CN109818497B - 一种单电感多输出直流-直流降压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单电感多输出直流‑直流降压变换器，包括：主级功率电路、多个次级支路、电流传感器、带隙基准源、主级和次级功率管控制器以及模式控制器，主级功率管控制器用于根据电流传感器的输出电流信号和多个次级支路输出电压的误差信号，控制主级功率电路的功率管的开关，以调整主级功率电路输入端传输到蓄能电感上的能量；次级功率管控制器，用于控制各次级支路的功率管开关；根据多个次级支路的输出电压，输出多个次级支路的输出电压的误差信号；模式控制器，用于产生脉冲宽度调制和固定导通时间调制的时序。本发明可以克服非平衡负载的调制失效和交叉调制效应的问题，本发明可以广泛应用于电子技术领域。

Description

一种单电感多输出直流-直流降压变换器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其是一种单电感多输出直流-直流降压变换器。
背景技术
单电感多输出(Single Inductor Multiple Output，SIMO)直流-直流降压变换器，是一种开关型直流降压变换电路，通过一种直流输入电压产生复数种类的直流输出电压，其特点是只包含一个电感和复数个数的电容，效率较高，版图面积利用高效，顺应高集成度系统设计的趋势。
针对单电感多输出直流-直流变换器根据电感电流一个周期内的波形，可以分为单路充电(Single Charge)和多路充电(Multiple Charge)两种方式。单路充电在一个主级周期内只有一个次级支路导通，然后每个次级支路在不同的周期内依次导通；多路充电则在一个主级周期内，次级支路依次导通，相较前者可以具有更大的负载范围和更高效率预期，但是由于输出各支路在一个周期内分享电感电流，因此当一路输出的负载发生变化时，电感电流变化速度有限，必然会引起其他支路产生调制误差，该效应叫做交叉调制(CrossRegulation)，该效应是许多控制方法致力解决的。
另外，当输出负载整体较重，但某一支路负载较轻，由于输出支路功率管占空比和该支路输出电流占有总电感电流的比例有关，会存在有部分支路占空比过小，导致大尺寸的功率管打开时间过长(大于实际占空比)，或无法打开，导致该路调制失败，进而影响其他支路的调制，该效应是非平衡负载的调制失效，同样需要解决。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种单电感多输出直流-直流降压变换器。
本发明所采取的技术方案是：
一种单电感多输出直流-直流降压变换器，包括：
主级功率电路；
多个次级支路；
电流传感器，用于采集主级功率电路的蓄能电感的第一电流信号，并将所述第一电流信号转换为若干个种输出电流信号；
带隙基准源，用于产生参考电压源和参考电流源；
主级功率管控制器，用于根据电流传感器的输出电流信号和多个次级支路输出电压的误差信号，控制主级功率电路的功率管的开关，以调整主级功率电路输入端传输到蓄能电感上的能量；
次级功率管控制器，用于控制各次级支路的功率管开关，使蓄能电感上的电流依次分配到多个次级支路；根据多个次级支路的输出电压，输出多个次级支路的输出电压的误差信号；
模式控制器，用于产生脉冲宽度调制和固定导通时间调制的时序。
进一步，所述主级功率管控制器包括：
跨导比例加法器，用于将次级功率管控制器输出的多个次级支路的输出电压的误差信号求和并转换为第二电流信号；
第一PI补偿器，用于对第二电流信号和电流传感器的输出电流信号的差作电流环补偿。
进一步，所述次级功率管控制器包括：
第二PI补偿器，用于补偿次级支路所在的电压环；
类锯齿波发生器，用于产生类锯齿波信号；
误差采样开关管，用于在脉宽调制模式时将次级支路的输出电压的误差信号接入主级功率管控制器；并在固定导通时间调制模式时断开。
进一步，所述模式控制器包括若干个支路模式控制器；
所述支路模式控制器包括：
由若干个逻辑门和一个D触发器构成的数字逻辑部分，用于产生脉宽调制通道切换的控制时序；
第一单稳态触发器，用于限制支路模式控制器输出占空比信号的最小时间宽度；
占空比采样电路，用于采集次级支路的脉宽调制的占空比的时间宽度，将所述时间宽度转换为电压信号；并用于产生一个标志信号控制次级支路进行固定导通时间调制；
第二单稳态触发器，用于重置占空比采样电路，以及为下一次级支路提供下降沿信号；
定时延时电路，用于产生一个大于第二单稳态触发器脉宽的延时。
进一步，所述占空比采样电路包括第一电容、第一PMOS管和第一NMOS管，其中，第一电容的两端分别连接在第一NMOS管的源极和漏极，所述第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极接入参考电流源，所述第一NMOS管的源极接地。
进一步，所述跨导比例加法器由n个等值的第一电阻、一个第二电阻、一个第二NMOS管和一个运放构成，所述n个等值的第一电阻并联于运放的正相输入端，所述运放的输出端与第二NMOS管的栅极连接，所述第二NMOS管的源极和运放的反相输入端均通过第二电阻接地。
进一步，还包括：
死区控制器，用于控制主级功率电路与次级支路的功率管的导通交替时间；
主级功率管驱动，用于增强对主级功率电路的功率管的控制信号的驱动能力；
次级功率管驱动，用于增强对次级支路的功率管的控制信号的驱动能力。
本发明的有益效果是：通过对支路模式控制器做出改进，使该单电感多输出直流-直流降压变换器可以工作在脉宽调制和固定导通时间调制，并能顺滑切换而不产生瞬态，其中本发明的脉宽调制可以抑制交叉调制效应，本发明的固定导通时间调制可以使单电感多输出直流-直流降压变换器稳定工作在负载极端不平衡的情况下。
附图说明
图1为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的主级功率电路和多个次级支路的原理图；
图2为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的控制部分的模块框图；
图3为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的主级功率管控制器的模块框图；
图4为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的主级功率管控制器的原理图；
图5为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的次级功率管控制器的原理图；
图6为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的模式控制器的模块框图；
图7为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的模式控制器的原理图；
图8为本发明一种具体实施例的单电感多输出直流-直流降压变换器的稳态调制输出仿真波形。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
参照图1和图2，本实施例示出了一种单电感多输出直流-直流降压变换器，在本实施例中，单电感多输出直流-直流降压变换器包括主级功率电路、多个次级支路和控制部分，其中，主级功率电路和多个次级支路如图1所示，控制部分如图2所示，其包括电流传感器、主级功率管控制器、次级功率管控制器、模式控制器、带隙基准源、功率管死区控制器、主级功率管驱动电路和次级功率管驱动电路。其中，主级功率电路包括两个主级功率管，即PMOS管MP、NMOS管MN以及储能电感L。多个次级支路由次级功率管M1～Mn和输出电容Co1～Con组成。Vsource是总的输入电压，Vo1～Von为各次级支路的输出电压。
所述电流传感器、带隙基准源、功率管死区控制器、主级功率管驱动电路和次级功率管驱动电路均可以由现有技术实现。
电流传感器，用于将电感电流转化为等比例的电流信号Isensed1～Isensedm，通常该比例为数百分之一至数千分之一的比例，电流信号Isensed1～Isensedm由主级功率管控制器、次级功率管控制器做信号处理。
带隙基准源，用于产生电路所需的多个参考电压Vref1～Vrefn，由带隙基准源提供的参考电压对电源和温度等环境变化具有很强的免疫能力。
主级功率管控制器，用于产生单电感多输出的直流-直流降压变换器所需要的电流环，将输出电压误差转化为等比例的电感电流。
次级功率管控制器，用于将电感电流依次分配给各次级支路。
功率管死区控制器，用于根据电感电流大小进行死区控制。
模式控制器，用于产生次级支路的控制时序。
主级功率管驱动，用于增强对主级功率电路的功率管的控制信号的驱动能力；
次级功率管驱动，用于增强对次级支路的功率管的控制信号的驱动能力。
参照图3，本实施例公开了一种主级功率管控制器，其由跨导比例加法器、第一PI补偿器、锯齿波发生器和比较器组成。
参照图4，所述跨导比例加法器由n个等值电阻Ri31～Ri3n，一个电阻Ri1、NMOS管MNi1和运放OPAi1构成，n个等值电阻Ri31～Ri3n的一端相连于同一电路节点到运放OPAi1的同相输入端，另一端分别连接误差电压Vc1～Vcn。参考图5，该误差电压Vc1～Vcn，由次级功率管控制器产生。参照图4，电阻Ri1、NMOS管MNi1和运放OPAi1将求和后的电压信号转化为电流信号，该电流信号方向为流入NMOS管MNi1的漏端，其大小为：
Figure BDA0001944123390000041
该电流和电流传感器输出的电流Isensed2求差后，输入第一PI补偿器，该补偿器由电阻Ri1、电阻Ri2、电容Ci1、电容Ci2和运放OPAi2构成，用于补偿单电感多输出直流-直流降压变换器的电流控制环。
参照图5，本实施例公开了一种次级功率控制管器，包含n个相同的第二PI补偿器、n-1个比较器，n-1个类锯齿波发生器和n-1个误差采样PMOS管MPSK1～MPSKn-1。第二PI补偿器由运放OPAo1n、电阻Ro1n和电阻Ro2n、电容Co1n和电阻Co2n构成，用于补偿单电感多输出直流-直流降压变换器的各电压环路；类锯齿波发生器由该支路占空比信号Dn-1控制，由NMOS管MNn-1、电容Cpwmn-1和电流传感器输出的电流Isensed1构成，通过和每个支路的误差信号信号比较，产生用于切换该路与下一支路的信号Sn-1。
参照图6，所述模式控制器由n个相同的支路模式控制器构成；
每个支路模式控制器的信号输入端包括Vref端、Vo端、！CLR端和EdgeTri端，每个支路模式控制器的信号输出端包括D端、SK端和SKrising端。
其中，Vref端是该次级支路参考电压的输入端，第n支路模式控制器的Vref端的输入信号为Vrefn。
Vo端是该次级支路的输出电压的输入端，第n支路模式控制器的Vo端的输入信号为Von。
！CLR端在信号低电平有效，用于重置D端的输出信号。
EdgeTri端检测到上升沿时有效，用于重置D端的输出信号。
D端的输出信号用于控制该次级支路开关。
SK指示该次级支路是否进入固定导通时间调制，即COT。
SKrising信号是一个脉宽极小的脉冲，其下降沿用于在固定导通时间调制时打开下一条次级支路。
参照图7，支路模式控制器包括由逻辑门和D触发器构成的数字部分，以及由第一单稳态触发器、第二单稳态触发器、定时延时电路和占空比信号采样电路构成的模数混合部分，其中占空比信号采样电路由PMOS管MPduty和NMOS管MNduty、电流源Iduty、采样电容Cduty和参考电压源Mlevel构成。其中，D触发器上升沿触发，低电平复位，用于对次级支路进行脉冲宽度调制，即PWM，其输出端Q并行接入第一单稳态触发器，第一单稳态触发器采用上升沿触发，其输出脉宽为Dutymin；EdgeTri上升沿在触发D触发器同时，会触发第二单稳态触发器，产生一个极小脉宽的脉冲，其脉冲宽度为Dutyreset，需要和死区时间相近，但要大于D触发器的本征延时时间，该脉宽信号用于重置采样电容Cduty上的电压，并且受SK信号控制产生SKrising信号，延时电路模块的延时时间需要大于第二单稳态触发器的脉宽，但要小于第一单稳态触发器的输出脉宽；占空比采样电路在每次次级支路充电的周期工作，先由第二单稳态触发器重置电容电压到0，然后D触发器输出！Q打开PMOS管MPduty电流源对电容充电，当电容电压大于参考电压源Mlevel时SK信号翻转，说明该次级支路脱离固定导通时间调制。必要时，忽略D触发器的本征导通时间，以上各值关系需保持满足下式：
Figure BDA0001944123390000061
图8是使用本发明模式控制器的单电感四输出直流-直流降压变换器的稳态固定导通时间调制输出仿真结果，仿真中输入电压3.7V，输出电压依次调制为1V、1.2V、1.5V、1.8V，负载非常不平衡时，即第一次级支路负载很轻至1mA，第二、三、四次级支路很重均为100mA的情况下，控制器控制输出调制稳定并且第一次级支路的开关周期明显大于第二三四次级支路的开关周期。而在仅使用脉宽调制技术的条件下，第一次级支路的输出波形的开关周期与第二、三、四次级支路的开关周期相同，意味着在第一支路轻负载条件下，控制器会误判第一支路占空比，引入第一支路瞬态变化，导致破坏第二、三、四支路的输出电压调制。
本发明相对于现有技术，技术优势在于：1、在所述主级功率管控制器中通过跨导比例加法器从而消除电压求和导致的输出饱和问题，并借用第一PI补偿器的一个电阻，使电路结构更加精简；2、在所述次级功率管控制器中，通过对含有次级环路的前n-1输出的第二PI补偿器的输出插入误差采样开关管，使次级功率管控制器兼容固定时间导通调制；3、是在所述模式控制器中，通过对支路模式控制器做出改进，使该单电感多输出直流-直流降压变换器可以工作在脉宽调制和固定导通时间调制，并能顺滑切换而不产生瞬态，其中本发明的脉宽调制可以抑制交叉调制效应，本发明的固定导通时间调制可以使单电感多输出直流-直流降压变换器稳定工作在负载极端不平衡的情况下。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，包括：
主级功率电路；
多个次级支路；
电流传感器，用于采集主级功率电路的蓄能电感的第一电流信号，并将所述第一电流信号转换为若干个种输出电流信号；
带隙基准源，用于产生参考电压源和参考电流源；
主级功率管控制器，用于根据电流传感器的输出电流信号和多个次级支路输出电压的误差信号，控制主级功率电路的功率管的开关，以调整主级功率电路输入端传输到蓄能电感上的能量；
次级功率管控制器，用于控制各次级支路的功率管开关，使蓄能电感上的电流依次分配到多个次级支路；根据多个次级支路的输出电压，输出多个次级支路的输出电压的误差信号；
模式控制器，用于产生脉冲宽度调制和固定导通时间调制的时序；
所述模式控制器包括若干个支路模式控制器；
所述支路模式控制器包括：
由若干个逻辑门和一个D触发器构成的数字逻辑部分，用于产生脉宽调制通道切换的控制时序；
第一单稳态触发器，用于限制支路模式控制器输出占空比信号的最小时间宽度；
占空比采样电路，用于采集次级支路的脉宽调制的占空比的时间宽度，将所述时间宽度转换为电压信号；并用于产生一个标志信号控制次级支路进行固定导通时间调制；
第二单稳态触发器，用于重置占空比采样电路，以及为下一次级支路提供下降沿信号；
定时延时电路，用于产生一个大于第二单稳态触发器脉宽的延时。
2.根据权利要求1所述的一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，所述主级功率管控制器包括：
跨导比例加法器，用于将次级功率管控制器输出的多个次级支路的输出电压的误差信号求和并转换为第二电流信号；
第一PI补偿器，用于对第二电流信号和电流传感器的输出电流信号的差作电流环补偿。
3.根据权利要求1所述的一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，所述次级功率管控制器包括：
第二PI补偿器，用于补偿次级支路所在的电压环；
类锯齿波发生器，用于产生类锯齿波信号；
误差采样开关管，用于在脉宽调制模式时将次级支路的输出电压的误差信号接入主级功率管控制器；并在固定导通时间调制模式时断开。
4.根据权利要求1所述的一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，所述占空比采样电路包括第一电容、第一PMOS管和第一NMOS管，其中，第一电容的两端分别连接在第一NMOS管的源极和漏极，所述第一PMOS管的漏极和第一NMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极接入参考电流源，所述第一NMOS管的源极接地。
5.根据权利要求2所述的一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，所述跨导比例加法器由n个等值的第一电阻、一个第二电阻、一个第二NMOS管和一个运放构成，所述n个等值的第一电阻并联于运放的正相输入端，所述运放的输出端与第二NMOS管的栅极连接，所述第二NMOS管的源极和运放的反相输入端均通过第二电阻接地。
6.根据权利要求1所述的一种单电感多输出直流-直流降压变换器，其特征在于，还包括：
死区控制器，用于控制主级功率电路与次级支路的功率管的导通交替时间；
主级功率管驱动，用于增强对主级功率电路的功率管的控制信号的驱动能力；
次级功率管驱动，用于增强对次级支路的功率管的控制信号的驱动能力。
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