專利名稱：降壓型單電感雙輸出支路開關(guān)變換器的控制方法及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換器的控制方法及控制 裝置。
背景技術(shù)：
板占用面積，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。便攜性決定設(shè)備中必須配備
儲能器，通常為可充鋰電池；而應(yīng)用環(huán)境決定在為電池充電時，設(shè)備也必 須能夠正常工作。如在便攜式播放器中，開關(guān)變換器需由輸入直流電壓產(chǎn) 生一個4. 2V直流電壓用來給電池充電，同時產(chǎn)生一個3. 3V直流電壓給解 碼芯片及其他電路。
通常情況下，如果輸入功率沒有限制，電路的元件參數(shù)，如電感、功 率管、開關(guān)頻率等，可以按照用電電路所需最大功率來設(shè)計，因此通常的 單電感雙輸出控制策略如交替控制足以達到目的。
論文 "Single-Inductor Dual-Input Dual-Output Switching Converter for Integrated Battery Charging and Power Regulation" 公開了一種單電感雙輸出的控制器(出處Circuits and Systems, 2003. ISCAS '03. Proceedings of the 2003 International Symposium on, 出版日2003年5月25-28日，II1-447- II I-450 vol. 3 ),在該控制器 一輸出支路接負載，另一輸出支路接充電電池時，控制器向兩路支路提供 輸出的時間是相對穩(wěn)定的， 一般是依次向每路輸出支路提供輸出，時間上 各占一半。因為向每路支路提供的輸出時間是穩(wěn)定的，在充電過程中，提 供給電池支路的能量會隨電池電壓的升高而減小，而負載的能耗是隨時變 化的，因此這種控制器必須考慮極端情況，即輸往負載及電池的能量均最 大的情況。以輸往負載及電池的能量均最大的情況作為設(shè)計變換器的依 據(jù)，這樣的缺點在于當電池電壓上升時，輸往電池的能量減小，變換器仍保留一半的時間給電池充電，而實際此時電感中已無電流，大部分時間是 浪費的。
隨著太陽能光伏轉(zhuǎn)換效率的提升，越來越多的便攜式設(shè)備開始選擇太 陽能電池作為供電單元。如果仍然按照電路所需最大功率來設(shè)計，合乎要
求的太陽能電池板尺寸可能會超出基本的便攜要求；而且光照強度的變 化，也會增加設(shè)計的不定因素。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換器的控制方法，根據(jù) 負載情況通過控制選通信號合理調(diào)整兩輸出支路的輸出功率比。
本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述方法的降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換 器，通過負反饋電路及有限狀態(tài)機實現(xiàn)調(diào)整兩輸出支路的輸出功率比。
向兩個輸出支路發(fā)送控制選通信號，所述的控制選通信號包括多個序 列，每個序列由l個以上時鐘周期的高電平及l(fā)個以上時鐘周期的低電平 組成；
分別采樣兩個輸出支路的輸出電壓并與基準電壓比較產(chǎn)生第一負反 饋信號和第二負反饋信號，選擇第 一 負反饋信號或第二負反饋信號與三角 波電壓信號相比較產(chǎn)生用于調(diào)整電感輸入端功率的驅(qū)動信號；
同時檢測電感的電流，當電感電流在周期末沒有歸零或當電感中有電 流的時間短于周期的0. 7倍時，調(diào)整序列中高電平的時鐘周期數(shù)和低電平 的時鐘周期數(shù)，改變兩個輸出支路的輸出功率比。
上述控制選通信號中的高電平選擇第 一 負反饋信號或第二負反饋信 號與三角波電壓信號相比較，低電平對應(yīng)選擇另一負反饋信號與三角波電 壓信號相比較。
上述控制選通信號中的高電平控制第 一輸出支路的導通和第二輸出 支路的截止，低電平控制第一輸出支路的截止和第二輸出支路的導通。
當電感電流在時鐘周期末沒有歸零，控制選通信號中每個序列增加1 個時鐘周期的高電平或減少l個時鐘周期的低電平；當電感中有電流的時 間短于周期的0. 7倍，控制選通信號中每個序列減少1個時鐘周期的高電 平或增加1個時鐘周期的低電平。為了便于控制，作為優(yōu)選實施方案，將控制選通信號中每個序列的低
電平時鐘周期數(shù)M穩(wěn)定為l個。當電感電流在時鐘周期末沒有歸零，控制 選通信號中每個序列增加1個時鐘周期的高電平；當電感中有電流的時間 短于周期的0. 7倍,控制選通信號中每個序列減小1個時鐘周期的高電平， 直到每個序列中高電平的時鐘周期數(shù)為1。
因為序列信號改變一次后可能會引起變換器暫時的不穩(wěn)定，從而使檢 測信號不準確，所以可在控制選通信號改變后維持穩(wěn)定若干個周期。
為了防止第二輸出支路的峰值電流過大，對第二輸出支路的峰值電流 進行電流限制。
為了防止第二輸出支路的峰值電流過大，可以選擇在控制選通信號導 通第二輸出支路時，對電感的峰值電流進行限制。
一種實現(xiàn)上述控制方法的開關(guān)變換器，包括第 一場效應(yīng)開關(guān)管和連接 第一場效應(yīng)開關(guān)管的電感、連接該電感輸出端的由第二場效應(yīng)開關(guān)管組成 的第一輸出支路、連接電感輸出端的由第三場效應(yīng)開關(guān)管組成的第二輸出 支路；在第一輸出支路和第二輸出支路上設(shè)置有反饋電路，反饋電路分別 對第 一輸出支路和第二輸出支路的輸出電壓采樣；
還包括一 電流檢測模塊連接電感一端，有限狀態(tài)機接收電流檢測模塊 的檢測信號和時鐘信號，輸出控制選通信號；
第二場效應(yīng)開關(guān)管和第三場效應(yīng)開關(guān)管的柵極通過防交迭驅(qū)動器接 收用于調(diào)整第 一輸出支路和第二支路的輸出功率比的控制選通信號；
反饋電路中設(shè)置有根據(jù)控制選通信號選擇輸出第 一輸出支路負反饋 信號或第二輸出支路負反饋信號的選通器；
一比較器接收選通器的負反饋信號和三角波電壓信號，并輸出驅(qū)動信
號；
第一場效應(yīng)開關(guān)管的柵極通過驅(qū)動器接收驅(qū)動信號，調(diào)整第一場效應(yīng) 開關(guān)管的輸出功率。
為了對峰值電流進行限制，在電壓輸入端連接有用于輸出支路限流的 峰值電流限制模塊，所述的驅(qū)動器接收峰值電流限制模塊的信號和有限狀 態(tài)機的控制選通信號。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明的控制方法通過調(diào)整控制選通信號序列中的高電平時鐘周期 數(shù)和低電平時鐘周期數(shù)，可高效實時地調(diào)整第 一輸出支路與第二輸出支路 的功率比，使兩輸出支路的輸出功率分配更合理。
本發(fā)明的降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換器對第 一 輸出支路和第二輸 出支路的輸出功率動態(tài)分配，使得在優(yōu)先滿足負載供電的前提下，依然能 保證對電池充電，而這兩部分的功率的總和能夠控制在一個較穩(wěn)定的范圍 內(nèi)，相比現(xiàn)有技術(shù)，即使輸入額定功率較小，也可滿足第一輸出支路負載 的正常工作。
圖l是本發(fā)明的有限狀態(tài)機的狀態(tài)示意圖2是本發(fā)明的控制裝置的電路示意圖3是本發(fā)明的防交迭驅(qū)動器的電路示意圖4是本發(fā)明的驅(qū)動器的電路示意圖5a是第一輸出支路的電流示意圖5b是輸入支路電感的電流示意圖5c是控制選通信號示意圖。
具體實施例方式
本實施例的單電感雙輸出開關(guān)變換器應(yīng)用于便攜設(shè)備中的電源電路， 包括第一場效應(yīng)開關(guān)管1和連接第一場效應(yīng)開關(guān)管1的電感2、連接該電 感2輸出端的由第二場效應(yīng)開關(guān)管3組成的第一輸出支路、連接該電感輸 出端的由第三場效應(yīng)開關(guān)管4組成的第二輸出支路，其中第二輸出支路為 充電電路，輸出端連接充電電池。在第一輸出支路和第二輸出支路上設(shè)置 有反饋電路，反饋電路分別對第一輸出支路和第二輸出支路的輸出電壓采 樣，并將采樣電壓與基準電壓8比較分別產(chǎn)生第一負反饋信號和第二負反 饋信號。在開關(guān)變換器的輸入端與第二輸出支路的輸出端跨接有充電電池 供電支路。當外部輸入電源移去后，掉電檢測模塊自動切換充電電池作為 輸入電源，繼續(xù)為第一輸出支路供電，同時關(guān)閉第二輸出支路。
本實施例的控制方法是初始時，向兩個輸出支路發(fā)送控制選通信號，所述的控制選通信號包 括多個序列，每個序列由1個時鐘周期的高電平及1個時鐘周期的低電平 組成?？刂七x通信號中的高電平控制第一輸出支路的導通和第二輸出支路 的截止，低電平控制第 一輸出支路的截止和第二輸出支^各的導通。
分別釆樣兩個輸出支路的輸出電壓并與基準電壓比較產(chǎn)生第 一 負反 饋信號和第二負反饋信號。通過控制選通信號的高電平選擇第 一 負反饋信 號與三角波電壓信號相比較，低電平對應(yīng)選擇第二負反饋信號與三角波電 壓信號相比較。比較后產(chǎn)生驅(qū)動信號，調(diào)整電感輸入端的功率。
同時4僉測電感的電流，當電感電流在時鐘周期末沒有歸零，控制選通
信號中每個序列增加1個時鐘周期的高電平；當電感中有電流的時間短于
周期的0.7倍，控制選通信號中每個序列減小1個時鐘周期的高電平，直
到每個序列中高電平的時鐘周期數(shù)為1。
因為序列信號改變一次后可能會引起變換器暫時的不穩(wěn)定，從而使檢
測信號不準確，所以在序列信號改變一次后便等待若干個周期，使系統(tǒng)穩(wěn)
定后再依據(jù)新的檢測信號改變。通常在序列信號改變后等待16個周期。 如圖1所示產(chǎn)生控制選通信號的有限狀態(tài)機的各個狀態(tài)。有限狀態(tài)機
接收電感電流檢測模塊的檢測信號和時鐘信號，輸出控制選通信號。有限
狀態(tài)機共有四個狀態(tài)
狀態(tài)l:輸出控制選通信號，控制選通信號包括l個或多個時鐘周期
的高電平及l(fā)個時鐘周期的低電平組成的序列；
狀態(tài)2:向控制選通信號里每個序列增加1個時鐘周期的高電平； 狀態(tài)3:向控制選通信號里每個序列減少1個時鐘周期的高電平； 狀態(tài)4:屏蔽"UP"信號和"DOWN"信號16個時鐘周期，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。
當控制選通信號不滿足改變條件時，循環(huán)輸出狀態(tài)1的控制選通信號。 當有限狀態(tài)機接收到復(fù)位信號后，可將每個序列中的高電平調(diào)整為1個時 鐘周期數(shù)。
當電感電流在時鐘周期末沒有歸零，有限狀態(tài)機接收一個"UP"信號， 從狀態(tài)1進入狀態(tài)2,控制選通信號中每個序列增加1個時鐘周期的高電 平。然后進入狀態(tài)4，控制選通信號穩(wěn)定16個時鐘周期后，進入狀態(tài)l。當電感中有電流的時間短于周期的0.7倍時，有限狀態(tài)機接收一個 "D0麗，，信號，如果序列中高電平的時鐘周期數(shù)多于1個，從狀態(tài)l進入 狀態(tài)3，控制選通信號中每個序列減少1個時鐘周期的高電平。然后進入狀 態(tài)4,控制選通信號穩(wěn)定16個周期后，進入狀態(tài)l。
第二輸出支路的負載通常為鋰離子電池。由電池特性決定，在儲存電 能不同的情況下，其兩端電壓會在2. 7-4. 2V之間變化。如果直接用恒壓 充電，在電池電壓較低時，充電電流會過大，輕則損壞電池，重則引發(fā)危 險；故針對第二輸出支路輸出時，對電感電流做峰值限制。這樣在電池電 壓較低時，變換器在第二輸出支路產(chǎn)生一個近似恒定(具體大小依峰值限 制值及序列信號不同而定)的充電電流，避免大電流充電。
如圖2所示本實施例的控制裝置，包括上述的單電感雙輸出開關(guān)變換 器。電流檢測模塊連接在電感2—端，檢測電感電流，并將檢測信號發(fā)送 給有限狀態(tài)機。在周期末電感電流沒有回到零電流狀態(tài)，該電流檢測模塊 輸出"UP"信號，表示變換器已脫離電流斷續(xù)模式(DCM)，進入電流連 續(xù)模式(CCM);如果該模塊檢測到電感中有電流的時間短于周期的0.7 倍，輸出"DOWN"信號，表明負載已經(jīng)變得較輕。
第二場效應(yīng)開關(guān)管3和第三場效應(yīng)開關(guān)管4的4冊極通過防交迭驅(qū)動器 接收用于調(diào)整第一輸出支路和第二支路的輸出功率比的控制選通信號。如 圖3所示的防交迭驅(qū)動器的電路結(jié)構(gòu)示意圖，控制選通信號輸入后，經(jīng)過 與非門15和延時門16后向第二場效應(yīng)開關(guān)管3和第三場效應(yīng)開關(guān)管4的 柵極輸出。
反饋電路中設(shè)置有用于選擇輸出第 一輸出支路負反饋信號或第二輸 出支路負反饋信號的選通器5，該選通器5接收控制選通信號并選擇輸出 相應(yīng)的負反饋信號。比較器6接收經(jīng)選通器5輸出的負反饋信號和三角波 電壓信號，并輸出驅(qū)動信號。第一場效應(yīng)開關(guān)管1的柵極通過驅(qū)動器接收 比較器的驅(qū)動信號，調(diào)整第一場效應(yīng)開關(guān)管l輸出功率。
在電壓輸入端7連接用于對第二輸出支路限流的峰值電流限制模塊， 上述的驅(qū)動器接收峰值電流限制模塊的信號和有限狀悉機的控制選通信 號，在第三場效應(yīng)開關(guān)管導通第二輸出支^^時，對電感2的電流進行峰值 限制。如圖4所示的驅(qū)動器電路結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動器14的二輸入與門9接 收峰值電流限制模塊的信號和有限狀態(tài)機的控制選通信號10。有限狀態(tài)機 的控制選通信號10在導通第一輸出支路時也能屏蔽峰值電流限制模塊的 信號。二輸入或門接收二輸入與門9的輸出信號和比較器6的驅(qū)動信號， 且二輸入或門11向RS鎖存器12發(fā)送信號。RS鎖存器12通過三個緩沖器 13連接第一場效應(yīng)開關(guān)管1的柵極。
圖5所示的是負載上升階躍響應(yīng)示意圖。其中，圖5a為第一輸出支 路電流示意圖；圖5b為電感電流示意圖；圖5c為控制選通信號示意圖。
在時間軸l. lms以前，電路工作在輕負載，從序列信號控制第一輸出 支路和第二輸出支路交替地輸出電能。
在1. lms處，第一輸出支路的電流從30mA升高到180mA,由于此時斷 續(xù)的電感電流不足以提供給負載A足夠電能，受環(huán)路控制，電感電流將進 入連續(xù)模式以提供更多電能；而這會引起兩路輸出電壓之間的交調(diào)。為避 免這一情況，控制選通信號序列中高電平數(shù)增加。
在控制選通信號每次改變后，有限狀態(tài)機通過屏蔽16個周期內(nèi)的"UP" 或"DOWN"信號，等待變換器穩(wěn)定。避免序列控制選通信號過早再次發(fā)生 變化，引起系統(tǒng)整體不穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1、一種降壓型單電感雙輸出支路開關(guān)變換器的控制方法，通過控制選通信號控制兩個輸出支路的輸出，其特征在于所述的控制選通信號包括多個序列，每個序列由1個以上時鐘周期的高電平及1個以上時鐘周期的低電平組成；分別采樣兩個輸出支路的輸出電壓并與基準電壓比較產(chǎn)生第一負反饋信號和第二負反饋信號，選擇第一負反饋信號或第二負反饋信號與三角波電壓信號相比較產(chǎn)生用于調(diào)整電感輸入端功率的驅(qū)動信號；同時檢測輸入支路中電感的電流，當電感電流在周期末沒有歸零或當電感中有電流的時間短于周期的0.7倍時，調(diào)整控制選通信號序列中高電平的時鐘周期數(shù)和低電平的時鐘周期數(shù)，改變兩個輸出支路的輸出功率比。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于控制選通信號中 的高電平選擇第 一 負反饋信號或第二負反饋信號與三角波電壓信號相比 較，低電平對應(yīng)選擇另一負反饋信號與三角波電壓信號相比較。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于所述控制選通信 號中高電平控制第 一輸出支路的導通和第二輸出支路的截止，低電平控制 第 一輸出支路的截止和第二輸出支路的導通。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于當電感電流在時 鐘周期末沒有歸零，控制選通信號中每個序列增加1個時鐘周期的高電平 或減少1個時鐘周期的低電平；當電感中有電流的時間短于周期的0. 7倍， 控制選通信號中每個序列減少1個時鐘周期的高電平或增加1個時鐘周期 的4氐電平。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于所述控制選通信 號中每個序列的低電平的時鐘周期數(shù)穩(wěn)定為1個。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的控制方法，其特征在于所述的控 制選通信號改變后維持穩(wěn)定不變?nèi)舾蓚€時鐘周期。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于對第二輸出支路的 峰值電流進行電流限制。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于在控制選通信號 導通第二輸出支路時，對電感的峰值電流進行限制。
9、 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述控制方法的開關(guān)變換器，包括第一場效應(yīng) 開關(guān)管和連接第一場效應(yīng)開關(guān)管的電感、連接該電感輸出端的由第二場效 應(yīng)開關(guān)管組成的第一輸出支路、連接電感輸出端的由第三場效應(yīng)開關(guān)管組 成的第二輸出支路；在第一輸出支路和第二輸出支路上設(shè)置有反饋電路，反饋電路分別對第一輸出支路和第二輸出支路的輸出電壓采樣，其特征在 于一電流檢測模塊連接電感一端，有限狀態(tài)機接收電流檢測模塊的檢測 信號和時鐘信號，輸出控制選通信號；第二場效應(yīng)開關(guān)管和第三場效應(yīng)開關(guān)管的柵極通過防交迭驅(qū)動器接 收用于調(diào)整第 一輸出支路和第二支路的輸出功率比的控制選通信號；反饋電路中設(shè)置有根據(jù)控制選通信號選擇輸出第一輸出支路負反饋 信號或第二輸出支路負反饋信號的選通器；一比較器接收選通器的負反饋信號和三角波電壓信號，并輸出驅(qū)動信號；第一場效應(yīng)開關(guān)管的柵極通過驅(qū)動器接收驅(qū)動信號，調(diào)整第一場效應(yīng) 開關(guān)管的輸出功率。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其特征在于在電壓輸入端連 接有用于輸出支路限流的峰值電流限制模塊，所述的驅(qū)動器接收峰值電流 限制模塊的信號和有限狀態(tài)機的控制選通信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換器的控制方法及控制裝置。本發(fā)明的控制方法通過調(diào)整控制選通信號序列中的高電平時鐘周期數(shù)和低電平時鐘周期數(shù)，可高效實時地調(diào)整第一輸出支路與第二輸出支路的功率比，使兩輸出支路的輸出功率分配更合理。本發(fā)明的降壓型單電感雙輸出開關(guān)變換器實現(xiàn)對第一輸出支路和第二輸出支路的輸出功率動態(tài)分配，使得在優(yōu)先滿足負載供電的前提下，依然能保證對電池充電，而這兩部分的功率的總和能夠控制在一個較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，相比現(xiàn)有技術(shù)，即使輸入額定功率較小，也可滿足第一輸出支路負載的正常工作。
文檔編號H02M3/00GK101552549SQ200910095239
公開日2009年10月7日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者吳曉波, 孫越明, 趙夢戀 申請人:浙江大學