CN108111019A - 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，第一开关管连接到输入端，第三开关管和第四开关管串联，第三开关管连接到输出端，第四开关管连接到地，当开关电路工作于BUCK‑BOOST状态下，在开关周期开始时，第一、四开关管导通，第二、三开关管关断，当电感电流大于第一阈值，第一、三开关管导通，第二、四开关管关断；经过第一时间，第二、三开关管导通，第一、四开关管关断；当时钟信号由无效变为有效或者经过第二时间，开关周期结束，进入下一个开关周期。通过调节第一时间，调节电感电流的纹波大小，从而优化开关电源的效率。

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(a)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。
开关管Q1和所述开关管Q4导通，所述开关管Q2和所述开关管Q3关断为UD状态；所述开关管Q1和所述开关管Q3导通，所述开关管Q2和所述开关管Q4关断为UU状态；所述开关管Q2和所述开关管Q3导通，所述开关管Q1和所述开关管Q4关断为DU状态；所述开关管Q2和所述开关管Q4导通，所述开关管Q1和所述开关管Q3关断为DD状态。
参考图1(b)所示，电路工作在Buck-Boost升降压模式时，开关周期开始时为UD状态，然后UD状态结束，进入UU状态，然后UU状态结束，进入DU状态，最后DU状态结束，进入DD状态。由于DD状态存在，使得开关电源的转换效率较低，并且电感电流存在小于指令电流COMP部分，使得输出纹波较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四开关管电路的控制方法、控制电路及开关电路，用以解决现有技术中工作在Buck-Boost升降压模式时，电感电流纹波大、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：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，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；所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断为第二状态；所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管和所述第四开关管关断为第三状态，所述控制方法包括：
当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，在开关周期开始时，为所述第一状态，当电感电流大于第一阈值，所述第一状态结束，进入所述第二状态；当所述第二状态经过第一时间，所述第二状态结束，进入所述第三状态；当时钟信号由无效变为有效或者所述第三状态经过第二时间，所述第三状态结束，开关周期结束，进入下一个开关周期，所述时钟信号的周期为开关周期。
作为可选，所述第一时间和所述第一阈值由补偿信号得到，所述补偿信号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、输出电流反馈信号、输出功率反馈信号、输入电压反馈信号、输入电流反馈信号或输入功率反馈信号。
作为可选，所述第一时间随所述补偿信号的增大而增大。
作为可选，根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式。
作为可选，当所述开关电源工作于BUCK降压模式时，所述第三开关管常导通，所述第四开关管常关断，所述第一开关管和所述第二开关管互补开关；
当所述开关电源工作于BOOST升压模式时，所述第一开关管常导通，所述第二开关管常关断，所述第三开关管和所述第四开关管互补开关。
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，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；所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断为第二状态；所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管和所述第四开关管关断为第三状态，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、第一阈值和第一时间，所述电感电流控制电路输出开关信号；
当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，在开关周期开始时，所述电感电流控制电路控制所述开关电路进入第一状态，当所述电感电流控制电路检测到所述电感电流信号大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第一状态结束，进入所述第二状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第二状态经过所述第一时间，则所述电感电流控制电路控制所述第二状态结束，进入所述第三状态；当所述电感电流控制电路检测到时钟信号由无效变为有效或者所述第三状态经过第二时间，则所述电感电流控制电路控制所述第三状态结束，此开关周期结束，进入下一个开关周期，所述时钟信号的周期为开关周期。
作为可选，所述控制电路还包括：
运算电路，根据补偿信号得到所述第一阈值和所述第一时间。
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，得到所述补偿信号。
作为可选，其特征在于，所述控制电路还包括：
模式选择电路，根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式，所述电感电流控制电路接收所述模式选择电路的输出电压。
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：通过调节第一时间，可以调节电感电流的纹波大小，从而优化开关电源的转换效率。
附图说明
图1(a)为现有技术的四开关管Buck-Boost升降压电路；
图1(b)为现有技术的四开关管控制方法在Buck-Boost升降压模式的波形图；
图2为本发明四开关管控制方法在Buck-Boost升降压模式的流程图；
图3为本发明四开关管控制方法在Buck-Boost升降压模式的波形图；
图4为本发明四开关管控制方法在Buck降压模式的流程图；
图5为本发明四开关管控制方法在Boost升压模式的流程图；
图6为本发明的电路结构图；
图7为本发明的又一电路结构图；
图8为本发明运算电路的电路图；
图9为本发明的另一电路结构图。
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。
本发明提供一种开关电路的控制方法，所述开关电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4及电感L，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2串联，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的公共端为第一节点SW1，所述第一开关管Q1连接到输入端，所述第二开关管Q2连接到地，所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4串联，所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4的公共端为第二节点SW2，所述第三开关管Q3连接到输出端，所述第四开关管Q4连接到地，所述电感L连接于所述第一节点SW1和所述第二节点SW2之间，所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q2导通，所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3关断为第一状态，即UD状态；所述第一开关管Q1和所述第三开关管Q3导通，所述第二开关管Q2和所述第四开关管Q4关断为第二状态，即UU状态；所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3导通，所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4关断为第三状态，即DU状态，
参考图2所示，当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，所述控制方法有以下步骤：
步骤S001：在开关周期开始时，为所述第一状态，即UD状态；
步骤S002：判断电感电流是否大于第一阈值，如果电感电流没有大于第一阈值，则保持在UD状态；当电感电流大于第一阈值，则进入步骤S003。
步骤S003：当电感电流大于第一阈值，所述第一状态，即UD状态结束，进入所述第二状态，即UU状态；
步骤S004：判断UU状态是否到第一时间，如果没有到第一时间，则保持在UU状态，达到第一时间，则进入步骤S005；
步骤S005：当所述第二状态经过第一时间，所述第二状态结束，进入所述第三状态，即DU状态；
在一个实施例中，步骤S006：判断时钟信号是否由无效变为有效，如果始终信号为无效，则保持在DU状态，当时钟信号由无效变为有效，则进入步骤S001；所述时钟信号的周期为开关周期。
在另一个实施例中，步骤S006：判断DU状态是否到第二时间，如果没有到第二时间，则保持在DU状态，当达到第二时间，则进入步骤S001；
第一节点SW1、第二节点SW2、电感电流iL以及补偿信号COMP的波形如图3所示。
通过调节第一时间，即UU状态的时间，可以调节电感电流的纹波大小，从而优化开关电源的转换效率。
所述第一时间和所述第一阈值由补偿信号COMP得到，所述补偿信号COMP由反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。
所述反馈信号包括：输出电压反馈信号、输出电流反馈信号、输出功率反馈信号、输入电压反馈信号、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。
所述第一时间随所述补偿信号COMP的增大而增大。当负载变重，则补偿信号COMP变大，第一时间变大，相比于第一时间不变的情形，电感电流纹波会更小，从而提高开关效率。
根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式。
当所述开关电源工作于BUCK降压模式时，所述第三开关管常导通，所述第四开关管常关断，所述第一开关管和所述第二开关管互补开关；
参考图4所示，为工作在BUCK降压模式时的一种实施例。
步骤S011：在开关周期开始时，为UU状态；
步骤S012：判断电感电流是否大于第二阈值，如果电感电流没有大于第二阈值，则保持在UU状态；当电感电流大于第一阈值，则进入步骤S013；
步骤S013：当电感电流大于第二阈值，UU状态结束，进入所述DU状态；
在一个实施例中，步骤S014：判断时钟信号是否由无效变为有效，如果始终信号为无效，则保持在DU状态，当时钟信号由无效变为有效，则进入步骤S011；所述时钟信号的周期为开关周期。
在另一个实施例中，步骤S014：判断DU状态是否到第三时间，如果不到第三时间，则保持在DU状态，当达到第三时间，则进入步骤S011。
当所述开关电源工作于BOOST升压模式时，所述第一开关管常导通，所述第二开关管常关断，所述第三开关管和所述第四开关管互补开关。
参考图5所示，为工作在BOOST升压模式时的一种实施例。
步骤S021：在开关周期开始时，为UU状态；
步骤S022：判断电感电流是否小于第三阈值，如果电感电流没有小于第三阈值，则保持在UU状态；当电感电流小于第三阈值，则进入步骤S023；
步骤S023：当电感电流小于第二阈值，UU状态结束，进入所述UD状态；
在一个实施例中，步骤S024：判断时钟信号是否由无效变为有效，如果始终信号为无效，则保持在UD状态，当时钟信号由无效变为有效，则进入步骤S011；所述时钟信号的周期为开关周期。
在另一个实施例中，步骤S024：判断UD状态是否到第三时间，如果不到第四时间，则保持在UD状态，当达到第三时间，则进入步骤S021。
参考图6所示，本发明提供一种开关电路的控制电路200，所述开关电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4及电感L，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2串联，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的公共端为第一节点SW1，所述第一开关管Q1连接到输入端，所述第二开关管Q2连接到地，所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4串联，所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4的公共端为第二节点SW2，所述第三开关管Q3连接到输出端，所述第四开关管Q4连接到地，所述电感L连接于所述第一节点SW1和所述第二节点SW2之间，所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4导通，所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3关断为第一状态，即UD状态；所述第一开关管Q1和所述第三开关管Q3导通，所述第二开关管Q2和所述第四开关管Q4关断为第二状态，即UU状态；所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3导通，所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4关断为第三状态，即DU状态，所述控制电路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、第一阈值和第一时间，所述电感电流控制电路201输出开关信号；当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，在开关周期开始时，所述电感电流控制电路201控制所述开关电路进入第一状态，当所述电感电流控制电路201检测到所述电感电流信号iL大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路201控制所述第一状态结束，进入所述第二状态；当所述电感电流控制电路201检测到所述第二状态经过所述第一时间，则所述电感电流控制电路201控制所述第二状态结束，进入所述第三状态；当所述电感电流控制电路201检测到时钟信号由无效变为有效或者所述第三状态经过第二时间，则所述电感电流控制电路201控制所述第三状态结束，此开关周期结束，进入下一个开关周期，所述时钟信号的周期为开关周期。这里需要说明的是，电感电流控制电路201通过时钟信号判断第三状态是否结束，则电感电流控制电路201只需要接收时钟信号，而不需要第二时间；电感电流控制电路201通过第二时间判断第三状态是否结束，则电感电流控制电路201只需要第二时间，而不需要接收时钟信号。
参考图7所示，所述控制电路200还包括：运算电路203，根据补偿信号COMP得到所述第一阈值和所述第一时间。
参考图8所示，为运算电路203通过COMP得到第一时间的一个实施例。计时电路203包括开关K231，电流源I231，电容C231和比较器231。
开关K231和电容C231并联。电流源I231的一端和电容C231相连，其公共端连接到比较器231的负输入端。比较器231的正输入端接收补偿电压COMP。
当开关电源处于DU或者UD状态时，开关K231导通，将电容C231的电压复位到0，比较器231的输出信号为高。当开关电源处于UU状态时，开关K231关断，电流源I231对电容C231进行充电，当充电电压达到COMP，则比较器231输出由高变低。I231对电容C231充电的时间，COMP/I231即为第一时间。在该实施例中，第一时间随着COMP的增大而增大。
继续参考图7所示，所述控制电路200还包括：第一运放202，误差放大反馈信号FB和基准信号Vref1，得到所述补偿信号COMP。
参考图9所示，所述控制电路还包括：模式选择电路204，根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式，所述电感电流控制电路201接收所述模式选择电路204的输出电压。
本发明提供一种开关电路，包括所述的控制电路。
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 (11)

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，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；所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断为第二状态；所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管和所述第四开关管关断为第三状态，其特征在于，所述控制方法包括：
当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，在开关周期开始时，为所述第一状态，当电感电流大于第一阈值，所述第一状态结束，进入所述第二状态；当所述第二状态经过第一时间，所述第二状态结束，进入所述第三状态；当时钟信号由无效变为有效或者所述第三状态经过第二时间，所述第三状态结束，开关周期结束，进入下一个开关周期，所述时钟信号的周期为开关周期。
2.根据权利要求1所述开关电路的控制方法，其特征在于：所述第一时间和所述第一阈值由补偿信号得到，所述补偿信号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、输出电流反馈信号、输出功率反馈信号、输入电压反馈信号、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：所述第一时间随所述补偿信号的增大而增大。
5.根据权利要求1-4任意一项所述开关电路的控制方法，其特征在于：根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式。
6.根据权利要求5所述开关电路的控制方法，其特征在于：当所述开关电源工作于BUCK降压模式时，所述第三开关管常导通，所述第四开关管常关断，所述第一开关管和所述第二开关管互补开关；
当所述开关电源工作于BOOST升压模式时，所述第一开关管常导通，所述第二开关管常关断，所述第三开关管和所述第四开关管互补开关。
7.一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，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；所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断为第二状态；所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管和所述第四开关管关断为第三状态，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、第一阈值和第一时间，所述电感电流控制电路输出开关信号；
当所述开关电路工作于BUCK-BOOST状态下，在开关周期开始时，所述电感电流控制电路控制所述开关电路进入第一状态，当所述电感电流控制电路检测到所述电感电流信号大于所述第一阈值，则所述电感电流控制电路控制所述第一状态结束，进入所述第二状态；当所述电感电流控制电路检测到所述第二状态经过所述第一时间，则所述电感电流控制电路控制所述第二状态结束，进入所述第三状态；当所述电感电流控制电路检测到时钟信号由无效变为有效或者所述第三状态经过第二时间，则所述电感电流控制电路控制所述第三状态结束，此开关周期结束，进入下一个开关周期，所述时钟信号的周期为开关周期。
8.根据权利要求7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，根据补偿信号得到所述第一阈值和所述第一时间。
9.根据权利要求8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，得到所述补偿信号。
10.根据权利要求7-9任意一项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：
模式选择电路，根据所述开关电源的输入电压和输出电压，选择开关电源工作于BUCK降压模式或BOOST升压模式或BUCKBOOST升降压模式，所述电感电流控制电路接收所述模式选择电路的输出电压。
11.一种开关电路，其特征在于：包括如权利要求7～10任意一项所述控制电路。
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