单电感多输出直流电源变换器建模及控制方法研究

With the fast development of mobile Internet and new display technology, ordinary power system is now difficult to meet the requirements of the next generation portable information terminal products such as smartphones, microcomputers which need low power consumption and high level of integration. Single-inductor multiple-output converters, as a key research trend of integrated power supply solution for system-on-chip, have aroused wide attention among academic community. However, because of sharing energy of the only inductor, it brings a series of problems including the cross-regulation among different outputs, the increase of voltage ripples, and the decrease of conversion efficiency. In recent years, most of the performance indicators in single-inductor dual-output converters are improved significantly, but the dynamic change rate of output voltages remains to be raised to a higher level. If there are more than three outputs, the performance, such as conversion efficiency, voltage ripple, and cross-regulation, degrades greatly, yet the mechanism of which is still not clear. Based on the study of single-inductor dual-output converters in previous research, this project will clarify the mechanism of energy conversion in a multiple-output convertert throuh thorough study on the architecture and the full model of multiple-output converters to establish accurate system transfer functions. By optimizing the architectures and element parameters, a rational control method of energy conversion is obtained to make each performance indicator satisfy the needs of system-on-chip, which finally lays a theorical foundation for the integration of single-inductor multiple-output DC-DC converters in system-on-chip.

随着移动互联网及新型显示技术的快速发展，现有的电源系统难以适应未来智能手机、平板电脑等下一代移动信息终端产品对高集成度和高效率的需求。单电感多输出直流电源变换技术成为系统芯片集成电源方案的重点研究方向，引起了学术界广泛的关注。由于该技术利用电感的能量共享会带来交叉干扰和纹波的增加、转换效率的降低等系列问题。虽经过多年努力，双输出变换器的性能已有明显提升，仅在输出动态调整速率方面还有待提高，但对三输出及以上的变换器，其转换效率、输出纹波、交叉干扰等性能依然没有改善，其根本原因是对单电感多输出变换器的机理尚清晰。本项目将在课题组对单电感双输出变换器研究基础上，通过深入研究多输出变换器架构及完整模型、建立精确的系统传递函数，探明多输出变换器的能量转换机理，通过优化结构和元件参数，找到合理的能量转换控制方法，使各性能指标满足系统应用的需求，为实现单电感多输出直流电源变换器全集成的系统芯片奠定基础。

本项目从单电感多输出开关电源变换器机理和系统建模出发，从理论角度建立精确系统输入输出传递函数和环路控制算法，以多路输出下的高效率、小纹波、低交叉干扰和高转换速率为响应目标，优化系统架构和元件参数，寻找在给定工作电压、驱动负载等边界条件下的最优解。根据功率开关管的等效开关模型，建立了考虑功率级寄生参数在内的精确小信号模型，并在此基础上揭示了变换器随着输出路数增加转换效率降低的机理。建立了提高单电感多输出变换器综合性能的理论分析方法和控制方法，完成了一套完整的单电感多输出开关电源变换器的分析设计方法。.在单电感双输出中，主环采用共模电压控制，次环采用差模电压控制，有效得抑制了交叉干扰；主环采用无补偿的峰值电流型控制方法，次环采用电压型控制方法，取得了较好的负载调整率和瞬态响应速度。.在单电感四输出中，由于存在单独的四路输出，所以至少需要四个控制环路，主环采用共模电压控制，三个次环采用差模电压控制；主环采用无补偿的峰值电流型控制方法，次环采用电压型控制方法，取得了较好的负载调整率和瞬态响应速度。.重点研究了影响效率的因素。功率级开关的增加增大了系统的开关损耗和导通损耗，轻载情况下系统出现的反相电流增大了轻载下的损耗。建立了开关路数增加与效率降低的递推关系，通过设计合理的驱动和功率开关管合理的尺寸来提高效率。.以上主要研究成果非常适合应用在注重能效比以及高集成度的手持移动终端中，作为核心控制芯片的多路供电，可有效减少电路元器件，从而节省所占面积与成本。由于采用多模式控制，本课题所研究技术在效率方面，尤其是轻载效率提升较为显著，此外对输出负载突变的快速动态响应也做了较多的分析与优化，适用于类似于给处理器供电这样负载变化频繁的应用场合。