单电感双输出开关变换器双输出电压纹波控制装置的制作方法

本实用新型涉及开关变换器技术领域，特别是一种单电感双输出开关变换器双输出电压纹波控制装置。

背景技术：

单电感双输出开关变换器可以独立控制两路电源输出，具有体积小、效率高和成本低等优点，能为智能手机、平板电脑等提供可靠的电源。作为手机、电脑的核心装置的微处理器，是一个快速变动的负载，变动范围大、变动速率快。变换器的瞬态响应特性研究，受到了学术界越来越多的关注。

传统的峰值电流控制，其控制思想是：控制电路包括电压外环和电流内环，电压外环将检测的输出电压与基准电压进行比较，得到的误差信号经过误差放大器补偿后作为电流内环的参考电流，电流内环检测的电感电流与参考电流进行比较，比较结果用来控制开关管的关断；时钟信号控制开关管的导通；从而实现对开关变换器输出电压的调节。该方法用于单电感双输出变换器，具有输出支路间交叉影响严重和负载瞬态响应速度慢的缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种单电感双输出开关变换器的控制装置，使之同时具有较好的负载瞬态性能和较小的输出交叉影响，并适用于单电感双输出开关变换器的多种拓扑结构。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种单电感双输出开关变换器双输出电压纹波控制装置，包括输出电压纹波控制器ctr1和输出电压纹波控制器ctr2；所述输出电压纹波控制器ctr1包括依次连接的电压检测电路vs1、误差放大器eap1、比较器cmp1、rs触发器tgr1和驱动电路dr1，还包括连接到比较器cmp1的电压放大器vk1，误差放大器eap1还连接基准电压vref1，rs触发器tgr1还连接时钟信号clk；所述输出电压纹波控制器ctr2包括依次连接的电压检测电路vs2、误差放大器eap2、比较器cmp2、rs触发器tgr2和驱动电路dr2，还包括连接到比较器cmp2的电压放大器vk2，误差放大器eap2还连接基准电压vref2，rs触发器tgr2还连接时钟信号clk；所述电压检测电路vs1、电压检测电路vs2、电压放大器vk1、电压放大器vk2、驱动电路dr1和驱动电路dr2分别连接到所述单电感双输出开关变换器。

进一步地，所述单电感双输出开关变换器为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器或bipolar变换器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、单电感双输出开关变换器的负载发生变化时，本实用新型能快速调节开关管的控制脉冲，输出电压调节时间短，变换器的负载瞬态性能较好。

二、单电感双输出开关变换器的输出支路负载发生变化时，本实用新型能有效地减小输出支路间的交叉影响，系统稳定性好。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图。

图2为本实用新型采用单电感双输出buck变换器时的电路结构框图。

图3为本实用新型采用单电感双输出buck变换器时，电路工作于电感电流连续导电模式的工作时序和电感电流波形图。

图4为本实用新型控制装置的控制时序图。

图5a为峰值电流控制单电感双输出开关变换器在输出支路a负载变化时的瞬态响应波形,

图5b为本实用新型在输出支路a负载变化时的瞬态响应波形；

图5c为峰值电流控制单电感双输出开关变换器在输出支路b负载变化时的瞬态响应波形,

图5d为本实用新型在输出支路b负载变化时的瞬态响应波形。

具体实施方式

本实用新型是一种单电感双输出开关变换器双输出电压纹波控制装置，其基本思想是两个输出电压纹波控制电路。输出电压纹波控制电路包括电压外环和电压内环，电压外环将检测的输出电压与基准电压进行比较，得到的误差信号经过误差放大器补偿后作为电压内环的参考电压，电压内环检测输出电压纹波并与参考电压进行比较，比较结果用于控制支路开关管的关断；时钟信号用于控制支路开关管的导通。输出电压可以直接反映负载的变化，当负载电流变化时，控制电路能够快速调节，因此输出电压纹波控制单电感双输出变换器具有输出交叉影响小和负载瞬态性能好的优点。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型的一种具体实施方式为：单电感双输出开关变换器双输出纹波控制装置，由变换器td和开关管s1、s2的控制装置组成。控制装置主要由输出电压纹波控制器ctr1和ctr2组成。输出电压纹波控制器ctr1由电压检测电路vs1、电压放大器vk1、基准电压vref1、误差放大器eap1、比较器cmp1、rs触发器tgr1、驱动电路dr1、时钟信号clk组成；输出电压纹波控制器ctr2由电压检测电路vs2、电压放大器vk2、基准电压vref2、误差放大器eap2、比较器cmp2、rs触发器tgr2、驱动电路dr2、时钟信号clk组成。其中，电压检测电路vs1、vs2和电压放大器vk1、vk2分别用于获取输出电压voa、vob和放大的输出电压纹波vk1、vk2，误差放大器eap1、eap2分别用于获取参考电压和参考电流ve1、ve2，比较器cmp1、cmp2分别用于获取rs触发器tgr1、tgr2的r端输入信号，时钟信号clk作为rs触发器tgr1、tgr2的s端输入信号，rs触发器tgr1、tgr2的q端输出信号用于得到开关管s1和s2的控制信号，经由驱动电路dr1、dr2控制开关变换器td开关管的导通与关断。

本例的变换器td为单电感双输出buck变换器，其工作过程和原理是：

控制装置采用输出电压纹波控制的工作过程和原理是：图2示出，在任意一个周期起始时刻，时钟信号clk使rs触发器tgr1、tgr2置位，rs触发器tgr1、tgr2的q端信号通过驱动电路dr1、dr2分别控制主开关管s1和支路开关管s2的导通。控制电路分为两个输出电压纹波控制电路，控制电路1采样输出电压voa和放大的输出电压纹波vk1；输出电压voa与基准电压vref1的比较结果通过误差放大器eap1后得到参考电压ve1；vk1与ve1通过比较器cmp1比较得到rs触发器tgr1的r端输入信号，生成支路开关管s1的关断信号连接至驱动电路dr1的输入端，dr1的输出端连接至支路开关管s1的门极控制端,控制开关管s1的关断。控制电路2采样输出电压vob和放大的输出电压纹波vk2；输出电压vob与基准电压vref2的比较结果通过误差放大器eap2后得到参考电压ve2；vk2与ve2通过比较器cmp2比较得到rs触发器tgr2的r端输入信号，生成主开关管s2的关断信号连接至驱动电路dr2的输入端，dr2的输出端连接至开关管s2的门极控制端,控制开关管s2的关断。由于电容寄生电阻在实际电路中必然存在，相比于电容电流纹波控制技术，本实用新型不用满足电容寄生电阻和采样电阻极小的限制，从而减小输出电容数量，简化采样电路。

图3所示为本实用新型采用单电感双输出buck变换器时，电路工作于电感电流连续导电模式的工作时序和电感电流波形图。图中，在d1ts时间内，s1和s2导通，d1和d2关断，电感电流通过输出支路a以充电斜率(vin-voa)/l上升；在(d2-d1)ts时间内，s2和d2导通，s1和d1关断，电感电流通过输出支路b以充电斜率(vin-vob)/l继续上升；在(1-d2)ts时间内，d1和d2导通，s1和s2关断，电感电流通过输出支路b以放电斜率-vob/l下降，直至电路进入下一个开关周期。

图4所示为控制装置的控制时序图。图中，在每个开关周期的起始时刻，时钟信号clk使触发器rs-trigger1、rs-trigger2置位，控制信号d1、d2为高电平，开关管s1、s2导通，二极管d1、d2关断；放大的输出电压纹波vk1线性上升，放大的输出电压纹波vk2线性下降。当vk1上升至参考电压ve1时，d1为低电平，开关管s1关断，二极管d2自然导通，开关管s2保持导通，二极管d1保持关断，vk1线性下降，vk2线性上升。当vk2上升至参考电压ve2时，控制信号d2为低电平，开关管s2关断，二极管d1导通，开关管s1保持关断，二极管d2保持导通，vk1继续线性下降，vk2以另一斜率继续线性上升，直至时钟信号到来，变换器进入下一个开关周期。

用psim仿真软件对本实用新型进行时域仿真分析，结果如下。

图5a、图5b分别对应峰值电流控制和双输出电压纹波控制单电感双输出buck变换器输出支路a负载变化时输出电压和输出电流的时域仿真波形，图5c、图5d分别对应峰值电流控制和双输出电压纹波控制单电感双输出buck变换器输出支路b负载变化时输出电压和输出电流的时域仿真波形。图5a、图5b中，峰值电流控制单电感双输出buck变换器和双输出电压纹波控制单电感双输出buck变换器输出支路a的输出电流ioa从1a突变到1.5a，输出支路b的输出电流iob为2a时，峰值电流控制单电感双输出buck变换器输出支路a的输出电压voa经过约3.6ms后进入新的稳态，输出支路a对输出支路b的交叉影响为180mv；而采用本实用新型的双输出电压纹波控制单电感双输出buck开关变换器进入新的稳态的调整时间约为0.2ms，输出支路a对输出支路b的交叉影响为20mv。图5c、图5d中，峰值电流控制单电感双输出buck变换器和双输出电压纹波控制单电感双输出buck变换器输出支路b的输出电流iob从2a突变到2.5a，输出支路a的输出电流ioa为1a时，峰值电流控制单电感双输出buck变换器输出支路b的输出电压vob经过约3.6ms后进入新的稳态，输出支路b对输出支路a的交叉影响为100mv；而采用本实用新型的双输出电压纹波控制单电感双输出buck变换器经过约0.2ms的调节时间便进入新的稳态，输出支路b对输出支路a几乎无交叉影响。可见本实用新型的开关变换器瞬态调节时间短，负载瞬态性能好,且输出支路间的交叉影响小。图5a、图5b、图5c、图5d的仿真条件为输入电压vin＝10v，电压基准值vref1＝3.3v、vref2＝5v，电感l＝100μh，电容c1＝c2＝470μf，寄生电阻esr1＝esr2＝20mω,负载电阻ra＝3.3ω、rb＝2.5ω。

本实用新型中，变换器td也可以为单电感双输出boost变换器、单电感双输出buck-boost变换器或单电感双输出bipolar变换器。