[发明专利]一种单电感多输出开关电源变换器的次环控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及单电感多输出开关电源变换器，特别涉及一种单电感多输出开关电源变换器的次环控制系统，属于微电子领域。

背景技术

单电感多输出(Single-Inductor Multiple-output，SIMO)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，仅使用一个电感即可独立控制多路电源的输出，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。然而，随着电池充电的便携式设备不断发展，需要电压调节器具有快速响应能力和高的转换效率。如果瞬态响应过慢，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，增加了各输出支路输出电压的纹波系数，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，提高负载瞬态响应成为研究焦点。为了设计具有高速负载响应的DC-DC开关电源，一方面我们可以从控制芯片外围元件入手，例如使用较小的输出电容，或者较小的电感，但小的电容电感在同等应用条件下，易使控制芯片工作在不连续导电模式，这样就牺牲了芯片的带负载能力，转换效率，加大了系统的输出纹波。另外，我们可以调节芯片环路补偿的电容值，减小该电容值可以获得更快的响应速度，但同时会牺牲芯片的稳定裕度。另一方面，我们可以从改进系统电路结构、电路模块入手，来优化开关电源的瞬态响应。

发明内容

本发明提供一种单电感多输出开关电源变换器的次环控制系统，为了提高瞬态响应，在次环控制系统中采用迟滞比较器产生PWM占空比信号，实现对次级开关占空比信号进行快速精确地控制，解决了负载瞬态响应慢而导致的输出纹波大的问题。

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的次环控制系统，单电感多输出电源变换器包括功率级电路和控制级电路，功率级电路设有N个输出支路，分别输出电压V_oi(i＝1，2，…n)，N个输出支路共用一个电感L分时工作，控制级电路包括输出电压采样反馈网络、主环控制系统和次环控制系统，主环控制系统采用共模峰值电流模式，决定电感L的充电时间，次环控制系统采用差模电压模式，决定电感电流I_L在N个输出支路中的分配，输出电压采样反馈网络的输入信号分别为N个支路的输出电压V_oi(i＝1，2，…n)，输出电压采样反馈网络的输出为共模电压V_cm和n-1个差模电压V_fbi(i＝1，2，…n-1)，共模电压V_cm通过包括主环误差放大器、主环斜坡补偿电路、主环比较器、RS触发器以及驱动和死区控制电路构成的主环控制系统，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Sp0、Sn0的通断；n-1个差模电压V_fbi(i＝1，2，…n-1)通过包括次环误差放大器、次环PWM比较器、次级开关占空比时序控制电路和次级开关驱动电路构成的次环控制系统，产生n个次级开关占空比信号D_i(i＝1，2，…n)，分别控制各输出支路中次级功率开关管S_ni(i＝1，2，…n)的通断；

其特征在于：在次环控制系统中，各次环控制支路中采用内部设有上门限电压V_H和下门限电压V_L的迟滞比较器i(i＝1，2，…n-1)取代传统次环误差放大器和次环PWM比较器，各次环控制支路迟滞比较器的输入分别为n-1个差模电压V_fbi(i＝1，2，…n-1)，迟滞比较器i(i＝1，2，…n-1)的输出分别为占空比控制信号PWM i(i＝1，2，…n-1)与次级开关占空比时序控制电路输入端连接，将V_fbi(i＝1，2，…n-1)分别与上门限电压V_H和下门限电压V_L进行比较，当V_fbi(i＝1，2，…n-1)低于下门限电压V_L时，占空比控制信号PWM i(i＝1，2，…n-1)为高电平，相应输出支路中的次级功率开关管打开；当V_fbi(i＝1，2，…n-1)高于上门限电压V_H时，占空比控制信号PWM i(i＝1，2，…n-1)为低电平，相应输出支路中的次级功率开关管关断，从而实现通过迟滞比较器快速调节次级占空比信号。