一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路的制作方法
【专利摘要】一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路，在次环控制电路中增设了由占空比时序信号产生电路和非交叠占空比时序信号产生电路两部分构成的次级开关占空比信号时序控制电路，输出电压采样反馈网络输出的三个差模电VDM1、VDM2、VDM3经过次环控制电路中三个误差放大器和三个比较器后分别输出的三个PWM信号PWM1，PWM2，PWM3通过次级开关占空比信号时序控制电路和次环控制电路中的次级开关驱动电路产生四个次级开关占空比信号D1、D2、D3、D4，分别控制开关电源变换器中四个次级功率开关管Sn1、Sn2、Sn3、Sn4的通断。
【专利说明】—种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电源变换器，特别涉及一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路，属于微电子领域。
【背景技术】
[0002]单电感多输出(Single-1nductorMultiple-output, SI MO)开关电源变换器是一种新型多输出开关变换器结构，利用各输出支路分时工作原理，仅使用单电感即可实现多路输出电压，适用于多值电压系统的电源。各输出支路共享一个电感，分时工作，大大减少了电路所需电感的数目，因而在实现对各路输出支路独立精确控制的同时，大大减小了变换器系统的尺寸。但各输出支路在分时工作时，各输出支路开关之间存在严重的交叠导通，导致电感电流下降斜率突变问题，增加了各输出支路输出电压的纹波，严重时会破坏整个系统的稳定性，使变换器无法正常工作。因此，对次级开关占空比信号进行精确地时序控制成为研究焦点。单电感双输出开关电源变换器的次级开关占空比信号时序控制只需一个反相器即可实现，当输出支路扩展到三路及三路以上时，这种时序控制方法明显行不通，因此，单电感多输出开关电源变换器需要增加一个次级开关占空比信号时序控制电路，对多路次级开关占空比信号时序进行精确地控制，才能保证整个开关电源系统的稳定性。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路，利用简单的数字逻辑电路对次级开关占空比信号时序进行精确地控制，解决了次级占空比信号发生交叠从而导致的系统不稳定的问题。
[0004]本发明采取的技术方案如下:一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路，单电感多输出开关电源变换器包括功率级电路和控制级电路，控制级电路包括输出电压采样反馈电路、峰值电流模式-共模主环控制电路和电压模式-差模次环控制电路，输出电压采样反馈网络的输入为开关电源变换器的四路输出电压Vol?Vo4，输出电压采样反馈网络的输出为共模电压Vcm和三个差模电压VDM1、VDM2、VDM3 ;主环控制电路包括误差放大器、比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路，输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm通过包括误差放大器、比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路构成的主环控制电路产生主级开关占空比信号D0，控制开关电源变换器中主级功率开关管SpO, SnO的通断。
[0005]其特征在于:在次环控制电路中增设次级开关占空比信号时序控制电路，输出电压采样反馈网络输出的三个差模电VDM1、VDM2、VDM3经过次环控制电路中三个误差放大器和三个比较器后分别输出的三个PWM信号PWM1，PWM2, PWM3通过次级开关占空比信号时序控制电路和次环控制电路中的次级开关驱动电路产生四个次级开关占空比信号D1、D2、D3、D4，分别控制开关电源变换器中四个次级功率开关管Snl、Sn2、Sn3、Sn4的通断；
[0006]所述增设的次级开关占空比信号时序控制电路包括占空比时序信号产生电路和非交叠占空比时序信号产生电路两部分，占空比时序信号产生电路的输入信号为三个PWM信号PWM1，PWM2，PWM3以及时钟信号CLK，占空比时序信号产生电路输出四个占空比时序信号冊_1、冊_2、冊_3、冊_4连接非交叠占空比时序信号产生电路的输入端，非交叠占空比时序信号产生电路输出四个非交叠占空比时序信号ND1，ND2, ND3, ND4，其中:
[0007]占空比时序信号产生电路包括两个或非门NORl和N0R2，十个非门NOTl?N0T10以及四个RS触发器I?RS触发器4 ；RS触发器I的复位端R连接时钟信号CLK，置位端S连接PWMl信号，输出端Ql经过非门NOTl和N0T2后，输出占空比时序信号ND_1 ;或非门NORl的两个输入端分别连接PWM2信号和时钟信号CLK，或非门NORl的输出经过非门N0T3连接RS触发器2的置位端S，复位端R连接PWMl信号，输出端Q2经过非门N0T4和N0T5后，输出占空比时序信号ND_2 ;或非门N0R2的两个输入端分别连接PWM3信号和时钟信号CLK，或非门N0R2的输出经过非门N0T6连接RS触发器3的置位端S，复位端R连接PWM2信号，输出端Q3经过非门N0T7和N0T8后，输出占空比时序信号ND_3 ;触发器RS4的置位端S连接时钟信号CLK，复位端R连接PWM3信号，输出端Q4经过非门N0T9和N0T10后，输出占空比时序信号ND_4 ；
[0008]非交叠占空比时序信号产生电路包括八个或非门N0R3?N0R10，四个非门NOTll?N0T14，或非门N0R3的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_4，或非门N0R3的输出连接或非门N0R4的一个输入端，或非门N0R4的另一个输入端连接占空比时序信号ND_1，或非门N0R4的输出经过非门NOTll输出非交叠占空比时序信号NDl ;或非门N0R5的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_2，或非门N0R5的输出连接或非门N0R6的一个输入端，或非门N0R6的另一个输入端连接占空比时序信号ND_2，或非门N0R6的输出经过非门N0T12输出非交叠占空比时序信号ND2 ;或非门N0R7的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_2和ND_3，或非门N0R7的输出连接或非门N0R8的一个输入端，或非门N0R8的另一个输入端连接占空比时序信号ND_3，或非门N0R8的输出经过非门N0T13输出非交叠占空比时序信号ND3 ;或非门N0R9的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_3和ND_4，或非门N0R9的输出连接或非门N0R10的一个输入端，或非门N0R10的另一个输入端连接占空比时序信号ND_4，或非门N0R10的输出经过非门N0T14输出非交叠占空比时序信号ND4。
[0009]本发明的优点及显著效果:本发明针对分时工作的各支路输出之间存在严重交叠导通导致电感电流下降斜率突变问题，致使各支路输出电压纹波系数增大这一缺陷，增设了次级开关占空比信号时序控制电路，精确地控制了各输出支路的开关时序，减小了各输出支路输出电压的纹波系数，提高了整个系统的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的整体电路图；
[0011]图2是本发明中次级开关占空比信号时序控制电路原理图；
[0012]图3a)是占空比时序信号产生电路中各点的时序波形图以及电感电流波形图；
[0013]图3b)是非交叠占空比时序信号产生电路中各点的时序波形图。
【具体实施方式】
[0014]如图1，已知的单电感四输出开关电源变换器包括功率级电路和控制级电路，控制级电路包括输出电压采样反馈网络、主环控制电路采用峰值电流模式-共模结构，决定变换器四路负载电流之和，即流过电感L的总电流L ;次环控制电路采用电压模式-差模结构，决定电感电流L在四路输出支路中的分配。输出电压采样反馈网络的输入为开关电源变换器的四路输出电压Vo I?Vo4，输出为共模电压Vcm和三个差模电压VDMl、VDM2、VDM3。主环控制电路包括误差放大器、比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路，次环控制电路包括三个误差放大器、三个比较器及次级开关驱动电路。输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm通过主环控制电路产生主级开关占空比信号D0，控制开关电源变换器中主级功率开关管SpO、SnO的通断；输出电压采样反馈网络输出的三个差模电压VDM1、VDM2、VDM3通过次环控制电路产生次级开关占空比信号控制开关电源变换器中次级功率开关管Snl、Sn2、Sn3、Sn4 的通断。
[0015]本发明在上述现有电路的基础上，在次环中增设了次级开关占空比信号时序控制电路，该电路连接于次环三个比较器之后，次级开关驱动电路之前，其输入信号为三个PWM信号PWMl，PWM2，PWM3以及时钟信号CLK，输出为四个非交叠占空比时序信号ND I，ND2，ND3，冊4，然后经过次级开关驱动电路产生四个次级开关占空比信号01、02、03、04，用于分别控制开关电源变换器中四个次级功率开关管Snl、Sn2、Sn3、Sn4的通断。
[0016]如图2所示，次级开关占空比信号时序控制电路由占空比时序信号产生电路和非交叠占空比时序信号产生电路两部分组成，其中，占空比时序信号产生电路包括两个或非门NORl和N0R2，十个非门NOTl?NOTlO以及四个RS触发器I?RS触发器4。触发器RSl的复位端R连接时钟信号CLK，置位端S连接P丽I信号，输出端Ql经过非门NOTl和N0T2后，输出占空比时序信号ND_1。或非门NORl的两个输入端分别连接PWM2信号和时钟信号CLK，保证每个时钟周期开始时给输出Q2置I。或非门NORl的输出经过非门N0T3连接RS触发器2的置位端S，复位端R连接PWMl信号，输出端Q2经过非门N0T4和N0T5后，输出占空比时序信号ND_2。或非门N0R2的两个输入端分别连接PWM3信号和时钟信号CLK，保证每个时钟周期开始时给输出Q3置I。或非门N0R2的输出经过非门N0T6连接RS触发器3的置位端S，复位端R连接PWM2信号，输出端Q3经过非门N0T7和N0T8后，输出占空比时序信号ND_3。触发器RS4的置位端S连接时钟信号CLK，保证每个时钟周期开始时给输出Q4置1，复位端R连接PWM3信号，输出端Q4经过非门N0T9和N0T10后，输出占空比时序信号 ND_4。
[0017]非交叠占空比时序信号产生电路包括八个或非门N0R3?N0R10，四个非门NOTll?N0T14，或非门N0R3的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_4，或非门N0R3的输出连接或非门N0R4的一个输入端，或非门N0R4的另一个输入端连接占空比时序信号ND_1，或非门N0R4的输出经过非门NOTll输出非交叠占空比时序信号NDl ;或非门N0R5的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_2，或非门N0R5的输出连接或非门N0R6的一个输入端，或非门N0R6的另一个输入端连接占空比时序信号ND_2，或非门N0R6的输出经过非门N0T12输出非交叠占空比时序信号ND2 ;或非门N0R7的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_2和ND_3，或非门N0R7的输出连接或非门N0R8的一个输入端，或非门N0R8的另一个输入端连接占空比时序信号ND_3，或非门N0R8的输出经过非门N0T13输出非交叠占空比时序信号ND3 ;或非门N0R9的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_3和ND_4，或非门N0R9的输出连接或非门NORlO的一个输入端，或非门N0R10的另一个输入端连接占空比时序信号ND_4，或非门N0R10的输出经过非门N0T14输出非交叠占空比时序信号ND4。
[0018]在第i(i = 1,2, 3,4)条输出支路导通时，电感电流下降斜率为-Voi/L，如果此时出现第j(j = 1,2, 3,4, j ^ i)条输出支路也同时导通，电感电流下降斜率将会变成_(Voi*ri+Voj*rj)/ (ri+rj),其中，Voi, Voj分别为第i条和第j条输出支路的输出电压，ri和rj分别为第i条和第j条输出支路开关管的导通电阻。因此电感电流下降斜率在次级开关占空比信号交叠部分会发生突变，导致输出电压纹波增加，严重时还会破会整个系统的稳定性。上述占空比时序信号产生电路和非交叠占空比时序信号产生电路两部分均为简单的数字逻辑电路，能够对单电感多输出开关电源变换器的次级开关占空比信号时序进行精确控制。输出电压通过输出电压采样反馈网络，电压模式-差模控制电路，产生PWM信号，然后对输出的PWM信号进行时序逻辑上的调整并通过次级开关驱动电路得到精确的次级开关占空比信号D1，D2，D3，D4，控制次级开关管的通断，保证了各个次级开关不会发生同时导通的情况。
[0019]图3是图2中电路各点的时序波形图以及电感电流波形图。本发明单电感四输出开关电源变换器工作时，电感首先对第一条输出支路进行充电，输出电压Vol充电至设定值后，关断第一条输出支路的功率开关管Snl，打开第二条输出主路的功率开关管Sn2，以此类推，直到时钟周期末，将第四条输出支路的功率开关管Sn4关断，同时打开Snl。如图3a)，每个周期开始时，CLK信号给RS触发器I输出复位为0，即Ql为0，第一条输出支路功率开关管Snl导通，当第一条支路输出电压达到设定值时，产生PWMl信号，将Ql置为1，直至下一个周期开始。PWMl信号同时将RS触发器2的输出端Q2复位为0，第二条输出支路功率开关管Sn2导通，电感给第二条输出支路充电，当第二条支路输出电压达到设定值时，产生PWM2信号，将Q2置1，将Q3复位为0，第二条输出支路功率开关管Sn2关断，第三条输出支路功率开关管Sn3导通，电感给第三条输出支路充电，当第三条支路输出电压达到设定值时，产生PWM3信号，将Q3置1，将Q4复位为0，第三条输出支路功率开关管Sn3关断，第四条输出支路功率开关管Sn4导通，电感给第四条输出支路充电直至下个周期开始。如图3b)，ND_1和ND_2之间有低电平交叠，经过或非门后，或非门的输出与ND_2信号再经过或非门和一个非门，ND_1和ND_2之间低电平交叠部分变为高电平，输出为ND2 ；ND_2和ND_3之间有低电平交叠，经过或非门后，或非门的输出与ND_3信号再经过或非门和一个非门，ND_2和ND_3之间低电平交叠部分变为高电平，输出为ND3 ；ND_3和ND_4之间有低电平交叠，经过或非门后，或非门的输出与ND_4信号再经过或非门和一个非门，ND_3和ND_4之间低电平交叠部分变为高电平，输出为ND4 ；ND_4和ND_1之间有低电平交叠，经过或非门后，或非门的输出与ND_1信号再经过或非门和一个非门，ND_4和ND_1之间低电平交叠部分变为高电平，输出为ND1。
[0020]本专利的特点已经及内容已揭示如上，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和修改。因此，本发明的保护范围应不局限于单电感四输出Buck型开关电源变换器的次级开关占空比信号时序控制，应该包含所有单电感多输出开关电源变换器的次级开关占空比信号时序控制，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】
1.一种单电感多输出开关电源变换器次级开关占空比信号时序控制电路，单电感多输出开关电源变换器包括功率级电路和控制级电路，控制级电路包括输出电压采样反馈电路、峰值电流模式-共模主环控制电路和电压模式-差模次环控制电路，输出电压采样反馈网络的输入为开关电源变换器的四路输出电压Vol?Vo4，输出电压采样反馈网络的输出为共模电压Vcm和三个差模电压VDM1、VDM2、VDM3 ;主环控制电路包括误差放大器、比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路，输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm通过包括误差放大器、比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路构成的主环控制电路产生主级开关占空比信号D0，控制开关电源变换器中主级功率开关管SpO，SnO的通断； 其特征在于:在次环控制电路中增设次级开关占空比信号时序控制电路，输出电压采样反馈网络输出的三个差模电VDM1、VDM2、VDM3经过次环控制电路中三个误差放大器和三个比较器后分别输出的三个PWM信号PWM1，P丽2，PWM3通过次级开关占空比信号时序控制电路和次环控制电路中的次级开关驱动电路产生四个次级开关占空比信号Dl、D2、D3、D4，分别控制开关电源变换器中四个次级功率开关管Snl、Sn2、Sn3、Sn4的通断； 所述增设的次级开关占空比信号时序控制电路包括占空比时序信号产生电路和非交叠占空比时序信号产生电路两部分，占空比时序信号产生电路的输入信号为三个PWM信号PWMl, PWM2, PWM3以及时钟信号CLK，占空比时序信号产生电路输出四个占空比时序信号ND_1、ND_2、ND_3、ND_4连接非交叠占空比时序信号产生电路的输入端，非交叠占空比时序信号产生电路输出四个非交叠占空比时序信号ND1，ND2, ND3, ND4，其中: 占空比时序信号产生电路包括两个或非门NORl和N0R2，十个非门NOTl?NOTlO以及四个RS触发器I?RS触发器4 ；RS触发器I的复位端R连接时钟信号CLK，置位端S连接PWMl信号，输出端Ql经过非门NOTl和N0T2后，输出占空比时序信号ND_1 ;或非门NORl的两个输入端分别连接PWM2信号和时钟信号CLK，或非门NORl的输出经过非门N0T3连接RS触发器2的置位端S，复位端R连接PWMl信号，输出端Q2经过非门N0T4和N0T5后，输出占空比时序信号ND_2 ;或非门N0R2的两个输入端分别连接PWM3信号和时钟信号CLK，或非门N0R2的输出经过非门N0T6连接RS触发器3的置位端S，复位端R连接PWM2信号，输出端Q3经过非门N0T7和N0T8后，输出占空比时序信号ND_3 ;触发器RS4的置位端S连接时钟信号CLK，复位端R连接PWM3信号，输出端Q4经过非门N0T9和NOTlO后，输出占空比时序信号ND_4 ； 非交叠占空比时序信号产生电路包括八个或非门N0R3?N0R10，四个非门NOTll?N0T14，或非门N0R3的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_4，或非门N0R3的输出连接或非门N0R4的一个输入端，或非门N0R4的另一个输入端连接占空比时序信号ND_1，或非门N0R4的输出经过非门NOTll输出非交叠占空比时序信号NDl ;或非门N0R5的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_1和ND_2，或非门N0R5的输出连接或非门N0R6的一个输入端，或非门N0R6的另一个输入端连接占空比时序信号ND_2，或非门N0R6的输出经过非门N0T12输出非交叠占空比时序信号ND2 ;或非门N0R7的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_2和ND_3，或非门N0R7的输出连接或非门N0R8的一个输入端，或非门N0R8的另一个输入端连接占空比时序信号ND_3，或非门N0R8的输出经过非门N0T13输出非交叠占空比时序信号ND3 ;或非门N0R9的两个输入端分别连接占空比时序信号ND_3和ND_4，或非门N0R9的输出连接或非门N0R10的一个输入端，或非门N0R10的另一个输入端连接占空比时 序信号ND_4，或非门NORlO的输出经过非门N0T14输出非交叠占空比时序信号ND4。
【文档编号】H02M3/156GK104467423SQ201410836860
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】孙伟锋, 肖哲飞, 田伟娜, 钱钦松, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学