开关型调节器.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200910160771.6

申请日:

2009.07.17

公开号:

CN101630169A

公开日:

2010.01.20

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):G05F 1/46变更事项:专利权人变更前:杭州矽力杰半导体技术有限公司变更后:矽力杰半导体技术(杭州)有限公司变更事项:地址变更前:310012 浙江省杭州市文三路90号东部软件园科技大厦A1501变更后:310012 浙江省杭州市文三路90号东部软件园科技大厦A1501变更事项:共同专利权人变更前:矽力杰公司变更后:矽力杰公司|||授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

G05F1/46; G05B19/04

主分类号:

G05F1/46

申请人:

杭州矽力杰半导体技术有限公司; 矽力杰公司

发明人:

陈 伟

地址:

310012浙江省杭州市华星路99号东部软件园创业大厦B402

优先权:

2008.10.16 US 12/288,142

专利代理机构:

上海汉声知识产权代理有限公司

代理人:

胡 晶

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内容摘要

本发明公开一种开关型调节器。在依照本发明的一个优选实施例中,所述开关型调节器包括:(1)一组输出开关,所述输出开关连接到一个公共电感节点,并与对应的输出节点连接,每一路输出节点的电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)一个电感,所述电感连接到公共电感节点,并与第一输入开关和第二输入开关连接;所述第一输入开关接地,所述第二输入开关连接输入节点,所述第一和第二输入开关控制通过电感的电量;(3)一控制电路,接收表征输出节点上输出电压的反馈信号,所述控制电路根据该反馈信号控制输出开关以调节输出电压。

权利要求书

1: 一种开关型调节器,其特征在于,包括: 一组输出开关装置,每一个输出开关装置连接到一个公共电感节点,并 与对应的一个输出节点连接,所述输出节点电压由输入节点的输入 电压变换而来; 一个电感,连接到所述公共电感节点,并与第一输入开关和第二输入开 关连接,所述第一输入开关接地,所述第二输入开关连接到所述输 入节点,所述第一输入开关和第二输入开关控制通过所述电感的电 量; 一个控制电路,所述控制电路接收反馈信号,所述反馈信号表征输出节 点的输出电压,所述控制电路根据该反馈信号控制输出开关以调节 输出电压。
2: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,所述第二输入开关装 置包括一个二极管。
3: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,所述第二输入开关装 置包括一个同步整流器。
4: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,与输出电压最高的输 出节点对应连接的一个输出开关装置包括一个二极管。
5: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,与输出电压最高的输 出节点对应连接的一个输出开关装置包括一个同步整流器。
6: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,与输出电压最低的输 出节点对应连接的一个输出开关装置包括一个MOS晶体管开关。
7: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,至少一个输出开关装 置包括一个结型场效应晶体管。
8: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,至少一个输出开关装 置包括两个背对背设置的MOS晶体管。
9: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,所述第一输入开关根 据所述反馈信号周期性的闭合和关断以控制输出节点的输出电流。
10: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,进一步包括连接到 所述公共电感节点和地的第三输入开关。
11: 如权利要求10所述的开关型调节器,其特征在于,至少一个工作状态 下,至少有一路输出电压高于输入电压。
12: 如权利要求1所述的开关型调节器,其特征在于,根据所述反馈信号, 所述控制电路调节输出开关模块闭合和断开时间的占空比,以调节所述输出 电压。
13: 如权利要求12所述的开关型调节器,其特征在于,所述控制电路通过 比较至少一个反馈信号和一预设值来实现对对所述输出开关模块的控制。
14: 如权利要求12所述的开关型调节器,其特征在于,所述控制电路通过 比较至少一个反馈信号和一预设三角波形信号来实现对所述输出开关模块的 控制。
15: 一种开关型调节器,其特征在于,包括: 一组输出开关装置,每一个输出开关装置连接到一个公共电感节点,并 与对应的一个输出节点连接,所述输出节点电压由输入节点的输入电压变换 而来; 一个电感,连接到所述公共电感节点,并与所述输入节点连接; 一个输入开关,与所述公共电感节点和地连接,所述输入开关控制通过 所述电感的电量; 一个控制电路,所述控制电路接收表征输出节点上的输出电压的反馈信 号,并根据所述反馈信号控制输出开关调节输出电压。
16: 如权利要求15所述的开关型调节器,其特征在于,与输出电压最高的 输出节点对应连接的一个输出开关装置包括一个二极管。
17: 如权利要求15所述的开关型调节器,其特征在于,所述输入开关根据 所述反馈信号周期性的闭合和关断以控制每一路输出节点的输出电流。
18: 如权利要求15所述的开关型调节器,其特征在于,至少一个输出开关 装置包括一个结型场效应晶体管。
19: 如权利要求15所述的开关型调节器,其特征在于,至少一个输出开 关装置包括两个背对背设置的MOS晶体管。
20: 一种电压型开关系统,用于将输入节点的输入电压转换为一组输出节 点上的输出电压,其特征在于,包括: 通过控制电感的电量来调节公共电感节点上电压的装置; 控制输出开关的装置,所述控制输出开关的装置根据表征输出电压的一 组反馈信号控制一组输出开关装置以调节输出电压,每一个所述输出开关装 置连接到公共电感节点和对应的输出节点之间。

说明书


开关型调节器

    【技术领域】

    本发明涉及半导体器件领域,更具体的说,涉及一种开关型电源调节器。

    背景技术

    电压调节器,例如直流-直流变换器,用来给各种各样的电系统提供稳定的电压源。低电源设备中(如手提电脑、手机等)电池管理尤其需要高效率的直流-直流变换器。开关型电压调节器把输入直流电压转换成高频率电压,然后将高频输出电压进行滤波进而转换成直流输出电压。具体的说,所述开关型调节器包括一个开关,所述开关与一个输入直流电压源(如电池)交替性的连接和断开以给负载(如集成电路)供电。一个连接在输入电压源和负载之间的由电感和电容组成的输出滤波器,用于对开关输出进行滤波进而提供直流输出电压。一个控制器(例如脉冲宽度调制器或者频率脉冲调制器等)控制开关输出一个相对稳定的直流电压。

    假定开关器件和滤波器件的损耗为零,理论上开关电源可以达到100%的功率转换效率。由于开关电源相对较高的效率,开关电源比线性调节器的应用更广泛。通常开关电源电路结构的每一路调节输出至少需要一个电感。这种实现方法的缺陷是电感数量过多,导致电源装置的尺寸太大而不能容纳于现今的紧凑的电子器件。另外,这种解决方案的成本太高从而不适用低成本的应用。

    线性调节器利用线性功率器件对输出进行调节,因此可以不需要使用电感器件,但功率转换时产生的功率损耗太大,会使电池的使用时间严重降低。另外,输入电压和输出之间相对较大的电压差会导致线性调节器装置过热,对热管理造成很大的挑战。如果使用额外的散热装置,则会使得整体方案尺寸太大而不能容纳于小型电子设备(如手机等)中。

    【发明内容】

    本发明提供一种采用单电感结构的开关型调节器,以解决功率损耗过大、调节器装置过热以及电感用量过多的问题。

    在依据本发明的一个实施例中,开关型调节器包括:(1)连接到公共电感节点和相应输出节点的输出开关模块,所述每一个输出节点的电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)连接到公共电感节点、第一输入开关和第二输入开关的电感,所述第一输入开关接地,所述第二输入开关连接到输入节点,所述第一输入开关和第二输入开关控制流过电感的电量;(3)控制电路,所述控制电路接收表征输出节点上的输出电压的反馈信号,并根据所述反馈信号控制输出开关模块以调节输出电压。

    在依据本发明的另一实施例中,开关型调节器包括:(1)连接到公共电感节点和相应输出节点的一组输出开关模块,每一个输出节点的电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)连接到公共电感节点和输入节点的一个电感;(3)连接到公共电感节点和地之间的输入开关,所述输入开关控制通过电感的电量;(4)控制电路,所述控制电路接收表征输出节点上的输出电压的反馈信号,并根据所述反馈信号控制输出开关模块以调节输出电压。

    依照本发明的实施例可以获得功率转换效率高、并且尺寸较小的开关型调节器。更进一步,依据本发明的实施例,仅仅使用一个电感即可以从一路输入电压获得多路不同电压值的输出。通过下文对本发明优选实施例的详细描述可以进一步了解本发明的上述以及其它有益效果。

    【附图说明】

    图1A是适合于多路输出应用的基于开关型电源的现有一种电源解决方案的原理框图;

    图1B是适合于多路输出应用的基于线性电源的现有一种电源解决方案的原理框图;

    图2是依据本发明的一实施例的调节器方案的原理框图;

    图3是依据本发明的一实施例的采用单电感结构具有两路输出的降压调节器的原理方框图;

    图4A是依照本发明的一实施例如图3所示地调节器的工作波形图,此时第一输出电压高于第二输出电压,第一输出电流高于第二输出电流;

    图4B是依照本发明的一实施例如图3所示的调节器的工作波形图,此时第一输出电压高于第二输出电压,第一输出电流低于第二输出电流;

    图5是依据本发明的一实施例具有多路输出、单电感的降压拓扑结构的方框图,其中所述电感通过开关装置连接到输入源;

    图6A是依照本发明的一实施例采用单电感、两路输出结构的调节器的原理方框图;

    图6B-6D是适用于本发明的实施例的不同类型开关的方框图;

    图7是如图6A所示电路的工作波形;

    图8是依据本发明实施例的一示例具有多路输出、单电感的拓扑结构的方框图,其中所述电感通过开关装置连接到输入源;

    图9是依据本发明实施例的一示例具有两路输出、单电感结构的调节器的方框图;

    图10是图9所示电路的工作波形图;

    图11是依据本发明实施例的一示例具有多路输出、单电感的拓扑结构的方框图,其中所述电感直接连接到输入源。

    【具体实施方式】

    以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。虽然本发明是结合以下这些优选实施例进行描述的,但是本发明并不仅仅限于这些实施例。相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来所没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质,众所公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

    下述具体表述的一些部分通过以下方面进行阐述,包括过程、步骤、逻辑模块、功能模块、处理、原理图,或者其他的符号化的表示,如编码、数据位、数据流、信号,或者计算机、处理器、控制器、器件或者存储器的波形等。这些描述和表述常被熟悉数据处理领域的技术人员用来向同行有效地解释他们的工作。这里的过程、流程、逻辑块、功能等,一般被认为是达到期望或预想结果的步骤或指示的自洽序列。步骤一般指物理量的物理操纵。通常,但非必要地,这些物理量采用电、磁、光学或量子信号等形式来表示,这些物理量能够被储存,转移,合并,比较,并可在计算机或数据处理系统中操作控制。主要为了通用性,通常把这些信号称作为位、波、波形、流、值、元素、符号、字母、术语、数字等类似的名称,在计算机程序或软件中则称之为代码(可能是目标代码,源代码或二进制代码),这已经被证明是方便的。

    但是应当指出,所有这些术语以及其类似的术语都与相应的物理量或者信号有关,并且仅仅是为了方便这些物理量或者物理信号的标识。除非特别声明,否则在以下的描述中,所使用的术语诸如“处理”,“操作”,“计算”,“决定”,“操纵”,“变换”以及类似的表述均指计算机、数据处理系统,或者类似的处理装置(例如,电、光学、量子等的计算、处理或者电路)处理或者变换这些物理量的行为和过程。这些术语指的是所述处理设备把电路系统机构(例如,寄存器、存储器、其他类似的信息存储、传输或显示设备)的物理量处理和变换成相同(或者不同)系统(或者结构)中其他元器件的其他类似数据的行为和过程。

    此外,“电线”、“绕线”、“引线”、“信号”、“导线”和“总线”是指在任何已知的结构、构造、布局、技术、方法或者过程中用来在物理上把电路中的信号从一个点传到另一个点的路径。,本文中(除另有说明),“已知”、“固定”、“给定”、“肯定”和“预定”通常情况下,指的是一个值,数量、参数、约束条件、条件、状态、流程、过程、方法、实施,或各种组合等在理论上是可变的,但是如果提前设定,则在后续使用中是保持不变的。

    如图1A所示,100A为具有多路输出的开关电源的原理框图。在该示例方案拓扑结构中,每一路调节输出至少具有一个电感,例如输出OUT1的电感L11,输出OUT2的电感L12。控制驱动电路模块102-1根据反馈节点FB11来控制开关M1A1和M1B1,从而将输入电压IN(例如输入电容C1IN两端的电压)转换调节成电容C11的输出OUT1。同理,控制驱动电路102-2根据反馈节点FB12来控制开关M1A2和M1B2,从而将输入电压IN转换调节成电容C12的输出OUT2。现今的电子设备(例如手机、个人掌上电脑等)大约需要十路以上的调节输出。如果所有的输出均利用开关型电源进行调节,则这样的N路输出电源解决方案将包含N个电感,这将导致尺寸增加、成本提高。

    如图1B所示,100B为一种基于线性电源的多路输出的解决方案的原理框图。这里,控制驱动电路102-1通过反馈节点FB11控制开关M1A1(例如MOS晶体管)从而将输入电压IN(例如输入电容C1IN两端的电压)转换调节成输出电压OUT1(例如电容C11两端的电压)。同理,控制驱动电路102-2通过反馈节点FB12控制开关M1A2(例如MOS晶体管)从而将输入电压IN(例如输入电容C1IN两端的电压)转换调节成输出电压OUT2(例如电容C12两端的电压)。但是,这种实施方式会降低功率转换效率,并且不利于装置的散热处理。

    与普通的开关型电源相比较,本文提出的开关型调节器拓扑以及关联的控制方案可以利用最少的磁元件(例如电感),而实现最大的功率转换效率。采用优选实施例的开关调节器仅仅需要一个电感即可以实现具有N路输出的电源方案。例如,现今的手机,可能需要10路,12路等(N路)不同的调节输出值,尺寸相对较小并且可以扩展支持多路不同输出电压值的开关型调节器就特别适合于这种手机的应用。

    优选实施例可以包括不同类型的开关型调节器拓扑,每一种拓扑均具有一个电感以调节多路输出通道使之具有不同的转换电压值。例如,升压、降压以及升降压等电压转换器均适用于优选实施例。单电感中储存的能量分别在不同的时间段内被传递到每一路输出。每一个设定的时间间隔占整个开关周期的比率由相应输出的电压反馈回路控制。

    依据本发明的实施例可以实现功率转换效率高和尺寸小的开关型调节器,并且只利用一个电感器件即可以实现将一路输入电压转换为具有不同输出电压的多路输出。下文从各个方面对本发明的优选实施例进行详细描述。

    任何合适的输入电压和调节过的输出电压均适用于优选实施例。例如,对于降压调节器,输入电压的范围约为2.5V~5.5V,例如2.7V~5.2V,包括4.2V。如示例中的降压调节器的调节输出电压大约为0.8V~2.2V,包括1.0V~1.8V,更确切的为1.5V。这样的输出电压适用于手机中的主芯片电源、随机存储器电源等。任何合适的电容值和电感值适用于所述实施例。例如对小的便携式设备来说,电感值可以为0.47uH~10uH,电容值可以为1uF~10uF。

    如图2所示,200为依据本发明实施例的一调节器的原理方框图。开关控制和驱动电路模块202输出提供给单电感和输入开关模块204的控制信号(如C_M2A和C_M2B)以及提供给输出开关模块206的其他控制信号(例如C_M21,C_M22,...,C_M2N)。单电感和输入开关204模块的公共电感节点N2Y连接至输出开关模块206,所述输出开关模块输出调节电压(例如OUT1,OUT2,...,OUTN)。

    在工作过程中,连接到输出开关模块206的每一路控制信号(例如C_M21,C_M22,...,C_M2N)根据相应的反馈信号(例如FB21,FB22,...,FB2N)以调节相应的输出电压(例如OUT1,OUT2,...,OUTN)。例如,将每一路反馈信号电压值与一个或者多个预设参考值进行比较,并以此确定相应的开关控制信号的工作状态。采用这种方式,控制输出开关的导通占空比以获得不同的输出电压调整值。显然,其他控制输出开关占空比的方法(如电流比较、时分多路转换TDM等)均适用于所述实施例。

    下文对第一优选实施例的开关调节器进行描述。

    依据本发明实施例的一开关调节器包括:(1)一组输出开关装置,每一个输出开关装置连接到一个公共电感节点,并与对应的一个输出节点连接,所述输出节点电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)一个电感,连接到所述公共电感节点,并与第一输入开关和第二输入开关连接,所述第一输入开关接地,所述第二输入开关连接到所述输入节点,所述第一输入开关和第二输入开关控制通过电感的电量;(3)一个控制电路,所述控制电路接收表征输出节点上的输出电压的反馈信号,所述控制电路根据所述反馈信号控制输出开关调节输出电压。

    如图3所示,300为依据本发明实施例具有单电感结构的两路输出降压调节器的原理方框图。在该实施例中,电感L31的第一端N3X通过输入开关M3A连接到电压输入通道IN(如输入电容C3IN两端)。电感L31的另一端N3Y通过输出开关M31连接到第一输出OUT1(例如输出电容C31两端的电压),N3Y通过输出开关M32连接到第一输出OUT2(例如输出电容C32两端的电压)。这里电容C31和C32是输出滤波电路的一部分。开关装置M3B使电感L31中的电流保持连续。鉴于MOS晶体管的导通损耗低于二极管,所以开关(例如M3A,M3B,M31,M32)可以采用MOS晶体管。

    输入开关装置M3B(可以是同步整流器)连接到电感L31的N3X端和地之间。当开关M3A断开时,电感L31的电流流过开关M3B。采用这种方式,M3A和M3B的开关动作基本上是互补的。为了避免开关M3A和M3B发生直通,当开关M3A和M3B都处于断开状态时,会有一相对较短的死区时间(例如约3ns~100ns)。

    开关M3A和M3B可以是如MOS晶体管等的任何合适的元器件。如果M3A和M3B使用MOS晶体管,则在死区期间内,其内部反向并联的体二极管可以传导电感L31的电流。如果开关M3A和M3B没有内部反向并联的体二极管,就需要给每一个开关外加一与之并联的二极管,该二极管的阳极连接到开关断开时的低电位节点。如果允许较低的功率转换效率,开关M3B也可以采用普通的整流二极管。

    开关M31和M32的开关动作基本上是互补的。在某些应用中,如果输出OUT1端的电压VOUT1高于OUT2端的电压VOUT2,则这里开关M31可以是普通的整流二极管,其阳极接N3Y节点,阴极接输出OUT1端。如果开关M31和M32是MOS晶体管,则M31的内部体二极管的阳极接N3Y节点,M32的内部体二极管的阴极指向N3Y节点。

    在该示例的电路中有两个可以控制的独立的占空比:(1)开关M3A开关周期的导通占空比D1,这里开关M3A和M3B的开关动作是互补的;(2)开关M32开关周期的导通占空比D2,这里开关M31和M32的开关动作是互补的。

    如图4A所示,400A为依据本发明的一实施例图3所示的开关调节器的工作波形。这里第一输出电压高于第二输出电压,第一输出电流高于第二输出电流。具体到该实施示例,即VOUT1高于VOUT2,IOUT1高于IOUT2,IOUT1即第一输出端OUT1的输出电流,IOUT2即第二输出端OUT2的输出电流。波形402表示电感L31的电流iL,波形404表示第二输出节点OUT2的输出电流i2,波形406表示第一输出节点OUT1的输出电流i1。

    工作过程中,当M3A闭合时,M32闭合。电感L31的电流由输入IN传输至第二输出OUT2(时间区间408)。当源自输出OUT2的OUT2节点的电流i2提供的总电量可以支持该输出上的平均负载电流IOUT2时,M32断开,M31闭合导通(时间区间410)。开关M3A闭合直至反馈回路(如FB31、FB32)关断开关M3A,然后M3B闭合。M31保持闭合(时间区间412)直至下一个开关周期开始(412转换至408)。然后M31断开,M32和M3A同时闭合(时间区间408)。M31和M3A的导通时间可能会有一定程度上的重叠。M31和M32工作状态基本是互补的,即当其中一个闭合时另外一个断开。

    如图4B所示,400B为依据本发明的一实施例图3所示的开关调节器的工作波形图。这里第一输出电压高于第二输出电压,第一输出电流低于第二输出电流。具体到该实施示例,即VOUT1高于VOUT2,IOUT1低于IOUT2。这里,M3B和M32导通状态可能会有一定程度上的部分重叠。波形452表示电感L31的电流iL,波形454表示第二输出节点OUT2的电流i2,波形456为第一输出节点OUT1的电流i1。

    在时间区间458内,开关M3A和M32闭合,M31断开,电感L31电流由输入IN流至第二输出节点OUT2。M32保持闭合导通(时间区间406)直至下一个开关周期开始(460转换至462)。在406时间区间内,M3B闭合导通,M3A断开。当OUT2节点的电流i2传给OUT2的总电量足够驱动OUT2上的平均负载电流时,M32断开,M31闭合导通(时间区间462)。M3B保持关闭直至反馈回路(FB31、FB32)控制M3B断开,然后M3A闭合。M31保持闭合导通(时间区间462)直至下一个开关周期开始(从462转换至458)。然后,M31断开,M32和M3A闭合导通(时间区间458)。

    通过检测反馈节点(如FB31、FB32)的电压,并将之与一个或者多个预设基准值进行比较可以更好地实现对各开关的控制。采用这种方法,如果反馈节点的电压比基准值大过一定的裕量时,通过相应的开关控制切断该输出节点的电流供应。一种实现该控制方法的示例利用节点OUT1的电压反馈信号调节占空比D1,利用节点OUT2的电压反馈信号调节占空比D2。这两个反馈信号可以跟预设的三角波或其他合适的预设值进行比较,来产生占空比的控制信号。

    如图3所示的示例电路拓扑结构也可以拓展应用于多于两路输出的情况。如图5所示,500为依据本发明的一实施例的原理方框图,该实施例为具有多路输出、单电感的降压拓扑结构,所述电感通过开关装置连接到输入源。图5是具有N路输出调节器的一典型电路拓扑结构,其包括总共N+2个开关装置和一个电感L31。通常的N路输出同步降压型设计需要2N个开关装置和N个电感,而采用本发明实施例的开关型调节器与之比较具有成本低、尺寸小的优势。举个例子,这里的数值N可以为2到10,或者更大。

    如图5所示电路拓扑结构,连接到最高和最低输出电压的开关除外,其他的输出开关都可以利用双向开关。例如,双向开关可以利用结型结构开关(如结场效应晶体管),或者背对背设置的两MOS晶体管。连接到最高输出电压的输出开关可以是整流二极管或者同步整流器,二极管的阴极连接到最高电压的输出节点。连接到最低输出电压的输出开关可以是单向开关,例如MOS晶体管,其体二极管的阳极连接到最低输出电压的输出节点。

    在稳态工作状态时,电感电流平均值等于所有输出电流之和,并且在任一时刻,图5所示的所有开关M31,M32......M3N中只可能有一只开关导通。如上文所述,最高输出电压通道对应的是单方向开关,所述单方向开关可以是一个MOS晶体管和一个内部二极管(如阳极接N3Y节点,阴极接OUT1节点,OUT1节点是实施例中的最高电压输出通道的节点)。这种方式下,输出节点OUT1、OUT2......OUTN(如电容C3N)输出工作电压。

    如图3所示的电路适用于两路输出电压均低于输入电压的场合。同理,图5所示的电路适用于所有N路输出电压低于输入电压的场合。但是,对于有一路输出电压高于输入电压的情形,需要对电路结构进行适当的调整,并且提供额外的电感电流。例如,可以在节点N5Y处连接一接地的二极管。

    如图6A所示,600A为依据发明的一实施例的两路输出、单感结构的调节器拓扑原理框图。在该实施例中,OUT1、OUT2的输出电压值可以高于或者低于输入电压值IN。在开关周期的一时间区间内,可以利用接地的输入开关M6C来直接从输入端给电感电流进行充电。在该实施例中,连接到最高输出电压端的输出开关(M31或者M32)可以是整流二极管或者同步整流器,其二极管的阳极接公共电感节点N3Y。其他输出开关必须是双向开关,可以用结型场效应管,或将两个背对背设置的MOS管。

    图6B~6D为适用于本发明实施例的各种开关的示例原理框图。这些示例表示的输出开关M31和M32结构适用于VOUT1大于VOUT2的情形。图6B,示意图600B中,输出开关M31和M32连接到节点N3Y。图6C,示意图600C中,M31为一单独的MOS晶体管,M32为两个背对背设置的MOS晶体管。图6D,示意图600D中,M31为一个二极管,M32是采用二极管和MOS晶体管相串联的开关结构。

    如图7所示,700为图6A所示电路的工作波形图。在该示例中,输入开关M3A和M3B的开关状态是完全互补的。进一步,在M31导通和M32导通之间,M6C可能导通。702为流过电感L31的电流iL波形图,704为第二输出节点OUT2电流i2的波形图,706为第一输出节点OUT1的电流i1波形图。

    图6A所示的电路也可以包含两个由控制回路确定的两个占空比(D1和D2)。D1即M32在开关周期中的导通占空比,D2即M6C在开关周期中的导通占空比。在708时间段内,开关M3A和M32闭合导通,M31断开,电感L31电流从输入端IN流到第二输出端OUT2。在710时间段内,输入开关M3A和M3C闭合导通,输入开关M3B断开。在712时间段内,输入开关M3B闭合,输入开关M3A和M3C断开,输出开关M31闭合,电感L31电流流到第一输出端OUT1。

    实现图7所示的工作过程的一种控制方法可以采用OUT2端(如FB31)的电压反馈信号(包括如误差信号)调节占空比D1,利用OUT1端(如FB32)的电压反馈信号调节占空比D2。通过比较FB31和FB32的电压反馈信号与一预设三角斜波或者其他合适的预设值产生占空比D1和D2。

    如图8所示,800为依据本发明实施例的一示例具有多路输出单电感拓扑结构的的原理框图,其中所述电感通过开关装置连接到输入源。由输入开关和单个电感组成的模块804控制由输入电压源到公共电感节点N3Y的电量。从该公共电感节点,任何相应电容上(如C31,C32,...,C3N)的输出节点(如OUT1,OUT2,...,OUTN)可通过输出开关(如M31,M32,...,M3N)和相应的反馈信号(如FB31,FB32,...,FB3N)来接收电感电量。在该实施例中,N路输出调节器既适用于输出电压高于输入电压的情形,也同样适用于输出电压低于输入电压的情形。连接到最高输出电压的输出开关可以是整流器或者同步整流器,其他的输出开关为双向开关即可。

    以下为依据本发明第二种开关调节器的优选实施例。

    依据本发明实施例的一种开关型调节器,包括:(1)一组输出开关装置,每一个输出开关装置连接到一个公共电感节点,并与对应的一个输出节点连接,所述输出节点电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)一个电感,连接到所述公共电感节点,并与所述输入节点连接;(3)一个输入开关,与所述公共电感节点和地连接,所述输入开关控制所述电感的电量;(4)一个控制电路,所述控制电路接受反馈信号,所述反馈信号表征输出节点的输出电压,所述控制电路根据所述反馈信号控制输出开关装置调节输出电压。

    如图9,900所示为依据本发明实施例的一示例具有两路输出单电感结构的调节器原理方框图。该实施例适用于两路输出均高于输入电压的场合。电感L31的第一端直接与输入IN连接。电感L31的另一端N9Y通过输入开关M9A接地,通过输出开关M31与第一输出端OUT1端连接,通过输出开关M32与第二输出端OUT2连接。

    如果两路输出电压之间的相对幅度差值是未知的,则M31和M32可以是双向开关。如上所述,双向开关可以是结型场效应晶体管,或者两个背对背设置的MOS晶体管。如果OUT1端的的电压VOUT1大于OUT2端的电压VOUT2,M31可以是同步整流器或者普通整流器,所述普通整流器的阳极连接到公共电感节点N9Y。在该实施例中,输出开关M32可以是双向开关。对于一些对功率转换效率要求不太高的场合,开关M32可以是MOS晶体管和整流二极管串联组成的开关装置(如图6D所示)。

    如图10,1000所示为图9所示的电路的工作波形图。1002为电感L31的电流iL的波形,1004为第二输出节点OUT2的电流i2,1006为第一输出节点OUT1的电流i1。在该实施例中,首先,在1008时间区间内,输入开关M9A闭合导通,将电感L31充电从而电感电流增加。然后,开关M9A断开,在1010时间段输出开关M32闭合。电感L31中的电流放电至节点OUT2。当流向OUT2端的电量足够驱动OUT2上的平均负载电流时,输出开关M32断开。然后,开关M31在1012时间段内闭合。电感L31的电流放电流向OUT1端直至下一个开关周期开始。在1008时间段里,输出开关M31可以断开,输入开关M9A可以闭合。

    在该实施例工作过程中,控制回路确定占空比D1和占空比D2,D1即输入开关M9A的导通占空比,D2即输出开关M32的导通占空比。可以利用OUT1端的电压反馈信号FB31控制占空比D1,利用OUT2端的电压反馈信号FB32控制占空比D2。通过将反馈信号FB31、FB32与一三角斜波比较来产生占空比信号D1和D2。

    如图11,1100所示为依据本发明实施例的一示例具有多路输出、单电感结构的开关型调节器的原理方框图,其中电感直接连接到输入源。在该实施例中,图9所示的电路拓扑可拓展为图11所示的N路输出调节器。由输入开关和单电感组成的1104模块可以控制从输入电压源流至公共电感节点N9Y的电量。相应电容(如C31,C32,...,C3N)端的输出节点(如OUT1,OUT2,...,OUTN)通过输出开关(如M31,M32,...,M3N)和相应的反馈信号(如FB31,FB32,...,FB3N)从公共电感节点N9Y获得电感电量。连接到最高输出电压端的输出开关可以是整流器或者同步整流器,其他输出开关为双向开关即可。

    以上对本发明的开关型调节器的电路和结构进行了详尽描述,本领域技术人员据此可以推知其他技术和/或结构,以及其他电路布局、元件等均可应用于所述实施例。例如,在上述实施例中采用的是脉冲宽度调节器,但是其他的调制方案也同样适用,如频率脉冲调制。另外,上述实施例中的降压转换器拓扑结构也可以替换为升压转换器、升降压转换器、射频输出放大器等其他的电压调节器拓扑结构。

    依照本发明的实施例如上文所述,这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

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本发明公开一种开关型调节器。在依照本发明的一个优选实施例中,所述开关型调节器包括:(1)一组输出开关,所述输出开关连接到一个公共电感节点,并与对应的输出节点连接,每一路输出节点的电压由输入节点的输入电压变换而来;(2)一个电感,所述电感连接到公共电感节点,并与第一输入开关和第二输入开关连接;所述第一输入开关接地,所述第二输入开关连接输入节点,所述第一和第二输入开关控制通过电感的电量;(3)一控制电。

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