[发明专利]单电感双输出开关电源的分时复用控制方法及其电路

说明书

技术领域

本发明涉及电源转换器，尤其是一种单电感双输出开关电源的分时复用控制方法及其电路。

背景技术

随着电子设备的发展以及复杂度的增加，整机内部的单元模块越来越多，不同的模块供电电压以及供电要求往往是不同的。例如计算机的主板，对于内存、硬盘、CPU和显卡等不同设备，就分别需要提供3.3V、5V、12V的供电电压。再例如当前的智能手机，除了RF模块要求低噪声和高电源电压抑制比，需要用LDO供电外，其余大部分模块出于效率考虑多数都采用DC-DC开关电源，供电电压从1.5V到15V不等。由此可见，多输出DC-DC电路的研究对于当前电源管理产业界有着重要的意义。

传统设计多路输出电源是对每个等级的输出电压单独使用一个单路输出变换器，这样虽然能够很好的满足负载的要求并且设计简单，但是会造成经济成本和供电装置体积的增加。而且由于各DC-DC变换器是独立的，若它们的振荡频率有差异，就可能发生拍频干扰，在输出电压上出现频率为各振荡频率之差的电压纹波。电源管理单元是当前比较流行的一种解决方案。通过在一块芯片中集成多个DC-DC变换器，从而实现多种电压的输出。电源管理单元无论在精度、体积还是转换效率上，都有不错的表现，但是需要多个电感，电感往往是占用面积最大也是最难被集成的，这样势必浪费了PCB面积而且提高了成本。

单电感双输出（SIDO）或单电感多输出（SIMO）开关电源是一种新型开关电源结构，各输出支路分时工作，利用单个电感实现多路输出，非常适合作为多值电压系统的电源。

输出支路的分时工作带来了两个好处：首先各个输出之路共享一个电感，大大减少了所需电感的数量，大幅缩小多路输出开关电源系统最终的体积和重量。其次可以实现对各个输出支路的单独精确控制。但分时工作也存在负面作用：由于共享一个电感，各输出之路之间存在严重的交叉影响，某个输出支路的输出电流变化通常会影响到其他输出支路的输出电流。交叉影响的问题轻则增加各输出支路输出的纹波系数，重则破坏整个系统的稳定性，使开关电源无法正常工作。

为了避免交叉影响对单电感多输出开关电源带来的负面影响，香港科技大学Dongsheng Ma使SIMO Boost（升压）开关电源工作在DCM（不连续导电模式）和PCCM（伪连续导电模式）模式下，利用相邻工作的两路输出交界处的死区时间作为过渡，起到隔离的作用，有效的避免了输出之路之间的交叉影响。但DCM SIMO开关电源负载能力较小，同时电感上电流纹波大，导致输出纹波较大；PCCM SIMO开关电源虽然电感平均电流较大，负载能力较强，但PCCM是利用限制工作模式来抑制输出支路之间的交叉影响，一旦工作模式无法保证，输出支路之间仍会存在相互影响。因此，DCM SIMO和PCCM SIMO开关电源都是在一定程度上抑制了输出支路之间的交叉影响，而不能从根本上消除一旦负载变化过大或者控制失控，很容易使开关电源的工作模式发生变化，产生输出支路之间的交叉影响。

     由于工作在CCM模式下的开关电源具有负载能力强，输出电压纹波小等优点，因此越来越多的学者开始研究分时复用技术在CCM开关电源下的应用。但SIMO开关电源在CCM模式下，若某路负载发生变化，导致该路的电感电流偏离设定值，而该变化将持续并影响到下一支路的工作，造成交叉影响。

东南大学张麟等提出了一种分时控制方法，对连续导电模式的SIMO Boost开关电源在独立充放开关时序下的控制环路进行了研究和设计。该控制方法在每路输出时的工作周期末增加一个校正周期，用来校正电感电流，以消除输出支路电流之间的交叉影响。但该方法主要由三个缺点：首先是纯阻性校正支路降低了开关电源的效率；其次是校正周期改变了开关电源的开关周期；最后是该控制方法的特性决定了开关电源各路负载必须相等或者相差不大。这几个缺点限制了校正支路控制方法在SIMO开关电源中的应用。

发明内容

本发明为克服现有技术之不足，在现有技术的基础上，提出了一种单电感双输出开关电源的分时复用控制方法及其电路，通过将各路输出的电压与基准电压比较产生控制主回路和次级回路的占空比信号，实现连续导电模式下无交叉影响的多路输出。