CN102055322A - 单电感多输出电源转换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括：一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。本发明的单电感多输出电源转换器及其控制方法具有降低导通损失、切换损失与门驱动损失以及提高电源转换器效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源转换器，具体地说，是一种单电感多输出(Single Inductor Multiple Output；SIMO)的电源转换器及其控制方法。
背景技术
随着技术的进步，电子产品的功能越来越多，因此在某些电子产品中，单组电源已无法满足需要，故电源转换器也朝向提供多组电源的方向发展。图1显示已知的单电感双输出(Single Inductor Dual Output；SIDO)电源转换器10，电源转换器10可以提供两组电源，电源转换器10包括开关SW1连接在所述电源转换器的输入端12及电感L之间，开关SW2连接在电感L及接地端GND之间，开关SW3连接在电感L及接地端GND之间，开关SW4连接在电感L及输出端14之间，开关SW5连接在电感L及输出端16之间。
图2用以说明图1中电源转换器10的一种控制方法，其中波形18为电感电流IL。参照图1及图2，假设电源转换器10的输出14及16各为降压及升压输出，首先打开(turn on)开关SW1及SW4形成路径P1，此时输入电压VIN经路径P1对输出端14供应能量，并同时对路径P1上的电感L蓄能，电感L上的电感电流IL将以斜率[(VIN-VOA)/L]上升，如波形18所示，在输出端14上的电压VOA达到默认值时，开关SW1关闭(turn off)并打开开关SW2以形成路径P2，此时电源转换器10切断与输入电压VIN的连结，故转由电感L供应能量至输出端14以保持输出电流的稳定，因此电感电流IL以斜率(-VOA/L)下降，当电感电流IL下降至准位IDC时，关闭开关SW4并打开开关SW3以形成路径P5，此时电感L上未释放的能量将保持在电感L上产生无约束的电流(freewheeling current)，接着再关闭开关SW2并打关开关SW1以重新连结输入电压VIN，此时能量经由路径P3储存在电感L上，故电感电流IL以斜率(VIN/L)增加，当电感电流IL上升至准位IBT时，关闭开关SW3并打开开关SW5以形成路径P4，此时能量经路径P4供应到输出端16，而电感电流IL以斜率[(VIN-VOB)/L]下降，在输出端16上的电压VOB达到默认值时，关闭开关SW1及SW5并打开开关SW2及SW3形成路径P5以保存未释放的能量。
如图1所示，传统的SIDO电源转换器10需要5个开关SW1、SW2、SW3、SW4及SW5才能产生两组电压VOA及VOB，而且在每条能量路径P1、P2、P3、P4及P5上传递的能量都要经过两个开关，故有较大的导通损失(conduction loss)，此外每一个开关都要搭配一驱动器，因此开关与驱动器所产生的切换损失(switching loss)与门驱动损失(gate drive loss)亦不可忽略。
因此已知的电源转换器存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种减少开关数量降低成本的单电感多输出电源转换器及其控制方法。
本发明的另一目的，在于提出一种减少导通损失、切换损失与门驱动损失以提高效率的单电感多输出电源转换器及其控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括：
一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；
一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；
一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；
一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；
一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。
一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至一接地端；
第三步骤：在所述电感上的电感电流上升至一第一默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端；
第四步骤：在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第二默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；
第五步骤：在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
本发明的单电感多输出电源转换器的控制方法，还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端；
第三步骤：在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第一默认值时，将所述电感的第二端切换至一接地端；
第四步骤：在所述电感上的电感电流上升至一第二默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；
第五步骤：在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括：
一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；
一切换电路，用以将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的多个输出端其中一个、一接地端或所述电感的第一端。
本发明的单电感多输出电源转换器，还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的电源转换器，其中所述切换电路包括：
一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；
一第二开关，连接在所述电感的第二端及所述接地端之间；
多个第三开关，每一所述第三开关连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的多个输出端其中一个之间。
一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端轮流切换至在所述电源转换器的至少一降压输出端；
第三步骤：将所述电感的第二端换至一接地端；
第四步骤：在所述电感上的电感电流上升至一默认值时，将所述电感的第二端轮流切换至所述电源转换器的至少一升压输出端；
第五步骤：将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端；
前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至一接地端；
第三步骤：将所述电感的第二端依序切换至所述电流转换器的多个输出端；
第四步骤：将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第四步骤。
采用上述技术方案后，本发明的单电感多输出电源转换器及其控制方法具有以下优点：
1.大幅降低导通损失、切换损失与门驱动损失。
2.提高电源转换器的效率。
附图说明
图1为已知的SIDO电源转换器示意图；
图2为图1中电源转换器的一种控制方法示意图；
图3为本发明的第一实施例示意图；
图4为图3中SIDO电源转换器的两输出各为降压及升压输出时第一种控制方法示意图；
图5为图3中SIDO电源转换器的两输出各为降压及升压输出时第二种控制方法示意图；
图6为图3中SIDO电源转换器的两输出均为升压输出时第一种控制方法示意图；
图7为图3中SIDO电源转换器的两输出均为升压输出时第二种控制方法示意图；
图8为本发明的第二实施例示意图；
图9为图8中SIMO电源转换器的一种控制方法示意图。
图中，10、SIDO电源转换器 12、电源转换器10的输入端 14、电源转换器10的输出端 16、电源转换器10的输出端 18、电感电流IL的波形 20、SIDO电源转换器 22、电源转换器10的输入端 24、切换电路26、电源转换器10的输出端 28、电源转换器10的输出端 30、电感电流IL的波形 32、电感电流IL的波形 34、电感电流IL的波形 36、电感电流IL的波形 40、SIMO电源转换器 42、切换电路 44、电感电流IL的波形。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。
现请参阅图3，图3显示本发明的第一实施例，如图所示，所述SIDO电源转换器20中，电感L的第一端A连接电源转换器20的输入端22，切换电路24用以将电感L的第二端B切换至输入端22、输出端26、输出端28或接地端GND。切换电路24包括开关SW1连接在电感L的第二端B及电源转换器20的输出端26之间，开关SW2连接在电感L的第二端B及电源转换器20的输出端28之间，开关SW3连接在电感L的第二端B及接地端GND之间，开关SW4连接在电感L的第一端A及第二端B之间。当电感L的第二端B被切换至输出端26时形成能量路径P1，当电感L的第二端B被切换至输出端28时形成能量路径P2，当电感L的第二端B切换至接地端GND时形成能量路径P3，当电感L的第二端B切换至其第一端A时形成能量路径P4。SIDO电源转换器20只使用四个开关，比已知的SIDO电源转换器10少了一个开关，因此也少了一个驱动开关的驱动器，而且每条能量路径P1、P2、P3及P4上都只有一个开关，因此可以有效的降低导通损失、切换损失与门驱动损失，亦可以降低系统复杂度以及减少芯片面积及制造成本。
SIDO电源转换器20的输出26及28可以是一降压输出及一升压输出，也可以都是升压输出。图4显示SIDO电源转换器20的输出26及28各为降压及升压输出时的一种控制方法，其中波形30为电感电流IL。参照图3及图4，首先打开开关SW3使电感L的第二端B连接至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，其上的电感电流IL将以(VIN/L)的斜率上升，如波形30所示，在电感电流IL上升至准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关SW1使电感L的第二端B切换至输出端26以形成路径P1，此时能量经由路径P1传递至输出端26，由于此时输出端26上的电压VOA小于输入电压VIN，故电感电流IL仍以[(VIN-VOA)/L]的斜率上升，当电压VOA达到默认值时，关闭开关SW1并打开开关SW2使电感L的第二端B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输出端28，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，在输出端28上的电压VOB上升至默认值后，关闭开关SW2并打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。此操作模式为平均电流模式控制(average current mode control)，电感电流IL将以准位IDC为中心依据不同负载做追随的控制。
图5显示SIDO电源转换器20的输出26及28各为降压及升压输出时的另一种控制方法，其中波形32为电感电流IL。参照图3及图5，首先将开关SW1打开使电感L的第二端B连接至输出端26以形成路径P1，此时能量传递至输出端26，由于输出端26上的电压VOA小于输入电压VIN，因此电感电流IL将以[(VIN-VOA)/L]的斜率上升，当电压VOA上升至默认值时，关闭开关SW1并打开开关SW3使电感L的第二端B切换至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，故其上的电感电流IL以(VIN/L)的斜率上升，在电感电流IL达到准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关SW2使电感L的第二端B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输出端28，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，当输出端28上的电压VOB上升至默认值时，关闭开关SW2并打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。此操作模式为峰值电流模式控制(peak current mode control)，电感电流IL将以准位IDC为上限，当电感电流IL超过准位IDC时便转换由升压输出做释能的控制，准位IDC可以依不同负载做增加或减少的控制。
图6显示SIDO电源转换器20的输出26及28均为升压输出时的一种控制方法，其中波形34为电感电流IL。参照图3及图6，首先打开开关SW3使电感L的第二端B连接至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，其上的电感电流IL将以(VIN/L)的斜率上升，如波形34所示，在电感电流IL上升至准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关SW1使电感L的第二端B切换至输出端26以形成路径P1，此时能量经由路径P1传递至输出端26，电感电流IL以[(VOA-VIN)/L]的斜率下降，当电压VOA达到默认值时，关闭开关SW1并打开开关SW2使电感L的第二端B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输出端28，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，在输出端28上的电压VOB上升至默认值后，关闭开关SW2并打关开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。
图7显示SIDO电源转换器20的输出26及28均为升压输出时的另一种控制方法，其中波形36为电感电流IL。参照图3及图7，首先将开关SW1打开使电感L的第二端B连接至输出端26以形成路径P1，此时能量传递至输出端26，电感电流IL将以[(VOA-VIN)/L]的斜率下降，当电压VOA上升至默认值时，关闭开关SW1并打开开关SW3使电感L的第二端B切换至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，故其上的电感电流IL以(VIN/L)的斜率上升，在电感电流IL达到准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关SW2使电感L的第二端B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输出端28，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，当输出端28上的电压VOB上升至默认值时，关闭开关SW2并打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。
图8显示本发明的第二实施例，在SIMO电源转换器40中，电感L具有第一端A及第二端B，电感L的第一端A连接输入端VIN，切换电路42用以将电感L的第二端B切换至输入端VIN、输出端VO1至Von其中之一或接地端GND。切换电路42包括开关SW1连接在电感L的第二端B及输出端VO1之间，开关SW2连接在电感L的第二端B及输出端VO2之间，开关SW3连接在电感L的第二端B及输出端VO3之间，开关SW4连接在电感L的第二端B及输出端VO4之间，开关SW5连接在电感L的第二端B及输出端VO5之间，开关SWn连接在电感L的第二端B及输出端VOn之间，开关SWx连接在电感L的第二端B及接地端GND之间，开关SWf连接在电感L的第一端A及电感L的第二端B之间。
图9显示图8中SIMO电源转换器40的一种控制方法，其中波形44为电感L上的电感电流IL。在此实施中，电源转换器40的输出端VO1、VO2及VO3为降压输出端，而输出端VO4至Von为升压输出端。参照图8及图9，首先打开开关SW1使电感L的第二端连接至输出端VO1，此时能量传递至输出端VO1。在输出端VO1上的电压达到默认值时，关闭开关SW1并打开开关SW2使电感L的第二端切换至输出端VO2，此时能量传递至输出端VO2。在输出端VO2上的电压达到默认值时，关闭开关SW2并打开开关SW3使电感L的第二端切换至输出端VO3，此时能量传递至输出端VO3。在输出端VO3上的电压达到默认值时，关闭开关SW3并打开开关SWx使电感L的第二端切换至接地端GND，此时电感L开始储能，其上的电感电流IL以(VIN/L)的斜率上升，如时间t1至t2。在电感电流IL达到默认值时，关闭开关SWx并打开开关SW4使电感L的第二端切换至输出端VO4，此时能量传递至输出端VO4。在输出端VO4上的电压达到默认值时，关闭开关SW4并打开开关SW5使电感L的第二端切换至输出端VO5，此时能量传递至输出端VO5，在输出端VO5上的电压达到默认值时，将电感L的第二端B切换至下一个输出端，如此依序切换，直至最后一个输出端VOn上的电压达到默认值时，将电感L的第二端B切换至其第一端A以将电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
Claims (11)
1.一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括：
一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；
一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；
一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；
一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；
一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。
2.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至一接地端；
第三步骤：在所述电感上的电感电流上升至一第一默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端；
第四步骤：在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第二默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；
第五步骤：在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
4.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端；
第三步骤：在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第一默认值时，将所述电感的第二端切换至一接地端；
第四步骤：在所述电感上的电感电流上升至一第二默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；
第五步骤：在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
6.一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括：
一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；
一切换电路，用以将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的多个输出端其中一个、一接地端或所述电感的第一端。
7.如权利要求6所述的电源转换器，其特征在于，所述切换电路包括：
一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；
一第二开关，连接在所述电感的第二端及所述接地端之间；
多个第三开关，每一所述第三开关连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的多个输出端其中一个之间。
8.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端轮流切换至在所述电源转换器的至少一降压输出端；
第三步骤：将所述电感的第二端换至一接地端；
第四步骤：在所述电感上的电感电流上升至一默认值时，将所述电感的第二端轮流切换至所述电源转换器的至少一升压输出端；
第五步骤：将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端；
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
10.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：
第一步骤：提供一输入电压至所述电感的第一端；
第二步骤：将所述电感的第二端切换至一接地端；
第三步骤：将所述电感的第二端依序切换至所述电流转换器的多个输出端；
第四步骤：将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第四步骤。
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