专利名称：单电感多输出电源转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电源转换器，具体地说，是一种单电感多输出(Single Inductor Multiple Output ；SIMO)的电源转换器及其控制方法。
背景技术：
随着技术的进步，电子产品的功能越来越多，因此在某些电子产品中，单组电源已 无法满足需要，故电源转换器也朝向提供多组电源的方向发展。图1显示已知的单电感双 输出(Single Inductor Dual Output ；SID0)电源转换器10，电源转换器10可以提供两组 电源，电源转换器10包括开关SWl连接在所述电源转换器的输入端12及电感L之间，开关 SW2连接在电感L及接地端GND之间，开关SW3连接在电感L及接地端GND之间，开关SW4 连接在电感L及输出端14之间，开关SW5连接在电感L及输出端16之间。图2用以说明图1中电源转换器10的一种控制方法，其中波形18为电感电流IL。 参照图1及图2，假设电源转换器10的输出14及16各为降压及升压输出，首先打开(turn on)开关SWl及SW4形成路径Pl，此时输入电压VIN经路径Pl对输出端14供应能量，并同 时对路径Pl上的电感L蓄能，电感L上的电感电流IL将以斜率[(VIN-VOA)/L]上升，如波 形18所示，在输出端14上的电压VOA达到默认值时，开关SWl关闭(turn off)并打开开 关SW2以形成路径P2，此时电源转换器10切断与输入电压VIN的连结，故转由电感L供应 能量至输出端14以保持输出电流的稳定，因此电感电流IL以斜率(-V0A/L)下降，当电感 电流IL下降至准位IDC时，关闭开关SW4并打开开关SW3以形成路径P5，此时电感L上未 释放的能量将保持在电感L上产生无约束的电流(freewheeling current)，接着再关闭开 关SW2并打关开关SWl以重新连结输入电压VIN，此时能量经由路径P3储存在电感L上， 故电感电流IL以斜率(VIN/L)增加，当电感电流IL上升至准位IBT时，关闭开关SW3并 打开开关SW5以形成路径P4，此时能量经路径P4供应到输出端16，而电感电流IL以斜率 [(VIN-VOB) /L]下降，在输出端16上的电压VOB达到默认值时，关闭开关SWl及SW5并打开 开关SW2及SW3形成路径P5以保存未释放的能量。如图1所示，传统的SIDO电源转换器10需要5个开关SWl、Sff2, Sff3, SW4及SW5 才能产生两组电压VOA及V0B，而且在每条能量路径Pl、P2、P3、P4及P5上传递的能量都 要经过两个开关，故有较大的导通损失(conduction loss)，此外每一个开关都要搭配一驱 动器，因此开关与驱动器所产生的切换损失(switching loss)与门驱动损失(gate drive loss)亦不可忽略。因此已知的电源转换器存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种减少开关数量降低成本的单电感多输出电源转换器 及其控制方法。本发明的另一目的，在于提出一种减少导通损失、切换损失与门驱动损失以提高4效率的单电感多输出电源转换器及其控制方法。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输 入端；一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第 一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端；第二步骤将所述电感的第二端切换至一接地端；第三步骤在所述电感上的电感电流上升至一第一默认值时，将所述电感的第二 端切换至所述电源转换器的第一输出端；第四步骤在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第二默认值时，将 所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；第五步骤在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将 所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
本发明的单电感多输出电源转换器的控制方法，还可以采用以下的技术措施来进一步实现。前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第 一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端；第二步骤将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端；第三步骤在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第一默认值时，将 所述电感的第二端切换至一接地端；第四步骤在所述电感上的电感电流上升至一第二默认值时，将所述电感的第二 端切换至所述电源转换器的第二输出端；第五步骤在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将 所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输 入端；一切换电路，用以将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的多个输出端其中 一个、一接地端或所述电感的第一端。本发明的单电感多输出电源转换器，还可以采用以下的技术措施来进一步实现。5
前述的电源转换器，其中所述切换电路包括一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及所述接地端之间；多个第三开关，每一所述第三开关连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的 多个输出端其中一个之间。一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第 一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端；第二步骤将所述电感的第二端轮流切换至在所述电源转换器的至少一降压输出 端；第三步骤将所述电感的第二端换至一接地端；第四步骤在所述电感上的电感电流上升至一默认值时，将所述电感的第二端轮 流切换至所述电源转换器的至少一升压输出端；第五步骤将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端；前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第五步骤。一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第 一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端；第二步骤将所述电感的第二端切换至一接地端；第三步骤将所述电感的第二端依序切换至所述电流转换器的多个输出端；第四步骤将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。前述的控制方法，其中更包括重复所述第二步骤至第四步骤。
采用上述技术方案后，本发明的单电感多输出电源转换器及其控制方法具有以下 优点1.大幅降低导通损失、切换损失与门驱动损失。2.提高电源转换器的效率。
图1为已知的SIDO电源转换器示意图；图2为图1中电源转换器的一种控制方法示意图；图3为本发明的第一实施例示意图；图4为图3中SIDO电源转换器的两输出各为降压及升压输出时第一种控制方法 示意图；图5为图3中SIDO电源转换器的两输出各为降压及升压输出时第二种控制方法 示意图；图6为图3中SIDO电源转换器的两输出均为升压输出时第一种控制方法示意图；图7为图3中SIDO电源转换器的两输出均为升压输出时第二种控制方法示意图；图8为本发明的第二实施例示意图；图9为图8中SIMO电源转换器的一种控制方法示意图。
图中，10、SID0电源转换器12、电源转换器10的输入端 14、电源转换器10的输 出端 16、电源转换器10的输出端 18、电感电流IL的波形 20、SIDO电源转换器22、 电源转换器10的输入端24、切换电路沈、电源转换器10的输出端28、电源转换器10的 输出端 30、电感电流IL的波形 32、电感电流IL的波形 34、电感电流IL的波形 36、 电感电流IL的波形40、SIMO电源转换器42、切换电路44、电感电流IL的波形。
具体实施例方式以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。现请参阅图3，图3显示本发明的第一实施例，如图所示，所述SIDO电源转换器20 中，电感L的第一端A连接电源转换器20的输入端22，切换电路M用以将电感L的第二 端B切换至输入端22、输出端沈、输出端28或接地端GND。切换电路M包括开关SWl连接 在电感L的第二端B及电源转换器20的输出端沈之间，开关SW2连接在电感L的第二端 B及电源转换器20的输出端观之间，开关SW3连接在电感L的第二端B及接地端GND之 间，开关SW4连接在电感L的第一端A及第二端B之间。当电感L的第二端B被切换至输 出端沈时形成能量路径P1，当电感L的第二端B被切换至输出端观时形成能量路径P2， 当电感L的第二端B切换至接地端GND时形成能量路径P3，当电感L的第二端B切换至其 第一端A时形成能量路径P4。SIDO电源转换器20只使用四个开关，比已知的SIDO电源转 换器10少了一个开关，因此也少了一个驱动开关的驱动器，而且每条能量路径P1、P2、P3及 P4上都只有一个开关，因此可以有效的降低导通损失、切换损失与门驱动损失，亦可以降低 系统复杂度以及减少芯片面积及制造成本。SIDO电源转换器20的输出沈及观可以是一降压输出及一升压输出，也可以都是 升压输出。图4显示SIDO电源转换器20的输出沈及观各为降压及升压输出时的一种控 制方法，其中波形30为电感电流IL。参照图3及图4，首先打开开关SW3使电感L的第二 端B连接至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，其上的电感 电流IL将以(VIN/L)的斜率上升，如波形30所示，在电感电流IL上升至准位IDC时，关闭 开关SW3并打开开关SWl使电感L的第二端B切换至输出端沈以形成路径Pl，此时能量经 由路径Pl传递至输出端26，由于此时输出端沈上的电压VOA小于输入电压VIN，故电感电 流IL仍以[(VIN-VOA)/L]的斜率上升，当电压VOA达到默认值时，关闭开关SWl并打开开 关SW2使电感L的第二端B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至 输出端观，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，在输出端观上的电压VOB上升至 默认值后，关闭开关SW2并打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径 P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。此操作模式为 平均电流模式控制(average current mode control)，电感电流IL将以准位IDC为中心依 据不同负载做追随的控制。图5显示SIDO电源转换器20的输出沈及观各为降压及升压输出时的另一种控 制方法，其中波形32为电感电流IL。参照图3及图5，首先将开关SWl打开使电感L的第 二端B连接至输出端沈以形成路径P1，此时能量传递至输出端26，由于输出端沈上的电 压VOA小于输入电压VIN，因此电感电流IL将以[(VIN-VOA)/L]的斜率上升，当电压VOA上 升至默认值时，关闭开关SWl并打开开关SW3使电感L的第二端B切换至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，故其上的电感电流IL以(VIN/L)的斜 率上升，在电感电流IL达到准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关SW2使电感L的第二端 B切换至输出端28以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输出端28，电感电流IL以 [(VOB-VIN)/L]的斜率下降，当输出端观上的电压VOB上升至默认值时，关闭开关SW2并 打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持 在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。此操作模式为峰值电流模式控制(peak current mode control)，电感电流IL将以准位IDC为上限，当电感电流IL超过准位IDC 时便转换由升压输出做释能的控制，准位IDC可以依不同负载做增加或减少的控制。图6显示SIDO电源转换器20的输出沈及观均为升压输出时的一种控制方法， 其中波形34为电感电流IL。参照图3及图6，首先打开开关SW3使电感L的第二端B连接 至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，其上的电感电流IL将 以(VIN/L)的斜率上升，如波形34所示，在电感电流IL上升至准位IDC时，关闭开关SW3并 打开开关SWl使电感L的第二端B切换至输出端沈以形成路径P1，此时能量经由路径Pl 传递至输出端26，电感电流IL以[(VOA-VIN)/L]的斜率下降，当电压VOA达到默认值时，关 闭开关SWl并打开开关SW2使电感L的第二端B切换至输出端观以形成路径P2，此时能量 经由路径P2传递至输出端观，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，在输出端观上 的电压VOB上升至默认值后，关闭开关SW2并打关开关SW4使电感L的第二端B切换至其 第一端A形成路径P4，此时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周 期。图7显示SIDO电源转换器20的输出沈及观均为升压输出时的另一种控制方法， 其中波形36为电感电流IL。参照图3及图7，首先将开关SWl打开使电感L的第二端B连 接至输出端沈以形成路径P1，此时能量传递至输出端沈，电感电流IL将以[(VOA-VIN)/L] 的斜率下降，当电压VOA上升至默认值时，关闭开关SWl并打开开关SW3使电感L的第二端 B切换至接地端GND以形成路径P3，此时能量经由路径P3储存在电感L中，故其上的电感 电流IL以(VIN/L)的斜率上升，在电感电流IL达到准位IDC时，关闭开关SW3并打开开关 SW2使电感L的第二端B切换至输出端观以形成路径P2，此时能量经由路径P2传递至输 出端观，电感电流IL以[(VOB-VIN)/L]的斜率下降，当输出端观上的电压VOB上升至默认 值时，关闭开关SW2并打开开关SW4使电感L的第二端B切换至其第一端A形成路径P4，此 时电感电流IL保持在电感L中形成无约束的电流，至此完成一周期。图8显示本发明的第二实施例，在SIMO电源转换器40中，电感L具有第一端A及 第二端B，电感L的第一端A连接输入端VIN，切换电路42用以将电感L的第二端B切换至 输入端VIN、输出端VOl至Von其中之一或接地端GND。切换电路42包括开关SWl连接在 电感L的第二端B及输出端VOl之间，开关SW2连接在电感L的第二端B及输出端V02之 间，开关SW3连接在电感L的第二端B及输出端V03之间，开关SW4连接在电感L的第二端 B及输出端V04之间，开关SW5连接在电感L的第二端B及输出端V05之间，开关SWn连接 在电感L的第二端B及输出端VOn之间，开关SWx连接在电感L的第二端B及接地端GND 之间，开关SWf连接在电感L的第一端A及电感L的第二端B之间。图9显示图8中SIMO电源转换器40的一种控制方法，其中波形44为电感L上的 电感电流IL。在此实施中，电源转换器40的输出端V01、V02及V03为降压输出端，而输出端V04至Von为升压输出端。参照图8及图9，首先打开开关SWl使电感L的第二端连接 至输出端V01，此时能量传递至输出端V01。在输出端VOl上的电压达到默认值时，关闭开 关SWl并打开开关SW2使电感L的第二端切换至输出端V02，此时能量传递至输出端V02。 在输出端V02上的电压达到默认值时，关闭开关SW2并打开开关SW3使电感L的第二端切 换至输出端V03，此时能量传递至输出端V03。在输出端V03上的电压达到默认值时，关闭 开关SW3并打开开关SWx使电感L的第二端切换至接地端GND，此时电感L开始储能，其上 的电感电流IL以(VIN/L)的斜率上升，如时间tl至t2。在电感电流IL达到默认值时，关 闭开关SWx并打开开关SW4使电感L的第二端切换至输出端V04，此时能量传递至输出端 V04。在输出端V04上的电压达到默认值时，关闭开关SW4并打开开关SW5使电感L的第二 端切换至输出端V05，此时能量传递至输出端V05，在输出端V05上的电压达到默认值时，将 电感L的第二端B切换至下一个输出端，如此依序切换，直至最后一个输出端VOn上的电压 达到默认值时，将电感L的第二端B切换至其第一端A以将电感电流IL保持在电感L中形 成无约束的电流。 以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同 的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
权利要求
1.一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。
2.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一 端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端； 第二步骤将所述电感的第二端切换至一接地端；第三步骤在所述电感上的电感电流上升至一第一默认值时，将所述电感的第二端切 换至所述电源转换器的第一输出端；第四步骤在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第二默认值时，将所述 电感的第二端切换至所述电源转换器的第二输出端；第五步骤在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述 电感的第二端切换至所述电感的第一端。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
4.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一 端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端； 第二步骤将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的第一输出端； 第三步骤在所述电源转换器的第一输出端上的电压上升至一第一默认值时，将所述 电感的第二端切换至一接地端；第四步骤在所述电感上的电感电流上升至一第二默认值时，将所述电感的第二端切 换至所述电源转换器的第二输出端；第五步骤在所述电源转换器的第二输出端上的电压上升至一第三默认值时，将所述 电感的第二端切换至所述电感的第一端。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
6.一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；一切换电路，用以将所述电感的第二端切换至所述电源转换器的多个输出端其中一 个、一接地端或所述电感的第一端。
7.如权利要求6所述的电源转换器，其特征在于，所述切换电路包括 一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及所述接地端之间；多个第三开关，每一所述第三开关连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的多个 输出端其中一个之间。
8.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第一 端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端；第二步骤将所述电感的第二端轮流切换至在所述电源转换器的至少一降压输出端； 第三步骤将所述电感的第二端换至一接地端；第四步骤在所述电感上的电感电流上升至一默认值时，将所述电感的第二端轮流切 换至所述电源转换器的至少一升压输出端；第五步骤将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端；
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第五步骤。
10.一种单电感多输出电源转换器的控制方法，所述电源转换器包含一电感具有一第 一端及一第二端，其特征在于所述控制方法包括下列步骤第一步骤提供一输入电压至所述电感的第一端； 第二步骤将所述电感的第二端切换至一接地端；第三步骤将所述电感的第二端依序切换至所述电流转换器的多个输出端； 第四步骤将所述电感的第二端切换至所述电感的第一端。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，更包括重复所述第二步骤至第四步
全文摘要
一种单电感多输出电源转换器，其特征在于，包括一电感，具有一第一端及一第二端，所述电感的第一端连接所述电源转换器的输入端；一第一开关，连接在所述电感的第一端及第二端之间；一第二开关，连接在所述电感的第二端及一接地端之间；一第三开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第一输出端之间；一第四开关，连接在所述电感的第二端及所述电源转换器的第二输出端之间。本发明的单电感多输出电源转换器及其控制方法具有降低导通损失、切换损失与门驱动损失以及提高电源转换器效率的优点。
文档编号H02M3/10GK102055322SQ200910212079
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者陈科宏, 黄铭信 申请人:立锜科技股份有限公司