CN104242662B - 四管Buck-Boost电路的控制方法及系统 - Google Patents

四管Buck-Boost电路的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种四管buck‑boost电路的控制方法，包括如下步骤，接收实际输出电压值，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；接收实际输出电压值，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则控制功率级电路工作于boost电路模式下，若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则控制功率级电路工作于buck电路模式下。由于本发明根据输出电压误差判断工作模式，避免了由于功率级电路参数漂移导致模式选择错误。

Description

四管Buck-Boost电路的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及升、降压直流变换器，特别涉及直流变换器的四管buck-boost电路的控制方法及电路。
背景技术
如图1所示，传统的四管buck-boost电路控制方案：分buck，buck-boost，boost三个工作模式，
Buck模式：开关管Q3保持导通，开关管Q4保持关断，开关管Q1和开关管Q2交替导通；
Buck-Boost模式：开关管Q1和开关管Q2交替导通，开关管Q3和开关管Q4交替导通；
Boost模式：开关管Q1保持导通，开关管Q2保持关断，开关管Q3和开关管Q4交替导通。
每一个周期，电路只工作于一个工作模式，工作模式由输入电压决定：如下表1所示，当输入电压Vi大于期望输出电压Vr时，电路工作于buck模式；当输入电压Vi接近期望输出电压Vr时，电路工作于buck-boost模式；当输入电压Vi小于期望输出电压Vr时，电路工作于boost模式。
表1传统方案工作模式选择表
选择依据 工作模式
Vi>Vr Buck模式
Vi≈Vr Buck-Boost模式
Vi<Vr Boost模式
若采用输入电压判断工作模式，在因温度变化或者产品老化等原因导致电路参数发生变化时，即产生电路常数漂移时，输入电压和输出电压之间的关系也会发生变化，此时模式选择的阈值需适当调整，才能使功率级电路处于正常工作状态，因此根据输入电压判断工作模式时，容易由于功率级电路参数漂移导致工作模式选择错误。此外，若采用三模式控制方案，则buck-boost模式中四个管开关管同时工作，开关损耗较大。
即现有图1所示电路，采用三模式控制方法时，电路的不足总结如下：
(1)采用输入电压判断工作模式时，输出电压将随电路参数的变化而变化，容易因功率级电路参数漂移导致工作模式选择错误；
(2)存在四管同时工作的情况，开关损耗大。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决现有四管buck-boost电路存在的不足，提供一种能避免功率级电路参数漂移导致工作模式选择错误的四管buck-boost电路的控制方法。
与此相应，本发明的另一个目的是，提供一种能避免功率级电路参数漂移导致工作模式选择错误的四管buck-boost电路的控制系统。
就控制方法而言，本发明提供一种四管buck-boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
接收实际输出电压值，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，得到输出电压误差Verr，即期望输出电压Vr减去实际输出电压Vo,根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下。
本发明还提供一种四管buck-boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下；
接收模式选择判断的结果值，控制buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中， 或停止输出；
接收模式选择判断的结果值，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
就控制系统而言，本发明提供一种四管buck-boost电路的控制系统，包括功率级电路，包括：
Buck控制模块，接收实际输出电压值，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
Boost控制模块，接收实际输出电压值，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
模式选择模块，接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下。
优选的，所述模式选择模块，包括第一非门、或门、第二非门、与门、比较器、第一电阻、第二电阻、电容和运算放大器，运算放大器的正端接第一参照电压(Vref)，电压输出端通过第二电阻接运算放大器的负端，运算放大器的负端还通过串联连接的第一电阻、电容与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端还与比较器的正端连接，比较器的负端接第二参照电压(Const)，比较器的输出端与boost控制模块连接与门的输入端，与门的输出端与第四开关管连接，与门的输出端还通过第二非门与第三开关管连接；比较器的输出端还和buck控制模块连接或门的输入端，或门的输出端与第一开关管连接，或门的输出端还通过第一非门与第二开关管连接。
本发明还提供一种四管buck-boost电路的控制系统，包括功率级电路，包括：
模式选择模块，接收实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路 模式下，若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下；
Buck控制模块，接收模式选择判断的结果，控制buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出；
Boost控制模块，接收模式选择判断的结果，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
本发明的四管buck-boost电路的控制方法及电路，其有益效果为：
(1)根据输出电压误差判断工作模式，这样就避免了由于功率级电路参数漂移导致模式选择错误；
(2)只有buck模式或者boost模式，每个周期内只有两个开关管动作，有效降低开关损耗；
(3)由于buck控制模块与boost控制模块是独立分开的，因此可以分别针对buck和boost功率级电路的特性进行控制系统设计，使其具有更好的动态性能。
附图说明
图1为现有的四管buck-boost电路的原理图；
图2为本发明第一实施例的四管buck-boost电路的原理方框图；
图3为本发明第一实施例的四管buck-boost电路的模式选择模块的电路原理图；
图4为本发明第一实施例的四管buck-boost电路在临界工作点的工作曲线图；
图5为本发明第一实施例的四管buck-boost电路在buck模式的工作曲线图；
图6为本发明第一实施例的四管buck-boost电路在boost模式的工作曲线图；
图7为本发明第二实施例的四管buck-boost电路的原理方框图。
具体实施方式
第一实施例
请参阅图2，为本发明第一实施例的四管buck-boost电路的原理方框图，所提供的四管Buck-Boost电路的控制系统，包括功率级电路，包括：
功率级电路10，将输入电压值变换为期望电压值输出；
Buck控制模块20，接收实际输出电压值Vo，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块50；
Boost控制模块30，接收实际输出电压值Vo，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块50；
模式选择模块50，接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路10中，以控制功率级电路10工作于boost电路模式下；
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路10中，以控制功率级电路10工作于buck电路模式下。
上述根据输出电压误差进行模式选择的方式是一种更直接的模式选择方式，它直接根据输出电压进行模式选择，而不需要考虑输入电压和输出电压间的关系，使电路的参数漂移对工作模式选择没有直接影响。此外，若采用三模式控制方案，则buck-boost模式中四个管开关管同时工作，开关损耗较大，而本发明采用两模式控制方案，没有buck-boost工作模式，每个周期里只有两个开关管工作，避免了四个开关管都工作的情况，降低了开关损耗。
根据输出电压误差的数学函数进行进行模式判断的方法有很多，这里根据输出电压误差及其积分值判断工作模式，判断依据如下表2所示，表中所示公式的k1和k2为权值(k1>0,k2>0)，Verr为输出电压误差，是输出电压的期望值与实际值之差(Vr-Vo)，Const代表一常数，它们会影响启机速度和纹波幅值，需根据实际需要进行选择。
表2工作模式选择表
判断依据 选择的工作模式
k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const Boost模式
k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const Buck模式
如图3所示为模式选择模块的电路原理图，该模式选择模块，包括非门N1、或门U1、非门N2、与门A1、比较器B1、电阻R1、R2、电容C1和运算放大器Y1，运算放大器Y1的正端(图中标“+”的输入端)接参照电压Vref，电压输出端Vout通过电阻R2接运算放大器Y1的负端(图中标“-”的输入端)，运算放大器Y1的负端还通过串联连接的电阻R1、电容C1与运算放大器Y1的输出端连接，运算放大器Y1的输出端还与比较器B1的正端(图 中标“+”的输入端)连接，比较器B1的的负端接常数Const，比较器B1的输出端与boost控制模块连接与门A1的输入端，与门A1的输出端与开关管Q4连接，与门A1的输出端还通过非门N2与开关管Q3连接；
比较器B1的输出端还和buck控制模块连接或门U1的输入端，或门U1的输出端与开关管Q1连接，或门U1的输出端还通过非门N1与开关管Q2连接。
图3中Vgs1～Vgs4分别代表图1中开关管Q1～Q4的驱动信号。图3中，运算放大器Y1用于计算k1*Verr+k2*∫Verrdt，比较器B1用于将运算放大器Y1的计算结果与Const进行比较，产生工作模式控制信号：当运算放大器Y1的计算结果小于Const时，比较器B1输出低电平，Vgs4为低电平，Vgs3为高电平，Vgs1和Vgs2由buck控制模块输出信号决定，即功率级电路10工作于buck模式，开关管Q4保持导通，开关管Q3关断，开关管Q1和开关管Q2交替导通；当运算放大器Y1的计算结果大于Const时，比较器B1输出高电平，Vgs1为高电平，Vgs2为低电平，Vgs3和Vgs4由Boost控制模块输出信号决定，即功率级电路10工作于boost模式，开关管Q1保持导通，开关管Q2关断，开关管Q3和Q4交替导通。
该四管buck-boost电路的控制系统的工作曲线如图4～图6。
图4所示为临界工作点(输入电压与输出电压接近)的工作曲线。其中，Vo代表输出电压，k1*Verr+k2*∫Verrdt是模式判断的依据，Vgs1是图1中开关管Q1的驱动波形，Vgs4是图1中开关管Q4的驱动波形。在临界工作点达到稳态时，k2*∫Verr的数值大小与Const相当，进入稳态后变化不大，k1*Verr+k2*∫Verrdt≈k1*Verr+Const。因此基本上由k1*Verr决定工作模式。在t1～t2期间，输出电压小于期望值，k1*Verr>0，电路工作于boost模式，开关管Q1保持导通，开关管Q2关断，开关管Q3和Q4交替导通，使得电压从下降趋势改为上升趋势；在t2～t3期间，输出电压大于期望值，k1*Verr<0，电路工作于buck模式，开关管Q4保持导通，开关管Q3关断，开关管Q1和Q2交替导通，电压从上升趋势改为下降趋势。
图5所示为buck工作模式的工作曲线，曲线100代表输入电压Vi，曲线200代表输出电压，当电路的输入电压Vi>Vr(参照电压)时，电路依数学函数k1*Verr+k2*∫Verrdt得到曲线300，当k1*Verr+k2*∫Verrdt<Const时，模式选择模块50控制功率级电路10工作于buck模式下，即开关管Q4保持导通，开关管Q3关断，开关管Q1和Q2交替导通。
图6所示为boost工作模式的工作曲线，曲线100’代表输入电压Vi，曲线200’代表输出电压，当电路的输入电压Vi<Vr(参照电压)时，电路依数学函数k1*Verr+k2*∫Verrdt 得到曲线300’，当k1*Verr+k2*∫Verrdt>Const时，模式选择模块50控制功率级电路10工作于boost模式下，即开关管Q1保持导通，开关管Q2关断，开关管Q3和Q4交替导通。
所提供的四管buck-boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值Vo，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块50；
接收实际输出电压值Vo，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块50；
接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值Vo，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下。
在此实施例中，buck控制模块和boost控制模块一直都工作，它们产生的控制信号都会传输到模式选择模块，模式选择模块根据判断依据选定工作模式后，将选定的一路控制信号送到功率级电路中。
第二实施例
图7示出了第二实施例的四管buck-boost电路的原理方框图，与第一实施例的不同之处在于，buck控制模块和boost控制模块不是一直工作，而是由模式选择模块选定工作模式后，根据工作模式令其中一路控制模块停止工作，而输出选定的一路控制模块的控制信号。所提供的四管Buck-Boost电路的控制系统，包括功率级电路，包括：
功率级电路10，将输入电压值变换为期望电压值输出；
模式选择模块50，接收实际输出电压值Vo，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路10中，以控制功率级电路10工作于boost电路模式下；
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路10中，以控制功率级电路10工作于buck电路模式下；
Buck控制模块20，接收模式选择判断的结果，控制buck电路工作模式的控制信号输 出到功率级电路中，或停止输出；
Boost控制模块30，接收模式选择判断的结果，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
所提供的四管buck-boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下；
接收模式选择判断的结果值，控制buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出；
接收模式选择判断的结果值，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
上述方案与第一实施例一样，直接根据输出电压进行模式选择，由于根据输出电压误差进行模式选择的方式是一种更直接的模式选择方式，它不需要考虑输入电压和输出电压间的关系，使电路的参数漂移对工作模式选择没有直接影响。此外，若采用三模式控制方案，则buck-boost模式中四个管开关管同时工作，开关损耗较大，而本发明采用两模式控制方案，没有buck-boost工作模式，避免了四个开关管都工作的情况，降低了开关损耗。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种四管Buck-Boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
接收实际输出电压值，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，其中，k1和k2为权值，且k1>0、k2>0，Const代表一常数，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下。
2.一种四管Buck-Boost电路的控制方法，用于控制功率级电路，包括如下步骤，
接收实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，其中，k1和k2为权值，且k1>0、k2>0，Const代表一常数，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下；
接收模式选择判断的结果值，控制buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出；
接收模式选择判断的结果值，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
3.一种四管Buck-Boost电路的控制系统，包括功率级电路，其特征在于，包括：
Buck控制模块，接收实际输出电压值，并将buck电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
Boost控制模块，接收实际输出电压值，并将boost电路工作模式的控制信号输出给模式选择模块；
模式选择模块，接收buck电路工作模式的控制信号、boost电路工作模式的控制信号和实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，其中，k1和k2为权值，且k1>0、k2>0，Const代表一常数，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则将boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下；
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则将buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下。
4.根据权利要求3所述的四管Buck-Boost电路的控制系统，包括功率级电路，其特征在于，
所述模式选择模块，包括第一非门、或门、第二非门、与门、比较器、第一电阻、第二电阻、电容和运算放大器，运算放大器的正端接第一参照电压Vref，电压输出端通过第二电阻接运算放大器的负端，运算放大器的负端还通过串联连接的第一电阻、电容与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端还与比较器的正端连接，比较器的负端接第二参照电压Const，比较器的输出端与boost控制模块连接与门的输入端，与门的输出端与第四开关管连接，与门的输出端还通过第二非门与第三开关管连接；比较器的输出端还和buck控制模块连接或门的输入端，或门的输出端与第一开关管连接，或门的输出端还通过第一非门与第二开关管连接。
5.一种四管Buck-Boost电路的控制系统，包括功率级电路，其特征在于，包括：
模式选择模块，接收实际输出电压值，根据输出电压误差Verr的数学函数：k1*Verr+k2*∫Verrdt，进行模式选择判断，其中，k1和k2为权值，且k1>0、k2>0，Const代表一常数，
若k1*Verr+k2*∫Verrdt＞Const，则令buck电路工作模式的控制信号停止输出，由boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于boost电路模式下；
若k1*Verr+k2*∫Verrdt≤Const，则令boost电路工作模式的控制信号停止输出，由buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，以控制功率级电路工作于buck电路模式下；
Buck控制模块，接收模式选择判断的结果，控制buck电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出；
Boost控制模块，接收模式选择判断的结果，控制boost电路工作模式的控制信号输出到功率级电路中，或停止输出。
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