CN105119482B - 单电感多输出的升降压型电路及其控制方法 - Google Patents

单电感多输出的升降压型电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单电感多输出的升降压型电路及其控制方法，先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；储能完成后，则断开第三开关，以实现所述多路输出端依次导通，多路输出端依次导通的过程中，断开第一开关，第二开关导通续流，直至开关周期结束，最后一路输出端断开；本发明克服了单一升压或降压电路对输出电压的限制，并通过合理地设置各个开关的状态，提高了电路的工作效率。

Description

单电感多输出的升降压型电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种单电感多输出的升降压型电路及其控制方法。
背景技术
在电源管理集成电路当中，通常需要多个输出电压对相应的模块进行供电，例如，手机中既要对其内的CPU供电，还需要对屏幕供电，等等，而多个不同模块所需的供电电压是不同的。因而，需要多路输出才能满足使用的需求。但通常情况下，一个电压转换电路只有一路输出，也就需要多个电压转换电路才能满足需求。为了提高电路的集成程度、降低成本，单电感多输出电路便应运而生了。
现有技术的单电感多输出电路一般存在降压型和升压型两种，分别如图1和图2所示。图1为降压型的单电感多输出电路，输入电压为Vin，主功率开关管Q1和整流管Q2交替导通，开关Q3、Q4和Q5分别控制相应路的输出，即OUT1、OUT2和OUT3按顺序导通。受到电路结构本身的限制，每一个开关周期内，至少需要有一路的输出电压要低于输入电压，并且该路输出的导通时间需要超过一定的时间，否则电感不能储能，导致电路无法正常工作。图2为升压型的单电感多输出电路，输入电压为Vin，主功率开关管Q1导通给电感L储能，开关Q2、Q3和Q4分别控制相应路的输出，即OUT1、OUT2和OUT3按顺序导通，分别将电感L的能量传递给各路。该电路结构在每一个开关周期内，至少需要有一路的输出电压高于输入电压，并且该路输出的导通时间需要超过一定的时间，否则电感电流不能复位。由此可见，现有技术的单电感多输出电路存在固有的电路缺陷，导致其使用范围受限，且电路工作效率高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单电感多输出的升降压型电路及其控制方法，用以解决现有技术存在的输出电压范围受限、工作效率不高的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的单电感多输出的升降压型电路，包括第一开关、第二开关、第三开关、电感和多路输出端，每一路输出端上设有控制该路通断的开关，所述的第一开关的第一端接收输入电压，第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，第一开关和第二开关的公共端连接在电感的第一端，所述电感的第二端与第三开关的第一端连接，第二开关和第三开关的第二端均接地，电感与第三开关的公共端与多路输出端连接；
一个开关周期中，先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；断开第三开关，所述多路输出端开始依次导通；断开第一开关，第二开关导通，所述多路输出端继续依次导通，直至开关周期结束。
优选地，采用锯齿波信号与第一参考信号进行比较产生用于控制第一开关和第二开关通断的控制信号；所述锯齿波信号与第二参考信号进行比较产生用于控制第三开关通断的控制信号；第一参考信号与第二参考信号的压差小于所述锯齿波信号的峰峰值。
优选地，采用电感电流并与锯齿波信号叠加后，再分别与第一参考信号和第二参考信号比较。
优选地，对第三开关的控制信号取反用于导通多路输出端的第一路，采样第一路的输出电压，经反馈补偿得到相应的反馈补偿信号，采用第一路的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开第一路输出端。
优选地，完成多路输出端第一路的导通和断开后，前一路断开后的同时则后一路导通，采样当前路的输出电压，经反馈补偿得到当前路相应的反馈补偿信号，采用当前路的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开当前路输出端。
优选地，所述升降压型电路采用定频控制，则最后一路输出端导通至开关周期结束时候关断。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下步骤的单电感多输出的升降压型电路的控制方法，基于所述的升降压型电路，所述的升降压型电路包括第一开关、第二开关、第三开关、电感和多路输出端，每一路输出端上设有控制该路通断的开关，所述的第一开关的第一端接收输入电压，第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，第一开关和第二开关的公共端连接在电感的第一端，所述电感的第二端与第三开关的第一端连接，第二开关和第三开关的第二端均接地，电感与第三开关的公共端与多路输出端连接；
一个开关周期中，先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；断开第三开关，所述多路输出端开始依次导通；断开第一开关，第二开关导通，所述多路输出端继续依次导通，直至开关周期结束。
优选地，采用锯齿波信号与第一参考信号进行比较产生用于控制第一开关和第二开关通断的控制信号；所述锯齿波信号与第二参考信号进行比较产生用于控制第三开关通断的控制信号；第一参考信号与第二参考信号的压差小于所述锯齿波信号的峰峰值。
优选地，对第三开关的控制信号取反用于导通多路输出端的第一路，采样第一路的输出电压，经反馈补偿得到相应的反馈补偿信号，采用第一路的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开第一路输出端。
优选地，完成多路输出端第一路的导通和断开后，前一路断开后的同时则后一路导通，采样当前路的输出电压，经反馈补偿得到当前路相应的反馈补偿信号，采用当前路的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开当前路输出端。
优选地，所述升降压型电路采用定频控制，则最后一路输出端导通至开关周期结束时候关断。
采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；储能完成后，则断开第三开关，以实现所述多路输出端依次导通，多路输出端依次导通的过程中，断开第一开关，第二开关导通续流，直至开关周期结束，最后一路输出端断开；本发明克服了单一升压或降压电路对输出电压的限制，并通过合理地设置各个开关的状态，提高了电路的工作效率。
附图说明
图1为现有技术的降压型单电感多输出电路的结构示意图；
图2为现有技术的升压型单电感多输出电路的结构示意图；
图3为本发明的升降压型的单电感多输出电路的拓扑结构图；
图4为本发明的升降压型的单电感多输出电路的具体电路结构图；
图5为本发明的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的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神和范围上做的替代、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。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图1所示，示意了现有技术的降压型的单电感多输出电路，输入电压为Vin，主功率开关管Q1和整流管Q2交替导通，开关Q3、Q4和Q5分别控制相应路的输出，即在一个开关周期内OUT1、OUT2和OUT3按顺序导通。受到电路结构本身的限制，每一个开关周期内，至少需要有一路的输出电压要低于输入电压，并且该路输出的导通时间需要超过一定的时间，否则电感不能储能，导致电路无法正常工作。
参考图2所示，示意了现有技术的升压型的单电感多输出电路，输入电压为Vin，主功率开关管Q1导通给电感L储能，开关Q2、Q3和Q4分别控制相应路的输出，即OUT1、OUT2和OUT3按顺序导通，分别将电感L的能量传递给各路。该电路结构在每一个开关周期内，至少需要有一路的输出电压高于输入电压，并且该路输出的导通时间需要超过一定的时间，否则电感电流不能复位。
参考图3所示，示意了本发明的升降压型的单电感多输出电路的基本拓扑结构，包括第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3、电感L和多路输出端，每一路输出端上设有控制该路通断的开关，本实施例中以三路输出端为例，分别为OUT1、OUT2和OUT3，但不限于三路输出。
所述的第一开关Q1的第一端接收输入电压Vin，第一开关Q1的第二端与第二开关Q2的第一端连接，第一开关Q1和第二开关Q2的公共端连接在电感L的第一端，所述电感L的第二端与第三开关Q3的第一端连接，第二开关Q2和第三开关Q3的第二端均接地，电感L与第三开关Q3的公共端与多路输出端连接；
本发明的单电感多输出电路的在一个开关周期中的工作分为三个阶段：1、先由第一开关Q1和第三开关Q3导通，通过输入电压Vin给电感L储能，此时Q2断开，多路输出端也均断开；2、断开第三开关Q3，第二开关Q2仍处于断开状态，输入电压Vin开始向多路输出端传递能量，所述多路输出端开始依次导通；3、断开第一开关Q1，第二开关Q2导通续流，所述多路输出端继续依次导通，直至开关周期结束。需要说明的是，在第2和3阶段期间，多路输出端依次导通，最后一路导通直至开关周期结束。
除此之外，以上工作阶段还存在如下变形，当输入电压Vin较大时，即输入电压Vin与输出电压的压差较大时，则第一开关Q1直接给多路输出端供电，无需电感储能的过程，即在此时就开始多路输出端依次导通，然后断开第一开关Q1，第二开关Q2导通续流。当输入电压Vin较小时，即小于输出电压时，先由第一开关Q1和第三开关Q3导通，通过输入电压Vin给电感L储能，此时Q2断开，多路输出端也均断开；断开第三开关Q3，第二开关Q2仍处于断开状态，输入电压Vin开始向多路输出端传递能量，所述多路输出端开始依次导通。
参考图4所示，示意了本发明的升降压型的单电感多输出电路的具体电路结构，在图3的基础上加入上具体的控制电路。采用锯齿波信号Q1_RAMP与第一参考信号Vref1进行比较产生用于控制第一开关和第二开关通断的控制信号，控制信号Q1_on用于控制Q1的通断，对控制信号Q1_on取反，得到控制信号Q2_on，用于控制Q2的通断；所述锯齿波信号Q1_RAMP与第二参考信号Vref2进行比较产生用于控制第三开关Q3通断的控制信号Q3_on。图4中采用了更优的方案，即采用电感电流得到电流采用信号Isen_Q1并与锯齿波信号Q1_RAMP叠加后，再分别与第一参考信号Vref1和第二参考信号Vref2比较。
对第三开关的控制信号Q3_on取反，得到Q3_off用于导通多路输出端的第一路OUT1，采样第一路的输出电压Vout1，得到输出电压采样信号FB1，将输出电压采样信号FB1与相应的参考电压VF1进行误差处理，经补偿模块ZS的处理，得到相应的反馈补偿信号Vc1，采用第一路OUT1的输出电流，得到电流采样信号Isen_Q4，并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号Q4_RAMP，再与相应的反馈补偿信号Vc1进行比较，得到用于断开第一路输出端的控制信号Q4_off。
完成多路输出端第一路的导通和断开后，前一路断开后的同时则后一路导通，即前一路的断开控制信号作为当前路开通的控制信号。采样当前路的输出电压，经反馈补偿得到当前路相应的反馈补偿信号，采用当前路的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开当前路输出端。本实施例中，OUT2可认为是当前路，OUT1则为前一路，按照以上描述完成最后一路之前其他路的控制。
最后一路输出的导通还是由控制前一路断开的控制信号实现。本实施例可采用定频控制，通过时钟信号Clock来关断最后一路输出端，导通至开关周期结束时候关断，当时钟信号Clock设置的导通时间结束的同时关断最后一路输出。当然，也不限于定频控制，即时钟信号Clock的高低电平的时间长度可调。
参考图5所示，示意了本发明具体电路结构的工作波形图，I表示电感电流的波形，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6所代表的区间为相应开关导通的时间区间，形象地表示了各个开关通断的状态和时间，以及对应的电感电流。图5中显示了锯齿波信号Q1_RAMP与第一参考信号Vref1、第二参考信号Vref2的关系，第一参考信号Vref1与第二参考信号Vref2的压差小于所述锯齿波信号Q1_RAMP的峰峰值；第一参考信号Vref1低于锯齿波信号Q1_RAMP的峰值，第二参考信号Vref2高于锯齿波信号Q1_RAMP的谷值。对于第一参考信号Vref1的选择和确定依据于多路输出端的电压，即Vref1＝K1*Vc1+K2*Vc2+K3*Vc3，根据某路的重要程度等因素来调节相应的系数K。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单电感多输出的升降压型电路，包括第一开关、第二开关、第三开关、电感和多路输出端，每一路输出端上设有控制该路通断的开关，所述的第一开关的第一端接收输入电压，第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，第一开关和第二开关的公共端连接在电感的第一端，所述电感的第二端与第三开关的第一端连接，第二开关和第三开关的第二端均接地，电感与第三开关的公共端与多路输出端连接；
根据电感电流采样信号和锯齿波信号的叠加结果与第二参考信号的比较来产生用以控制所述第三开关的通断的控制信号；
一个开关周期中，先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；断开第三开关，所述多路输出端开始依次导通；断开第一开关，第二开关导通，所述多路输出端继续依次导通，直至开关周期结束。
2.根据权利要求1所述的单电感多输出的升降压型电路，其特征在于：根据所述电感电流采样信号和所述锯齿波信号的叠加结果与第一参考信号的比较来产生用于控制所述第一开关和所述第二开关通断的控制信号；所述第一参考信号与所述第二参考信号的压差小于所述锯齿波信号的峰峰值；所述第一参考信号为所述多路输出端的每一反馈补偿信号与一系数的乘积之和。
3.根据权利要求1所述的单电感多输出的升降压型电路，其特征在于：对所述第三开关的控制信号取反用于导通所述多路输出端的第一路输出端，采样所述第一路输出端的输出电压，经反馈补偿得到相应的反馈补偿信号，采用所述第一路输出端的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的所述反馈补偿信号进行比较用于断开所述第一路输出端。
4.根据权利要求3所述的单电感多输出的升降压型电路，其特征在于：完成所述多路输出端的第一路输出端的导通和断开后，前一路输出端断开后的同时则后一路输出端导通，采样当前路输出端的输出电压，经反馈补偿得到当前路输出端相应的反馈补偿信号，采用当前路输出端的输出电流并在其上叠加与该路输出端相应的锯齿波信号，再与相应的反馈补偿信号进行比较用于断开当前路输出端。
5.根据权利要求4所述的单电感多输出的升降压型电路，其特征在于：所述升降压型电路采用定频控制，则最后一路输出端导通至所述开关周期结束时候关断。
6.一种单电感多输出的升降压型电路的控制方法，其特征在于：基于所述的升降压型电路，所述的升降压型电路包括第一开关、第二开关、第三开关、电感和多路输出端，每一路输出端上设有控制该路通断的开关，所述的第一开关的第一端接收输入电压，第一开关的第二端与第二开关的第一端连接，第一开关和第二开关的公共端连接在电感的第一端，所述电感的第二端与第三开关的第一端连接，第二开关和第三开关的第二端均接地，电感与第三开关的公共端与多路输出端连接；
根据电感电流采样信号和锯齿波信号的叠加结果与第二参考信号的比较来产生用以控制所述第三开关的通断的控制信号；
一个开关周期中，先由第一开关和第三开关导通，通过输入电压给电感储能；断开第三开关，所述多路输出端开始依次导通；断开第一开关，第二开关导通，所述多路输出端继续依次导通，直至开关周期结束。
7.根据权利要求6所述的单电感多输出的升降压型电路的控制方法，其特征在于：根据所述电感电流采样信号和所述锯齿波信号的叠加结果与第一参考信号的比较来产生用于控制所述第一开关和所述第二开关通断的控制信号；所述第一参考信号与所述第二参考信号的压差小于所述锯齿波信号的峰峰值；所述第一参考信号为所述多路输出端的每一反馈补偿信号与一系数的乘积之和。
8.根据权利要求6所述的单电感多输出的升降压型电路的控制方法，其特征在于：对所述第三开关的控制信号取反用于导通所述多路输出端的第一路输出端，采样所述第一路输出端的输出电压，经反馈补偿得到相应的反馈补偿信号，采用所述第一路输出端的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的所述反馈补偿信号进行比较用于断开所述第一路输出端。
9.根据权利要求8所述的单电感多输出的升降压型电路的控制方法，其特征在于：完成多路输出端的第一路输出端的导通和断开后，前一路输出端断开后的同时则后一路输出端导通，采样当前路输出端的输出电压，经反馈补偿得到当前路输出端相应的反馈补偿信号，采用当前路输出端的输出电流并在其上叠加与该路相应的锯齿波信号，再与相应的所述反馈补偿信号进行比较用于断开当前路输出端。
10.根据权利要求9所述的单电感多输出的升降压型电路的控制方法，其特征在于：所述升降压型电路采用定频控制，则最后一路输出端导通至开关周期结束时候关断。
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