【专利解密】南芯科技发明用于电源管理技术领域的电路拓扑结构方案

【嘉勤点评】南芯科技发明的应用于电源管理技术领域的实现电压转换的电路拓扑结构方案，针对传统方法中由于使用的半导体器件数量太多而成本过高，从而导致无法普及到低成本充电设备的问题，提出将开关电源和开关电容器进行融合，使开关电源和开关电容器可以复用部分开关管，以减少所使用半导体器件的数量从而降低充电方案的成本。

集微网消息，随着便携式设备数量的急剧增加，充电电池得到了广泛的应用。针对电池的充放电功能，目前广泛采用的电路结构如下图所示。

其中，由开关管(Q5和Q6)，电感(L1)和电容(C1)组成的开关电源的作用，就是将输入电压变换成满足负载(R1)或适合给充电电池(BT1)充电的电压幅值。

当满足负载供电的最低供电电压高于电池电压时，则选择开关电压的输出电压为负载的最低供电电压，并通过由开关管QT1组成的电流源给电池充电。当满足负载供电的最低供电电压低于电池电压时，则选择开关电源的输出电压高于电池电压以给电池充电，此时开关管QT1工作在直通状态。

此外，由开关管(Q1，Q2，Q3，Q4)和电容(CFLY1)组成的开关电容器提供了一个高效率的快速充电路径。当电池包中的电池电压满足快速充电的电压时，开关电源停止工作，输入电压调整到合适的电压幅值。同时，开关电容器开始工作，将输入电压的幅值减半并直接向电池包充电，此时的QT1工作在直通状态，电池包直接向用电单元供电。QT1除了具有上述的功能外，还可以工作在双向关断的状态，即不允许电流从任一方向流过。

但是，随着充电电池的普遍使用，现有的充电方案由于使用的半导体器件数量太多而成本过高，从而导致无法普及到低成本充电设备中。为此，南芯科技在2022年1月4日申请了一项名为“一种实现电压转换的电路拓扑”的发明专利（申请号：202210002861.8），申请人为上海南芯半导体科技股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的第一种电压变换电路的拓扑结构示意图，该方案中包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管QT1、第六开关管QT2以及电容、电感和电池。其中，第一开关管的一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，其另一端接电容的一端和第二开关管的一端。

第二开关管的另一端分别接第三开关管的一端、第五开关管的一端和电感的一端，第三开关管的另一端接电容和第四开关管的一端，第四开关管的另一端接地。电感的另一端接第六开关管的一端，第五开关管的另一端和第六开关管的另一端接电池的正极，电池的负极接地。其中，电感和第六开关管的连接点为电路拓扑的输出端。

在该方案中，第一开关管和第四开关管的开通时间互补，第二开关管和第三开关管的开通时间互补。在通常情况下，第一开关管和第二开关管中的一个工作状态为常开，第三开关管和第四开关管中的一个工作状态为常开。

此外，如上图，该方案中还公布了第二种电压变换电路的拓扑结构。在该结构中，拥有更多的开关管，相比于第一种方案，新增了第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管QT1、第十开关管QT2以及第一电容和第二电容。

第六开关管的一端分别接第九开关管的一端、第七开关管的一端以及电感的一端。第三开关管的一端接第一电容的一端和第四开关管Q4的一端。第七开关管的一端接第二电容的一端和第八开关管的一端。

第四开关管的一端和第八开关管的一端接地，电感的一端接第十开关管的一端。其中，电感和第十开关管的连接点也为电路拓扑的输出端。在该方案中，采用的开关管和关管也均具备双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。

以上就是南芯科技发明的应用于电源管理技术领域的实现电压转换的电路拓扑结构方案，该方案针对传统方法中由于使用的半导体器件数量太多而成本过高，从而导致无法普及到低成本充电设备的问题，提出将开关电源和开关电容器进行融合，使开关电源和开关电容器可以复用部分开关管，以减少所使用半导体器件的数量从而降低充电方案的成本。

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（校对/赵月）