CN107968565A - 一种开关控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关控制电路，适用于BOOST电路，包括：输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路，以及输出电压检测电路；输入电压检测电路检测BOOST电路的输入电压，输出输入电压信号；输入电压比较与控制电路比较输入电压信号与参考电压信号的大小，控制输出电压检测电路是否工作；输出电压检测电路执行相关指示，当其工作时，检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，控制BOOST电路是否工作；本发明还公开了对应的控制方法；本发明通过分段控制的方法对宽输入电压进行预处理，从而化解了高输入电压变比合温升难以兼顾的问题。

Description

一种开关控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关控制电路及其控制方法，特别涉及一种适用于Boost电路的开关控制电路及其控制方法。

背景技术

高压供电电源为一种开关变换器，用于为光伏太阳能、风力发电、无功补偿装置SVG、中央空调等控制系统、加热系统提供稳定、可靠的直流电压。目前，更高输入电压，更宽输入电压范围的电源需求剧增，行业发展迅速。例如输入电压变化为7.5:1的200V-1500VDC的45W或者输入电压变比为10:1的120V-1200VDC的15W电源市场需求逐年递增，显示了良好的前景。

针对上述市场需求，工程技术人员常采用单级正激或反激拓扑作为主电路拓扑，随着输入电压变比越来越宽，采用单级电路的缺点也越来越明显。主功率开关管占空比变化范围同步增加，导致如下两个问题：

1)高压输入时满载条件下占空比较小，但变换器一般工作于断续模式，主功率变压器温升难以处理；

2)低压输入时，样机满载工作，需要较大占空比，容易导致开关管损耗大，温升较高。

为应对宽输入电压范围带来的挑战，可采用两级式功率电路，具体思路为第一级Boost电路将输入宽范围的高电压升高为变化范围较窄的高电压。第二级采用软开关技术DC/DC的电路，既克服了谐振软开关电路不适用于宽输入电压范围的缺点，同时实现了开关管ZVS，又提升了整机效率。

升压Boost变换器为三种基本功率拓扑之一，该变换器可实现输出电压高于输入电压的整流与变换，电路原理图如附图1所示，包括电感L1、MOS管Q1、二极管D1电容C1、电阻R4和PWM控制器组成的BOOST电路1，以及电阻R7和电阻R8组成的输出电压检测电路4，其基本工作原理参考人民邮电出版社出版的第二版《精通开关电源设计》第37页，该书ISBN号为9787115367952，由于为本领域技术人员个公知常识，此处不详述。

现有Boost电路的控制技术在实际应用时面临较大挑战，下面结合具体应用、技术参数说明。

某车载控制系统要求输入电压范围150～1000VDC，输出直流电压包括24V、220V等，总功率为数百瓦。前级控制电路主要思路为：采用第一级Boost电路将输入电压调整为600V～1000V，当输入电压为150V～600V之间时通过第一级Boost电路将输入电压升高为600V。当输入电压为600V～1000V时，BOOST电路的开关管常开，输入电压经升压电感直接输入至第二级软开关技术DC/DC的电路。

上述控制方式存在的问题：对于BOOST电路，根据输入、输出电压与占空比关系可直接计算出占空比大小。当输入电压为580V～600V即输入电压低于输出电压但较为接近输出电压时，输入电压值越接近输出电压，占空比越小，此时BOOST电路开关管开通、关断损耗成倍骤增，温升难以处理。

针对上述现实需求，本专利发明人对电路的控制逻辑进行深入分析创新，本案由此产生。

发明内容

有鉴如此，为了应对上述挑战，本发明提供一种适用于BOOST电路的开关控制电路及其控制方法，实现控制方案简单、可靠，且实际电路灵活、实用。

包括BOOST主功率电路及PWM控制器、BOOST输入、输出电压检测电路、输入电压比较、控制电路、采样信号控制电路。

本发明的开关控制电路技术方案如下：

一种开关控制电路，适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路，包括：输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路，以及输出电压检测电路；

输入电压检测电路，用于检测BOOST电路的输入电压，并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路；

输入电压比较与控制电路，用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较；当比较结果高于第一预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压；当比较结果高于第二预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压；

输出电压检测电路，用于检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。

优选的，输入电压比较与控制电路还有第N预设值，N为大于2的整数；当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N-1预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第N-1额定电压；当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N预设值时，控制BOOST电路不工作，输入电压信号经BOOST电路后输出。

优选的，第一额定电压、第二额定电压依次增加。

输入电压检测电路的一种具体的实施方式，由电阻R1、电阻R2和电阻R3串联组成，串联后的一端用于连接输入电压Vin，串联后的另一端用于连接输入电压Vin-。

作为输入电压比较与控制电路的第一种具体的实施方式，由比较器U1A、参考电压信号Vref、电阻R5和NPN型三极管Q3组成；比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点，比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref，比较器U1A的输出端经电阻R5后与输出电压检测电路连接，电阻R5还依次经三极管Q3的集电极、三极管Q3的发射极后与公共地信号连接，三极管Q3的基极连接电阻R2与电阻R3的串联节点。

作为输入电压比较与控制电路的第二种具体的实施方式，由比较器U1A、参考电压信号Vref、比较器U2A、参考电压信号Vref2、电阻R5和二极管D2组成；比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点，比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref，比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接，电阻R5还依次经二极管D2的阳极、二极管D2的阴极后与比较器U2A的输出端连接，比较器U2A的反向输入端连接电阻R2与电阻R3的串联节点，比较器U2A的同向输入端连接参考电压信号Vref2。

作为输出电压检测电路的一种具体的实施方式，由电阻R6、电阻R7、电阻R8及N沟道MOS管Q2组成；电阻R7和电阻R8串联后一端用于连接输出电压Vo+、另一端用于连接输出电压Vo-，电阻R7和电阻R8的连接点用于连接BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，电阻R7和电阻R8的连接点还连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端依次经MOS管Q2的漏极、MOS管Q2的源极后用于与公共地信号连接，MOS管Q2的栅极连接输入电压比较与控制电路。

本发明的开关控制电路对应的控制方法技术方案如下：

一种开关控制方法，适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路，包括如下步骤：

(1)输入电压检测电路检测BOOST电路的输入电压，并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路；

(2)输入电压比较与控制电路将输入电压信号与参考电压信号进行比较，并根据比较结果控制输出电压检测电路是否工作；

(3)输出电压检测电路执行输入电压比较与控制电路的指示，当输入电压比较与控制电路指示其工作时，输出电压检测电路检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。

优选地，将BOOST电路的输入电压由小至大划分为N个区间，N为大于2的整数；针对N个输入电压区间给BOOST电路设定N-1目标升压值，分别定义为第一额定电压、第二额定电压、第N额定电压；当输入电压位于第一区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第一额定电压；当输入电压位于第二区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第二额定电压；当输入电压位于N区间时，BOOST电路不工作。

优选地，第一额定电压值等于第二区间的最大电压值，第二额定电压值位于第三区间之间，第N-1额定电压值位于第N区间之内。

本发明总的构思为：对于宽输入电压范围的应用需求，通过分段控制的方法对宽输入电压进行预处理，化解高输入电压变比和温升难以兼顾的问题，其工作过程将在具体实施方式部分进行详细分析。本发明与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本方案解决了BOOST电路工作于升压状态，当输入电压低于输出电压但较为接近输出电压时，其开关管开通、关断损耗成倍骤增，温升难以处理的问题。

2)提高了高输入电压变比的BOOST电路可靠性。

3)本方案电路元器件数目少，结构简单，有成本优势。

附图说明

图1为背景技术引用原理图；

图2为本发明第一实施例原理图；

图3为本发明第二实施例原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合附图作详细地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

第一实施例

图2示出了本发明第一实施例开关控制电路的原理框图，以将BOOST电路的输入电压由小到大分为3个区间，设置3个预设值、定义2个额定电压为例进行说明。为了体现其应用，将BOOST电路1也进行了绘制，本实施例的开关控制电路包括：输入电压检测电路2、输入电压比较与控制电路3，以及输出电压检测电路4。

输入电压检测电路，用于检测BOOST电路的输入电压，并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路；

输入电压比较与控制电路，用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较，当比较结果高于第一预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压；当比较结果高于第二预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压；

输出电压检测电路，用于检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。

输入电压比较与控制电路还有第三预设值，当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第三预设值时，控制BOOST电路不工作，输入电压信号经BOOST电路后输出；其中第一额定电压、第二额定电压依次增加。

其中，BOOST电路1与背景技术的图1相同，由功率电感L1、二极管D1、N沟道MOS管Q1、滤波电容C1、PWM控制器和驱动电阻R4构成；输入电压Vin+经电感L1后与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与电容C1的正极相连，电容C1的阴极与MOS管Q1的源极相连后连接至公共地信号；PWM控制器(为常见的控制IC如UC3842，此处仅画出简图说明原理即可)内部的误差运放反向输入端FB引脚连接至输出电压检测电路，特别的，误差运放同向输入端为内部参考电平；

PWM控制器的驱动输出引脚drv经电阻R4与MOS管Q1的栅极相连，MOS管Q1的漏极连接至电感L1和二极管D1的公共节点；

特别的，输入电压Vin-与BOOST输出Vo-、公共地信号为等电位点。

其中，输入电压检测电路2由电阻R1、R2、R3组成，其中电阻R1的一端与输入电压Vin+相连，另一端经电阻R2与电阻R3串联，电阻R3的另一端连接输入电压Vin-。

其中，输入电压比较与控制电路3由比较器U1A、参考电压信号Vref，电阻R5、NPN型三极管Q3组成。其中，参考电压信号Vref连接至比较器U1A的反向输入端，比较器U1A的同向输入端与电阻R1和电阻R2的公共节点相连，比较器U1A的输出引脚经电阻R5、三极管Q3的集电极和三极管Q3的发射极后连接至输出电压Vo-，三极管Q3的基极连接至电阻R1和电阻R2的公共节点。

其中，输出电压检测电路4由电阻R6、R7、R8及N沟道MOS管Q2组成，BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7后与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端连接至BOOST电路1的输出电压Vo-；BOOST电路1的PWM控制器的FB引脚与电阻R6的一端相连后还连接至电阻R7和电阻R8的公共节点，电阻R6的另一端与MOS管Q2的漏极相连，MOS管Q2的源级连接至输出电压Vo-。

本实施例的控制控制方法如下：

根据客户需求的输入规格，对BOOST电路1的输入电压范围选取由小至大的A、B、C、D四个电压值，这四个电压值将输入电压范围分割为三个工作区间，即A～B、B～C和C～D；

进一步的，针对输入电压范围给BOOST电路1设定两个目标升压值，分别定义为第一额定电压和第二额定电压，特别的，第一额定电压值等于C的电压值，第二额定电压值位于C、D之间；

当输入电压位于A～B区间时，BOOST电路1工作，将输入电压升压至第一额定电压；当输入电压位于B～C区间时，BOOST电路1工作，将输入电压升压至第二额定电压；当输入电压位于C～D区间时，BOOST电路1不工作，MOS管Q1处于断开状态，输入电压经BOOST电路1的电感L1和输出电容C1组成的滤波电路滤波后输出。

以下结合上述具体电路及控制方法进一步阐述其具体工作过程：

当输入电压位于A～B区间时，电阻R3两端的采样电压低于三极管Q3的基极开启电压，三极管Q3的发射极反偏截止，三极管Q3的集电极和发射极之间断开；此时，BOOST电路1工作于升压状态，其升压后的输出电压Vo+由输出采样电路4决定，具体为：

比较器U1A将采样的输入电压信号与参考电压信号Vref相比较，当采样的输入电压信号低于参考电压信号Vref时，则比较器U1A输出低电平信号，MOS管Q2的栅极为低电平信号，MOS管Q2关断，电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路断开，BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7和电阻R8串联分压后将输出采样信号传输至PWM控制器的FB脚，与PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平相比较，进而调整PWM引脚占空比大小，进一步间接控制BOOST电路1的输出电压幅值；

记PWM控制器内部的误差运放反向输入端内部参考电平为Vref1，则BOOST电路1的输出电压Vboost1可通过如下公式计算；

特别的，C值代表的电压值与Vboost1代表的电压值相等。

当输入电压位于B～C区间时，电阻R3两端的采样电压低于三极管Q3的基极开启电压，三极管Q3的发射结反偏截止，三极管Q3的集电极和发射极之间断开；此时，BOOST电路1工作于升压状态，其升压后的输出电压Vo+由输出采样电路4决定，具体为：

比较器U1A将采样的输入电压信号与参考电压信号Vref相比较，当采样电压信号高于参考电压信号Vref，则比较器U1A输出高电平信号，MOS管Q2的栅极为高电平信号，MOS管Q2饱和导通，电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路与电阻R8相并联；

需要说明的是，MOS管Q2饱和导通，MOS管Q2两端的导通电压可忽略不计，电阻R6与MOS管Q2漏源极组成的支路可等效为R6与R8相并联；

BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7、电阻R6和电阻R8串并联分压后与PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平相比较，则BOOST电路1的输出电压Vboost2可通过如下公式计算；

特别的，Vboost2代表的电压值位于C值与D值代表的电压值之间。

当输入电压位于C～D区间时，电阻R3两端的采样电压高于三极管Q3的基极开启电压，三极管Q3的发射结和集电结均正偏导通，三极管Q3的集电极和发射极之间的导通电压忽略不计。比较器U1A输出高电平信号经电阻R5等效输出到公共地，MOS管Q2的栅极为低电平信号，MOS管Q2关断，电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路断开，BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7和电阻R8串联分压后的输出采样信号始终高于PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平，PWM引脚输出占空比为0，MOS管Q1保持关断状态；此时，BOOST电路1不工作，输入电压Vin+经电感L1、电容组成的滤波电路滤波后输出为Vo+，此时Vin+与Vo+近似相等。

第二实施例

图3示出了本发明第二实施例原理框图，与图2所示的第一实施例相比，差别仅在于输入电压比较与控制电路2，将第一实施例中的三极管Q3由参考电压信号Vref2、比较器U2A和二极管D2代替即为第二实施例，参考电压信号Vref2、比较器U2A和二极管D2组成的电路功能与三极管Q3在电路中的功效一致。

同样将将输入电压范围分割为三个工作区间：A～B、B～C和C～D。

当输入电压位于A～B区间时，比较器U1A输出低电平信号，MOS管Q2的工作状态与实施例一相同；电阻R3两端的采样电压低于参考电压信号Vref2，比较器U2A输出高电平信号，二极管D2反偏截止。BOOST电路1工作于升压状态，工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。

当输入电压位于B～C区间时，U1A输出高电平信号，MOS管Q2的工作状态与实施例一相同；电阻R3两端的采样电压低于参考电压信号Vref2，比较器U2A输出高电平信号，二极管D2同样反偏截止。BOOST电路1工作于升压状态，工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。

当输入电压位于C～D区间时，比较器U1A输出高电平信号，电阻R3两端的采样电压高于参考电压信号Vref2，比较器U2A输出低电平信号，二极管D2正偏导通；比较器U1A输出高电平信号经电阻R5、二极管D2后下拉到地，MOS管Q2栅源级电压为低电平，此时，BOOST电路1不工作，工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。

第三实施例

与第一实施例和第二实施例不同的是，控制方法上做了调整，将BOOST电路的输入电压范围分割为多个工作区间，A～B作为第一区间、B～C作为第二区间和C～D作为第三区间，还有第N区间，N大于等于3。

其工作原理与第一实施例和第二实施例相同，当输入电压位于第一区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第一额定电压；当输入电压位于第二区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第二额定电压；当输入电压位于N区间时，BOOST电路不工作。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种开关控制电路，适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路，包括：输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路，以及输出电压检测电路；

输入电压检测电路，用于检测BOOST电路的输入电压，并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路；

输入电压比较与控制电路，用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较；当比较结果高于第一预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压；当比较结果高于第二预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压；

输出电压检测电路，用于检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。

2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：所述的输入电压比较与控制电路还有第N预设值，N为大于2的整数；当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N-1预设值时，控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第N-1额定电压；当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N预设值时，控制BOOST电路不工作，输入电压信号经BOOST电路后输出。

3.根据权利要求2所述的开关控制电路，其特征在于：所述的第一额定电压、所述的第二额定电压依次增加。

4.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：输入电压检测电路由电阻R1、电阻R2、和电阻R3串联组成，其中电阻R1串联后的一端与输入电压Vin+相连，另一端经电阻R2与电阻R3串联，电阻R3串联后的另一端连接输入电压Vin-。

5.根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于：输入电压比较与控制电路由比较器U1A、参考电压信号Vref、电阻R5和NPN型三极管Q3组成；比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点，比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref，比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接，电阻R5还依次经三极管Q3的集电极、三极管Q3的发射极后与公共地信号连接，三极管Q3的基极连接电阻R2与电阻R3的串联节点。

6.根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于：输入电压比较与控制电路由比较器U1A、参考电压信号Vref、比较器U2A、参考电压信号Vref2、电阻R5和二极管D2组成；比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点，比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref，比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接，电阻R5还依次经二极管D2的阳极、二极管D2的阴极后与比较器U2A的输出端连接，比较器U2A的反向输入端连接电阻R2与电阻R3的串联节点，比较器U2A的同向输入端连接参考电压信号Vref2。

7.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：输出电压检测电路由电阻R6、电阻R7、电阻R8及N沟道MOS管Q2组成；BOOST电路输出电压Vo+经电阻R7后与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端连接至BOOST电路输出Vo-；PWM控制器的FB引脚与电阻R6的一端相连后进一步的连接至R7、R8的公共节点，电阻R6的另一端与N沟道MOS管Q2的漏极相连，N沟道MOS管Q2的源级连接至BOOST电路输出Vo-；、N沟道MOS管Q2的源极后用于与公共地信号连接，N沟道MOS管Q2的栅极连接输入电压比较与控制电路的输出端。

8.一种开关控制方法，适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路，包括如下步骤：

(1)输入电压检测电路检测BOOST电路的输入电压，并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路；

(2)输入电压比较与控制电路将输入电压信号与参考电压信号进行比较，并根据比较结果控制输出电压检测电路是否工作；

(3)输出电压检测电路执行输入电压比较与控制电路的指示，当输入电压比较与控制电路指示其工作时，输出电压检测电路检测BOOST电路的输出电压，并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚，PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。

9.根据权利要求8所述的开关控制方法，其特征在于：将BOOST电路的输入电压由小至大划分为N个区间，N为大于2的整数；针对N个区间给BOOST电路设定N-1个目标升压值，分别定义为第一额定电压、第二额定电压、第N-1额定电压；当输入电压位于第一区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第一额定电压；当输入电压位于第二区间时，BOOST电路工作，将输入电压升压至第二额定电压；当输入电压位于N区间时，BOOST电路不工作。

10.根据权利要求9所述的开关控制方法，其特征在于：第一额定电压值等于第二区间的最大电压值，第二额定电压值位于第三区间之间，第N-1额定电压值位于第N区间之内。