开关电源的多路输出技术发展综述
2010-01-05 10:47:30
来源：《磁性元件与电源》2010年1月刊
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1 引言
从上世纪七十年代开始，多路输出开关变换器就被广泛应用于工业、商业及军事设备的电子系统中。而今，随着微处理器、内存、DSP及ASIC技术的飞速发展，对其供电的电源提出了越来越高的要求。为实现各系统中众多功能的优化，不但要求电源能够提供多种不同等级的电压输出，而且从减少IC自身损耗的角度出发，要求IC的供电电压不断下降，电流不断提高。由此可见，在计算机及其外围设备用户推动$开关电源$技术不断进步的今天，进行多路输出技术的研究具有重要的现实意义。
早些时候，人们把几个独立的DC-DC变换器组装在一起来获得多路输出电源，这种方式显然造成了电源成本及体积的增加，且不说由此方式带来的拍频干扰。为此，人们逐步开始研究多路输出技术。
本文以多路输出的实现拓扑结构为基点，结合其调节方式，分析多路输出的多绕组实现技术，单绕组实现技术，单电感实现技术及PWM-PD（PWM-Pulse Delay）实现技术。
2 多绕组实现多路输出技术
实现多路输出，常用的方法是通过增加变压器的次级绕组，下面以多路输出正激变换器为例（两路输出），从所采用调节方式的角度，介绍几种典型的利用多绕组实现多路输出的技术。
2.1 变压器耦合调节式
这种变换器的拓扑如图1所示，略去磁复位电路。其中主输出电压Vo1，通过采样反馈形成闭环调节，辅助输出电压Vo2不进行反馈，只通过变压器交叉调节。这种调节方式产生的问题是：(1)由于变压器漏感和绕组电阻的存在，使Vo2上出现交叉调节误差，电压调节精度低于主输出Vo1；(2)当电感电流il1或il2不连续时，Vo2变化显著。但由于这种电路模式设计简单，可用在主路要求精确稳压，而对辅路电源要求不高的场合。
2.2 耦合电感调节式
图1中当负载电流il1低于临界电流时，输出电压Vo1将显著升高，为避免此类情况，通常可在回路的输出端加上假负载或大电感的电抗器来稳压。但这样会使得闭环增益增大，导致其它支路电压下降。为解决上述问题，在多路输出中，可以采用耦合电感的方式，拓扑如图2所示。滤波电感L1，L2绕在同一磁心上，主输出通过脉宽调制精确稳压，辅助输出电压调节由变压器和耦合电感共同完成。
与变压器耦合调节式相比，这种变换器工作稳定，不使用假负载使得效率提高，可减少电抗器的体积和重量，动态调节性能得到提高。不足之处仍然是变压器及耦合电感的漏感和绕组电阻的存在，Vo2存在着交叉调节误差。
2.3 加权电压调节式
前面两种调节方式均只检测反馈一路的输出电压，加权电压反馈调节，同时检测反馈几路输出电压加权和到控制电路中，通过合理设计各路输出反馈电压的加权因子，可以调整各路输出电压的直流误差大小，使得各路电压满足调节要求（见图3）。
这种调节方式的优点是变换器整体的稳压精度有所提高，是一种比较经济的电压调节控制方法。但它的反馈信号是相对独立的各支路电压的加权，其实质只是通过改变加权因子，将误差在各支路上重新分配，没有从根本上消除误差。
2.4 后置调节式
根据控制论的观点，仅通过一个控制变量占空比D是无法实现对多个独立输出电压的精确控制的，因此以上的多路输出变换器中总有一路或几路存在着直流调节误差。要得到精确调节的各路电压，只能增加控制变量，以下是几种典型的拓扑。
2.4.1 磁放大器式
磁放大器实际上是矩形系数较好的铁心，在电路中起到“可控磁开关”的作用，用以调节变压器次级脉冲前沿的延迟时间，达到稳压的目的。图4是利用磁放大器作为多路输出变换器后置调节的原理图。主输出Vo1采用PWM方式稳压控制，辅助输出Vo2利用磁放大器的开关作用进行二次稳压，这样可同时得到两路稳定度很高的直流电源。
磁放大器经常作为多路输出变换器的二次调节器，是一种比较成熟、可靠、高效的调节技术，特别适用于输出电流较大的场合。当然，同时也存在着一些不足：①适用于输出电压高于5V的场合，而当输出电压低于2V时，将不是一种高效的方法，因为磁放大器不能与同步整流器连用；②磁放大器控制环的带宽应小于主控制环的带宽，这样可避免两环之间的交叉，可这种限制使得动态响应速度变慢；③磁放大器饱和磁心的非线性给设计带来困难；④饱和磁心的价格较高。
2.4.2 同步开关式
在低功率应用场合，特别是输出电流在中等范围时，采用同步开关后置调节比磁放大器更适合，拓扑见图5。同样主输出Vo1的调节通过控制S1来实现，在D2后串连一个开关S2，通过控制S2实现对Vo2的调节。
同步开关后置调节这种方式同样具有自己的特点：①它使用了一个半导体开关，而不是用饱和磁心，这样会使得各路的开关控制变得简单；②比在磁放大电路中更容易实现过流保护和短路关断功能；③在负载变化较大时仍然有较好的调节效果。但在设计开关管有效的门极驱动电路，实现主输出脉宽调节与同步开关后置调节之间的同步时出现困难，且当负载电流增加时，效率将降低。
2.4.3 辅助变压器式
归纳以上的后置调节方式，采用的控制思想是：通过使用一个动作类似开关的器件来控制输出电压感受恒压充电时间，这恒压值为二次绕组上的电压与输出电压之差。换个角度，我们也可以直接控制输出电感上的电压来实现稳压，而不采用通过控制充电时间的策略。图6所示的辅助变压器式后置调节利用的就是这种思想。图中只给出了需要后置调节的那路电压的控制电路结构。这里我们假设输入方波电压Vi未经逆变器调节，则输出电压：
Vo=Vins/np+Ns/Np{VinA/np-Vc} (1)
其中由辅助变压器附加的电压值为：
Ns/Np{VinA/np-Vc} (2)
通过控制Vc，给辅助变压器初级侧加上适当的电压，最终使得输出电压Vo精确调节。
多绕组实现多路输出技术，一般很难在初级侧与各次级侧绕组之间选择合适的匝比。辅助变压器调节方法可以克服上述缺点，从(2)式可看出，若Vc的值在0~Vi之间变化，辅助变压器可以附加上一个双向的电压，这种特性可使变压器初次级之间获得最优匝比。虽然辅助变压器初级侧的损耗无法忽略，但若合理设计匝比，使得Np/Ns1，整个变换器的效率可以很高。主要的缺陷是此后置调节器只是作为并行功率处理器，只能处理整个输出功率的百分之几，这使其最大调节裕度取决于后置调节器所占有的功率百分比。特别适用于输入电压在一个合理范围内变化的场合（比如20％）。
3 单绕组实现多路输出技术
上面变换器的多路输出实现都是利用多个二次侧绕组，而且二次侧都用二极管整流，单绕组技术是相对于多个绕组而言的，是利用变压器同一个次级绕组产生多路输出的技术，一种这样的拓扑见图7。以两路输出为例，该拓扑还同时应用了同步整流与同步开关复合的技术。其工作原理如下：在变压器电压变为正向之前，QR处于导通状态，在变压器的电压上升沿处QR关断，一段延时后，QF和QS导通，在所要求的PWM持续时间结束时，由二次侧控制器关断。图8是该拓扑使用脉冲后沿调制理想的开关和控制波形。
在隔离式多路变换器中，这种利用同一个绕组实现多路输出变换器很明显的一个特点就是将磁性元件的数量减到最小。同步整流与同步开关后置调节技术的复合使用，又带来了以下优点：可实现QR与QF的零电压开通，二次侧的正向FETs自身带有一个开通延时，使初级侧开关零电流开关，实现高效率；初次级没有任何信号需要传递；初级侧可在固定的占空比下独立工作，没有交叉调节或最小负载要求；所有二次侧开关自动与变压器波形同步，变换器只有一个工作频率，简化了EMI滤波设计；应用同步整流技术，适用于需要多个值相近的低压大电流输出的场合。但主要的不足是同步整流技术的应用，使得驱动电路的设计较为严格，而且两组驱动之间需要一个延时电路。
4 单电感实现多路输出技术
这是一种非隔离型的多路输出变换器，拓扑见图9。该拓扑包含两个子变换器A、B，共用一个电感L和开关S1，采用时间复用控制（Time-multiplexing），实现两路电压输出，变换器工作在不连续导通模态。
上图是该变换器的TM控制图解，令Φa，Φb持续时间相同，相位互补。则当Φa=1时，Sb断开，没有电流流经输出Vob，接着首先关闭S1，电感电流iL增加，持续时间为DlaT，由输出误差放大器决定。在D2aT时间里，S1打开，Sa闭合，电感电流被传递到输出Voa，这时需要一个零电流检测器，当检测到电感电流为零时，变换器进入D3aT时段，Sa再次打开。电感电流一直保持为零，直到Φb=1。这里，D1a，D2a，D3a需满足以下条件：①D1a+D2a≤1/2，②D1a+D2a+D3a=1。
在Φb=1时段，变换器B重复上面的开关动作，使得两个输出交替调节。
这种多路输出技术的特点是需要较少的电感，功率器件和控制环，降低电源的成本和体积，而且这种拓扑很容易被拓展来实现多路输出。但这种技术采用的新颖的TM控制策略，要求变换器只能工作在不连续导通模态。这种多路输出变换器适用于各种便携式设备。
5 PWM-PD实现多路输出技术
图10是一种利用PWM-PD控制实现多路输出的一种拓扑。通过控制两个MA，MB实现三路输出电压，由图10可以看出，当只有MA开通时，能量通过D12传递到vo1，vo2，而只有MB开通时，能量通过D32传递到vo2，vo3，若两个开关都导通，能量通过D12，D32都传递到三个输出端。这里假设变换器工作周期T，开关MA，MB的控制信号分别为占空比dA，dB，新的控制信号取决于dA，dB之间的延时，dd，于是可以得到三个不同的控制信号dA，dB，dd+dB，实现三路输出的精确调节。dA，dB，dd需同时满足下列条件：①dd<dA，②dd+dB>dA，③dd>0。
这种非隔离型多路输出变换器只是PWM-PD型变换器族中的一种，其特点是允许受控开关的数目小于输出电压支路数，电路工作在固定的开关频率，易获得三路或更多路电压输出。各路电压均可得到精确调节，除第一路稳压精度稍差外。其余两路输出的稳压精度都较高，适用于小体积，低成本，输入与输出无需隔离的场合。
6 结语
采用多电源供电的系统设计是很常见的，本文就近年来电源的多路输出技术的发展做了一下归纳。以拓扑结构为主线，结合调节方法，简要分析了相关文献中提出的变换器拓扑的工作原理、特点及应用场合。由此可见，多路输出技术经过不断更新进步，如今将伴随着移动通讯设备，数字处理系统的发展，朝着纤巧、高效、低成本、模块化的方向发展，且已成为片上电源管理系统采用的有效节能手段。
参考文献
[l] A. Barrado， E. Olias， A. Lazaro， J. Pleite， R. Vazquez. PWM-PD Multiple Output DC-DC Converter: Operation and
从上世纪七十年代开始，多路输出开关变换器就被广泛应用于工业、商业及军事设备的电子系统中。而今，随着微处理器、内存、DSP及ASIC技术的飞速发展，对其供电的电源提出了越来越高的要求。为实现各系统中众多功能的优化，不但要求电源能够提供多种不同等级的电压输出，而且从减少IC自身损耗的角度出发，要求IC的供电电压不断下降，电流不断提高。由此可见，在计算机及其外围设备用户推动$开关电源$技术不断进步的今天，进行多路输出技术的研究具有重要的现实意义。
早些时候，人们把几个独立的DC-DC变换器组装在一起来获得多路输出电源，这种方式显然造成了电源成本及体积的增加，且不说由此方式带来的拍频干扰。为此，人们逐步开始研究多路输出技术。
本文以多路输出的实现拓扑结构为基点，结合其调节方式，分析多路输出的多绕组实现技术，单绕组实现技术，单电感实现技术及PWM-PD（PWM-Pulse Delay）实现技术。
2 多绕组实现多路输出技术
实现多路输出，常用的方法是通过增加变压器的次级绕组，下面以多路输出正激变换器为例（两路输出），从所采用调节方式的角度，介绍几种典型的利用多绕组实现多路输出的技术。
2.1 变压器耦合调节式
这种变换器的拓扑如图1所示，略去磁复位电路。其中主输出电压Vo1，通过采样反馈形成闭环调节，辅助输出电压Vo2不进行反馈，只通过变压器交叉调节。这种调节方式产生的问题是：(1)由于变压器漏感和绕组电阻的存在，使Vo2上出现交叉调节误差，电压调节精度低于主输出Vo1；(2)当电感电流il1或il2不连续时，Vo2变化显著。但由于这种电路模式设计简单，可用在主路要求精确稳压，而对辅路电源要求不高的场合。
2.2 耦合电感调节式
图1中当负载电流il1低于临界电流时，输出电压Vo1将显著升高，为避免此类情况，通常可在回路的输出端加上假负载或大电感的电抗器来稳压。但这样会使得闭环增益增大，导致其它支路电压下降。为解决上述问题，在多路输出中，可以采用耦合电感的方式，拓扑如图2所示。滤波电感L1，L2绕在同一磁心上，主输出通过脉宽调制精确稳压，辅助输出电压调节由变压器和耦合电感共同完成。
与变压器耦合调节式相比，这种变换器工作稳定，不使用假负载使得效率提高，可减少电抗器的体积和重量，动态调节性能得到提高。不足之处仍然是变压器及耦合电感的漏感和绕组电阻的存在，Vo2存在着交叉调节误差。
2.3 加权电压调节式
前面两种调节方式均只检测反馈一路的输出电压，加权电压反馈调节，同时检测反馈几路输出电压加权和到控制电路中，通过合理设计各路输出反馈电压的加权因子，可以调整各路输出电压的直流误差大小，使得各路电压满足调节要求（见图3）。
这种调节方式的优点是变换器整体的稳压精度有所提高，是一种比较经济的电压调节控制方法。但它的反馈信号是相对独立的各支路电压的加权，其实质只是通过改变加权因子，将误差在各支路上重新分配，没有从根本上消除误差。
2.4 后置调节式
根据控制论的观点，仅通过一个控制变量占空比D是无法实现对多个独立输出电压的精确控制的，因此以上的多路输出变换器中总有一路或几路存在着直流调节误差。要得到精确调节的各路电压，只能增加控制变量，以下是几种典型的拓扑。
2.4.1 磁放大器式
磁放大器实际上是矩形系数较好的铁心，在电路中起到“可控磁开关”的作用，用以调节变压器次级脉冲前沿的延迟时间，达到稳压的目的。图4是利用磁放大器作为多路输出变换器后置调节的原理图。主输出Vo1采用PWM方式稳压控制，辅助输出Vo2利用磁放大器的开关作用进行二次稳压，这样可同时得到两路稳定度很高的直流电源。
磁放大器经常作为多路输出变换器的二次调节器，是一种比较成熟、可靠、高效的调节技术，特别适用于输出电流较大的场合。当然，同时也存在着一些不足：①适用于输出电压高于5V的场合，而当输出电压低于2V时，将不是一种高效的方法，因为磁放大器不能与同步整流器连用；②磁放大器控制环的带宽应小于主控制环的带宽，这样可避免两环之间的交叉，可这种限制使得动态响应速度变慢；③磁放大器饱和磁心的非线性给设计带来困难；④饱和磁心的价格较高。
2.4.2 同步开关式
在低功率应用场合，特别是输出电流在中等范围时，采用同步开关后置调节比磁放大器更适合，拓扑见图5。同样主输出Vo1的调节通过控制S1来实现，在D2后串连一个开关S2，通过控制S2实现对Vo2的调节。
同步开关后置调节这种方式同样具有自己的特点：①它使用了一个半导体开关，而不是用饱和磁心，这样会使得各路的开关控制变得简单；②比在磁放大电路中更容易实现过流保护和短路关断功能；③在负载变化较大时仍然有较好的调节效果。但在设计开关管有效的门极驱动电路，实现主输出脉宽调节与同步开关后置调节之间的同步时出现困难，且当负载电流增加时，效率将降低。
2.4.3 辅助变压器式
归纳以上的后置调节方式，采用的控制思想是：通过使用一个动作类似开关的器件来控制输出电压感受恒压充电时间，这恒压值为二次绕组上的电压与输出电压之差。换个角度，我们也可以直接控制输出电感上的电压来实现稳压，而不采用通过控制充电时间的策略。图6所示的辅助变压器式后置调节利用的就是这种思想。图中只给出了需要后置调节的那路电压的控制电路结构。这里我们假设输入方波电压Vi未经逆变器调节，则输出电压：
Vo=Vins/np+Ns/Np{VinA/np-Vc} (1)
其中由辅助变压器附加的电压值为：
Ns/Np{VinA/np-Vc} (2)
通过控制Vc，给辅助变压器初级侧加上适当的电压，最终使得输出电压Vo精确调节。
多绕组实现多路输出技术，一般很难在初级侧与各次级侧绕组之间选择合适的匝比。辅助变压器调节方法可以克服上述缺点，从(2)式可看出，若Vc的值在0~Vi之间变化，辅助变压器可以附加上一个双向的电压，这种特性可使变压器初次级之间获得最优匝比。虽然辅助变压器初级侧的损耗无法忽略，但若合理设计匝比，使得Np/Ns1，整个变换器的效率可以很高。主要的缺陷是此后置调节器只是作为并行功率处理器，只能处理整个输出功率的百分之几，这使其最大调节裕度取决于后置调节器所占有的功率百分比。特别适用于输入电压在一个合理范围内变化的场合（比如20％）。
3 单绕组实现多路输出技术
上面变换器的多路输出实现都是利用多个二次侧绕组，而且二次侧都用二极管整流，单绕组技术是相对于多个绕组而言的，是利用变压器同一个次级绕组产生多路输出的技术，一种这样的拓扑见图7。以两路输出为例，该拓扑还同时应用了同步整流与同步开关复合的技术。其工作原理如下：在变压器电压变为正向之前，QR处于导通状态，在变压器的电压上升沿处QR关断，一段延时后，QF和QS导通，在所要求的PWM持续时间结束时，由二次侧控制器关断。图8是该拓扑使用脉冲后沿调制理想的开关和控制波形。
在隔离式多路变换器中，这种利用同一个绕组实现多路输出变换器很明显的一个特点就是将磁性元件的数量减到最小。同步整流与同步开关后置调节技术的复合使用，又带来了以下优点：可实现QR与QF的零电压开通，二次侧的正向FETs自身带有一个开通延时，使初级侧开关零电流开关，实现高效率；初次级没有任何信号需要传递；初级侧可在固定的占空比下独立工作，没有交叉调节或最小负载要求；所有二次侧开关自动与变压器波形同步，变换器只有一个工作频率，简化了EMI滤波设计；应用同步整流技术，适用于需要多个值相近的低压大电流输出的场合。但主要的不足是同步整流技术的应用，使得驱动电路的设计较为严格，而且两组驱动之间需要一个延时电路。
4 单电感实现多路输出技术
这是一种非隔离型的多路输出变换器，拓扑见图9。该拓扑包含两个子变换器A、B，共用一个电感L和开关S1，采用时间复用控制（Time-multiplexing），实现两路电压输出，变换器工作在不连续导通模态。
上图是该变换器的TM控制图解，令Φa，Φb持续时间相同，相位互补。则当Φa=1时，Sb断开，没有电流流经输出Vob，接着首先关闭S1，电感电流iL增加，持续时间为DlaT，由输出误差放大器决定。在D2aT时间里，S1打开，Sa闭合，电感电流被传递到输出Voa，这时需要一个零电流检测器，当检测到电感电流为零时，变换器进入D3aT时段，Sa再次打开。电感电流一直保持为零，直到Φb=1。这里，D1a，D2a，D3a需满足以下条件：①D1a+D2a≤1/2，②D1a+D2a+D3a=1。
在Φb=1时段，变换器B重复上面的开关动作，使得两个输出交替调节。
这种多路输出技术的特点是需要较少的电感，功率器件和控制环，降低电源的成本和体积，而且这种拓扑很容易被拓展来实现多路输出。但这种技术采用的新颖的TM控制策略，要求变换器只能工作在不连续导通模态。这种多路输出变换器适用于各种便携式设备。
5 PWM-PD实现多路输出技术
图10是一种利用PWM-PD控制实现多路输出的一种拓扑。通过控制两个MA，MB实现三路输出电压，由图10可以看出，当只有MA开通时，能量通过D12传递到vo1，vo2，而只有MB开通时，能量通过D32传递到vo2，vo3，若两个开关都导通，能量通过D12，D32都传递到三个输出端。这里假设变换器工作周期T，开关MA，MB的控制信号分别为占空比dA，dB，新的控制信号取决于dA，dB之间的延时，dd，于是可以得到三个不同的控制信号dA，dB，dd+dB，实现三路输出的精确调节。dA，dB，dd需同时满足下列条件：①dd<dA，②dd+dB>dA，③dd>0。
这种非隔离型多路输出变换器只是PWM-PD型变换器族中的一种，其特点是允许受控开关的数目小于输出电压支路数，电路工作在固定的开关频率，易获得三路或更多路电压输出。各路电压均可得到精确调节，除第一路稳压精度稍差外。其余两路输出的稳压精度都较高，适用于小体积，低成本，输入与输出无需隔离的场合。
6 结语
采用多电源供电的系统设计是很常见的，本文就近年来电源的多路输出技术的发展做了一下归纳。以拓扑结构为主线，结合调节方法，简要分析了相关文献中提出的变换器拓扑的工作原理、特点及应用场合。由此可见，多路输出技术经过不断更新进步，如今将伴随着移动通讯设备，数字处理系统的发展，朝着纤巧、高效、低成本、模块化的方向发展，且已成为片上电源管理系统采用的有效节能手段。
参考文献
[l] A. Barrado， E. Olias， A. Lazaro， J. Pleite， R. Vazquez. PWM-PD Multiple Output DC-DC Converter: Operation and
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