专利名称：单电感多路输出升压电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲频率调制型(PFM)DC/DC转换器，尤其是涉及在电路中采用单个电感线圈，通过开关阵列对功率开关管的充/放电控制策略，实现多路电压输出结果的DC/DC升压电路。
背景技术：
DC/DC转换器因其体积小巧，价格低廉，能源转换效率高等突出特点，在高效节能开关电源的设计中一直处于核心地位，被广泛应用于各种电源管理系统。许多国际领先的微电子技术公司如Linear Technology、Maxim、Analog Devices、NationalSemiconductor等，都在DC/DC领域投入了大量的人力物力，开发出许多种类繁多、功能各异的变换芯片，特别是在便携式设备飞速发展的今天，电源系统越来越趋向于小型化、高效化、智能化，使得各大厂商纷纷加大了对于低电压大电流高效DC/DC变换芯片的研发。伴随着业界不断发展的需求，DC/DC变换技术以及相应的芯片设计方法也不断更新换代，各种巧妙的控制策略层出不穷。PFM(脉冲频率调制)工作方式的升压型DC/DC变换器中，其输入端通过一只线圈与N沟道功率开关晶体管的漏极相连，从该连接点通过一只二极管与连接负载的输出端子连接。在负载的两端，并联了一个滤波电容。与所述PWM工作方式变换器不同的是，去掉了误差放大器，增加了AND电路，并用振荡器代替了三角波发生器，再将该振荡器的输出和比较器的输出一起输入AND电路，由其输出的脉冲数控制所述功率开关晶体管，从而控制输出电压。
其中，以单路输入/单路输出的模式最为常见。而如果能够在一个DC/DC电路中利用单路输入信号同时获得多个输出结果，则可大大提高该类型电路的使用效率。这是本发明要解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的提出了一种单电感多输出升压电路，利用关断电流产生模块来产生开关阵列的调制控制信号，用以控制开关阵列中多路功率开关晶体管的开启和关断，从而实现多路输入到输出的DC/DC升压转换。
本发明的单电感多输出升压电路，包括时序控制逻辑模块(Timing controllogic)、频道选择开关(Channel select switch)、误差放大器(Error SignalComparator)、关断电流产生电路(off-current-setup)和开关阵列(Switch Array)。其中，第一频道选择开关与第二频道选择开关的输出电压作为差分放大器的两路差分输入信号，经差分放大器处理后的输出结果反馈传送给时序控制逻辑模块。时序控制逻辑模块的输出a4，b4，c4作为影响关断电流产生电路时序控制逻辑的输入信号，对关断电流的产生时序完成逻辑控制。在该关断电流产生电路中，根据加载于该电路上的参考电压Vref，计算多路参考电流Iref。
该开关阵列包括电源(Input Power Supply)，用于提供该开关阵列所需的电压，该电源正极串联一电感(Inductor)，用于产生该开关阵列所需电流，电源负极接地；电源正极通过电感与一N管功率开关并联，并使N管功率开关漏极(Drain)与电感一端相连，N管功率开关源极(Source)接地。开关阵列中还包括多路升压输出电路，每一路升压电路包括一个P管功率开关(P-Switch)、一个电流传感器(Out-current-sensor)，每个P管功率开关从高电压到低电压逐点打开，当P管功率开关的输入电流与Iref相等时，关断P管。它的源极(Source)与电感输出端并联，并且分别连接到每路升压电路所对应的电流传感器的信号输入端，电流传感器的输出端分别接关断电流产生电路的输入a1、b1、c1，用于检测每路的关断电流，以决定何时关断对应的P管功率开关。时序控制逻辑电路的输入信号a3、b3、c3，分别连接到每一路升压电路的p管功率开关的栅极，当栅极CNT为″0V″，源极与漏极接通；当栅极CNT为″高″，源极与漏极断开，将衬底接到高于源极的电位。
本发明与现有技术相比，能够利用更少的元器件所组成的电路，获得多个直流升压输出，能够提高电路的集成度，提高了电路的效率，节省了制造成本。
图1为本发明所涉及的单电感多路输出升压电路的电路结构图。
图2为本发明所涉及的开关数组的电路结构图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述实施例本发明的单电感多输出升压电路，包括时序控制逻辑模块(Timing control logic)、频道选择开关(Channel select switch)、误差放大器(Error Signal Comparator)、关断电流产生电路(off-current-setup)和开关阵列(Switch Array)。其中，第一频道选择开关与第二频道选择开关的输出电压作为差分放大器的两路差分输入信号，差分放大器的作用是抑制两个频道选择开关的共模反馈电压。因此，这里的差分放大器所起的作用是降低信号误差。经差分放大器处理后的输出结果反馈传送给时序控制逻辑模块，用于调整时序控制逻辑时发生的时序调整错误。
时序控制逻辑模块的输出a4，b4，c4作为影响关断电流产生电路时序控制逻辑的输入信号，对关断电流的产生时序完成逻辑控制。在该关断电流产生电路中，根据加载于该电路上的参考电压Vref，并且利用以下公式，计算多路参考电流Iref。
Iref计算Iref(d)＝Iref(d)+Iref(b)·Kb+Iref(c)·Kc+Iref(a)·KaKa、Kb、Kc与输出电压差有关，当输出电压高于参考电压Kx为0，否则为1。
Iref(d)=Rd·ΔVNd(Vd-Vi)]]>Iref(d)=Rd·ΔVd·KdNd(Vd-Vi)+Rc·ΔVc·KcNc(Vd-Vi)+Rb·ΔVb·KbNb(Vd-Vi)+Ra·ΔVa·KaNa(Vd-Vi)]]>Ka、Kb、Kc、Kd＝[1，0]Iref(c)=Rc·ΔVc·KcNc(Vc-Vi)+Rb·ΔVb·KbNb(Vc-Vi)+Rb·ΔVb·KbNa(Vc-Vi)+Ra·ΔVa·KaNc(Vd-Vi)]]>Iref(b)=Rb·ΔVb·KbNb(Vb-Vi)+Ra·ΔVa·KaNa(Vb-Vi)]]>Iref(a)=Ra·ΔVa·KaNa(Va-Vi)]]>Ka、Kb、Kc、Kd分别为各路(a、b、c、d)需充电输出的调制因数，其值为1或0；ΔVa、ΔVb、ΔVc、ΔVd分别是A至D点输出电压误差；Na、Nb、Nc、Nd分别是A至D点的设计电流比；(Va-Vi)、(Vb-Vi)、(Vc-Vi)、(Vd-Vi)分别是A至D点输入-输出电压差本发明的单电感多路升压电路，该电路的核心是开关阵列，该开关阵列包括电源(Input Power Supply)，用于提供该开关阵列所需的电压，该电源正极串联一电感(Inductor)，用于产生该开关阵列所需电流，电源负极接地；电源正极通过电感与一N管功率开关并联，并使N管功率开关漏极(Drain)与电感一端相连，N管功率开关源极(Source)接地，高电平打开，作为整个开关阵列开启/关断的总开关。开关阵列中还包括多路升压输出电路，每一路升压电路包括一个P管功率开关(P-Switch)、一个电流传感器(Out-current-sensor)，每个P管功率开关从高电压到低电压逐点打开，当P管功率开关的输入电流与Iref相等时，关断P管。它的源极(S)与电感输出端并联，并且分别连接到每路升压电路所对应的电流传感器的信号输入端，电流传感器的输出端分别接关断电流产生电路的输入a1、b1、c1，用于检测每路的关断电流，以决定何时关断对应的P管功率开关。P管功率开关，其工作过程依靠它的四个极来完成，即源极(Source)、衬底(Bulk)、漏极(Drain)、栅极(Cnt)。该P管功率开关为低电平打开的栅极MOS组件。时序控制逻辑电路的输入信号a3、b3、c3，分别连接到每一路升压电路的p管功率开关的栅极，当栅极CNT为″0V″，源极与漏极接通；当栅极CNT为″高″，源极与漏极断开。当源极与漏极接通时，P管功率开关的导通电阻会受到衬底电压的影响，当衬底电压高于源极电压时，导通电阻升高，电压越高，导通电阻越高。将BULK接该输出点可降低导通电阻。此时对每一个P管功率开关漏极连接的每一个充电电容充电，得到多路输出电压Va、Vb、Vc、Vd。而当源极与漏极断开时，如果源极输出电压高于漏极输出电压，将有漏电流通过衬底流到漏极。为将P管关断，须将衬底接到高于源极的电位。当某一点不开时，该点衬底接最高电压点(A点)。当该点P开关管打开时，其衬底接该输出点。各点开关管开启时间由所设定参考电流控制，当通过开关的电流小于等于参考电流时，开关管关断。
权利要求
1.一种单电感多输出升压电路，包括时序控制逻辑模块、频道选择开关、误差放大器、关断电流产生电路和开关阵列，其中第一频道选择开关与第二频道选择开关的输出电压作为差分放大器的两路差分输入信号，经差分放大器处理后的输出结果反馈传送给时序控制逻辑模块，时序控制逻辑模块的输出a4，b4，c4作为影响关断电流产生电路时序控制逻辑的输入信号，对关断电流的产生时序完成逻辑控制。在该关断电流产生电路中，根据加载于该电路上的参考电压Vref，计算多路参考电流Iref；该开关阵列包括电源(Input Power Supply)，用于提供该开关阵列所需的电压，该电源正极串联一电感(Inductor)，用于产生该开关阵列所需电流，电源负极接地；电源正极通过电感与一N管功率开关并联，并使N管功率开关漏极(Drain)与电感一端相连，N管功率开关源极(Source)接地。开关阵列中还包括多路升压输出电路，每一路升压电路包括一个P管功率开关(P-Switch)、一个电流传感器(Out-current-sensor)，每个P管功率开关从高电压到低电压逐点打开，当P管功率开关的输入电流与Iref相等时，关断P管。它的源极(Source)与电感输出端并联，并且分别连接到每路升压电路所对应的电流传感器的信号输入端，电流传感器的输出端分别接关断电流产生电路的输入a1、b1、c1，用于检测每路的关断电流，以决定何时关断对应的P管功率开关。时序控制逻辑电路的输入信号a3、b3、c3，分别连接到每一路升压电路的p管功率开关的栅极，当栅极CNT为″0V″，源极与漏极接通；当栅极CNT为″高″，源极与漏极断开，将衬底接到高于源极的电位。
2.如权利要求1所述的单电感多输出升压电路，其特征在于，所述参考电流的计算公式为Iref(d)＝Iref(d)+Iref(b)·Kb+Iref(c)·Kc+Iref(a)·KaIref(d)=Rd·ΔVNd(Vd-Vi)]]>Iref(d)=Rd·ΔVd·KdNd(Vd-Vi)+Rc·ΔVc·KcNc(Vd-Vi)+Rb·ΔVb·KbNb(Vd-Vi)+Ra·ΔVa·KaNa(Vd-Vi)]]>Iref(c)=Rc·ΔVc·KcNc(Vc-Vi)+Rb·ΔVb·KbNb(Vc-Vi)+Rb·ΔVb·KbNa(Vc-Vi)+Ra·Va·KaNa(Vd-Vi)]]>Iref(b)=Rb·ΔVb·KbNb(Vb-Vi)+Ra·ΔVa·KaNa(Vb-Vi)]]>Iref(a)=Ra·ΔVa·KaNa(Va-Vi)]]>Ka、Kb、Kc、Kd分别为各路(a、b、c、d)需充电输出的调制因数，其值为1或0；ΔVa、ΔVb、ΔVc、ΔVd分别是A至D点输出电压误差；Na、Nb、Nc、Nd分别是A至D点的设计电流比；(Va-Vi)、(Vb-Vi)、(Vc-Vi)、(Vd-Vi)分别是A至D点输入-输出电压差。
全文摘要
本发明公开了一种单电感多输出升压电路，利用关断电流产生模块来产生开关阵列的调制控制信号，用以控制开关阵列中多路功率开关晶体管的开启和关断，从而实现多路输入到输出的DC/DC升压转换。本发明与现有技术相比，能够利用更少的元器件所组成的电路，获得多个直流升压输出，能够提高电路的集成度，提高了电路的效率，节省了制造成本。
文档编号H02M3/10GK101083432SQ20071005785
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者褚以人, 喻敏毅 申请人:天津英诺华微电子技术有限公司