，基於所述一次側電流表徵信號生成表徵所述一次側電流的變化情況的一次側電流檢測信號，並基於所述第二退磁檢測信號和所述一次側電流檢測信號生成所述恆流控制信號。
  15. 如請求項1所述的返馳式開關電源，其中，所述輸出電壓表徵信號是通過對所述變壓器的輔助繞組上的電壓進行分壓採樣生成的。
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