一种用于多输出同步降压变换器的控制方法与流程

1.本发明涉及直流电转换技术领域，具体涉及一种用于多输出同步降压变换器的控制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的快速发展，人们对各类电子产品的需求也日益提高，同时对直流电源的需求也越来越高。例如很多特定设备要求多个隔离供电电源同时打开同步运行，如应用在地面数据终端机、射频控制器等。在许多领域都要用到同步打开设备或同步开启电源的技术问题。现有技术中，多输出同步降压变换器一般都采用强制电流连续导通模式（fccm）的方式，然而fccm模式在轻载情况下时，由于开关频率保持不变，开关损耗占总损耗的比值提高，效率降低。如果为了提高轻载效率，使控制器在轻载时，工作频率随着负载的降低而降低，会导致下管导通时间的不足，隔离侧的输出电容电荷补充小于电荷消耗，出现隔离侧输出电压不稳定，甚至无法满足要求的情况。


技术实现要素：

3.本技术主要解决的技术问题是多输出同步降压变换器采用fccm工作模式在轻载情况下时电能转换效率低的技术问题。
4.根据第一方面，一种实施例中提供一种多输出同步降压变换器，包括环路控制逻辑输出电路和隔离多输出同步降压电路；所述环路控制逻辑输出电路用于向所述隔离多输出同步降压电路中的开关管电路发送上管驱动信号hg和下管驱动信号lg，以实现对所述开关管电路的功率开关管的开关控制；所述隔离多输出同步降压电路还包括原边输出子单元和n个副边输出子单元，n为自然数；所述开关管电路包括上开关管q1和下开关管q2；所述上开关管q1和所述下开关管q2的开关控制极分别响应所述上管驱动信号hg和下管驱动信号lg，来实现开关控制，以将第一直流电vin的电能输出给所述原边输出子单元和每个所述副边输出子单元；所述原边输出子单元用于将所述开关管电路输出给该原边输出子单元的电能转换为第二直流电vout0后输出；每个所述副边输出子单元用于将所述开关管电路输出给该副边输出子单元的电能转换为第三直流电vout1后输出；所述上管驱动信号hg包括上管导通电平信号和上管关闭电平信号，当所述上管驱动信号hg保持在所述上管导通电平信号时所述上开关管q1导通，当所述上管驱动信号hg保持在所述上管关闭电平信号时所述上开关管q1关闭；所述下管驱动信号lg包括下管导通电平信号和下管关闭电平信号，当所述下管驱动信号lg保持在所述下管导通电平信号时所述下开关管q2导通，当所述下管驱动信号lg保持在所述下管关闭电平信号时所述下开关管q2关闭；
在任意时刻，当所述上管驱动信号hg为所述上管导通电平信号时，所述下管驱动信号lg不能为所述下管导通电平信号，以保证所述上开关管q1和所述下开关管q2不能同时导通；在每个信号周期t内，所述上管驱动信号hg包括连续的上管导通持续时间段和连续的上管关闭时间段，在所述上管导通持续时间段时所述上管驱动信号hg保持为上管导通电平信号，在所述上管关闭持续时间段时所述上管驱动信号hg保持为上管关闭电平信号；在所述信号周期t内，所述下管驱动信号lg包括连续的第一下管导通持续时间段和连续的第二下管导通持续时间段，在所述第一下管导通持续时间段和所述第二下管导通持续时间段时所述下管驱动信号lg保持为下管导通电平信号；在所述信号周期t内，所述上管导通持续时间段和所述第一下管导通持续时间段在时间上连续，且当所述上管驱动信号hg在所述上管导通持续时间段和所述下管驱动信号lg在所述第一下管导通持续时间段时，所述原边输出子单元输出电流的方向为第一方向；当所述下管驱动信号lg在所述第二下管导通持续时间段时，所述原边输出子单元输出电流的方向为第二方向，且所述第一方向和所述第二方向的方向相反。
5.根据第二方面，一种实施例中提供一种变换器控制方法，应用于如第一方面所述的多输出同步降压变换器，所述控制方法包括：在对所述开关管电路的一个控制周期t内，对所述开关管电路采用fccm工作模式控制，以使得所述原边输出子单元输出电流的方向为第二方向；在该控制周期t内，且所述开关管电路的上开关管q1和下开关管q2都截止时，对所述开关管电路采用dcm工作模式控制，以使得所述原边输出子单元输出电流的方向为第一方向，其中，所述第一方向和所述第二方向的方向相反。
6.一实施例中，所述变换器控制方法还包括：在每个所述控制周期t内，所述dcm工作模式设置在所述fccm工作模式之前或之后。
7.依据上述实施例的变换器控制方法，由于在一个控制控制周期t内，分别采用fccm和dcm两种工作模式对多输出同步降压变换器进行控制，使得多输出同步降压变换器在轻载时转换效率降低的技术问题得到解决，并能实现隔离侧输出具有良好的负载调整率。
附图说明
8.图1为一种实施例中多输出同步降压变换器的结构框图；图2为一种实施例中隔离多输出同步降压电路的电路连接示意图；图3为一种实施例中环路控制逻辑输出电路的电路连接示意图；图4为一种实施例中反馈信号获取电路的电路连接示意图；图5为一种实施例中开关管电路的逻辑控制示意图；图6为一种实施例中开关管电路的开关管控制信号的波形示意图；图7为另一种实施例中开关管电路的逻辑控制示意图；图8为一种实施例中第一种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意图；图9为一种实施例中第二种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意
图；图10为一种实施例中第三种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意图；图11为一种实施例中变换器控制方法的流程示意图。
具体实施方式
9.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
10.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
11.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
12.在本技术实施例中公开的多输出同步降压变换器包括环路控制逻辑输出电路和隔离多输出同步降压电路，环路控制逻辑输出电路用于输出上管驱动信号hg和下管驱动信号lg给同步降压电路中开关管电路的上开关管q1和下开关管q2来进行开关控制，以将第一直流电vin的电能输出给隔离多输出同步降压电路的原边输出子单元和每个副边输出子单元。在对开关管电路的一个控制周期t内，在保证隔离侧每个副边输出子单元的输出电压在预设输出范围的前提下，使下开关管q2额外导通一段时间，以对每个副边输出子单元的输出电容进行补充电荷，进而实现多输出同步降压变换器工作在轻载情况下时提高电能转换效率的目的。
13.实施例一请参考图1，为一种实施例中多输出同步降压变换器的结构框图，多输出同步降压变换器包括环路控制逻辑输出电路100和隔离多输出同步降压电路200。其中，环路控制逻辑输出电路100用于向隔离多输出同步降压电路200中的开关管电路发送上管驱动信号hg和下管驱动信号lg，以实现对开关管电路的功率开关管的开关控制。
14.请参考图2，为一种实施例中隔离多输出同步降压电路的电路连接示意图，隔离多输出同步降压电路200包括开关管电路210、原边输出子单元220和n个副边输出子单元230，n为自然数。开关管电路210包括上开关管q1和下开关管q2，上开关管q1和下开关管q2的开关控制极分别响应上管驱动信号hg和下管驱动信号lg，来实现开关控制，以将第一直流电vin的电能输出给原边输出子单元220和每个副边输出子单元230。原边输出子单元220包括原边电感l0、原边输出电容c0和用于输出第二直流电vout0的原边输出端。原边电感l0一端
与所述开关管电路210连接，另一端与原边输出端连接。原边输出电容c0一端与原边输出端连接，另一端接地。原边输出子单元220用于将开关管电路210输出给该原边输出子单元220的电能转换为第二直流电vout0后输出。每个副边输出子单元230包括副边电感l1、副边二极管d1、副边输出电容c1和用于输出第三直流电vout1的副边输出端。副边电感l1的一端与副边二极管d1的正极连接，另一端接地，副边电感l1用于应用互感原理通过原边电感l0从开关管电路210获取电能。副边二极管d1的负极与副边输出端连接。副边输出电容c1一端与副边输出端连接，另一端接地。每个副边输出子单元230用于将开关管电路210输出给该副边输出子单元230的电能转换为第三直流电vout1后输出。开关管电路210的上开关管q1和下开关管q2分别包括控制极、第一连接极和第二连接极，上开关管q1的第一连接极用于连接第一直流电vin，上开关管q1的第二连接极与下开关管q2的第一连接极连接，下开关管q2的第二连接极接地。上开关管q1的第二连接极还与原边输出子单元220的电感l0的一端连接。
15.请参考图3，为一种实施例中环路控制逻辑输出电路的电路连接示意图，环路控制逻辑输出电路100包括on-time产生电路110、反馈信号获取电路120、开关触发信号产生电路130和控制信号输出电路140。on-time产生电路110与控制信号输出电路140连接，on-time产生电路140用于生成开关管驱动信号hsd_off给控制信号输出电路140。反馈信号获取电路120分别与原边输出子单元220和开关触发信号产生电路130连接，反馈信号获取电路120用于对原边输出子单元220输出的第二直流电vout0进行采样，并将采样获取的反馈信号输出给开关触发信号产生电路130。开关触发信号产生电路130与控制信号输出电路1440连接，开关触发信号产生电路130用于依据反馈信号输出开关触发信号hsd_on给控制信号输出电路140。控制信号输出电路140用于依据开关管驱动信号hsd_of和开关触发信号hsd_on向开关管电路210发送上管驱动信号hg和下管驱动信号lg。
16.一实施例中，开关触发信号产生电路130包括纹波产生电路131、误差放大器132、比较器133和斜坡产生电路134。误差放大器132与反馈信号获取电路120连接，误差放大器132用于对反馈信号进行放大。纹波产生电路131用于生成纹波信号，斜坡产生电路134用于生成斜波信号，比较器133用于比较纹波信号和反馈信号合成后的信号与斜波信号和放大后的反馈信号合成后的信号，并将比较获取的比较结果信号作为开关触发信号hsd_on发送给控制信号输出电路140。
17.请参考图4，为一种实施例中反馈信号获取电路的电路连接示意图，反馈信号获取电路120包括采样输入端、采样输出端、第一电阻r1和第二电阻r2。采用输入端与原边输出子单元220连接，用于第二直流电vout0的输入。采样输出端与开关触发信号产生电路130连接，采样输出端用于输出反馈信号给开关触发信号产生电路130。第一电阻r1的一端与采样输入端连接，另一端与采样输出端连接，第二电阻r2的一端与采样输出端连接，另一端接地。
18.如图2所示，在输出同步降压变换器中，原边输出子单元220输出的第二直流电vout0处于闭环控制，隔离侧每个副边输出子单元230输出的第三直流电vout1处于开环状态，其输出电压精度难以得到保证。目前通用的做法是将第二直流电vout0的输出侧（原边）工作于强制连续导通模式（fccm），但是强制连续导通模式在轻载时效率很低，并不适合于所有的工作场景。
19.请参考图5和图6，分别为一种实施例中开关管电路的逻辑控制示意图和开关管控制信号的波形示意图，多输出同步降压变换器初始化完成后，如果没有错误，开关触发信号hsd_on会触发上开关管q1的导通，此时，隔离侧每个副边输出子单元230的副边二极管d1处于截至态，隔离侧副边输出子单元230的副边电感电流is1为0，隔离侧副边输出子单元230的输出电流由副边输出电容c1提供。在非隔离侧，第一直流电vin和第二直流电vout0叠加到原边电感l0两端，电感电流线性上升；开关管驱动信号hsd_off触发上开关管q1关断，此时下开关管q2处于关断状态，电感电流通过下开关管q2的体二极管续流; 死区时间结束后（上开关管q1和下开关管q2都关断），下开关管q2打开，电感电流通过下开关管q2续流，此时隔离侧副边输出子单元230的副边二极管d1处于正向导通态，为隔离侧副边输出子单元230的副边输出电容c1补充电荷；原边电感电流ip等于每个副边电感电流is1乘以变压器匝比系数与原边励磁电流之和；该过程中，电感电流出于强制导通状态，被称为强制电流连续导通模式（fccm）；该模式情况下，各隔离侧副边输出电容c1上的电荷在下开关管q2导通期间得到补充，隔离侧副边输出子单元230的输出电压基本稳定。
20.在本技术一实施例中，让多输出同步降压变换器在轻载时工作于混合控制模式（fccm+dcm），解决轻载时效率降低，并实现隔离侧输出具有良好的负载调整率。
21.请参考图7，为另一种实施例中开关管电路的逻辑控制示意图，上管驱动信号hg包括上管导通电平信号和上管关闭电平信号，当上管驱动信号hg保持在上管导通电平信号时所述上开关管q1导通，当上管驱动信号hg保持在上管关闭电平信号时上开关管q1关闭；下管驱动信号lg包括下管导通电平信号和下管关闭电平信号，当下管驱动信号lg保持在下管导通电平信号时下开关管q2导通，当下管驱动信号lg保持在下管关闭电平信号时下开关管q2关闭。在任意时刻，当上管驱动信号hg为上管导通电平信号时，下管驱动信号lg不能为下管导通电平信号，以保证上开关管q1和下开关管q2不能同时导通。在每个信号周期t内，上管驱动信号hg包括连续的上管导通持续时间段和连续的上管关闭时间段，在上管导通持续时间段时上管驱动信号hg保持为上管导通电平信号，在上管关闭持续时间段时上管驱动信号hg保持为上管关闭电平信号。在该信号周期t内，下管驱动信号lg包括连续的第一下管导通持续时间段和连续的第二下管导通持续时间段，在第一下管导通持续时间段和第二下管导通持续时间段时下管驱动信号lg保持为下管导通电平信号。在该信号周期t内，上管导通持续时间段和第一下管导通持续时间段在时间上连续，且当上管驱动信号hg在上管导通持续时间段和下管驱动信号lg在第一下管导通持续时间段时，原边输出子单元输出电流的方向为第二方向。当下管驱动信号lg在第二下管导通持续时间段时，原边输出子单元输出电流的方向为第一方向，且第一方向和第二方向的方向相反。
22.一实施例中，第二下管导通持续时间段与上管导通持续时间段在时间上连续，且在上管导通持续时间段之前。
23.一实施例中，第二下管导通持续时间段与第一下管导通持续时间段在时间上连续，且在第一下管导通持续时间段之后。
24.一实施例中，第二下管导通持续时间段与第一下管导通持续时间段和上管导通持续时间段在时间上都不连续，且在第一下管导通持续时间段和上管导通持续时间段之间。
25.在上述实施例中，为了实现上述开关管电路的逻辑控制，可以通过外部管脚输入或者内置控制的方式输入一个变量k，该输入变量k可以是模拟输入量，也可以是数字输入
量，可以使控制器工作于fccm模式、pfm模式或ccm+dcm混合模式（频率高于某一特定值），该多功能输入变量k作为混合工作模式时，其设定控制器开关周期短于t。通过对工作于断续电流工作模式（discontinue current mode，dcm）的控制器，额外使下开关管q2导通一段时间的方式实现，该额外导通时间的设置方法包括：1）在下开关管q2导通，非隔离侧的原边输出子单元的电流过零后继续导通一段时间t；请参考图8，为一种实施例中第一种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意图，该开关管电路逻辑控制示意图可以实现第二下管导通持续时间段与第一下管导通持续时间段在时间上连续，且在第一下管导通持续时间段之后。
26.2）在上开关管q1和下开关管q2均关闭时段，额外导通一段时间t；请参考图9，为一种实施例中第二种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意图，该开关管电路逻辑控制示意图可以实现第二下管导通持续时间段与第一下管导通持续时间段和上管导通持续时间段在时间上都不连续，且在第一下管导通持续时间段和上管导通持续时间段之间。
27.3）在下开关管q2导通前，额外导通一段时间t。
28.请参考图10，为一种实施例中第三种额外导通时间设置方式的开关管电路逻辑控制示意图，该开关管电路逻辑控制示意图可以实现第二下管导通持续时间段与上管导通持续时间段在时间上连续，且在上管导通持续时间段之前。
29.在如上所述三种下开关管q2额外导通时段，非隔离侧的原边输出子单元的电感电流的流向为第二直流vout向开关管电路方向（第二方向），隔离侧的副边输出子单元的整流二极管（副边二极管d1）处于正向导通状态，为输出电容（副边输出电容c1）补充电荷，保持输出电压稳定。当下开关管q2关闭时，非隔离侧的原边输出子单元的电感电流无法突变，通过上开关管q1的体二极管或者上开关管q1打开进行续流，隔离侧的副边输出子单元的整流二极管继续处于正向导通状态，为各自的输出电容补充电荷。在该实施例中，通过调整输入变量k，控制器的最长开关周期始终小于一个值t0，保证各隔离侧的副边输出子单元输出的电压在需要的范围内。其中，第二下管导通持续时间段的持续时间t与原边输出子单元中的电容的容量值相关。
30.请参考图11，为一种实施例中变换器控制方法的流程示意图，在本技术一实施例中，还公开了一种变换器控制方法，应用于如上所述的多输出同步降压变换器，该控制方法包括：步骤1000，采用fccm工作模式控制。
31.在对开关管电路的一个控制周期t内，对开关管电路采用fccm工作模式控制，以使得原边输出子单元输出电流的方向为第一方向。
32.步骤2000，采用dcm工作模式控制。
33.在该控制周期t内，且开关管电路的上开关管q1和下开关管q2都截止时，对开关管电路采用dcm工作模式控制，以使得原边输出子单元输出电流的方向为第二方向，其中，第一方向和第二方向的方向相反。
34.一实施例中，在每个控制周期t内，dcm工作模式设置在fccm工作模式之前或之后。
35.本技术公开的变换器控制方法是在对多输出同步降压变换器的一个控制周期t
内，对开关管电路采用fccm工作模式控制，当在该控制周期t内多输出同步降压变换器的开关管电路的开关管都截止时采用dcm工作模式控制多输出同步降压变换器，其中，在fccm工作模式控制时和在dcm工作模式控制时，多输出同步降压变换器的原边输出子单元输出电流的方向互为相反。由于在一个控制控制周期t内，分别采用fccm和dcm两种工作模式对多输出同步降压变换器进行控制，使得多输出同步降压变换器在轻载时转换效率降低的技术问题得到解决，并能实现隔离侧输出具有良好的负载调整率。
36.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。