[发明专利]一种基于动态导通时间限制的单电感多输出DC-DC变换器控制方法

说明书

单电感多输出DC‑DC变换器因为效率高，成本低等优势成为电源系统中重要组成部分。本发明公开一种单电感多输出DC‑DC变换器的导通时间限制的控制方法，该方法能在负载重载跳变时限制跳变路的最大导通时间，减小对后续输出的影响；轻载跳变时，控制电感短路，减小对最后一路的交调影响。结合纹波控制方法，本发明能在复杂的负载跳变场景下有较快的响应速度并有抑制交调的效果。

技术领域：

本发明涉及开关电源，单电感多输出DC-DC变换器领域。

背景技术：

随着科技发展，便携式设备尤其是像手机、平板电脑、智能穿戴设备等便携式电子产品，越来越普及。面对各种不同设备对电源的要求，如何对电池能量进行更加合理有效的利用，以及在复杂条件下满足设备对电源电压和电流的要求，这些都对电源管理芯片的设计提出了更高的要求。

单电感多输出DC-DC变换器利用单个电感存储的能量，形成多个稳定直流输出电压，可以减少电源管理芯片外围元件数量和引脚数目，从而降低成本。交调指多输出系统中某一路输出负载跳变对其他输出造成影响。抑制交调能力是衡量多输出DC-DC变换器性能的重要指标。已有的方案中，伪连续导通模式存在负载能力差，效率低的问题；基于充电平衡的方法，当电流检测精度低时交调大；基于比较器依次选通的方法，当大负载跳变时交调严重，尤其多输出包含升压端重载跳变响应时，电感输出电流会先减小，恶化了交调和瞬态性能。

发明内容：

本发明提出一种基于动态导通时间限制的控制方法，该方法应用在单电感多输出DC-DC变换器能有效抑制交调，同时有较好的瞬态响应速度和带载能力。该方法是对比较器依次选通的方法的改进，核心思想是当发生重载跳变时，限制每一路输出的最大导通时间，减小对后续输出的影响；当发生轻载跳变时，开关周期多余的时间会短路电感，减小对最后一路的交调影响。因此，本方法对复杂负载跳变的场景均有良好的抑制交调能力。

采用本发明中的控制方法后，一个两输出升压DC-DC变换器发生重载跳变的电感电流变化曲线如图1。当第一路输出vo1负载变大时，vo1的导通时间d1基本不变，当经过一段时间后，vo1导通时间增加Δd，最终回到稳态，因此通过限制vo1导通时间，减小了对第二路输出vo2的影响。

一个两输出升压DC-DC变换器发生轻载跳变的电感电流变化曲线如图2。当发生轻载跳变时，由于两路输出电压都大于参考电压，控制电感在开关周期的剩余时间df短路，消除了能量累积在vo2的影响。

两输出升压DC-DC变换器的整体结构如图3。包括功率级和控制部分。功率级包括输入电压vg，输出电压vo1和vo2，分别由开关Mp1和MP2控制，zc1和zc2是零电流检测结果；MN1控制电感充电时间；MPF控制电感电流的续流。控制部分包括三部分，比较器电路，比较输出电压与参考电压，输出比较结果，vc1(vc2)＝1表示输出电压大于参考电压；电感充电控制电路，采用V2控制方法输出结果，vcn＝1表示电感充电完成；状态机实现了导通时间限制的功能，输出的信号经过驱动电路后控制各个开关管。其中，V2控制包含快慢两个环路，快环路通过比较器控制，能够快速响应负载电压的变化；慢环路的反馈量是输出电压与续流电流，通过PI控制器维持系统稳定。

控制逻辑的状态转移图如图4，包括5个状态：IDLE是初始状态，用于复位时的初始化；S0控制电感电流充电时间；S1控制vo1的充电时间；S2控制vo2的充电时间；SF控制电感短路。稳态下或发生重载跳变时，状态的跳转顺序是IDLE、S0、S1、S2、S0、S1、S2…当发生轻载跳变时，由于输出的能量需求变少，会有剩余的时间，状态会跳转到SF，此时电感短路。通过电感电流控制环路，系统重新回到稳态时不会有SF状态。图4中实线表示的状态转移过程只出现在系统稳态下，虚线表示状态转移过程出现在瞬态响应下。