CN102820781A - 一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源 - Google Patents

一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源 Download PDF

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Abstract

一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源，包括功率级模块、滤波和电压采样模块、次级电压采样模块、次级波纹控制模块、主级电压采样模块、主级控制模块和驱动模块，功率级模块输出连接滤波和电压采样模块，滤波和电压采样模块输出分别连接次级电压采样模块及主级电压采样模块，次级电压采样模块输出连接次级纹波控制模块，主级电压采样模块输出连接主级控制模块，次级纹波控制模块及主级控制模块的输出均连接驱动模块，驱动模块输出连接功率级模块，次级纹波控制模块还输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块。

Description

一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种基于纹波控制的单电感多输出开关电源。
背景技术
许多电子设备需要提供多个相互独立的电源，这些电子设备要求高效的电源管理系统。单电感多输出（SIMO）降压型DC-DC转换器因其能减少片外元件的使用（特别是片外电感）从而减小电源模块的体积，因此成为一个学术界和产业界热点的研究和发展方向。虽然它能减小电源模块的体积，但也存在着输出纹波较大，效率偏低和交叉调制的问题。对于实际应用的SIMO来说，小纹波、低交叉耦合、高效率和快速瞬态响应是最需要关注的指标。已有技术采用共模电压控制主回路电流环，差模电压控制次级回路电压环的双输出SIMO结构虽然一定程度上可以降低交叉耦合，但是次级回路控制方法复杂，瞬态响应偏慢，用飞电容串在两路输出之间来降低输出纹波的方法又会在一定程度上恶化交调效应。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明在现有技术基础上，提出了一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源（DC-DC转换器），可以简化控制拓扑，提高瞬态响应，降低纹波和交调耦合。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源，其特征是：包括功率级模块、滤波和电压采样模块、次级电压采样模块、次级波纹控制模块、主级电压采样模块、主级控制模块和驱动模块，功率级模块输出连接滤波和电压采样模块，滤波和电压采样模块输出分别连接次级电压采样模块及主级电压采样模块，次级电压采样模块输出连接次级纹波控制模块，主级电压采样模块输出连接主级控制模块，次级纹波控制模块及主级控制模块的输出均连接驱动模块，驱动模块输出连接功率级模块，次级纹波控制模块还输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块；其中：
功率级模块包括作为主功率开关管的PMOS管MP1、作为同步整流开关管的NMOS管MN1、作为次级功率开关管的PMOS管MP2及NMOS管MN2以及电感L，PMOS管MP1的源极连接电源电压Vin，PMOS管MP1的漏极与NMOS管MN1的漏极以及电感L的一端连接在一起，NMOS管MN1的源极接地，电感L的另一端分别连接PMOS管MP2的源极及NMOS管MN2的漏极；
滤波和电压采样模块包括电容C1、C2及电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，电容C1的一端与功率级模块中PMOS管MP2的漏极、电阻R1以及电阻R3的一端连接在一起作为一路输出电压VO1，电容C1的另一端与电阻R1的另一端以及电阻R4的一端连接在一起并接地，电阻R4的另一端与电阻R3的另一端连接作为一路采样电压V1；电容C2的一端与功率级模块中NMOS管MN2的源极、电阻R2以及电阻R5的一端连接在一起作为另一路输出电压VO2，电容C2的另一端与电阻R2的另一端以及电阻R6的一端连接在一起并接地，电阻R6的另一端与电阻R5的另一端连接作为另一路采样电压V2；
次级电压采样模块包括PMOS管MP7和PMOS管MP8、电阻R11、R12、R13、R14和R15、一对恒流电流源I2及一对斜坡补偿电流源Islope，电阻R13及电阻R15的一端分别连接滤波和电压采样模块输出的采样电压V1及采样电压V2，电阻R13的另一端与PMOS管MP7的栅极以及电阻R14的一端连接在一起，电阻R15的另一端与PMOS管MP8的栅极连接，PMOS管MP7的漏极与PMOS管MP8的漏极以及电阻R14的另一端连接在一起并接地，一对恒流电流源I2及一对斜坡补偿电流源Islope的一端连接电源VDD，其中一个斜坡补偿电流源Islope的另一端与电阻R12的一端连接作为输出电压V-，电阻R12的另一端与PMOS管MP8的源极以及其中一个恒流电流源I2的另一端连接在一起，另一个斜坡补偿电流源Islope的另一端与PMOS管MP7的源极以及电阻R11的一端连接在一起，电阻R11的另一端与另一个恒流电流源I2的另一端连接作为输出电压V+；
次级波纹控制模块包括斜坡补偿电路和比较器电路，比较器电路的两个输入端分别连接次级电压采样模块的输出电压V+及V-，斜坡补偿电路包括PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6以及NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、电容C3、C4、电阻R10、恒流电流源I1和反相器，恒流电流源I1的一端与PMOS管MP6的源极、PMOS管MP5的源极以及电容C4的一端连接在一起并连接电源VDD，恒流电流源I1的另一端与NMOS管MN3的漏极、栅极以及NMOS管MN4的栅极连接在一起，NMOS管MN3的源极连接电容C3的一端和NMOS管MN5的漏极，电容C3的另一端及NMOS管MN5的源极均接地，NMOS管MN5的栅极连接反相器的输出端，反相器的输入端连接比较器电路输出的占空比信号d2，PMOS管MP6的栅极连接占空比信号d2，PMOS管MP6的漏极连接电容C4的另一端及MOS管MP3的源极，MOS管MP3的栅极与漏极互连并与MOS管MP4的栅极及NMOS管MN4的漏极连接在一起，NMOS管MN4的源极通过电阻R10接地，PMOS管MP5的栅极接地，PMOS管MP5的漏极连接PMOS管MP4的源极，PMOS管MP4的漏极作为斜坡补偿电路的输出，输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块；
主级电压采样模块包括电阻R7、R8和R9，电阻R7及电阻R8的一端分别连接滤波和电压采样模块输出的采样电压V1及采样电压V2，电阻R7及电阻R8的另一端通过电阻R9接地；
主级控制模块包括斜坡补偿电路（与次级波纹控制模块中的斜坡补偿电路相同）、振荡器、电流检测电路、叠加器、误差放大器和脉冲宽度调制器，振荡器输出时钟控制信号给斜坡补偿电路，斜坡补偿电路输出连接叠加器，电流检测电路的输入连接功率级模块中PMOS管MP1和NMOS管MN1的的漏极，电流检测电路的输出亦连接至叠加器，叠加器的输出连接脉冲宽度调制器的一个输入端，脉冲宽度调制器的另一个输入端连接误差放大器的输出，误差放大器的负输入端连接主级电压采样模块中作为采样电压VM输出的电阻R7、R8及R9的连接端，误差放大器正输入端连接基准电压Vref，接脉冲宽度调制器输出主级占空比信号d1；
驱动模块设有死区和驱动电路（可采用现有电路），其输入端分别连接主级控制模块中脉冲宽度调制器输出的主级占空比信号d1及次级波纹控制模块中比较器电路输出的占空比信号d2，在死区和驱动电路的输出端，由占空比信号d1产生的驱动信号PD和ND分别连接到功率级模块中PMOS管MP1的栅极及NMOS管MN1的栅极，由占空比信号d2产生的驱动信号DP和DN分别连接到功率级模块中PMOS管MP2的栅极及NMOS管MN2的栅极。
本发明的优点及显著效果：
（1）主环路采用共模电压峰值电流模式，次级环路采用差模电压纹波控制模式的双路SIMO降压DC-DC转换器，次级回路采用纹波控制模式。为了提高瞬态响应，简化了控制电路，主回路采用误差放大器无补偿的峰值电流模式，进一步简化了控制电路，同时也提高了瞬态响应；为了使主次回路稳定，次级控制回路加入了额外的斜坡补偿，额外的斜坡补偿同时也降低了纹波。
（2）主级开关MP1和MN1通过两路输出电压的共模信号控制，次级开关管MP2和MN2通过两路输出电压的差模信号控制。主级开关采用共模电压控制，次级开关采用差模电压控制可减小交叉耦合。
（3）纹波控制型结构的核心在于一个高精度高速的比较器和一个斜坡补偿电路，斜坡补偿叠加到高精度高速比较器的输入端次级电压采样模块实现纹波控制。
（4）主回路的控制拓扑为峰值电流型控制拓扑，次级回路的控制拓扑为纹波控制型拓扑。次级开关采用差模电压的纹波进行控制，并通过斜坡补偿消除了潜在的次谐波振荡，从而减小了单电感双输出开关电源的纹波。
（5）功率开关管根据输入输出电压差选择不同类型的功率开关管，并通过分段驱动和轻载阶段采用PSM模式来提高效率。
（6）次级纹波控制模块简化了控制拓扑，使系统响应速度变快。
（7）由于次级纹波控制模块采用了斜坡补偿，所以主级回路的斜坡补偿电路在一定程度上也可以省去。
附图说明
图1为本发明的方框图；
图2为本发明的电路总图；
图3为本发明的次级斜坡补偿电路的电路图；
图4为本发明的次级电压采样电路图；
图5为本发明的工作波形图；
图6为本发明次级斜坡补偿的原理图。
具体实施方式
参看图1，本发明目的是提供一个快速响应、小纹波、低交叉耦合、高效率的单电感双输出降压型DC-DC转换器。包括功率级模块1、滤波和电压采样模块2、次级电压采样模块3、次级波纹控制模块4、主级电压采样模块5、主级控制模块6和驱动模块7.功率级模块1输出VO1、VO2至滤波和电压采样模块2，滤波和电压采样模块2输出V1、V2分别至次级电压采样模块3及主级电压采样模块5，次级电压采样模块3输出V+、V-至次级纹波控制模块4，主级电压采样模块5输出VM至主级控制模块6，次级纹波控制模块4及主级控制模块6分别输出占空比信号d2、d1至驱动模块7，驱动模块7输出连接功率级模块1，次级纹波控制模块4还输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块3。
如图2所示，Vin为开关电源输入电压，MP1为输入回路主级功率开关管，MN1为主环路同步整流功率开关管，MP2、MN2为次级功率管，MP1、MN1、MP2、MN2和电感L组成了功率级模块1。C1为支路一的滤波电容，R1为支路一的负载，C2为支路二的滤波电容，R2为支路二的负载，C1、R1、R2、R3、C2、R4、R5和R6组成了滤波和电压采样模块2。R7、R8、R9组成主级电压采样模块5，误差放大器和脉冲宽度调制器，加上电流检测、叠加器、振荡器和斜坡补偿电路Ⅰ，组成了主级控制模块6。斜坡补偿电路Ⅱ和高速高精度低失调比较器，组成了次级纹波控制模块4。斜坡补偿电路Ⅱ与斜坡补偿电路Ⅰ可采用结构相同的电路结构。
在功率级模块1中，主级功率开关管MP1和同步整流功率开关管MN1作为主环路开关，控制能量的输入，MP1使用功率PMOS管，MN1使用功率NMOS管。电感L之后的两个次级功率开关管MP2和MN2作为次级开关，决定能量的分配。两路输出电压VO1和VO2通过采样电阻R3,R4,R5和R6得到采样电压V1和V2，采样电压V1和V2分别传递到主级电压采样模块和次级电压采样模块，主级电压采样模块对采样电压V1和V2进行采样处理得到主级采样电压VM,VM和基准电压Vref通过误差放大器进行比较产生输出电压，电流检测电路和斜坡补偿电路Ⅰ的电流通过采样电阻产生另外一个电压，这两个电压通过脉冲宽度调制器进行比较产生占空比信号d1，占空比信号d1通过驱动模块产生驱动信号PD和ND。选择输出电压的功率管MP2使用功率PMOS管，选择输出电压的功率管MN2使用功率NMOS管。选择输出电压的功率管类型可根据两路输出电压值VO1和VO2与电源电压的关系来选择。其选择依据是：当输出电压小于电源电压的一半时，功率管选择N型功率MOS管，当输出电压大于电源电压的一半时，功率管选择P功率MOS管。例如当电源为3.3V，VO1的额定输出电压为1.8V，大于电源电压的一半，选择输出电压的功率MOS管MP2就选择P型功率MOS管，VO2的额定输出电压为1.2V，大于电源电压的一半，选择输出电压的功率MOS管MN2就选择N型功率MOS管。
次级控制环路采用添加了斜坡补偿的纹波控制模式。斜坡补偿电路Ⅱ产生的二次斜坡电流输入到次级电压采样模块，两路采样输出电压V1和V2通过次级电压采样模块产生差模电压V+和V-输入到高速高精度低失调比较器的两个输入端，产生次级占空比信号d2，占空比信号d2通过驱动模块（PWM）产生驱动信号DP和DN。
在滤波和电压采样模块2中，输出滤波电容C1和C2使用低寄生电感的电容，如体积小的电容，或者采用特殊工艺制作的低寄生电感的电容。
在主级电压采样模块5中，电阻R7、R8和R9通过分压采样到电压VM，这个电压VM为共模电压采样电压，VM输入到主级控制模块6中的误差放大器的负输入端。
在主级控制模块6中，振荡器的输出时钟控制斜坡补偿电路Ⅱ产生斜坡补偿电流，电流检测功率级的电流，这两个电流叠加并输入到脉冲宽度调制器中。同时，主级电压采样模块产生的采样电压VM输入到误差放大器的负输入端，基准电压Vref输入到误差放大器正输入端，误差放大器的输出输入到脉冲调制器，脉冲调制器产生主级占空比信号d1，主级占空比信号d1输入到驱动模块7中。
在次级纹波控制模块4中，次级电压采样模块的两路输出V+和V-输入到高速高精度比较器的两个输入端，斜坡补偿电路Ⅱ产生的二次斜坡补偿电流输入到次级电压采样模块中，差模电压V+和V-在比较器中进行比较，产生次回路的占空比信号d2，次级占空比信号d2输入到驱动模块7中。
图3为次级纹波控制模块4中的斜坡补偿电路Ⅱ的电路示意图，I1为电流源，电流源由电流基准产生，MN3、MN4和MN5为NMOS管，MP3、MP4、MP5和MP6为PMOS管，MN5和MP6为MOS管开关，次级占空比信号d2控制开关管MP6，次级占空比信号d2通过反相器控制开关管MN5。初始状态时，开关管MN5和MP6闭合，电流基准无基准电流产生，斜坡补偿电路Ⅱ不工作，当整个开关电源工作的时候，次级占空比信号控制开关管MN5和MP6断开，电流基准产生电流，I1为恒流源，电容C3上的电压在开关管MN5断开时会与时间成比例线性上升，电阻R10上的电压也与时间成比例线性上升，此时开关管MP6也断开，一个与时间成比例的电流流经电容C4，MP3管的源端产生一个与时间成比例的电压，进而在MP4管的工作通路上产生一个与时间成平方关系的电流，即为二次斜坡补偿电流Islope。
图4为次级电压采样模块的电路示意图，I2为恒流电流源，电流源由电流基准产生，Islope为斜坡补偿电路Ⅱ的斜坡电流，MP7和MP8为PMOS管，R13、R14和R15为次级控制模块4中的输出采样电压V1和V2的采样分压电阻，R11和R12为把斜坡补偿电流Islope和恒流源I2转化为电压的采样电阻。输出电压V2经过MP8构成的源随器传递到MP8的源级，同时斜坡补偿电流和恒流源电流流经MP8产生的电压也在MP8的源级，斜坡补偿电流流经电阻R12产生了一个电压，这个电压和上述的两个电压加起来被送到高速高精度低失调的比较器的负输入端。输出电压V1经过MP7构成的源随器传递到MP7的源级，同时斜坡补偿电流Islope和恒流源电流I2经MP7产生的电压也在MP7的源级，恒流源流经电阻R11产生了一个电压，这个电压和上述的两个电压加起来被送到高速高精度低失调的比较器的正输入端。
上述控制方式的工作波形如图5所示，分别为支路一重载和支路二重载的情况。
在支路1重载的情况下，如图5（a）所示，根据能量分配的原理，支路1需要的能量比较大，次级回路占空比小于主级回路占空比。我们提出的SIDO的结构默认先给支路2充电，VO2上升，VO1由于自由放电而下降，此时电感电流理想的上升斜率为(Vin-VO2)/L,当VO2充电到次级占空比翻转点，主级转而给支路1充电，支路2自由放电，此时电感电流理想的上升斜率为(Vin-VO1)/L,当电感电流上升到主级占空比翻转点，主级回路进入电感续流状态，此时支路1续流，支路2继续自由放电。
在支路2重载的情况下，如图5（b）所示，次级回路占空比大于主级回路占空比。在主级回路电感电流上升阶段，一直给支路2充电，斜率为(Vin-VO2)/L，支路1自由放电，而在电感电流续流阶段，首先支路2续流，支路1继续自由放电，当支路2续流到翻转点，进入支路1续流而支路2自由放电阶段，当电感电流下降到主级翻转点，进入下一个周期。
这种控制方式的核心和需要解决的问题在于，在支路2重载的情况下，如何使次级占空比自由切换。如图6所示。
由于自由放电的斜率远小于电感电流续流的斜率，这导致了主级占空比切换后，纹波控制模块的两个比较因子V2和kV1无法出现交点，从而使次级占空比无法切换。为了解决这个问题，我们采样支路2输出电压V2到纹波控制模块的时候，人为叠加了一个斜坡补偿电路，使支路2在续流阶段采样到纹波控制模块的电压为上升的电压，从而与另外一个比较因子出现交点，实现次级占空比切换。同时由于次级斜坡补偿会影响到SIDO结构的两路输出电压，所以采用二次斜坡补偿。

Claims (1)

1.一种基于纹波控制的单电感双输出开关电源，其特征是：包括功率级模块、滤波和电压采样模块、次级电压采样模块、次级波纹控制模块、主级电压采样模块、主级控制模块和驱动模块，功率级模块输出连接滤波和电压采样模块，滤波和电压采样模块输出分别连接次级电压采样模块及主级电压采样模块，次级电压采样模块输出连接次级纹波控制模块，主级电压采样模块输出连接主级控制模块，次级纹波控制模块及主级控制模块的输出均连接驱动模块，驱动模块输出连接功率级模块，次级纹波控制模块还输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块；其中：
功率级模块包括作为主功率开关管的PMOS管MP1、作为同步整流开关管的NMOS管MN1、作为次级功率开关管的PMOS管MP2及NMOS管MN2以及电感L，PMOS管MP1的源极连接电源电压Vin，PMOS管MP1的漏极与NMOS管MN1的漏极以及电感L的一端连接在一起，NMOS管MN1的源极接地，电感L的另一端分别连接PMOS管MP2的源极及NMOS管MN2的漏极；
滤波和电压采样模块包括电容C1、C2及电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，电容C1的一端与功率级模块中PMOS管MP2的漏极、电阻R1以及电阻R3的一端连接在一起作为一路输出电压VO1，电容C1的另一端与电阻R1的另一端以及电阻R4的一端连接在一起并接地，电阻R4的另一端与电阻R3的另一端连接作为一路采样电压V1；电容C2的一端与功率级模块中NMOS管MN2的源极、电阻R2以及电阻R5的一端连接在一起作为另一路输出电压VO2，电容C2的另一端与电阻R2的另一端以及电阻R6的一端连接在一起并接地，电阻R6的另一端与电阻R5的另一端连接作为另一路采样电压V2；
次级电压采样模块包括PMOS管MP7和PMOS管MP8、电阻R11、R12、R13、R14和R15、一对恒流电流源I2及一对斜坡补偿电流源Islope，电阻R13及电阻R15的一端分别连接滤波和电压采样模块输出的采样电压V1及采样电压V2，电阻R13的另一端与PMOS管MP7的栅极以及电阻R14的一端连接在一起，电阻R15的另一端与PMOS管MP8的栅极连接，PMOS管MP7的漏极与PMOS管MP8的漏极以及电阻R14的另一端连接在一起并接地，一对恒流电流源I2及一对斜坡补偿电流源Islope的一端连接电源VDD，其中一个斜坡补偿电流源Islope的另一端与电阻R12的一端连接作为输出电压V-，电阻R12的另一端与PMOS管MP8的源极以及其中一个恒流电流源I2的另一端连接在一起，另一个斜坡补偿电流源Islope的另一端与PMOS管MP7的源极以及电阻R11的一端连接在一起，电阻R11的另一端与另一个恒流电流源I2的另一端连接作为输出电压V+；
次级波纹控制模块包括斜坡补偿电路和比较器电路，比较器电路的两个输入端分别连接次级电压采样模块的输出电压V+及V-，斜坡补偿电路包括PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6以及NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、电容C3、C4、电阻R10、恒流电流源I1和反相器，恒流电流源I1的一端与PMOS管MP6的源极、PMOS管MP5的源极以及电容C4的一端连接在一起并连接电源VDD，恒流电流源I1的另一端与NMOS管MN3的漏极、栅极以及NMOS管MN4的栅极连接在一起，NMOS管MN3的源极连接电容C3的一端和NMOS管MN5的漏极，电容C3的另一端及NMOS管MN5的源极均接地，NMOS管MN5的栅极连接反相器的输出端，反相器的输入端连接比较器电路输出的占空比信号d2，PMOS管MP6的栅极连接占空比信号d2，PMOS管MP6的漏极连接电容C4的另一端及MOS管MP3的源极，MOS管MP3的栅极与漏极互连并与MOS管MP4的栅极及NMOS管MN4的漏极连接在一起，NMOS管MN4的源极通过电阻R10接地，PMOS管MP5的栅极接地，PMOS管MP5的漏极连接PMOS管MP4的源极，PMOS管MP4的漏极作为斜坡补偿电路的输出，输出斜坡补偿电流源Islope信号给次级电压采样模块；
主级电压采样模块包括电阻R7、R8和R9，电阻R7及电阻R8的一端分别连接滤波和电压采样模块输出的采样电压V1及采样电压V2，电阻R7及电阻R8的另一端通过电阻R9接地；
主级控制模块包括斜坡补偿电路、振荡器、电流检测电路、叠加器、误差放大器和脉冲宽度调制器，振荡器输出时钟控制信号给斜坡补偿电路，斜坡补偿电路输出连接加法器，电流检测电路的输入连接功率级模块中PMOS管MP1和NMOS管MN1的的漏极，电流检测电路的输出亦连接至叠加器，叠加器的输出连接脉冲宽度调制器的一个输入端，脉冲宽度调制器的另一个输入端连接误差放大器的输出，误差放大器的负输入端连接主级电压采样模块中作为采样电压VM输出的电阻R7、R8及R9的连接端，误差放大器正输入端连接基准电压Vref，接脉冲宽度调制器输出主级占空比信号d1；
驱动模块设有死区和驱动电路，其输入端分别连接主级控制模块中脉冲宽度调制器输出的主级占空比信号d1及次级波纹控制模块中比较器电路输出的占空比信号d2，在死区和驱动电路的输出端，由占空比信号d1产生的驱动信号PD和ND分别连接到功率级模块中PMOS管MP1的栅极及NMOS管MN1的栅极，由占空比信号d2产生的驱动信号DP和DN分别连接到功率级模块中PMOS管MP2的栅极及NMOS管MN2的栅极。
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