CN107276412B - 一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路 - Google Patents

一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路。开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，第三开关管和第四开关管串联，第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点，电感连接于第一节点和第二节点之间，在开关周期开始时，第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断；经过第一导通时间，或者电感电流大于第一阈值，第二开关管和第四开关管关断，第一开关管和第三开关管导通；当电感电流下降到第三阈值，第一开关管和第三开关管关断，第二开关管和第四开关管导通；经过第三导通时间，此开关周期结束。

Description

一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路。
背景技术
四开关管Buck-Boost升降压电路拓扑结构如图1所示。该电路包含Q1、Q2、Q3、Q4四个功率开关管、储能电感L、以及输入端电容Cin，输出端电容Co。开关管Q1和开关管Q2串联，开关管Q1和开关管Q2的公共端为第一节点SW1，开关管Q1连接到输入端，开关管Q2连接到地，输入端通过电容Cin连接到地，开关管Q3和开关管Q4串联，开关管Q3和开关管Q4的公共端为第二节点SW2，开关管Q3连接到输出端，开关管Q4连接到地，输出端通过电容Co连接到地，电感L连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。
当输入电压VIN比输出电压VO大一定值时，此电路工作在Buck降压模式，开关管Q1、Q2工作在高频开关状态，开关管Q3管常导通，开关管Q4管常关闭；当输入电压VIN比输出电压VO小一定值时，此电路工作在Boost升压模式，开关管Q3，开关管Q4工作在高频开关状态，开关管Q1管常导通，开关管Q2管常关闭；当VIN与VO接近时，此电路工作在Buck-Boost升降压模式，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均处于高频开关状态。
现有方案在轻载时，一直工作于连续导通模式(CCM)下，导致系统效率低。为了提高轻载时的工作效率，在轻载时，希望电路可以工作在断续导通模式(DCM)下，并且有较小的纹波。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路，用以解决现有技术中轻载时系统效率低的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种开关电路的控制方法，包括：
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述控制方法包括：
在开关周期开始时，所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态；当所述第一状态经过第一导通时间，或者所述电感电流大于第一阈值，则所述第二开关管和所述第四开关管关断，所述第一开关管和所述第三开关管导通，为第二状态；当所述电感电流下降到第三阈值，则所述第一开关管和所述第三开关管关断，所述第二开关管和所述第四开关管导通，为第三状态；当所述第三状态经过第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。
作为可选，在所述第二状态和所述第三状态之间，还有以下步骤：当所述第二状态时，电感电流大于第二阈值，或者所述第二状态经过第二导通时间，或者所述第一状态和所述第二状态经过第四导通时间，则所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，为第四状态。
作为可选，所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的任意一个或几个由指令电流得到，所述指令电流由反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。
作为可选，所述反馈信号包括：输出电压反馈信号或输出电流反馈信号或输出功率反馈信号或输入电压反馈信号或输入电流反馈信号或输入功率反馈信号。
作为可选，所述第一阈值、所述第一导通时间、所述第二阈值、所述第三导通时间和所述第四导通时间由指令电流得到，所述第二导通时间和所述第四导通时间为固定值。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电路的控制电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述控制电路包括电感电流控制电路，
所述电感电流控制电路接收电感电流信号、第一阈值、第三阈值、第一导通时间和第三导通时间，所述电感电流控制电路输出开关信号；
在开关周期开始时，所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第一状态经过所述第一导通时间，或者所述电感电流大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第二开关管和所述第四开关管关断，所述第一开关管和所述第三开关管导通，为第二状态；当所述电感电流控制电路检测到所述电感电流下降到所述第三阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第三开关管关断，所述第二开关管和所述第四开关管导通，为第三状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第三状态经过所述第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。
作为可选，在所述第二状态和所述第三状态之间，还有以下步骤：当所述第二状态时，所述电感电流控制电路检测到电感电流大于第二阈值，或者所述第二状态经过第二导通时间，或者所述第一状态和所述第二状态经过第四导通时间，则所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，为第四状态。
作为可选，所述控制电路还包括：
运算电路，根据指令电流得到所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的一个或几个。
作为可选，所述控制电路还包括：
第一运放，误差放大反馈信号和基准信号，得到所述指令电流。
本发明的又一技术解决方案是，提供一种开关电路。
采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：电路在轻载工作时，会进入断续导通模式(DCM)，使得系统有较高的转换效率。
附图说明
图1为现有技术的四开关管Buck-Boost升降压电路；
图2为本发明四开关管控制方法的流程图；
图3为本发明四开关管控制方法的另一流程图；
图4为本发明的电感电流稳态波形；
图5(a)为本发明的电感电流另一稳态波形；
图5(b)为本发明的电感电流又一稳态波形；
图6(a)为本发明的电路结构图；
图6(b)为本发明的又一电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的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神和范围上做的替代、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。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图2所示，示意了本发明的四开关管控制方法的流程图。所述控制方法基于图1的四开关拓扑结构。图1中的开关管Q1为第一开关管，开关管Q2为第二开关管，开关管Q3为第三开关管，开关管Q4为第四开关管。开关管Q1和开关管Q2串联，开关管Q1和开关管Q2的公共端为第一节点SW1，开关管Q1连接到输入端，开关管Q2连接到地，输入端通过电容Cin连接到地，开关管Q3和开关管Q4串联，开关管Q3和开关管Q4的公共端为第二节点SW2，开关管Q3连接到输出端，开关管Q4连接到地，输出端通过电容Co连接到地，电感L连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。本发明的技术解决方案是，提供一种以下步骤的控制方法：
步骤S001：所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态。
步骤S002：判断电感电流是否大于第一阈值或者所述第一状态是否经过第一导通时间，如果是，则进入步骤S003，否则继续保持在第一状态。
这里需要说明的是，在有些应用下，只判断电感电流是否大于第一阈值，比如在峰值电流模式下，而不判断第一状态是否经过第一导通时间；在峰值电流模式下，一般需要经过最小导通时间后，再判断电感电流是否大于第一阈值，防止开关时刻电感电流的过冲对系统造成影响，这里的最小导通时间并不是所述的第一导通时间。而有些应用，只判断第一状态是否经过第一导通时间，比如恒导通时间控制方式(COT)，而不判断电感电流是否大于第一阈值。
步骤S003：在步骤S002之后，则第二开关管和第四开关管关断，第一开关管和第三开关管导通，为第二状态。
步骤S006：判断电感电流是否下降到第三阈值，当电感电流小于第三阈值，则进入步骤S007，否则继续保持第二状态。
步骤S007：在步骤S006之后，第二开关管和第四开关管导通，第一开关管和第三开关管关断。
步骤S008：判断第三状态是否经过第三导通时间，如果是，则此开关周期结束，进入下一个开关周期，即回到步骤S001，第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，否则继续保持第三状态。
当第三阈值为0时，则电路工作在断续导通模式(DCM)。该控制方法可以由连续导通模式(CCM)过渡到断续导通模式(DCM)，控制方法简单，效率高。
请参考图4所示，为本发明输出电压高于输入电压时，电感电流iL在稳态时的波形。在开关周期开始时，t00时刻，所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态，电感电流iL上升；当所述第一状态经过第一导通时间，或者所述电感电流大于第一阈值，即t01时刻，则所述第二开关管和所述第四开关管关断，所述第一开关管和所述第三开关管导通，为第二状态，由于输出电压高于输入电压，电感电流下降；当所述电感电流下降到第三阈值，即t02时刻，则所述第一开关管和所述第三开关管关断，所述第二开关管和所述第四开关管导通，为第三状态，由于电感两端电压都为0，因此电感电流大小保持不变；当所述第三状态经过第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。
参考图3所示，示意了本发明的四开关管又一控制方法的流程图。在步骤S003和步骤S006之间，还有以下步骤：
步骤S004：在步骤S003之后，判断电感电流是否大于第二阈值或者第二状态是否到达第二导通时间或者第一第二状态是否到达第四导通时间，如果是，则进入步骤S007，否则继续保持第二状态。
一般第二阈值大于第一阈值。
这里需要说明的是，在有些应用下，只判断电感电流是否大于第二阈值，而不判断第二状态是否到达第二导通时间，也不判断第一第二状态是否到达第四导通时间；而有些应用，只判断第二状态是否到达第二导通时间，不判断电感电流是否大于第二阈值，也不判断第一第二状态是否到达第四导通时间；还有些应用，只判断第一第二状态是否到达第四导通时间，不判断电感电流是否大于第二阈值，也不判断第二状态是否到达第二导通时间。
步骤S005：在步骤S004之后，第二开关管和第三开关管导通，第一开关管和第四开关管关断，为第四状态，进入步骤S006。
请参考图5(a)所示，当输入电压高于输出电压，则在第二状态时电感电流上升；请参考图5(b)所示，当输出电压高于输入电压，则在第二状态时电感电流下降；当输出电压等于输入电压，则在第二状态时电感电流大小不变；
在一个实施例中，所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的任意一个或几个由指令电流得到，所述指令电流由反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。
在一个实施例中，所述反馈信号包括：输出电压反馈信号或输出电流反馈信号或输出功率反馈信号或输入电压反馈信号或输入电流反馈信号或输入功率反馈信号。当反馈信号为输出电压反馈信号时为输出恒压控制；当反馈信号为输出电流反馈信号时为输出恒流控制；当反馈信号为输出功率反馈信号时为输出恒功率控制。当反馈信号为输入电压反馈信号时为输入欠压保护；当反馈信号为输入电流反馈信号时为输入过流保护；当反馈信号为输入功率反馈信号时为输入功率过大保护。
所述第一阈值、所述第一导通时间、所述第二阈值、所述第三导通时间和所述第四导通时间由指令电流ic得到，所述第二导通时间和所述第四导通时间为固定值。
参考图6(a)所示，示意了本发明实施例一的四开关管控制电路200。该控制电路200包括电感电流控制电路201。所述电感电流控制电路201接收电感电流信号iL、第一阈值、第三阈值、第一导通时间及第三导通时间，所述电感电流控制电路输出开关信号G1-G4，通过驱动电路，分别控制开关Q1-Q4。在开关周期开始时，所述电感电流控制电路201控制第一开关管Q1和第四开关Q4管导通，第二开关管Q2和第三开关Q3管关断，为第一状态；当电感电流控制电路201检测到所述第一状态经过所述第一导通时间，或者所述电感电流iL大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路201控制所述第二开关管Q2和所述第四开关管Q4关断，所述第一开关管Q1和所述第三开关管Q3导通，为第二状态；当电感电流控制电路201检测到所述电感电流iL下降到所述第三阈值，则所述电感电流控制电路201控制所述第一开关管Q1和所述第三开关管Q3关断，所述第二开关管Q2和所述第四开关管Q4导通，为第三状态；当电感电流控制电路201检测到所述第三状态经过所述第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。
请参考图6(b)所示，在一个实施例中，在所述第二状态，和所述第三状态之间，还有以下步骤：当所述第二状态时，所述电感电流控制电路检测到电感电流大于第二阈值，或者所述第二状态经过第二导通时间，或者所述第一状态和所述第二状态经过第四导通时间，则所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，为第四状态。
请继续参考图6(b)所示，在一个实施例中，所述控制电路200还包括运算电路203。运算电路203根据指令电流ic得到所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的一个或几个。
在一个实施例中，控制电路还包括第一运放202。第一运放202误差放大输出反馈信号FB和基准信号Vref1，得到指令电流ic。当输出反馈信号FB反馈输出电压时，则为恒压输出，可以用分压电阻采样输出电压；当输出反馈信号FB反馈输出电流时，则为恒流输出，可以用采样电阻采样输出电流；当输出反馈信号FB反馈输出功率时，则为恒功率输出，可以用采样输出电压和输出电流，得到输出功率。
除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关电路的控制方法，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述控制方法包括：
在开关周期开始时，所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态；当所述第一状态经过第一导通时间，或者所述电感电流大于第一阈值，则所述第二开关管和所述第四开关管关断，所述第一开关管和所述第三开关管导通，为第二状态；当所述电感电流下降到第三阈值，则所述第一开关管和所述第三开关管关断，所述第二开关管和所述第四开关管导通，为第三状态；当所述第三状态经过第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期；
在所述第二状态和所述第三状态之间，还有以下步骤：当所述第二状态时，电感电流大于第二阈值，或者所述第二状态经过第二导通时间，或者所述第一状态和所述第二状态经过第四导通时间，则所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，为第四状态。
2.根据权利要求1所述开关电路的控制方法，其特征在于：所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的任意一个或几个由指令电流得到，所述指令电流由反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。
3.根据权利要求2所述开关电路的控制方法，其特征在于，所述反馈信号包括：
输出电压反馈信号或输出电流反馈信号或输出功率反馈信号或输入电压反馈信号或输入电流反馈信号或输入功率反馈信号。
4.根据权利要求2所述开关电路的控制方法，其特征在于：所述第一阈值、所述第一导通时间、所述第二阈值、所述第三导通时间和所述第四导通时间由指令电流得到，所述第二导通时间和所述第四导通时间为固定值。
5.一种开关电路的控制电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和所述第二开关管串联，所述第一开关管和所述第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第三开关管和所述第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于所述第一节点和所述第二节点之间，其特征在于，所述控制电路包括电感电流控制电路，
所述电感电流控制电路接收电感电流信号、第一阈值、第三阈值、第一导通时间和第三导通时间，所述电感电流控制电路输出开关信号；
在开关周期开始时，所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，为第一状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第一状态经过所述第一导通时间，或者所述电感电流大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第二开关管和所述第四开关管关断，所述第一开关管和所述第三开关管导通，为第二状态；当所述电感电流控制电路检测到所述电感电流下降到所述第三阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第三开关管关断，所述第二开关管和所述第四开关管导通，为第三状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第三状态经过所述第三导通时间，则此开关周期结束，进入下一个开关周期；
在所述第二状态和所述第三状态之间，还有以下步骤：当所述第二状态时，所述电感电流控制电路检测到电感电流大于第二阈值，或者所述第二状态经过第二导通时间，或者所述第一状态和所述第二状态经过第四导通时间，则所述电感电流控制电路控制所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，为第四状态。
6.根据权利要求5所述开关电路的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
运算电路，根据指令电流得到所述第一阈值、所述第二阈值、所述第一导通时间、所述第二导通时间、所述第三导通时间和所述第四导通时间中的一个或几个。
7.根据权利要求6所述开关电路的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
第一运放，误差放大反馈信号和基准信号，得到所述指令电流。
8.一种开关电路，其特征在于：包括如权利要求5~7任意一项所述控制电路。
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