单电感双输出BUCK开关电源及其充放电控制方法

技术领域

本申请涉及一种单电感双输出BUCK开关电源及其充放电控制方法，属于开关电源技术领域。

背景技术

单电感多输出(Single-Inductor Multiple-output,SIMO)直流变换器是一种新型的开关电源拓扑结构。在该类型的变换器中，各个输出通道共享同一个电感，从而达到节省电感、减少变换器体积、节省成本的目的。

目前，单电感多输出直流—直流变换器的充放电方案主要有两种：

第一种是时分复用(Time Multiplexing，TM)控制方法，即在一个周期内，对于每一个通道来说，都是先给电感充电，然后电感给该通道放电。对于一个n通道的变换器，电感充电的次数是n，放电的次数也是n。

另一种是依序供能控制法(OrderedPower-DistributiveControl,OPDC)。即在一个周期之内，只对电感进行一次充电，然后依照顺序给各路输出放电。对于一个n通道的变换器来说，电感充电的次数是1，放电的次数是n。由于这种方法可以大大减少开关动作次数，减少开关损耗，所以在单电感多输出直流—直流变换器中得到了广泛应用。

但是，上述控制方法中，TM控制方法周期内开关动作次数太多，开关损耗较大。而且在某些情况下，各通道的充放电周期会重叠在一起，各通道之间相互影响，产生交叉调整(CrossRegulation,CR)。而OPDC控制方法中，由于各个通道共享同一个电感，并且各个通道导通的占空比不是相互独立的，所以当其中一个通道的输出负载电流发生变化的时候，电感电流的平均值以及该通道的占空比也会发生相应的变化，变化的电感电流平均值以及该通道的占空比会对其他通道的输出电压造成影响，因此产生了交叉调整。交叉调整不仅会使其他通道的电压纹波变大，而且在严重的情况下，会使得系统不稳定，影响系统的正常工作。

发明内容

本申请提供了一种单电感双输出BUCK开关电源及其充放电控制方法，可以解决现有技术多路输出电源控制复杂、系统不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供的单电感双输出BUCK开关电源及其充放电控制方法，通过主动控制方式调节多输出电压，达到负载调整率好、输出电压精度高的效果。

为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例的第一方面，提供了一种单电感双输出BUCK开关电源，所述BUCK开关电源的电源输入端(Vin)通过储能电感(L1)连接两路并联的第一电压输出支路和第二电压输出支路，所述储能电感(L1)与电源输入端(Vin)之间还连接有电源开关管(Q1)，所述第一电压输出支路中串联有第一电源开关，所述第二电压输出支路中串联有第二电源开关；

所述开关电源还包括电源控制模块，所述电源控制模块设置有第一电压反馈端(FB1)、第二电压反馈端(FB2)、第一开关信号控制端(G1)和第二开关信号控制端(G2)；

所述第一开关信号控制端(G1)连接电源开关管(Q1)的控制端，所述第二开关信号控制端(G2)连接第二电源开关(Q2)的控制端；

所述第一电压反馈端(FB1)连接第一电压输出支路的第一电压输出端，用于所述电源控制模块根据第一电压反馈端(FB1)反馈的第一输出电压(VOUT1)，控制电源开关管(Q1)的导通时长；

所述第二电压反馈端(FB2)连接第二电压输出支路的第二电压输出端，用于所述电源控制模块根据第二电压反馈端(FB2)反馈的第二输出电压(VOUT2)，控制第二电源开关(Q2)的通断；

所述电源控制模块根据所述第一电压反馈端(FB1)和第二电压反馈端(FB2)的电压反馈信号，采用时分复用的控制方式，控制储能电感(L1)的储能在同一电源开关周期内，交替向所述第一电压输出支路和第二电压输出支路传送。

本申请实施例的第二方面提供了一种如第一方面所述单电感双输出BUCK开关电源的充放电控制方法，包括：

实时检测电源输出端第一电压输出支路的第一电压反馈信号和第二电压输出支路的第二电压反馈信号；

根据所述第一电压反馈信号，控制电源开关管的导通时长；

根据所述第二电压反馈信号，控制第二电源开关的导通时刻；

在当前电源开关周期内，当第二电源开关导通时，第一电源开关断开，第一输出电压开始降低，第二输出电压开始上升；

在当前电源开关周期结束时，所述第二电源开关断开，所述电源开关管导通，所述第一输出电压开始上升，如此往复。

本申请的有益效果在于：本申请的开关电源设置两路并联的电压输出支路，在同一周期内利用时分复用的工作方式，两路电压输出支路相互独立，不受干扰，提高了电源工作效率，增加了电源的应用场合。

本申请需确保第二输出电压VOUT2低于第一输出电压VOUT1。

本申请在电感向第一电压输出支路放电时，限制了二极管D2的最小导通时长，从而保证了VOUT1的输出稳定。

本申请通过检测两路输出电压，主动调节第二电源开关Q2的通断和电源开关管Q1的导通时长，可以得到精确的VOUT1与VOUT2输出。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本申请一个实施例提供的单电感双输出BUCK开关电源的结构框图

图2是本申请一个实施例提供的单电感双输出BUCK开关电源的电路原理图；

图3是本申请一个实施例提供的主控芯片core2的内部电路示意图；

图4是本申请一个实施例提供的双输出BUCK开关电源的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

开关电源，即开关稳压电源，是相对于线性稳压电源的一种新型稳压电源电路，它通过对输出电压实时监测并动态控制开关电源线路中的开关管的导通与断开的时间比值来稳定输出电压。

图1是本申请一个实施例提供的单电感双输出BUCK开关电源的电路结构框图，该单电感双输出BUCK(降压式)开关电源，仅需在典型BUCK开关电源的输出端并联一路输出，只要一个电感，可独立控制两路电压输出，即VOUT1和VOUT2。

如图1所示，BUCK开关电源的输入端经过电源开关管Q1和BUCK变换器，连接第一电压输出支路和第二电压输出支路，第一电压输出支路中串联第一电源开关，第一电压输出支路输出第一输出电压VOUT1；第二电压输出支路中串联第二电源开关，输出第二输出电压VOUT2。其中，VOUT1大于VOUT2。

图1虚线框内为该双输出BUCK开关电源的电源控制模块，G1为电源控制模块的第一开关信号控制端，连接电源开关管Q1的控制端，用于输出电源开关管Q1的控制信号；G2为电源控制模块的第二开关信号控制端，连接第二电源开关Q2的控制端，用于输出第二电源开关Q2的控制信号。

FB1为电源控制模块的第一电压反馈端，FB2为电源控制模块的第二电压反馈端，电源控制模块通过第一电压反馈端FB1接收VOUT1的电压反馈信号，并通过第二电压反馈端FB2接收VOUT2的电压反馈信号。

电源控制模块根据接收到的两路电压反馈信号，通过G1输出PWM开关信号给电源开关管Q1，控制电源开关管Q1的通断。通过G2输出PWM开关信号给第二电源开关Q2，控制第二电源开关Q2的通断。

其中，电源控制模块控制输出VOUT1的第一电压输出支路和输出VOUT2的第二电压输出支路交替导通。在同一个电源开关周期内利用时分复用的工作方式，两路电压输出相互独立，不受干扰，提高了电源工作效率。

本实施例中，当电源控制模块通过第一电压反馈端FB1检测到输出电压VOUT1偏低时，通过第一开关信号控制端G1输出PWM开关信号，以控制增加开关管Q1的导通时长，即提高占空比。

当电源控制模块通过第一电压反馈端FB1检测到输出电压VOUT1偏高时，通过第一开关信号控制端G1输出PWM开关信号，以控制降低电源开关管Q1的导通时长，即减小占空比。

在第一电压输出支路导通的情况下，电源控制模块根据FB2接收到的VOUT2的电压反馈信号，若检测到电压VOUT2小于预设值，则输出控制信号控制开关管Q2导通；若一个电源开关周期内，未检测到电压VOUT2小于预设值，则此电源开关周期内开关管Q2一直处于截止状态。

进一步地，本实施例电源控制模块包括驱动模块core1和主控芯片core2，其中，主控芯片core2通过检测第一输出电压VOUT1与第二输出电压VOUT2来输出控制电源开关管Q1与第二电源开关Q2通断时间的开关调节信号。驱动模块core1通过接收差分信号来驱动电源开关管Q1的通断；

本实施例电源控制模块可以根据两路输出电压VOUT1、VOUT2的大小，主动调节功率开关管Q1和Q2的导通时间占空比，并最终得到精确的VOUT1与VOUT2输出。

图2给出了本申请一个实施例单电感双输出BUCK开关电源的电路原理图，BUCK变换器的结构以及工作原理属于本领域技术人员的熟知技术，在此不再赘述。

如图2所示，电源输入端Vin通过电源开关管Q1连接储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接两个电压输出支路。其中，

可选地，第一电压输出支路包括并联连接的第一电源开关和电容C1，其中第一电源开关为二极管D2，二极管D2的阳极连接储能电感L1，二极管D2的阴极，并联电容C1，二极管D2和电容C1的并联点为VOUT1电压输出端。电容C1用于稳压和储能，二极管D2用于第一电压输出支路的通断控制。

其中，电源开关管Q1的高电位端连接电源输入端Vin，电源开关管Q1的低电位端连接储能电感L1，驱动模块core1通过端口G1连接电源开关管Q1的控制端，用于根据差分信号接收端D3、D4接收到的差分信号来驱动Q1的通断。

可选地，第二电压输出支路包括串联连接的第二电源开关Q2和电容C4，其中，第二电源开关Q2为开关管。第二电源开关Q2的高电位端连接储能电感L1，第二电源开关Q2的低电位端通过电容C4接地，第二电源开关Q2与电容C4的串联点为VOUT2电压输出端，主控芯片core2的控制端G2即电源控制模块的第二开关信号控制端G2，连接第二电源开关Q2的控制端。电容C4用于稳压和储能，第二电源开关Q2用于第二电压输出支路的通断控制。

可选地，本实施例主控芯片core2的第一电压反馈端FB1连接VOUT1电压输出端，即连接至二极管D2的阴极，用于通过FB1接收VOUT1的电压反馈信号。主控芯片core2的第二电压反馈端FB2连接VOUT2电压输出端，即连接至第二电源开关Q2的低电位端，用于通过FB2接收VOUT2的电压反馈信号。

可选地，本实施例设置有差分信号输出电路，驱动模块core1的差分信号接收端D3、D4连接差分信号输出电路的差分信号输出端。主控芯片core2的差分信号控制端G3、G4连接差分信号输出电路的控制端。

主控芯片core2用于根据VOUT1的电压反馈信号，控制所述差分信号输出电路输出不同的差分信号，所述驱动模块根据所述差分信号控制电源开关管Q1的通断。

具体地，该差分信号输出电路包括第一开关管Q3和第二开关管Q4，第一开关管Q3的高电位端连接驱动模块core1的差分信号接收端D3，第一开关管Q3的低电位端接地。

第二开关管Q4的高电位端连接驱动模块core1的差分信号接收端D4，第二开关管Q4的低电位端接地；主控芯片core2的差分信号控制端G3连接Q3的控制端，主控芯片core2的差分信号控制端G4连接Q4的控制端。

主控芯片core2根据检测到的VOUT1电压，输出控制信号给Q3与Q4的控制端，驱动模块core1根据开关管Q3和Q4产生的差分信号，驱动控制开关管Q1的通断。具体为：

当差分信号控制端G3输出高电平信号到Q3，G4输出低电平信号到Q4，分别驱动Q3导通，Q4截止。此时，驱动模块core1的差分信号接收端D3端接收到低电平信号，差分信号接收端D4端接收到高电平信号。驱动模块core1根据Q3和Q4产生的差分信号，驱动电源开关管Q1导通。

当差分信号控制端G3输出低电平信号，G4输出高电平信号，分别驱动Q3截止、Q4导通。此时，驱动模块core1的D3端接收到高电平信号，D4端接收到低电平信号。驱动模块core1根据Q3和Q4产生的差分信号，主动调节开关管的Q1截止。

本实施例由于驱动模块core1与主控芯片core2不共地，通过Q3与Q4产生的差分信号进行通信，电路设计更便捷。

可选地，该电源控制模块还包括为驱动模块core1供电的第一储能电路和为主控芯片core2供电的第二储能电路。

其中，该第一储能电路包括二极管D3和电容C2。该第二储能电路包括电容C3。

具体地，二极管D3的阳极连接VOUT1电压输出端，二极管D3的阴极连接驱动模块core1的供电端VCC1。输出电压VOUT1通过二极管D3给驱动模块Core1供电。其中的电容C2用于稳压和储能。

电容C3的正极连接主控芯片core2的供电端VCC2，电容C3的负极接地，电容C3用于稳压和储能。

当开关电源启动稳定后，由电容C2、电容C3分别给驱动模块core1和主控芯片core2供电，保证电路模块正常工作。

可选地，开关管Q1、Q2、Q3、Q4可以为MOS管。也可以是三极管。实际工作中可以根据需要选择MOS管或者三极管，本实施例在此不做限定。

图3是本实施例主控芯片core2的内部电路示意图，可选地，本申请实施例的主控芯片core2包括第一差分放大器AMP1、第二差分放大器AMP2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2以及差分信号调制电路CTRL。其中，

第一差分放大器AMP1的同相输入端接入参考电压VREF1，第一差分放大器AMP1的反相输入端接入第一电压反馈信号FB1。第二差分放大器AMP2的同相输入端接入第二电压反馈信号FB2，第二差分放大器AMP2的反相输入端接入参考电压VREF2。

第一差分放大器AMP1与第二差分放大器AMP2用于将输入信号进行差分放大，当第一电压反馈信号FB1小于参考电压VREF1时，输出信号out1随着FB1的减小而增大；当第二电压反馈信号FB2大于参考电压VREF2时，输出信号out2随着FB2的减小而减小。

第一比较器CMP1的反相输入端和第二比较器CMP2的同相输入端分别输入斜坡信号VRAMP，第一比较器CMP1的同相输入端接入第一差分放大器AMP1输出端的输出信号out1，第二比较器的反相输入端接入第二差分放大器AMP2的输出信号out2。第一比较器的输出端连接差分信号调制电路CTRL，第二比较器的输出端为第二开关信号控制端G2。

当斜坡信号VRAMP的电压值高于out2时，第二比较器CMP2输出高电平信号到G2控制端，控制第二电源开关Q2导通，直到当前电源开关周期结束，第二电源开关Q2关断。

差分信号调制电路CTRL用于将接收到的第一比较器CMP1的输出信号调制成差分控制信号，并通过端口G3、G4输出。

当新的开关周期到来时，差分信号调制电路CTRL产生导通电源开关管Q1的差分信号，电源开关管Q1首先导通。

随着斜坡信号VRAMP的上升，当斜坡信号VRAMP的电压值高于out1后，第一比较器CMP1输出低电平信号到差分信号调制电路CTRL，使差分信号调制电路CTRL产生关断电源开关管Q1的差分信号。

本实施例中，第二比较器CMP2对反相输入电压具有最小值限定，该限定确保了二极管D2的最小导通时长t

本申请实施例的驱动模块core1采用现有技术，开关管的驱动模块属于本领域熟知的技术，在此不再赘述。

本申请实施例的具体工作过程如下：开关电源启动完成后，主控芯片core2和驱动模块core1开始正常工作，当Q1导通时，储能电感L1开始储电，二极管D2导通后，VOUT1电压开始上升，此时第二电源开关Q2处于截止状态，能量无法传向VOUT2。

随着输出电压VOUT1的持续上升，在此过程中，当二极管D2的导通时长达到最小导通时长后，若主控芯片core2通过第二电压反馈端FB2检测到输出电压VOUT2小于预设值时，通过第二开关信号控制端G2输出高电平信号，驱动第二电源开关Q2导通。

此时，二极管D2的阳极电压被拉低，二极管D2截止，电源上的能量只给VOUT2的负载供电，输出电压VOUT2开始上升。此时VOUT1负载电压仅靠电容C1放电来维持，因此VOUT1电压开始下降。

当主控芯片core2通过第一电压反馈端FB1检测到VOUT1低于预设值，且重载时，调制出高导通占空比的开关控制信号，并在下个电源开关周期，通过输出的差分信号控制增加电源开关管Q1的导通时长。当下个电源开关周期到来时，主控芯片core2通过第二开关信号控制端G2输出低电平信号，控制第二电源开关Q2截止；同时主控芯片core2产生差分信号至驱动模块core1中，从而驱动电源开关管Q1导通。

当主控芯片core2通过第一电压反馈端FB1检测到VOUT1低于预设值，且轻载时，调制出低导通占空比的开关控制信号，并在下个电源开关周期通过差分信号控制减少电源开关管的导通时长。

在此过程中，当主控芯片core2根据第二电压反馈端FB2检测到输出电压VOUT2小于预设值时，再次驱动第二电源开关Q2导通，直至下个电源开关周期到来前或储能电感L1上的能量耗尽，控制第二电源开关Q2截止。

本实施例在开关管Q1导通的情况下，需保证二极管D2的导通时长达到最小导通时长后，才开始检测VOUT2是否小于预设值，并在检测到VOUT2电压小于预设值时，控制开关管Q2导通，保证了VOUT1的输出稳定。

图4是本申请一个实施例提供的双输出BUCK开关电源的工作时序图，如图4所示，G1表示电源开关管Q1的控制信号，G2表示第二电源开关Q2的控制信号，I1、I2表示流过第一电压输出支路和第二电压输出支路的电流，VOUT1和VOUT2为第一输出电压和第二输出电压。

参见图4，当电源进入新的开关周期，电源开关管Q1首先导通，其导通占空比由上一周期检测到的VOUT1决定。

当电源开关管Q1导通，即G1为高电平时，储能电感L1充电，电流I1上升，二极管D2导通，电容C1充电，VOUT1上升；当电源开关管Q1断开，即G1转为低电平，储能电感L1放电，电流I1继续上升，电容C1充电，VOUT1继续上升。

当D2达到最小导通时长t

随着第二电源开关Q2的导通，若电源开关管Q1仍处于导通状态，则储能电感L1上的电流继续上升，电流I2上升，电容C4充电，VOUT2上升。此时，VOUT1仅靠电容C1来维持，因此VOUT1下降。若电源开关管Q1断开，则储能电感L1放电，电流I2下降，继续为电容C4充电，VOUT2继续上升，此时，VOUT1仅靠电容C1来维持，因此VOUT1下降。

直到当前电源开关周期结束，第二电源开关Q2关断，此时，VOUT2仅靠电容C4来维持，因此VOUT2下降。

综上所述，本申请实施例的电源控制电路通过主动控制方式，当检测到电压降低时，通过主动调节开关管Q2的开关以及开关管Q1的导通时长，并最终得到精确的VOUT1与VOUT2输出，同一电源开关周期内，利用时分复用的工作方式，双输出电源相互独立，不受干扰，提高了电源工作效率，增加了电源的应用场合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。