具有脉冲省略模式的单电感多输出直流/直流转换器制造技术

一种单电感器多输出直流‑直流转换器，包括耦合到第一输入开关和第二输入开关的电感器用于存储来自电源的能量，其中第一输入开关耦合到输入电源节点，第二输入开关耦合到接地点，第一和第二开关控制通过电感器的电流；多个输出开关，每个输出开关耦合到一个共接电感器节点和相应的输出电源节点，每个输出电源节点具有从输入电源节点接收的输入电压转换的电压；一个飞轮开关，耦合在这个共接电感器节点和地之间；控制电路接收感测的电感器电流和代表输出电压与其对应的参考电压之间的误差信号的多个反馈信号，该控制电路被配置为控制电感器的时序和充电电流，并通过激活一个或多个输出开关来放电电感器的电流到相应的输出电源节点。

Single inductor multi output DC / DC converter with pulse omitting mode

【技术实现步骤摘要】
具有脉冲省略模式的单电感多输出直流/直流转换器
本专利技术涉及一种直流/直流转换器，特别是一种具有脉冲省略模式的直流/直流转换器。
技术介绍
当今的许多电子系统都需要能够在更高系统电压下工作的电源，例子包括为汽车、工业和通信设备设计的系统，其操作输入电压可以是12V、24V或48V，并且可以在很大范围内变化且具有传输尖峰，因此可能容易对设备造成损坏。汽车电子设备由汽车电池供电，汽车电池经历瞬态负载，如冷曲柄和负载突降，范围可以从5V到40V以上。此外，启动-停止等技术在某些情况下会使瞬态范围降至3V。这需要电池外电力集成电路(off-batterypowerIC)以承受恶劣条件并可靠地为整个辆车提供电力。在先进的驾驶员辅助系统中使用的一些电子设备(例如汽车摄像机)正在快速增长。为了支援汽车摄像头的运行，典型的汽车摄像头电源解决方案包括：同轴电源滤波器网络、中-输入电压降压直流-直流转换器(mid-VINstep-downDC-DCconverter)和低-输入电压电源管理集成电路(low-VINPMIC)，通常用于高效成像器及其伴随的串行器的电源电压。为了满足小尺寸易于安装以及图像传感器的低热波动解决方案的要求，整合一个多输出降压直流-直流转换器(buckDC-DCconverter)作为一个电源管理集成电路(powermanagementIC；PMIC)适用于此应用。多个并联直流-直流降压转换器最常用于产生多个输出电压或电流。传统多输出降压转换器使用由两级功率转换组成，图1显示传统多输出降压转换器。由于直流-直流降压转换器的固有特性，它可以通过分布电压/电流位准实现高功率效率。但是，这种拓扑需要四个电感(L1，L21，L22和L23)用于三个输出(VOUT1，VOUT2和VOUT3)，因此会产生更大的形状因子(formfactor)，不利于电子器件微型化。单电感器多输出(SIMO)架构通过将功能集成到需要多个分立组件的较小器件中，为需要良好热性能的微型器件提供了更好的解决方案。如图2中所示。单电感器多输出(SIMO)降压转换器可以支持多个输出级(VOUT1，VOUT2和VOUT3)，同时仅使用一个电感(L1)，其转换效率为一级效率，如果必要的话利用低压差稳压器(lowdropoutregulator；LDO)可以降低更大的输出电压纹波。单电感器多输出(SIMO)降压转换器与传统的两级多输出转换器相比具有许多优点，例如它们具有体积小、重量轻以及显著的整体成本节省的优点。此外，低压差稳压器(LDO)的压差电压可以分别设置为足够低(例如50mV～100mV)以优化功率效率，并且其最终总功率效率于许多应用条件下可以与图1中的传统两级配置竞争。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，复杂且具有高成本。单电感器多输出(SIMO)拓扑结构能够同时产生独立控制的降压、升压和降压-升压输出。于是，一种用于减少单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器中的交叉调节(crossregulation)的控制方案被开发。由于单电感器多输出(SIMO)转换器可以在仅使用一个电感器的情况下支持多个输出，因此它可以最大限度地减少组件数量，从而降低生产成本。显然可以大大减小印刷电路板的面积，从而使设备小型化。然而，由于耦合输出，单电感器多输出(SIMO)转换器的交叉调节(crossregulation)容易遭受系统动态不稳定性的影响。对于每个输出独立调节的多输出转换器，如果一个输出受到其他输出变化的影响，则会发生瞬态交叉调节。因此，在单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器设计中需要最小化交叉调节(crossregulation)，同时改善功率输送品质和负载驱动能力也是重要的。例如，由于需要提高电源管理集成电路(PMIC)的功率效率，作为关键器件的单电感器多输出(SIMO)转换器也应在各种负载条件下运行，例如重负载条件下的连续电流模式(CCM)、轻负载条件下的不连续电流模式(DCM)、以及极端轻载或空载条件下的条件和脉冲省略模式。为了实现这些目标，具有新颖控制方案的单电感器多输出(SIMO)架构仍然是迫切需要的。
技术实现思路
基于上述理由，本专利技术提出一种具有脉冲省略模式的直流/直流转换器，其包括耦合到第一输入开关和第二输入开关的电感器用于存储来自电源的能量，其中第一输入开关耦合到输入电源节点，第二输入开关是耦合到接地点，第一和第二开关控制通过电感器的电流；复数个输出开关耦合到共接电感器节点和相应的输出电源节点，每个输出电源节点具有从输入电源节点接收的输入电压转换的电压；一个飞轮开关，耦合在共接电感器节点和地之间；控制电路接收感测的电感器电流和指示输出电压与其对应的参考电压之间的误差信号的多个反馈信号，该控制电路被配置为通过激活输入开关之一并通过顺序激活输出开关中的一个来控制电感器的时序和充电电流；其中第一输入开关和第一输出开关由控制电路中的振荡器触发，用于执行恒定频率操作；其中，第一输入开关的控制信号响应于复数个反馈信号和感测的电感电流，第二输入开关的控制信号是一个与第一输入开关控制信号非重迭的信号；其中，所述复数个输出开关，每个输出开关响应其对应的输出电压、参考电压和感应的电感电流；其中，所述复数个输出开关依次导通，最后一个输出开关在所有其他输出开关依次导通后具有剩余时间周期。根据本专利技术的一个较佳实施例，如果输出电源节点之一在轻负载时进入脉冲省略模式，则跳过相应输出开关的控制信号，并且在剩余时间段内接通飞轮开关(freewheelswitch)。根据本专利技术的一个较佳实施例，电感器电流在新的时钟周期之前时，输出电源节点的相应输出开关跳过进入脉冲省略模式的相位处被放电到零电流。根据本专利技术的一个较佳实施例，复数个输出开关根据其对应的输出电源节点顺序地接通，具有从最低电压到最高电压的顺序。附图说明本专利技术的组件，特征和优点可以通过说明书中所概述的较佳实施例的详细描述和附图来理解：图1显示根据现有技术的传统的两级多输出降压转换器。图2显示根据现有技术的具有低压差稳压器(LDOs)的单电感器多输出(SIMO)转换器。图3a显示本专利技术实施中单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的电路。图3b显示本专利技术实施中单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的充电控制信号时序图。图3c显示本专利技术实施中在最后切换阶段具有脉冲省略操作的负载瞬态情况下单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的充电控制信号时序图。图4a-图4b显示本专利技术实施中的单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的背对背开关配置示意图。图5a显示本专利技术另一个实施例中的单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的背靠背开关配置示意图。图5b显示本专利技术实施例中的动态体偏置(DBB)电路图。图6a显示本专利技术实施例中单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器的死区时间控制的时序图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其包括：/n一个电感器，一端耦合到一个第一输入开关和一个第二输入开关，另一端为共接电感器节点，用于转换来自电源的能量，其中该第一输入开关耦合到一个输入电源节点，该第二输入开关耦合到接地点，该第一和第二输入开关控制通过电感器的电流；/n复数个输出开关，每个输出开关耦合到该共接电感器节点和一个相应的输出电源节点，每个输出电源节点具有一个从该输入电源节点接收的输入电压所转换的输出电压；/n一个飞轮开关，耦合在该共接电感器节点和该接地点之间；/n一个控制电路，接收对该电感器感测的电感电流和复数个反馈信号，各个反馈信号代表各个输出电压与其对应的参考电压之间的误差信号，该控制电路被配置为通过激活该输入开关之一并通过依顺序激活复数个该输出开关中的一个，以控制该电感器的时序和充电电流；/n其中该第一输入开关和对应的第一输出开关是由该控制电路内的一个震荡器所触发，用以执行固定频率操作；/n其中该第一输入开关的一个控制信号响应于该复数个反馈信号和该感测的电感电流，且该第二输入开关具有一个与该第一输入开关控制信号非重迭的控制信号；/n其中该复数个输出开关中的每一个输出开关响应于其相对应的输出电压、参考电压以及所感测的电感电流；及/n其中该复数个输出开关是依序被导通，该第一输出开关是第一个被导通的输出开关，最后被导通的输出开关在所有其他输出开关依次导通后具有剩余时间周期。/n...

【技术特征摘要】
20181018 US 16/164,7551.一种单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其包括：
一个电感器，一端耦合到一个第一输入开关和一个第二输入开关，另一端为共接电感器节点，用于转换来自电源的能量，其中该第一输入开关耦合到一个输入电源节点，该第二输入开关耦合到接地点，该第一和第二输入开关控制通过电感器的电流；
复数个输出开关，每个输出开关耦合到该共接电感器节点和一个相应的输出电源节点，每个输出电源节点具有一个从该输入电源节点接收的输入电压所转换的输出电压；
一个飞轮开关，耦合在该共接电感器节点和该接地点之间；
一个控制电路，接收对该电感器感测的电感电流和复数个反馈信号，各个反馈信号代表各个输出电压与其对应的参考电压之间的误差信号，该控制电路被配置为通过激活该输入开关之一并通过依顺序激活复数个该输出开关中的一个，以控制该电感器的时序和充电电流；
其中该第一输入开关和对应的第一输出开关是由该控制电路内的一个震荡器所触发，用以执行固定频率操作；
其中该第一输入开关的一个控制信号响应于该复数个反馈信号和该感测的电感电流，且该第二输入开关具有一个与该第一输入开关控制信号非重迭的控制信号；
其中该复数个输出开关中的每一个输出开关响应于其相对应的输出电压、参考电压以及所感测的电感电流；及
其中该复数个输出开关是依序被导通，该第一输出开关是第一个被导通的输出开关，最后被导通的输出开关在所有其他输出开关依次导通后具有剩余时间周期。


2.根据权利要求1所述的单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其中最后一个输出电源节点于轻负载时进入脉冲省略模式，其中相对应的输出开关的控制信号被跳过，并且于剩余时间周期导通上述飞轮开关。


3.根据权利要求2所述的单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其中上述的电感电流在新的时钟周期之前时，上述的输出电源节点的相应输出开关跳过进入脉冲省略模式的相位处被放电到零电流。


4.根据权利要求3所述的单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其中上述的复数个输出电源节点中具有最高输出电压的输出电源节点所对应的输出开关被配置为具有体二极管，其阳极连接到上述共接电感器节点，阴极连接到该具有最高输出电压的输出电源节点，剩余输出开关被配置使得该共接电感...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏维信，许益诚，谢维伦，
申请(专利权)人：博发电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71