单电感多输出开关变换器拓扑及控制方法研究

摘要

在计算机和电子设备中,通常需要多个等级的供电电压同时对设备供电。如果对每一个等级的供电电压都使用一个独立的变换器,势必会造成供电设备体积和成本的增加。而变换器多路输出技术可以解决这一问题。
　　 传统的多路输出开关变换器磁性元件多、体积大,各路输出间存在严重的交叉影响。单电感多输出(Single-InductorMultiple-Output,SIMO)开关变换器可以有效地减少电感和控制芯片的数量,从而有效地降低多路输出电源的体积、重量和成本,为需要多路输出电源的现代电子设备和移动终端等产品提供了一个较为理想的解决方案,具有广泛的应用前景,SIMO电路拓扑及控制方法的研究引起了学术界和工业界的广泛关注,成为重要的研究课题。
　　 现有的SIMO变换器的研究还集中在非隔离的拓扑结构及控制方法两个方面。针对非隔离型SIMO变换器拓扑,论文采用非线性控制方法-脉冲序列(PulseTrain,PT)控制方法实现了电感电流断续工作模式(DiscontinuousConductionMode,DCM)SIMO变换器的闭环控制,并详细研究了电流型PT控制与电压型PT控制的特点。有别于传统脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)技术,PT控制不需要误差放大器及相应的补偿网络,因此具有实现简单和瞬态响应速度快的优点。为避免两路输出的交叉影响,应用时分复用理论,由时分复用信号决定两路输出中相应输出支路的调节,从而实现每一个输出支路的独立调节,避免了各个输出支路的交叉影响；通过在脉冲序列中加入“空白脉冲”,改善了变换器轻载时的瞬态响应及开关损耗。论文以SIDO(Single-InductorDual-Output,SIDO)Buck变换器为例,通过仿真与实验验证研究结果的正确性。
　　 论文衍生了一族可实现隔离的SIMO反激(Flyback)开关变换器拓扑。在DCM工作模式下,变换器各路输出可实现独立精确调节,并且避免了交叉影响。以共用输出绕组SIDOFlyback变换器为例,进行了PT控制方法研究,通过仿真与实验验证了此类拓扑及控制方法的有效性。