CN103683923B - 一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，次控制环采用差模电压模式，主控制环包括误差放大器EA1、比较器COMP1、RS触发器TR1、驱动和死区控制电路，其特征在于：次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管S_p1、S_p2、S_p3和S_p4分别控制四个输出支路的输出电压V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制。

Description

一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路

技术领域：

本发明涉及开关电源，尤其是一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路。

背景技术：

随着移动互联网及新型显示技术的快速发展，现有的电源系统难以适应未来智能手机、平板电脑等下一代移动信息终端产品对高集成度和高效率的需求。单电感多输出直流电源变换技术成为系统芯片集成电源方案的重点研究方向，引起了学术界广泛的关注。由于该技术利用电感的能量共享会带来交叉干扰和纹波的增加、转换效率的降低等系列问题。虽经过多年努力，双输出变换器的性能已有明显提升，仅在输出动态调整速率方面还有待提高，但对三输出及以上的变换器，其转换效率、输出纹波、交叉干扰等性能依然没有改善，其根本原因是对单电感多输出变换器的机理尚未清晰。

发明内容

本发明是在现有技术单电感双输出降压型开关电源控制电路的基础上提供一种单电感四输出的降压型开关电源控制电路，采用的技术方案如下：

一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，分别输出电压V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，改变电感L的充电时间，次控制环采用差模电压模式，决定电感电流I_L在四个输出支路中的分配；主控制环包括误差放大器EA1、比较器COMP1、RS触发器TR1、驱动和死区控制电路；误差放大器EA1的同相端输入基准电压V_REF1，反相端输入0.4（V_o1+V_o2+V_o3+V_O4），误差放大器EA1的输出电压V_e连接比较器COMP1的反相输入端，电流采样电压I_LR_S经过与斜坡电压V_ramp0叠加补偿后的输出电压V_sense为比较器COMP1的同相输入端信号，比较器COMP1的输出连接RS触发器TR1的置1端S，RS触发器TR1的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR1的输出端Q连接驱动与死区控制电路的输入端，驱动与死区控制电路的输出端产生主级开关控制信号PG，控制主级开关管的通断,调节给电感L的充放电时间,控制总的能量，以快速调节输出电压值，其特征在于：

次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管S_p1、S_p2、S_p3和S_p4分别控制四个输出支路的输出电压V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制；

次控制环设有三个支路，第一支路包括误差放大器EA2、比较器COMP2和RS触发器TR2，误差放大器EA2的同相端输入V_o1+V_o2，反相端输入V_o3+V_O4，误差放大器EA2输出信号V_c连接比较器COMP2的反相输入端，比较器COMP2的同相输入斜坡电压V_ramp1，比较器COMP2的输出连接RS触发器TR2的置1端S，RS触发器TR2的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR2的输出端Q产生选通信号Choose；

第二支路包括误差放大器EA3、比较器COMP3、RS触发器TR3和与非门NAND1、NAND2，误差放大器EA3的输出电压V_c1为比较器COMP3的反相输入端信号，比较器COMP3同相输入端连接斜坡电压V_ramp2，比较器COMP3的输出连接RS触发器TR3的置1端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR3的置0端R，RS触发器TR3的输出信号和选通信号Choose的反信号分别输入与非门NAND1的两个输入端，与非门NAND1输出次级开关控制信号S₁控制输出支路中相应MOS开关管S_p1的通、断；与非门NAND2的两个输入端分别连接与非门NAND1的输出端和选通信号Choose的反信号与非门NAND2输出次级开关控制信号S₂控制输出支路中相应MOS开关管S_p2的通、断；误差放大器EA3的设计和斜坡电压V_ramp2的高度值调节，应满足V_c1和V_ramp2的交点落在为高电平的时间内。

第三支路包括误差放大器EA4、比较器COMP4、RS触发器TR4和与非门NAND3、NAND4，误差放大器EA4的输出电压V_c2为比较器COMP4的反相输入端信号，比较器COMP4同相输入端连接斜坡电压V_ramp3，比较器COMP4的输出连接RS触发器TR4的置1端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR4的置0端R，RS触发器TR4的输出信号和选通信号Choose分别输入与非门NAND3的两个输入端，与非门NAND3输出次级开关控制信号S₃控制输出支路中相应MOS开关管S_p3的通、断；与非门NAND4的两个输入端分别连接与非门NAND3的输出端和选通信号Choose，与非门NAND4输出次级开关控制信号S₄控制输出支路中相应MOS开关管S_p4的通、断；误差放大器EA4的设计和斜坡电压V_ramp3的高度值调节，应满足V_c1和V_ramp3的交点落在Choose为高电平的时间内。

本发明的优点及显著效果：本发明在单电感双输出降压型开关电源共模峰值电流控制主级环路，差模电压控制次级环路的基础上通过产生选通信号，根据选通信号对次级开关控制信号的作用，实现了一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，简单可靠，电路易实现。

附图说明

图1是本发明单电感四输出降压型开关电源的控制电路原理框图；

图2是本发明电路的控制时序波形图（低电平表示信号控制的功率管开启）。

具体实施方式

参看图1，主环采用共模峰值电流模式，误差放大器EA1同相端输入信号为基准电压V_REF1，反相端输入信号为0.4（V_o1+V_o2+V_o3+V_O4），误差放大器EA1的输出电压V_e连接比较器COMP1的反相输入端，电流采样电压经过斜坡电压V_ramp0补偿后的电压V_sense成为比较器COMP1的同相输入端信号。通过比较器COMP1和RS触发器TR1产生主级开关控制信号，经过驱动与死区控制电路控制主级开关的通断，从而调节电路给电感的充放电时间。次环采用差模电压模式，误差放大器EA2的同相输入端信号为V_o1+V_o2，反相输入端信号为V_o3+V_O4，误差放大器EA2的输出电压V_c接入比较器COMP2的反相输入端，斜坡电压V_ramp1为比较器COMP2的同相输入端信号，经过RS触发器TR2产生选通信号Choose。误差放大器EA3的两个输入端信号分别是V_o1和V_o2，误差放大器EA3的输出电压V_c1为比较器COMP3的反相输入端信号，比较器COMP3同相输入端接入斜坡电压V_ramp2，比较器COMP3的输出电压接入RS触发器TR3的置1端，时钟信号CLK接入RS触发器TR3的置0端。RS触发器TR3的输出信号和信号通过与非门NAND1产生次级开关控制信号S₁，S₁和信号通过与非门NAND2产生次级开关控制信号S₂。误差放大器EA4的两个输入端信号分别是V_o3和V_o4，误差放大器EA4的输出电压V_c2为比较器COMP4的反相输入端信号，比较器COMP4同相输入端接入斜坡电压V_ramp3，比较器COMP4的输出电压接入RS触发器TR4的置1端，时钟信号CLK接入RS触发器TR4的置0端。RS触发器TR4的输出信号和信号Choose通过与非门NAND3产生次级开关控制信号S₃，S₃和信号Choose通过与非门NAND4产生次级开关控制信号S₄。

本发明的工作原理：主环控制电路改变电感的充电时间，即控制总的能量，从而快速调节输出电压值，次环控制电路决定电感电流在四路输出中的分配，即控制能量分配。可将四路输出分为两组，即V_O1和V_O2构成A组，V_o3和V_O4构成B组，经过误差放大器EA1、比较器COMP1和RS触发器TR1产生选通信号。当选通信号为低电平时，调节A组输出电压分支控制电路所产生的次级开关控制信号为高低电平转换，决定电感电流在V_O1和V_O2中的分配，而调节B组输出电压分支控制电路所产生的次级开关控制信号因选通信号的作用全为高电平，开关处于关闭状态。同理，可知选通信号为高电平时的工作原理。

具体的工作过程如下：主环采用共模峰值电流模式，输出反馈电压0.4（V_o1+V_o2+V_o3+V_O4）和基准电压V_REF1接入误差放大器EA1的输入端，产生输出电压V_e，V_e与经过斜坡补偿的电流采样电压I_LR_S进行比较，当电感电流达到峰值时，比较器COMP1输出电压翻转为高电平，使RS触发器TR1的输出置1，使得主级开关关闭，电感电流下降。次环采用差模电压模式，输出反馈电压V_o1+V_o2和V_o3+V_O4通过误差放大器EA2产生输出电压V_c，V_c与斜坡电压V_ramp1通过比较器COMP2产生RS触发器TR2的S端信号，每个时钟信号来临时，RS触发器TR2输出信号Choose为低电平，当斜坡电压V_ramp1大于V_c时，比较器COMP2输出置为高电平，从而使得RS触发器TR2输出信号Choose变为高电平，这样就实现了在一个时钟周期内选通信号Choose的高低电平转换。在一个时钟周期内，当Choose为低电平时，误差放大器EA3的输出电压V_c1与斜坡电压信号V_ramp2通过比较器COMP3产生RS触发器TR3的S端信号。通过合理设计EA3以及调节斜坡电压V_ramp2的高度，可使斜坡电压信号V_ramp2与电压V_c1的交点位于时钟周期内Choose为低电平的时间段内。当斜坡电压V_ramp2低于电压V_c1时，比较器COMP3输出为低电平，RS触发器TR3的输出信号和通过与非门NAND1产生的次级开关控制信号S₁为低电平，开关S_p1为导通状态，对负载电容进行充电，而次级开关控制信号S₂为高电平，开关S_p2为关闭状态。当斜坡电压V_ramp2高于电压V_c1时，比较器COMP3输出为高电平，可得次级开关控制信号S₁为高电平，S₂为低电平。此时，由于信号Choose的作用，RS触发器TR4的输出和Choose通过与非门NAND3、NAND4产生的次级开关控制信号S₃和S₄都为高电平，开关S_p3和S_p4全部处于关闭状态。当选通信号Choose为高电平时，同理可得次级开关控制信号S₁，S₂为高电平，开关S_p1和S_p2为关闭状态，次级开关控制信号S₃，S₄为高低电平转换，开关S_p3和S_p4在导通和关闭状态之间转换。

图2为电路的控制时序波形图，其中包括时钟信号，主级开关控制信号，选通信号Choose，次级开关控制信号S₁，S₂，S₃和S₄，其中低电平代表信号控制的功率管开启。输出反馈电压V_o1+V_o2和V_o3+V_O4通过误差放大器EA2产生输出电压V_c，V_c与斜坡电压V_ramp1通过比较器COMP2产生RS触发器TR2的S端信号，每个时钟信号来临时，RS触发器TR2输出信号Choose为低电平，当斜坡电压V_ramp1大于V_c时，信号Choose变为高电平。在一个时钟周期内，当Choose为低电平时，误差放大器EA3的输出电压V_c1与斜坡电压信号V_ramp2通过比较器COMP3产生RS触发器TR3的S端信号，这里斜坡电压信号V_ramp2与电压V_c1的交点位于时钟周期内Choose为低电平的时间段内。当斜坡电压V_ramp2低于电压V_c1时，比较器COMP3输出为低电平，RS触发器TR3的输出信号和通过与非门NAND1产生的次级开关控制信号S₁为低电平，开关S_p1为导通状态，对负载电容进行充电，而次级开关控制信号S₂为高电平，开关S_p2为关闭状态。当斜坡电压V_ramp2高于电压V_c1时，比较器COMP3输出为高电平，可得次级开关控制信号S₁为高电平，S₂为低电平。此时，由于信号Choose的作用，RS触发器TR4的输出和Choose通过与非门NAND3、NAND4产生的次级开关控制信号S₃和S₄都为高电平，开关S_p3和S_p4全部处于关闭状态。当选通信号Choose为高电平时，同理可得次级开关控制信号S₁，S₂为高电平，开关S_p1和S_p2为关闭状态，次级开关控制信号S₃，S₄为高低电平转换，开关S_p3和S_p4在导通和关闭状态之间转换。

本专利的特点及内容已揭示如上，然而本领域的技术人员可能基于本发明的说明而做种种不背离发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不局限于上述的实施方案，而应包含各种不背离本发明的替换和修改，并为权利要求书所涵盖。

Claims (1)

1.一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，分别输出电压V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，改变电感L的充电时间，次控制环采用差模电压模式，决定电感电流I_L在四个输出支路中的分配；主控制环包括误差放大器EA1、比较器COMP1、RS触发器TR1、驱动和死区控制电路；误差放大器EA1的同相端输入基准电压V_REF1，反相端输入0.4(V_o1+V_o2+V_o3+V_O4)，误差放大器EA1的输出电压V_e连接比较器COMP1的反相输入端，电流采样电压I_LR_S经过与斜坡电压V_ramp0叠加补偿后的输出电压V_sense为比较器COMP1的同相输入端信号，比较器COMP1的输出连接RS触发器TR1的置1端S，RS触发器TR1的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR1的输出端Q连接驱动与死区控制电路的输入端，驱动与死区控制电路的输出端产生主级开关控制信号PG，控制主级开关管的通断,调节给电感L的充放电时间,控制总的能量，以快速调节输出电压值，其特征在于：

次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管S_p1、S_p2、S_p3和S_p4分别控制四个输出支路的输出电压V_o1、V_o2、V_o3和V_o4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制；

次控制环设有三个支路，第一支路包括误差放大器EA2、比较器COMP2和RS触发器TR2，误差放大器EA2的同相端输入V_o1+V_o2，反相端输入V_o3+V_O4，误差放大器EA2输出信号V_c连接比较器COMP2的反相输入端，比较器COMP2的同相输入斜坡电压V_ramp1，比较器COMP2的输出连接RS触发器TR2的置1端S，RS触发器TR2的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR2的输出端Q产生选通信号Choose；

第二支路包括误差放大器EA3、比较器COMP3、RS触发器TR3和与非门NAND1、NAND2，误差放大器EA3的同相端输入V_o1，反相端输入V_o2，误差放大器EA3的输出电压V_c1为比较器COMP3的反相输入端信号，比较器COMP3同相输入端连接斜坡电压V_ramp2，比较器COMP3的输出连接RS触发器TR3的置1端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR3的置0端R，RS触发器TR3的输出信号和选通信号Choose的反信号分别输入与非门NAND1的两个输入端，与非门NAND1输出次级开关控制信号S₁控制输出支路中相应MOS开关管S_p1的通、断；与非门NAND2的两个输入端分别连接与非门NAND1的输出端和选通信号Choose的反信号与非门NAND2输出次级开关控制信号S₂控制输出支路中相应MOS开关管S_p2的通、断；

第三支路包括误差放大器EA4、比较器COMP4、RS触发器TR4和与非门NAND3、NAND4，误差放大器EA4的同相端输入V_o3，反相端输入V_o4，误差放大器EA4的输出电压V_c2为比较器COMP4的反相输入端信号，比较器COMP4同相输入端连接斜坡电压V_ramp3，比较器COMP4的输出连接RS触发器TR4的置1端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR4的置0端R，RS触发器TR4的输出信号和选通信号Choose分别输入与非门NAND3的两个输入端，与非门NAND3输出次级开关控制信号S₃控制输出支路中相应MOS开关管S_p3的通、断；与非门NAND4的两个输入端分别连接与非门NAND3的输出端和选通信号Choose，与非门NAND4输出次级开关控制信号S₄控制输出支路中相应MOS开关管S_p4的通、断。