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【摘要】开关电源的多路输出技术在现代得到了广泛的应用，本文就该技术的传统和新型的实现方式各做了简要的综述。相信在未来的发展中开关电源的多路输出技术与生产生活实际的结合会更加紧密。
【关键词】 开关电源；多路输出；发展综述
中图分类号：TG434.1 文献标识码：A文章编号：
开关电源是通信设备中不可缺少的基础部件之一，伴随着通信产业的迅猛发展，越来越多的现代通信设备需要同时输入多路不同的电压对设备进行供电。为了满足现代通信设备需要多路电压对其进行供电的要求，有效的提高通信设备工作时的稳定性与可靠性，需要研制出稳定性好、可靠性高的多路输出开关电源，给通信设备工作的稳定性、可靠性提供有效的保证。
一、多路输出开关电源技术
早期人们为了实现多电源供电的需求，主要采用每个供电端均采用独立的开关电源进行供电。虽然这样能够使得各个输出电源都精确稳定，但是这样会使得电源系统的元器件繁多，而且尺寸也往往较大。同时，当各个部分的开关电源的开关管工作频率不相同时，就会产生拍频干扰。因此针对以上情况，人们考虑到需要采用单个变换器来实现多路输出的要求，因此才有了多路输出开关电源技术的发展。多路输出开关电源的整体稳压精度直接由其控制变量决定，只有在控制变量的个数不小于输出的支路数，才能实现各路的精确稳压。
二、多路输出开关电源技术综述
1、单变压器多绕组多路输出技术
图1所示为正激变换器的简单拓扑结构，即常规的单变压器多绕组多路输出技术，其主输出电压为Vout-m。
图1 单变压器多绕组多路输出变换器
此拓扑结构的主输出部分采用脉宽调制方式进行精确稳压，而辅助输出Vout-s，不进行反馈调节，只是通过变压器的交叉调节方式对辅助输出电压进行调整。采用这种调节方式所带来的问题主要是：(1)由于变压器存在一定的漏感及绕组电阻，使得辅助输出电压Vout-s出现交叉调节误差，从而导致辅助输出电压调节精度不高；(2)当电感L2上的电流或是电感L3上的电流不连续时，Vout-s变化显著。由于常规的单变压器多路输出模式设计简单，所以在对主路输出电压精确要求较高，而对辅助输出电压要求较低的场合得到了较为广泛的应用。
2、耦合电感多路输出技术
耦合电感多路输出变换器如图2所示，它是基于常规的单变压器多绕组多路输出模式上进行改进的。图中所示的滤波电感L2与L3按照正激变换器中变压器的绕制方法，绕制在同一磁芯上，主输出电压采用脉宽调制方式是进行精确稳压，辅助输出电压由变压器与耦合电感共同进行调节。跟变压器的交叉调节方式相比较，耦合电感的多路输出变换器其工作稳定。不足之处依然是变压器与耦合电感存在一定的漏感和绕组电阻，辅助输出电压Vout-s同样的存在交叉调节误差。
图2 耦合电感的多路输出变换器
3、磁放大器后置调节技术
由于常规的多路输出变换器技术与耦和电感多路输出变换器技术，都仅是对主输出电压进行反馈，而辅助输出电压部分处于开环工作状态，使得辅助输出稳压精度相对较差与负载调整率相对较低，这就直接导致了在辅助输出电压稳压精度要求较高，同时负载调整率也要求较高的场合，其应用受到了极大的限制。基于传统多路输出DC/DC变换器的一系列缺点，研究发现在辅助输出部分加入磁放大器后级调整模块，能够对辅助端的输出电压达到有效的调节，得到了性能较高的辅路输出电压。磁放大器利用电感能够饱和的特性来实现开关功能，它的作用就相当于一个功率开关器件：在饱和的情况下，磁放大器中的相对磁导率趋近零，磁放大器处于短路状态，相当于开关导通；在非饱和情况下，它的相对磁导率趋近无穷大，磁放大器处于截止状态。在磁放大器的材料选择上，因磁放大器采用高矩形度的饱和电感来充当电路中常规的开关器件，所以在实际的应用中要尽量选取B-H磁滞曲线较小的磁性材料。磁放大器后置调节技术的原理图如图3所示。
图3 磁放大器后置调节变换器
4、同步开关后置调节多路输出技术
经过长期的研究与分析，对磁放大器后置调节方式的不足加以改善，把后级电路的磁放大器换成功率开关管器件，也就是所谓的同步开关后置调节技术。其工作原理与磁放大器后置调节方式相同，同样是利用开关管的开关功能，对后级的输出电压进行二次调节，达到提高辅路输出电压的精确度与稳定性。同步开关后置调节多路输出变换器如图4所示
图4 同步开关的后置调节变换器
同步开关的后置调节方式，对主输出电压Vout-m进行闭环调节，辅路输出电压Vout-s利用功率开关管的开关原理进行二次调节，使多路输出变换器的各路输出电压精确度与稳定性得到了显著提高。同样这种调节方式也有它的一些缺点：当主控支路电感L2上的电流断续时，开关管Q1的占空比将变小，这就导致了辅输出电压Vout-s可调节的范围变窄，甚至导致辅输出无法调节。
三、多路输出开关电源新技术综述
1、单绕组实现多路输出技术
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。拓扑见图5，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6是该拓扑使用脉冲后沿调制理想的开关和控制波形。
图5 同一次级绕组实现多路输出拓扑
图6 变换器理想的开关与控制波形
在隔离式多路变换器中，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，具有以下优点：①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；②初次级没有任何信号需要传递；③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；④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；⑤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。不足之处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。
2、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7。该拓扑包含两个子变换器A，B，共用一个电感L和开关S1，采用分时复用(Time-multi-plexing)，实现两路电压输出，变换器工作在不连续导通模态(CDM)。
图7 单电感双路输出变换器
图8是SIDO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，首先关闭S1，电感电流IL增加，持续时间为D1aT，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：
D1a+D2a≤1/2
D1a+D2a+D3a=1
在Φb=1时段，变换器B重复上面的开关动作，故使得两个输出交替调节。
图8 SIDO变换器的时间控制图解
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。
结束语
采用多电源供电的系统设计是很常见的，本文就近年来电源多路输出技术的发展做了归纳。多路输出技術经过不断更新进步，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
[1] 文露，谢运祥. 开关电源多路输出技术控制方法综述[J]. 电源技术应用. 2009(06)
[2] 杨立杰. 多路输出单端反激式开关电源设计[J]. 现代电子技术. 2007(06)
[3] 徐勇，金辛海. 多路输出反激式开关电源的反馈环路设计[J]. 电源技术应用. 2009(01)
【关键词】 开关电源；多路输出；发展综述
中图分类号：TG434.1 文献标识码：A文章编号：
开关电源是通信设备中不可缺少的基础部件之一，伴随着通信产业的迅猛发展，越来越多的现代通信设备需要同时输入多路不同的电压对设备进行供电。为了满足现代通信设备需要多路电压对其进行供电的要求，有效的提高通信设备工作时的稳定性与可靠性，需要研制出稳定性好、可靠性高的多路输出开关电源，给通信设备工作的稳定性、可靠性提供有效的保证。
一、多路输出开关电源技术
早期人们为了实现多电源供电的需求，主要采用每个供电端均采用独立的开关电源进行供电。虽然这样能够使得各个输出电源都精确稳定，但是这样会使得电源系统的元器件繁多，而且尺寸也往往较大。同时，当各个部分的开关电源的开关管工作频率不相同时，就会产生拍频干扰。因此针对以上情况，人们考虑到需要采用单个变换器来实现多路输出的要求，因此才有了多路输出开关电源技术的发展。多路输出开关电源的整体稳压精度直接由其控制变量决定，只有在控制变量的个数不小于输出的支路数，才能实现各路的精确稳压。
二、多路输出开关电源技术综述
1、单变压器多绕组多路输出技术
图1所示为正激变换器的简单拓扑结构，即常规的单变压器多绕组多路输出技术，其主输出电压为Vout-m。
图1 单变压器多绕组多路输出变换器
此拓扑结构的主输出部分采用脉宽调制方式进行精确稳压，而辅助输出Vout-s，不进行反馈调节，只是通过变压器的交叉调节方式对辅助输出电压进行调整。采用这种调节方式所带来的问题主要是：(1)由于变压器存在一定的漏感及绕组电阻，使得辅助输出电压Vout-s出现交叉调节误差，从而导致辅助输出电压调节精度不高；(2)当电感L2上的电流或是电感L3上的电流不连续时，Vout-s变化显著。由于常规的单变压器多路输出模式设计简单，所以在对主路输出电压精确要求较高，而对辅助输出电压要求较低的场合得到了较为广泛的应用。
2、耦合电感多路输出技术
耦合电感多路输出变换器如图2所示，它是基于常规的单变压器多绕组多路输出模式上进行改进的。图中所示的滤波电感L2与L3按照正激变换器中变压器的绕制方法，绕制在同一磁芯上，主输出电压采用脉宽调制方式是进行精确稳压，辅助输出电压由变压器与耦合电感共同进行调节。跟变压器的交叉调节方式相比较，耦合电感的多路输出变换器其工作稳定。不足之处依然是变压器与耦合电感存在一定的漏感和绕组电阻，辅助输出电压Vout-s同样的存在交叉调节误差。
图2 耦合电感的多路输出变换器
3、磁放大器后置调节技术
由于常规的多路输出变换器技术与耦和电感多路输出变换器技术，都仅是对主输出电压进行反馈，而辅助输出电压部分处于开环工作状态，使得辅助输出稳压精度相对较差与负载调整率相对较低，这就直接导致了在辅助输出电压稳压精度要求较高，同时负载调整率也要求较高的场合，其应用受到了极大的限制。基于传统多路输出DC/DC变换器的一系列缺点，研究发现在辅助输出部分加入磁放大器后级调整模块，能够对辅助端的输出电压达到有效的调节，得到了性能较高的辅路输出电压。磁放大器利用电感能够饱和的特性来实现开关功能，它的作用就相当于一个功率开关器件：在饱和的情况下，磁放大器中的相对磁导率趋近零，磁放大器处于短路状态，相当于开关导通；在非饱和情况下，它的相对磁导率趋近无穷大，磁放大器处于截止状态。在磁放大器的材料选择上，因磁放大器采用高矩形度的饱和电感来充当电路中常规的开关器件，所以在实际的应用中要尽量选取B-H磁滞曲线较小的磁性材料。磁放大器后置调节技术的原理图如图3所示。
图3 磁放大器后置调节变换器
4、同步开关后置调节多路输出技术
经过长期的研究与分析，对磁放大器后置调节方式的不足加以改善，把后级电路的磁放大器换成功率开关管器件，也就是所谓的同步开关后置调节技术。其工作原理与磁放大器后置调节方式相同，同样是利用开关管的开关功能，对后级的输出电压进行二次调节，达到提高辅路输出电压的精确度与稳定性。同步开关后置调节多路输出变换器如图4所示
图4 同步开关的后置调节变换器
同步开关的后置调节方式，对主输出电压Vout-m进行闭环调节，辅路输出电压Vout-s利用功率开关管的开关原理进行二次调节，使多路输出变换器的各路输出电压精确度与稳定性得到了显著提高。同样这种调节方式也有它的一些缺点：当主控支路电感L2上的电流断续时，开关管Q1的占空比将变小，这就导致了辅输出电压Vout-s可调节的范围变窄，甚至导致辅输出无法调节。
三、多路输出开关电源新技术综述
1、单绕组实现多路输出技术
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。拓扑见图5，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6是该拓扑使用脉冲后沿调制理想的开关和控制波形。
图5 同一次级绕组实现多路输出拓扑
图6 变换器理想的开关与控制波形
在隔离式多路变换器中，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，具有以下优点：①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；②初次级没有任何信号需要传递；③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；④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；⑤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。不足之处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。
2、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7。该拓扑包含两个子变换器A，B，共用一个电感L和开关S1，采用分时复用(Time-multi-plexing)，实现两路电压输出，变换器工作在不连续导通模态(CDM)。
图7 单电感双路输出变换器
图8是SIDO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，首先关闭S1，电感电流IL增加，持续时间为D1aT，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：
D1a+D2a≤1/2
D1a+D2a+D3a=1
在Φb=1时段，变换器B重复上面的开关动作，故使得两个输出交替调节。
图8 SIDO变换器的时间控制图解
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。
结束语
采用多电源供电的系统设计是很常见的，本文就近年来电源多路输出技术的发展做了归纳。多路输出技術经过不断更新进步，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
[1] 文露，谢运祥. 开关电源多路输出技术控制方法综述[J]. 电源技术应用. 2009(06)
[2] 杨立杰. 多路输出单端反激式开关电源设计[J]. 现代电子技术. 2007(06)
[3] 徐勇，金辛海. 多路输出反激式开关电源的反馈环路设计[J]. 电源技术应用. 2009(01)