CN104158399A - 单电感正负电压输出装置 - Google Patents

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Abstract

单电感正负电压输出装置，既减小芯片面积，又能够满足正负压输出负载电流相互独立的应用需求，其特征在于，包括一个电感，所述电感的一端分别连接第一PMOS功率开关管M1的漏极和第三NMOS功率开关管M3的漏极，所述电感的另一端分别连接第二NMOS功率开关管M2的漏极和第四PMOS功率开关管M4的源极，M1、M2、M3和M4的栅极均分别连接驱动电路，所述M1的源极连接电源端，所述M2的源极连接接地端，所述M3的源极连接负电压输出端，所述M4的漏极连接正电压输出端，所述负电压输出端通过负端电容接地，所述正电压输出端通过正端电容接地，所述正电压输出端通过正端反馈电路和所述负电压输出端通过负端反馈电路分别通过所述逻辑控制电路连接所述驱动电路。

Description

单电感正负电压输出装置
技术领域
本发明涉及正负电压输出的开关电源转换技术，特别是一种单电感正负电压输出装置。
背景技术
输出正压的boost转换器和输出负压的buck-boost转换器相结合而产生正负电压输出。芯片内部需要有4个低阻抗的功率开关管。缺点是需要两个电感，应用成本高，且占用较大的PCB面积。输出正压的boost转换器和输出负压的charge-pump转换器相结合而产生正负电压输出。应用上需要一个电感和一个飞电容。缺点是负压charge-pump带载能力较差，且效率低。同时，芯片的内部电路比较复杂，芯片内部需要有6个低阻抗的功率开关管，芯片成本比较高。飞电容是charge-pump中用于将输入能量传递到输出的电容；功率开关管是芯片内部流过较大电流的起开关作用的MOS管。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种单电感正负电压输出装置，其中只需要1个电感，不需要飞电容，在芯片内部只需要4个功率开关管M1～M4，既减小芯片面积，减低成本，又能够满足正负压输出负载电流相互独立的应用需求。
本发明的技术方案如下：
单电感正负电压输出装置，其特征在于，包括一个电感，所述电感的一端分别连接第一PMOS功率开关管的漏极和第三NMOS功率开关管的漏极，所述电感的另一端分别连接第二NMOS功率开关管的漏极和第四PMOS功率开关管的源极，所述第一PMOS功率开关管、第二NMOS功率开关管、第三NMOS功率开关管和第四PMOS功率开关管的栅极均分别连接驱动电路，所述第一PMOS功率开关管的源极连接电源端，所述第二NMOS功率开关管的源极连接接地端，所述第三NMOS功率开关管的源极连接负电压输出端，所述第四PMOS功率开关管的漏极连接正电压输出端，所述负电压输出端通过负端电容接地，所述正电压输出端通过正端电容接地，所述正电压输出端通过正端反馈电路连接逻辑控制电路，所述负电压输出端通过负端反馈电路连接所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路连接所述驱动电路。
所述正端反馈电路包括第一放大器，所述正电压输出端连接所述第一放大器的负向端，所述第一放大器的正向端连接参考电压端，所述负端反馈电路包括第二放大器，所述负电压输出端连接所述第二放大器的正向端，所述第二放大器的负向端接地，所述第一放大器的输出端和所述第二放大器的输出端分别连接反馈控制电压高低选择电路。
所述反馈控制电压高低选择电路连接第一比较器的负向端以传输较高电压，所述反馈控制电压高低选择电路连接第二比较器的正向端以传输较低电压，所述第一比较器的正向端连接所述第二比较器的负向端，所述反馈控制电压高低选择电路与所述逻辑控制电路连接。
所述第一比较器的输出端连接所述逻辑控制电路以传输主关闭信号，所述第二比较器的输出端连接所述逻辑控制电路以传输辅关闭信号。
所述逻辑控制电路连接振荡器，所述振荡器向所述逻辑控制电路传输时钟信号，所述电源端通过电源端电容连接接地端。
所述逻辑控制电路连接振荡器，所述振荡器通过电压相加器连接电流检测装置，所述电流检测装置连接位于所述第二NMOS功率开关管的漏极处的检测点。
所述电压相加器将所述振荡器产生的斜坡补偿电压和所述电流检测装置得到的采样电压相加后传输到一级缓冲器，所述一级缓冲器分别连接芯片内部恒流源、所述第一比较器的正向端和所述第二比较器的负向端，所述芯片内部恒流源并联一个斜坡电压充电电容。
所述一级缓冲器包括第三放大器，所述第三放大器的正向端连接所述电压相加器，所述第三放大器的输出端连接二极管的正极，所述第三放大器的负向端连接所述二极管的负极，所述二极管的负极连接所述芯片内部恒流源的输入端，所述芯片内部恒流源的输出端接地。
所述正电压输出端通过第一片内分压网络连接所述正端反馈电路，所述负电压输出端通过第二片内分压网络连接所述负端反馈电路。
所述第一片内分压网络包括依次连接的所述正电压输出端、第一电阻、第二电阻和接地端，在第一电阻与第二电阻之间具有节点连接所述第一放大器的负向端，所述第二片内分压网络包括依次连接的所述负电压输出端、第四电阻、第三电阻和参考电压端，在第三电阻与第四电阻之间具有节点连接所述第二放大器的正向端。
本发明的技术效果如下：本发明单电感正负电压输出装置只需要一个电感，不需要飞电容，降低了应用成本。芯片内部只需要有4个低阻抗的功率开关管，芯片面积较小。同时可以满足正负压输出负载电流相互独立的应用需求。并且正负电压输出端对电源电压变化的瞬态响应和对负载变化的瞬态响应都比较快。
本发明具有以下特点：1.应用时外围元器件少，电感只需要一个，不需要飞电容。2.芯片内部只需要4个低阻抗功率开关管，就能实现正负压输出。3.满足正负输出负载相互独立的应用需求。4.正压输出端VOP和负压输出端VON对电源电压变化的响应和对负载变化的响应是相当的，而且都很快。5.负压输出端带负载能力强，转换效率高。
附图说明
图1是实施本发明的单电感正负电压输出装置示意图。
图2是正电压输出端VOP的负载＞负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。
图3是正电压输出端VOP的负载＜负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。
图4是正电压输出端VOP的负载＝负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。
附图标记列示如下：1-驱动电路；2-检测点；3-电流检测装置；4-第一片内分压网络或正端分压网络；5-第二片内分压网络或负端分压网络；6-接地端；7-斜坡电压信号线；8-第一放大器或正端误差运算放大器AP；9-第二放大器或负端误差运算放大器AN；10-反馈控制电压高低选择电路；11-芯片内部恒流源；12-第二比较器；13-第一比较器；14-一级缓冲器；15-逻辑控制电路；16-振荡器；17-第三放大器；18-数据线；19-电压相加器；20-对电感储能时段；21-只向正电压输出端VOP传递能量时段；22-同时向VOP和负电压输出端VON传递能量时段；23-二极管；24-只向负电压输出端VON传递能量时段；M1-第一PMOS功率开关管；M2-第二NMOS功率开关管；M3-第三NMOS功率开关管；M4-第四PMOS功率开关管；L-电感；VIN-电源端；CIN-电源端电容；R1-第一电阻；R2-第二电阻；R3-第三电阻；R4-第四电阻；VREF-参考电压端；VOP-正电压输出端；VON-负电压输出端；COP-正端电容；CON-负端电容；Vcp-第一控制量或正端反馈控制电压；Vcn-第二控制量或负端反馈控制电压；Vc-反馈控制电压；Vc_high-较高电压；Vc_low-较低电压；Main_trip-主关闭信号；Aux_trip-辅关闭信号；CLK-时钟信号；Vramp-斜坡电压信号；SLOPE COMP-斜坡补偿电压；Cr-斜坡电压充电电容；Ir-恒流源电流。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图4)对本发明进行说明。
图1是实施本发明的单电感正负电压输出装置示意图。如图1所示，单电感正负电压输出装置，包括一个电感L，所述电感L的一端分别连接第一PMOS功率开关管M1的漏极和第三NMOS功率开关管M3的漏极，所述电感L的另一端分别连接第二NMOS功率开关管M2的漏极和第四PMOS功率开关管M4的源极，所述第一PMOS功率开关管M1、第二NMOS功率开关管M2、第三NMOS功率开关管M3和第四PMOS功率开关管M4的栅极均分别连接驱动电路1，所述第一PMOS功率开关管M1的源极连接电源端VIN，所述第二NMOS功率开关管M2的源极连接接地端6，所述第三NMOS功率开关管M3的源极连接负电压输出端VON，所述第四PMOS功率开关管M4的漏极连接正电压输出端VOP，所述负电压输出端VON通过负端电容CON接地，所述正电压输出端VOP通过正端电容COP接地，所述正电压输出端VOP通过正端反馈电路连接逻辑控制电路15，所述负电压输出端VON通过负端反馈电路连接所述逻辑控制电路15，所述逻辑控制电路15连接所述驱动电路1。所述正端反馈电路包括第一放大器8或正端误差运算放大器AP，所述正电压输出端VOP连接所述第一放大器8的负向端(-)，所述第一放大器8的正向端(+)连接参考电压端VREF，所述负端反馈电路包括第二放大器9或负端误差运算放大器AN，所述负电压输出端VON连接所述第二放大器9的正向端(+)，所述第二放大器9的负向端(-)接地，所述第一放大器8的输出端和所述第二放大器9的输出端分别连接反馈控制电压高低选择电路10。所述反馈控制电压高低选择电路10连接第一比较器13的负向端(-)以传输较高电压Vc_high，所述反馈控制电压高低选择电路10连接第二比较器12的正向端(+)以传输较低电压Vc_low，所述第一比较器13的正向端(+)连接所述第二比较器12的负向端(-)，所述反馈控制电压高低选择电路10与所述逻辑控制电路15连接。Vc指反馈控制电压。所述第一比较器13的输出端(-)连接所述逻辑控制电路15以传输主关闭信号Main_trip，所述第二比较器12的输出端连接所述逻辑控制电路15以传输辅关闭信号Aux_trip。所述逻辑控制电路15连接振荡器16，所述振荡器16向所述逻辑控制电路15传输时钟信号CLK，所述电源端VIN通过电源端电容CIN连接接地端6。所述逻辑控制电路15连接振荡器16，所述振荡器16通过电压相加器19连接电流检测装置3，所述电流检测装置3连接位于所述第二NMOS功率开关管M2的漏极处的检测点2。所述电压相加器19将所述振荡器16产生的斜坡补偿电压SLOPE COMP和所述电流检测装置3得到的采样电压相加后传输到一级缓冲器14，所述一级缓冲器14分别连接芯片内部恒流源11、所述第一比较器13的正向端(+)和所述第二比较器12的负向端(-)，所述芯片内部恒流源11并联一个斜坡电压充电电容Cr。所述一级缓冲器14包括第三放大器17，所述第三放大器17的正向端(+)连接所述电压相加器19，所述第三放大器17的输出端连接二极管23的正极，所述第三放大器17的负向端(-)连接所述二极管23的负极，所述二极管23的负极连接所述芯片内部恒流源11的输入端，所述芯片内部恒流源11的输出端接地。所述正电压输出端VOP通过第一片内分压网络4连接所述正端反馈电路，所述负电压输出端VON通过第二片内分压网络5连接所述负端反馈电路。所述第一片内分压网络4包括依次连接的所述正电压输出端VOP、第一电阻R1、第二电阻R2和接地端6，在第一电阻R1与第二电阻R2之间具有节点连接所述第一放大器8的负向端(-)，所述第二片内分压网络5包括依次连接的所述负电压输出端VON、第四电阻R4、第三电阻R3和参考电压端VERF，在第三电阻R3与第四电阻R4之间具有节点连接所述第二放大器9的正向端(+)，所述第二放大器9的负向端(-)接地。所述逻辑控制电路15通过数据线18连接所述驱动电路1。所述一级缓冲器14产生斜坡电压信号Vramp。所述第一放大器8产生第一控制量或正端反馈控制电压Vcp。所述第二放大器9产生第二控制量或负端反馈控制电压Vcn。Vc_high是从Vcp和Vcn中比较得出的高电压。Vc_low是从Vcp和Vcn中比较得出的低电压。
本发明采用峰值电流控制模式,结构框图如图1所示，由两个电压反馈环路和一个电流反馈环路而构成：由电阻R1和R2构成的第一片内分压网络4采样正端输出电压VOP，并通过误差运放AP与基准电压VREF比较产生控制量Vcp，构成了第一个电压反馈环路。由电阻R3和R4构成的第二片内分压网络5采样负端输出电压VON，并通过误差运放AN与地电压比较产生控制量Vcn，构成了第二个电压反馈环路。Vc高低选择电路选择出Vcp和Vcn中比较高的电压Vc_high和比较低的电压Vc_low。电流检测模块通过采样流过功率开关管M2的电流而转换成采样电压，并与振荡器模块产生的斜坡补偿电压相加，然后再经过一级缓冲器而产生Vramp信号。Vramp的上升斜率由电感电流的斜率以及斜坡补偿量共同决定，下降斜率是由电流Ir对电容Cr放电决定的。Vc_high和Vc_low分别与Vramp进行比较产生Main_trip和Aux_trip信号，构成了电流反馈环路。CLK、Main_trip和Aux_trip三个信号共同决定M1～M4的导通和截止的时间，通过上述反馈环路实现了VOP和VON端的稳压。由于VOP和VON端的电压同时参与了电压和电流反馈环路控制，所以VOP和VON对电源电压变化的响应和对负载变化的响应是相当的，而且都比较快。
下面以VOP和VON端带相同负载和不同负载时对应的M1～M4的时序控制来具体阐述本发明方案的各种工作方式。
图2是正电压输出端VOP的负载＞负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。如图2所示，在VOP端负载大于VON端负载的情况下,反馈环路根据正输出端与负输出端负载差将正输出端误差运放AP的输出调节到比负输出端误差运放AN的输出高出相对应的幅度，此时，Vc_high电压等于Vcp，Vc_low电压等于Vcn。如图2所示：CLK的上升沿使M1，M2导通，此时VIN通过M1，M2对电感L储能。例如对电感储能时段20。
Main_trip产生时使M2截止，M4导通。此时，将电感L上存储的能量通过M1，M4传输到VOP端的电容上(COP)。例如只向正电压输出端VOP传递能量时段21。
Aux_trip产生时使M1截止，M3导通。此时，将电感L上储存的能量通过M3，M4分别传输到VOP和VON端的电容(COP和CON)上。例如同时向VOP和负电压输出端VON传递能量时段22。
当VON端负载减小时，反馈环路使Vcn降低，即Vc_low变得更低，Aux_trip产生的更晚，M3的导通时间也相应的减小，如果当VON端负载趋近于0时，M3的导通时间也趋近于0，而M1，M2和M4依然在环路的控制下逐周期导通和截止，这样也实现了VOP和VON端负载的相互独立。
图3是正电压输出端VOP的负载＜负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。如图3所示，在VOP端负载小于VON端负载的情况下，反馈环路根据负输出端与正输出端负载差将负输出端误差运放AN的输出调节到比正输出端误差运放AP的输出高出相对应的幅度，此时，Vc_high电压等于Vcn，Vc_low电压等于Vcp。如图3所示：CLK的上升沿使M1，M2导通，此时VIN通过M1，M2对电感L储能。例如对电感储能时段20。
Main_trip产生时使M1截止，M3导通。此时，将电感L上存储的能量通过M2，M3传输到VON端的电容(CON)上。只向负电压输出端VON传递能量时段24。
Aux_trip产生时使M2截止，M4导通。此时，将电感L上储存的能量通过M3，M4分别传输到VOP和VON端的电容(COP和CON)上。例如同时向VOP和负电压输出端VON传递能量时段22。
当VOP端负载减小时，反馈环路使Vcp降低，即Vc_low变得更低，Aux_trip产生的更晚，M4的导通时间也相应的减小，如果当VOP端负载趋近于0时，M4的导通时间也趋近于0,而M1，M2和M3依然在环路的控制下逐周期导通和截止，这样也实现了VOP和VON端负载的相互独立。
图4是正电压输出端VOP的负载＝负电压输出端VON的负载时，对4个功率开关管M1～M4的控制时序示意图。如图4所示，在3.VOP端负载等于VON端负载的情况下，反馈环路根据正输出端与负输出端负载情况将正输出端误差运放AP的输出调节到等于负输出端误差运放AN的输出，此时，Vc_high等于Vc_low。如图4所示：CLK的上升沿使M1，M2导通，此时VIN通过M1，M2对电感L储能。Main_trip和Aux_trip同时产生，使M1，M2同时截止，M3，M4同时导通，将电感L上储存的能量通过M3，M4分别传输到VOP和VON端的电容(COP和CON)上。例如对电感储能时段20。例如同时向VOP和负电压输出端VON传递能量时段22。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.单电感正负电压输出装置，其特征在于，包括一个电感，所述电感的一端分别连接第一PMOS功率开关管的漏极和第三NMOS功率开关管的漏极，所述电感的另一端分别连接第二NMOS功率开关管的漏极和第四PMOS功率开关管的源极，所述第一PMOS功率开关管、第二NMOS功率开关管、第三NMOS功率开关管和第四PMOS功率开关管的栅极均分别连接驱动电路，所述第一PMOS功率开关管的源极连接电源端，所述第二NMOS功率开关管的源极连接接地端，所述第三NMOS功率开关管的源极连接负电压输出端，所述第四PMOS功率开关管的漏极连接正电压输出端，所述负电压输出端通过负端电容接地，所述正电压输出端通过正端电容接地，所述正电压输出端通过正端反馈电路连接逻辑控制电路，所述负电压输出端通过负端反馈电路连接所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路连接所述驱动电路。
2.根据权利要求1所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述正端反馈电路包括第一放大器，所述正电压输出端连接所述第一放大器的负向端，所述第一放大器的正向端连接参考电压端，所述负端反馈电路包括第二放大器，所述负电压输出端连接所述第二放大器的正向端，所述第二放大器的负向端接地，所述第一放大器的输出端和所述第二放大器的输出端分别连接反馈控制电压高低选择电路。
3.根据权利要求2所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述反馈控制电压高低选择电路连接第一比较器的负向端以传输较高电压，所述反馈控制电压高低选择电路连接第二比较器的正向端以传输较低电压，所述第一比较器的正向端连接所述第二比较器的负向端，所述反馈控制电压高低选择电路与所述逻辑控制电路连接。
4.根据权利要求3所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述第一比较器的输出端连接所述逻辑控制电路以传输主关闭信号，所述第二比较器的输出端连接所述逻辑控制电路以传输辅关闭信号。
5.根据权利要求1所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述逻辑控制电路连接振荡器，所述振荡器向所述逻辑控制电路传输时钟信号，所述电源端通过电源端电容连接接地端。
6.根据权利要求1所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述逻辑控制电路连接振荡器，所述振荡器通过电压相加器连接电流检测装置，所述电流检测装置连接位于所述第二NMOS功率开关管的漏极处的检测点。
7.根据权利要求6所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述电压相加器将所述振荡器产生的斜坡补偿电压和所述电流检测装置得到的采样电压相加后传输到一级缓冲器，所述一级缓冲器分别连接芯片内部恒流源、所述第一比较器的正向端和所述第二比较器的负向端，所述芯片内部恒流源并联一个斜坡电压充电电容。
8.根据权利要求7所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述一级缓冲器包括第三放大器，所述第三放大器的正向端连接所述电压相加器，所述第三放大器的输出端连接二极管的正极，所述第三放大器的负向端连接所述二极管的负极，所述二极管的负极连接所述芯片内部恒流源的输入端，所述芯片内部恒流源的输出端接地。
9.根据权利要求1所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述正电压输出端通过第一片内分压网络连接所述正端反馈电路，所述负电压输出端通过第二片内分压网络连接所述负端反馈电路。
10.根据权利要求9所述的单电感正负电压输出装置，其特征在于，所述第一片内分压网络包括依次连接的所述正电压输出端、第一电阻、第二电阻和接地端，在第一电阻与第二电阻之间具有节点连接所述第一放大器的负向端，所述第二片内分压网络包括依次连接的所述负电压输出端、第四电阻、第三电阻和参考电压端，在第三电阻与第四电阻之间具有节点连接所述第二放大器的正向端。
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