CN107947580A - 四开关buck‑boost变换器及其数字控制方法 - Google Patents

四开关buck‑boost变换器及其数字控制方法 Download PDF

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Abstract

四开关buck‑boost变换器及其数字控制方法涉及开关电源领域。变换器包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，电感，第三MOS晶体管，第四MOS晶体管，电容和电阻，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。本发明中阐述了用MOS管代替电路中传统的开关或二极管的思想，由于MOS管具有的高效率、高可靠性等诸多优点，符合通信电源模块的发展趋势和需求，具有研究价值。本发明中DPWM是基于XILINX的Spartan6系列的XC6SLX9开发板进行设计，其工作时钟为50MHz，PWM实际的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1‑0.9，调制精度达到0.5％。

Description

四开关buck-boost变换器及其数字控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，特别是涉及数字控制的buck拓扑技术的研究。
背景技术
随着通信技术的快速发展，通信产品日趋绿色化、小型化，这对其通信电源模块，即开关电源提出了越来越高的要求。电源作为电子产品工作的动力，其质量直接影响电子设备的性能以及使用寿命，各种各样的电子产品规格也是不尽相同，但是无一例外的是电子产品的应用中都离不开DC/DC结构，即开关电源。Buck和Boost电路是DC/DC变换中最基本的两种电路，他们应用广泛，并且可以衍生出其他电路拓扑。Buck-Boost电路是其衍生电路，它既可以实现降压，也能够实现升压。
市场多样化的需求也是使开关电源不断创新发展的一个重要原因。如今，各种各样的移动手机、上网设备、导航仪、便携式的娱乐设备等电子类产品的发展越来越快，而且这些设备开始逐步趋向于低耗能、更环保，多功能、智能化方向发展，作为电子类产品动力的电源，其重要性不言而喻。移动设备的迅速增长对便携式的充电设备提出了巨大的需求，各种各样的移动电源和适配器应运而生，开关电源的技术也在逐步的提升。
电源管理技术的发展经历了电子管稳压源、晶体管稳压源、以I GBT和 GTR为开关器件的低频低频开关稳压源、以场效应管作为开关器件的高频稳压源几个时期，总体的发展趋势是朝着体积小、损耗小、效率高、可靠性高的方向发展。市场多样化的需求也是使开关电源不断创新发展的一个重要原因。传统的DC/DC是基于模拟控制，虽然当前模拟控制技术的发展相当成熟，基本可以满足要求，但是具有一定的局限性。开关电源的数字化已经是当今 DC/DC的重要发展趋势，与模拟控制相比，数字控制具有高精度、稳定、功耗低、适应环境强、易于与数字电路进行接口等诸多优势。
发明内容
本发明的目的是提出一种四开关buck-boost的DC-DC拓扑电路思想，提供了一种数字PWM的控制方法。基于FPGA进行Digital PWM设计，利用LTspice 软件模拟buck-boost电路处于buck工作模式的情形进行仿真，验证本设计思想的可行性。发明中DPWM是基于XILINX的Spartan6系列的XC6SLX9开发板进行设计，其工作时钟为50MHz，PWM实际的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1-0.9，调制精度达到0.5％，本发明中利用LTspice软件模拟 Buck-Boost电路处于buck工作模式时的输入电压为5V。
本发明采用如下技术方案：
一种四开关buck-boost变换器，其特征在于：利用四个MOS管代替传统的开关和二极管，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，当电路处于buck工作模式的时候，电路实现降压的作用，当电路处于boost工作模式的时候，电路实现升压的作用，因而通过控制相关MOS管的状态使得buck-boost电路处于不同的工作状态，实现不同的作用；通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。
所述的四开关buck-boost变换器，其特征在于：电路结构包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，电感，第三MOS晶体管，第四 MOS晶体管，电容和电阻；其中电压源的正极连接第一MOS晶体管的输入端，第一MOS晶体管的输出连接第二MOS晶体管的输入和电感的输入，电感的输出连接第三MOS晶体管和第四MOS晶体管的输入，第四晶体管的输出连接电容和电阻的输入，第二晶体管的输出，第三晶体管的输出，电容的输出，电阻的输出都连接到电压源的负极，此为整体的四开关buck-boost电路结构；当第三MOS晶体管处于一直断开状态，第四MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于buck工作状态；当第二MOS晶体管处于一直断开状态，第一MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于boost 工作状态。
传统的buck-boost电路拓扑如图1所示，本发明提出的四开关buck-boost 的DC-DC拓扑思想的电路如图4所示，LTspice软件主要是模拟其工作在buck 状态的情况，buck电路拓扑如图2所示，buck电路实现的作用是降压，即输出电压小于输入电压，从公式中体现为Vout＝D·Vin，D为占空比，是介于0 到1之间的值，Vout为输出电压，Vin为输入电压，因此Vout≤Vin。开关电源的控制技术主要分为：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PFM)。 PWM(pulse width modulation)即脉冲宽度调制，PWM是开关型稳压电源中的术语，脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 PFM(Pulse frequency modulation)脉冲频率调制是一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。
本发明主要是利用PWM技术进行控制，实现方式是基于Verilog语言，通过开发板进行设计，设定开发板中两个按键作为占空比增加与减小的调制按键，最终示波器观察结果，所设计PWM波的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1-0.9，调制精度达到0.5％。LTspice是凌力尔特公司提供的免费电路图仿真软件，利用LTspice软件模拟Buck-Boost电路处于buck工作模式进行仿真，其中选择Si7137dp MOS管代替传统的单刀开关来模拟仿真，实验结果表明，输出电压符合Buck电路原理特性，MOS管可代替 buck-boost电路中传统的开关或二极管来实现升降压，验证了四开关 buck-boost电路思想和设计的可行性。用MOS管代替电路中传统的开关或二极管，MOS管具有的高效率、高可靠性等诸多优点，符合通信电源模块的发展趋势和需求，具有研究价值。
附图说明
图1是传统的buck-boost变换器电路拓扑原理图；
图2是buck-boost电路处于buck工作模式的等效电路图；
图3是buck-boost电路处于boost工作模式的等效电路图；
图4是四开关buck-boost变换器电路拓扑原理图；
图5是利用FPGA开发板搭建的实验连接图；
图6是示波器观察到的设计结果；
图7是基于LTsipce软件模拟buck-boost电路处于buck工作模式时的具体连接电路图；
图8是基于LTsipce软件模拟100KHz的PWM波对MOS管进行调制时的关系图；
图9是基于LTsipce软件模拟占空比为0.7时，输入输出电压关系图；
图10是基于LTsipce软件模拟进行模拟仿真，占空比与输出电压的关系图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
图1是传统的buck-boost变换器电路拓扑原理图，buck-boost电路通过控制其开关管的导通和关闭可以实现buck以及boost的电路功能，其中 Vin和Vout分别为输入和输出电压，iin和iout分别为输入和输出电流，iL为电感电流。
图2是是buck-boost电路处于buck工作模式的等效电路图，当Q1闭合时，电路中电感储存能量，电感两端的电压为
VL＝Vin-Vout (1)
当Q1断开时，上一时刻储存在电感中的能量向负载释放，电感两端的电压为VL＝-Vout (2)
设T为开关周期，Q1导通的时间为Ton,关断的时间为Toff,，根据伏- 秒定律有(Vin-Vout)·ton-Vout·toff＝0 (3)
令占空比
联立(3)和(4)，求得Vout＝D·Vin(5) 由上式可知，在Buck模式中，当输入电压确定的情况下，输出电压和占空比成正比例。因为D的值处于0到1之间，所以Vout≤Vin,实现降压。图3同理，根据伏-秒定律可得
当输入电压Vin确定时，Vout与1-D成反比。因为D处于0到1之间，故Vout≥Vin，实现升压。
图4是四开关buck-boost变换器电路拓扑原理图。可以看出，与图1 相比，图4中用四个MOS管代替了图1中的传统的开关以及二极管，形成了一个四开关buck-boost电路拓扑结构。MOS管具有做开关的特性，因此用 MOS管代替电路中传统的开关或二极管，MOS管具有的高效率、高可靠性等诸多优点，符合通信电源模块的发展趋势和需求，具有研究价值。本发明提出了一种四开关buck-boost的DC-DC拓扑电路思想，同时提供了一种数字 PWM的控制方法，在buck-boost电路处于buck工作模式时，通过DPWM波进行调制。数字PWM调制原理主要由计数器、比较器和寄存器组成。在时钟脉冲的作用下，循环计数器的输出逐次增大。数字调制信号用一个寄存器来控制，不断与循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。循环计数器循环一个周期后，向寄存器发出一个使能信号EN，寄存器送入下一组数据。在每一个计数器计数周期，由于输入的调制信号的大小不同，比较器输出端输出的高电平个数不一样，因而产生出占空比不同的脉冲宽度调制波。
图5是利用FPGA开发板搭建的实验连接图，从图中可以看出开发板的实物特性，以及连线走向。该开发板为XILINX的Spartan6系列的 XC6SLX9，其工作时钟为50MHz。
图6是示波器观察到的设计结果，从图中可以看出设计的PWM波为两组，通道1和通道2的输入频率都为100KHz，通道1当前的占空比为 89.5％，通道2当前的占空比为10.5％。说明该波形占空比可以调制到10％，也可以调制到90％，同时精度达到了0.5％，符合我们设计的参数，即PWM 实际的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1-0.9，调制精度达到 0.5％，通道1为控制Q1和Q3的PWM信号，通道2为控制Q2和Q4的PWM信号。
图7是基于LTsipce软件模拟buck-boost电路处于buck工作模式时的具体连接电路图，从图中可以看出有一个5V的电压源V1作为输入，其正极连接了一个名为Si7137dp的PMOS管的输入端，MOS管的输出端同时连接到了二极管的D1端和电感的输入端，电感L1为47uH,电感的输出端同时连接到了C2和R1的一端，C2为10uF,R1为110Ω，C2和R1的另一端，以及二极管的D端同时接到了V1的负极和接地。V2的正极连接到了Si7137dp 的PMOS管的栅极。V2的负极接地，V2的作用是模拟产生一个频率为100KHz, 占空比为0.7的PWM波来对MOS管进行调制，此时设置的参数为PULSE(0.5 0 1n 1n 7u 10u)，仿真时间为tran10ms。
图8是基于LTsipce软件模拟100KHz的PWM波对MOS管进行调制时的关系图，从图中可知此时的PWM波的频率为100KHz。
图9是基于LTsipce软件模拟占空比为0.7时，输入输出电压关系图。当输入电压为5V时，通过设置不同的占空比来模拟真实的测试环境，对 Buck-Boost电路处于buck工作模式进行模拟仿真，此时占空比为0.7，输出电压为3.47V。
图10是基于LTsipce软件模拟进行模拟仿真后，在输入电压为5V时，占空比与输出电压的关系图，实验结果表明，输出电压符合Buck电路原理特性，MOS管可代替buck-boost电路中传统的开关或二极管来实现升降压，验证了本文所提出的四开关buck-boost电路思想和设计是具有可行性的。
附录1：DPWM的Verilog设计代码
。

Claims (2)

1.一种四开关buck-boost变换器，其特征在于：利用四个MOS管代替传统的开关和二极管，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，当电路处于buck工作模式的时候，电路实现降压的作用，当电路处于boost工作模式的时候，电路实现升压的作用，因而通过控制相关MOS管的状态使得buck-boost电路处于不同的工作状态，实现不同的作用；通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。
2.如权利要求1所述的四开关buck-boost变换器，其特征在于：电路结构包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，电感，第三MOS晶体管，第四MOS晶体管，电容和电阻；其中电压源的正极连接第一MOS晶体管的输入端，第一MOS晶体管的输出连接第二MOS晶体管的输入和电感的输入，电感的输出连接第三MOS晶体管和第四MOS晶体管的输入，第四晶体管的输出连接电容和电阻的输入，第二晶体管的输出，第三晶体管的输出，电容的输出，电阻的输出都连接到电压源的负极，此为整体的四开关buck-boost电路结构；当第三MOS晶体管处于一直断开状态，第四MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于buck工作状态；当第二MOS晶体管处于一直断开状态，第一MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于boost工作状态。
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