一种单电感多输出直流/直流转换器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种单电感多输出直流/直流转换器
本专利技术涉及一种直流/直流转换器，特别是一种单电感多输出的直流/直流转换器。
技术介绍
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(formfactor)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-inductormultiple-output；SIMO)技术的小型低功率的功率管理集成电路(powermanagementICs)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(VO1、VO2、VO3及VO4)，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SP、SN，飞轮开关SF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(dutycycle)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(discontinuousconductionmode；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(voltageripple)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。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。为了改善时间多工(time-multiplexing)控制方案中的功率输送能力、转换效率与电压涟波等问题，有序功率分配控制(ordered-power-distributive-control；OPDC)方案在相同的电感器通电周期会依序地将电感器的磁能分配至所有输出。如图1c所示，一充电周期包括对电感器电流充电以及向输出节点放电，其中每个输出开关一次接通以共享电感器电流。由于所有输出均在一个周期内调节，因此有序功率分配控制(OPDC)方案可以为相对较大数量的输出通道产生较小电压涟波。电感器电流不必放电至零，因此它可以在连续导通模式(continuousconductionmode；CCM)下工作，其具有较小的峰值电感器电流。因此，可以实现更小的开关损耗以及更高的输出功率输送。然而，由于随身听式、可穿戴式、以及其它微型电池供电的电子装置对PMICs的功率效率要求持续增加，作为关键设备的单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器也应该能在各种负载条件下操作，例如于重负载条件下连续导通模式(continuousconductionmode；CCM)、于轻负载条件下不连续导通模式(discontinuousconductionmode；DCM)、以及于极轻负载或无负载条件下的脉冲省略模式(pulseskippingmode；PSM)。此外，电池电压会随者使用时间而变化，在此应用中，最高电压通道有时需要自动降压-升压(auto-buck-boost)功能。因此，于实际应用上利用SIMO直流-直流转换器于优化上述所有操作模式并具有降压-升压(buck-boost)输出通道的更先进控制方案依然是迫切需要的。
技术实现思路
本专利技术提出了一种具有降压-升压输出通道、不连续导通模式(discontinuousconductionmode；DCM)、脉冲省略模式(pulseskippingmode；PSM)、以及全关断时间开关控制的单电感器多输出(SIMO)直流-直流转换器。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；一振荡器提供恒定频率时钟周期；其中该第一输入开关在每个时钟周期的开始被触发；其中该第一输入开关的一个控制讯号响应于该复数个回馈讯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；一个控制电路响应于该电感器感测的电感电流、该复数个回馈讯号、以及其相应的参考电压，该控制电路被配置为通过启动该输入开关之一并通过依顺序启动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；其中该复数个输出开关中的每一个输出开关回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；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所具有剩余时间周期；以及其中本文档来自技高网...

【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一个电感器耦合到一个第一输入开关和一个第二输入开关，用于转换来自电源的能量，其中，所述第一输入开关耦合到一个输入供电节点，所述第二输入开关是耦合到接地点，所述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一个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从一个输入电源节点接收的输入电压所转换的输出电压；/n复数个回馈讯号，每个所述回馈讯号正比于其分别相对应的所述输出电源节点的输出电压；/n一个飞轮开关，耦合在所述共接电感器节点和所述接地点之间；/n一震荡器提供一个固定频率时钟周期；/n其中，所述第一输入开关在每个时钟周期的开始被触发；/n其中，所述第一输入开关的一个控制讯号响应于所述复数个回馈讯号和所述电感器感测的电感电流，且所述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一个控制电路响应于所述电感器感测的电感电流、所述复数个回馈讯号、以及其相应的参考电压，所述控制电路被配置为通过启动所述输入开关之一并通过依顺序启动复数个所述输出开关中的一个，以控制所述电感器的时序和充电电流；/n其中，所述复数个输出开关中的每一个输出开关回应于其相对应的输出电压、参考电压以及所述电感器感测的电感电流；/n其中，所述复数个输出开关是依序被导通，所述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；及/n其中，对应于最后一个输出开关的误差讯号与对应于所有剩余输出开关的的误差讯号的线性加总之间的差值，当所述差值为正且大于一预设值时，响应于所述差值的一个飞轮开关工作周期于时钟周期的开始处和输出开关依序接通前被插入。/n...

【技术特征摘要】
20190620 US 16/446,6421.一种单电感器多输出直流-直流转换器，其特征在于，其包括：
一个电感器耦合到一个第一输入开关和一个第二输入开关，用于转换来自电源的能量，其中，所述第一输入开关耦合到一个输入供电节点，所述第二输入开关是耦合到接地点，所述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一个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从一个输入电源节点接收的输入电压所转换的输出电压；
复数个回馈讯号，每个所述回馈讯号正比于其分别相对应的所述输出电源节点的输出电压；
一个飞轮开关，耦合在所述共接电感器节点和所述接地点之间；
一震荡器提供一个固定频率时钟周期；
其中，所述第一输入开关在每个时钟周期的开始被触发；
其中，所述第一输入开关的一个控制讯号响应于所述复数个回馈讯号和所述电感器感测的电感电流，且所述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；
一个控制电路响应于所述电感器感测的电感电流、所述复数个回馈讯号、以及其相应的参考电压，所述控制电路被配置为通过启动所述输入开关之一并通过依顺序启动复数个所述输出开关中的一个，以控制所述电感器的时序和充电电流；
其中，所述复数个输出开关中的每一个输出开关回应于其相对应的输出电压、参考电压以及所述电感器感测的电感电流；
其中，所述复数个输出开关是依序被导通，所述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；及
其中，对应于最后一个输出开关的误差讯号与对应于所有剩余输出开关的的误差讯号的线性加总之间的差值，当所述差值为正且大于一预设值时，响应于所述差值的一个飞轮开关工作周期于时钟周期的开始处和输出开关依序接通前被插入。


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，所述对应于最后一个输出开关的误差讯号与对应于所有剩余输出开关的的误差讯号的线性加总之间的差值可以表示为VEAk-(αk-1VEAk-1+......+α2VEA2+α1VEA1)，其中所述VEAk为对应于所述最后输出的误差放大器输出，VEAk-1,....,VEA2,VEA1分别表示剩余输出的放大器输出，αk-1,....,α2,α1则表示所述剩余输出的每个误差放大器输出的常数系数。


3.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，其所述电感电流可以在供电节点于轻负载操作条件下的状态被放电至零电流。


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，所述最后一个输出节点进入脉冲省略模式，其中相应的最后一个输出开关控制讯号被跳过，并且于剩余时钟周期导通所述飞轮开关。


5.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，所述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...

【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