[发明专利]一种单电感多输出直流/直流转换器

说明书

本发明提供了单电感器多输出(SIMO)直流‑直流转换器的架构和设计技术。上述单电感器多输出(SIMO)直流‑直流转换器是基于有序功率分配控制(OPDC)方案，其具有多种新颖的控制机制，可优化功率输出能力、转换效率、以及电压涟波的性能。除了降压模式输出外，上述新型SIMO直流‑直流转换器还可以具有利用自动降压‑升压(auto buck‑boost)模式工作的输出通道，使得输入电压可以随使用时间而变化。

技术领域

本发明涉及一种直流/直流转换器，特别是一种单电感多输出的直流/直流转换器。

背景技术

当今的许多电子系统都要求能达到微型化，以符合消费者所期待的随身可听及可穿戴式功能，尽管其外型很小仍必须具有相当的长电池寿命。但是，电子装置的尺寸确实会限制电池的容量。人们期待他们所拥有的随身可听、可穿戴式、以及其他利用微型电池供电的电子装置可以长时间及可靠的工作。

从设计者的观点而言，为了支撑这些微小型电池供电的电子装置运作，形状因子(form factor)的限制使得能于充电周期间隔时间维持长时间运作的小型化锂电池变得必要。电源供应的设计必须要能达到每一个子系统独特而多样的电压要求。工程师面对上述日益增加的技术挑战，尝试着将所有必要的产品特征容置于具有小巧形状因子(formfactor)的耳机或穿戴设备，如戒指、手镯、或皮肤贴片内。

为了应付小尺寸解决方案当中易于安装以及低热扰动的要求，利用相对节省空间的单电感器多输出(single-inductor multiple-output；SIMO)技术的小型低功率的功率管理集成电路(power management ICs)是非常适合上述这些系统的应用。

单电感器多输出(SIMO)架构利用与较小装置整合功能而避免使用多个分立组件，对要求严格散热性能的微小型电子装置提供一较佳的解决方案。单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的概念的出现是为了克服传统转换器的缺点，例如，其需要多个电感器和控制器，复杂且高成本。单电感器多输出(SIMO)转换器能于仅有一个电感器情况下支持多输出，因此它可以最大限度地减少组件数量，进而降低生产成本。明显地，其使用的印刷电路板面积亦可以大大地减小，进而使电子装置小型化。

如图1a所示的先前技术，一单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器可以支持四个输出(V_O1、V_O2、V_O3及V_O4)，同时仅使用一个电感器(L)，该电感器通过一个SIMO控制电路和逻辑101操作时间多工(time-multiplexing)控制方案来控制所有开关的开启/关闭并产生工作周期。这些工作周期讯号被产生用以控制输入开关S_P、S_N，飞轮开关S_F以及输出开关S₁、S₂、S₃及S₄用于对每个输出作电压调节。为了提供每个输出节点电力，电感器通过工作周期(duty cycle)充电，以在将所需能量释放到相应的输出负载之前为其相应的输出获得所需的能量。因此，对于一个完整的转换周期，如图1b所示，通过在Vin和地(ground)之间连接电感器来对电感器充电四次，并且通过在地(ground)和每个输出之间连接电感器将电感器放电到零电流四次。由于供应至每个输出的能量得到很好的控制，并且与其他输出无关，因而消除了交叉调节。然而，时间多工任务(time-multiplexing)控制方案的峰值电感器电流很大，因为电感器对每一个充电器从零充电并放电至零。电感器电流是于不连续传导模式(discontinuous conduction mode；DCM)下操作，因此，总输出电流能力受到限制，并且具有高峰值电感电流的许多充电/放电循环会导致高开关损耗和低转换效率。此外，时间多工(time-multiplexing)控制方案还会受到输出电压涟波(voltage ripple)与输出数量之间取舍的影响，因为输出数量的增加将需要更长的调节时间，因而导致更高的电压涟波。