一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路的制作方法
【专利摘要】一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，次控制环采用差模电压模式，主控制环包括误差放大器EA1、比较器COMP1、RS触发器TR1、驱动和死区控制电路，其特征在于：次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管Sp1、Sp2、Sp3和Sp4分别控制四个输出支路的输出电压Vo1、Vo2、Vo3和Vo4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制。
【专利说明】—种单电感四输出降压型开关电源的控制电路
【技术领域】:
[0001]本发明涉及开关电源，尤其是一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路。
【背景技术】:
[0002]随着移动互联网及新型显示技术的快速发展，现有的电源系统难以适应未来智能手机、平板电脑等下一代移动信息终端产品对高集成度和高效率的需求。单电感多输出直流电源变换技术成为系统芯片集成电源方案的重点研究方向，引起了学术界广泛的关注。由于该技术利用电感的能量共享会带来交叉干扰和纹波的增加、转换效率的降低等系列问题。虽经过多年努力，双输出变换器的性能已有明显提升，仅在输出动态调整速率方面还有待提高，但对三输出及以上的变换器，其转换效率、输出纹波、交叉干扰等性能依然没有改善，其根本原因是对单电感多输出变换器的机理尚未清晰。
【发明内容】
[0003]本发明是在现有技术单电感双输出降压型开关电源控制电路的基础上提供一种单电感四输出的降压型开关电源控制电路，采用的技术方案如下:
[0004]一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，分别输出电压V。” V02, V03和Vtj4,四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，改变电感L的充电时间，次控制环采用差模电压模式，决定电感电流k在四个输出支路中的分配；主控制环包括误差放大器EA1、比较器C0MP1、RS触发器TR1、驱动和死区控制电路；误差放大器EAl的同相端输入基准电SVkefi，反相端输入0.4(^+1 JUVw),误差放大器EAl的输出电压V6连接比较器COMPl的反相输入端，电流采样电压IJs经过与斜坡电压VM_叠加补偿后的输出电压Vsmse为比较器COMPl的同相输入端信号，比较器COMPl的输出连接RS触发器TRl的置I端S，RS触发器TRl的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TRl的输出端Q连接驱动与死区控制电路的输入端，驱动与死区控制电路的输出端产生主级开关控制信号PG，控制主级开关管的通断，调节给电感L的充放电时间，控制总的能量，以快速调节输出电压值，其特征在于:
[0005]次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管Spl、Sp2、Sp3和Sp4分别控制四个输出支路的输出电压m和Vtj4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制；
[0006]次控制环设有三个支路，第一支路包括误差放大器EA2、比较器C0MP2和RS触发器TR2,误差放大器EA2的同相端输入反相端输入,误差放大器EA2输出信号Vc连接比较器C0MP2的反相输入端，比较器C0MP2的同相输入斜坡电SVmp1,比较器C0MP2的输出连接RS触发器TR2的置I端S，RS触发器TR2的置0端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR2的输出端Q产生选通信号Choose ；
[0007]第二支路包括误差放大器EA3、比较器C0MP3、RS触发器TR3和与非门NAND1、NAND2，误差放大器EA3的输·出电压Vel为比较器C0MP3的反相输入端信号，比较器C0MP3同相输入端连接斜坡电压Vramp2,比较器C0MP3的输出连接RS触发器TR3的置I端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR3的置O端R，RS触发器TR3的输出信号&和选通信号Choose的
反信号Choose分别输入与非门NANDl的两个输入端,与非门NANDl输出次级开关控制信号S1控制输出支路中相应MOS开关管Spl的通、断；与非门NAND2的两个输入端分别连接与非门NANDl的输出端和选通信号Choose的反信号^与非门NAND2输出次级开关控制信号S2控制输出支路中相应MOS开关管Sp2的通、断；误差放大器EA3的设计和斜坡电压Vramp2的闻度值调节，应满足Vcl和Vramp2的交点落在Choose为闻电平的时间内。
[0008]第三支路包括误差放大器EA4、比较器C0MP4、RS触发器TR4和与非门NAND3、NAND4，误差放大器EA4的输出电压\2为比较器C0MP4的反相输入端信号，比较器C0MP4同相输入端连接斜坡电压Vramp3,比较器C0MP4的输出连接RS触发器TR4的置I端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR4的置O端R，RS触发器TR4的输出信号0和选通信号Choose分别输入与非门NAND3的两个输入端，与非门NAND3输出次级开关控制信号S3控制输出支路中相应MOS开关管Sp3的通、断；与非门NAND4的两个输入端分别连接与非门NAND3的输出端和选通信号Choose，与非门NAND4输出次级开关控制信号S4控制输出支路中相应MOS开关管Sp4的通、断；误差放大器EA4的设计和斜坡电压Vmp3的高度值调节，应满足Vramp3的交点落在Choose为高电平的时间内。
[0009]本发明的优点及显著效果:本发明在单电感双输出降压型开关电源共模峰值电流控制主级环路，差模电压控制次级环路的基础上通过产生选通信号，根据选通信号对次级开关控制信号的作用，实现了一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，简单可靠，电路易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明单电感四输出降压型开关电源的控制电路原理框图；
[0011]图2是本发明电路的控制时序波形图(低电平表示信号控制的功率管开启)。
【具体实施方式】
[0012]参看图1，主环采用共模峰值电流模式，误差放大器EAl同相端输入信号为基准电压VKEF1，反相端输入信号为0.4 (UUUVw),误差放大器EAl的输出电压Ne连接比较器C0MP1的反相输入端，电流采样电压经过斜坡电压Vmpci补偿后的电压Vs 成为比较器C0MP1的同相输入端信号。通过比较器C0MP1和RS触发器TRl产生主级开关控制信号，经过驱动与死区控制电路控制主级开关的通断，从而调节电路给电感的充放电时间。次环采用差模电压模式，误差放大器EA2的同相输入端信号为V&+V&,反相输入端信号为
误差放大器EA2的输出电压V。接入比较器C0MP2的反相输入端，斜坡电压Vrampl为比较器C0MP2的同相输入端信号，经过RS触发器TR2产生选通信号Choose。误差放大器EA3的两个输入端信号分别是Vtjl和M02,误差放大器EA3的输出电压Vel为比较器C0MP3的反相输入端信号，比较器C0MP3同相输入端接入斜坡电压Vramp2,比较器C0MP3的输出电压接入RS触发器TR3的置I端，时钟信号CLK接入RS触发器TR3的置O端。RS触发器TR3的输出信号Q和信号通过与非门NANDl产生次级开关控制信号S1, S1和信号通过与非门
NAND2产生次级开关控制信号S2。误差放大器EA4的两个输入端信号分别是Vtj3和Vtj4,误差放大器EA4的输出电压Ve2为比较器C0MP4的反相输入端信号，比较器C0MP4同相输入端接入斜坡电压Vramp3,比较器C0MP4的输出电压接入RS触发器TR4的置I端，时钟信号CLK接
A RS触发器TR4的置O端。RS触发器TR4的输出信号3〖P信号Choose通过与非门NAND3
产生次级开关控制信号S3，S3和信号Choose通过与非门NAND4产生次级开关控制信号S4。
[0013]本发明的工作原理:主环控制电路改变电感的充电时间，即控制总的能量，从而快速调节输出电压值，次环控制电路决定电感电流在四路输出中的分配，即控制能量分配。可将四路输出分为两组，即Vm和N02构成A组，Vtj3和Vm构成B组，经过误差放大器EAlJl^器COMPl和RS触发器TRl产生选通信号。当选通信号为低电平时，调节A组输出电压分支控制电路所产生的次级开关控制信号为高低电平转换，决定电感电流在Vm和Vtj2中的分配，而调节B组输出电压分支控制电路所产生的次级开关控制信号因选通信号的作用全为高电平，开关处于关闭状态。同理，可知选通信号为高电平时的工作原理。
[0014]具体的工作过程如下:主环采用共模峰值电流模式，输出反馈电压0.4(Vol+Vo2+Vo3+V04)和基准电压Vkefi接入误差放大器EAl的输入端，产生输出电压V6，Ve与经过斜坡补偿的电流采样电压IJs进行比较，当电感电流达到峰值时，比较器COMPl输出电压翻转为高电平，使RS触发器TRl的输出置1，使得主级开关关闭，电感电流下降。次环采用差模电压模式，输出反馈电压和通过误差放大器EA2产生输出电压V。，V。与斜坡电压Vmp1通过比较器C0MP2产生RS触发器TR2的S端信号，每个时钟信号来临时，RS触发器TR2输出信号Choose为低电平，当斜坡电压Vrampl大于V。时，比较器C0MP2输出置为高电平，从而使得RS触发器TR2输出信号Choose变为高电平，这样就实现了在一个时钟周期内选通信号Choose的高低电平转换。在一个时钟周期内，当Choose为低电平时，误差放大器EA3的输出电压Vca与斜坡电压信号Vramp2通过比较器C0MP3产生RS触发器TR3的S端信号。通过合理设计EA3以及调节斜坡电压Vramp2的高度，可使斜坡电压信号Vramp2与电压Vcl的交点位于时钟周期内Choose为低电平的时间段内。当斜坡电压Vmp2低于电压Vca
时，比较器C0MP3输出为低电平，RS触发器TR3的输出信号&和^^通过与非门NANDl
产生的次级开关控制信号S1为低电平，开关Spl为导通状态，对负载电容进行充电，而次级开关控制信号S2为高电平，开关Sp2为关闭状态。当斜坡电压Vmp2高于电压Vca时，比较器C0MP3输出为高电平，可得次级开关控制信号S1为高电平，S2为低电平。此时，由于信号Choose的作用，RS触发器TR4的输出&和Choose通过与非门NAND3、NAND4产生的次级开关控制信号S3和S4都为高电平，开关Sp3和Sp4全部处于关闭状态。当选通信号Choose为高电平时，同理可得次级开关控制信号S1, S2为高电平，开关Spl和Sp2为关闭状态，次级开关控制信号S3，S4为高低电平转换，开关Sp3和Sp4在导通和关闭状态之间转换。
[0015]图2为电路的控制时序波形图，其中包括时钟信号，主级开关控制信号，选通信号Choose,次级开关控制信号31,32,33和S4,其中低电平代表信号控制的功率管开启。输出反馈电压和UVm通过误差放大器EA2产生输出电压V。，Vc与斜坡电压Vmp1通过比较器C0MP2产生RS触发器TR2的S端信号，每个时钟信号来临时，RS触发器TR2输出信号Choose为低电平，当斜坡电压Vmp1大于V。时，信号Choose变为高电平。在一个时钟周期内，当Choose为低电平时,误差放大器EA3的输出电压Vel与斜坡电压信号Vramp2通过比较器C0MP3产生RS触发器TR3的S端信号，这里斜坡电压信号Vraiip2与电压Vcl的交点位于时钟周期内Choose为低电平的时间段内。当斜坡电压Vramp2低于电压Vca时，比较器C0MP3输
出为低电平，RS触发器TR3的输出信号&和^^通过与非门NANDl产生的次级开关控制
信号S1为低电平，开关Spl为导通状态，对负载电容进行充电，而次级开关控制信号S2为高电平，开关Sp2为关闭状态。当斜坡电压Vramp2高于电压Vca时，比较器C0MP3输出为高电平，可得次级开关控制信号S1为高电平，S2为低电平。此时，由于信号Choose的作用，RS触发器TR4的输出豆和Choose通过与非门NAND3、NAND4产生的次级开关控制信号S3和S4都为高电平，开关Sp3和Sp4全部处于关闭状态。当选通信号Choose为高电平时，同理可得次级开关控制信号S1, S2为高电平，开关Spl和Sp2为关闭状态，次级开关控制信号S3，S4为高低电平转换，开关Sp3和Sp4在导通和关闭状态之间转换。
[0016]本专利的特点及内容已揭示如上，然而本领域的技术人员可能基于本发明的说明而做种种不背离发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不局限于上述的实施方案，而应包含各种不背离·本发明的替换和修改，并为权利要求书所涵盖。
【权利要求】
1.一种单电感四输出降压型开关电源的控制电路，设有四个输出支路，分别输出电压V01 > V02, V03和入4，四个输出支路共用一个电感L，主控制环采用共模峰值电流模式，改变电感L的充电时间，次控制环采用差模电压模式，决定电感电流IL在四个输出支路中的分配；主控制环包括误差放大器EAl、比较器COMPl、RS触发器TRl、驱动和死区控制电路；误差放大器EAl的同相端输入基准电压Vkefi，反相端输入0.4 (V。误差放大器EAl的输出电压V6连接比较器COMPl的反相输入端，电流采样电压IJs经过与斜坡电压Vramptl叠加补偿后的输出电压Vs 为比较器COMPl的同相输入端信号，比较器COMPl的输出连接RS触发器TRl的置I端S，RS触发器TRl的置O端R连接时钟信号CLK，RS触发器TRl的输出端Q连接驱动与死区控制电路的输入端，驱动与死区控制电路的输出端产生主级开关控制信号PG，控制主级开关管的通断，调节给电感L的充放电时间，控制总的能量，以快速调节输出电压值，其特征在于: 次控制环将一个时钟周期划分为四个单元，在每个输出支路的输出端相应设置MOS开关管Spl、Sp2、Sp3和Sp4分别控制四个输出支路的输出电压V。” V02, V03和Vtj4，在每一个时钟周期划分单元中，只对其中一路输出电压进行调节控制； 次控制环设有三个支路，第一支路包括误差放大器EA2、比较器C0MP2和RS触发器TR2,误差放大器EA2的同相端输入反相端输入,误差放大器EA2输出信号Vc连接比较器C0MP2的反相输入端，比较器C0MP2的同相输入斜坡电压Vranpl，比较器C0MP2的输出连接RS触发器TR2的置I端S，RS触发器TR2的置O端R连接时钟信号CLK，RS触发器TR2的输出端Q产生选通信号Choose ； 第二支路包括误差放大器EA3、比较器C0MP3、RS触发器TR3和与非门NANDl、NAND2,误差放大器EA3的输出电压Vel为比较器C0MP3的反相输入端信号，比较器C0MP3同相输入端连接斜坡电压Vramp2,比较器C0MP3的输出连接RS触发器TR3的置I端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR3的置O端R，RS触发器TR3的输出信号&和选通信号Choose的反信号Ch^e分别输入与非门NANDl的两个输入`端，与非门NANDl输出次级开关控制信号S1控制输出支路中相应MOS开关管Spl的通、断；与非门NAND2的两个输入端分别连接与非门NANDl的输出端和选通信号Choose的反信号Choose ,与非门NAND2输出次级开关控制信号S2控制输出支路中相应MOS开关管Sp2的通、断； 第三支路包括误差放大器EA4、比较器C0MP4、RS触发器TR4和与非门NAND3、NAND4，误差放大器EA4的输出电压Ve2为比较器C0MP4的反相输入端信号，比较器C0MP4同相输入端连接斜坡电压Vmp3，比较器C0MP4的输出连接RS触发器TR4的置I端S，时钟信号CLK连接RS触发器TR4的置O端R，RS触发器TR4的输出信号g和选通信号Choose分别输入与非门NAND3的两个输入端，与非门NAND3输出次级开关控制信号S3控制输出支路中相应MOS开关管Sp3的通、断；与非门NAND4的两个输入端分别连接与非门NAND3的输出端和选通信号Choose，与非门NAND4输出次级开关控制信号S4控制输出支路中相应MOS开关管Sp4的通、断。
【文档编号】H02M3/155GK103683923SQ201410001469
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】孙伟锋, 于花, 万中原, 张力文, 陆生礼, 徐申, 时龙兴 申请人:东南大学