CN109687705A

CN109687705A - 一种基于比较器控制的单电感多输出dc-dc转换器

Info

Publication number: CN109687705A
Application number: CN201910052518.2A
Authority: CN
Inventors: 郑彦祺; 李翠雯; 李华艺
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2019-04-26

Abstract

本发明公开了一种基于比较器控制的单电感多输出DC‑DC转换器，包括用于产生第一信号v_dc<n>的第一PWM发生器和占空比时序控制单元；还包括用于产生第二信号v_da<n>的第二PWM发生器、控制模块和电荷泵，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器的信号输出端分别连接控制模块的第一信号输入端和第二信号输入端；所述的控制模块生成占空比受限制的输出信号v_d<n>，并将输出信号v_d<n>输入到占空比信号时序控制单元；所述的控制模块与电荷泵共同作用生成用于调节第二信号v_da<n>的反馈信号v_a<n>；所述的控制模块根据第一信号v_dc<n>生成第三信号T_w，将第三信号T_w转化为电感电流控制信号，所述的电感电流控制信号用于调节电感电流。其优点在于：有效地抑制了通道串扰，具有快速的瞬态响应。

Description

一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及直流-直流转换器，具体涉及一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器。

背景技术

单电感多输出直流转换器中每个通道的性能受瞬态响应速度和通道串扰问题影响。传统的均值电感电流控制方式依赖于电感电流传感器检测精度，当电荷平衡控制方法中的电流传感器不精确，串扰会出现在其余空闲通道。在传统的基于比较器控制的单电感多输出DC-DC变换器中，在使用PLL锁定开关频率的情况下，负载发生变化的通道的占空比突然增加会将引起其他通道占空比的突然减小，也引起交叉调整干扰。

此外，当比较器控制方案应用于自动升降压型变换器的设计，它主要受两个问题困扰。一是如果升压子通道负载电流增大，基于比较器的控制方案会迅速增大占空比来提供更多电流给需要能量的通道。但是因为当对通道负载充电时，电感电流在下降，增大占空比不能有效加快瞬态响应。二，电感电流充电时间和对需要能量的通道放电时间增大以增大平均电感电流和需要能量的通道的负载电流，但是这仅留下少量占空比裕度给其余通道，导致其余通道发生串扰。这是系统右半平面零点对包含升压通道的单电感多输出直流转换器的影响。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器。本发明有效地抑制了通道串扰，同时还具有快速的瞬态响应。

本发明所述的一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，包括用于产生第一信号v_dc<n>的第一PWM发生器和占空比时序控制单元；还包括用于产生第二信号v_da<n>的第二PWM发生器、控制模块和电荷泵，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器的信号输出端分别连接控制模块的第一信号输入端和第二信号输入端；所述的控制模块生成占空比受限制的输出信号v_d<n>，并将输出信号v_d<n>输入到占空比信号时序控制单元；所述的控制模块与电荷泵共同作用生成用于调节第二信号v_da<n>的反馈信号v_a<n>；所述的控制模块根据第一信号v_dc<n>生成第三信号T_w，将第三信号T_w转化为电感电流控制信号，所述的电感电流控制信号用于调节电感电流。

优选地，所述的输出信号v_d<n>的占空比为第一信号v_dc<n>的占空比和第二信号v_da<n>的占空比中的最小值。

优选地，所述的电荷泵包括输出电容和用于为输出电容充电的电荷泵电流源，所述的反馈信号v_a<n>由电荷泵产生并输入到第二PWM信号发生器中；所述的控制模块将第一信号v_dc<n>和第二信号v_da<n>的占空比差值控制电荷泵进行积分以获得反馈信号v_a<n>，将反馈信号v_a<n>进行累加以获得累加值∑v_a<n>，并根据累加值∑v_a<n>获得控制信号v_ofl；所述的控制信号v_ofl用于控制电荷泵电流源停止对电荷泵的输出电容充电。

优选地，还包括PI补偿器、电流采样电路和用于放大误差信号v_e<n>的跨导放大器，所述的电流采样电路用于产生电流电感检测信号i_sen；将第三信号T_w和开关周期T_s的差值积分后与经过跨导放大器放大的误差信号v_e<n>累加转化为第四信号v_c，分别在PI补偿器的两个输入端输入第四信号v_c和电流电感检测信号i_sen，通过PI补偿器生成第五信号v_rf，将第五信号v_rf与互补斜坡进行比较，生成电源开关控制信号，所述的电源开关控制信号包括第一电源开关控制信号v_dr和第二电源开关控制信号v_df。

优选地，所述的第一PWM发生器包括第一比较器和第一补偿斜坡，在所述的第一比较器的第一输入端输入电压误差信号v_e<n>，所述的第一补偿斜坡的信号输出端连接第一比较器的第二输入端。

优选地，所述的第二PWM发生器包括第二比较器和第二补偿斜坡，所述的第二比较器的第一输入端用于输入反馈信号v_a<n>，所述的第二补偿斜坡的信号输出端连接第二比较器的第二输入端；所述的第一电源开关控制信号v_dr用于调制第二补偿斜坡的斜坡初始值。

优选地，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器与电荷泵组成相位单元，所述的相位单元设置两个且独立工作，两个相位单元的时钟信号工作周期为两倍开关周期，相位差为180°。

本发明所述的一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其优点在于：

1、通过控制模块对输出信号v_d<n>的占空比的限制及再分配，保证了变换器开关频率固定，有效减小通道串扰，使基于比较器的控制方式有效应用于包含升压子变换器的单电感多输出变换器，并且具有快速的瞬态响应。

2、使用相位交织技术，将第一PWM发生器产生的第一信号v_dc<n>超出工作周期的部分控制信息生成第三信号T_w，将第三信号T_w与开关周期T_s的差值积分用于调整电感电流。

3、由第五信号v_rf与互补斜坡信号比较产生电源开关控制信号的控制方法适用于自动升降压单电感多输出直流转换器的设计，功率级功率开关S₀和S₂不会开启在同一周期内，保证了稳态时均值电感电流最小，提高转换效率。

附图说明

图1是本发明一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器的电路原理图；

图2是本发明一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器的控制算法的状态流程图；

图3是本发明一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器的触发事件列表；

图4是本发明一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器的相位交织原理图；

图5是本发明一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器的电源开关控制信号的独立时序图。

附图标记说明：v_dc<n>-第一信号，v_da<n>-第二信号，v_d<n>-输出信号，v_a<n>-反馈信号，T_w-第三信号，T_s-开关周期，v_ofl-控制信号，v_c-第四信号，i_sen-电流电感检测信号，v_rf-第五信号，v_e<n>-电压误差信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，包括用于产生第一信号v_dc<n>的第一PWM发生器和占空比时序控制单元；还包括用于产生第二信号v_da<n>的第二PWM发生器、控制模块和电荷泵，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器的信号输出端分别连接控制模块的第一信号输入端和第二信号输入端；所述的控制模块生成占空比受限制的输出信号v_d<n>，并将输出信号v_d<n>输入到占空比信号时序控制单元；所述的控制模块与电荷泵共同作用生成用于调节第二信号v_da<n>的反馈信号v_a<n>；所述的控制模块根据第一信号v_dc<n>生成第三信号T_w，将第三信号T_w转化为电感电流控制信号，所述的电感电流控制信号用于调节电感电流。

所述的输出信号v_d<n>的占空比为第一信号v_dc<n>的占空比和第二信号v_da<n>的占空比中的最小值。

所述的电荷泵包括输出电容和用于为输出电容充电的电荷泵电流源，所述的反馈信号v_a<n>由电荷泵产生并输入到第二PWM信号发生器中；所述的控制模块将第一信号v_dc<n>和第二信号v_da<n>的占空比差值控制电荷泵进行积分以获得反馈信号v_a<n>，将反馈信号v_a<n>进行累加以获得累加值∑v_a<n>，并根据累加值与常数V_m获得控制信号v_ofl；所述的控制信号v_ofl用于控制电荷泵电流源停止对电荷泵的输出电容充电。使变换器实际工作周期大于开关周期T_s时及时关断电荷泵开关，停止电荷泵电流源对输出电容充电。

还包括PI补偿器、电流采样电路和用于放大误差信号v_e<n>的跨导放大器，所述的电流采样电路用于产生电流电感检测信号i_sen；将第三信号T_w和开关周期T_s的差值积分后与经过跨导放大器放大的误差信号v_e<n>累加转化为第四信号v_c，分别在PI补偿器的两个输入端输入第四信号v_c和电流电感检测信号i_sen，通过PI补偿器生成第五信号v_rf，将第五信号v_rf与互补斜坡进行比较，生成电源开关控制信号，所述的电源开关控制信号包括第一电源开关控制信号v_dr和第二电源开关控制信号v_df。

所述的第一PWM发生器包括第一比较器和第一补偿斜坡，在所述的第一比较器的第一输入端输入电压误差信号v_e<n>，所述的第一补偿斜坡的信号输出端连接第一比较器的第二输入端。

所述的第二PWM发生器包括第二比较器和第二补偿斜坡，所述的第二比较器的第一输入端用于输入反馈信号v_a<n>，所述的第二补偿斜坡的信号输出端连接第二比较器的第二输入端；所述的第一电源开关控制信号v_dr用于调制第二补偿斜坡的斜坡初始值。

所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器与电荷泵组成相位单元，所述的相位单元设置两个且独立工作，两个相位单元的时钟信号工作周期为两倍开关周期，相位差为180°。

本发明的发明思路是使需要能量的通道放电时间保持不变甚至被减小，留出足够的占空比裕度给其余通道。其余通道受比较器的控制得到快速响应，确保其余通道免受串扰影响。这种控制方法区分了能量变化的通道和能量保持不变的通道，并限制比较器的使用以控制占空比，最终实现抑制串扰的目的。经过电感电流控制器快速调整电感电流之后，由控制模块完成对所有通道的占空比的再分配，若各通道放电完成后占空比仍有剩余，则将剩余的占空比分配给需要能量的通道，提高需要能量的通道的瞬态响应速度。

本发明的控制流程如下所述：

电压误差信号v_e<n>输入到基于误差比较的第一PWM发生器，以产生第一信号v_dc<n>，其占空比为d_c<n>。基于限制占空比的第二PWM发生器的输出的第二信号v_da<n>的占空比为d_a<n>。输出信号v_d<n>的占空比d_<n>取自d_a<n>和d_c<n>中的最小值，这就是所谓的占空比限制。在瞬态响应期间，d_a<n>限制d_<n>的增大，然后d_<n>保持不变或甚至减小以留下足够的占空比裕度给其余空闲信道。因此，空闲信道通过比较器控制以抑制串扰。

控制模块检测△d_<n>(△d_<n>＝d_c<n>-d_a<n>)然后将它们积分以产生反馈信号v_a<n>。将反馈信号v_a<n>与斜坡信号v_ra<n>进行比较以生成第二信号v_da<n>。∑v_a<n>用于产生控制信号v_ofl，其指示剩余占空比是否可用。在瞬态期间，如果有剩余占空比可用，则将其重新分配给能量变化的通道。最后，稳态下△D_<n>＝0。

第四信号v_c由∑v_e<n>和第三信号T_w与开关周期T_s的差值(T_w＝d_r+∑d_c<n>)的积分值生成。将第三信号T_w与T_s的差值积分与经过跨导放大器放大的电压误差信号v_e<n>进行累加，获得第四信号v_c。电感电流检测信号i_sen和第四信号v_c通过PI补偿器产生第五信号v_rf。将第五信号v_rf与互补斜坡进行比较，生成电压开关控制信号v_dr或v_df，控制电源开关S_0～2实现自动降压-升压操作。此外，v_dr调制v_ra<n>的斜坡初始值以保证在稳态下d_r+∑d_a<n>＝1。

本发明的控制算法用图2中的状态流程图表示。图3列出了触发状态更改的事件。本发明提出的控制方法基本工作原理为：

在负载电流突然增大即通道所需的占空比突然增大的情况下限制其占空比不增加，优先保证其他不发生瞬态变化的通道的占空比不受影响，经过电感电流控制器快速调整电感电流之后，由控制模块完成对所有通道的占空比的再分配，若各通道放电完成后占空比仍有剩余，则将剩余的占空比分配给需要能量的通道；但是在负载发生变化的通道所需的占空比突然减小的情况下可以使占空比立刻减小，保留比较器控制的快速响应的优点。但是此时总的周期变小，需要插入续流状态(freewheeling)使得总周期等于工作周期，在电感电流控制器调整电感电流之后，完成对所有通道的占空比的再分配。

以单输入双输出变换器为例，B框(图2)显示功率级工作状态。S₀,S₁,S₂,S₀₁,S₀₂是功率级中的开关。通过比较斜坡信号v_r(v_f)和控制信号v_rf生成v_dr(v_df)，v_dr和v_df不共存。v_dr(v_df)的占空比d_r(d_f)分别控制S₀(S₂)的导通时间。通道1和通道2按顺序充电，由事件event1和event2触发。如果任何通道需要额外的充电时间，剩余占空比的控制器将根据标志S0i_ext_endA(i＝1,2)向其分配额外的占空比。如果没有通道需要剩余占空比，则引入续流状态(freewheeling)直到clk(n+1)到来。

图2中A框显示控制器工作状态。传统的基于比较器的控制可能产生大于总周期的占空比，导致超过Ts的信息将丢失。因此需要相位交织技术以继续产生控制信号。控制器的行为独立于功率级。以升压为主导的条件下的通道1的相位A为例。在电感器的充电周期之后，它带有通道1的充电周期。通道1的充电周期d₁由min{d_a1,d_c1}确定，这被描述为event1。event1结束后，有三种可能的情况：(1)d_a1＝d_c1，(2)d_a1>d_c1，(3)d_a1<d_c1。以(3)d_a1<d_c1为例，当d_a1<d_c1，event7成立，即通道1负载电流增大。d₁受d_a1控制，然后比较器的斜坡信号v_rc1保持，直到通道2的充电周期结束。然后在event3成立期间，斜坡信号v_rc1继续上升。由(1)知，在稳态时成立。经过控制器的调节，可能会成立。在event3成立期间，如果成立，电荷泵对△d₁积分增大v_a1，并且S01_ext_endA设置为0，同时，S01_ext_endA＝0期间直流电源变换器处于额外充电工作状态，开关S₀₁闭合以对通道1充电。在条件d_a1<d_c1下，T_w可能大于开关周期T_s，第三信号T_w与T_s的差值将被积分以放大v_c并最终增加i_L。如果event3结束，则设置S01_ext_endA＝1并等待clk(n+2)。由于功率级行为独立于控制器行为，当clk(n)结束，功率级进入下一个工作周期，引入的相位交织技术使控制级仍能记录超过工作周期的控制信息；如果event3在clk(n)结束之前结束，而通道2不需要额外充电时间，则引入续流工作状态(freewheeling)。

本发明中，基于比较器的控制可以快速响应负载变化，但有可能生成大于总周期的占空比信号。为了收集超过开关周期T_s的信息，采用相位交织技术。即设置两个电路结构相同的相位单元，各个相位单元之间独立工作且输出信号的相位相互错开。相位信号的交织技术工作原理如图4所示，以两通道为例，附图中phaseA或phA表示相位单元A，phaseB或phB表示相位单元B。图4表明第一个工作周期内CH₁负载输出受到扰动，需要额外的充电周期。D₁受基于限制占空比的第二PWM发生器的输出信号的占空比d_a1限制，斜坡v_{rc1_phA}停止上升并保持不变。在CH₂的充电周期结束时，斜坡信号v_rc1继续上升直到与v_e1相交得到第一信号产生的占空比信号d_c1。此时T_w大于T_s，T_w-T_s是超过工作周期的控制信息，将其积分转化成电感电流控制信号，用于调整电感电流。在第一个工作周期(奇数时钟)结束后，偶数时钟上升沿触发相位单元B工作，工作原理与相位单元A相同。

图4表明输出占空比信号受占空比限制及控制模块的输出信号限制，即d_<n>＝min{d_a<n>,d_c<n>}，有效抑制通道串扰。相位单元A与相位单元B独立工作，分别由奇数和偶数时钟上升沿触发，单相位工作周期为2*Ts，使控制器能检测并利用超过开关周期T_s的占空比信息，并将第三信号积分调节电感电流和输出电压，加快瞬态响应。

电源开关控制信号的生成及调控原理如图5所示。如图5(a)，当第五信号v_rf大于0，变换器工作于升压模式，功率级功率开关S₂保持关断，即节点V_x1始终接V_in。第五信号v_rf与斜坡V_r比较，得到第一电源开关控制信号v_dr，控制电感电流充电时间。如图5(b)，当第五信号v_rf小于0，变换器工作于降压模式，功率级功率开关S₀保持关断，节点V_x2按照控制时序依次接输出端，即节点V_x2的电压依次等于V_o1、V_o2、V_o3、V_o4。将第五信号v_rf与斜坡v_f比较，得到第二电源开关控制信号v_df，控制电感电流充电时间。由第五信号v_rf与互补斜坡信号比较产生电源开关控制信号的控制方法适用于自动升降压单电感多输出直流转换器的设计，功率级功率开关S₀和S₂不会开启在同一周期内，保证了稳态时均值电感电流最小，提高转换效率。

本发明不仅可以有效地抑制交叉调节，还可以加快瞬态响应速度。与过去需要相位锁定模块的比较器控制方案不同，引入的占空比限制保证了变换器的固定开关频率。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，包括用于产生第一信号v_dc<n>的第一PWM发生器和占空比时序控制单元；其特征在于，还包括用于产生第二信号v_da<n>的第二PWM发生器、控制模块和电荷泵，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器的信号输出端分别连接控制模块的第一信号输入端和第二信号输入端；所述的控制模块生成占空比受限制的输出信号v_d<n>，并将输出信号v_d<n>输入到占空比信号时序控制单元；所述的控制模块与电荷泵共同作用生成用于调节第二信号v_da<n>的反馈信号v_a<n>；所述的控制模块根据第一信号v_dc<n>生成第三信号T_w，将第三信号T_w转化为电感电流控制信号，所述的电感电流控制信号用于调节电感电流。

2.根据权利要求1所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，所述的输出信号v_d<n>的占空比为第一信号v_dc<n>的占空比和第二信号v_da<n>的占空比中的最小值。

3.根据权利要求1所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，所述的电荷泵包括输出电容和用于为输出电容充电的电荷泵电流源，所述的反馈信号v_a<n>由电荷泵产生并输入到第二PWM信号发生器中；所述的控制模块将第一信号v_dc<n>和第二信号v_da<n>的占空比差值控制电荷泵进行积分以获得反馈信号v_a<n>，将反馈信号v_a<n>进行累加以获得累加值∑v_a<n>，并根据累加值∑v_a<n>获得控制信号v_ofl；所述的控制信号v_ofl用于控制电荷泵电流源停止对电荷泵的输出电容充电。

4.根据权利要求1所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，还包括PI补偿器、电流采样电路和用于放大误差信号v_e<n>的跨导放大器，所述的电流采样电路用于产生电流电感检测信号i_sen；将第三信号T_w和开关周期T_s的差值积分后与经过跨导放大器放大的误差信号v_e<n>累加转化为第四信号v_c，分别在PI补偿器的两个输入端输入第四信号v_c和电流电感检测信号i_sen，通过PI补偿器生成第五信号v_rf，将第五信号v_rf与互补斜坡进行比较，生成电源开关控制信号，所述的电源开关控制信号包括第一电源开关控制信号v_dr和第二电源开关控制信号v_df。

5.根据权利要求4所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，所述的第一PWM发生器包括第一比较器和第一补偿斜坡，在所述的第一比较器的第一输入端输入电压误差信号v_e<n>，所述的第一补偿斜坡的信号输出端连接第一比较器的第二输入端。

6.根据权利要求4所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，所述的第二PWM发生器包括第二比较器和第二补偿斜坡，所述的第二比较器的第一输入端用于输入反馈信号v_a<n>，所述的第二补偿斜坡的信号输出端连接第二比较器的第二输入端；所述的第一电源开关控制信号v_dr用于调制第二补偿斜坡的斜坡初始值。

7.根据权利要求1所述一种基于比较器控制的单电感多输出DC-DC转换器，其特征在于，所述的第一PWM发生器和第二PWM发生器与电荷泵组成相位单元，所述的相位单元设置两个且独立工作，两个相位单元的时钟信号工作周期为两倍开关周期，相位差为180°。