一种具有多路输出的电源管理系统
技术领域
本发明涉及电源管理领域,更具体地说,涉及一种具有多路输出的电源管理系统。
背景技术
电源管理系统通常应用于各类电子系统中,用于如何将电源有效分配给电子系统的不同组件。如图1所示为现有技术中一具有两路输出的电源管理系统,其将输入电压Vin转换成两路输出电压Vout1和Vout2输出。所示电源管理系统包括驱动控制芯片和功率级电路,驱动控制芯片101通常集成多路驱动器和与每路驱动器对应的PWM控制电路,PWM控制电路通过接收输出端的反馈信号进而输出PWM信号以提供给驱动器,调整输出占空比信号以调整输出电压。图1示出了其集成的两路PWM控制电路,分别为PWM 104-1和PWM104-2和两路驱动器,分别为驱动器102-1和驱动器102-2,每套驱动器通过输出信号线与其对应的功率级电路的功率开关管的控制端互连。以一采用N型MOSFET管作为主管和同步管的同步降压功率级电路为例,功率级电路116包括主管114、同步管106,主管114的一功率端接收输入电压Vin,另一功率端与同步管106的一功率端串联,同步管106的另一功率端接地,主管114和同步管106的公共连接端连接电感108的一端,电感108的另一端连接输出电容110的一端,输出电容的另一端接地,电感108和输出电容110的公共连接端为电压输出端,驱动器102-1输出TG1和BG1控制信号以提供主管114和同步管106的门极驱动信号,并提供一输出端PGND1供同步管接地使用,最后提供一输出信号LX1以供功率级给负载端供电。同时输出端为PWM104-1提供一路输出反馈信号FB1以供系统调节驱动信号从而调整输出电压。由此可知控制驱动芯片101为一路功率级提供驱动信号至少需要提供TG1,BG1,PGND1,LX1,FB1这5根输出信号线,则一具有N路输出的电管管理系统至少需要多达5N根输出信号线,如此多的输出信号线使得现有电源管理系统存在以下缺点:
(1)大量信号线不仅占用PCB板面积,而且主管驱动信号有较高的dv/dt可能对系统其他信号产生干扰;
(2)由于驱动器和MOSFET管距离较远,驱动信号线线上产生的寄生阻抗和感抗可能造成主管和同步管驱动信号时序控制上的误差;
(3)为了避免主管和同步管的误直通,现有技术一般采用较大的死区时间,即主管和同步管都截止的时间,这样不仅造成大的因寄生二极管导通压降产生的损耗,而且主管开通瞬间同步管体二极管的反向恢复损耗也较大,导致系统效率降低;同时,最高开关频率被限制在300-500KHz左右,较大的输出电感和电容必须被使用,不仅增加了成本,而且增大了电路体积。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种具有多路输出的电源管理系统,其通过将驱动器和功率级集成为一芯片并将多路反馈电路和多路PWM控制电路集成为一芯片,从而解决了具有多路输出的电源管理系统的输出信号线过多的问题。
依据本发明一实施例实现的一种具有多路输出的电源管理系统,其具有N路输出,N≥2,包括,一个反馈/控制芯片,N个驱动/功率级芯片和N组输出/反馈电路,其中,
所述反馈/控制芯片分别与N个驱动/功率级芯片和N组输出/反馈电路连接,用以接收所述N组输出/反馈电路输出的N个反馈信号,并根据所述N个反馈信号产生相应的N个控制信号,所述N个控制信号一一对应的输入至所述N个驱动/功率级芯片;
每一所述驱动/功率级芯片分别接收所述N个控制信号中相应的一个控制信号,以进行相应的开关动作,从而控制与其连接的相应的一组输出/反馈电路输出相应的输出信号。
优选地,每一所述驱动/功率级芯片包括一驱动电路和与所述驱动电路连接的一组功率开关管,所述驱动电路接收所述控制信号,产生一定的驱动信号,从而控制所述一组功率开关管的开关动作。
优选地,每一所述输出/反馈电路包括由输出电感和输出电容组成的输出电路和与所述输出电路连接的反馈电路;
所述输出电路和所述一组功率开关管组成一电源拓扑结构,根据所述驱动信号以在输出端输出一定的输出信号;
反馈电路与输出端连接,获得一表征所述输出信号的反馈信号,并输入至所述反馈和控制芯片。
优选地,所述电源拓扑结构为降压、升压、升-降压、反激或者半桥拓扑结构。
优选地,所述控制信号为低电平触发PWM控制信号。
优选地,所述驱动/功率级芯片采用驱动器和功率开关管共封的封装方式,每一所述驱动/功率芯片包括一主管、一同步管和分别与所述主管和同步管对应的独立的驱动器。
优选地,所述驱动/功率级芯片采用分布式封装,每一所述驱动/功率级芯片包括由m个小功率开关管集成的一主管、由m个小功率开关管集成的一同步管和与所述每一小功率开关管对应的独立的驱动器,其中,m为大于1的自然数。
优选地,所述驱动/功率级芯片进一步包括保护逻辑电路和电平移位电路。
依据本发明技术方案实现的具有多路输出的电源管理系统具有以下优点:
(1)通过上述实施例实现的具有多路输出的电源管理系统,反馈/控制芯片只需发送1个低电平触发PWM控制信号至驱动/功率级芯片,同时接收1个来自于输出/反馈电路的输出反馈电压信号即可实现对输出的控制,反馈/控制芯片驱动一路驱动/功率级芯片只需需2个信号引脚,则对于一个具有N路输出的电源管理系统,反馈/控制芯片只需要2N个信号引脚即可实现对输出的控制,相比较现有技术实现需5N个信号引脚实现对输出的控制,大大的减少了多输出电源管理系统信号引脚数,减小了布线面积;
(2)由于驱动器和功率级的集成,可以更严格地控制开关时序,从而减小死区时间,降低因死区时间而引起的功耗,并允许比300-500KHz更高的开关频率,从而可以使用较小的输出电容和电感,可减小PCB板面积,降低电路成本;
(3)通过(1)和(2),从而使得相同面积的PCB板上可集成更多路输出,从而提高功率密度,降低成本;
(4)每路驱动/功率级芯片集成了驱动器和开关管,此种实现方式允许功率级远离反馈/控制芯片,靠近负载端,可降低输出电流在布线上的损耗,提高输出调制精度;
(5)采用低电平触发PWM控制信号,可降低主管驱动信号的dv/dt对系统其他信号产生的干扰。
可见采用本发明技术方案,通过将驱动器和功率级集成为一芯片并将多路反馈电路和多路PWM控制电路集成为一芯片而实现的多路输出电源管理系统,使得系统性能和可扩展性能都得到提高。
附图说明
图1所示为现有技术中一种具有多路输出的电源管理系统的原理框图;
图2所示为依据本发明的一种具有多路输出的电源管理系统一实施例的原理框图;
图3A所示为依据本发明的一种具有多路输出的电源管理系统中功率级芯片的一实施例的原理框图;
图3B所示为依据本发明的一种具有多路输出的电源管理系统中功率级芯片的另一实施例的原理框图。
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2,所示为依据本发明的一种具有多路输出的电源管理系统一实施例的原理框图,其具有N路输出,包括一个反馈/控制芯片201,N个驱动/功率级芯片202-1,202-2,...,202-N和对应的N组输出/反馈电路203-1,203-2,...,203-N,其中反馈/控制芯片201分别与N个驱动/功率级芯片202-1,202-2,...,202-N和N组输出/反馈电路203-1,203-2,...,203-N连接,通过接收N组输出/反馈电路输出的N个相应的反馈信号FB1,FB2,...,FBN,并根据N个反馈信号产生相应的N个控制信号PWM1,PWM2,...,PWMN,一一对应的输入至N个驱动/功率级芯片202-1,202-2,...,202-N;进而每一驱动/功率级芯片202-1,202-2,...,202-N分别接收N个控制信号中相应的一个控制信号PWM1,PWM2,...,或PWMN,以进行相应的开关动作,从而控制与其连接的相应的一组输出/反馈电路203-1,203-2,...,203-N输出相应的输出信号。本实施例中,所述控制信号为低电平触发PWM控制信号。本领域内的技术人员应该可以得知,根据不同的应用场合,控制信号也可为高电平触发PWM控制信号或PFM控制信号。每一所述驱动/功率级芯片202-1,202-2,...,202-N包括一驱动电路和与驱动电路连接的一组功率开关管,驱动电路接收控制信号,产生一定的驱动信号,从而控制所述一组功率开关管的开关动作;每一输出/反馈电路203-1,203-2,...,203-N包括由输出电感L1,L2,...,LN和输出电容C1,C2,...,CN组成的输出电路和与输出电路连接的反馈电路;输出电路和一组功率开关管组成一电源拓扑结构,根据所述驱动信号以在输出端输出一定的输出信号;反馈电路与输出端连接,获得一表征所述输出信号的反馈信号,并输入至所述反馈和控制芯片,通过调节控制信号以获得稳定输出的电信号。其中,电源拓扑结构为降压、升压、升-降压、反激或者半桥拓扑结构。
通过集成驱动器和功率级电路为一驱动/功率级芯片,集成反馈电路和PWM控制电路为一反馈/控制芯片,使得反馈/控制芯片只需为每路驱动/功率级芯片提供一个PWM控制信号即可实现其对输出电压的调节控制功能,大大减少了电源管理系统集成时的信号引脚数,减小了布线面积;驱动器和功率级电路采用集成封装,可更好的控制功率开关管的开关时序,减少开关死区时间,降低因死区时间而引起的功耗,提高系统效率,同时可增大开关频率,进而采用较小的电感和输出电容,可减小PCB板面积;采用驱动器和功率级集成实现的方式,可实现功率级远离反馈/控制芯片,靠近负载端从而降低输出电流在布线上的损耗,提高输出调制精度;采用低电平触发PWM控制信号,可降低主管驱动信号dv/dt对系统其他信号产生的干扰。
可见采用本发明技术方案实现的多路输出电源管理系统,通过将驱动器和功率级集成为一芯片并将多路反馈电路和多路PWM控制电路集成为一芯片,使得系统性能和可扩展性能都得到提高。
参考图3A,所示为依据本发明的具有多路输出的电源管理系统的驱动/功率级芯片的一实施例的原理框图,驱动/功率级芯片采用驱动器和功率开关管共封的封装方式,每一驱动/功率芯片包括一主管304、一同步管306和分别与主管和同步管对应的独立的驱动器。主管304连接至相应的一个独立的驱动器303,同步管306连接至相应的一个独立的驱动器305。驱动/功率级芯片进一步包括保护逻辑电路301和电平移位电路302,用于主管304和同步管306之间的时序控制。
保护逻辑电路301接收驱动/控制芯片输出的控制信号PWM并产生两个输出信号,其中一个输出信号输入至电平移位电路302,另一输出信号输入至驱动器305,电平移位电路302的输出信号通过驱动器303控制主管304的开关动作,驱动器305的输出信号用以控制同步管306的开关动作,主管304的一功率端接收输入电压IN,另一功率端和同步管306的一功率端连接,同步管306的另一功率端接收接地信号GND,主管304和同步管306的公共连接端输出信号LX以提供负载端所需电压。
采用共封封装方式实现的驱动/功率级芯片,可改进开关时序控制,减小死区时间,降低电源管理系统功耗,提高效率。
参考图3B,所示为依据本发明的具有多路输出的电源管理系统的驱动/功率级芯片的另一实施例的原理框图,驱动/功率级芯片采用分布式封装,每一驱动/功率级芯片包括由m个小功率开关管集成的一主管、由m个小功率开关管集成的一同步管和与所述每一小功率开关管对应的独立的驱动器,其中,m为大于1的整数。
保护逻辑电路301接收驱动/控制芯片输出的控制信号PWM并产生两个输出信号,其中一个输出信号输入至电平移位电路302,电平移位电路302的输出信号输入至与组成主管的m个小功率管308-1,308-2,...,308-m对应的m个驱动器307-1,307-2,...,307-m,保护逻辑电路301的另一输出信号输入至与组成同步管的m个小功率管310-1,310-2,...,310-m对应的m个驱动器309-1,309-2,...,309-m,主管对应的小功率管组308-1,308-2,...,308-m的一功率端接收输入电压IN,另一功率端和同步管对应的小功率管组310-1,310-2,...,310-m一功率端连接,同步管对应的小功率管组310-1,310-2,...,310-m的另一功率端接收接地信号GND,主管对应的小功率管组308-1,308-2,...,308-m和同步管对应的小功率管组310-1,310-2,...,310-m的公共连接端输出信号LX以提供负载端所需电压。通过采用独立的小面积驱动器控制小面积的小功率开关管,可精确的控制各小开关管的开关时序。在本实施例中,m为大于1的自然数。
采用分布式封装方式实现的驱动/功率级芯片,可实现面积更小的独立的驱动器控制面积更小的小功率开关管,从而精确的实现开关时序控制,减小死区时间,且能降低封装成本。
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。