一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，在现有单电感多输出电源变换器的基础上，在各输出支路中的次级功率开关管的源、漏极之间增设负载电流采样网络，直接检测各输出支路开关管上的电流变化来体现负载电流的变化，并作为前馈电流及时地将任一路负载电流的变化反映到次环各支路的控制电路中，快速调节占空比，实现快速响应，减小输出电压的纹波，避免系统的不稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单电感多输出开关电源变换器，特别涉及一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，属于微电子领域。
技术介绍
单电感多输出(Single-InductorMultiple-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，随着便携式设备中微处理器的运行频率和集成度越来越高，对于SIMO开关电源变换器来说，微处理器相当于一个快速变化的负载，会引起转换器输出电压发生一定幅度的波动，并且需要一段时间才能稳定，这对微处理器的稳定性、速度及效率性能有很大影响。所以，提高SIMO开关电源变换器的瞬态响应能力至关重要。如果负载瞬态响应较慢，一路输出电压变化时其他所有输出也将发生大的电压变化，慢的瞬态响应导致差的交叉调节性；同时慢的负载瞬态响应导致轻载变为重载或重载变为轻载时大的下冲电压或上冲电压，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。一般有两种方法来提高负载瞬态响应：一是增加带宽；二是快速调节占空比。理论上，提高开关频率可以增大传统电压模式控制的电源变换器带宽，但寄生效应和鲁棒性使得获得1MHz以上的带宽变得非常复杂。
技术实现思路
本专利技术提供一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，在各支路的次级功率开关管上并联负载电流采样网络，直接检测各支路开关管上的电流变化来体现负载电流的变化，实现快速调节占空比提高负载瞬态响应能力，解决了由于负载瞬态响应慢而导致的系统不稳定问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，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Voi(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、主环控制电路和次环控制电路，主环控制电路采用共模峰值电流模式，决定电感L的充电时间，次环控制电路采用差模电压模式，决定电感电流IL在N个输出支路中的分配，输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm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电路，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；输出电压采样反馈网络模块输出的差模电压Vdmi(i＝1，2，…n-1)通过包括次环误差放大器、次环比较器、次环斜坡补偿电路、次级开关占空比时序控制电路和驱动控制电路构成的次环控制电路，产生n个次级开关占空比信号Di(i＝1，2，…n)，分别控制各输出支路中次级功率开关管Sni(i＝1，2，…n)的通断；其特征在于：通过直接检测各输出支路开关管上的电流变化来体现负载电流的变化，并作为前馈电流及时地将任一路负载电流的变化反映到次环各支路的控制电路中，实现快速调节占空比提高负载瞬态响应能力，避免由于负载瞬态响应慢而导致的系统不稳定，具体方法是：在每个输出支路中增设负载电流采样网络，分别采样流过各输出支路中次级功率开关管Sni(i＝1，2，…n)的电流Ici(i＝1，2，...n)并将其转换为反映各输出支路负载电流变化的电压信号Vsensei(i＝1，2，...n)，将各支路的输出电压Voi(i＝1，2，…n)分别与各输出支路负载电流变化的电压信号Vsensei(i＝1，2，...n)对应相减，即Vol-Vsensel…Voi-Vsensei…Von-Vsensen，所得之差值分别作为输出电压采样反馈网络的输入信号。所述各输出支路中增设的负载电流采样网络结构相同，负载电流采样网络连接在各输出支路中次级功率开关管的源、漏极之间，包括四个PMOS管M1、M2、M3和MR，七个NMOS管M4、M5、M6、M7、M8、MRS和Msense以及电流源IBias，次级功率开关管的源极与NMOS管M7、M8及Msense的源极连接在一起，次级功率开关管的漏极连接NMOS管M6的源极，NMOS管M6的漏极连接NMOS管M4的源极和NMOS管M7的漏极，NMOS管M8的漏极与NMOS管Msense的漏极、NMOS管M5的源极连接在一起，NMOS管M6、Msense的栅极均连接控制信号Di(i＝1，2，…n)，NMOS管M7、M8的栅极均连接Di(i＝1，2，…n)的反向信号Di(i＝1，2，…n)，NMOS管M4的栅极与NMOS管M5的栅极互连并连接NMOS管M5的漏极和PMOS管M3的漏极，NMOS管M4的漏极与PMOS管M2的漏极互连并连接NMOS管MRS的栅极，PMOS管M1、M2、M3的栅极互连并连接PMOS管M1的漏极和电流源IBias的正端，电流源IBias的负端接地，PMOS管M1、M2、M3以及PMOS管MR的源极均连接输入电压Vin，PMOS管MR的栅、漏极与NMOS管MRS的漏极连接在一起，作为负载电流采样网络的输出端，输出反映各输出支路负载电流变化的电压信号Vsensei(i＝1，2，...n)。本专利技术的优点及显著效果：本专利技术针对负载瞬态响应较慢时各支路输出之间存在严重电压过冲问题，致使各支路输出电压纹波系数增大这一缺陷，通过直接检测负载电流的变化快速调节占空比，实现负载瞬变的快速响应。传统峰值电流模式各支路负载电流的变化要经过环路自身的调节才能响应，瞬态响应能力受限。本专利技术直接检测各支路负载电流的变化，首先，检测到的电流信号表现为前馈电流，任何负载的变化都将及时的反映在负载电流检测信号Vsensei(i＝1，2，...n)上，对其进行差模处理后经过次环误差放大器的输出Vci(i＝1，2，...n)叠加在对应各支路补偿斜坡Vrampi(i＝1，2，...n-1)上，快速调节占空比，实现快速响应，减小输出电压的纹波，避免系统的不稳定性。其次，将各支路误差放大器输出的误差电压反馈到对应比较器的反向输入端，提供准确的稳态调节，减小了各输出支路输出电压的纹波系数，提高了整个系统的稳定性。附图说明图1为负载电流突变时电感电流与输出电压的瞬态响应图；图2为本专利技术单电感多输出开关电源变换器系统整体电路图；图3为本专利技术单电感多输出开关电源变换器次环的控制工作波形图；图4为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，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Voi(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、主环控制电路和次环控制电路，主环控制电路采用共模峰值电流模式，决定电感L的充电时间，次环控制电路采用差模电压模式，决定电感电流IL在N个输出支路中的分配，输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm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电路，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；输出电压采样反馈网络模块输出的差模电压Vdmi(i＝1，2，…n‑1)通过包括次环误差放大器、次环比较器、次环斜坡补偿电路、次级开关占空比时序控制电路和驱动控制电路构成的次环控制电路，产生n个次级开关占空比信号Di(i＝1，2，…n)，分别控制各输出支路中次级功率开关管Sni(i＝1，2，…n)的通断；其特征在于：通过直接检测各输出支路开关管上的电流变化来体现负载电流的变化，并作为前馈电流及时地将任一路负载电流的变化反映到次环各支路的控制电路中，实现快速调节占空比提高负载瞬态响应能力，避免由于负载瞬态响应慢而导致的系统不稳定，具体方法是：在每个输出支路中增设负载电流采样网络，分别采样流过各输出支路中次级功率开关管Sni(i＝1，2，…n)的电流Ici(i＝1，2，...n)并将其转换为反映各输出支路负载电流变化的电压信号Vsensei(i＝1，2，...n)，将各支路的输出电压Voi(i＝1，2，…n)分别与各输出支路负载电流变化的电压信号Vsensei(i＝1，2，...n)对应相减，即Vol‑Vsensel…Voi‑Vsensei…Von‑Vsensen，所得之差值分别作为输出电压采样反馈网络的输入信号。...

【技术特征摘要】
1.一种提高单电感多输出电源变换器负载瞬态响应的方法，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Voi(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、主环控制电路和次环控制电路，主环控制电路采用共模峰值电流模式，决定电感
L的充电时间，次环控制电路采用差模电压模式，决定电感电流IL在N个输出支路中的
分配，输出电压采样反馈网络输出的共模电压Vcm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电路，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；输出
电压采样反馈网络模块输出的差模电压Vdmi(i＝1，2，…n-1)通过包括次环误差放大器、次
环比较器、次环斜坡补偿电路、次级开关占空比时序控制电路和驱动控制电路构成的次环
控制电路，产生n个次级开关占空比信号Di(i＝1，2，…n)，分别控制各输出支路中次级功
率开关管Sni(i＝1，2，…n)的通断；
其特征在于：通过直接检测各输出支路开关管上的电流变化来体现负载电流的变化，
并作为前馈电流及时地将任一路负载电流的变化反映到次环各支路的控制电路中，实现快
速调节占空比提高负载瞬态响应能力，避免由于负载瞬态响应慢而导致的系统不稳定，具
体方法是：
在每个输出支路中增设负载电流采样网络，分别采样流过各输出支路中次级功率开关
管Sni(i＝1，2，…n)的电流Ici(i＝1，2，...n)并将其转换为反映各输出支路负载电流变化的电压
信号Vsensei(i＝1，2，...n)，将各支路的输出电压Voi(i＝1，2，…n)分别与各输出支路负载电流
变...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟锋，薛尚嵘，张玉浩，宋慧滨，李杰，祝靖，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32