单电感双输出直流-直流转换器的双路径拓扑结构

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A Dual-Path Topology for Single-Inductor Dual-Output DC–DC Converters

单电感双输出（SIDO）转换器通过双路径拓扑优化，实现0-1电压转换比，显著降低电感电流纹波和电压尖峰，提升效率至94.5%，输出电感体积仅3.2×2.5×1.2mm3，动态响应快且交叉调节低至7mV/A。

　　

摘要：

本文介绍了一种基于双路径（DP）拓扑结构的高效率、高功率密度的单电感双输出（SIDO）转换器。所提出的DP-SIDO转换器支持理论上的0～1电压转换比（VCR），并且能够适应任意的负载差异。它具有三个主要优势：首先，通过电感的直流电流和纹波电流显著降低，从而可以使用更小的电感器并提高效率；其次，由于电感器电流的减少，能量分配开关中的不连续电流也得到改善，进而降低了电压尖峰并提高了可靠性；第三，由于电感和飞电容器交替向输出端供电，因此可以减少输出电压的纹波。此外，还提出了一种专用的DP-SIDO控制策略，以实现快速的瞬态响应和最小的交叉调节。该转换器采用0.18微米的BCD工艺制造，所有功率晶体管都集成在芯片上，在类似的VCR条件下，其效率达到了94.5%，是迄今为止所有单电感多输出（SIMO）转换器中的最高值。在3.2×2.5×1.2毫米3的紧凑电感器尺寸下，它可以提供4安培的总负载电流。在1.6安培的负载阶跃下，200纳秒的上升时间内，测量得到的电压下冲仅为136毫伏，交叉调节幅度低至7毫伏/安。

引言

多输出（SIMO）转换器在成本和尺寸受限的电池供电电子设备中非常受欢迎，因为它们消除了对多个笨重电感器的需求。然而，现有的SIMO转换器通常只能支持较低的输出电流（几百毫安级别）[1]，[2]，[3]，这是因为驱动多个负载需要较大的电感器电流。为了提高电流，电感器必须承载较大的电流，这要求其具有较高的饱和电流和更大的体积，从而降低了转换器的功率密度，如图1所示。例如，要从单电感双输出（SIDO）转换器中为每个负载提供2安培的输出电流，需要一个饱和电流为4.9安培的电感器（体积为18.3立方毫米），而双降压解决方案则需要两个2.4安培的电感器（总体积为22.5立方毫米）——虽然体积仅略有增加。为了减小电感器的尺寸，一些研究采用了直流电阻（DCR）高达35毫欧姆[4]或电感值低至10纳亨[5]的非常紧凑的电感器，但这些方法会导致较高的导通损耗，并且在中等转换比下效率通常低于86%。此外，分配网络中的功率损耗（多个开关）会进一步降低传统SIMO转换器的效率[4]，[5]，[6]。如图2所示，向输出端提供大的不连续电流会导致输出电压纹波和分配开关处的高di/dt尖峰，从而引发可靠性问题。多级[7]，[8]，[9]或双步降（DSD）拓扑结构[10]可以减轻电感的电压应力，从而降低电流纹波并减少电感器的体积。然而，这些拓扑结构仍然要求电感器承载所有输出电流的总和，因此直流电流仍然较大。

图1. SIDO转换器与两个降压转换器之间的功率密度比较。图2. 传统SIDO转换器。