CN103715886B - 四开关降压/升压模式变换器的控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四开关降压/升压模式变换器的控制方法和控制电路，针对四开关降压/升压模式变换器工作处于第一开关与第四开关均导通，且第二开关与第三开关均断开的状态时，对其当前的工作模式进行判定，以确定四开关降压/升压模式变换器进入何种工作模式（buck模式、boost模式还是buck‑boost模式），并据此对变换器的各开关的开关状态进行控制以输出稳定的输出电压。本发明的控制方法从而能够有效实现控制buck模式、boost模式、buck‑boost模式之间的无缝切换，并由此实现带来减少电感电流波动大、减少控制电路器件多、降低成本、控制过程简单以及效率高等有益效果。

Description

四开关降压/升压模式变换器的控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种四开关降压/升压模式变换器的控制方法及控制电路。

背景技术

四开关降压/升压模式（buck-boost）变换器由于其开关损耗低、输出电压可升可降等优点一直都受到人们的关注，对其电路的优化控制策略也成为当前研究的热点。

四开关的buck-boost变换器的功率级电路结构如图1所示，包括电感L，耦接于输入电压Vin与所述电感L的第一端LX1间的第一开关K1，藕接于所述电感L的所述第一端LX1与接地端GND间的第二开关K2，藕接于所述电感L的第二端LX2与所述接地端GND间的第三开关K3，以及耦接于所述电感L的所述第二端LX2与所述稳定输出电压Vo间的第四开关K4，负载连接于所述输出电压Vout与所述接地端GND间。该四开关的buck-boost变换器将输入电压(例如，电池电压)Vin变换为稳定的输出电压Vout至负载。一般来说，变换器针对系统的需求会有三种操作模式，例如:降压模式（buck模式）、升压模式(boost模式)以及降压/升压模式（buck-boost模式）。

现有技术中四开关的buck-boost变换器的控制电路主要根据输入电压和输出电压的大小控制功率级电路工作在哪种模式，一般地有：

当Vin>>Vo时，控制四开关buck-boost变换器工作于buck模式，此时有第四开关K4保持一直导通，第三开关K3一直断开，第一开关K1、第二开关K2交替通断；

当Vin<<Vo时，控制四开关buck-boost变换器工作于boost模式，此时有第一开关K1保持一直导通，第二开关K2一直断开，第三开关K3、第四开关K4交替通断；

当Vin与Vo比较接近时，控制四开关buck-boost变换器工作于buck-boost模式，电路的整个工作周期分为3个阶段：

第一阶段：第一开关K1、第三开关K3导通；

第二阶段：第一开关K1、第四开关K4导通；

第三阶段：第二开关K2、第四开关K4导通。

由于现有技术中四开关的buck-boost变换器的控制电路是根据输入电压和输出电压的大小进行比较来控制变换器工作在哪种模式，导致模式之间的切换突然，从而带来电感电流波动大、控制电路器件繁多、成本高、控制过程复杂以及效率低等问题。

发明内容

本发明的多个方面提供一种四开关buck-boost变换器的控制方法及控制电路，能够有效实现控制buck模式、boost模式、buck-boost模式之间的无缝切换。为实现上述目的，本发明实施例提供了一种四开关buck-boost变换器的控制方法，用以控制四开关buck-boost变换器以产生稳定输出电压，所述四开关buck-boost变换器包括:电感，耦接于输入电压与所述电感的第一端间的第一开关，藕接于所述电感的所述第一端与接地端间的第二开关，藕接于所述电感的第二端与所述接地端间的第三开关，以及耦接于所述电感的所述第二端与所述稳定输出电压间的第四开关;所述控制方法包括步骤:

S1、在所述第一开关与所述第四开关均导通，所述第二开关与所述第三开关均关断时，

根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一导通时间信号；

同时，根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一关断时间信号；

同时，根据一参考电流信号和一参考电压信号产生一参考时间信号；

S2、根据所述导通时间信号、关断时间信号和参考时间信号来控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述导通时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck模式，则断开所述第一开关并导通所述第二开关；

当所述关断时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于boost模式，则断开所述第四开关并导通所述第三开关；

当所述参考时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck-boost模式，之后，所述导通时间信号或者所述关断时间信号变为有效状态时，则断开所述第一开关并导通所述第二开关；

S3、当所述变换器工作于buck模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，则断开所述第二开关并导通所述第一开关；

当所述变换器工作于boost模式，且检测到所述电感电流上升到预定的峰值时，则断开所述第三开关并导通所述第四开关；

当所述变换器工作于buck-boost模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，断开所述第二开关并导通所述第一开关，同时断开所述第四开关并导通所述第三开关;检测到所述电感电流上升到预定的峰值，断开所述第三开关并导通所述第四开关。

S4、重复步骤S1、S2、S3以调整所述稳定输出电压。

作为上述技术方案的改进，在所述步骤S1具体包括:

当所述导通时间信号变为有效状态；

当所述关断时间信号变为有效状态；

当所述参考时间信号变为有效状态;

其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为与输入电压Vin成比例关系的电流信号，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为与所述稳定输出电压Vo成比例关系的电流信号，Iref为所述参考电流信号，Ton为所述第一开关的导通时间，Toff为所述第三开关的关断时间，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间；K为预设的比率，C为预设的检测电容容值。

作为上述技术方案的改进，依据所述稳定输出电压的电压反馈信号产生一个电压补偿信号;根据所述电压补偿信号来判定所述电感电流是否上升到预定的峰值/减少到预定的谷值。

本发明相应的还提供了一种四开关buck-boost变换器的控制电路，用以控制四开关buck-boost变换器以产生稳定输出电压，所述四开关buck-boost变换器包括:电感，耦接于输入电压与所述电感的第一端间的第一开关，藕接于所述电感的所述第一端与接地端间的第二开关，藕接于所述电感的第二端与所述接地端间的第三开关，以及耦接于所述电感的所述第二端与所述稳定输出电压间的第四开关;

其中，所述控制电路包括用于分别检测所述四开关buck-boost变换器当前工作模式的buck模式检测电路、boost模式检测电路、buck-boost模式检测电路以及主控电路；

包括步骤：（1）在所述第一开关与所述第四开关均导通，所述第二开关与所述第三开关均关断时，

所述buck模式检测电路根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一导通时间信号；

同时，所述boost模式检测电路根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一关断时间信号；

同时，所述buck-boost模式检测电路根据一参考电流信号和一参考电压信号产生一参考时间信号；

（2）所述主控电路根据所述导通时间信号、关断时间信号和参考时间信号来控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述导通时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck模式，则控制断开所述第一开关并导通所述第二开关；

当所述关断时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于boost模式，则控制断开所述第四开关并导通所述第三开关；

当所述参考时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck-boost模式，之后，所述导通时间信号或者所述关断时间信号变为有效状态时，则控制断开所述第一开关并导通所述第二开关；

（3）所述主控电路根据所述变换器的当前工作模式控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述变换器工作于buck模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，则断开所述第二开关并导通所述第一开关；

当所述变换器工作于boost模式，且检测到所述电感电流上升到预定的峰值时，则断开所述第三开关并导通所述第四开关；

当所述变换器工作于buck-boost模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，断开所述第二开关并导通所述第一开关，同时断开所述第四开关并导通所述第三开关；检测到所述电感电流上升到预定的峰值，断开所述第三开关并导通所述第四开关。

（4）重复步骤（1）、（2）、（3）以调整所述稳定输出电压。

作为上述技术方案的改进，在所述步骤（1）中，进一步包括：

当时，所述导通时间信号变为有效状态；

当时，所述关断时间信号变为有效状态；

当时，所述参考时间信号变为有效状态;

其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为表征所述输入电压的电流信号，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为所述稳定输出电压的电流信号，Iref为所述参考电流信号，Ton为所述第一开关的导通时间，Toff为所述第三开关的关断时间，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间；K为预设的比率，C为预设的检测电容容值。

作为上述技术方案的改进，所述主控电路依据所述稳定输出电压的电压反馈信号产生一个电压补偿信号;根据所述电压补偿信号来判定所述电感电流是否上升到预定的峰值/减少到预定的谷值。

与现有技术相比，本发明公开的四开关buck-boost变换器的控制方法及控制电路在所述变换器在工作处于第一开关与第四开关导通，且第二开关与第三开关断开的状态时，对其当前的工作模式进行判定，并据此对变换器的各开关的开关状态进行控制以输出稳定的输出电压。本发明的控制方法确定四开关buck-boost变换器进入何种工作模式（buck模式、boost模式还是buck-boost模式），从而能够有效实现控制buck模式、boost模式、buck-boost模式之间的无缝切换，并由此实现带来减少电感电流波动大、减少控制电路器件多、降低成本、控制过程简单以及效率高等有益效果。

附图说明

图1是现有技术中的四开关的buck-boost变换器的功率级电路结构示意图；

图2是本发明实施例中一种四开关buck-boost变换器的控制电路的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的定义了该模式1至模式4的定义示意图；

图4为图2所示的四开关buck-boost变换器的电路拓扑（工作路径）图；

图5为图2所示的控制电路的buck模式检测电路的具体结构示意图；图6为图2所示的控制电路的boost模式检测电路的具体结构示意图；

图7为图2所示的控制电路的buck-boost模式检测电路的具体结构示意图；

图8为图2所示的控制电路的主控电路的具体结构示意图；

图9为图2所示的四开关buck-boost变换器工作在buck模式（模式1）下的工作波形图；

图10为图2所示的四开关buck-boost变换器工作在boost模式（模式4）下的工作波形图；

图11为图2所示的四开关buck-boost变换器工作在buck-boost（模式2）下的工作波形图；

图12为图2所示的四开关buck-boost变换器工作在buck-boost（模式3）下的工作波形图；

图13为本发明实施例提供的一种四开关buck-boost变换器的控制方法的流程图；

图14为图13所示的四开关buck-boost变换器工作在buck模式下的流程图；

图15为图13所示的四开关buck-boost变换器工作在boost模式下的流程图；

图16为图13所示的四开关buck-boost变换器工作在buck-boost模式下的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明人经过对现有技术的四开关buck-boost变换器的工作过程的研究发现，无论四开关buck-boost变换器是工作在buck模式、boost模式或者buck-boost模式，其在工作过程中都有第一开关K1和第四开关K4均导通的情况出现，因此，本发明的发明思路是：通过在第一开关K1和第四开关K4均导通的这段时间内确定选用何种控制模式（buck模式、boost模式或者buck-boost模式），从而可以实现控制模式之间的无缝切换。

参见图2，是本发明实施例提供的一种四开关buck-boost变换器10的控制电路20的结构示意图。本实施例的四开关buck-boost变换器的控制电路20用以控制四开关buck-boost变换器10以产生稳定输出电压。其中，所述四开关的buck-boost变换器10包括电感L，耦接于输入电压Vin与所述电感L的第一端LX1间的第一开关K1，藕接于所述电感L的所述第一端LX1与接地端GND间的第二开关K2，藕接于所述电感L的第二端LX2与所述接地端GND间的第三开关K3，以及耦接于所述电感L的所述第二端LX2与所述稳定输出电压Vout间的第四开关K4，负载连接于所述稳定输出电压Vout（以下简称为Vo）与所述接地端GND间。

该四开关的buck-boost变换器10将输入电压(例如，电池电压)Vin供应稳定的输出电压Vout至负载。该四开关的buck-boost变换器可令输出电压Vout高于、低于、或者使之接近于输入电压Vin。本实施例的控制电路20可控制四开关的buck-boost变换器10在降压模式（buck模式，即模式1）、升压模式(boost模式，即模式4)以及降压/升压模式（buck-boost模式，包括模式2和模式3）。在模式1中，四开关的buck-boost变换器10所调节出的输出电压低于输入电压。在模式4中，四开关的buck-boost变换器10调节出的输出电压高于输入电压。在模式2或3中，四开关的buck-boost变换器10调节出的偷出电压可能高于、低于或接近于输入电压。

图3具体定义了该模式1～模式4。当Vout低于或等于Vin的第一比率Ka(例如90%)，即Vin×Ka≥Vo，则四开关的buck-boost变换器10就会在模式1中操作。当Vout高于Vin的第一比率却又低于Vin，即Vin×Ka<Vo<Vin，则四开关的buck-boost变换器10就会在模式2中操作。当Vout高于Vin却又低于Vin的第二比率Kb(例如110%)，即Vin<Vo<Vin×Kb，则四开关的buck-boost变换器10就会在模式3中操作。当Vout高于或等于Vin的第二比率Kb，即Vin×Kb≤Vo，则四开关的buck-boost变换器10就会在模式4中操作。第一与第二比率是依据总电路线性反应(total circuit response)而来的，例如第一比率Ka可以定为0.9，而第二比率Kb可定为1.1，但实际上并无限制。

继续参考图2，本实施例的控制电路20包括用于分别检测所述四开关buck-boost变换器10当前工作模式的buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23以及主控电路24，所述buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23分别连接所述四开关buck-boost变换器10的输入电压Vin和输出电压Vout，以实时检测四开关buck-boost变换器10的工作模式，并将检测结果发送给所述主控电路24，所述主控电路24根据所述buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23的检测结果发出四个操作讯号TG1、TG2、TG3和TG4分别对应控制控制所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4的导通/断开。具体的，包括步骤：

（1）在四开关buck-boost变换器10的第一开关K1、第四开关K4均导通，所述第二开关K2与所述第三开关K3均断开时刻，三种模式检测电路（buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23）会同时工作，具体为buck模式检测电路21根据所述变换器的输入电压Vin和稳定输出电压Vout产生一导通时间信号Ton；同时，boost模式检测电路22根据所述变换器的输入电压Vin和稳定输出电压Vout产生一关断时间信号Toff；同时，buck-boost模式检测电路23根据一参考电流信号Iref和一参考电压信号Vref产生一参考时间信号Tref；

（2）所述主控电路24根据所述导通时间信号、关断时间信号和参考时间信号来对应控制所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4的通/断，包括：

当所述导通时间信号Ton先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，所述变换器工作于buck模式（模式1），则控制断开所述第一开关K1并导通所述第二开关K2；

当所述关断时间信号先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，所述变换器工作于boost模式（模式4），则控制断开所述第四开关K4并导通所述第三开关K3；

当所述参考时间信号先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，所述变换器工作于buck-boost模式（模式2或模式3），之后，所述导通时间信号或者所述关断时间信号变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，则控制断开所述第一开关K1并导通所述第二开关K2；

（3）所述主控电路24根据所述变换器的当前工作模式控制所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3以及第四开关K4的通/断，包括：

当所述变换器工作于buck模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，则断开所述第二开关K2并导通所述第一开关K1；

当所述变换器工作于boost模式，且检测到所述电感电流上升到预定的峰值时，则断开所述第三开关K3并导通所述第四开关K4；

当所述变换器工作于buck-boost模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，断开所述第二开关K2并导通所述第一开关K1，同时断开所述第四开关K4并导通所述第三开关K3；检测到所述电感电流上升到预定的峰值，断开所述第三开关K3并导通所述第四开关K4。

（4）重复步骤（1）、（2）、（3）以调整所述稳定输出电压。

结合图4所显示的四开关buck-boost变换器10的电路拓扑（工作路径）图，总的来说，当四开关buck-boost变换器10工作在buck模式（模式1）下，开关流程是K1K4→K2K4→K1K4→K2K4→…（即T1→T2）。当四开关buck-boost变换器10工作在boost模式（模式4）下，开关流程是K1K4→K1K3→K1K4→K1K3→…（即T1→T3）;当四开关buck-boost变换器10工作在buck-boost模式（模式2或模式3）下，开关流程是K1K4→K2K4→K1K3→K1K4→K2K4→K1K3→…（即T1→T2→T3）。工作模式的逻辑关系如下表1所示：

表1

图5～图8显示了实现本发明的所述buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23以及主控电路24的功能的可选的电路结构。

如图5所示，所述buck模式检测电路21包括比较器211和充放电电路212，具体地，所述充放电电路212包括充电电容C1，其容值为C，其充电电流由一压控电流源提供，所述压控电流源产生一与输入电压Vin成比例关系的电流信号；该充放电电路通过开关管Q1来控制充电电容C1的放电动作，所述开关管Q1的开关状态由一Boost控制信号和一计时复位信号经或逻辑运算后的信号控制。比较器211的反向输入端接收所述稳定输出电压Vo，正向输入端接收充电电容C1的两端电压，输出端输出Buck控制信号，所述Buck控制信号经单脉冲发生电路处理后产生所述导通时间信号Ton。所述导通时间信号Ton传输到所述主控电路24。需要说明的是，当所述充电电容C1的两端电压达到所述输出电压时，即所述导通时间信号翻转为高电平，其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为与输入电压Vin成比例关系的电流信号（K为预设的比率），Vo为所述稳定输出电压，Ton为所述第一开关K1的导通时间。

如图6所示，所述boost模式检测电路22包括比较器221和充放电电路222，具体地，所述充放电电路222包括充电电容C2，其容值与充电电容C1相同，均为C，其充电电流由一压控电流源提供，所述压控电流源产生一与输出电压Vo成比例关系的电流信号；该充放电电路通过开关管Q2来控制充电电容C2的放电动作，所述开关管Q2的开关状态由所述Buck控制信号和计时复位信号经或逻辑运算后的信号控制。比较器221的反向输入端接收所述输出电压Vin，正向输入端接收充电电容C2的两端电压，输出端输出Boost控制信号，所述Boost控制信号经单脉冲发生电路处理后产生所述关断时间信号Toff。所述关断时间信号Toff传输到所述主控电路24。需要说明的是，当所述充电电容C2的两端电压达到所述输入电压时，即所述关断时间信号翻转为高电平，其中，Vin为所述输入电压，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为与所述稳定输出电压Vo成比例关系的电流信号，Toff为所述第三开关K3的关断时间。

如图7所示，所述buck-boost模式检测电路23包括比较器231和充放电电路232，具体地，所述充放电电路232包括充电电容C3，其容值与充电电容C1相同，均为C，其充电电流由参考电流信号Iref提供，该充放电电路通过开关管Q3来控制充电电容C3的放电动作，其中，Buck控制信号和Buck-Boost控制信号的非信号经与逻辑运算后的信号、Boost控制信号和Buck-Boost控制信号的非信号经与逻辑运算后的信号以及计时复位信号，三个信号经或逻辑运算后的信号控制所述开关管Q3的开关状态。比较器231的反向输入端接收所述参考电压信号Vref，正向输入端接收充电电容C3的两端电压，输出端输出Buck-Boost控制信号，所述Buck-Boost控制信号作为所述参考时间信号Tref。所述参考时间信号Tref传输到所述主控电路24。需要说明的是，当所述充电电容C3的两端电压达到所述参考电压信号时，即所述参考时间信号翻转为高电平，其中，Vin为所述输入电压，Iref为所述参考电流信号，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间。另外，所述参考电流信号Iref和参考电压信号Vref的值根据所述变换器的周期来确定，其使得所述参考时间的时间值小于所述变换器的周期，优选地，可为周期的80%，也可根据实际需要合理选值。

上述三个模式检测电路中的计时复位信号记为Timer Reset，可通过一计时复位器产生，在所述变换器的第一开关和第四开关均导通的时刻，其产生所述计时复位信号。

如图8所示，所述主控电路24包括逻辑信号生成电路241、第一驱动电路242和第二驱动电路243，所述逻辑信号生成电路241的输入端连接所述buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23的输出端，以对应接收导通时间信号Ton、关断时间信号Toff、参考时间信号Tref；所述逻辑信号生成电路241的输入端还接收谷值检测信号Valley和峰值检测信号Peak，谷值检测信号Valley和峰值检测信号Peak具体产生过程为：所述稳定输出电压的电压反馈信号经过补偿处理后产生一电压补偿信号Vc，然后，Valley信号由第一比较器生成，该第一比较器的正向输入端接收所述电压补偿信号Vc，反向输入端接收所述电感的电流值IL，输出端产生所述Valley信号传输至所述逻辑信号生成电路241的输入端；同样，Peak信号由第二比较器生成，该第二比较器的反向输入端接收所述电压补偿信号Vc，正向输入端接收所述电感的电流值IL，该第二比较器的输出端输出所述Peak信号传输至所述逻辑信号生成电路241的输入端。所述逻辑信号生成电路241根据接收的信号，生成第一脉冲调制信号PWM1和第二脉冲调制信号PWM2并对应发送给所述第一驱动电路242和第二驱动电路243。所述第一驱动电路242接收所述PWM1信号以控制第一开关K1和第二开关K2的通/断，所述第二驱动电路243接收所述PWM2信号以控制第三开关K3和第四开关K4的通/断。例如，在本实施例中，当所述PWM1为高电平时，第一开关K1导通，第二开关K2断开；当所述PWM1为低电平时，第一开关K1断开，第二开关K2导通。当所述PWM2为低电平时，第四开关K4导通，第三开关K3断开；当所述PWM2为高电平时，第四开关K4断开，第三开关K3导通。

下面，结合图9～12，详细描述如何利用图5～图8所示的本发明实施例的控制电路20控制四开关buck-boost变换器在buck模式、boost模式、buck-boost模式下的工作过程之间，从而实现各个模式的无缝切换。

Buck模式（模式1）：

参考图5、图8以及图9，在t1时刻，所述第一开关K1、第四开关K4均导通，这时，所述buck模式检测电路21、boost模式检测电路22、buck-boost模式检测电路23的计时复位信号复位开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3，之后，三个模式检测电路会同时充电，直至t2时刻，充电电容C1的两端电压到达Vo时，Buck信号先翻转为高电平，随之导通时间信号Ton为高电平，所述变换器工作于buck模式，公式中Ton表示充电电容C1的充电时间，也即是第一开关K1的导通时间。需要补充说明的是，当导通时间信号Ton翻转为高电平时，所述关断时间信号Toff和所述参考时间信号Tref被置位为低电平。所述逻辑信号生成电路241接收到导通时间信号Ton为高电平时，则控制PWM1信号为低电平并传输给所述第一驱动电路242，从而控制K1断开，K2导通。这时，所述四开关buck-boost变换器的电感L通过K2和K4续流，在t2时刻到t3时刻之间，电感电流持续下降，直至t3时刻，电感电流下降到预定的谷值时，所述第一比较器输出的Valley信号翻转为高电平，这里所述电压补偿信号Vc作为所述预定的谷值，所述逻辑信号生成电路241接收到valley信号为高电平时，则控制PWM1信号为高电平并传输给所述第一驱动电路242，从而控制第一开关K1导通，第二开关K2关断。这样，四开关buck-boost变换器恢复到K1和K4同时导通的状态，一个工作周期完成。同时，计时复位信号Timer Reset复位三个模式检测电路，以重新判定四开关buck-boost变换器的工作模式。

Boost模式（模式4）：

参考图6、图8以及图10，在t1时刻，所述第一开关K1、第四开关K4均导通。同上理，三个模式检测电路会同时充电，直至t2时刻，充电电容C1的两端电压到达Vin时，Boost信号先翻转为高电平，随之，关断时间信号Toff为高电平，所述变换器工作于boost模式，公式中Toff表示充电电容C2的充电时间，也即是第三开关K3的关断时间。同理，当关断时间信号Toff翻转为高电平时，所述导通时间信号Ton和所述参考时间信号Tref被置位为低电平。所述逻辑信号生成电路241接收到关断时间信号Toff为高电平时，控制所述PWM2信号为高电平并传输给所述第二驱动电路243，从而控制K3导通，K4断开。这时，输入电源对四开关buck-boost变换器的电感L充电，电感电流持续上升，直至到t3时刻，电感电流上升到预定的峰值，第二比较器输出的Peak信号翻转为高电平，这里所述电压补偿信号Vc作为预定的峰值，所述逻辑信号生成电路241接收到Peak信号为高电平时，则控制所述PWM2信号为低电平并传输给向所述第二驱动电路243，从而控制K3断开，k4导通，这时，四开关buck-boost变换器的功率级电路恢复到K1和K4同时导通的状态，一个工作周期完成。同时，计时复位信号Timer Reset复位三个模式检测电路，以重新判定四开关buck-boost变换器的工作模式。

Buck-boost模式(模式2)：

参考图7、图8以及图11，当Vin与Vo接近时(在本实施例中，满足Vin×Ka<Vo<Vin或Vin<Vo<Vin×Kb，Ka<1<Kb)，buck-boost模式检测电路的buck-boost信号先翻转为高电平，此时电路工作于buck-boost模式，当满足Vin×Ka<Vo<Vin时，其工作于模式2，其一个工作周期包括三个工作阶段：

a、在t1时刻，所述第一开关K1、第四开关K4均导通。在此阶段过程中，输入电源给电感和负载供电，电感电流持续上升。同上理，三个模式检测电路会同时充电，这时充电电容C3的两端电压到达Vref时，Buck-Boost信号先翻转为高电平，之后，buck模式检测电路21和boost模式检测电路22继续工作，直至到t2时刻，buck模式检测电路21的Ton时间到达，buck信号翻转为高电平，即Ton为高电平，boost信号被置位为低。所述逻辑信号生成电路241接收到导Tref、Ton信号为高电平，则控制所述PWM1信号为低电平并传输给第一驱动电路242，从而控制K1断开，K2导通,第一阶段工作结束。

b、在t2时刻，K2、K4导通，四开关buck-boost变换器的电感L电流经由K2、K4续流，电感电流持续减小;直至电感电流减小到预定的谷值时，所述valley信号翻转为高电平，同理，所述电压补偿信号Vc作为预定的谷值，所述逻辑信号生成电路241接收到valley信号为高电平时，则控制所述PWM1为高电平并传输给所述第一驱动电路242，从而控制K1导通，K2断开;并同时（在接收Tref信号为高电平情况下）控制所述PWM2为高电平并传输给所述第二驱动电路243，从而控制K3导通，K4断开。此时，第二阶段工作结束，这时有K2、K4断开，K1、K3闭合。

c、在t3时刻之后，输入电源经由K1、K3对电感L充电，电感L电流持续上升，当检测到电感电流到达预定的峰值时，Peak信号翻转为高电平，同理，所述电压补偿信号Vc作为预定的峰值，所述逻辑信号生成电路241接收到Peak信号为高电平时，则控制PWM2信号为低电平并传输给所述第二驱动电路243,从而控制K3断开、K4导通，第三阶段工作结束。所述四开关buck-boos变换器恢复到K1、K4同时导通的状态，一个工作周期完成。同时，计时复位信号TimerReset复位三个模式检测电路，以重新判定四开关buck-boost变换器的工作模式。

Buck-boost模式(模式3)：

参考图7、图8以及图12，当Vin与Vo接近时，buck-boost模式检测电路的Buck-Boost信号先翻转为高电平，此时电路工作于buck-boost模式，当满足Vin<Vo<Vin×Kb时，所述变换器工作于模式3，其一个工作周期也包括三个工作阶段：

a、在t1时刻，所述第一开关K1、第四开关K4均导通，在此阶段过程中，输入电源和电感给负载供电，电感电流下降。同上理，三个模式检测电路会同时充电，这时充电电容C3的两端电压到达Vref时，Buck-Boost信号先翻转为高电平，之后，buck模式检测电路21和boost模式检测电路22继续工作，直至到t2时刻，boost模式检测电路22的Toff时间到达，boost信号翻转为高电平，即Toff为高电平，buck信号被置位为低。所述逻辑信号生成电路241接收到参考时间信号Tref以及关断时间信号Toff为高电平时，则控制所述PWM1信号为低电平并传输给所述第一驱动电路242，从而控制K1断开，K2导通,第一阶段工作结束。

b、在t2时刻，K2、K4导通，四开关buck-boost变换器的电感L电流经由K2、K4续流，电感电流持续减小;直至电感电流减小到预定的谷值时，所述valley信号翻转为高电平，同理，所述电压补偿信号Vc作为预定的谷值。所述逻辑信号生成电路241接收到Valley信号为高电平时，则控制所述PWM1为高电平并传输给所述第一驱动电路242，从而控制K1导通，K2断开;并同时（在接收Tref信号为高电平情况下）控制所述PWM2为高电平并传输给所述第二驱动电路243，从而控制K3导通，K4断开。此时，第二阶段工作结束，这时有K2、K4断开，K1、K3闭合。

c、在t3时刻之后，输入电源经由K1、K3对电感L充电，电感L电流持续上升，当检测到电感电流到达预定的峰值时，Peak信号翻转为高电平，同理，所述电压补偿信号Vc作为预定的峰值，所述逻辑信号生成电路241接收到Peak信号为高电平时，则控制PWM2信号为低电平并传输给所述第二驱动电路243,从而控制K3断开、K4导通，第三阶段工作结束。所述四开关buck-boos变换器恢复到K1、K4同时导通的状态，一个工作周期完成。同时，计时复位信号TimerReset复位三个模式检测电路，以重新判定四开关buck-boost变换器的工作模式。

从上述图11和图12阐述的工作过程可以看出，无论在模式2和模式3工作下，其开关切换顺序均为K1K4→K2K4→K1K3，这种切换顺序可提高电源的利用率，工作效率高。

下面结合图13～16，详细描述本发明实施例提供的一种四开关buck-boost变换器的控制方法，其用于控制如图1所示的四开关buck-boost变换器以产生稳定输出电压，其包括以下步骤：

S11:在所述第一开关K1、第四开关K4导通，所述第二开关K2与第三开关K3断开时刻，开始进行工作模式的检测；

S12:根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一导通时间信号；

同时，根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一关断时间信号；

同时，根据参考电流信号和参考电压信号产生一参考时间信号；

S13:当所述导通时间信号先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，四开关buck-boost变换器工作于buck模式；

当所述关断时间信号先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，四开关buck-boost变换器工作于boost模式；

当所述参考时间信号先变为有效状态（例如，翻转为高电平）时，四开关buck-boost变换器工作于buck-boost模式；

S14:所述变换器工作于buck模式、boost模式或buck-boost模式，并完成一个周期，直至再次所述第一开关K1、第四开关K4导通，返回步骤S11；

以下参考图14、图15、图16分别阐述所述变换器工作于buck模式、boost模式或buck-boost模式中一个工作周期的工作流程：

其中，参考图14，当所述四开关buck-boost变换器进入buck模式时，其包括以下步骤：

S141:buck模式检测电路检测是否达到Vo，若是，则继续步骤S142，否则继续等待；

其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为与输入电压Vin成比例关系的电流信号（K为预设的比率），Vo为所述稳定输出电压，Ton为所述第一开关K1的导通时间。

S142：断开所述第一开关K1并导通所述第二开关K2;

S143：判断所述四开关buck-boost变换器的电感L电流是否减少到预定的谷值,若是，则继续步骤S144;否则继续等待。

S144：断开所述第二开关K2并导通第一开关K1，此时第一开关K1和第四开关K4均导通，返回步骤S11。

参考图15，当所述四开关buck-boost变换器进入boost模式时，其包括以下步骤：

S151:boost模式检测电路检测是否达到Vin，若是，则继续步骤S152，否则继续等待；

其中，Vin为所述输入电压，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为与所述稳定输出电压Vo成比例关系的电流信号，Toff为所述第三开关K3的关断时间。

S152：断开所述第四开关K4并导通所述第三开关K3;

S153：判断所述四开关buck-boost变换器的电感L电流是否上升到预定的峰值,若是，则继续步骤S154;否则继续等待。

S154：断开所述第三开关K3并导通第四开关K4，此时第一开关K1和第四开关K4均导通，返回步骤S11。

参考图16，当所述四开关buck-boost变换器进入buck-boost模式时，其包括以下步骤：

S161:buck-boost模式检测电路检测是否达到Vref，若是，则继续步骤S162或步骤S163，否则继续等待；

其中，Iref为所述参考电流信号，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间。另外，所述参考电流信号Iref和参考电压信号Vref的值根据所述变换器的周期来确定，其使得所述参考时间的时间值小于所述变换器的周期，优选地，可为周期的80%，也可根据实际需要合理选值；

S162：buck模式检测电路检测是否达到Vo，若是，则继续步骤S164，否则继续等待；

S163：boost模式检测电路检测是否达到Vin，若是，则继续步骤S164，否则继续等待；

S164:断开所述第一开关K1并导通所述第二开关K2;

S165：判断所述四开关buck-boost变换器的电感L电流是否减少到预定的谷值,若是，则继续步骤S166，否则继续等待；

S166：断开所述第二开关K2并导通所述第一开关K1，且同时断开所述第四开关K4并导通第三开关K3;

S167：判断所述四开关buck-boost变换器的电感L电流是否上升到预定的峰值,若是，则继续步骤S168;否则继续等待。

S168：断开所述第三开关K3并导通第四开关K4，此时第一开关K1和第四开关K4均导通，返回步骤S11。

综上所述，本发明公开的四开关buck-boost变换器的控制方法及控制电路控制四开关buck-boost变换器在第一开关与第四开关导通，且第二开关与第三开关断开的状态下，通过三个模式检测电路来确定变换器的工作模式，从而能够有效实现控制buck模式、boost模式、buck-boost模式之间的无缝切换，并由此实现带来减少电感电流波动大、减少控制电路器件多、降低成本、控制过程简单以及效率高等有益效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种四开关buck-boost变换器的控制方法，用以控制四开关buck-boost变换器以产生稳定输出电压，所述四开关buck-boost变换器包括:电感，连接于输入电压与所述电感的第一端间的第一开关，连接于所述电感的所述第一端与接地端间的第二开关，连接于所述电感的第二端与所述接地端间的第三开关，以及连接于所述电感的所述第二端与所述稳定输出电压间的第四开关；其特征在于，所述控制方法包括步骤：

S1、在所述第一开关与所述第四开关均导通，所述第二开关与所述第三开关均关断时，

根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一导通时间信号；

同时，根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一关断时间信号；

同时，根据一参考电流信号和一参考电压信号产生一参考时间信号；

S2、根据所述导通时间信号、关断时间信号和参考时间信号来控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述导通时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck模式，则断开所述第一开关并导通所述第二开关；

当所述关断时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于boost模式，则断开所述第四开关并导通所述第三开关；

当所述参考时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck-boost模式，之后，所述导通时间信号或者所述关断时间信号变为有效状态时，则断开所述第一开关并导通所述第二开关；

S3、当所述变换器工作于buck模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，则断开所述第二开关并导通所述第一开关；

当所述变换器工作于boost模式，且检测到所述电感电流上升到预定的峰值时，则断开所述第三开关并导通所述第四开关；

当所述变换器工作于buck-boost模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，断开所述第二开关并导通所述第一开关，同时断开所述第四开关并导通所述第三开关；检测到所述电感电流上升到预定的峰值，断开所述第三开关并导通所述第四开关；

S4、重复步骤S1、S2、S3以调整所述稳定输出电压。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于,在所述步骤S1具体包括:

当所述导通时间信号变为有效状态；

当所述关断时间信号变为有效状态；

当所述参考时间信号变为有效状态；

其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为与输入电压Vin成比例关系的电流信号，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为与所述稳定输出电压Vo成比例关系的电流信号，Iref为所述参考电流信号，Ton为所述第一开关的导通时间，Toff为所述第三开关的关断时间，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间；K为预设的比率，C为预设的检测电容容值。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，依据所述稳定输出电压的电压反馈信号产生一个电压补偿信号；根据所述电压补偿信号来判定所述电感电流是否上升到预定的峰值/减少到预定的谷值。

4.一种四开关buck-boost变换器的控制电路，用以控制四开关buck-boost变换器以产生稳定输出电压，所述四开关buck-boost变换器包括:电感，连接于输入电压与所述电感的第一端间的第一开关，连接于所述电感的所述第一端与接地端间的第二开关，连接于所述电感的第二端与所述接地端间的第三开关，以及连接于所述电感的所述第二端与所述稳定输出电压间的第四开关；

其特征在于，所述控制电路包括用于分别检测所述四开关buck-boost变换器当前工作模式的buck模式检测电路、boost模式检测电路、buck-boost模式检测电路以及主控电路；

包括步骤：(1)在所述第一开关与所述第四开关均导通，所述第二开关与所述第三开关均关断时，

所述buck模式检测电路根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一导通时间信号；

同时，所述boost模式检测电路根据所述变换器的输入电压和稳定输出电压产生一关断时间信号；

同时，所述buck-boost模式检测电路根据一参考电流信号和一参考电压信号产生一参考时间信号；

(2)所述主控电路根据所述导通时间信号、关断时间信号和参考时间信号来控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述导通时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck模式，则控制断开所述第一开关并导通所述第二开关；

当所述关断时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于boost模式，则控制断开所述第四开关并导通所述第三开关；

当所述参考时间信号先变为有效状态时，所述变换器工作于buck-boost模式，之后，所述导通时间信号或者所述关断时间信号变为有效状态时，则控制断开所述第一开关并导通所述第二开关；

(3)所述主控电路根据所述变换器的当前工作模式控制所述第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的通/断，包括：

当所述变换器工作于buck模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，则断开所述第二开关并导通所述第一开关；

当所述变换器工作于boost模式，且检测到所述电感电流上升到预定的峰值时，则断开所述第三开关并导通所述第四开关；

当所述变换器工作于buck-boost模式，且检测到所述电感电流减少到预定的谷值时，断开所述第二开关并导通所述第一开关，同时断开所述第四开关并导通所述第三开关；检测到所述电感电流上升到预定的峰值，断开所述第三开关并导通所述第四开关；

(4)重复步骤(1)、(2)、(3)以调整所述稳定输出电压。

5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，在所述步骤(1)中，进一步包括：

当时，所述导通时间信号变为有效状态；

当时，所述关断时间信号变为有效状态；

当时，所述参考时间信号变为有效状态；

其中，Vin为所述输入电压，Vin×K为表征所述输入电压的电流信号，Vo为所述稳定输出电压，Vo×K为所述稳定输出电压的电流信号，Iref为所述参考电流信号，Ton为所述第一开关的导通时间，Toff为所述第三开关的关断时间，Vref为所述参考电压信号，Tref为参考时间；K为预设的比率，C为预设的检测电容容值。

6.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述主控电路依据所述稳定输出电压的电压反馈信号产生一个电压补偿信号；根据所述电压补偿信号来判定所述电感电流是否上升到预定的峰值/减少到预定的谷值。