CN103929066A - 一种宽范围单电感多路输出变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽范围单电感多路输出变换器，包括主功率电路，包括续流回路，当副边电流i_s下降到续流参考值时，开关管S₂闭合，原边电流通过续流开关管S₂和二极管D_fw续流维持为恒定值，直到开关管S₁再次导通；开关元件，用于控制电路通断，保证电路工作于伪连续导电模式，同时使所有输出支路分时复用一个变压器；反馈控制电路，与开关元件和主功率电路均连接，用于反馈控制调节各输出支路的输出电压或电流，使输出电压或电流保持恒定。该变换器结构简单、体积小、器件少、成本低，能够实现宽范围输出并且各输出支路间无交叉影响，有利于提高生产效率。

Description

一种宽范围单电感多路输出变换器

技术领域

本发明涉及电力供电设备，尤其是需要多种等级供电电压并且不同等级供电电压之间需要避免交叉影响的供电设备，具体涉及一种宽范围单电感多路输出变换器。

背景技术

移动电话等便携式电子产品需要多个不同等级的供电电压，然而采用多输出绕组的多路输出开关变换器，各路输出间存在严重的交叉影响。单电感多输出开关变换器的所有输出支路共用一个磁性元件，可以实现所有输出支路的精确调节，减少了变换器的体积和成本。变换器的工作特性与工作模式有关，当单电感多输出变换器工作于断续导电模式时，输出支路间不存在交叉影响，但是重载条件下存在电感电流纹波和应力大的缺点，连续导电模式多输出变换器，具有带载能力强，但输出支路间存在交叉影响。因此，研究能够避免输出支路间的交叉影响且带载能力强的单电感多输出变换器具有重要的理论研究和实用价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以工作于伪连续导电模式的多输出电源。该电源的各输出支路间避免了交叉影响，同时，电源具有更强的带负载能力。

技术方案：为了达到上述发明目的，本发明提供了一种宽范围单电感多路输出变换器，包括：

主功率电路，包括变压器FT、开关管S₁、二极管D_fw、续流开关管S₂、一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)、一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)；变压器FT原边一端与二极管D_fw阴极相接，二极管D_fw阳极与续流开关管S₂的漏极连接，开关管S₁的源极与续流开关管S₂相接，变压器FT原边另一端与续流开关管S₂和开关管S₁的公共端连接；变压器FT副边一端分别与一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)漏极相连，变压器FT副边另一端与副边公共端相连，一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)的源极相连，一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)与负载的一端连接，一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)分别与负载两端连接；

反馈控制电路，包括一组误差放大器EA_i(i＝1～n)、一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)、一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)、一组SR触发器、时分复用信号产生器、电流比较器COMP；所述一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的反向输入端分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)的公共端连接，其正向输入端分别与一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)连接；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的反向输入端分别与一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的输出端连接、正向输入端输入三角载波；与三角载波同步的脉冲信号作为时分复用信号产生器的输入，时分复用信号产生器产生时分复用信号；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的输出和时分复用信号作为选择器S的输入，选择器S的输出作为开关管S₁的驱动信号；电流比较器COMP的反向输入端输入副边电流的采样信号、正向输入端输入参考电流信号I_dc，电流比较器COMP的输出端连接SR触发器的S端，当i_s下降到参考电流时，SR触发器置位，选择器S的输出连接SR触发器的复位信号，SR触发器的输出信号作为续流开关管S₂的驱动信号。

作为改进，所述开关元件为MOS管。

有益效果：本发明提供的宽范围单电感多路输出变换器结构简单、体积小、器件少、成本低，能够实现宽范围输出并且各输出支路间无交叉影响，有利于提高生产效率。

本发明电路结构增加了续流开关管S₂和二极管D_fw，变换器工作于伪连续导电模式，同时具备断续导电模式单电感多输出变换器无交叉影响特性和连续导电模式单电感多输出变换器带负载能力强、纹波电压小的优点。

具体而言，本发明提供的一种宽范围单电感多路输出变换器，包括主功率电路，包括续流回路，当副边电流i_s下降到续流参考值时，开关管S₂闭合，原边电流通过续流开关管S₂和二极管D_fw续流维持为恒定值，直到开关管S₁再次导通；开关元件，用于控制电路通断，保证电路工作于伪连续导电模式，同时使所有输出支路分时复用一个变压器；反馈控制电路，与开关元件和主功率电路均连接，用于反馈控制调节各输出支路的输出电压或电流，使输出电压或电流保持恒定。由于本发明变换器仅使用一个电感，所有的输出支路共用同一个电感，通过时分复用技术实现所有输出支路的独立精确调节。与单输入单输出供电方式比，减少了储能电感的数量，可以降低电源的体积和成本。不同于传统单电感多输出拓扑，该电源增加了续流回路，因而能够工作于伪连续导电模式，不同输出支路可以避免交叉影响，且拓宽了负载范围。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明的工作过程图；

图3本发明稳态工作波形，即PCCM SIDO反激变换器的稳态实验波形图；其中，图3(a)为输出电压Voa、Vob波形图，图3(b)为开关时序图，图3(c)为原、副边电流图；

图4本发明负载跳变波形，即I_oa＝280mA时，b输出支路负载跳变瞬态实验结果；其中，图4(a)为b输出支路加载，图4(b)为b输出支路减载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

宽范围单电感多路输出变换器，包括：

主功率电路，包括变压器FT、开关管S₁、二极管D_fw、续流开关管S₂、一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)、一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)；变压器FT原边一端与二极管D_fw阴极相接，二极管D_fw阳极与续流开关管S₂的漏极连接，开关管S₁的源极与续流开关管S₂相接，变压器FT原边另一端与续流开关管S₂和开关管S₁的公共端连接；变压器FT副边一端分别与一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)漏极相连，变压器FT副边另一端与副边公共端相连，一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)的源极相连，一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)与负载的一端连接，一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)分别与负载两端连接；即变压器FT副边一端分别与副边支路二极管D_o1、副边支路二极管D_o2……副边支路二极管D_on相连，副边支路二极管D_o1、副边支路开关管S_o1、负载R_o1依次串联，副边支路二极管D_o2、副边支路开关管S_o2、负载R_o2依次串联……副边支路二极管D_o3、副边支路开关管S_o3、负载R_o3依次串联，输出滤波电容C_o1、输出滤波电容C_o2……输出滤波电容C_on的两端分别与负载R_o1、负载R_o2……R_on连接；当副边电流下降到续流参考值时，变压器励磁电感电流通过续流开关管S₂和二极管D_fw续流，维持为恒定值，直到下一路开始工作；当副边电流i_s下降到续流参考值时，开关管S₂闭合，原边电流通过续流开关管S₂和二极管D_fw续流维持为恒定值，直到开关管S₁再次导通；

反馈控制电路，包括一组误差放大器EA_i(i＝1～n)、一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)、一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)、一组SR触发器、时分复用信号产生器、电流比较器COMP；所述一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的反向输入端分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)的公共端连接，其正向输入端分别与一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)连接；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的反向输入端分别与一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的输出端连接、正向输入端输入三角载波；与三角载波同步的脉冲信号作为时分复用信号产生器的输入，时分复用信号产生器产生时分复用信号；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的输出和时分复用信号作为选择器S的输入，选择器S的输出作为开关管S₁的驱动信号；电流比较器COMP的反向输入端输入副边电流的采样信号、正向输入端输入参考电流信号I_dc，电流比较器COMP的输出端连接SR触发器的S端，当i_s下降到参考电流时，SR触发器置位，选择器S的输出连接SR触发器的复位信号，SR触发器的输出信号作为续流开关管S₂的驱动信号；即误差放大器EA₁的反向输入端分别与副边支路开关管S_o1、输出滤波电容C_o1的公共端连接，其正向输入端分别与基准电压产生电路Vref₁连接，电压比较器COMP₁的反向输入端分别与误差放大器EA₁的输出端连接、正向输入端输入三角载波；误差放大器EA₂的反向输入端分别与副边支路开关管S_o2、输出滤波电容C_o2的公共端连接，其正向输入端分别与基准电压产生电路Vref₂连接，电压比较器COMP₂的反向输入端分别与误差放大器EA₂的输出端连接、正向输入端输入三角载波；……误差放大器EA_n的反向输入端分别与副边支路开关管S_on、输出滤波电容C_on的公共端连接，其正向输入端分别与基准电压产生电路Vref_n连接，电压比较器COMP_n的反向输入端分别与误差放大器EA_n的输出端连接、正向输入端输入三角载波；反馈控制电路与开关元件和主功率电路均连接，用于反馈控制调节各输出支路的输出电压或电流，使输出电压或电流保持恒定。

其控制方法可采用平均电流控制等其他控制方法，仍对变压器FT原边励磁电流进行续流，可以实现各输出支路无交叉影响的特性。

本发明提供的宽范围单电感多路输出变换器，采用时分复用技术，在一个工作周期内各输出支路在各自复用时间内工作过程如下：

下面以输出支路复用时间内变换器工作过程为例介绍本发明提供的宽范围单电感多路输出变换器的工作原理，见图2。

图2中，V_sa为开关管S_a的驱动信号，V_sn为开关管S_n的驱动信号，V_s1和V_s2为开关管S₁和S₂的驱动信号，i_p为原边电流，i_s为副边电流。由图1和图2知，各输出时分复用信号Φ_i用以控制在一个工作周期内相应输出支路i的复用时间，每条支路在各自复用时间内工作工程相同。

采用时分复用技术，在一个工作周期内各输出支路在各自复用时间内工作过程如下：

模态1：开关管S₁和S₂同时导通，输入电压V_in给变压器原边励磁电感L_m充电，原边电流i_p上升；

模态2：开关管S₁和S₂同时关断，励磁电感向第i条输出支路放电，i输出支路副边电流i_si下降；

模态3：当输出支路i的副边电流i_si下降到参考值I_dc时，开关管S₂导通，S₁维持关断状态，励磁电感电流通过开关管S₂和续流二极管D_fw续流，V_p＝0。

以单电感双输出为例，稳态工作波形和负载跳变波形见图3和图4。

图3为伪连续导电模式单电感双输出反激变换器稳态波形，由图3可知，实现了两路的恒压输出。并且由图3(b)和(c)知变化器工作于伪连续导电模式。

图4为伪连续导电模式单电感双输出反激变换器a路负载恒定b路负载跳变实验结果，从图4可以看出a路负载跳变时，b路不受影响。说明伪连续导电模式多输出变换器输出支路间不存在交叉影响。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种宽范围单电感多路输出变换器，其特征在于，包括：

主功率电路，包括变压器FT、开关管S₁、二极管D_fw、续流开关管S₂、一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)、一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)；变压器FT原边一端与二极管D_fw阴极相接，二极管D_fw阳极与续流开关管S₂的漏极连接，开关管S₁的源极与续流开关管S₂相接，变压器FT原边另一端与续流开关管S₂和开关管S₁的公共端连接；变压器FT副边一端分别与一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)漏极相连，变压器FT副边另一端与副边公共端相连，一组副边支路二极管D_oa(a＝1～n)分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)的源极相连，一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)与负载的一端连接，一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)分别与负载两端连接；

反馈控制电路，包括一组误差放大器EA_i(i＝1～n)、一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)、一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)、一组SR触发器、时分复用信号产生器、电流比较器COMP；所述一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的反向输入端分别与一组副边支路开关管S_ob(b＝1～n)、一组输出滤波电容C_oc(c＝1～n)的公共端连接，其正向输入端分别与一组基准电压产生电路Vref_j(j＝1～n)连接；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的反向输入端分别与一组误差放大器EA_i(i＝1～n)的输出端连接、正向输入端输入三角载波；与三角载波同步的脉冲信号作为时分复用信号产生器的输入，时分复用信号产生器产生时分复用信号；一组电压比较器COMP_k(k＝1～n)的输出和时分复用信号作为选择器S的输入，选择器S的输出作为开关管S₁的驱动信号；电流比较器COMP的反向输入端输入副边电流的采样信号、正向输入端输入参考电流信号I_dc，电流比较器COMP的输出端连接SR触发器的S端，当i_s下降到参考电流时，SR触发器置位，选择器S的输出连接SR触发器的复位信号，SR触发器的输出信号作为续流开关管S₂的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的宽范围单电感多路输出变换器，其特征在于：所述开关元件为MOS管。