一种能量回收电路、开关电源装置和能量回收方法

摘要

一种能量回收电路，具有一磁性储能单元，包括：第一开关管、第一功率管、能量回收转换控制电路、钳位泄放电路和第一电容器，所述能量回收电路对磁性储能单元的充电包括两个部分，第一部分是充电电流通过第一开关管和第一电容器流到地，第二部分是充电电流通过第一开关管、第一功率管流到地，通过第一电容器的储能实现对磁性储能单元充电电流的能量回收。通过回收利用磁性储能单元的充电电流，节约了能源，降低了成本，提升了系统的整体效率。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别地，涉及一种能量回收电路和能量回收方法，以及采用了该能量回收电路或能量回收方法的模块、系统和开关电源装置。

背景技术

开关电源通过开关管的导通与关断将输入信号转换成输出信号。一般地，开关电源采用控制芯片来控制开关管的导通与关断，该控制芯片需要直流电压供电。

图1A为现有的开关电源电路，输入电压源(通常包括整流器，滤波电路等)输出一个不控直流母线电压Vbus，在开关管MP导通时，Vbus电压对变压器T1的主极电感LP的充电电流流过LP和开关管MP到GND，在M1关断时，变压器T1将主极电感LP上的能量反激到次级LS并传递给负载，给负载提供所需的电压或电流。

图1B为现有的另一种开关电源电路，输入电压源(通常包括整流器，滤波电路等)输出一个不控直流母线电压Vbus，在开关管MP导通时，Vbus电压对电感LP的充电电流流过LP和开关管MP到GND，在M1关断时，电感LP上的能量通过二极管D续流传递给负载，给负载提供所需的电压或电流。

以上两种传统的开关电源电路对变压器或电感的充电电流都直接流到了GND，并没有加以利用，造成了能量浪费和效率降低。

发明内容

本发明提供了一种能量回收电路和能量回收方法，以及采用了该能量回收电路或能量回收方法的开关电源，通过对变压器或电感的充电电流的能量回收，可以有效利用资源，提升开关电源效率。

根据本发明一实施例的一种能量回收电路，具有一磁性储能单元，包括：第一开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端电耦接至磁性储能单元第一端；第一功率管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端电耦接至第一开关管的第二端，第二端电耦接到地；能量回收转换控制电路，电耦接至第一开关管的控制端，控制第一开关管的导通和关断；钳位泄放电路，电耦接至第一功率管的控制端，控制第一功率管的导通和关断；以及第一电容器，具有第一端和第二端，其第一端电耦接至第一开关管的第二端和第一功率管的第一端，第二端电耦接到地；其中，能量回收电路对磁性储能单元的充电包括两个部分，第一部分是充电电流通过第一开关管和第一电容器流到地，第二部分是充电电流通过第一开关管、第一功率管流到地，通过第一电容器的储能实现对磁性储能单元充电电流的能量回收。

根据本发明一实施例的一种钳位泄放电路，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器的第一端，第二输入端电耦接一基准电压，第一输出端电耦接至第一功率管的控制端，通过比例取样第一电容器上的电压，将所述取样电压与基准电压进行误差比较产生误差信号，控制第一功率管的控制端，实现第一电容器上的电压稳定。

根据本发明一实施例的一种能量回收转换控制电路，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器的第一端，第二输入端电耦接一脉冲宽度调制信号，第一输出端电耦接至第一开关管的控制端，其第一输出端输出的电压脉冲信号的高电平高于其第一输入端电压的电平。

根据本发明一实施例的一种能量回收转换控制电路，包括：电源转换电路，具有第一输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器的第一端，第一输出端电耦接至驱动控制电路的第一输入端；驱动控制电路，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接电源转换电路的第一输出端，第二输入端电耦接一PWM信号(脉冲宽度调制信号)，第一输出端电耦接至第一开关管的控制端，控制其导通和关断。

根据本发明一实施例的一种能量回收转换控制电路，所述电源转换电路为一电容升压电路或一电感升压电路，其第一输出端的电压高于其第一输入端的电压。

根据本发明一实施例的一种电源转换电路，所述电容升压电路为一个2倍电荷泵升压电路。

根据本发明一实施例的一种电源转换电路，所述电感升压电路为一Boost结构升压电路。

根据本发明一实施例的一种能量回收方法，包括：在一个控制周期的第一阶段，第一开关管保持关断，磁性储能单元不充电；在一个控制周期的第二阶段，第一开关管保持导通，第一功率管保持关断，磁性储能单元充电电流通过第一开关管，第一电容器流到地，通过第一电容器的储能实现对磁性储能单元充电电流的能量回收；在一个控制周期的第三阶段，第一开关管保持导通，第一功率管管保持导通，磁性储能单元充电电流经过第一开关管、第一功率管流到地。

根据本发明一实施例的一种能量回收模块，包括所述的能量回收电路或采用了所述的能量回收方法。

根据本发明一实施例的一种能量收回系统，包括有所述的能量回收模块；还包括有辅助电源模块，所述辅助电源模块将第一电容器上回收的能量转换输出一辅助电源电压。

根据本发明一实施例的一种开关电源，包括输入电路、输出电路和负载，还包括有所述的能量回收模块。

根据本发明一实施例的一种智能控制开关电源，包括输入电路、输出电路和负载、所述的能量收回系统；还包括一智能控制模块，与所述能量收回系统电耦接，智能控制模块接收所述辅助电源电压供电，输出一智能控制信号反馈控制所述能量收回系统，实现开关电源的智能化控制。

根据本发明一实施例的智能控制模块，其为蓝牙模块、WIFI模块、雷达模块或红外模块。

本发明利用电容对磁性储能单元充电电流进行能量回收，利用回收的能量给系统自身供电或是给其他模块供电，节约了能源，降低了成本，提升了系统的整体效率。

附图说明

图1A所示为现有开关电源电路示意图；

图1B所示为现有开关电源电路示意图；

图2所示为本发明一实施例的能量回收电路示意图；

图3所示为本发明一实施例的钳位泄放电路示意图；

图4A所示为本发明一实施例的能量回收转换控制电路示意图；

图4B所示为本发明另一实施例的能量回收转换控制电路示意图；

图5所示为本发明一实施例的波形示意图；

图6为根据本发明一实施例的能量回收方法的流程图；

图7为跟据本发明一实施例的一种开关电源；

图8为根据本发明一实施例的一种智能开关电源。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图2为根据本发明一实施例的一种能量回收电路300的电路示意图，具有一磁性储能单元L1(不限制于变压器或电感)，包括：第一开关管SW1，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端电耦接至磁性储能单元L1第一端VD1；第一功率管MD，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端电耦接至第一开关管SW1的第二端VCC(为了描述方便，电容器上的电压VCC和电容器C2的第一端名称等同)，第二端电耦接到地；能量回收转换控制电路310，电耦接至第一开关管SW1的控制端G1，控制第一开关管SW1的导通和关断；钳位泄放电路320，电耦接至第一功率管MD的控制端G2，控制第一功率管MD的导通和关断；以及第一电容器C2，具有第一端和第二端，其第一端电耦接至第一开关管SW1的第二端和第一功率管MD的第一端VCC，第二端电耦接到地；其中，能量回收电路300对磁性储能单元L1的充电IL包括两个部分，第一部分是充电电流IL通过第一开关管SW1和第一电容器C2流到地，第二部分是充电电流IL通过第一开关管SW1、第一功率管MD流到地，通过第一电容器C2的储能实现对磁性储能单元L1充电电流IL的能量回收。

在一种实施例中，第一开关管SW1和第一功率管MD之间还串联有第一电流检测电阻，用于检测流过第一开关管的电流。

在一种实施例中，第一功率管第二端通过第二电流检测电阻电耦接到地，用于检测流过第一功率管MD的电流。

图3为根据本发明一实施例的一种钳位泄放电路320，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器C2的第一端VCC，第二输入端电耦接一基准电压VREF，第一输出端电耦接至第一功率管MD的控制端G2，钳位泄放电路320通过比例取样(比例系数为K，K为一常数)第一电容器C2上的电压VCC，将所述取样电压K*VCC与基准电压VREF进行误差比较产生误差信号G2，控制第一功率管MD的控制端G2，实现第一电容器C2上的电压VCC稳定；当取样电压K*VCC小于基准电压VREF时，误差信号G2让第一功率管MD关断，第一电容器C2开始充电进行能量回收，VCC电压升高；当取样电压K*VCC大于基准电压VREF时，误差信号G2让第一功率管MD导通，泄放掉多余的能量，让第一电容器C2上的电压VCC保持为基准电压VREF的设定值，即：K*VCC＝VREF。

图4A为根据本发明一实施例的一种能量回收转换控制电路410，具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器C2的第一端VCC，第二输入端电耦接一脉冲宽度调制信号，第一输出端电耦接至第一开关管SW1的控制端G1，包括：电源转换电路411，具有第一输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接至第一电容器C2的第一端VCC，第一输出端电耦接至驱动控制电路的第一输入端VCCH；驱动控制电路412；具有第一输入端、第二输入端和第一输出端，其中第一输入端电耦接电源转换电路411的第一输出端VCCH，第二输入端电耦接一PWM信号(脉冲宽度调制信号)，第一输出端G1电耦接至第一开关管的控制端，控制第一开关管SW1的导通和关断。

在一种实施例中，能量回收转换控制电路310具有第一输入端VCC、第二输入端PWM和第一输出端G1，其中第一输入端电耦接至第一电容器VCC的第一端，第二输入端电耦接一脉冲宽度调制信号，第一输出端电耦接至第一开关管的控制端G1，其第一输出端输出的电压脉冲信号G1的高电平高于其第一输入端电压VCC的电平，在一种实施例中，G1输出的电压脉冲信号的低电平是VCC，高电平VCCH＝VCC+5V；在另一种实施例中，G1输出的电压脉冲的低电平是零电压，高电平是VCCH＝VCC+5V；因此，当电压脉冲信号G1为高电平时，第一开关管SW1的控制端G1和第二端VCC之间存在正的电压差值，可以让第一开关管SW1导通，实现磁性储能单元L1的充电电流IL对第一电容器C2进行充电。

根据本发明一实施例的一种能量回收转换控制电路410，所述电源转换电路为一电容升压电路411或一电感升压电路421，电源转换电路通过对其输入端电压的升压转换，实现其第一输出端的电压VCCH高于其第一输入端的电压VCC。

图4A为根据本发明一实施例的一种电源转换电路411，所述电容升压电路为一个2倍电荷泵升压电路，包括开关SP1、SP2、二极管DP1、DP2、电容CP1和CO1，其中二极管DP1、DP2也可以用类似于SP1和SP2的开关代替。

图4B为根据本发明一实施例的一种电源转换电路421，所述电感升压电路为一Boost结构升压电路，包括，电感LB1、开关MB1、二极管DB1和电容CB1。

图5位根据本发明一实施例的一种能量回收电路300的波形图示意图，在T1阶段，第一开关的控制端G1电压低于或等于第一电容器C2上的电压VCC，SW1保持关断状态，磁性储能单元L1不充电，在此阶段第一开关管的第一端电压VD1保持高电平；在T2阶段，第一开关管SW1控制端G1的电压高电平为VCCH高于VCC，第一开关管SW1保持导通状态，第一功率管MD的控制端G2处于低电平，第一功率管MD保持关断，磁性储能单元L1充电电流IL通过第一开关管SW1，第一电容器C2流到地，通过第一电容器C2的储能实现对磁性储能单元L1充电电流IL的能量回收，在此阶段，第一开关管SW1的第一端电压VD1的电平接近于VCC电压；在T3阶段，第一开关管SW1保持导通，当钳位泄放电路检测到第一电容器C2上的电压VCC达到基准电压VREF设定值，钳位泄放电路320输出误差信号使得第一功率管MD的控制端G2电压升高，使得第一功率管MD保持导通，磁性储能单元L1充电电流IL经过第一开关管SW1、第一功率管MD流到地；在一种实施例中，只存在T1和T2两种状态，即在能量回收电路300对磁性储能单元L1的充电过程中，或是第一电容器C2刚刚开始充电阶段，钳位泄放电路320检测到第一电容器C2上的电压VCC始终不能达到基准电压VREF设定值，钳位泄放电路320输出误差信号不会使得第一功率管MD的控制端G2电压升高，不会使得第一功率管MD保持导通，磁性储能单元L1充电电流IL在整个充电阶段都对第一电容器C2充电，充电电流IL通过第一开关管SW1，第一电容器C2流到地，因此不会出现T3阶段。

图6为根据本发明一实施例的能量回收方法的流程图，包括步骤611～613。

步骤611，在一个控制周期的第一阶段，第一开关管保持关断，磁性储能单元不充电；

步骤612，在一个控制周期的第二阶段，第一开关管保持导通，第一功率管保持关断，磁性储能单元充电电流通过第一开关管，第一电容器流到地，通过第一电容器的储能实现对磁性储能单元充电电流的能量回收；

步骤613，在一个控制周期的第三阶段，第一开关管保持导通，第一功率管保持导通，磁性储能单元充电电流经过第一开关管、第一功率管流到地。

根据本发明一实施例的一种能量回收模块711，包括所述的能量回收电路或采用了所述的能量回收方法。

图7所示为根据本发明一实施例的一种开关电源700，包括输入电路、输出电路和负载，还包括有所述的能量回收模块711。

图8所示为根据本发明一实施例的一种智能开关电源800和能量收回系统810。

能量收回系统810包括有所述的能量回收模块811；还包括有辅助电源模块812，所述辅助电源模块812与第一电容器C2电耦接，将第一电容器C2上回收的能量转换输出一辅助电源电压VCCL。

所述智能控制开关电源800，包括输入电路、输出电路和负载、能量收回系统810；还包括一智能控制模块821，与所述能量收回系统810电耦接，智能控制模块821接收所述辅助电源电压VCCL供电，输出一智能控制信号DCTL反馈控制所述能量收回系统810，实现开关电源的智能化控制。

根据本发明一实施例的智能控制模块821，其为蓝牙模块、WIFI模块、雷达模块或红外模块，所述智能模块可以接收外部控制射频信号，输出数字控制信号控制所述能量回收系统，实现远程无线智能控制。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。