一种基于动态导通时间限制的单电感多输出DC-DC变换器控制方法技术

单电感多输出DC

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态导通时间限制的单电感多输出DC
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DC变换器控制方法

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[0001]本专利技术涉及开关电源，单电感多输出DC
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DC变换器领域。

技术介绍
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[0002]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。
[0003]单电感多输出DC
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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
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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。

技术实现思路
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[0004]本专利技术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
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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。
[0005]采用本专利技术中的控制方法后，一个两输出升压DC
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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。
[0006]一个两输出升压DC
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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。
[0007]两输出升压DC
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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。
[0008]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。
[0009]导通时间限制的算法如图5(以第一路输出端vo1为例，vo2类似)。在每个开关周期内，当vo1导通时会计算当前步长cur_len1和最大步长max_len1。cur_len1表示该输出的现有导通的时间，即每隔一段固定时间，cur_len1就会加1；max_len1表示该路的最大导通时间，即如果在导通时间内cur_len1＝max_len1，说明该路导通时间达到上限，不管该路的电压是否达到参考值，都会跳转到下一个状态。通过在充电时比较cur_len1和max_len1以及vo1和vref1的关系，控制状态的跳转。
附图说明：
[0010]附图1输出负载变大时电感电流变化曲线图
[0011]附图2输出负载变小时电感电流变化曲线图
[0012]附图3系统整体结构图
[0013]附图4开关状态控制的状态转移图
[0014]附图5状态S1中当前步长和最大步长的计算流程图
具体实施方式：
[0015]本专利技术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
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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。
[0016]采用本专利技术中的控制方法后，一个两输出升压DC
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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。
[0017]一个两输出升压DC
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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。
[0018]两输出升压DC
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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。
[0019]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，用于初始化，当系统复位即rstn＝0时，状态会跳转到IDLE；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控制电感短路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态导通时间限制的低交调单电感多输出DC
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DC变换器控制方法，其特征在于：1)在负载变大时，限制每一路输出的最大导通时间；2)在负载变小并所有输出电压超过参考电压时，短路电感；3)在每路输出导通时，计算该路现有的导通时间，并与最大导通时间对比，如果现有导通时间等于最大导通时间，并且输出电压大于参考电压，那么该路输出开关断开，最大导通时间不变；4)在每路输出导通...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜刚，董伟华，董艺，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：