CN102570811B - 一种无电感双输出降压型dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，包括PMOS调整管、PMOS开关、传输门、反相器和误差放大器电路；所述PMOS调整管分别与输入电压、两个传输门和两个PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压VREF和两路传输门单向连接；所述反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。本发明的优势主要有：去掉传统降压DC-DC变换器中的电感元件，外围电路简单，集成度高；当PWM信号为周期性方波信号时，系统为双输出降压型变换器，当PWM信号为恒定高或低电平时，系统为传统的LDO变换器；在双输出条件下，两路输出电压不受PWM信号占空比影响；不受交叉调制影响；没有大负载电流限制问题；也不存在输出电压大纹波问题。

Description

一种无电感双输出降压型DC-DC变换器

技术领域：

本发明属于变换器领域，涉及一种无需片外电感，而又能提供两路稳定输出电压的无电感双输出降压型DC-DC变换器。

背景技术：

近年来，随着便携式电子产品的迅猛发展，人们对电源的要求越来越苛刻，电源的体积越来越小，效率也越来越高；自本世纪初以来，研发人员开始对单电感多输出变换器产生了浓厚的兴趣，单电感多输出(SIMO)DC-DC变换器开始迅猛发展。目前主要的单电感多输出变换器结构有DC-DC变换器附加多路开关输出和DC-DC变换器级联多路LDO输出结构两种，而DC-DC变换器附加多路开关输出结构从输入输出电压关系又可分为升压型和降压型两种，从控制方式上还可分为不连续导通(DCM)控制、连续导通(CCM)控制及共模控制三种。但是单电感多输出变换器存在以下4方面问题：

第一，交叉调制问题。当多路输出变换器某一路输出负载发生跳变时，如果没有良好地检测和控制，会在调制过程中影响其它稳定的输出通路，导致多路输出发生交叉调制。

第二，DCM模式下存在的负载电流限制问题。为了彻底解决交叉调制问题，最简单的方法就是给每一路输出独立的调制信号，即固定的脉宽调制(PWM)周期，同时还需保证每个PWM周期起始和结束时的电感电流相等。由于电感电流随时间变化，以维持电感两端恒定的电压，即

所以简单的保持电流相等的方法就是确保起始和结束时电感电流为零，即单电感多输出变换器工作在DCM模式。这就使得电感电流的峰峰值非常大，通常为负载电流的2倍以上，因此限制了负载电流不能过大。

第三，较大的输出电压纹波。对于单电感多输出变换器，电感电流每次只能给某一路输出充电，这就导致各输出通路的滤波电容被断续充电，不充电时，输出电压只能靠该路的滤波电容维持，会导致输出电压存在大纹波。

第四，效率问题。由于单电感多输出变换器需要额外的功率管来控制多路输出，对于一个N路输出变换器，典型的SIMO变换器需要N+2个功率管。功率开关管的导通电阻为Ron，则变换器引入的额外功耗为

因此效率相对于单输出变换器而言要低一些。

早在2001年，Marcus W.May等人就采用了DC-DC变换器附加多路开关输出结构实现了双输出变换器，片外只需一个电感，片内增加了两个开关管，但由于控制器工作在CCM模式下，交叉调制非常严重；到2003年，Dongsheng Ma等人通过增加一个free wheel管，使得变换器的工作模式由DCM变为伪连续导通模式(PCCM)，解决了变换器负载电流限制及交叉调制问题，但是系统效率及输出电压大纹波问题并没有得到彻底解决；Hanh-Phuc Le等人又于2007年完成了一款单电感5路输出升压型DC-DC变换器，在结构上采用DC-DC变换器附加多路开关输出结构，采用了PCCM技术，在结构上也做了很大改进，很好地解决了交叉调制问题，功率管的需求也从典型的N+2变为N+1。但测试结果显示效率并不很高，输出电压大纹波问题没有解决；2010年WeiWei Xu等人通过采用飞电容(FlyCapacitor)技术，很好地解决了单电感双输出DC-DC变换器的输出电压大纹波问题，但对于多于两路输出的情况并不适用。

发明内容：

本发明通过对LDO进行分析后，提出了一种新型无电感双输出结构降压型DC-DC变换器，该结构最大的优点就是去掉了传统降压DC-DC变换器中的电感元件，更有利于单片集成，外围电路结构也更加简单。同时，当PWM信号为周期性的方波信号时，系统为双输出降压型变换器，当PWM信号为恒定高或低电平时，系统将变为传统的单路输出LDO变换器。在双输出条件下，输出电压不受PWM信号占空比影响，不受交叉调制的影响，没有大负载电流限制问题，也不存在输出电压大纹波问题。该系统由于去掉了片外电感，因此非常适用于现在单芯片多电压标准的SOC系统。

本发明包括PMOS调整管、PMOS开关、传输门、反相器和误差放大器电路；所述PMOS调整管分别与输入电压、两个传输门和两个PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压V_REF和两路传输门单向连接；所述反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。

所述两路PMOS开关分别是第一PMOS开关和第二PMOS开关，两路传输门分别是第一传输门和第二传输门，两个反相器分别是第一反相器和第二反相器，两个误差放大器分别是第一误差放大器和第二误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、第一传输门、第二传输门、第一PMOS开关和第二PMOS开关单向连接；所述两路误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压V_REF、第一传输门和第二传输门单向连接；所述第一反相器和第二反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。

所述本发明降压型DC-DC变换器工作原理是：两路误差放大器分别将两路输出反馈电压分别与参考电压V_REF比较，得到两路输出的误差放大信号，再通过PWM信号控制的两路交替导通的传输门，从而实现误差放大信号对PMOS调整管的调节功能，以实现稳定的两路输出电压。

所述本发明降压型DC-DC变换器核心系统控制方式有：1)单路输出控制，当PWM信号为高电平时，V_out1输出稳定的预设电压值，而V_out2等于零；当PWM信号为低电平时，V_out2输出稳定的预设电压值，而V_out1等于零。2)双路输出控制，当PWM为周期性的方波信号时，V_out1和V_out2分别输出稳定的两路预设电压值。

所述变换器系统包含了一个开环系统和两个闭环系统；所述开环系统由PWM控制信号分别控制传输门和PMOS开关交替导通，其目的是确保两路输出通路提供输出电压；所述闭环系统包括第一闭环系统和第二闭环系统，第一闭环系统由V_out1、V_FB1、第一误差放大器、第二传输门、PMOS调整管和第二PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out1；第二闭环系统由V_out2、V_FB2、第二误差放大器、第一传输门、PMOS调整管和第一PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out2。

所述本发明系统效率和输出电压纹波分析如下：如图1所示，虚线框内为本发明的单电感双输出降压型DC-DC变换器芯片内部的结构框图，虚线框外为芯片外围电路；根据图1的标注，输入电压为V_in，两路输出电压分别为V_out1和V_out2，对应于两路输出电压的负载电流分别为I_out2和I_out2，系统静态电流为I_q，占空比为D₁，即在一个时钟周期内有D₁时间输入对V_out1充电，此时流过PMOS调整管电阻的电流为I_DS1，有1-D₁时间输入对V_out2充电，此时流过PMOS调整管电阻的电流为I_DS2。S₁、S₁′和S₂、S₂′分别是两路输出电压V_out1和V_out2的控制开关；PWM信号频率为f_PWM，输出滤波电容分别为C₁和C₂，滤波电容寄生的ESR电阻分别为R_{ESR_C1}和R_{ESR_C2}，负载电阻分别为R₁和R₂。当系统稳定时，则由如下表达式可知：系统的整体效率不仅与静态电流和两路输出的变压比有关，而且还与两路输出电流有关，但是与占空比D₁没有关系。当占空比为0或100％时，I_out1和I_out2将为0，此时上式将变为传统LDO系统整体效率表达式；输出电压的纹波与负载电流成正比，与滤波电容大小成反比，与滤波电容寄生的ESR电阻成正比，与PWM信号频率成反比。

系统的电流效率为：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{I_{\mathrm{out}1}+I_{\mathrm{out}2}}{D_1\×I_{\mathrm{DS}1}+(1-D_1)\×I_{\mathrm{DS}2}+I_q}=\frac{I_{\mathrm{out}1}+I_{\mathrm{out}2}}{I_{\mathrm{out}1}+I_{\mathrm{out}2}+I_q}$

系统的输入输出功率(不计静态功耗)效率为：

${\mathrm{\η}}_v=\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{V_{\mathrm{out}1}\×I_{\mathrm{out}1}+V_{\mathrm{out}2}\×I_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{in}}\×I_{\mathrm{DS}1}\×D_1+V_{\mathrm{in}}\×I_{\mathrm{DS}2}\×(1-D_1)}=\frac{V_{\mathrm{out}1}\×I_{\mathrm{out}1}+V_{\mathrm{out}2}\×I_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{in}}\×(I_{\mathrm{out}1}+I_{\mathrm{out}2})}$

系统的整体效率为：

${\mathrm{\η}}_p=\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}+P_q}=\frac{V_{\mathrm{out}1}\×I_{\mathrm{out}1}+V_{\mathrm{out}2}\×I_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{in}}\×I_{\mathrm{DS}1}\×D_1+V_{\mathrm{in}}\×I_{\mathrm{DS}2}\×(1-D_1)+V_{\mathrm{in}}\×I_q}=\frac{V_{\mathrm{out}1}\×I_{\mathrm{out}1}+V_{\mathrm{out}2}\×I_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{in}}\×(I_{\mathrm{out}1}+I_{\mathrm{out}2}+I_q)}$

第一输出通路电压V_out1上的纹波电压为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}1}=(R_{\mathrm{ESR}\_C1}+\frac{D_1}{C_1\×f_{\mathrm{PWM}}})\×I_{\mathrm{out}1}$

第二输出通路电压V_out2上的纹波电压为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}2}=(R_{\mathrm{ESR}\_C2}+\frac{D_1}{C_2\×f_{\mathrm{PWM}}})\×I_{\mathrm{out}2}$

本发明的优势主要有：去掉了传统降压DC-DC变换器中的电感元件，外围电路简单，集成度高；当PWM信号为周期性的方波信号时，系统为双输出降压型变换器，当PWM信号为恒定高或低电平时，系统将变为传统的单路输出LDO变换器；在双输出条件下，输出电压不受PWM信号占空比影响；不受交叉调制的影响；没有大负载电流限制问题；也不存在输出电压大纹波问题；该结构DC-DC变换器非常适用于现代数字系统中，根据任务的繁重程度对输出电压进行动态调整，降低整个数字系统的功耗，延长电池使用时间。

附图说明：

图1为本发明的一种无电感双输出降压型DC-DC变换器结构示意图；

其中：1为PMOS调整管；2为第一PMOS开关；3为第二PMOS开关；4为第一传输门；5为第二传输门；6为第一反相器；7为第二反相器；8为第一误差放大器；9为第二误差放大器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，包括PMOS调整管、PMOS开关、传输门、反相器和误差放大器电路；所述PMOS调整管分别与输入电压、两个传输门和两个PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压V_REF和两路传输门单向连接；所述反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。

PMOS调整管根据其栅电压的大小V_G来调整自身沟道的导通电阻R_DS，以稳定输出电压V_out1和V_out2。

PMOS开关根据PWM信号电平的高低，选择从PMOS调整管的漏端到V_out1和V_out2之间的通路，在PWM信号为周期性的方波信号时，使其保持交替导通。

传输门根据PWM信号电平的高低，选择从两个误差放大器电路到PMOS调整管的栅端之间的通路，在PWM信号为周期性的方波信号时，使其保持交替导通。

两级反相器电路实现了PWM和

信号，分别控制两路传输门和PMOS开关的交替导通。

两路误差放大器电路的一个公共输入端接V_REF电平信号，另一个输入端分别接两路输出电压V_out1和V_out2的各自反馈电压V_FB1和V_FB2，误差放大器的两路输出误差电压分别接在两路由PWM信号控制交替导通的传输门输入端。

本发明的PWM控制信号实现的功能有：1)单路输出控制，当PWM信号为高电平时，V_out1输出稳定的预设电压值，而V_out2等于零；当PWM信号为低电平时，V_out2输出稳定的预设电压值，而V_out1等于零。2)双路输出控制，当PWM为周期性的方波信号时，V_out1和V_out2分别输出稳定的两路预设电压值。

本发明的一种无电感双输出降压型DC-DC变换器中包含了一个开环系统和两个闭环系统。第一，开环系统，由PWM控制信号分别控制传输门和PMOS开关交替导通，其目的是确保两路输出通路提供输出电压；第二，闭环系统，闭环系统1由V_out1、V_FB1、误差放大器8、传输门5、PMOS调整管1和PMOS开关2构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out1；闭环系统2由V_out2、V_FB2、误差放大器9、传输门4、PMOS调整管1和PMOS开关3构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out2。

本发明的优势主要有以下几个方面：

(1)在去掉了传统降压型DC-DC变换器电感元件的基础上，又实现了两路电压输出，外围电路简单，集成度高。

(2)当PWM信号为周期性的方波信号时，系统为双输出降压型DC-DC变换器；当PWM信号为恒定高或低电平时，系统将变为传统的单路输出LDO变换器，使用方便，便于应用范围扩展。

(3)两路输出电压不受PWM信号占空比影响。

(4)两路输出电压不受交叉调制的影响。

(5)两路输出电压没有大负载电流限制问题

(6)不存在两路输出电压大纹波问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：包括PMOS调整管、两路PMOS开关、两路传输门、两路反相器和两路误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、两路传输门和两路PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压V_REF和两路传输门单向连接；所述两路反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接；

所述两路PMOS开关分别是第一PMOS开关和第二PMOS开关，两路传输门分别是第一传输门和第二传输门，两路反相器分别是第一反相器和第二反相器，两路误差放大器分别是第一误差放大器和第二误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、第一传输门、第二传输门、第一PMOS开关和第二PMOS开关单向连接；所述两路误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压V_REF、第一传输门和第二传输门单向连接；所述第一反相器和第二反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接；

所述PMOS开关根据PWM信号电平的高低，选择从PMOS调整管的漏端到V_out1和V_out2之间的通路，在PWM信号为固定的频率信号时，使其保持交替导通。

2.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述PMOS调整管根据其栅电压的大小V_G来调整自身沟道的导通电阻R_DS，以稳定输出电压V_out1和V_out2。

3.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述传输门根据PWM信号电平的高低，选择从两路误差放大器到PMOS调整管的栅端之间的通路，在PWM信号为固定的频率信号时，使其保持交替导通。

4.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述两级反相器实现了PWM和

信号，分别控制两路传输门和PMOS开关的交替导通。

5.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述两路误差放大器的一个公共输入端接V_REF电平信号，另一个输入端分别接两路输出电压V_out1和V_out2的各自反馈电压V_FB1和V_FB2，误差放大器的两路输出误差电压分别接在两路由PWM信号控制交替导通的传输门输入端。

6.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：所述PWM控制信号实现的功能有：1）单路输出控制，当PWM信号为高电平时，V_out1输出稳定的预设电压值，而V_out2等于零；当PWM信号为低电平时，V_out2输出稳定的预设电压值，而V_out1等于零；2）双路输出控制，当PWM为周期性的方波信号时，V_out1和V_out2分别输出稳定的两路预设电压值。

7.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于：还包含了一个开环系统和两路闭环系统；所述开环系统由PWM控制信号分别控制传输门和PMOS开关交替导通，其目的是确保两路输出通路提供输出电压；所述闭环系统包括第一闭环系统和第二闭环系统，第一闭环系统由V_out1、V_FB1、第一误差放大器、第二传输门、PMOS调整管和第二PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out1；第二闭环系统由V_out2、V_FB2、第二误差放大器、第一传输门、PMOS调整管和第一PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V_out2。

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