一种快充电源升降压电路及快充电源的制作方法

本实用新型涉及快充技术领域，特别涉及一种快充电源升降压电路及快充电源。

背景技术：

平板电脑、智能手机等便携式移动设备的出现为人们的工作和生活带来了极大的便利，人们对这些设备的使用频率和依赖程度也是越来越高，这些设备由于高频使用而经常处于低电量状态，这也是让大多数用户最为焦虑的事情。在目前电池技术和容量不太可能大幅提升的情况下，利用碎片化的时间对设备进行快速地充电是当前解决这一问题，提升用户体验的最佳途径，于是各种快充技术应运而生，各大手机厂商也适时地推出了支持各种快充的手机，并将此作为宣传的一大卖点，同时催生了第三方快充充电配件市场的快速发展。

目前的快充技术主要分为两大类：第一类是以高通QC快充为代表的高压小电流快充技术，充电器输出电压一般要求为5V至12V；第二类是以华为SCP快充为代表的低压大电流快充技术，充电器输出电压一般要求为3V至5.5V。两类快充技术各有千秋，高压小电流快充技术在不需要升级传统充电接口和充电线缆的情况下实现快充，但是由于高压时的转化效率比较低，该快充技术会增加充电时的手机发热量；低压大电流快充技术的转化效率较高，有效地降低了充电时的手机发热量，但是由于传统充电接口和充电线缆最大只能支持2A的电流，所以该快充技术需要对充电接口和充电线缆进行升级，以支持3A以上的电流。

目前在市场上，支持这两类快充技术的手机同时并存，要提供同时兼容这两类快充技术的充电器，存在一定的难度。特别是对于移动电源产品，根据移动电源所剩电量的不同，移动电源的电池电压Vbat范围一般为3.0V至4.2V，传统的升压开关变换器输出架构可以输出高于Vbat的任意电压，可以覆盖高压小电流快充输出电压5V至12V的要求，从而实现高压小电流快充。但是传统的升压开关变换器输出架构无法输出低于Vbat的电压，无法完全覆盖低压大电流快充输出3.0V至5.5V的要求，所以传统的升压开关变换器输出架构实现低压大电流快充存在结构上的缺陷。

现有的解决方法主要有两种：第一种是采用升降压开关变换器输出架构，当申请的Vbus低于Vbat时，工作在降压开关变换器输出状态；当申请的Vbus高于Vbat时，工作在升压开关变换器输出状态，该结构控制较复杂，同时需要四个大的功率管，难以实现全集成，在成本上不占优势；第二种是在传统的升压开关变换器输出架构基础上串联一个低压差线性变换器，当申请的Vbus低于Vbat时，升压开关变换器的下管关闭，上管常通，通过与上管串联的低压差线性变换器提供输出；当申请的Vbus高于Vbat时，升压开关变换器开启，通过升压开关变换器和与其串联的低压差线性变换器提供输出，该结构由于采用的是串联结构，低压差线性变换器会对升压开关变换器输出效率产生影响，所以在效率上不占优势。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种快充电源升降压电路及快充电源，使快充电源同时兼容高压小电流快充和低压大电流快充两类快充功能，同时，提高快充效率、降低设计难度、降低系统成本。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种快充电源升降压电路，其特征在于：包括若干个输出端Vbus、与电池连接的输入端Vbat、用于对电池电压进行升压控制的升压开关变换器、用于对电池电压进行降压控制的低压差线性变换器、输出电压控制模块和电源模式控制模块，所述升压开关变换器与所述低压差线性控制器并联，两者并联的输入端连接输入端Vbat，两者的输出端分别与每一个输出端Vbus连接，所述输出电压控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述输出电压控制模块用于根据充电终端与移动电源快充协议沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出充电终端申请的电压，所述电源模式控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述电源模式控制模块用于根据各个充电终端的电压模式请求，对应选择开启升压开关变换器进行充电还是控制开启低压差线性变换器进行充电，并当充电终端请求的Vbus高于Vbat时，选择升压开关变换器进行充电；当充电终端请求的Vbus低于Vbat时，选择低压差线性变换器进行充电。

进一步的，升压开关变换器包括电感L、升压开关控制模块、第一功率管M1和第二功率管M2，所述电感L的第一端连接输入端Vbat，所述电感L的第二端分别连接所述第一功率管M1和所述第二功率管的漏极或源极，所述第一功率管M1的栅极和所述第二功率管M2的栅极分别与所述升压开关控制模块连接，所述升压开关控制模块还与所述输出电压控制模块连接，对应的，所述第二功率管M2的源极或漏极连接所述输出端Vbus，对应的，所述第一功率管M1的源极或漏极接地。

进一步的，所述低压差线性变换器包括低压差线性控制模块和用于线性调整作用的第三功率管M3，所述低压差线性控制模块的输入端连接所述输出电压控制模块的输出端，所述低压差线型控制模块的输出端连接所述第三功率管M3的栅极，所述第三功率管M3的漏极及源极分别与所述输入端Vbat和所述输出端Vbus连接。

进一步的，所述电源模式控制模块包括电源模式及通路管控制模块、若干个开关通路，所述电源模式及通路管控制模块包括通信模块及分别与所述通信模块连接的若干个电压比较器，每一个电压比较器的输出端对应连接一个双开关通路，每一个所述双开关通路均包括第一开关和第二开关，第一开关的控制端和第二开关的控制端分别与对应的电压比较器的输出连接，第一开关的导通端将升压开关变换器与输出端Vbus连接，第二开关的导通端将低压差线性变换器同样与该输出端Vbus连接，使每一个所述开关通路的两个开关的导通端连接一个输出端Vbus，电压比较器用于比较充电终端与通信模块经过快充协议沟通后充电终端请求的Vbus与移动电源电池电压Vbat的大小，并根据电压比较结果输出控制信号，控制开启开关通路中的其中一个开关。

优选的，每一个所述开关通路中的第一开关及第二开关可采用MOS开关管、三极管或继电器开关或其任意组合。

一种快充电源，包括外壳、电池、移动电源快充控制电路，所述移动电源快充控制电路包括若干个输出端Vbus、与电池连接的输入端Vbat、用于对电池电压进行升压控制的升压开关变换器、用于对电池电压进行降压控制的低压差线性变换器、输出电压控制模块和电源模式控制模块，所述升压开关变换器与所述低压差线性控制器并联，两者并联的输入端连接输入端Vbat，两者的输出端分别与每一个输出端Vbus连接，所述输出电压控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述输出电压控制模块用于根据充电终端与移动电源快充协议沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出充电终端申请的电压，所述电源模式控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述电源模式控制模块用于根据各个充电终端的电压模式请求，对应选择开启升压开关变换器进行充电还是控制开启低压差线性变换器进行充电，并当充电终端请求的Vbus高于Vbat时，选择升压开关变换器进行充电；当充电终端请求的Vbus低于Vbat时，选择低压差线性变换器进行充电。

进一步的，升压开关变换器包括电感L、升压开关控制模块、第一功率管M1和第二功率管M2，所述电感L的第一端连接输入端Vbat，所述电感L的第二端分别连接所述第一功率管M1和所述第二功率管的漏极或源极，所述第一功率管M1的栅极和所述第二功率管M2的栅极分别与所述升压开关控制模块连接，所述升压开关控制模块还与所述输出电压控制模块连接，对应的，所述第二功率管M2的源极或漏极连接所述输出端Vbus，对应的，所述第一功率管M1的源极或漏极接地。

进一步的，所述低压差线性控制器包括低压差线型控制模块和用于线性调整作用的第三功率管M3，所述低压差线型控制模块的输入端连接所述输出电压控制模块的输出端，所述低压差线型控制模块的输出端连接所述第三功率管M3的栅极，所述第三功率管M3的漏极及源极分别与所述输入端Vbat和所述电源模式控制电路连接。

进一步的，所述电源模式控制模块包括电源模式及通路管控制模块、若干个开关通路，所述电源模式及通路管控制模块包括通信模块及分别与所述通信模块连接的若干个电压比较器，每一个电压比较器的输出端对应连接一个双开关通路，每一个所述双开关通路均包括第一开关和第二开关，第一开关的控制端和第二开关的控制端分别与对应的电压比较器的输出端连接，第一开关的导通端将升压开关变换器与输出端Vbus连接，第二开关的导通端将低压差线性变换器同样与该输出端Vbus连接，使每一个所述开关通路的两个开关的导通端连接一个输出端Vbus，电压比较器用于比较充电终端与通信模块经过快充协议沟通后充电终端请求的Vbus与移动电源电池电压Vbat的大小，并根据电压比较结果输出控制信号，控制开启开关通路中的其中一个开关。

优选的，每一个所述开关通路中的第一开关及第二开关可采用MOS开关管、三极管或继电器开关或其任意组合。

本实用新型的有益效果为：在传统的升压开关变换器输出架构的基础上并联一路低压差线性变换器，相对于升降压开关变换器输出架构来说，控制简单，降低了设计难度，同时不需要四个大的开关功率管，易于实现全集成，降低系统成本；相对于在传统的升压开关变换器输出架构基础上串联一个低压差线性变换器的方式，采用并联低压差线性变换器的方式，加进来的低压差线性变换器不会对升压开关变换器的输出效率产生影响，所以相比于目前通过升降压开关变换器输出架构，或是在传统的升压开关变换器输出架构基础上串联一个低压差线性变换器的方式，在成本和效率上占有非常大的优势。

附图说明

图1为本实用新型的快充电源升降压电路的总体原理图；

图2为本实用新型实施例一的具体电路原理图；

图3为本实用新型实施例二的具体电路原理图。

具体实施方式

以下将结合示意图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种快充电源升降压电路，包括若干个输出端Vbus、与电池连接的输入端Vbat、用于对电池电压进行升压控制的升压开关变换器、用于对电池电压进行降压控制的低压差线性变换器、输出电压控制模块和电源模式控制模块，所述升压开关变换器与所述低压差线性控制器并联，两者并联的输入端连接输入端Vbat，两者的输出端分别与每一个输出端Vbus连接，所述输出电压控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述输出电压控制模块用于根据充电终端与移动电源快充协议沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出充电终端申请的电压，所述电源模式控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述电源模式控制模块用于根据各个充电终端的电压模式请求，对应选择开启升压开关变换器进行充电还是控制开启低压差线性变换器进行充电，并当充电终端请求的Vbus高于Vbat时，选择升压开关变换器进行充电；当充电终端请求的Vbus低于Vbat时，选择低压差线性变换器进行充电。

充电终端可采用手机、电脑等电子设备，本实施例充电终端采用手机，手机接入移动电源后，默认由升压开关变换器提供输出，低压差线性变换器关闭，Vbus输出5V电压。手机与移动电源进行快充协议沟通后，根据沟通的结果继续下一步操作，如果手机不支持快充功能，则移动电源一直维持在默认状态，Vbus输出5V给手机进行充电；如果手机支持快充功能，且申请的Vbus大于移动电源电池电压Vbat时，则一直保持由升压开关变换器提供输出，低压差线性变换器关闭，输出电压控制模块根据手机申请的电压调整升压开关变换器的输出电压，以满足手机快充所需的电压值；如果手机支持快充功能，且申请的Vbus小于移动电源电池电压Vbat时，则切换至低压差线性变换器提供输出，升压开关变换器关闭，输出电压控制模块根据手机申请的电压调整低压差线性变换器的输出电压，以满足手机快充所需的电压值。通过在传统的升压开关变换器输出架构基础上并联一路低压差线性变换器输出架构，根据手机申请的Vbus电压与移动电源电池电压Vbat的比较结果，选择是由升压开关变换器提供输出，还是由低压差线性变换器提供输出，从而实现对高压小电流快充和低压大电流快充的全兼容。

其中，升压开关变换器包括电感L、升压开关控制模块、第一功率管M1和第二功率管M2，所述电感L的第一端连接输入端Vbat，所述电感L的第二端分别连接所述第一功率管M1和所述第二功率管的漏极或源极，所述第一功率管M1的栅极和所述第二功率管M2的栅极分别与所述升压开关控制模块连接，所述升压开关控制模块还与所述输出电压控制模块连接，对应的，所述第二功率管M2的源极或漏极连接所述输出端Vbus，对应的，所述第一功率管M1的源极或漏极接地。

所述低压差线性控制器包括低压差线型控制模块和用于线性调整作用的第三功率管M3，所述低压差线型控制模块的输入端连接所述输出电压控制模块的输出端，所述低压差线型控制模块的输出端连接所述第三功率管M3的栅极，所述第三功率管M3的漏极及源极分别与所述输入端Vbat和所述电源模式控制电路连接。

所述输出电压控制模块包括用于与充电终端进行快充协议沟通的通信接口，所述输出电压控制模块还包括用于与充电终端进行快充协议识别和沟通的逻辑单元，所述输出电压控制模块的逻辑单元通过通信接口与充电终端进行快充协议识别和沟通，所述输出电压控制模块根据快充协议逻辑单元与充电终端沟通后所申请的Vbus电压，调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出电压。

针对电源模式控制模块，列举了两个实施例，将这两个实施例放在移动电源快充控制电路中，原理和结构如下：

如图2所示，实施例一：

包含：输入接口Vbat、输出接口Vbus、升压开关控制模块、低压差线性控制模块、输出电压控制模块、电源模式及通路管控制模块、第一功率管M1、第二功率管M2、第三功率管M3、电感L、第一通路管M4、第二通路管M5，其中M1、M2、M3、M4、M5可以使用但不局限于NMOS管、PMOS管、三极管，也可由继电器开关等来代替，或者NMOS管、PMOS管、三极管及继电器交叉使用，只要能起到开关作用的器件都在本申请保护范围内，本实施例电感L、第一功率管M1、第二功率管M2、升压开关控制模块共同构成升压开关变换器；第三功率管M3、低压差线性控制模块共同构成低压差线性变换器。

升压开关变换器输出稳定的可调整的高于Vbat的电压。低压差线性变换器输出稳定的可调整的低于Vbat的电压。所述输出电压控制模块的逻辑单元通过通信接口与充电终端进行快充协议识别和沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器和低压差线性变换器的输出电压。电源模式控制模块包括电源模式及通路管控制模块、M4和M5，其中电源模式及通路管控制模块包括通信模块及电压比较器，电压比较器用于比较充电终端与通信模块经过快充协议沟通后充电终端请求的Vbus与电源电池电压Vbat的大小，并根据电压比较结果输出控制信号，控制开启开关通路中的其中一个开关。当申请的Vbus大于Vbat时，电源模式及通路管控制模块输出控制信号EN_BOOST＝1，EN_LDO＝0，第一通路管M4开启，第二通路管M5关闭，输出电压Vbus由升压开关变换器提供；当申请的Vbus小于Vbat时，电源模式及通路管控制模块输出控制信号EN_BOOST＝0，EN_LDO＝1，第一通路管M4关闭，第二通路管M5开启，输出电压Vbus由低压差线性变换器提供。

如图3所示，实施例二：

下面具体列举了使用了本实施例的电源模式控制模块的一个具体电路结构，包含：输入接口Vbat、第一输出接口Vbus1、第二输出接口Vbus2、第n输出接口Vbusn、升压开关控制模块、低压差线性控制模块、输出电压控制模块、电源模式及通路管控制模块、第一功率管M1、第二功率管M2、第三功率管M3、电感L、第一通路管M11和M12、第二通路管M21和M22、第n通路管Mn1和Mn2，其中M1、M2、M3、M11、M12、M21、M22、Mn1、Mn2可以使用但不局限于NMOS管、PMOS管、三极管，也可由继电器开关等来代替，或者NMOS管、PMOS管、三极管及继电器交叉使用，只要能起到开关作用的器件都在本申请保护范围内，其中电感L、第一功率管M1、第二功率管M2、升压开关控制模块共同构成升压开关变换器；其中第三功率管M3、低压差线性控制模块共同构成低压差线性变换器，电源模式控制模块包括电源模式及通路管控制模块及其控制的上述n个通路管，电源模式及通路管控制模块包括通信模块及n个电压比较器，每一个电压比较器对应一个通路管，通信模块可用于与多个充电终端进行协议沟通，并判断每一个充电终端的充电请求，对应的，每一个电压比较器用于比较充电终端与通信模块经过快充协议沟通后充电终端请求的Vbus与电源电池电压Vbat的大小，并根据电压比较结果输出控制信号，控制开启开关通路中的其中一个开关。

升压开关变换器输出稳定的可调整的高于Vbat的电压。低压差线性变换器输出稳定的可调整的低于Vbat的电压。输出电压控制模块根据快充协议沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器和低压差线性变换器的输出电压。

该实施例是将上述电源架构应用于多输出口的电源，所有的输出口共用同一套电源，任意输出口都可以实现同时兼容高压小电流快充和低压大电流快充两类快充技术。例如，当只有第M输出口接入手机时，电源模式及通路管控制模块打开第M输出口通路管Mm1或Mm2，其他输出口的通路管关闭，同时电源模式及通路管控制模块根据第M输出口申请的Vbusm与移动电源的电池电压Vbat的比较结果，决定是由升压开关变换器提供输出，还是由低压差线性变换器提供输出,当申请的Vbusm大于Vbat时，电源模式及通路管控制模块输出控制信号EN_BOOSTM＝1，EN_LDOM＝0，第M通路管Mm1开启，Mm2关闭，输出电压Vbusm由升压开关变换器提供；当申请的Vbusm小于Vbat时，电源模式及通路管控制模块输出控制信号EN_BOOSTM＝0，EN_LDOM＝1，第M通路管Mm1关闭，Mm2开启，输出电压Vbusm由低压差线性变换器提供。当有两个或两个以上的输出口同时插入手机时，电源模式及通路管控制模块打开插入手机的输出口，没有插入手机的输出口保持关闭，已打开的所有输出口都由升压开关变换器提供输出，为了安全性的考虑，此时移动电源不会接受手机的快充申请，升压开关变换器输出5V，为每一部接入的手机同时提供5V的电源进行充电。

本快充电源升降压电路由于只是在传统的升压开关变换器输出架构的基础上并联一路低压差线性变换器，相对于升降压开关变换器输出架构来说，控制简单，降低了设计难度，同时不需要四个大的开关功率管，易于实现全集成，降低系统成本；相对于在传统的升压开关变换器输出架构基础上串联一个低压差线性变换器的方式，本专利采用并联低压差线性变换器的方式，加进来的低压差线性变换器不会对升压开关变换器的输出效率产生影响。所以相比于目前通过升降压开关变换器输出架构，或是在传统的升压开关变换器输出架构基础上串联一个低压差线性变换器的方式，在成本和效率上占有非常大的优势。

采用上述快充电源升降压电路的快充电源，包括外壳、电池、移动电源快充控制电路，所述移动电源快充控制电路包括若干个输出端Vbus、与电池连接的输入端Vbat、用于对电池电压进行升压控制的升压开关变换器、用于对电池电压进行降压控制的低压差线性变换器、输出电压控制模块和电源模式控制模块，所述升压开关变换器与所述低压差线性控制器并联，两者并联的输入端连接输入端Vbat，两者的输出端分别与每一个输出端Vbus连接，所述输出电压控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述输出电压控制模块用于根据充电终端与移动电源快充协议沟通后所申请的Vbus电压调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出充电终端申请的电压，所述电源模式控制模块分别与所述升压开关变换器和所述低压差线性控制器连接，所述电源模式控制模块用于根据各个充电终端的电压模式请求，对应选择开启升压开关变换器进行充电还是控制开启低压差线性变换器进行充电，并当充电终端请求的Vbus高于Vbat时，选择升压开关变换器进行充电；当充电终端请求的Vbus低于Vbat时，选择低压差线性变换器进行充电。

升压开关变换器包括电感L、升压开关控制模块、第一功率管M1和第二功率管M2，所述电感L的第一端连接输入端Vbat，所述电感L的第二端分别连接所述第一功率管M1和所述第二功率管的漏极或源极，所述第一功率管M1的栅极和所述第二功率管M2的栅极分别与所述升压开关控制模块连接，所述升压开关控制模块还与所述输出电压控制模块连接，对应的，所述第二功率管M2的源极或漏极连接所述输出端Vbus，对应的，所述第一功率管M1的源极或漏极接地。

所述低压差线性控制器包括低压差线型控制模块和分别与对应的第三功率管M3，所述低压差线型控制模块的输入端连接所述输出电压控制模块的输出端，所述低压差线型控制模块的输出端连接所述第三功率管M3的栅极，所述第三功率管M3的漏极及源极分别与所述输入端Vbat和所述电源模式控制电路连接。

所述输出电压控制模块包括设置在所述外壳上的用于与充电终端进行快充协议沟通的通信接口，所述输出电压控制模块还包括用于与充电终端进行快充协议识别和沟通的逻辑单元，所述逻辑单元通过通信接口与充电终端进行快充协议识别和沟通，所述输出电压控制模块根据快充协议逻辑单元与充电终端沟通后所申请的Vbus电压，调整升压开关变换器或低压差线性变换器的输出电压。

所述电源模式控制模块包括电源模式及通路管控制模块、若干个开关通路，所述电源模式及通路管控制模块包括通信模块及分别与所述通信模块连接的若干个电压比较器，每一个电压比较器的输出端对应连接一个双开关通路，每一个所述双开关通路均包括第一开关和第二开关，第一开关的控制端和第二开关的控制端分别与对应的电压比较器的输出连接，第一开关的导通端将升压开关变换器与输出端Vbus连接，第二开关的导通端将低压差线性变换器同样与该输出端Vbus连接，使每一个所述开关通路的两个开关的导通端连接一个输出端Vbus，电压比较器用于比较充电终端与通信模块经过快充协议沟通后充电终端请求的Vbus与移动电源电池电压Vbat的大小，并根据电压比较结果输出控制信号，控制开启开关通路中的其中一个开关。

每一个所述开关通路中的第一开关及第二开关可采用MOS开关管、三极管或继电器开关或其任意组合。

需要说明的是，以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。