專利名稱：一種無電感雙輸出降壓型dc-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于變換器領(lǐng)域，涉及一種無需片外電感，而又能提供兩路穩(wěn)定輸出電壓的無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，人們對電源的要求越來越苛刻，電源的體積越來越小，效率也越來越高；自本世紀(jì)初以來，研發(fā)人員開始對單電感多輸出變換器產(chǎn)生了濃厚的興趣，單電感多輸出(SIMO)DC-DC變換器開始迅猛發(fā)展。目前主要的單電感多輸出變換器結(jié)構(gòu)有DC-DC變換器附加多路開關(guān)輸出和DC-DC變換器級聯(lián)多路LDO輸出結(jié)構(gòu)兩種，而DC-DC變換器附加多路開關(guān)輸出結(jié)構(gòu)從輸入輸出電壓關(guān)系又可分為升壓型和降壓型兩種，從控制方式上還可分為不連續(xù)導(dǎo)通(DCM)控制、連續(xù)導(dǎo)通(CCM)控制及共?？刂迫N。但是單電感多輸出變換器存在以下4方面問題第一，交叉調(diào)制問題。當(dāng)多路輸出變換器某一路輸出負(fù)載發(fā)生跳變時(shí)，如果沒有良好地檢測和控制，會(huì)在調(diào)制過程中影響其它穩(wěn)定的輸出通路，導(dǎo)致多路輸出發(fā)生交叉調(diào)制。第二，DCM模式下存在的負(fù)載電流限制問題。為了徹底解決交叉調(diào)制問題，最簡單的方法就是給每一路輸出獨(dú)立的調(diào)制信號，即固定的脈寬調(diào)制(PWM)周期，同時(shí)還需保證每個(gè)PWM周期起始和結(jié)束時(shí)的電感電流相等。由于電感電流隨時(shí)間變化，以維持電感兩端
恒定的電壓，即〃 =△#，所以簡單的保持電流相等的方法就是確保起始和結(jié)束時(shí)電感電流 at
為零，即單電感多輸出變換器工作在DCM模式。這就使得電感電流的峰峰值非常大，通常為負(fù)載電流的2倍以上，因此限制了負(fù)載電流不能過大。第三，較大的輸出電壓紋波。對于單電感多輸出變換器，電感電流每次只能給某一路輸出充電，這就導(dǎo)致各輸出通路的濾波電容被斷續(xù)充電，不充電時(shí)，輸出電壓只能靠該路的濾波電容維持，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓存在大紋波。第四，效率問題。由于單電感多輸出變換器需要額外的功率管來控制多路輸出，對于一個(gè)N路輸出變換器，典型的SIMO變換器需要N+2個(gè)功率管。功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻為
N
Ron，則變換器引入的額外功耗為^ = xAh xA^，因此效率相對于單輸出變換器而言
i
要低一些。早在2001年，Marcus W. May等人就采用了 DC-DC變換器附加多路開關(guān)輸出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙輸出變換器，片外只需一個(gè)電感，片內(nèi)增加了兩個(gè)開關(guān)管，但由于控制器工作在CCM 模式下，交叉調(diào)制非常嚴(yán)重；到2003年，Dongsheng Ma等人通過增加一個(gè)free wheel管，使得變換器的工作模式由DCM變?yōu)閭芜B續(xù)導(dǎo)通模式(PCCM)，解決了變換器負(fù)載電流限制及交叉調(diào)制問題，但是系統(tǒng)效率及輸出電壓大紋波問題并沒有得到徹底解決；Hanh-Phuc Le等人又于2007年完成了一款單電感5路輸出升壓型DC-DC變換器，在結(jié)構(gòu)上采用DC-DC變換器附加多路開關(guān)輸出結(jié)構(gòu)，采用了 PCCM技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上也做了很大改進(jìn)，很好地解決了交叉調(diào)制問題，功率管的需求也從典型的N+2變?yōu)镹+1。但測試結(jié)果顯示效率并不很高，輸出電壓大紋波問題沒有解決；2010年狗11& Xu等人通過采用飛電容(Fly Capacitor)技術(shù)， 很好地解決了單電感雙輸出DC-DC變換器的輸出電壓大紋波問題，但對于多于兩路輸出的情況并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過對LDO進(jìn)行分析后，提出了一種新型無電感雙輸出結(jié)構(gòu)降壓型DC-DC 變換器，該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是去掉了傳統(tǒng)降壓DC-DC變換器中的電感元件，更有利于單片集成，外圍電路結(jié)構(gòu)也更加簡單。同時(shí)，當(dāng)PWM信號為周期性的方波信號時(shí)，系統(tǒng)為雙輸出降壓型變換器，當(dāng)PWM信號為恒定高或低電平時(shí)，系統(tǒng)將變?yōu)閭鹘y(tǒng)的單路輸出LDO變換器。在雙輸出條件下，輸出電壓不受P麗信號占空比影響，不受交叉調(diào)制的影響，沒有大負(fù)載電流限制問題，也不存在輸出電壓大紋波問題。該系統(tǒng)由于去掉了片外電感，因此非常適用于現(xiàn)在單芯片多電壓標(biāo)準(zhǔn)的SOC系統(tǒng)。本發(fā)明包括PMOS調(diào)整管、PMOS開關(guān)、傳輸門、反相器和誤差放大器電路；所述PMOS 調(diào)整管分別與輸入電壓、兩個(gè)傳輸門和兩個(gè)PMOS開關(guān)單向連接；所述誤差放大器分別與兩路反饋電壓、參考電壓Vkef和兩路傳輸門單向連接；所述反相器分別與輸入PWM信號、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接。所述兩路PMOS開關(guān)分別是第一 PMOS開關(guān)和第二 PMOS開關(guān)，兩路傳輸門分別是第一傳輸門和第二傳輸門，兩個(gè)反相器分別是第一反相器和第二反相器，兩個(gè)誤差放大器分別是第一誤差放大器和第二誤差放大器；所述PMOS調(diào)整管分別與輸入電壓、第一傳輸門、 第二傳輸門、第一 PMOS開關(guān)和第二 PMOS開關(guān)單向連接；所述兩路誤差放大器分別與兩路反饋電壓、參考電壓Vkef、第一傳輸門和第二傳輸門單向連接；所述第一反相器和第二反相器分別與輸入PWM信號、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接。所述本發(fā)明降壓型DC-DC變換器工作原理是兩路誤差放大器分別將兩路輸出反饋電壓分別與參考電壓Vkef比較，得到兩路輸出的誤差放大信號，再通過PWM信號控制的兩路交替導(dǎo)通的傳輸門，從而實(shí)現(xiàn)誤差放大信號對PMOS調(diào)整管的調(diào)節(jié)功能，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的兩路輸出電壓。所述本發(fā)明降壓型DC-DC變換器核心系統(tǒng)控制方式有1)單路輸出控制，當(dāng)PWM 信號為高電平時(shí)，v。utl輸出穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓值，而V。ut2等于零；當(dāng)PWM信號為低電平時(shí)，V。ut2 輸出穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓值，而V。utl等于零。2)雙路輸出控制，當(dāng)PWM為周期性的方波信號時(shí)， Voutl和v。ut2分別輸出穩(wěn)定的兩路預(yù)設(shè)電壓值。所述變換器系統(tǒng)包含了一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)和兩個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)；所述開環(huán)系統(tǒng)由PWM控制信號分別控制傳輸門和PMOS開關(guān)交替導(dǎo)通，其目的是確保兩路輸出通路提供輸出電壓；所述閉環(huán)系統(tǒng)包括第一閉環(huán)系統(tǒng)和第二閉環(huán)系統(tǒng)，第一閉環(huán)系統(tǒng)由V。utl、Vfbi、第一誤差放大器、第二傳輸門、PMOS調(diào)整管和第二 PMOS開關(guān)構(gòu)成，其目的是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓V。utl ；第二閉環(huán)系統(tǒng)由V。ut2、Vfb2、第二誤差放大器、第一傳輸門、PMOS調(diào)整管和第一 PMOS開關(guān)構(gòu)成， 其目的是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓V。ut2。所述本發(fā)明系統(tǒng)效率和輸出電壓紋波分析如下如

圖1所示，虛線框內(nèi)為本發(fā)明的單電感雙輸出降壓型DC-DC變換器芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖，虛線框外為芯片外圍電路；根據(jù)圖1的標(biāo)注，輸入電壓為Vin，兩路輸出電壓分別為V。utl和V。ut2，對應(yīng)于兩路輸出電壓的負(fù)載電流分別為I。ut2和I。ut2，系統(tǒng)靜態(tài)電流為I,，占空比SD1，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有D1時(shí)間輸入對V。utl充電，此時(shí)流過PMOS調(diào)整管電阻的電流為Idsi，有I-D1時(shí)間輸入對V。ut2充電，此時(shí)流過PMOS調(diào)整管電阻的電流為IDS2。S^S1'和S2、&'分別是兩路輸出電壓V。utl和V。ut2 的控制開關(guān)；PWM信號頻率為fPWM，輸出濾波電容分別為C1和C2，濾波電容寄生的ESR電阻分別為RESK—α和RESK—C2，負(fù)載電阻分別為R1和&。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，則由如下表達(dá)式可知系統(tǒng)的整體效率不僅與靜態(tài)電流和兩路輸出的變壓比有關(guān)，而且還與兩路輸出電流有關(guān)，但是與占空比D1沒有關(guān)系。當(dāng)占空比為0或100%時(shí)，Ioutl和I。ut2將為0，此時(shí)上式將變?yōu)閭鹘y(tǒng) LDO系統(tǒng)整體效率表達(dá)式；輸出電壓的紋波與負(fù)載電流成正比，與濾波電容大小成反比，與濾波電容寄生的ESR電阻成正比，與PWM信號頻率成反比。系統(tǒng)的電流效率為
權(quán)利要求
1.一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于包括PMOS調(diào)整管、兩路PMOS 開關(guān)、兩路傳輸門、兩路反相器和兩路誤差放大器；所述PMOS調(diào)整管分別與輸入電壓、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接；所述誤差放大器分別與兩路反饋電壓、參考電壓Vkef和兩路傳輸門單向連接；所述兩路反相器分別與輸入PWM信號、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接。
2.如權(quán)利要求1所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述兩路 PMOS開關(guān)分別是第一 PMOS開關(guān)和第二 PMOS開關(guān)，兩路傳輸門分別是第一傳輸門和第二傳輸門，兩路反相器分別是第一反相器和第二反相器，兩路誤差放大器分別是第一誤差放大器和第二誤差放大器；所述PMOS調(diào)整管分別與輸入電壓、第一傳輸門、第二傳輸門、第一 PMOS開關(guān)和第二 PMOS開關(guān)單向連接；所述兩路誤差放大器分別與兩路反饋電壓、參考電壓 Vkef、第一傳輸門和第二傳輸門單向連接；所述第一反相器和第二反相器分別與輸入PWM信號、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接。
3.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述PMOS 調(diào)整管根據(jù)其柵電壓的大小\來調(diào)整自身溝道的導(dǎo)通電阻Rds，以穩(wěn)定輸出電壓V。utl和Vout2。
4.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述PMOS 開關(guān)根據(jù)PWM信號電平的高低，選擇從PMOS調(diào)整管的漏端到V。utl和V。ut2之間的通路，在PWM 信號為固定的頻率信號時(shí)，使其保持交替導(dǎo)通。
5.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述傳輸門根據(jù)PWM信號電平的高低，選擇從兩路誤差放大器到PMOS調(diào)整管的柵端之間的通路，在 PWM信號為固定的頻率信號時(shí)，使其保持交替導(dǎo)通。
6.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述兩級反相器實(shí)現(xiàn)了 PWM和^^r信號，分別控制兩路傳輸門和PMOS開關(guān)的交替導(dǎo)通。
7.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述兩路誤差放大器的一個(gè)公共輸入端接Vkef電平信號，另一個(gè)輸入端分別接兩路輸出電壓V。utl和 Vout2的各自反饋電壓Vfbi和Vfb2，誤差放大器的兩路輸出誤差電壓分別接在兩路由PWM信號控制交替導(dǎo)通的傳輸門輸入端。
8.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述PWM 控制信號實(shí)現(xiàn)的功能有1)單路輸出控制，當(dāng)PWM信號為高電平時(shí)，V。utl輸出穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓值，而V。ut2等于零；當(dāng)PWM信號為低電平時(shí)，V。ut2輸出穩(wěn)定的預(yù)設(shè)電壓值，而V。utl等于零。 2)雙路輸出控制，當(dāng)PWM為周期性的方波信號時(shí)，Voutl和V。ut2分別輸出穩(wěn)定的兩路預(yù)設(shè)電壓值。
9.如權(quán)利要求2所述一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，其特征在于所述變換器系統(tǒng)包含了一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)和兩路閉環(huán)系統(tǒng)；所述開環(huán)系統(tǒng)由PWM控制信號分別控制傳輸門和PMOS開關(guān)交替導(dǎo)通，其目的是確保兩路輸出通路提供輸出電壓；所述閉環(huán)系統(tǒng)包括第一閉環(huán)系統(tǒng)和第二閉環(huán)系統(tǒng)，第一閉環(huán)系統(tǒng)由V。utl、VFB1、第一誤差放大器、第二傳輸門、PMOS 調(diào)整管和第二 PMOS開關(guān)構(gòu)成，其目的是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓V。utl ；第二閉環(huán)系統(tǒng)由V。ut2、 Vfb2、第二誤差放大器、第一傳輸門、PMOS調(diào)整管和第一 PMOS開關(guān)構(gòu)成，其目的是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓V。ut2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無電感雙輸出降壓型DC-DC變換器，包括PMOS調(diào)整管、PMOS開關(guān)、傳輸門、反相器和誤差放大器電路；所述PMOS調(diào)整管分別與輸入電壓、兩個(gè)傳輸門和兩個(gè)PMOS開關(guān)單向連接；所述誤差放大器分別與兩路反饋電壓、參考電壓VREF和兩路傳輸門單向連接；所述反相器分別與輸入PWM信號、兩路傳輸門和兩路PMOS開關(guān)單向連接。本發(fā)明的優(yōu)勢主要有去掉傳統(tǒng)降壓DC-DC變換器中的電感元件，外圍電路簡單，集成度高；當(dāng)PWM信號為周期性方波信號時(shí)，系統(tǒng)為雙輸出降壓型變換器，當(dāng)PWM信號為恒定高或低電平時(shí)，系統(tǒng)為傳統(tǒng)的LDO變換器；在雙輸出條件下，兩路輸出電壓不受PWM信號占空比影響；不受交叉調(diào)制影響；沒有大負(fù)載電流限制問題；也不存在輸出電壓大紋波問題。
文檔編號H02M3/156GK102570811SQ20121000388
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者宋焱, 耿莉, 范世全, 薛仲明, 趙慧 申請人:西安交通大學(xué)