CN117811335B - 低电压纹波的直流-直流转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流‑直流转换器，其包括：包括电感的转换电路、根据每个输出支路的反馈电压确定每个输出支路的过压保护信号是否有效的电压检测电路、在所述电感电流大于或等于峰值电流阈值时输出有效的过流保护信号的过流保护模块、在所述电感被充电且所述过流保护信号和当前被充电的输出支路的过压保护信号中有一个有效时输出有效的实际过流保护信号的预处理模块和在实际过流保护信号有效时使得停止给所述电感充电的逻辑控制模块。这样，可以自适应的选择电感的峰值电流，从而解决轻载输出电压纹波大的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及电源领域，特别涉及一种低电压纹波的直流-直流转换器。
【背景技术】
随着人们对成本、体积和效率的要求越来越高，单电感多输出直流-直流转换器(single-inductor multi-output DC-DC converter，SIMO-DCDC)采用共享电感的方式，减少封装管脚和片外电感数量，同时提供多个不同的输出电压，减小片外元器件成本和提升电源效率，在Soc和便携式电子系统应用中具有很大的优势。然而单电感多输出的结构也带来输出纹波和毛刺增大、交叉影响、电压电流范围受限等一系列问题。
相较于传统的电压控制模式，电流控制模式的DCDC更受用户喜欢，以输出电压迟滞控制配合电感电流峰谷值固定控制模式为例，此调制方式采用电感峰值电流限制和一个最小关闭或最大开启时间，工作于此模式下，当输出电压低于设计值，功率开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时将功率开关管关闭，电感电流开始下降，当该段时间结束，反馈电路通过对输出电压检测，比较输出电压是否低于设计值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管，此时的电感峰值电流固定，输出电压的纹波也取决于设置的电感电流峰值，设置合适的电感峰值电流就成了关键点，如果设置的较小，纹波会变小，但当负载电流变大后，可能带不动输出电压，所以一般设置时，会留出负载电流变化的余量。当输出负载小时，就会导致输出电压纹波变大，并且在充电过程中若负载突然释放掉，电感中的全部能量会注入到输出电容中，从而出现较大过冲电压的问题。尤其当此控制模式应用在SIMO-DCDC转换器时，不同输出支路的负载电流差异较大，负载变化情况更复杂时，设置合适的电感峰值电流就更为重要和困难。
因此，有必要提出一种新的技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种低电压纹波的直流-直流转换器，其可以自适应的选择电感的峰值电流，从而解决电感峰值电流设置困难、轻载输出电压纹波大的问题。
根据本发明的一个方面，本发明提出一种直流-直流转换器，其包括：转换电路，其包括输入电源端、转换开关组件、电感和至少一条输出支路，每条输出支路包括支路输出端；电压检测电路，被配置的根据每个输出支路的反馈电压确定每个输出支路的过压保护信号是否有效，每个输出支路的过压保护信号有效，表示该输出支路不需要充电，每个输出支路的过压保护信号无效，表示该输出支路需要充电；过流保护模块，被配置的检测所述电感的电流，并在所述电感电流大于或等于峰值电流阈值时，输出有效的过流保护信号，否则输出无效的过流保护信号；预处理模块，被配置的在所述电感被充电且所述过流保护信号和当前被充电的输出支路的过压保护信号中有一个有效时，输出有效的实际过流保护信号，否则，输出无效的实际过流保护信号，逻辑控制模块，被配置在实际过流保护信号有效时，控制所述转换开关组合使得所述输入电源端停止给所述电感充电。
与现有技术相比，本发明中的预处理模块在所述电感被充电且所述过流保护信号和当前被充电的输出支路的过压保护信号中有一个有效时，输出有效的实际过流保护信号，逻辑控制模块在实际过流保护信号有效时，控制所述转换开关组合使得所述输入电源端停止给所述电感充电，可以自适应的选择电感的峰值电流值，从而解决电感峰值电流设置困难、轻载输出电压纹波大的问题。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为一种传统的单电感多输出直流-直流转换器的电路结构示意图；
图2为本发明中的单电感多输出直流-直流转换器的电路结构示意图；
图3为传统的直流-直流转换器在一个应用实例中的各个信号的示意图；
图4为图2中的直流-直流转换器在一个应用实例中的各个信号的示意图；
图5为图2中的预处理模块在一个实施例中的电路结构示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接、耦接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
图1示出了传统的一种单电感多输出的直流-直流转换器。如图1所示的，直流-直流转换器包括转换电路、电压采集模块120、电压检测模块130、逻辑控制模块140、过流保护(Over Current Protection)模块150、反流(Reverse Current Protection)保护模块160。转换电路包括连接于输入电源端VDD和接地端之间的第一转换开关PM0和第二转换开关NM0、连接于中间节点SW1(第一转换开关PM0和第二转换开关NM0的连接节点)和SW2之间的电感L1、连接于中间节点SW2的n个输出支路。每个输出支路包括一个支路开关M1-Mn、一个支路输出端Vout1-Voutn和一个输出电容C1-Cn。n大于等于1。第一转换开关PM0也可以被称为功率开关管PM0，第二转换开关NM0可以被称为整流开关管NM0。
电压采集模块120包括连接于各个输出支路的支路输出端Vout1-Voutn和接地端之间的多个分压电路。每个分压电路包括第一分压电阻RFB1a-RFBna和第二分压电阻RFB2b-RFBnb，第一分压电阻RFB1a-RFBna和第二分压电阻RFB2b-RFBnb的中间节点采集得到每个输出支路的反馈电压FB1-FBn。
电压检测模块130将每个输出支路的反馈电压FB1-FBn对相应参考电压Vref1-Vref2进行迟滞比较确定每个输出支路的过压保护信号OVP(Over Voltage Protection)是否有效，比如高电平有效，低电平无效。在一个输出支路的过压保护信号OVP有效时，表示这个输出支路的输出电压已经达到了设计要求，不需要被充电，其中过压保护信号OVP无效表示这个输出支路的输出电压还未达到了设计要求，需要被充电。电压检测模块130中的每个比较器CMP1-CMPn进行的是迟滞比较，相应参考电压Vref1-Vrefn实际上有两个参考电压，即过压保护信号OVP从低电平翻转到高电平时的参考电压高于过压保护信号OVP从高电平翻转到低电平时的参考电压，关于迟滞比较是现有技术，此时不再赘述。
逻辑控制模块140对电压检测模块输出的过压保护信号OVP1-n进行采样，由状态机轮循机制给各输出支路充电。在有一个输出支路的过压保护信号OVP为无效时，逻辑控制模块140通过驱动信号PDRV和驱动信号NDRV驱动第一转换开关PM0导通，第二转换开关NM0断开，过流保护模块150中的峰值检测开关IS1、所需充电的输出支路的一个支路开关Si(i＝1,2…n)导通。
此时电感L1电流增加，过流保护模块150通过中间节点SW1的电压检测电感电流，当电感电流大于设定的峰值电流阈值时，过流保护模块150输出有效(比如低电平脉冲有效)的过流保护信号OCP，并送入逻辑控制模块140。逻辑控制模块140通过驱动信号PDRV、驱动信号NDRV信号使第一转换开关PM0断开，第二转换开关NM0导通，峰值检测开关IS1关闭。电感由充电状态转换为放电状态，即电感的电流逐渐下降，反流保护模块160中的谷值检测开关IS2导通，当电感的电流小于设置的谷值电流阈值时，反流保护模块160输出有效(比如高电平脉冲有效)的反流保护信号RCP。若没有其他输出支路需要充电，则令逻辑控制模块140控制第一转换开关PM0断开，第二转换开关NM0断开。若有其他输出支路需要充电，则状态机轮循机制会重复上述的充电过程。需要注意的是，在同一时刻，通过电感仅能给一个输出支路充电，不能给同时给多个输出支路充电。也就是说，在一个支路开关导通时，其他支路开关需要断开。
图2为本发明中的单电感多输出直流-直流转换器200的电路结构示意图。如图2所示的，直流-直流转换器200包括转换电路210、电压采集模块220、电压检测模块230、逻辑控制模块240、过流保护模块250、反流保护模块260。转换电路210包括连接于输入电源端VDD和接地端之间的第一转换开关PM0和第二转换开关NM0、连接于中间节点SW1(第一转换开关PM0和第二转换开关NM0的连接节点)和SW2之间的电感L1、连接于中间节点SW2的n个输出支路。每个输出支路(可以被简称支路)包括一个支路开关M1-Mn、一个支路输出端Vout1-Voutn和一个输出电容C1-Cn。n大于等于1。第一转换开关PM0也可以被称为功率开关管PM0，第二转换开关NM0可以被称为整流开关管NM0。电压采集模块220可以参考图1中的电压采集模块120，此处不再赘述。此外，其他与图1中的直流-直流转换器100相同的部分，这里也不再重复。
相对于传统的直流-直流转换器100，本发明中的直流-直流转换器200进行如下改进：增加过流自适应模块290，过流自适应模块290在电感被充电且过流保护信号和当前被充电的输出支路的过压保护信号中有一个有效时，输出有效(比如低电平脉冲有效)的实际过流保护信号OCP_TURE，逻辑控制模块240在实际过流保护信号OCP_TURE有效时，控制转换开关组合使得输入电源端VDD停止给电感L1充电。这样，可以自适应的选择电感的峰值电流，从而解决电感峰值电流设置困难、轻载输出电压纹波大的问题，同样也可以让电感的峰值电流和各路输出支路中的负载能更好的匹配，进一步提升DC-DC转换效率。
在一个实施例中，过流自适应模块290在电感被充电且过流保护信号OCP和当前被充电的输出支路的过压保护信号OVP中有一个有效时，输出有效(比如低电平脉冲有效)的实际过流保护信号OCP_TURE，否则，输出无效的实际过流保护信号OCP_TURE。逻辑控制模块240在实际过流保护信号OCP_TURE有效时，控制第一转换开关PM0截止，第二转换开关NM0导通，此时输入电源端VDD停止给电感L1充电。
图5为图2中的预处理模块290在一个实施例中的电路结构示意图。如图5所示的，预处理模块290包括第一选通单元、逻辑单元291和第二选通单元292。第一选通单元从各个输出支路的过压保护信号OVP1-OVPn中选中并输出当前被充电的输出支路的过压保护信号OVP。逻辑单元291的第一输入端与第一选通单元的输出端相连以接收当前被充电的输出支路的过压保护信号OVP，逻辑单元291的第二输入端与过流保护模块250的输出端相连以接收过流保护信号OCP。逻辑单元291在当前被充电的输出支路的过压保护信号OVP和过流保护信号OCP(比如低电平脉冲有效)中有一个是有效时，则输出有效(比如低电平脉冲有效)的过压/过流保护信号OVP_OCP，否则，输出无效的过压/过流保护信号。第二选通单元292的第一输入端A与逻辑单元291的输出端相连以接收过压/过流保护信号，第二选通单元292的第二输入端B与过流保护模块的输出端相连以接收过流保护信号。
第二选通单元292的设置端SET接驱动信号NDRV。第二选通单元292在电感被充电时选择第一输入端接收的过压/过流保护信号作为实际过流保护信号并输出，第二选通单元292在电感未被充电时选择第二输入端接收的过流保护信号作为实际过流保护信号并输出。
过压保护信号OVP为高电平有效，过流保护信号是低电平脉冲有效。逻辑单元291包括低电平脉冲器、与非门和反相器，低电平脉冲器的输入端作为逻辑单元291的第一输入端，低电平脉冲器的输出端与与非门的一个输入端相连，与非门的另一个输入端作为逻辑单元的第二输入端，与非门的输出端与反相器的输入端相连，反相器的输出端作为逻辑单元的输出端，第二选通单元291的设置端Set与第二转换开关的驱动信号NDRV相连。
在当前充电的输出支路的过压保护信号OVP变为高电平后产生一个低电平脉冲信号，并代替过流保护信号OCP的低电平脉冲信号。第二选通单元291是二选一模块，当设置端Set为高电平时选择B，当设置端为低电平时选择A。具体工作过程，当前充电的输出支路的过压保护信号OVP变为高电平后产生一个低电平脉冲，和过流保护信号OCP做逻辑与，当电感L1充电时，驱动信号NDRV为低电平，第二选通单元291选择A，此时若是信号OVP先翻转为高电平，则信号OVP_OCP会在信号OVP翻转为高电平时产生一个下降沿脉冲，同时OCP_TRUE会使电感停止充电并开始放电，若信号OVP没有在OCP的下降沿脉冲产生前变为高电平或者在电感放电过程中才翻转为高电平则仍使用信号OCP的下降沿脉冲。
图3为电感电流峰谷值固定模式下各个信号的时序图，图4为本发明中的峰值电流自适应控制模式下各个信号的时序图。图3中，给第i支路充电时，虚线表示第i支路的OVP状态，可以看到当前第i支路电压在电感电流没有充到设置的峰值电流阈值时就已经到达设计值，OVPi翻转为高电平，但此时的电感电流仍在增大，为第i支路充电，此时的第i支路电压开始过冲，纹波也随之变大。图4为优化后的峰值电流自适应控制模式，可以看到，同样的情况，在OVPi翻转为高电平时，OVPi的上升沿在预处理模块中生成了一个新的高电平脉冲(为了方便和RCP一起显示，因此用表示，即OCP的低电平脉冲)，使电感停止充电并开始放电，避免第i支路出现过冲，降低整体输出电压纹波。
本发明方案与现有技术方案相比，同时检测电感电流和输出电压，在面对SIMO-DCDC转换器各支路不同电压，不同负载电流情况下，比现有的电感电流峰谷值固定的控制模式更加的灵活，尤其在小负载，大电感峰值电流设置时，可以避免小负载支路电压过冲，减少其它支路等待充电的时间，同时能让负载电流大小和电感峰值电流自适应的匹配，降低了输出电压的纹波，减小了能量的损耗，进一步提高SIMO-DCDC转换器的效率。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”、“耦接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (5)
1.一种直流-直流转换器，其特征在于，其包括：
转换电路，其包括输入电源端、转换开关组件、电感和至少一条输出支路，每条输出支路包括支路输出端；
电压检测电路，被配置的根据每个输出支路的反馈电压确定每个输出支路的过压保护信号是否有效，每个输出支路的过压保护信号有效，表示该输出支路不需要充电，每个输出支路的过压保护信号无效，表示该输出支路需要充电；
过流保护模块，被配置的检测所述电感的电流，并在所述电感电流大于或等于峰值电流阈值时，输出有效的过流保护信号，否则输出无效的过流保护信号；
预处理模块，被配置的在所述电感被充电且所述过流保护信号和当前被充电的输出支路的过压保护信号中有一个有效时，输出有效的实际过流保护信号，否则，输出无效的实际过流保护信号，
逻辑控制模块，被配置在实际过流保护信号有效时，控制所述转换开关组合使得所述输入电源端停止给所述电感充电，
其还包括：反流保护模块，被配置的检测所述电感的电流，并在所述电感电流小于或等于谷值电流阈值时，输出有效的反流保护信号，否则输出无效的反流保护信号；
电压采样模块，其用于对每个支路输出端的电压进行采集得到每个输出支路的反馈电压；
每条输出支路还包括支路开关，
逻辑控制模块，根据每个输出支路的过压保护信号、所述实际过流保护信号、所述反流保护信号控制所述转换开关组件以使得所述输入电源端开始或停止给所述电感充电、控制每个支路开关以使得所述电感在同一个时刻仅给一个输出支路充电。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，
所述转换开关组件包括：连接于输入电源端和中间节点SW1之间的第一转换开关和连接于中间节点SW1和接地端之间的第二转换开关；所述电感连接于中间节点SW1和中间节点SW2之间，每个输出支路的输入端连接至中间节点SW2，
在至少有一个输出支路的过压保护信号为无效时，所述逻辑控制模块控制第一转换开关导通，第二转换开关截止，此时所述输入电源端开始给所述电感充电，所述电感电流逐渐升高，同时控制一个过压保护信号为无效的输出支路的支路开关导通，所述电感给该支路开关导通的输出支路充电；
在所述过流保护信号有效时，所述逻辑控制模块控制第一转换开关截止，第二转换开关导通，此时所述输入电源端停止给所述电感充电，所述电感电流逐渐降低；
在所述反流保护信号有效时，所述逻辑控制模块控制第二转换开关截止。
3.根据权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，
在至少有一个输出支路的过压保护信号为无效时，所述逻辑控制模块通过轮循方式依次控制过压保护信号为无效的至少一个输出支路的支路开关导通；
每个输出支路包括：连接于所述支路输出端和接地端之间的输出电容；
所述反流保护模块通过采集所述中间节点SW1的电压并将其与谷值电流阈值进行比较，并根据比较结果输出反流保护信号；
所述过流保护模块通过采集所述中间节点SW1的电压并将其与峰值电流阈值进行比较，并根据比较结果输出过流保护信号，
所述电压检测电路将每个输出支路的反馈电压与相应参考电压进行比较，根据比较结果确定每个输出支路的过压保护信号是否有效。
4.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，
所述预处理模块包括第一选通单元、逻辑单元和第二选通单元，
第一选通单元从各个输出支路的过压保护信号中选中并输出当前被充电的输出支路的过压保护信号，
所述逻辑单元的第一输入端与所述第一选通单元的输出端相连以接收当前被充电的输出支路的过压保护信号，所述逻辑单元的第二输入端与所述过流保护模块的输出端相连以接收所述过流保护信号，
所述逻辑单元在当前被充电的输出支路的过压保护信号和所述过流保护信号中有一个是有效时，则输出有效的过压/过流保护信号，否则，输出无效的过压/过流保护信号，
第二选通单元的第一输入端与所述逻辑单元的输出端相连以接收过压/过流保护信号，第二选通单元的第二输入端与所述过流保护模块的输出端相连以接收所述过流保护信号，
第二选通单元在所述电感被充电时选择第一输入端接收的过压/过流保护信号作为实际过流保护信号并输出，第二选通单元在所述电感未被充电时选择第二输入端接收的过流保护信号作为实际过流保护信号并输出。
5.根据权利要求4所述的直流-直流转换器，其特征在于，
所述过压保护信号为高电平有效，所述过流保护信号为低电平脉冲有效，
所述逻辑单元包括低电平脉冲器、与非门和非门，所述低电平脉冲器的输入端作为所述逻辑单元的第一输入端，所述低电平脉冲器的输出端与所述与非门的一个输入端相连，所述与非门的另一个输入端作为所述逻辑单元的第二输入端，所述与非门的输出端与所述非门的输入端相连，所述非门的输出端作为所述逻辑单元的输出端，
所述第二选通单元的控制端与所述转换开关组件中的第二转换开关的驱动信号相连。
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