专利名称：一种无电感双输出降压型dc-dc变换器的制作方法
技术领域：
本发明属于变换器领域，涉及一种无需片外电感，而又能提供两路稳定输出电压的无电感双输出降压型DC-DC变换器。
背景技术：
近年来，随着便携式电子产品的迅猛发展，人们对电源的要求越来越苛刻，电源的体积越来越小，效率也越来越高；自本世纪初以来，研发人员开始对单电感多输出变换器产生了浓厚的兴趣，单电感多输出(SIMO)DC-DC变换器开始迅猛发展。目前主要的单电感多输出变换器结构有DC-DC变换器附加多路开关输出和DC-DC变换器级联多路LDO输出结构两种，而DC-DC变换器附加多路开关输出结构从输入输出电压关系又可分为升压型和降压型两种，从控制方式上还可分为不连续导通(DCM)控制、连续导通(CCM)控制及共模控制三种。但是单电感多输出变换器存在以下4方面问题第一，交叉调制问题。当多路输出变换器某一路输出负载发生跳变时，如果没有良好地检测和控制，会在调制过程中影响其它稳定的输出通路，导致多路输出发生交叉调制。第二，DCM模式下存在的负载电流限制问题。为了彻底解决交叉调制问题，最简单的方法就是给每一路输出独立的调制信号，即固定的脉宽调制(PWM)周期，同时还需保证每个PWM周期起始和结束时的电感电流相等。由于电感电流随时间变化，以维持电感两端
恒定的电压，即〃 =△#，所以简单的保持电流相等的方法就是确保起始和结束时电感电流 at
为零，即单电感多输出变换器工作在DCM模式。这就使得电感电流的峰峰值非常大，通常为负载电流的2倍以上，因此限制了负载电流不能过大。第三，较大的输出电压纹波。对于单电感多输出变换器，电感电流每次只能给某一路输出充电，这就导致各输出通路的滤波电容被断续充电，不充电时，输出电压只能靠该路的滤波电容维持，会导致输出电压存在大纹波。第四，效率问题。由于单电感多输出变换器需要额外的功率管来控制多路输出，对于一个N路输出变换器，典型的SIMO变换器需要N+2个功率管。功率开关管的导通电阻为
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Ron，则变换器引入的额外功耗为^ = xAh xA^，因此效率相对于单输出变换器而言
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要低一些。早在2001年，Marcus W. May等人就采用了 DC-DC变换器附加多路开关输出结构实现了双输出变换器，片外只需一个电感，片内增加了两个开关管，但由于控制器工作在CCM 模式下，交叉调制非常严重；到2003年，Dongsheng Ma等人通过增加一个free wheel管，使得变换器的工作模式由DCM变为伪连续导通模式(PCCM)，解决了变换器负载电流限制及交叉调制问题，但是系统效率及输出电压大纹波问题并没有得到彻底解决；Hanh-Phuc Le等人又于2007年完成了一款单电感5路输出升压型DC-DC变换器，在结构上采用DC-DC变换器附加多路开关输出结构，采用了 PCCM技术，在结构上也做了很大改进，很好地解决了交叉调制问题，功率管的需求也从典型的N+2变为N+1。但测试结果显示效率并不很高，输出电压大纹波问题没有解决；2010年狗11& Xu等人通过采用飞电容(Fly Capacitor)技术， 很好地解决了单电感双输出DC-DC变换器的输出电压大纹波问题，但对于多于两路输出的情况并不适用。
发明内容
本发明通过对LDO进行分析后，提出了一种新型无电感双输出结构降压型DC-DC 变换器，该结构最大的优点就是去掉了传统降压DC-DC变换器中的电感元件，更有利于单片集成，外围电路结构也更加简单。同时，当PWM信号为周期性的方波信号时，系统为双输出降压型变换器，当PWM信号为恒定高或低电平时，系统将变为传统的单路输出LDO变换器。在双输出条件下，输出电压不受P丽信号占空比影响，不受交叉调制的影响，没有大负载电流限制问题，也不存在输出电压大纹波问题。该系统由于去掉了片外电感，因此非常适用于现在单芯片多电压标准的SOC系统。本发明包括PMOS调整管、PMOS开关、传输门、反相器和误差放大器电路；所述PMOS 调整管分别与输入电压、两个传输门和两个PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压Vkef和两路传输门单向连接；所述反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。所述两路PMOS开关分别是第一 PMOS开关和第二 PMOS开关，两路传输门分别是第一传输门和第二传输门，两个反相器分别是第一反相器和第二反相器，两个误差放大器分别是第一误差放大器和第二误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、第一传输门、 第二传输门、第一 PMOS开关和第二 PMOS开关单向连接；所述两路误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压Vkef、第一传输门和第二传输门单向连接；所述第一反相器和第二反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。所述本发明降压型DC-DC变换器工作原理是两路误差放大器分别将两路输出反馈电压分别与参考电压Vkef比较，得到两路输出的误差放大信号，再通过PWM信号控制的两路交替导通的传输门，从而实现误差放大信号对PMOS调整管的调节功能，以实现稳定的两路输出电压。所述本发明降压型DC-DC变换器核心系统控制方式有1)单路输出控制，当PWM 信号为高电平时，v。utl输出稳定的预设电压值，而V。ut2等于零；当PWM信号为低电平时，V。ut2 输出稳定的预设电压值，而V。utl等于零。2)双路输出控制，当PWM为周期性的方波信号时， Voutl和v。ut2分别输出稳定的两路预设电压值。所述变换器系统包含了一个开环系统和两个闭环系统；所述开环系统由PWM控制信号分别控制传输门和PMOS开关交替导通，其目的是确保两路输出通路提供输出电压；所述闭环系统包括第一闭环系统和第二闭环系统，第一闭环系统由V。utl、Vfbi、第一误差放大器、第二传输门、PMOS调整管和第二 PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V。utl ；第二闭环系统由V。ut2、Vfb2、第二误差放大器、第一传输门、PMOS调整管和第一 PMOS开关构成， 其目的是实现稳定的输出电压V。ut2。所述本发明系统效率和输出电压纹波分析如下如
图1所示，虚线框内为本发明的单电感双输出降压型DC-DC变换器芯片内部的结构框图，虚线框外为芯片外围电路；根据图1的标注，输入电压为Vin，两路输出电压分别为V。utl和V。ut2，对应于两路输出电压的负载电流分别为I。ut2和I。ut2，系统静态电流为I,，占空比SD1，即在一个时钟周期内有D1时间输入对V。utl充电，此时流过PMOS调整管电阻的电流为Idsi，有I-D1时间输入对V。ut2充电，此时流过PMOS调整管电阻的电流为IDS2。S^S1'和S2、&'分别是两路输出电压V。utl和V。ut2 的控制开关；PWM信号频率为fPWM，输出滤波电容分别为C1和C2，滤波电容寄生的ESR电阻分别为RESK—α和RESK—C2，负载电阻分别为R1和&。当系统稳定时，则由如下表达式可知系统的整体效率不仅与静态电流和两路输出的变压比有关，而且还与两路输出电流有关，但是与占空比D1没有关系。当占空比为0或100%时，Ioutl和I。ut2将为0，此时上式将变为传统 LDO系统整体效率表达式；输出电压的纹波与负载电流成正比，与滤波电容大小成反比，与滤波电容寄生的ESR电阻成正比，与PWM信号频率成反比。系统的电流效率为
权利要求
1.一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于包括PMOS调整管、两路PMOS 开关、两路传输门、两路反相器和两路误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、两路传输门和两路PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压Vkef和两路传输门单向连接；所述两路反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。
2.如权利要求1所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述两路 PMOS开关分别是第一 PMOS开关和第二 PMOS开关，两路传输门分别是第一传输门和第二传输门，两路反相器分别是第一反相器和第二反相器，两路误差放大器分别是第一误差放大器和第二误差放大器；所述PMOS调整管分别与输入电压、第一传输门、第二传输门、第一 PMOS开关和第二 PMOS开关单向连接；所述两路误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压 Vkef、第一传输门和第二传输门单向连接；所述第一反相器和第二反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。
3.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述PMOS 调整管根据其栅电压的大小\来调整自身沟道的导通电阻Rds，以稳定输出电压V。utl和Vout2。
4.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述PMOS 开关根据PWM信号电平的高低，选择从PMOS调整管的漏端到V。utl和V。ut2之间的通路，在PWM 信号为固定的频率信号时，使其保持交替导通。
5.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述传输门根据PWM信号电平的高低，选择从两路误差放大器到PMOS调整管的栅端之间的通路，在 PWM信号为固定的频率信号时，使其保持交替导通。
6.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述两级反相器实现了 PWM和^^r信号，分别控制两路传输门和PMOS开关的交替导通。
7.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述两路误差放大器的一个公共输入端接Vkef电平信号，另一个输入端分别接两路输出电压V。utl和 Vout2的各自反馈电压Vfbi和Vfb2，误差放大器的两路输出误差电压分别接在两路由PWM信号控制交替导通的传输门输入端。
8.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述PWM 控制信号实现的功能有1)单路输出控制，当PWM信号为高电平时，V。utl输出稳定的预设电压值，而V。ut2等于零；当PWM信号为低电平时，V。ut2输出稳定的预设电压值，而V。utl等于零。 2)双路输出控制，当PWM为周期性的方波信号时，Voutl和V。ut2分别输出稳定的两路预设电压值。
9.如权利要求2所述一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，其特征在于所述变换器系统包含了一个开环系统和两路闭环系统；所述开环系统由PWM控制信号分别控制传输门和PMOS开关交替导通，其目的是确保两路输出通路提供输出电压；所述闭环系统包括第一闭环系统和第二闭环系统，第一闭环系统由V。utl、VFB1、第一误差放大器、第二传输门、PMOS 调整管和第二 PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V。utl ；第二闭环系统由V。ut2、 Vfb2、第二误差放大器、第一传输门、PMOS调整管和第一 PMOS开关构成，其目的是实现稳定的输出电压V。ut2。
全文摘要
本发明公开了一种无电感双输出降压型DC-DC变换器，包括PMOS调整管、PMOS开关、传输门、反相器和误差放大器电路；所述PMOS调整管分别与输入电压、两个传输门和两个PMOS开关单向连接；所述误差放大器分别与两路反馈电压、参考电压VREF和两路传输门单向连接；所述反相器分别与输入PWM信号、两路传输门和两路PMOS开关单向连接。本发明的优势主要有去掉传统降压DC-DC变换器中的电感元件，外围电路简单，集成度高；当PWM信号为周期性方波信号时，系统为双输出降压型变换器，当PWM信号为恒定高或低电平时，系统为传统的LDO变换器；在双输出条件下，两路输出电压不受PWM信号占空比影响；不受交叉调制影响；没有大负载电流限制问题；也不存在输出电压大纹波问题。
文档编号H02M3/156GK102570811SQ20121000388
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者宋焱, 耿莉, 范世全, 薛仲明, 赵慧 申请人:西安交通大学