[发明专利]一种混合架构单电感多输出升降压型DC-DC电源管理电路

说明书

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种混合架构单电感多输出升降压型DC‑DC电源管理电路。本发明DC‑DC电源管理电路由功率级模块、反馈及补偿电路、数字逻辑电路和模式选择电路组成。本发明通过采用混合架构的功率级电路，消除了传统升降压电路中升压模式下固有的右半平面零点，提高了整个系统的环路带宽，加快了瞬态响应；同时减小了电感上的电流，提高了转换器的效率。整个系统有三种不同的工作模式，并通过对反馈信号的处理实现三种模式的平滑切换。相比传统升降压转化器，该系统具有效率高、瞬态响应快、输出纹波小、片外电感数量少等优势。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及的是一种混合架构单电感多输出升降压型DC-DC电源管理电路。

背景技术

电感型DC-DC变换器，因具有较高的转换效率而被广泛使用，但片外电感占用的体积与成本较大，有时甚至与电源管理芯片本身相接近。此外，实际的电子产品往往需要多个工作电压，按照传统的变换器结构，整个系统往往需要多个片外电感来实现多路输出。这就更增加了实际应用中电感型DC-DC变换器的片外体积与成本。单电感多输出变换器仅利用一个电感即可实现多路输出，减少了片外元件的个数与成本，更加有利于整体系统的小型化。

在物联网电子设备中，升降压调制器是被大规模使用的一类电源调制电路。传统的单电感多输出升降压电路主要有两大缺点，一是工作在降压模式和升压模式下的系统传输函数差异较大，工作在升压模式时存在右半平面零点，限制了整个系统的环路带宽，降低了瞬态响应速度。二是工作在升压模式时电感电流大于负载电流，降低了系统效率。为解决上述问题，一类混合架构电源调制器改变了传统的升降压电源调制器的功率级拓扑结构，使其具有了与传统降压转换器相似的功率级拓扑结构，改善了一系列指标如提高了转换效率，降低了输出纹波，加快了瞬态响应等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型单电感多输出升降压功率级拓扑结构及其相应的控制电路。

本发明提供的混合架构单电感多输出升降压型DC-DC电源管理电路，主要由四部分组成，分别是功率级模块，反馈及补偿模块，数字逻辑模块，模式选择模块；其结构参见图1，其中：

所述功率级模块包括：4个PMOS功率管M2、M4、M6、M7，3个NMOS功率管M1、M3、M5，功率电感L、混合架构电容C_H，三个滤波电容C1、C2、C3，以及三路输出端负载电阻R1、R2、R3；该功率级模块根据功率管与功率电感的位置分为两部分，即电感左侧为能量输入模块，右侧为能量输出模块。其中能量输入模块主要包括四个功率管M1、M2、M3、M4与混合架构电容C_H；能量输入模块可工作在降压、升降压和升压这三种不同的模式中。能量输出模块主要包括3个功率管M5、M6、M7，以及三个滤波电容C1、C2、C3。功率管M5、M6、M7交替导通，将电感电流输送给三路负载。

所述反馈及补偿模块主要包括反馈矩阵模块、电感电流采样模块、PI补偿模块。其中反馈矩阵模块通过对三路输出电压V_O1、V_O2、V_O3的采样与信号处理得到输出电压的差模信号与共模信号，并传递给PI补偿模块；电感电流采样模块根据能量输入模块的工作模式不同而选择采样不同的功率管，当工作在降压模式时，采样功率管M4流过电流，当工作在升降压和升压模式时，采样功率管M2流过电流。采样电流与斜坡补偿电流相加后得到采样信号V_SEN送入PI补偿模块。PI补偿模块的输出经数字逻辑电路中的控制逻辑与驱动送往功率级。

所述数字逻辑模块主要包括抗振荡电路，控制逻辑、驱动。其中抗振荡电路主要用来防止功率级在不同模式之间频繁切换导致振荡，控制逻辑与驱动负责将PI补偿模块的输出转换为功率管的驱动信号。

所述模式选择模块主要包括一个加法器和两个比较器，加法器通过计算电感右端的平均电压值，并与输入电池电压的倍数进行比较得到模式控制信号，以此来决定功率级的工作模式。