一种单电感双极性输出变换器及其启动方法

本发明属于电力电子，具体涉及一种单电感双极性输出变换器及其启动方法。

背景技术：

1、amoled显示屏凭借高对比度、低功耗等优势，已广泛应用于各类移动终端设备。为消除亮度闪烁、保障显示稳定性，amoled显示驱动需要一路正电源（vop）和一路负电源（von）供电，且正极电源对供电噪声的敏感度高于负极。sibo变换器仅需一颗电感即可生成正负两路输出电压，是amoled供电的主流方案。近年来出现的双飞电容混合拓扑，通过两颗飞电容降低功率开关管的电压应力、减小电感两端电压差，能够有效抑制电感电流纹波与输出电压纹波，同时提升转换效率、减小芯片面积，成为sibo变换器的主流发展方向。但双飞电容混合拓扑对启动过程的电压约束严格——内部包含1.8v低压器件时，必须在启动阶段将关键节点电压精准维持在输入电压的一半（vin/2），否则会出现器件击穿问题。同时，现有控制方案在瞬态响应速度与硬件开销之间难以兼顾，成为制约sibo变换器性能提升的核心瓶颈。

2、目前，最相近的现有实现方案包括：方案一：基于双飞电容混合拓扑的pwm控制sibo变换器，以及方案二：带功率级辅助电流源的低过冲sibo变换器。方案一采用双飞电容功率拓扑，配合电压模或电流模pwm控制架构实现双输出稳压。典型代表为2024年isscc提出的相关方案，采用0.18μm工艺，实现±5v级别的双路输出，稳态纹波性能较传统单电感拓扑有明显提升。但该类方案受 pwm 控制环路带宽限制，负载瞬态响应速度较慢，负载跳变时输出过冲幅度可达 80mv 以上。为改善瞬态性能，部分方案二在功率级增设辅助电流源，通过额外的电流注入快速补偿负载跳变带来的电压偏差。典型代表为2024年iccs提出的方案，可将负载跳变时的输出过冲抑制到48mv，但该方案需要额外增加功率级器件，芯片面积与静态功耗显著上升，硬件利用效率低。

3、也就是说，现有技术存在以下缺点：

4、(1)瞬态响应性能不足：传统pwm控制方案环路带宽有限，面对amoled场景下的快速负载跳变，输出电压过冲幅度大，无法满足高端amoled显示屏对正负双极电源的低噪声要求。

5、(2)硬件开销大：现有低瞬态过冲方案依赖功率级辅助器件实现性能提升，以增加芯片面积、提升静态功耗为代价，不符合电源管理芯片高集成度、高效率的发展趋势。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种单电感双极性输出变换器及其启动方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种单电感双极性输出变换器，包括：

3、双飞电容混合拓扑结构，包含功率电感、第一飞电容、第二飞电容和多个功率开关管，所述双飞电容混合拓扑结构用于产生正输出电压信号vop和负输出电压信号von；

4、共模控制结构，用于根据所述正输出电压信号vop与所述负输出电压信号von的共模分量和共模参考电压vcm_ref，生成所述功率电感的谷值电流信号vsense的检测阈值电压vc，并根据所述检测阈值电压vc调节所述谷值电流信号vsense以控制所述功率电感传输的总能量；

5、差模控制结构，用于根据所述正输出电压信号vop与所述负输出电压信号von的差模分量以及差模参考电压vdm_ref，确定所述正输出电压信号vop与所述负输出电压信号von之间的负载不平衡程度，根据负载不平衡程度将总偏置电流自适应分配为正路充电电流ip与负路充电电流in，根据正路充电电流ip生成正路导通时间top，根据负路充电电流in生成负路导通时间ton，以通过正路导通时间top和负路导通时间ton控制vop和von能量的自适应分配。

6、第二方面，本发明提供了一种单电感双极性输出变换器的启动控制方法，所述方法包括：

7、通过控制m1~ m6均关断且s1工作，使所述变换器进入预充电阶段的第一阶段，其中，在所述第一阶段，第二电阻分压网络用于将位于m5的漏极与cf2的共同连接处的节点sw4的电压设置为vin/2，s1用于对cop进行充电；

8、通过控制m1~ m4和m6均关断，并且m5、s1和s2工作，使所述变换器进入预充电阶段的第二阶段，其中，在所述第二阶段，节点sw4的电压为vin/2，并且，s2用于从位于m4的漏极与cf2的共同连接处的节点sw3处抽取电流，直至cf2两端的电压达到vin/2；

9、通过控制m1和m3~ m6均关断但m2导通，并且s3工作，使所述变换器进入预充电阶段的第三阶段，其中，在所述第三阶段，s3用于对cf1进行充电直至cf1两端的电压达到vin/2，在所述第三阶段完成后，预充电阶段结束；

10、通过控制m2、m3、m4均导通但m5~ m6均关断，并且m25~ m27均导通，使所述变换器进入软启动阶段，其中，在所述软启动阶段，m25~ m27用于逐步提升输出电压直至所述变换器进入正常稳压工作状态。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果：

12、1)本发明中，共模控制结构实时调节电感谷值电流以控制系统总能量，差模控制结构并行独立地根据正负输出负载不平衡程度动态调制top与ton以实现能量自适应分配，两套控制结构同时工作、互不耦合，不存在传统pwm方案的单一误差放大器带宽限制和环路迭代延迟。当负载发生快速跳变时，共模控制结构调节总传输能量以匹配负载总功率变化，差模控制结构实时调整两路导通时间的相对宽度将能量瞬时调配至重载输出支路，整个调节过程在模拟域连续完成，响应速度仅受小信号电路带宽限制，远快于负载跳变时间尺度，从而将输出电压瞬态过冲抑制至远低于传统pwm方案的水平，能够满足高端amoled显示屏对正负双极电源的低噪声要求。

13、2)本发明的瞬态性能提升完全由共模控制结构和差模控制结构内部的小信号电路实现(包括阈值电压生成模块、谷值电流检测模块、比较器等)，无需在功率级增设任何辅助电流源或额外功率开关管；此外，功率级拓扑保持为标准双飞电容混合结构不变，芯片面积增量仅为一些小信号控制电路（器件尺寸小、数量少），静态功耗增量远低于现有辅助电流源方案中功率级大尺寸器件的功耗代价，实现了高性能与低硬件开销的统一，符合电源管理芯片高集成度、高效率的发展趋势。

14、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

1.一种单电感双极性输出变换器，其特征在于，包括：

2. 根据权利要求1所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述双飞电容混合拓扑结构包括：功率电感l、第一飞电容cf1、第二飞电容cf2、功率开关管m1~ m6、电容cop、电容con，其中，m1的源极与m6的漏极、输入信号源的一端连接，所述输入信号源的另一端与m2的漏极均接地，所述输入信号源用于提供输入电压信号vin；m2的源极与cf1的一端、m3的漏极连接，cf1的另一端与m1的漏极、功率电感l的一端连接，功率电感l的另一端与m4的漏极、cf2的一端连接，m4的源极接地，cf2的另一端与m6的源极、m5的漏极连接，m5的源极作为正输出端以输出所述正输出电压信号vop，m3的源极作为负输出端以输出所述负输出电压信号von，m1~m6的栅极接入各自的栅极驱动信号；cop的一端与m5的源极连接，cop的另一端接地，con的一端与m3的源极连接，con的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述单电感双极性输出变换器包括相互电连接的第一电阻分压网络、阈值电压生成模块、谷值电流检测模块、自适应电流分配模块、正端导通时间产生模块、负端导通时间产生模块、驱动模块；

4. 根据权利要求3所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述自适应电流分配模块包括：功率开关管m7~ m18、电阻r01~ r03、电容c01；

5. 根据权利要求3所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述正端导通时间产生模块和所述负端导通时间产生模块均采用可变导通时间生成电路，所述可变导通时间生成电路包括：功率开关管m19~ m24、反相器t1~ t4、斜坡电容cramp、电容c02、锁存器d、比较器b、电阻r3；

6.根据权利要求5所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，top和ton的计算公式分别如下：

7.根据权利要求3所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述阈值电压生成模块包括：反相比例放大电路、误差放大器和二型补偿网络，其中，所述反相比例放大电路的负端接入所述负输出电压信号von，所述反相比例放大电路的正端接入所述正输出电压信号vop，所述反相比例放大电路的输出端输出所述共模反馈信号vcm_fb，并且所述反相比例放大电路的输出端与所述误差放大器的负输入端、所述二型补偿网络的输入端连接，所述二型补偿网络的输出端与所述误差放大器的输出端连接，所述误差放大器的正输入端接入所述共模参考电压vcm_ref，所述误差放大器的输出端输出所述检测阈值电压vc；

8.根据权利要求2所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述变换器还包括：

9. 根据权利要求8所述的单电感双极性输出变换器，其特征在于，所述预充电和启动电路模块包括：电流源s1~s3、电阻r4~r5、功率开关管m25~ m27；

10.一种单电感双极性输出变换器的启动控制方法，其特征在于，应用于上述权利要求9所述的单电感双极性输出变换器，所述方法包括：