CN105471264A - 用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法，通过将输出电压的反馈信号和表征第一开关电流的采样电压信号进行比较，然后通过两路开关电路分别将比较结果、最小导通时间信号和最大导通时间信号进行逻辑运算以获得控制Buck开关信号和Boost开关信号，Buck开关信号用以控制第一开关和第二开关的开关动作，Boost开关信号用以控制第三开关和第四开关的开关动作，本发明可以根据输出电压的反馈信号的大小实现变换器在Buck工作模式和Boost工作模式之间的无缝切换，不会对电感电流或输出电压造成很大波动。

Description

用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法。

背景技术

四开关Buck-boost变换器由于其开关损耗低、输出电压可升可降等优点广泛应用于电力、通信及电子仪器等领域，对其电路开关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TG1，藕接于所述电感L的第一端LX1与接地端GND间的第二开关TG2，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TG3，以及耦接于所述电感L的第二端LX2与所述稳定输出电压Vo间的第四开关TG4，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，导致模式之间的切换突然，从而带来电感电流波动大、输出电压不稳定等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法，通过将输出电压的反馈信号和采样电压信号进行比较，然后将比较结果、最小导通时间信号和最大导通时间信号进行逻辑运算以获得控制四个开关的开关信号，本发明可以根据输出电压的反馈信号的大小实现变换器在Buck工作模式和Boost工作模式之间的无缝切换，不会对电感电流或输出电压造成很大波动。

依据本发明实施例的一种用于四开关升降压变换器的控制电路，用以控制四开关升降压变换器输出稳定的输出电压，所述四开关升降压变换器包括: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第二端与所述变换器输出端之间的第四开关，所述控制电路包括反馈补偿电路、采样电路、Buck开关电路和Boost开关电路，

所述反馈补偿电路接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，以产生Buck电压补偿信号和Boost电压补偿信号；

所述采样电路采样所述第一开关的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号；

所述Buck开关电路接收所述Buck电压补偿信号、所述采样电压信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

所述Boost开关电路接收Boost电压补偿信号、所述采样电压信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

进一步地，所述控制电路还包括叠加电路，所述叠加电路接收所述采样电压信号和一三角波电压信号，经叠加处理后输出一叠加信号，

所述Buck开关电路接收所述Buck电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

所述Boost开关电路接收Boost电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

进一步地，所述反馈补偿电路包括误差补偿电路和偏置电压电路，

所述误差补偿电路接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，产生误差信号，所述误差信号经补偿处理后产生所述Buck电压补偿信号；

所述偏置电压电路接收所述Buck电压补偿信号，并在所述Buck电压补偿信号基础上减去一偏置电压信号，以获得所述Boost电压补偿信号。

进一步地，所述Buck开关电路具体包括第一比较电路、第一与门、第一或门和第一触发器，

所述第一比较电路接收所述Buck电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第一比较信号；

所述第一与门接收所述第一比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第一逻辑信号；

所述第一或门接收所述第一逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第二逻辑信号；

所述第一触发器接收所述第二逻辑信号和第一时钟信号，以输出所述Buck开关信号。

进一步地，所述Boost开关电路具体包括第二比较电路、第二与门、第二或门和第二触发器，

所述第二比较电路接收所述Boost电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第二比较信号；

所述第二与门接收所述第二比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第三逻辑信号；

所述第二或门接收所述第三逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第四逻辑信号；

所述第二触发器接收所述第四逻辑信号和第二时钟信号，以输出所述Boost开关信号。

依据本发明实施例的一种用于四开关升降压变换器的控制方法，用以控制四开关升降压变换器输出稳定的输出电压，所述四开关升降压变换器包括: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第二端与所述变换器输出端之间的第四开关，包括以下步骤：

接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，以产生Buck电压补偿信号和Boost电压补偿信号；

采样所述第一开关的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号，所述采样电压信号和一三角波信号叠加，以获得一叠加信号；

接收所述Buck电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

接收Boost电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

进一步地，包括，

接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，产生误差信号，所述误差信号经补偿处理后产生所述Buck电压补偿信号；

接收所述Buck电压补偿信号，并在所述Buck电压补偿信号基础上减去一偏置电压信号，以获得所述Boost电压补偿信号。

进一步地，包括，

接收所述Buck电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第一比较信号；

接收所述第一比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第一逻辑信号；

接收所述第一逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第二逻辑信号；

接收所述第二逻辑信号和第一时钟信号，以输出所述Buck开关信号。

进一步地，包括，

接收所述Boost电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第二比较信号；

接收所述第二比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第三逻辑信号；

接收所述第三逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第四逻辑信号；

接收所述第四逻辑信号和第二时钟信号，以输出所述Boost开关信号。

通过上述的用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法，通过将输出电压的反馈信号和叠加信号进行比较，然后通过两路开关电路分别将比较结果、最小导通时间信号和最大导通时间信号进行逻辑运算以获得控制Buck开关信号和Boost开关信号，Buck开关信号用以控制第一开关和第二开关的开关动作，Boost开关信号用以控制第三开关和第四开关的开关动作，本发明可以根据输出电压的反馈信号的大小实现变换器在Buck工作模式和Boost工作模式之间的无缝切换，不会对电感电流或输出电压造成很大波动。

附图说明

图1是现有技术中的四开关的升降压变换器的功率级电路结构示意图；

图2所示为依据本发明的用于四开关升降压变换器的控制电路的示例图；

图3所示为依据图2所示的工作波形图；

图4所示为依据本发明的用于四开关升降压变换器的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2所示为依据本发明的用于四开关升降压变换器的控制电路的一种实施方式，所述四开关升降压变换器包括电感L、第一开关TG1、第二开关TG2、第三开关TG3和第四开关TG4，其连接方式如背景技术中所述，其中第一开关TG1和第二开关TG2的开关状态相反，第三开关TG3和第四开关TG4的开关状态相反。所述控制电路包括反馈补偿电路、采样电路、Buck开关电路和Boost开关电路，在本发明实施例中，所述反馈补偿电路包括误差补偿电路和偏置电压电路，所述误差补偿电路接收所述输出电压的反馈信号FB和参考电压信号Vref，产生误差信号，述误差信号经补偿处理后产生所述Buck电压补偿信号Vc_buck；所述偏置电压电路接收所述Buck电压补偿信号，并在所述Buck电压补偿信号基础上减去一偏置电压信号，以获得所述Boost电压补偿信号。这里需要说明的是，由于第一开关TG1导通时间大于第三开关TG3导通时间，因此，实际工作中Buck电压补偿信号也总是大于Boost电压补偿信号，本发明中通过将Buck电压补偿信号Vc_buck减去一固定值的偏置电压信号Vbias，则可以对应获得Boost电压补偿信号Vc_boost。

所述采样电路通过采样电路Ri采样所述第一开关TG1的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号Vcs。在本实施例方式中，所述控制电路还包括叠加电路(具体可为加法器)，所述叠加电路接收所述采样电压信号Vcs和一三角波电压信号Vslope，经叠加处理后输出一叠加信号Vd。

具体的，在本实施例方式中，所述Buck开关电路具体包括第一比较电路(具体为比较器comp1)、第一与门I1、第一或门I2和第一触发器RS1，所述比较器comp1反向输入端接收所述Buck电压补偿信号Vc_buck，正向输入端接收所述叠加信号Vd，以产生第一比较信号Vctr1；所述第一与门I1接收所述第一比较信号Vctr1和所述最小导通时间信号Tmin_on，以产生第一逻辑信号VI1；所述第一或门I2接收所述第一逻辑信号VI1和所述最大导通时间信号Tmax_on，以产生第二逻辑信号VI2；所述第一触发器RS1接收所述第二逻辑信号VI2和第一时钟信号clock1，以输出所述Buck开关信号。

具体的，在本实施例中，所述Boost开关电路具体包括第二比较电路(具体为比较器comp2)、第二与门I3、第二或门I4和第二触发器RS2，所述第二比较器comp2接收所述Boost电压补偿信号Vc_boost和所述叠加信号Vd，以产生第二比较信号Vctr2；所述第二与门I3接收所述第二比较信号Vctr2和所述最小导通时间信号Tmin_on，以产生第三逻辑信号VI3；所述第二或门I4接收所述第三逻辑信号VI3和所述最大导通时间信号Tmax_on，以产生第四逻辑信号VI4；所述第二触发器RS2接收所述第四逻辑信号VI4和第二时钟信号clock2，以输出所述Boost开关信号。

下面根据图3所示的波形图详细阐述本发明的工作原理，当负载增加，输出端的输出电压增大，则通过输出电压反馈获得的Buck电压补偿信号Vc_buck和Boost电压补偿信号Vc_boost也会增大。在图3所示电路中，为了方便描述，将Buck电压补偿信号Vc_buck(或Boost电压补偿信号Vc_boost)减去三角波电压信号Vslope之后再跟采样电压信号相比，所述Buck电压补偿信号与三角波电压信号Vslope的差值记为Vc_buck-Vslope，所述Boost电压补偿信号Vc_boost与三角波电压信号Vslope的差值记为Vc_boost-Vslope，Vcs为采样电压信号，其中实线部分为实际采样的第一开关的电流信号。

在t1时刻之前，采样电压信号Vcs已经达到Vc_boost-Vslope，第二比较信号Vctr2已为高电平有效状态，到t1时刻，最小导通时间Tmin_on(如图3中Dmin为最小导通时间)变为高电平有效状态，则第三逻辑信号VI3为高电平有效状态，随之第四逻辑信号VI4变为高电平有效状态，触发器RS2输出Boost开关信号控制第三开关TG3关断，第四开关TG4导通；到t2时刻，采样电压信号Vcs达到Vc_buck-Vslope，则第一比较信号Vctr1变为高电平有效状态，此时由于最小导通时间Tmin_on已为高电平有效状态，则第一逻辑信号VI1为高电平有效状态，随之第二逻辑信号VI2变为高电平有效状态，触发器RS1输出Bcuk开关信号控制第一开关TG1关断，第二开关TG2导通；到t3时刻，第一时钟信号clock1和第二时钟信号clock2控制第一开关TG1和第三开关TG3导通，最小导通时间Tmin_on和最大导通时间信号Tmax_on也均变为低电平无效状态。

之后，至t4时刻之前，第二比较信号Vctr1已为高电平有效状态，到t4时刻，最小导通时间Tmin_on变为高电平有效状态，则第三逻辑信号VI3为高电平有效状态，随之第四逻辑信号VI4变为高电平有效状态，触发器RS2输出Boost开关信号控制第三开关TG3关断，第四开关TG4导通；直至t5时刻，采样电压信号Vcs再次达到Vc_buck-Vslope，则第一比较信号Vctr1变为高电平有效状态，此时由于最小导通时间Tmin_on已为高电平有效状态，则第一逻辑信号VI1为高电平有效状态，随之第二逻辑信号VI2变为高电平有效状态，触发器RS1输出Buck开关信号控制第一开关TG1关断，第二开关TG2导通。从上述过程可以看出，第一开关TG1受采样电压信号和反馈信号的比较值确定开关动作，而第三开关Tg3为根据最小导通时间信号控制其开关动作，系统工作在Buck降压型工作模式。

直至t6时刻，由于采样电压信号Vcs持续小于Vc_buck-Vslope，则第一比较信号Vctr1保持为低电平无效状态，在t6时刻，采样电压信号Vcs达到Vc_boost-Vslope，第二比较信号Vctr2变为高电平有效状态，而由于最小导通时间Tmin_on变为高电平有效状态，则第三逻辑信号VI3为高电平有效状态，随之第四逻辑信号VI4变为高电平有效状态，触发器RS2输出Boost开关信号控制第三开关TG3关断，第四开关TG4导通；直至t7时刻，最大导通时间信号Tmax_on(如图3中Dmax为最大导通时间)变为高电平有效状态，则第一开关TG1关断；到t8时刻，第一时钟信号clock1和第二时钟信号clock2控制第一开关TG1和第三开关TG3导通，最小导通时间Tmin_on和最大导通时间信号Tmax_on也均变为低电平无效状态。

到t9时刻，采样电压信号Vcs达到Vc_boost-Vslope，第二比较信号Vctr2变为高电平有效状态，而由于最小导通时间Tmin_on已为高电平有效状态，则第三逻辑信号VI3为高电平有效状态，随之第四逻辑信号VI4变为高电平有效状态，触发器RS2输出Boost开关信号控制第三开关TG3关断，第四开关TG4导通；到t10时刻，最大导通时间信号Tmax_on变为高电平有效状态，则第一开关TG1关断。从上述过程可以看出，第一开关TG1受最大导通时间信号控制其开关动作，而第三开关TG3根据采样电压信号和反馈信号的比较值控制其开关动作，系统工作在Boost升压型工作模式。

因而，根据本发明的控制电路以及工作过程看出，通过输出电压和叠加信号的比较以及最小导通时间、最大导通时间的逻辑运算，可以使得四开关升降压变换器很好地实现在Buck工作模式和Boost工作模式之间的顺利切换，整个过程不会对输出电压和电感电流造成很大波动。

最后，本发明公开了一种用于四开关升降压变换器的控制方法，如图4所示流程图，所述控制方法用以控制四开关升降压变换器输出稳定的输出电压，所述四开关升降压变换器包括: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第二端与所述变换器输出端之间的第四开关，包括以下步骤：

S401:接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，以产生Buck电压补偿信号和Boost电压补偿信号；

S402:采样所述第一开关的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号，所述采样电压信号和一三角波信号叠加，以获得一叠加信号；

S403-1:接收所述Buck电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

S403-2:接收Boost电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

以上对依据本发明的优选实施例的用于四开关升降压变换器的控制电路和控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种用于四开关升降压变换器的控制电路，用以控制四开关升降压变换器输出稳定的输出电压，所述四开关升降压变换器包括: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第二端与所述变换器输出端之间的第四开关，其特征在于，所述控制电路包括反馈补偿电路、采样电路、Buck开关电路和Boost开关电路，

所述反馈补偿电路接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，以产生Buck电压补偿信号和Boost电压补偿信号；

所述采样电路采样所述第一开关的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号；

所述Buck开关电路接收所述Buck电压补偿信号、所述采样电压信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

所述Boost开关电路接收Boost电压补偿信号、所述采样电压信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括叠加电路，所述叠加电路接收所述采样电压信号和一三角波电压信号，经叠加处理后输出一叠加信号，

所述Buck开关电路接收所述Buck电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

所述Boost开关电路接收Boost电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

3.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述反馈补偿电路包括误差补偿电路和偏置电压电路，

所述误差补偿电路接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，产生误差信号，所述误差信号经补偿处理后产生所述Buck电压补偿信号；

所述偏置电压电路接收所述Buck电压补偿信号，并在所述Buck电压补偿信号基础上减去一偏置电压信号，以获得所述Boost电压补偿信号。

4.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述Buck开关电路具体包括第一比较电路、第一与门、第一或门和第一触发器，

所述第一比较电路接收所述Buck电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第一比较信号；

所述第一与门接收所述第一比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第一逻辑信号；

所述第一或门接收所述第一逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第二逻辑信号；

所述第一触发器接收所述第二逻辑信号和第一时钟信号，以输出所述Buck开关信号。

5.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述Boost开关电路具体包括第二比较电路、第二与门、第二或门和第二触发器，

所述第二比较电路接收所述Boost电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第二比较信号；

所述第二与门接收所述第二比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第三逻辑信号；

所述第二或门接收所述第三逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第四逻辑信号；

所述第二触发器接收所述第四逻辑信号和第二时钟信号，以输出所述Boost开关信号。

6.一种用于四开关升降压变换器的控制方法，用以控制四开关升降压变换器输出稳定的输出电压，所述四开关升降压变换器包括: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第二端与所述变换器输出端之间的第四开关，其特征在于，包括以下步骤：

接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，以产生Buck电压补偿信号和Boost电压补偿信号；

采样所述第一开关的电流信号，以获得表征所述第一开关电流信号的采样电压信号，所述采样电压信号和一三角波信号叠加，以获得一叠加信号；

接收所述Buck电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Buck开关信号，所述Buck开关信号用以控制所述第一开关和第二开关的开关动作；

接收Boost电压补偿信号、所述叠加信号、最小导通时间信号和最大导通时间信号，经逻辑处理后产生Boost开关信号，所述Boost开关信号用以控制所述第三开关和第四开关的开关动作。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，进一步包括，

接收所述输出电压的反馈信号和参考电压信号，产生误差信号，所述误差信号经补偿处理后产生所述Buck电压补偿信号；

接收所述Buck电压补偿信号，并在所述Buck电压补偿信号基础上减去一偏置电压信号，以获得所述Boost电压补偿信号。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，进一步包括，

接收所述Buck电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第一比较信号；

接收所述第一比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第一逻辑信号；

接收所述第一逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第二逻辑信号；

接收所述第二逻辑信号和第一时钟信号，以输出所述Buck开关信号。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，进一步包括，

接收所述Boost电压补偿信号和所述叠加信号，以产生第二比较信号；

接收所述第二比较信号和所述最小导通时间信号，以产生第三逻辑信号；

接收所述第三逻辑信号和所述最大导通时间信号，以产生第四逻辑信号；

接收所述第四逻辑信号和第二时钟信号，以输出所述Boost开关信号。