[发明专利]一种无电感双输出降压型DC-DC变换器

说明书

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Ron，则变换器引入的额外功耗为因此效率相对于单输出变换器而言要低一些。

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WeiWei 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PWM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V_REF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。