CN103326576B - 开关型调节器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关型调节器及其调节方法，其中，输入电路接收所述输入电源，以产生一电流信号，来给所述n个输出电路提供输入能量；多路输出电路分别在不同的时间段内用以接收所述电流信号，并将其转换为相应的所述输出电压；第一续流支路用以接收输入电路的剩余能量。

Description

开关型调节器及其调节方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种开关型调节器及其调节方法。

背景技术

电压调节器，例如直流-直流变换器，用来给各种各样的电系统提供稳定的电压源。低电源设备中（如手提电脑、手机等）电池管理尤其需要高效率的直流-直流变换器。开关型电压调节器把输入直流电压转换成高频率电压，然后将高频输出电压进行滤波进而转换成直流输出电压。通常开关电源电路结构的每一路调节输出至少需要一个电感。这种实现方法的缺陷是电感数量过多，导致电源装置的尺寸太大而不能容纳于现今的紧凑的电子器件中。另外，这种解决方案的成本太高从而不适用低成本的应用。

线性调节器利用线性功率器件对输出进行调节，因此可以不需要使用电感器件,但功率转换时产生的功率损耗太大，会使电池的使用时间严重降低。另外，输入电压和输出之间相对较大的电压差会导致线性调节器装置过热，对热管理造成很大的挑战。如果使用额外的散热装置，则会使得整体方案尺寸太大而不能容纳于小型电子设备（如手机等）中。

如图1A所示，100A为具有多路输出的开关电源的原理框图。在该示例方案拓扑结构中，每一路调节输出至少具有一个电感，例如输出OUT1的电感L11，输出OUT2的电感L12。控制驱动电路模块102-1根据反馈节点FB11来控制开关M1A1和M1B1,从而将输入电压IN（例如输入电容C1IN两端的电压）转换调节成电容C11的输出OUT1。同理，控制驱动电路102-2根据反馈节点FB12来控制开关M1A2和M1B2,从而将输入电压IN转换调节成电容C12的输出OUT2。现今的电子设备（例如手机、个人掌上电脑等）大约需要十路以上的调节输出。如果所有的输出均利用开关型电源进行调节，则这样的N路输出电源解决方案将包含N个电感，这将导致尺寸增加、成本提高。

如图1B所示，100B为一种基于线性电源的多路输出的解决方案的原理框图。这里，控制驱动电路102-1通过反馈节点FB11控制开关M1A1（例如MOS晶体管）从而将输入电压IN（例如输入电容C1IN两端的电压）转换调节成输出电压OUT1（例如电容C11两端的电压）。同理，控制驱动电路102-2通过反馈节点FB12控制开关M1A2（例如MOS晶体管）从而将输入电压IN（例如输入电容C1IN两端的电压）转换调节成输出电压OUT2（例如电容C12两端的电压）。但是，这种实施方式会降低功率转换效率，并且不利于装置的散热处理。

发明内容

本发明提供一种具有多路输出的开关型调节器，以解决现有技术中功率损耗过大、电感用量过多以及动态响应慢的问题。

依据本发明实施例的一种开关型调节器，用以接收一输入电源，以在输出端产生n个输出电压，其特征在于，包括，一输入电路，n个输出电路，第一续流支路和控制电路，n为大于1的整数，其中，

所述输入电路包括感性元件和输入开关，用以接收所述输入电源，以产生一电流信号，来给所述n个输出电路提供输入能量；

所述输出电路包括一输出开关，用以接收所述电流信号，并将其转换为相应的所述输出电压；其中，每一输出电路包括一对应的电压阈值和一对应的表征期望输出电压的基准电压；

所述第一续流支路连接在所述输入电路的输出端，所述第一续流支路包括第一续流开关；

所述控制电路根据每一所述输出电压和每一所述基准电压之间的误差，以及每一所述输出电压和每一所述电压阈值的比较结果，生成n个输出控制信号和续流控制信号，以控制所述输出开关以及所述第一续流开关的开关状态；前一所述输出控制信号作为后一所述输出控制信号和所述续流控制信号的触发信号；

并且，所述控制电路根据n个所述误差和所述续流控制信号以生成输入控制信号，来控制所述输入开关的开关状态。

一个实施例中，n个所述输出控制信号和所述续流控制信号的占空比之和为1。

另一实施例中，n个所述输出控制信号、所述续流控制信号和所述输入控制信号的占空比之和为1。

进一步的，所述输出电路还包括滤波电路，所述滤波电路的一端连接至所述输出开关，另一端连接至一输出负载；所述滤波电路的输出信号为所述输出电压。

一种实施例中，所述第一续流开关连接在所述输入电路的输出端和地电位之间。

另一种实施例中，所述第一续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输入电源的正端之间。

进一步的，所述控制电路包括由n个误差运算电路，n个过压比较电路和n个脉冲信号发生电路组成的输出控制电路；其中，

所述误差运算电路用以接收所述输出电压和阈值对应的所述基准电压，并计算两者之间的误差，以得到n个误差信号；

所述过压比较电路用以比较所述输出电压和阈值对应的所述电压阈值，以得到n个比较信号；

每一所述脉冲信号发生电路包括一触发信号和一关断信号；其中，

第一所述脉冲信号发生电路的所述触发信号为第一外部触发信号，所述关断信号根据对应的所述比较信号和所述误差信号产生；

第二至第（n-1）脉冲信号发生电路的触发信号为前一所述脉冲信号发生电路的输出信号，所述关断信号根据对应的所述比较信号和所述误差信号产生；

第n-1脉冲信号发生电路的触发信号为第（n-1）脉冲信号发生电路的输出信号，所述关断信号为第二外部触发信号；

所述n个脉冲信号发生电路的输出信号依次作为所述n个输出控制信号。

进一步的，第一至第（n-1）所述脉冲信号发生电路包括峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者电压反馈电路。

进一步的，所述控制电路还包括续流控制电路，所述续流控制电路的触发信号为第n个所述输出控制信号，截止信号为所述第二外部触发信号，以在输出端生成所述续流控制信号。

进一步的，，所述控制电路还包括输入控制电路，所述输入控制电路包括峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者电压反馈电路。

优选的，所述感性元件包括一电感或者变压器。

优选的，所述第二外部触发信号为时钟信号。

进一步的，所述开关型调节器还包括第二续流支路，用以当所述n个输出电路和所述第一续流支路均不工作时，通过所述第二续流支路接收所述输入能量。

进一步的，所述第二续流支路包括第二续流开关。

一实施例中，所述第二续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输入电源的正端之间。

另一实施例中，所述第二续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输出电压的数值最大的一路所述输出电路的输出端之间。

优选的，所述开关型调节器为降压型或者升压型或者升压-降压或者反激式拓扑结构。

依据本发明一实施例的一种开关型调节器的调节方法，包括以下步骤：

输入电路接收输入电源，生成一电流信号；

触发第一输出开关；

当第m输出开关导通时，对应的第m输出电路接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为第m输出电压；

比较所述第m输出电路的输出电压和与之对应的电压阈值；

当所述输出电压小于所述电压阈值时，根据所述输出电压和阈值对应的基准电压之间的误差控制所述第m输出开关的关断动作；

当所述输出电压大于所述电压阈值时，关断所述第m输出开关；

前一输出开关的关断动作触发下一输出开关；其中，m的数值为从1至（n-1）；

触发第n输出开关；

当所述第n输出电路的输出电压小于对应的电压阈值时，所述第n输出开关的关断动作和外部触发信号维持一致，不触发第一续流开关；

当所述第n输出电路的输出电压大于对应的电压阈值时，关断所述第n输出开关，触发所述第一续流开关，第一续流开关的关断动作和所述外部触发信号维持一致；所述电流信号传递至第一续流支路；

根据所有输出电路的误差和所述第一续流开关的开关状态控制输入开关的开关状态，以调节所述电流信号。

优选的，所述开关型调节器的调节方法还包括，当所述输出开关和所述第一续流开关均关断时，触发第二续流开关，所述电流信号传递至第二续流支路。

一实施例中，n个所述输出开关的导通时间和所述第一续流开关的导通时间之和为一开关周期。

另一实施例中n个所述输出开关的导通时间、所述第一续流开关的导通时间和所述输入开关的导通时间之和之和为1。

一实施例中，所述外部触发信号触发所述第一输出开关。

另一实施例中，所述输入开关的关断动作触发所述第一输出开关。

优选实施例可以包括不同类型的开关型调节器拓扑，每一种拓扑均具有一个感性元件以调节多路输出通道使之具有不同的输出电压。例如，升压、降压以及升降压等电压转换器。感性元件中储存的能量分别在不同的时间段内被传递到每一路输出。每一个设定的时间间隔占整个开关周期的比率由相应输出的反馈回路控制。

当每一所述输出电压均小于对应的所述电压阈值时，所述控制电路根据所述输出电压和所述基准电压之间的误差并按固定的时序生成所述n个输出控制信号；其中，在每一开关周期内，所述n个输出控制信号的有效区间依次排列，互不重叠；所述第一续流开关处于断开状态；

当至少一路所述输出电压大于对应的所述电压阈值时，对所述输出电压小于所述电压阈值的输出电路，所述控制电路根据所述误差生成所述输出控制信号；对所述输出电压大于所述电压阈值的输出电路，所述控制电路根据所述输出电压和所述电压阈值的比较结果生成所述输出控制信号；其中，在每一开关周期内，所述n个输出控制信号和所述续流控制信号的有效区间依次排列，互不重叠，从而实现快速的动态响应。

附图说明

图1A是适合于多路输出应用的基于开关型电源的现有一种电源解决方案的原理框图；

图1B是适合于多路输出应用的基于线性电源的现有一种电源解决方案的原理框图；

图2A所示为依据本发明一实施例的开关型调节器的原理框图；

图2B所示为图2A所示的开关型调节器200在第一工作状态时的工作波形图；

图2C所示为图2A所示的开关型调节器200在第二工作状态时的工作波形图；

图3所示为依据本发明另一实施例的开关型调节器的原理框图；

图4A所示为依据本发明一实施例的控制电路中的输出控制电路和续流控制电路的工作原理；

图4B所示为依据本发明一实施例的控制电路中的输入控制电路原理框图；

图5A所示为依据本发明另一实施例的控制电路中的输出控制电路和续流控制电路的原理框图；

图5B所示为依据本发明另一实施例的控制电路中的输入控制电路的一种具体实现方式；

图6A所示为依据本发明又一实施例的开关型调节器的原理框图；

图6B所示为图6A所示的开关型调节器600在第一工作状态时的工作波形图；

图6C所示为图6A所示的开关型调节器600在第二工作状态时的工作波形图；

图7所示为依据本发明一实施例的开关型调节器的调节方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2A，所示为依据本发明一实施例的开关型调节器的原理框图。在该实施例中，以开关型调节器为降压型拓扑结构，以及开关型调节器具有三路输出为例进行说明。

具体的，开关型调节器包括输入电路201，3路输出电路（输出电路202-1，输出电路202-2、输出电路202-3），第一续流支路203和控制电路204。其中，输出电路202-2和输出电路202-3与输出电路202-1具有相同的结构，在图示中仅示明输出电路202-1。

在该实施例中，输入电路201包括电感L，输入开关S_T和输入开关S_B，来接收输入电源V_IN。输入开关S_T和输入开关S_B被周期性的导通和关断，电感L周期性的储存能量和释放能量，从而电感电流i_L传递至输出电路以及第一续流支路203。

输出电路202-1包括输出开关S_O1，输出滤波电路，在该实施例中输出滤波电路包括滤波电容C_O1，用以在输出端获得输出电压V_OUT1。当输出开关S_O1导通时，电感电流i_L传递至该输出电路；输入电路201和输出电路202-1组成一降压型功率级电路。当输出开关S_O1关断时，无电感电流i_L传递至该输出电路。调节输出开关S_O1导通和关断的时间，保证输出电压V_OUT1与期望输出电压保持一致。

各输出电路依次并联连接至输入电路201的输出端。

第一续流支路203包括第一续流开关S_F，连接在输入电路201和各输出电路之间。当第一续流开关S_F1导通时，接收电感电流i_L；当第一续流开关S_F1断开时，无电感电流i_L流过第一续流支路203。

控制电路204用以根据各输出电路的输出电压产生相应的输出控制信号V_SO1，V_SO2，V_SO3，续流控制信号V_SF和输入控制信号V_ST，V_SB；输出控制信号V_SO1，V_SO2，V_SO3分别用以控制输出开关S_O1，S_O2，S_O3的开关状态；续流控制信号V_SF用以控制第一续流开关S_F1的开关状态；输入控制信号V_ST，V_SB分别用以控制输入开关S_T，S_B的开关状态。

根据每一输出电压和与之对应的一电压阈值的大小关系，控制电路204通过以下两种控制模式来产生输出控制信号V_SO1，V_SO2，V_SO3，续流控制信号V_SF和输入控制信号V_ST，V_SB。

在第一工作状态时，所有输出电路（202-1，202-2和202-3）的输出电压，即输出电压V_OUT1，V_OUT2和V_OUT3，均小于与之对应的电压阈值V_TH1，V_TH2和V_TH3时，控制电路204根据输出电压V_OUT1，V_OUT2和V_OUT3和与之对应的基准电压V_REF1，V_REF2和V_REF3之间的误差和固定的时序来生成输出控制信号V_SO1，V_SO2，V_SO3，续流控制信号V_SF和输入控制信号V_ST，V_SB。在每一开关周期内，3个输出控制信号的有效区间依次排列，互不重叠；续流控制信号保持为无效状态，第一续流开关S_F1保持为关断状态。这里，基准电压V_REF1，V_REF2和V_REF3分别表征输出电路202-1，202-2和202-3的期望输出电压。输入控制信号V_ST，V_SB成互补关系。

参考图2B，所示为图2A所示的开关型调节器200在第一工作状态时的工作波形图。

在开关周期T₁内（时刻t₀至时刻t₄），在开关周期的起始时刻t₀，输出开关S_O1导通，输入开关S_T导通，其他开关均处于关断状态。控制电路204根据输出电压V_OUT1和基准电压V_REF1之间的误差控制输出开关S_O1的开关状态，输出控制信号V_SO1在时刻t₀至时刻t₁的时间区间内保持为高电平，处于有效状态，因此，输出开关S_O1在时刻t₀至时刻t₁的时间区间内保持为导通状态。电感电流i_L按照一定的斜率持续上升，并传递至输出电路202-1。

在时刻t₁，输出控制信号V_SO1转换为低电平，输出开关S_O1被关断后，触发输出控制信号V_SO2，输出控制信号V_SO2开始变为高电平，输出开关S_O2被导通。控制电路204根据输出电压V_OUT2和基准电压V_REF2之间的误差控制输出开关S_O2的开关状态，输出控制信号V_SO2在时刻t₁至时刻t₃的时间区间内保持为高电平，处于有效状态，因此，输出开关S_O2在时刻t₁至时刻t₃的时间区间内保持为导通状态。电感电流i_L传递至输出电路202-2。其中，由于输入开关S_T在时刻t₂被关断，输入开关S_B被导通，即输入控制信号V_ST在时刻t₂变为低电平，因此，在时刻t₁至时刻t₂的时间区间内，电感电流i_L按照另一斜率持续上升；在时刻t₂至时刻t₃的时间区间内，电感电流i_L持续下降。

在时刻t₃，输出控制信号V_SO2转换为低电平，输出开关S_O2被关断后，触发输出控制信号V_SO3，输出控制信号V_SO3开始变为高电平，输出开关S_O3被导通。输出控制信号V_SO3的高电平状态一直持续至当前开关周期的结束时刻，即时刻t₄。因此，输出开关S_O2在时刻t₁至时刻t₃的时间区间内保持为导通状态，电感电流i_L传递至输出电路202-2。

在该工作状态时，控制电路204根据所有输出电路的误差信息来控制输入开关S_T和输入开关S_B的开关状态，保证输入电路201所提供的能量与所有输出电路所需要的能量保持一致。

在下一开关周期T₂内，控制电路204重复上述控制操作。周而复始，通过控制电路204控制所有输出电路的输出电压维持恒定，并且与对应的基准电压保持一致。

可见，在第一工作状态时，在每一开关周期内，所述n个输出控制信号的有效区间（即处于高电平的时间区间）依次排列，互不重叠。续流控制信号始终处于低电平状态，第一续流开关S_F保持为关断状态。

图2A所示的开关型调节器200在第二工作状态时，至少有一个输出电压大于其对应的电压阈值。这里，电压阈值可以设置为一略大于期望输出电压的数值，例如可以为102%等数值。在该工作状态时，对于输出电压小于其对应的电压阈值的输出电路，控制电路204仍然根据该输出电路的输出电压和对应的基准电压之间的误差来控制该输出电路中的输出开关的开关状态。对于输出电压大于其对应的电压阈值的输出电路，控制电路204根据该输出电路的输出电压和电压阈值的比较结果来控制该输出电路中的输出开关以及第一续流开关的开关状态。这里，在每一开关周期内，3个输出控制信号和续流控制信号的有效区间依次排列，互不重叠。

参考图2C，所示为图2A所示的开关型调节器200在第二工作状态时的工作波形图。这里，假设第三路输出电路202-3的输出电压V_OUT3大于其对应的电压阈值V_TH3。

在开关周期T₃内（时刻t₅至时刻t₉），输出开关S_O1和输出开关S_O2的控制方式同图2B所示的开关型调节器200在第一工作状态时的控制方式，在此不再赘述。

与图2B所示的开关型调节器200在第一工作状态时的控制方式不同的是，在时刻t₇，输出控制信号V_SO2由高电平转换为低电平，然后触发输出控制信号V_SO3。输出控制信号V_SO3开始由低电平转换为高电平。假设在时刻t₈，输出电压V_OUT3超过对应的电压阈值V_TH3，控制电路204强制将输出控制信号V_SO3由高电平转换为低电平；并且，触发续流控制信号V_SF。续流控制信号V_SF由低电平转换为高电平，并一直持续至当前开关周期T₃的结束时刻t₉。在下一开关周期T₄内，如果仍然存在一路输出电压大于其电压阈值，则控制电路的控制方式同开关周期T₃内的控制方式。输入控制信号V_ST，V_SB成互补关系。

可见，在第二工作状态时，在每一开关周期内，开关型调节器的所有输出控制信号和续流控制信号的有效区间依次排列，互不重叠。当第一续流开关S_F1导通时，如果此时输入开关S_T处于导通状态，则输入电源V_IN继续对电感L进行充电，电感电流i_L持续增加；而如果此时输入开关S_B处于导通状态，则电感电流i_L维持不变。

当开关型调节器200的输出负载发生较大的跳变时，例如，当第一路输出电路的输出负载变轻时，输出电压V_OUT1瞬时升高，而超过其对应的电压阈值V_TH1，此时控制电路204将提前强制关断输出开关S_O1，阻断输入电路201的能量继续传递至输出电路202-1。同时，控制电路204触发输出开关S_O2，提前将输出开关S_O2导通。再次判断输出电压V_OUT2和电压阈值V_TH2的数值大小。如果输出电压V_OUT2小于电压阈值V_TH2，则根据输出电压V_OUT2和基准电压V_REF2的误差来控制输出开关S_O2的开关状态。反之，如果输出电压V_OUT2大于电压阈值V_TH2，则控制电路204将提前强制关断输出开关S_O2，并且提前导通输出开关S_O3。如果输出电压V_OUT3大于电压阈值V_TH3，则提前关断输出开关S_O3，并且导通第一续流开关S_F1。电感电流i_L传递至第一续流支路203，输入电路201的多余的能量通过第一续流支路得以释放。

通过以上对依据本发明实施例的开关型调节器及其不同工作状态时的工作原理的详细说明，可以看出，在第一工作状态，即稳定工作状态时，根据每一输出电压的误差信息通过反馈控制来实现对第一路至第（n-1）路输出电路的控制；根据n路输出电压的误差信息来控制输入开关的状态，实现对输入电路向输出电路的传递的能量的总数的控制，进而实现对第n路输出电路的恒压控制。输入电路提供的功率与所有输出电路的输出功率总和保持一致。在稳定工作状态时，n个输出控制信号中前一输出控制信号作为下一输出控制信号的触发源，n个输出控制信号的导通占空比之和为1。在每一开关周期内，n个输出开关依次交替导通。输入开关的控制可仅通过n路输出电压的误差信息来实现。

在第二工作状态时，即输出负载发生跳变时，通过输出电压与电压阈值的比较结果，控制电路提前关断对应的输出开关，强制提前切断输入电路对该路输出电路的能量供应；并且，通过第一续流支路将剩余的能量进行释放，从而实现了快速的动态响应，同时也实现了良好的输出过压保护。

另外，本领域技术人员可以得知，电路中不可避免的会存在各种干扰，各开关并不能按照理想情况导通或者关断，可能会延时或者提前。因此在多个开关的换流期间，为了防止直通，以及保证各开关之间的时序关系，会设置一定的死区时间来保证各开关之间按照设定的时序进行开关动作。如图2B和图2C所示的工作波形，各控制信号之间存在一定的死区时间。依据本发明实施例的开关型调节器中，还可以包括一第二续流支路。当所有输出开关以及第一续流开关均处于关断状态时，即在死区时间内，将输入电路提供的能量传递至第二续流支路，以提高系统的稳定性。

具体的，第二续流支路包括第二续流开关。当所有输出开关以及第一续流开关均为关断时，导通第二续流开关。在图2A所示的实施例中，第二续流支路的一种实现方式为，第二续流开关S_D1设置为一二极管，阳极连接至电感L的输出端，阴极连接至具有最高输出电压数值的第三输出电路202-3的输出端。当输出开关S_O1，S_O2，S_O3以及第一续流开关S_F均关断时，二极管导通，电感电流i_L通过第二续流开关S_D1传递至第三输出电路202-3。其中，第二续流开关S_D1可以设置为与输出开关S_O3并联连接的单独的二极管；或者如果输出开关S_O3选择为具有体二极管的MOSFET晶体管时，其体二极管作为第二续流开关。当所有输出开关以及第一续流开关均为关断时，电感电路i_L通过第二续流开关S_D1传递至第三输出电路的输出端。

参考图3，所示为依据本发明另一实施例的开关型调节器的原理框图。与图2A所示的实施例不同的是，在该实施例中提供了另一种第一续流支路和第二续流支路的具体实现方式。与图2A所示的实施例相同的部分在此不再进行详细说明。

第一续流支路和第二续流支路的工作原理说明如下：

第一续流开关S_F2连接在电感L的输出端和输入电源V_IN的正端之间；第二续流开关S_D2与第一续流开关S_F2并联连接，同样连接在电感L的输出端和输入电源V_IN的正端之间。

当输入电路提供的电感电流i_L大于所有输出电路所需要的电流时，导通第一续流开关S_F2。如果输入开关S_T导通，输入电源V_IN，电感L组成一闭合环路，电感电流i_L维持不变。而如果输入开关S_B导通，输入电源V_IN，电感L和地电位组成一闭合环路，电感电流i_L持续下降。因此，电感电流得到了很好的抑制，电路系统能够更快的达到输入功率和输出功率之间的平衡。

当所有输出开关和第一续流开关均关断时，即在死区时间内，电感电流i_L通过第二续流开关S_D2传递至输入电源V_IN。

在该实施例中，第二续流开关S_D2可以为一单向导通的二极管，阳极连接至电感L的输出端，阴极连接至输入电源V_IN的正端。如果第二续流开关S_D2与第一续流开关S_F2选择为具有体二极管的MOSFET晶体管时，该体二极管可以作为第二续流开关S_D2。

以下将结合具体实施例详细说明依据本发明一实施例的开关型调节器的控制电路的具体实现方式和工作原理。在该实施例中，控制电路包括输出控制电路，续流控制电路和输入控制电路。其中，输出控制电路和续流控制电路如图4A所示；输入控制电路如图4B所示。

以下将结合图4A详细说明依据本发明一实施例的输出控制电路和续流控制电路的工作原理。为方便说明，将n路输出电路依次定义为第一输出电路至第n输出电路；n个输出电压依次定义为第一输出电压值至第n输出电压；输出电路中的输出开关依次定义为第一输出开关至第n输出开关。

输出控制电路包括n个误差运算电路401-1至401-n，n个比较电路402-1至402-n，以及n个脉冲信号发生电路403-1至403-n。

误差运算电路401-1接收输出电压V_OUT1和与之对应的基准电压V_REF1，或者与两者成相同比例的电压信号，以得到表征当前输出电压和期望输出电压之间的误差的误差信号V_error1。其他误差运算电路工作原理与之相同，以产生n路误差信号V_error1至V_errorn。

过压比较电路402-1接收输出电压V_OUT1和与之对应的电压阈值V_TH1，或者与两者成相同比例的电压信号，以得到比较信号V_cmp1。其他过压比较电路工作原理与之相同，以产生n路比较信号V_cmp1至V_cmpn。

每一脉冲信号发生电路均包括一触发信号和一截止信号，所述触发信号用以触发所述脉冲信号发生电路，所述截止信号用以复位所述脉冲信号发生电路。

例如，第一脉冲信号发生电路403-1的触发信号是一外部触发信号，例如可以是一固定频率的时钟信号CLK；截止信号可以是根据误差信号V_error1或者比较信号V_cmp1而生成的。第一脉冲信号发生电路403-1的输出信号为第一输出控制信号V_SO1，来控制第一输出电路中的输出开关的开关状态。

第二至第（n-1）脉冲信号发生电路403-2至403-（n-1）的触发信号为前一脉冲信号发生电路的输出信号；截止信号可以是根据误差信号V_error1或者比较信号V_cmp1而生成的。第二至第（n-1）脉冲信号发生电路的输出信号为第二至第（n-1）输出控制信号V_SO2至V_SO(n-1)，来控制第二输出开关至第（n-1）输出开关的输出状态。

第n脉冲信号发生电路403-n的触发信号为第（n-1）控制信号V_SOn-1；截止信号根据比较信号V_cmpn或者所述外部触发信号，如时钟信号CLK。

续流控制电路404同样包括一触发信号和一截止信号。续流控制电路404的触发信号为第n脉冲信号发生电路403-n的输出信号V_SOn，截止信号为所述外部触发信号，如时钟信号CLK。

因此，在第一工作状态时，输出控制电路的输出信号V_SO1至V_SOn依次触发，并且维持输出信号V_SO1至V_Son的占空比之和为1。

而在第二工作状态时，输出控制电路的输出信号V_SO1至V_SOn和续流控制信号V_SF依次触发，并且维持输出信号V_SO1至V_Son和续流控制信号V_SF的占空比之和为1。

参考图4B，所示为依据本发明一实施例的控制电路中的输入控制电路原理框图。结合图4A，输入控制电路405接收n个误差信号V_error1至V_errorn，以及续流控制信号V_SF，以根据所有输出电路所需要的能量或者功率之和来控制输入开关的开关状态，进而调节输入电路所提供的能量或者功率，使之与所有输出电路所需要的能量或者功率之和维持一致。

以下将结合原理框图详细说明依据本发明另一实施例的控制电路的工作原理。为方便说明，以开关型调节器的主电路为图2A所示的实施例为例。其中，图5A所示为控制电路中的输出控制电路和续流控制电路的一种具体实现方式；图5B所示为控制电路中的输入控制电路的一种具体实现方式。

以下将结合图5A详细说明依据本发明另一实施例的输出控制电路和续流控制电路的工作原理。在该实施例中，对输出电压的反馈控制采用的是峰值电流控制模式，因此，输出控制电路包括对应的电路组成结构。具体的，对第一输出开关的控制通过以下电路结构实现：

运算放大器501-1的同相输入端接收输出电压V_OUT1，反相输入端接收与之对应的基准电压V_REF1，以在输出端生成误差信号V_error1。

误差信号V_error1经过补偿电路进行补偿运算，以生成补偿信号V_C1。这里，补偿电路可以为各种不同的电路结构，例如RC电路或者电容或者两者的组合。补偿电路具有一定的补偿系数。

比较器502-1的反相输入端接收补偿信号V_C1，同相输入端接收一斜坡信号，所述斜坡信号可以为一锯齿波信号V_ramp1和一表征流过输出开关S_O1的电流峰值的电压信号V_i1之和，以在输出端生成比较信号V_cmp11。

比较器503-1的同相输入端接收输出电压V_OUT1，反相输入端接收与之对应的电压阈值V_TH1，以在输出端生成比较信号V_cmp1。

或门504-1的两个输入端分别接收比较信号V_cmp11和比较信号V_cmp1。

RS触发器505-1的复位端接收或门504-1的输出信号，置位端接收时钟信号CLK，输出端的输出信号作为输出控制信号V_SO1。

在每一开关周期的起始时刻，时钟信号CLK置位RS触发器505-1，输出控制信号V_SO1为高电平状态，导通输出开关S_O1，输出电压V_OUT1连续上升。

在第一工作状态时，输出电压V_OUT1小于电压阈值V_TH1，根据比较信号V_cmp11的状态来控制输出开关S_O1的关断时刻。当锯齿波信号V_ramp1和电压信号V_i1之和大于补偿信号V_C1时，比较信号V_cmp11变为高电平，通过或门504-1，RS触发器505-1被复位，输出控制信号V_SO1变为低电平状态，关断输出开关S_O1。周而复始，维持输出电压V_OUT1与基准电压V_REF1一致。

在第二工作状态时，当输出电压V_OUT1大于电压阈值V_TH1，比较信号V_cmp1为高电平状态，通过或门504-1，RS触发器505-1被复位，输出控制信号V_SO1变为低电平状态，关断输出开关S_O1，输出电压V_OUT1开始下降。

对第二输出开关的控制电路结构中与第一输出开关的控制相同的部分在此不再进行详细说明。不同的是，RS触发器505-2的置位端的输入信号为前一个输出控制信号V_SO1的非信号，其可以通过非门506-1来实现。当输出控制信号V_SO1由高电平变为低电平时，即输出控制信号V_SO1的下降沿置位RS触发器505-2，从而输出控制信号V_SO2变为高电平。

对最后一路输出电路中输出开关的控制通过以下电路结构实现：

比较器503-3的同相输入端接收输出电压V_OUT3，反相输入端接收与之对应的电压阈值V_TH3，以在输出端生成比较信号V_cmp3。

或门504-3的两个输入端分别接收比较信号V_cmp3和时钟信号CLK+1，时钟信号CLK+1可以通过延时来实现。

RS触发器505-3的置位端接收输出控制信号V_SO2的非信号复位端接收或门504-3的输出信号。

输出控制信号V_SO2的下降沿触发RS触发器505-3，输出控制信号V_SO3开始变为高电平。当输出电压V_OUT3大于电压阈值V_TH3，或者时钟信号CLK+1再次被触发时，复位RS触发器505-3，输出控制信号V_SO3由高电平变为低电平。

续流控制电路包括RS触发器507，其置位端接收输出控制信号V_SO3的非信号，复位端接收时钟信号CLK+1。

在第一工作状态时，输出控制信号V_SO3的高电平状态持续至当前开关周期的结束时刻，因此，续流控制信号V_SF始终保持为低电平。

在第二工作状态时，比较信号V_cmp3提前强制将输出控制信号V_SO3转换为低电平，同时触发器507被触发，续流控制信号V_SF开始变为高电平，并一直持续至当前开关周期的结束时刻。

参考图5B，所示为依据本发明实施例的控制电路中的输入控制电路的详细原理框图。

在该实施例中，输入开关的控制方式同样采用峰值电流控制模式。输入电流控制电路包括比较器508和RS触发器509。比较器508的反相输入端接收补偿信号V_C，同相输入端接收一斜坡信号，所述斜坡信号可以为一锯齿波信号V_ramp和一表征电感电流峰值的电压信号V_iL之和，以在输出端生成比较信号V_cmp。

RS触发器509的复位端接收比较信号V_cmp，置位端接收时钟信号CLK，输出信号作为输入控制信号V_ST。

这里，补偿信号V_C根据所有输出电路的误差信号和续流控制信号V_SF进行设置。结合图5A，补偿信号V_C可以根据如下公式（1）进行设置：

V_c=k₁×V_c1+k₂×V_c2+k₃×V_c3+k₄×V_FAVG（1）

其中，比例系数k₁，k₂，k₃和k₄根据补偿电路的补偿系数进行相应设置。电压信号V_FAVG可以通过一RC滤波电路5B-2来实现。

具体的，电阻510和电容511串联连接，输入端接收控制信号V_SF，对续流控制信号V_SF进行滤波运算，输出端的输出信号作为电压信号V_FAVG。

与图5A中补偿信号的产生电路和工作原理相同，补偿信号V_C3的产生电路如图5B-1所示。

通过上述设置，第一续流支路和所有输出电路的误差信息之和来控制输入开关的开关状态，从而能够较快的实现输入功率和输出功率之间的平衡。

参考图6A，所示为依据本发明又一实施例的开关型调节器的原理框图。在该实施例中，开关型调节器600采用升压型拓扑结构，控制电路没有示出。

开关型调节器600包括由电感L1和输入开关S_T1组成的输入电路，以及两路输出电路，第一续流支路和第二续流支路。

每一输出电路包括输出开关和输出滤波电路；例如，第一路输出电路包括输出开关S1和滤波电容C1。当输出开关导通时，输入电路和该路输出电路组成一升压型拓扑结构，输出电路接收输入电路的能量。

第一续流支路连接在输入电路的输出端和输入电源V_IN的正端之间。第一续流支路包括第一续流开关S_F1，第一续流开关S_F1连接在电感L1和输入开关S_T1的公共连接点和输入电源V_IN的正端之间。当输入电路提供的能量大于所有输出电路需要的能量时，通过第一续流支路接收输入电路的能量。

第二续流支路连接在输入电路的输出端和第二输出电路的输出端之间。第二续流支路包括第二续流开关S_D1，第二续流开关S_D1包括一并联连接在输出开关S2的两端的二极管。第二输出电压V_OUT2具有较高的数值。当所有输出开关以及第一续流开关均处于关断时，即在死区时间内，通过第二续流支路接收输入电路的能量。

以下将结合图6B和图6C所示的图6A所示的开关型调节器的工作波形来详细说明其工作原理。

参考图6B，所示为开关型调节器600在第一工作状态时的工作波形图。在第一工作状态时，第一续流开关S_F1始终处于关断状态。在开关周期T₁内，在起始时刻t₀，输入开关S_T1开始导通电感电流i_L连续上升，电感L₁进行储能。在时刻t₁，关断输入开关S_T1；然后导通输出开关S1，电感电流i_L传递至第一输出电路，并且，电感电流i_L持续下降，电感L1中的储能传递至第一输出电路。在时刻t₂，关断输出开关S1；然后导通输出开关S2，电感电流i_L传递至第二输出电路，电感L1中的储能传递至第二输出电路。根据两路输出电压的误差信息控制输入开关的开关状态，调节电感电流i_L，控制输入电路的输入功率和所有输出电路的输出功率之和维持一致。每一输出电压维持为与对应的基准电压一致，并且不会超出对应的电压阈值。

参考图6C，所示为开关型调节器600在第二工作状态时的工作波形图。

在第二工作状态时，在开关周期T₃内，在起始时刻t₄，输入开关S_T1开始导通电感电流i_L连续上升，电感L₁进行储能。在时刻t₅，关断输入开关S_T1；然后导通输出开关S1，电感电流i_L传递至第一输出电路，并且，电感电流i_L持续下降，电感L1中的储能传递至第一输出电路。在时刻t₆，关断输出开关S1；然后导通输出开关S2，电感电流i_L传递至第二输出电路。如果第二输出电路的输出负载发生跳变，而导致输出电压V_OUT2急速上升至电压阈值，则提前关断输出开关S2，并导通第一续流开关S_F1。电感电流i_L不会再传递至第二输出电路，在第二续流支路内，电感电流i_L维持不变。通过这种控制方式，获得了较快的动态响应。

通过以上对开关型调节器600的工作原理的详细说明，以及结合4A至图5B中的控制电路的具体实现方式，根据开关型调节器所采用的反馈控制类型，例如峰值电流控制模式或者平均电流控制模式或者电压反馈控制模式，可以推知各输出控制信号，输入控制信号和续流控制信号之间的时序关系，以及控制电路的具体实现方式，在此不再进行说明。

参考图7，所示为依据本发明一实施例的一种开关型调节器的调节方法，其包括以下步骤：

S701：输入电路接收输入电源，生成一电流信号；所述输入电路包括感性元件和输入开关；

S702：触发第一输出开关；

S703：当第m输出开关导通时，对应的第m输出电路接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为第m输出电压；

比较所述第m输出电路的输出电压和与之对应的电压阈值；

S704：当所述输出电压小于所述电压阈值时，根据所述输出电压和与之对应的基准电压之间的误差控制所述第m输出开关的关断动作；

S705：当所述输出电压大于所述电压阈值时，关断所述第m输出开关；

前一输出开关的关断动作触发下一输出开关；其中，m的数值为从1至（n-1）；

S706：触发第n输出开关；

S707：比较第n输出电路的输出电压和对应的电压阈值；

S708：当所述第n输出电路的输出电压小于对应的电压阈值时，所述第n输出开关的关断动作和外部触发信号维持一致；

S709：不触发第一续流开关；

S710：当所述第n输出电路的输出电压大于对应的电压阈值时，关断所述第n输出开关；

S711：触发所述第一续流开关，第一续流开关的关断动作和所述外部触发信号维持一致；所述电流信号传递至第一续流支路；

S712：根据所有输出电路的误差和所述第一续流开关的开关状态控制输入开关的开关状态，以调节所述电流信号。

周而复始，实现对多路输出电压的调节，并且获得良好的动态响应。

依据本发明实施例的开关型调节器的调节方法，一方面，输入电路的感性元件中储存的能量分别在不同的时间段内被传递到每一路输出。每一个设定的时间间隔占整个开关周期的比率由相应输出的反馈回路控制。另一方面，输入开关的开关状态由所有输出电路的当前输出电压和期望输出电压之间的误差进行控制，从而保证输入电路提供的能量与输出电路所需的能量维持一致；并且在负载发生跳变时，较快的实现输入功率和输出功率之间的平衡。

图7所示的开关型调节器的调节方法还可以包括，当所述输出开关和所述第一续流开关均关断时，触发第二续流开关，所述电流信号传递至第二续流支路。

图7所示的开关型调节器的调节方法中，n个所述输出开关的导通时间和所述第一续流开关的导通时间之和为一开关周期。

图7所示的开关型调节器的调节方法中，对第一输出开关的触发可以通过所述外部触发信号进行触发，例如外部时钟信号。或者利用所述输入开关的关断动作触发所述第一输出开关。

图7所示的开关型调节器的调节方法中n个所述输出开关的导通时间、所述第一续流开关的导通时间和所述输入开关的导通时间之和之和为1。

可见，依据本发明实施例的开关型调节器，输入电路用以给各路输出电路提供电流源，并且，根据各路输出电路的当前输出电压信息实现对电流源的可控调节，进而获得稳定的多路输出电压。以上对本发明的开关型调节器的电路和结构进行了详尽描述，本领域技术人员据此可以推知其他技术和/或结构，以及其他电路布局、元件等均可应用于所述实施例。输入开关，输出开关可以为各种类型的可控开关，例如MOSFET晶体管或者结型场效应晶体管。第一续流支路和第二续流支路的结构和连接关系根据开关型调节器的拓扑结构可以进行相应的替换和变更。开关型调节器的拓扑结构可以为降压型或者升压型或者升压-降压型或者隔离式反激式拓扑结构等。

另外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (27)

1.一种开关型调节器，用以接收一输入电源，以在输出端产生n个输出电压，其特征在于，包括，一输入电路，n个输出电路，第一续流支路和控制电路，n为大于1的整数，其中，

所述输入电路包括感性元件和输入开关，用以接收所述输入电源，以产生一电流信号，来给所述n个输出电路提供输入能量；

每一所述输出电路包括一输出开关，用以接收所述电流信号，并将其转换为相应的所述输出电压；其中，每一输出电路包括一对应的电压阈值和一对应的表征期望输出电压的基准电压；

所述第一续流支路连接在所述输入电路的输出端，所述第一续流支路包括第一续流开关；

所述控制电路根据表征每一所述输出电压和每一所述基准电压之间的误差的误差信号，以及每一所述输出电压和每一所述电压阈值的比较结果，生成第一至第n个共n个输出控制信号和续流控制信号，以控制所述输出开关以及所述第一续流开关的开关状态；

当所述输出电压小于所述电压阈值时，所述第一输出控制信号的触发信号为外部触发信号，所述第m输出控制信号的触发信号为所述第m-1输出控制信号，2≤m≤n；

当所述输出电压大于所述电压阈值时，提前关断相应的所述输出开关；所述续流控制信号的触发信号为所述第n输出控制信号，以将剩余能量通过所述第一续流电路进行释放；

并且，所述控制电路根据n个所述误差信号和所述续流控制信号以生成输入控制信号，来控制所述输入开关的开关状态。

2.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，n个所述输出控制信号和所述续流控制信号的占空比之和为1。

3.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，n个所述输出控制信号、所述续流控制信号和所述输入控制信号的占空比之和为1。

4.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述输出电路还包括连接在所述输出开关和输出负载之间的滤波电路，所述滤波电路的输出信号为所述输出电压。

5.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述第一续流开关连接在所述输入电路的输出端和地电位之间。

6.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述第一续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输入电源的正端之间。

7.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述控制电路包括输入控制电路，所述输入控制电路包括峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者电压反馈电路。

8.根据权利要求7所述的开关型调节器，其特征在于，每一所述误差信号和所述续流控制信号进行比例运算后的总和作为所述输入控制电路的补偿信号。

9.根据权利要求7所述的开关型调节器，其特征在于，所述控制电路包括由n个误差运算电路，n个过压比较电路和n个脉冲信号发生电路组成的输出控制电路；其中，

所述误差运算电路用以接收所述输出电压和与之对应的所述基准电压，并计算两者之间的误差，以得到n个所述误差信号；

所述过压比较电路用以比较所述输出电压和与之对应的所述电压阈值，以得到n个比较信号；

每一所述脉冲信号发生电路包括一触发信号和一关断信号；其中，

第一所述脉冲信号发生电路的所述触发信号为第一外部触发信号，所述关断信号根据对应的所述比较信号和所述误差信号产生；

第二至第n-1脉冲信号发生电路的触发信号为前一所述脉冲信号发生电路的输出信号，所述关断信号根据对应的所述比较信号和所述误差信号产生；

第n脉冲信号发生电路的触发信号为第n-1脉冲信号发生电路的输出信号，所述关断信号为第二外部触发信号；

所述n个脉冲信号发生电路的输出信号依次作为所述n个输出控制信号。

10.根据权利要求9所述的开关型调节器，其特征在于，所述第一外部触发信号为所述输入控制信号或者所述输入控制电路的触发信号。

11.根据权利要求10所述的开关型调节器，其特征在于，对所述输入控制电路的触发信号进行延时获得所述第二外部触发信号。

12.根据权利要求9所述的开关型调节器，其特征在于，第一至第n-1所述脉冲信号发生电路包括峰值电流控制电路或者平均电流控制电路或者电压反馈电路。

13.根据权利要求12所述的开关型调节器，其特征在于，每一第一至第n-1所述脉冲信号发生电路包括补偿电路，第二比较电路，第一或门和RS触发器；其中，

所述补偿电路接收对应的所述误差信号，以生成补偿信号；

所述第二比较电路用以比较所述补偿信号和一包含对应的输出电路的电流峰值信息的斜坡信号；

所述第一或门的两个输入端分别连接至所述过压比较电路的输出端和所述第二比较电路的输出端；

所述RS触发器的置位端接收所述触发信号，复位端接收所述第一或门的输出信号，输出端的输出信号为所述输出控制信号。

14.根据权利要求13所述的开关型调节器，其特征在于，第n所述脉冲信号发生电路包括第二或门和另一RS触发器；其中，

所述第二或门的两个输入端分别接收所述第二外部触发信号和相应的所述过压比较电路的输出信号；

所述另一RS触发器的置位端接收第n-1所述脉冲信号发生电路的输出信号的非信号，复位端接收所述第二或门的输出信号，输出端的输出信号为所述输出控制信号。

15.根据权利要求9所述的开关型调节器，其特征在于，所述控制电路还包括续流控制电路，所述续流控制电路的触发信号为第n个所述输出控制信号，截止信号为所述第二外部触发信号，以在输出端生成所述续流控制信号。

16.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述感性元件包括一电感或者变压器。

17.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，还包括第二续流支路，用以当所述n个输出电路和所述第一续流支路均不工作时，通过所述第二续流支路接收所述输入能量。

18.根据权利要求17所述的开关型调节器，其特征在于，所述第二续流支路包括第二续流开关。

19.根据权利要求18所述的开关型调节器，其特征在于，所述第二续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输入电源的正端之间。

20.根据权利要求18所述的开关型调节器，其特征在于，所述第二续流开关连接在所述输入电路的输出端和所述输出电压的数值最大的一路所述输出电路的输出端之间。

21.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述开关型调节器为降压型或者升压型或者升压-降压或者反激式拓扑结构。

22.一种开关型调节器的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

输入电路接收输入电源，生成一电流信号；所述输入电路包括感性元件和输入开关；

触发第一输出开关；

当第m输出开关导通时，对应的第m输出电路接收所述电流信号，并将所述电流信号转换为第m输出电压；

比较所述第m输出电路的输出电压和与之对应的电压阈值；

当所述输出电压小于所述电压阈值时，根据所述输出电压和阈值对应的基准电压之间的误差控制所述第m输出开关的关断动作；

当所述输出电压大于所述电压阈值时，关断所述第m输出开关；

前一输出开关的关断动作触发下一输出开关；其中，m的数值为从1至n-1；

直至触发第n输出开关；

当所述第n输出电路的输出电压小于对应的电压阈值时，所述第n输出开关的关断动作和外部触发信号维持一致，不触发第一续流开关；

当所述第n输出电路的输出电压大于对应的电压阈值时，关断所述第n输出开关，触发所述第一续流开关；第一续流开关的关断动作和所述外部触发信号维持一致；所述电流信号传递至第一续流支路；

根据所有输出电路的误差和所述第一续流开关的开关状态控制输入开关的开关状态，以调节所述电流信号。

23.根据权利要求22所述的开关型调节器的调节方法，其特征在于，还包括，当所有所述输出开关和所述第一续流开关均关断时，触发第二续流开关，所述电流信号传递至第二续流支路。

24.根据权利要求22所述的开关型调节器的调节方法，其特征在于，n个所述输出开关和所述第一续流开关的导通时间之和为一开关周期。

25.根据权利要求24所述的开关型调节器的调节方法，其特征在于，所述外部触发信号触发所述第一输出开关。

26.根据权利要求22所述的开关型调节器的调节方法，其特征在于，n个所述输出开关的导通时间、所述第一续流开关的导通时间和所述输入开关的导通时间之和为一开关周期。

27.根据权利要求26所述的开关型调节器的调节方法，其特征在于，所述输入开关的关断动作触发所述第一输出开关。