CN110061619A - 一种开关电容dc-dc转换器的主从两路输出方法 - Google Patents

Abstract

开关电容DC‑DC转换器低电磁干扰、高效率、体积小等优点，是电源管理系统的重要组成部分，本发明提出了一种针对开关电容DC‑DC转换器的两路主从输出方法。该方法使用脉冲频率调制与脉冲跳跃调制分别对主从两路进行控制。主路调制方式如下：误差放大器放大主输出电压的采样电压Vfa与参考电压Vref的差值，驱动压控振荡器，输出工作频率Fclk随误差信号变化的开关时钟，进而改变电容阵列的等效阻抗。从路调制方式如下：比较器输出从路输出电压的采样电压Vfb与参考电压Vref的相对大小关系，给出跳频信号Skip，状态机据此信号输出从路开关的控制信号，改变从路的平均频率Fclk_ave，进而改变驱动能力。

Description

一种开关电容DC-DC转换器的主从两路输出方法

技术领域：

本发明专利涵盖开关电容DC-DC转换器原理、脉冲频率调制技术、脉冲跳跃调制技术。

背景技术：

信息化时代的到来，使得便携式移动终端大量涌现。尤其是近几年，智能手机、平板电脑、GPS等产品的普及，电子系统对供电电源也提出了更多的要求，例如：便携性、低功耗、输出稳定、高效率等，推动了便携式电子设备电源技术的发展。电子系统通常不能由电池或电源适配器为其直接供电，而需要一个电压调制器将不稳定的直流电压转换为稳定的系统供电电源。目前，DC-DC转换器主要分为两类：线性稳压器和开关电源调制器。线性稳压器具有低纹波、低噪声、设计简单等优点，广泛应用于对噪声敏感的场合，但其也有效率较低和只能实现降压等缺点。开关电源又分为电感型和电容型。其中，电感型开关电源储能元件为电感，优点是转换效率高，缺点是在输出端具有纹波干扰，并且有电磁干扰(EMI)问题；电容型(又称电荷泵型)开关电源使用电容作为储能元件，大大降低了EMI，转换效率也较高，缺点是输出端纹波噪声较大。

随着科技的发展，便携式电子设备也越来越复杂，不同的子模块需要供给不同的电压/ 电流，这对DC-DC转换器也提出了更高的要求。能提供多路稳定输出成为DC-DC转换器的必要功能之一。针对目前多输出DC-DC的形势要求，LDO阵列是一种解决方案，将开关电容阵列的单端输出通过多个LDO，分别输出为不同的电压输出，这样的结构电路简单，工作稳定，但牺牲了电源转换效率且大大缩短了电源的寿命。另一种解决方案是采用多个开关电容阵列，分别输出不同的电压，提供多路输出，这样的结构工作效率不受影响，但采用多个电容阵列，大大增加了芯片的面积，增大了成本。为了克服以上两种多路输出策略的缺点，工程师常采用第三种方案，时分复用的多路输出策略，通过相位交错的开关，将电容阵列的输出分时地传输到每个输出端，为每个子模块提供能量，这种策略由于只采用一个电容阵列，大大缩减了芯片面积，且没有采用LDO电路结构，效率得到了保证，关键在于应当采取合适的调制方式，确保芯片高效稳定的工作。

脉冲频率调制(PFM)能够提高系统转换效率特别是轻载效率，同时一定程度上控制输出电压纹波，其原理是使开关频率随负载电流的变化而变化，当负载电流的下降，开关频率减小，而负载电流上升，开关频率则增大。若负载电流和开关频率成线性关系，无论负载如何变化，纹波大小相等。除了在纹波方面有较大优势外，系统效率也优于固定频率的电荷泵。当负载较轻时，降低开关频率可以减小开关损耗，从而提高系统效率。

脉冲跳跃调制(PSM)能够改变有效的工作频率来改变输出功率，其开关损耗与输出功率成正比，采用这种调制方式的开关电源的效率比常规的PWM调制高且几乎与负载无关；通过状态机侦测负载随时间的连续变化，使得现有调制模式在能量转换效率、响应速度等方面都有显著提高。

本发明提出了一种针对开关电容DC-DC转换器的两路主从输出策略，主路采取PFM调制策略，从路采取PSM调制策略，保证系统高效、稳定的工作。

发明内容：

本发明针对开关电容DC-DC转换器，提出了一种两路主从输出策略，并分别给出调制方式。应用该技术的DC-DC转换器系统输出部分原理图见附图1。附图1省略了两路输出的反馈部分，图中两路输出采用时分复用的输出形式，在电容阵列充放电周期中，开关Swa与Swb 相位交错，分别给主路a与从路b供电。

主路的调制方式见附图2所示，主路输出电压Vouta通过分压电阻，得到反馈电压Vfa。该反馈电压与参考电压Vref同时输入到误差放大器两输入端，将其差值放大，输出Vcon提供给压控振荡器，改变工作频率Fclk，达到调制的目的。

从路的调制方式见附图3所示，从路输出电压Voutb通过分压电阻，得到反馈电压Vfb。该反馈电压与参考电压Vref同时输入比较器的两输入端。当反馈电压Vfb小于Vref时，说明驱动能力不够，Skip信号输出为0，即工作在满频模式；反之，当Vfb大于Vref时，Skip信号输出为1，进入跳频模式。Skip信号提供给状态机，据此输出从路开关驱动信号 Swb_control。

该两路主从输出常用于多增益的电容阵列中，在从路的跳频调制过程中，由于频率不改变，为进行当前增益与跳转后增益的驱动能力比较，本发明还提出了从路平均频率的概念。基于九相充放电的电容阵列拓扑，一个完整的充放电周期T由两个九相充放电过程组成，有：

T＝18×t (1)

其中t表示一个时钟周期，也可视为一个状态所持续的时间。

考察n个的连续充放电周期样本，由于在每个充放电周期T中，跳频信号Skip非“0”即“1”，统计样本内Skip＝0的周期数m，表示m个充放电周期中，从路开关Swb正常交替导通一断开；在n-m个充放电周期T内，从路开关Swb始终断开。见附图4所示。

定义平均频率Fclk_ave：

考虑一个样本内持续时间nT，对于跳频模式，有：

其中phase_skip表示跳频模式下样本时间内的充放电状态数。对于跳频模式，由式(2)，所以有：

其中T_full表示在跳频模式下，平均频率对应的平均充放电周期，考虑相同的样本时间 nT，有：

其中phase_full表示在平均频率概念下，样本时间内的充放电状态数，可见phase_skip＝phase_full，在样本时间内传递的总能量相同。

附图说明：

附图1一种两路输出开关电容DC-DC转换器的输出部分原理框图；

附图2主路调制方式原理框图；

附图3从路调制方式原理框图；

附图4 Skip信号波形图；

具体实施方式：

针对开关电容DC-DC转换器的两路中输出的调制步骤包括：

1)系统开始工作时，初始电压转换比可以选择从低电压转换比开始，也可以选择从高电压转换比开始，或者通过检测输入电压，选择经转换后最接近目标输出电压的转换比。

2)主路输出的反馈电压Vfa与参考电压Vref的差值经误差放大器放大后得到Vcon，驱动压控振荡器VCO，控制VCO的振荡频率，输出电压过高时降低振荡频率，反之则增加频率。

3)从路输出的反馈电压Vfb与参考电压Vref同时输入比较器的两输入端。当反馈电压Vfb 小于Vref时，说明驱动能力不够，Skip信号输出为0，即工作在满频模式；反之，当Vfb大于Vref时，Skip信号输出为1，进入跳频模式。Skip信号提供给状态机，据此输出从路开关驱动信号Swb_control。

4)主路的工作频率Fclk与从路的平均工作频率Fclk_ave用于进行当前驱动能力与转换增益后的驱动能力比较。对于主路a，驱动能力Iloada∝Fclk×(Vin×Gain_a×Kfa-Vref)。对于从路b，驱动能力Iloadb∝Fclk_ave×(Vin×Gain_b×Kfb-Vref)。其中，Gain_a，Gain_b分别为主路a与从路b的转换比，Kfa和Kfb分别为主从两路输出电压的采样电阻分压比，Kfa＝R2a/(R1a+R2a)，Kfb＝R2b/(R1b+R2b)。

5)通过增益跳转判决电路，可对4)中的当前驱动能力与转换后驱动能力进行比较，分别对两路独立控制，达到增益转换的目的。

附图标记列表：

Vin 输入电源电压

Vouta 主路输出电压

Vouta 从路输出电压

Swa 主路开关

Swb 从路开关

R1a，R2a 主路输出反馈电阻

R1b，R2b 从路输出反馈电阻

Vfa 主路输出反馈电压

Vfb 从路输出反馈电压

CLa，CLb 负载电容

RLa，RLb 负载电阻

Fclk 时钟信号

Vcon 误差放大器输出

Vref 参考电压

Skip 跳频输出信号

Swb_control Swb开关控制信号。

Claims (1)

1.一种开关电容DC-DC转换器的主从两路输出方法，其特征在于：

A.系统的输出端采用时分复用的输出形式，开关Swa与Swb工作在相位交织的状态下，交替给输出端提供能量，使两路输出不产生串扰；

B.主路采用PFM调制策略，误差放大器用于放大反馈主输出电压的采样电压Vfa与参考电压Vref的差值，将其输出Vcon提供给压控振荡器，控制压控振荡器输出频率Fclk，用于改变电容阵列的开关频率，起到调节输出的作用；

C.从路采用PSM调制策略，比较器判断从路输出采样电压Vfb与参考电压Vref的相对关系，如果Vfb大于Vref，则置位跳频信号Skip，否则Skip保持为零；

D.跳频信号Skip通过状态机，输出开关Swb的控制信号Swb_control，用于控制从路b的能量传递；

E.将从路平均开关频率Fclk_ave用于从路驱动能力的计算以进行后续增益跳变判决，从路平均开关频率是通过将跳频工作状态量Skip＝0，即不发生跳频的概率，与主路开关频率Fclk相乘获得。