CN111245242B - 一种基于平均电流模的buck-boost变换器及其变换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平均电流模的BUCK‑BOOST变换器及变换方法，变换器包括由第一开关管TG1、第二开关管BG1、第三开关管TG2和第四开关管BG2四个开关管及电感组成的H桥架构的主功率模块、电压外环误差放大器EA1、电流内环误差放大器EA2、电感电流采样模块、电压采样电路模块、电感电流过零比较器、锯齿波发生器、第一PWM比较器、第二PWM比较器、模式选择模块、逻辑控制模块及驱动模块。本变换器及其变换方法实现了BUCK‑BOOST双模控制的平滑切换，优化了开关顺序，实现了高效率与低EMI特性，并且一个采样电路便可实现逐周期限流与采样平均电感电流的功能，电路结构简单，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器技术领域，具体涉及一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器及其变换方法。
背景技术
BUCK-BOOST的结构图如图1所示，根据开关的控制方式可以将其分为单模控制、双模控制和三模控制。单模控制指一个周期内功率管Q1与Q2同时开通与关断的控制方式，其相关波形如图2所示，其中，Vsaw1与Vsaw2分别为Q1与Q2的锯齿信号，它们有相同的峰峰值与频率，Ve为Q1与Q2的共用误差调制信号，因而两个开关管的占空比相等。工作过程如下：当Q1与Q2打开时，D1与D2反向关断无电流，电感电流上升并存储能量，由电容Cf为负载提供能量；当Q1与Q2关断时，D1与D2正向导通续流，电感电流能量释放给电容Cf与负载。控制不同的占空比，就可以得到输出电压低于、等于、高于输出电压，从而实现BUCK-BOOST的功能。双模控制指一个周期内只有BUCK模式或BOOST模式工作，不存在Q1与Q2同时开关的情况。图3为双模控制的相关波形，当Vin>Vo时，电路工作于BUCK模式；当Vin<Vo时，电路工作于BOOST模式；当Vin≈Vo时，电路工作于一个周期BUCK，一个周期BOOST交替的运行方式(图中没有画出，后续专利中有相关波形)。工作原理如下：当工作于BUCK模式周期时，Q2整个周期内常关，Q1与正常的BUCK工作波形相同；当工作于BOOST模式周期时，Q1整个周期内常开，Q2与正常的BOOST工作波形相同。三模控制是指同时含有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST三个工作模式的控制策略，如图4所示，当Vin>Vo+Vh时，电路工作于BUCK模式；当Vin<Vo-Vh时，电路工作于BOOST模式；当Vo-Vh<Vin<Vo+Vh时，电路工作于BUCK_BOOST模式。
由上面的分析可知，欲使BUCK-BOOST的效率高，每个周期内开关管Q1与Q2的开关次数要少，单模控制与三模控制都存在一个周期内Q1与Q2同时开关动作的情况，因而效率比双模控制要低。双模控制是BUCK-BOOST提升效率的优先方案。
BUCK-BOOST变换器根据环路架构可以分为电压模与电流模两种控制方式。图5是BUCK-BOOST电压模控制原理图，输出电压反馈与基准电压比较后得到的误差信号与双锯齿波进行比较，得到的PWM信号经过处理后控制Q1与Q2的开通与关断。由于需要补偿主功率电路的双输出极点，因而需要使用三型零极点补偿网络，又BUCK模式与BOOST模式均靠此电路补偿，因而补偿设计比较复杂。
图6是BUCK-BOOST峰值电流模控制原理图，与电压模不同的是，采样电感电流峰值取代了锯齿波，与误差放大器的输出比较得到PWM信号。此处电感电流采样的是Q1上的峰值，实际双模控制中，当Vin与Vo接近时，电路一个周期工作于BUCK，一个周期工作于BOOST，Q1上的电流值波动很小，并且有可能是下降的，因而峰值电流模式不再适合。此时一种替代方案是BUCK工作于谷值电流模式，BOOST工作于峰值电流模式，这样便不存在上面的问题了，然后这种方案需要电流采样电路既能够采样到BOOST模式时电感电流的峰值，又能够采样到BUCK模式时电感电流的谷值，因而并不容易实现。
一种解决方案如图7所示，在D1与Q2的公共端加一个电阻，采样这个电阻上的电流即可以得到BUCK模式时电感电流的谷值与BOOST模式时电感电流的峰值。但是由于通过D1与Q2的电流很大，因而外加电阻上消耗的功率也很大，并且对电阻的精度要求较高，因而需要外置，这就需要封装增加一个PIN，从而增加了成本。
另一种解决方案如图8所示，采用了两个电感电流采样电路，分别采样BUCK模式时电感电流谷值与BOOST模式时电感电流的峰值。但是这种方式由于电感电流采样电路不匹配，采样得到的峰值与谷值存在很大的失调，在Vin与Vo接近时，BUCK与BOOST来回切换的过程中，容易干扰模式切换电路，出现大信号振荡的情况。
从上面的分析可以看出，BUCK-BOOST双模控制全输入输出范围内效率都很高，是今后控制策略的发展方向，然后电压模与峰值电流模控制都不能很好的应用于双模控制中。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术的不足而提供一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器及其变换方法，实现BUCK-BOOST双模控制的平滑切换，优化开关顺序，实现高效率与低EMI特性，实现逐周期限流与采样平均电感电流的功能，降低成本。
本发明的技术方案为：
一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：包括由第一开关管TG1、第二开关管BG1、第三开关管TG2和第四开关管BG2四个开关管及电感组成的H桥架构的主功率模块、电压外环误差放大器EA1、电流内环误差放大器EA2、电感电流采样模块、电压采样电路模块、电感电流过零比较器、锯齿波发生器、第一PWM比较器、第二PWM比较器、模式选择模块、逻辑控制模块及驱动模块；所述电压采样电路模块的输入端与主功率模块的电压输出端连接，电压采样电路模块的输出端连接所述电压外环误差放大器EA1的负相端，所述电压外环误差放大器EA1的正相端连接基准参考电压，所述电压外环误差放大器EA1的输出端连接电流内环误差放大器EA2的正相端，所述电感电流采样模块的输入端连接电感的第一端，电感电流采样模块的第一输出端与电流内环误差放大器EA2的负相端连接，所述电流内环误差放大器EA2的输出端分别连接第一PWM比较器的正相端和第二PWM比较器的正相端，所述电感电流采样模块的第二输出端连接逻辑控制模块的第一输入端，所述电感电流采样模块用于采样全周期电感电流通过第一输出端输出，采样峰值过流信号OCP通过第二输出端输出；电感电流过零比较器的两个输入端分别连接第三开关管TG2的输入端和输出端，电感电流过零比较器的输出端用于连接逻辑控制模块的第二输入端，电感电流过零比较器通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零；所述锯齿波发生器的第一输出端与第一PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_buck锯齿波信号，所述锯齿波发生器的第二输出端与第二PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_boost锯齿波信号，第一PWM比较器和第二PWM比较器用于将电流内环误差放大器EA2输出的误差信号Vea2分别与锯齿波发生器输出的两个锯齿波信号进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号，并分别将信号输入至逻辑控制模块第三输入端和第四输入端，所述模式选择模块分别与第一PWM比较器和第二PWM比较器的输出端连接，模式选择模块的第一输出端EN_BUCK和第二输出端EN_BOOST分别与逻辑控制模块连接，模式选择模块用于根据PWM信号PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；所述逻辑控制模块用于将第一输入端输入的OCP信号、第二输入端输入的ZRDT信号、第三输入端和第四输入端输入的PWM_BUCK、PWM_BOOST，模式选择模块输入的EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON；所述驱动模块与逻辑控制模块的输出端连接，将前驱信号分别转换为驱动第一至第四开关管工作的驱动信号，并设置死区时间，保证功率管能够高效有序的工作。
进一步地，所述电压外环误差放大器EA1的输出端还分别连接第二电阻Rc1的第一端和第一电容C0的第一端，第二电阻RC1的第二端连接第二电容C1的第一端，第一电容C0的第二端和第二电容C1的第二端接地。
进一步地，所述电感电流采样模块包括将第一开关管TG1的输出电流按照一定比例镜像的第一电流镜单元，第一开关管TG1的输出端作为第一电流镜单元的第一输出端，还包括钳位电路，所述钳位电路包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与第一开关管TG1的输出端连接，第二输入端与第一电流镜单元的第二输出端连接，第一电流镜单元的第二输出端作为所述钳位电路的输出端，与第二电流镜单元的输入端，所述钳位电路用于保证第一开关管TG1的输出端的电位与第一电流镜单元的输出端的电位相同，所述第二电流镜单元包括第一镜像输出端和第二镜像输出端，所述第一镜像输出端作为采样峰值过流信号OCP与逻辑控制模块的第一输入端连接，第二镜像输出端连接电感电流采样电路的输入端，所述电感电流采样电路用于根据BG1开通时电感电流与输出电压的关系，模拟出采样电感电流，并将模拟出的采样电感电流与电流内环误差放大器EA2的负向端连接。
进一步地，所述电感电流采样电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三镜像电流单元、第四电流镜单元、OP放大器和第四电阻R4，所述OP放大器的负相端连接主功率模块的电压输出端，OP放大器的正相端连接第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端接地，OP放大器的输出端分别连接第四电流镜单元的第一镜像控制端和第二镜像控制端，第四电流镜的第一镜像输出端连接第四电阻R4的第一端，第二镜像输出端连接第三电流镜单元的输入端，第三电流镜单元的镜像电流输出端连接第二开关S2的第一端，第二开关S2的第二端连接第一开关S1的第一端，第一开关S1的第二端连接第二电流镜单元的第二电流镜的第二镜像输出端，第一开关S1的第一端连接电流内环误差放大器EA2的负相端。
进一步地，所述模式选择模块包括第一比较器、第二比较器、第一或非门、第一与门、第二与门、第一或门、第二或门、第三与门、SR锁相器及D触发器，所述第一比较器的正相端和第二比较器的负相端分别与主功率模块的输入电压Vin端连接，第一比较器的负相端和第二比较器的正相端分别与主功率模块的输出电压端V0连接，所述第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与第一或非门的两个输入端连接，第一或非门的输出端分别连接第一与门的第一输入端和第二与门的第一输入端，第一比较器的输出端和第二比较器的输出端还分别连接第一或门的第一输入端和第二或门的第一输入端，第一与门的输出端和第二与门的输出端分别连接第一或门的第二输入端和第二或门的第二输入端，第一与门的输出端和第二与门的输出端分别连接逻辑控制模块，第三与门的两个输入端分别连接第一PWM比较器的输出端和第二PWM比较器的输出端，第三与门的输出端连接SR锁存器的第一输入端，SR锁存器的第二输入端连接时钟的输出端，时钟的输出端还与触发器的时钟输入端连接，SR锁存器的输出端连接D触发器的输入端，D触发器的第一输出端和第二输出端分别对应连接第一与门的第二输入端和第二与门的第二输入端。
进一步地，所述逻辑控制模块包括第四与门AN4、第四或非门NR4、第一至第三反相器INV1-INV3、第一与非门ND1和第五与门，所述第四与门AN4的两个输入端分别连接模式选择模块的EN_BOOST输出端和第二PWM比较器的输出端，所述第四与门AR4的输出端一方面与作为第一输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第四或非门NR4的第一输入端，第四或非门NR4的第二输入端连接所述电感电流过零比较器的输出端，第四或非门NR4的输出端作为第二输出端，与驱动模块连接；
所述第一反相器INV1的输入端连接所述电感电流采用电路的第二输出端，所述第一反相器INV1的输出端连接第五与门AN5的第一输入端，所述第二反相器INV2的输入端连接第一PWM比较器的输出端，所述第二反相器INV2的输出端连接第一与非门ND1的第一输入端，所述第一与非门ND1的第二输入端连接模式选择模块的EN_BUCK输出端，所述第一与非门ND1的输出端连接第五与门AN5的第二输入端，所述第五与门AN5的输出端一方面作为第三输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第三反相器INV3的输入端，所述第三反相器INV3的输出端作为第四输出端，与驱动模块连接。
进一步地，所述驱动模块包括第二至第五与非门，第四至第十一反相器，其中，第二与非门ND2的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第三输出端和第六反相器INV6的输出端，所述第二与非门ND2的输出端连接第四反相器INVH4的输入端，第四反相器INVH4的输出端一方面连接第五反相器INV5的输入端，另一方面连接第一开关管TG1的控制端，所述第五反相器INV5的输出端连接第三与门ND3的第一输入端，第三与门ND3的第二输入端连接逻辑控制模块的第四输出端，第三与门ND3的输出端连接第七反相器INVH7的输入端，第七反相器INVH7的输出端一方面连接第六反相器INV6的输入端，另一方面连接第二开关管的控制端；
第四与非门ND4的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第二输出端和第十反相器INV10的输出端，所述第四与非门ND4的输出端连接第八反相器INVH8的输入端，第八反相器INVH8的输出端一方面连接第九反相器INV9的输入端，另一方面连接第三开关管TG2的控制端，所述第九反相器INV9的输出端连接第五与门ND5的第一输入端，第五与门ND5的第二输入端连接逻辑控制模块的第一输出端，第五与门ND5的输出端连接第十一反相器INVH11的输入端，第十一反相器INVH11的输出端一方面连接第十反相器INV10的输入端，另一方面连接第四开关管的控制端。
一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器的变换方法，基于上述基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，包括：
电压外环误差放大器EA1将主功率模块的输出电压反馈信号与基准电压的差值进行放大后输入至电流内环误差放大器，电流内环误差放大器EA2将电流采样模块采集的电感电流平均值与电压外环误差放大器EA1的外环误差值Vea1的差值进行放大，电流采样模块主要用于采样全周期电感电流以及峰值过流信号OCP，然后过零比较器通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零，然后把信号传输至逻辑控制模块，锯齿波产生器生成Vsaw_buck与Vsaw_boost两个锯齿波信号分别传输至第一PWM比较器和第二PWM比较器，第一PWM比较器和第二PWM比较器分别将电流内环误差放大器的误差信号Vea2与双锯齿波进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号；然后模式选择模块根据PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；同时，逻辑控制模块将OCP、ZRDT、PWM_BUCK、PWM_BOOST、EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON，最后驱动模块将前驱信号转换为有足够驱动能力的信号，并设置死区时间，保证功率管能够高效有序的工作。
本发明的有益效果为：实现了BUCK-BOOST双模控制的平滑切换，优化了开关顺序，实现了高效率与低EMI特性，并且一个采样电路便可实现逐周期限流与采样平均电感电流的功能，电路结构简单，降低了成本。
附图说明
图1为现有技术BUCK-BOOST结构示意图；
图2为现有技术单模控制相关波形图；
图3为现有技术双模控制相关波形；
图4为现有技术三模控制相关原理图；
图5为现有技术BUCK-BOOST电压模控制原理图；
图6为现有技术BUCK-BOOST峰值电流模控制原理图；
图7为现有技术外加电阻的BUCK-BOOST峰值电流模控制原理图；
图8为现有技术双采样电路的BUCK-BOOST峰值电流模控制原理图；
图9-1本发明一种基于平均电流模BUCK-BOOST变换器原理图。
图9-2本发明的电感电流采样电路一实施结构图。
图9-3本发明的模式切换模块一实施结构图。
图9-4本发明的逻辑控制模块原理图；
图9-5本发明的驱动模块电路原理图；
图9-6本发明的电压比较模式切换下BUCK的波形图。
图9-7本发明的电压比较模式切换下BOOST的波形图。
图9-8本发明的占空比比较模式切换下BUCK向BOOST切换的波形图。
图9-9本发明的占空比比较模式切换下BOOST向BUCK切换的波形图。
图9-10本发明的占空比比较模式切换下BOOST与BUCK交替切换的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图9-1所示，一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，包括由第一开关管TG1、第二开关管BG1、第三开关管TG2和第四开关管BG2四个开关管及电感L组成的H桥架构的主功率模块、电压外环误差放大器EA1、电流内环误差放大器EA2、电感电流采样模块、电压采样电路模块、电感电流过零比较器CMP、锯齿波发生器、第一PWM比较器P1、第二PWM比较器P2、模式选择模块、逻辑控制模块及驱动模块；主功率部分采用四管H桥架构(即同步BUCK-BOOST)，可以减小损耗，提高效率,所述电压采样电路模块的输入端与主功率模块的电压输出端连接，电压采样电路模块的输出端连接所述电压外环误差放大器EA1的负相端，具体的，本实施例的电压采样电路模块包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的第一端连接主功率模块的输出端，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地，第二电阻R2的第一端连接所述电压外环误差放大器EA1的负相端，所述电压外环误差放大器EA1的正相端连接基准参考电压，所述电压外环误差放大器EA1的输出端连接电流内环误差放大器EA2的正相端，电压外环误差放大器EA1主要将输出电压反馈信号与基准电压的差值进行放大，并由C0、C1与Rc1提供外环补偿；所述电感电流采样模块的输入端连接电感L的第一端，电感电流采样模块的第一输出端与电流内环误差放大器EA2的负相端连接，电流内环误差放大器EA2主要将电感电流平均值与外环误差值Vea1的差值进行放大，并由C2、C3、Rc2、Rc3提供内环补偿；所述电流内环误差放大器EA2的输出端分别连接第一PWM比较器P1的正相端和第二PWM比较器P2的正相端，所述电感电流采样模块的第二输出端连接逻辑控制模块的第一输入端，所述电感电流采样模块用于采样全周期电感电流通过第一输出端输出，采样峰值过流信号OCP通过第二输出端输出；
电感电流过零比较器的两个输入端分别连接第三开关管TG2的输入端和输出端，电感电流过零比较器的输出端连接逻辑控制模块的第二输入端，电感电流过零比较器主要通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零；所述锯齿波发生器的第一输出端与第一PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_buck锯齿波信号，所述锯齿波发生器的第二输出端与第二PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_boost锯齿波信号，第一PWM比较器和第二PWM比较器用于将电流内环误差放大器EA2输出的误差信号Vea2分别与锯齿波发生器输出的两个锯齿波信号进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号，并分别将信号输入至逻辑控制模块第三输入端和第四输入端，所述模式选择模块分别第一PWM比较器和第二PWM比较器的输出端连接，模式选择模块的第一输出端EN_BUCK和第二输出端EN_BOOST分别与逻辑控制模块连接，模式选择模块用于根据PWM信号PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；所述逻辑控制模块用于将第一输入端输入的OCP信号、第二输入端输入的ZRDT信号、第三输入端和第四输入端输入的PWM_BUCK、PWM_BOOST，模式选择模块输入的EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON；所述驱动模块与逻辑控制模块的输出端连接，将前驱信号分别转换为驱动第一至第四开关管工作的驱动信号，并设置死区时间，保证功率管能够高效有序的工作。
整个工作过程如下：当Vin>Vo，电路工作于BUCK模式时，如果此时输出电压比设定值偏低，经过EA1后的误差信号Vea1升高，经过EA2后误差信号Vea2也会升高，从而得到的占空比信号PWM_BUCK变大，使输出电压升高达到设定值；反之，如果输出电压比设定值偏高，则经过EA1与EA2后的误差信号Vea2会降低，从而使占空比信号PWM_BUCK变小，使输出电压降低到设定值。整个过程中TG2恒定开通，BG2恒定关断，TG1与BG1同BUCK变换器一样的操作。当Vin<Vo，电路工作于BOOST模式时，环路的调节过程与BUCK模式基本是相同的，不同的是此过程中TG1恒定开通，BG1恒定关断，TG2与BG2同BOOST变换器一样的操作。当Vin≈Vo，电路工作于BUCK与BOOST交替工作的状态，假定初始工作模式为BUCK，当输出电压比设定值偏低时，经过EA1与EA2得到的误差放大信号Vea2升高，由于此状态下Vea2本身就位于双锯齿波Vsaw_buck与Vsaw_boost的交点附近，因而升高后的Vea2会使电路进入BOOST模式(即PWM_BUCK＝1)，输出电压会升高；当输出电压升高到高于设定值时，经过EA1与EA2后的误差信号Vea2又会降低，降低后的Vea2会使电路进入到BUCK模式(即PWM_BOOST＝0)，输出电压降低。这样一段时间后达到平衡，BUCK与BOOST交替工作以使得输出电压等于设定值。
由于BUCK与BOOST会出现交替工作的情况，因而四个功率管的开关顺序需要进行优化设计，以减小损耗和EMI干扰。如果TG1与BG1按常规的BUCK开关顺序(CLK时钟开启TG1，PWM信号控制开启BG1)，而TG2与BG2按常规的BOOST开关顺序(CLK时钟开启BG2，PWM信号控制开启TG2)，那么当BUCK切换到BOOST时，需要同时关闭BG1与TG2，同时打开TG1与BG2，即切换模式时四个功率管均发生开关动作，因而开关损耗较大，EMI干扰也会较大(LX1与LX2上产生的波刺较多)。为解决此问题，将BOOST模式的开关顺序进行了调整，CLK时钟开启TG2，由PWM信号控制开启BG2，这样无论当BUCK切向BOOST，还是BOOST切向BUCK时，每个周期都能保证只有两个开关管动作，从而可以减小开关损耗与EMI。要实现这样的控制，如图9-1中所示本实施例的锯齿波Vsaw_boost需要设计成斜率为负的三角波，并使其谷值与Vsaw_buck峰值相等，再将逻辑控制模块进行相应的处理即可。
由前面的分析可知，此电路需要能够采样平均电感电流值，并且输出电感电流的过流信号。为精确检测电感电流，仍然采用电流镜采样的方式，如图9-2所示，所述电感电流采样模块包括将第一开关管TG1的输出电流按照一定比例镜像的第一电流镜单元1，具体的，第一电流镜单元1包括TG1_SEN，为TG1的镜像管，一定比例镜像TG1上的电流，第一开关管TG1的输出端作为第一电流镜单元1的第一输出端，还包括钳位电路2，所述钳位电路2包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与第一开关管TG1的输出端连接，第二输入端与第一电流镜单元1的第二输出端连接，第一电流镜单元1的第二输出端作为所述钳位电路2的输出端，与第二电流镜单元3的输入端连接，图中，MN2、MN3、MP1与MP2构成这样的一个钳位电路，保证LX1电位等于LXS电位，所述第二电流镜单元3包括第一镜像输出端和第二镜像输出端，所述第一镜像输出端作为采样峰值过流信号OCP与逻辑控制模块的第一输入端连接，图9-2中，MP1、MP2、MN2和MN3构成了钳位电路2，MP3、MP4和MP5构成了第二电流镜单元。
当电路工作于BOOST模式时，在整个周期内，TG1上的电流都等于电感电流，即采样TG1上的电流就能得全周期的电感电流；当电路工作于BUCK模式时，TG1开通时其上的电流等于电感电流，但是BG1开通时TG1上的电流为0，即采样TG1的电流可以得到电感电流的峰值，但是不能得到全周期的电感电流值，因而需要将BG1开通这段时间的电感电流采样出来。直接采样BG1电流需要增加一个电流采样电路，电路结构变得复杂，本实施例根据BUCK模式时，BG1开通时电感电流与输出电压的关系，模拟出采样电感电流。
BUCK模拟时，电感电流表示为：
电流采样并转化为电压的关系为：
式(1)代入(2)后得：
因而只要设计出(3)式的电感电流采样电压斜率，就能够模拟BG1开通时间内电感采样电流，本实施例就提供了一种实现这种功能的电感电流采样电路，接上述电路，第二镜像输出端连接电感电流采样电路的输入端，所述电感电流采样电路用于根据BG1开通时电感电流与输出电压的关系，模拟出采样电感电流，并将模拟出的采样电感电流与电流内环误差放大器EA2的负向端连接。
具体的，所述电感电流采样电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三镜像电流单元4、第四电流镜单元5、OP放大器和第四电阻R4，所述OP放大器的负相端连接主功率模块的电压输出端，OP放大器的正相端连接第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端接地，OP放大器的输出端分别连接第四电流镜单元5的第一镜像控制端和第二镜像控制端，第四电流镜单元5的第一镜像输出端连接第四电阻R4的第一端，第二镜像输出端连接第三电流镜单元4的输入端，第三电流镜单元4的镜像电流输出端连接第二开关S2的第一端，第二开关S2的第二端连接第一开关S1的第一端，第一开关S1的第二端连接第二电流镜单元3的第二电流镜的第二镜像输出端，第一开关S1的第一端连接电流内环误差放大器EA2的负相端，其中MP6和MP7构成第三电流镜单元，MN6和MN7构成第四电流镜单元，当变换器工作于BOOST模式以及BUCK模式下TG1开通时，S1接通，S2断开，此时Vsense电压为TG1上的电流采样后转化为的电压，即为电感电流采样电压；当BUCK模式下BG1开通时，S1断开，S2接通，此时Vsense电压会被Vo转化而来的电流下拉而降低，下降斜率为：
因而(3)与(4)相等，即可满足设计要求，得
如图9-3所示，所述模式选择模块包括第一比较器COM1、第二比较器COM2、第一或非门NR1、第一与门AN1、第二与门AN2、第一或门R1、第二或门R2、第三与门AN3、SR锁相器6及D触发器J，所述第一比较器COM1的正相端和第二比较器COM2的负相端分别与主功率模块的输入电压Vin端连接，第一比较器COM1的负相端和第二比较器COM2的正相端分别与主功率模块的输出电压端V0连接，所述第一比较器COM1的输出端和第二比较器COM2的输出端分别与第一或非门NR1的两个输入端连接，第一或非门NR1的输出端分别连接第一与门AN1的第一输入端和第二与门AN2的第一输入端，第一比较器COM1的输出端和第二比较器COM2的输出端还分别连接第一或门R1的第一输入端和第二或门R2的第一输入端，第一与门A1的输出端和第二与门AN2的输出端分别连接第一或门R1的第二输入端和第二或门R2的第二输入端，第一与门A1的输出端和第二与门AN2的输出端分别连接逻辑控制模块，第三与门AN3的两个输入端分别连接第一PWM比较器的输出端和第二PWM比较器的输出端，第三与门AN3的输出端连接SR锁存器6的第一输入端，SR锁存器6的第二输入端连接时钟的输出端，SR锁存器6包括NR 2和NR 3，时钟的输出端还与触发器的时钟输入端连接，SR锁存器6的输出端连接D触发器J的输入端，D触发器J的第一输出端和第二输出端分别对应连接第一与门AN1的第二输入端和第二与门AN2的第二输入端。
具体原理为：电压比较切换的优先级高于占空比比较切换，当Vin>1.1*Vo时，V_BUCK＝1，V_BOOST＝0，V_BUCKBOOST＝0，因而EN_BUCK＝1，EN_BOOST＝0，电路工作于BUCK模式；当Vin<0.9*Vo时，V_BUCK＝0，V_BOOST＝1，V_BUCKBOOST＝0，因而EN_BUCK＝0，EN_BOOST＝1，电路工作于BOOST模式；当0.9*Vo<Vin<1.1*Vo时，V_BUCK＝0，V_BOOST＝0，V_BUCKBOOST＝1，电路的工作模式由占空比比较切换决定。占空比切换部分的原理是：占空比PWM_BUCK与PWM_BOOST进行与操作，CLK的延时信号进行复位操作，当PWM_BUCK与PWM_BOOST整个周期不全为1时，SR锁存器输出为1，下个时钟CLK会将其采样输出，最终得到EN_BUCK＝1，EN_BOOST＝0；当PWM_BUCK与PWM_BOOST整个周期出现都为1的情况，SR锁存器输出为0，下个时钟CLK会将其采样输出，最终得到EN_BUCK＝0，EN_BOOST＝1。
如图9-4所示，所述逻辑控制模块包括第四与门AN4、第四或非门NR4、第一至第三反相器INV1-INV3、第一与非门ND1和第五与门，所述第四与门AN4的两个输入端分别连接模式选择模块的EN_BOOST输出端和第二PWM比较器的输出端，所述第四与门AR4的输出端一方面与作为第一输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第四或非门NR4的第一输入端，第四或非门NR4的第二输入端连接所述电感电流过零比较器的输出端，第四或非门NR4的输出端作为第二输出端，与驱动模块连接；
所述第一反相器INV1的输入端连接所述电感电流采用电路的第二输出端，所述第一反相器INV1的输出端连接第五与门AN5的第一输入端，所述第二反相器INV2的输入端连接第一PWM比较器的输出端，所述第二反相器INV2的输出端连接第一与非门ND1的第一输入端，所述第一与非门ND1的第二输入端连接模式选择模块的EN_BUCK输出端，所述第一与非门ND1的输出端连接第五与门AN5的第二输入端，所述第五与门AN5的输出端一方面作为第三输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第三反相器INV3的输入端，所述第三反相器INV3的输出端作为第四输出端，与驱动模块连接。
当判断电路工作于BUCK模式时，即EN_BUCK＝1，EN_BOOST＝0时电路工作于BUCK模式，第二输出端TG2_ON＝1，第一输出端BG2_ON＝0，第三输出端TG1_ON与第四输出端BG1_ON的状态由PWM_BUCK决定；当判断电路工作于BOOST模式时，即EN_BUCK＝0，EN_BOOST＝1时电路工作于BOOST模式，TG1_ON＝1，BG1_ON＝0，TG2_ON与BG2_ON的状态由PWM_BUCK决定。当电感电流过流时，即OCP＝1时，会强制使TG1_ON＝0，即强制关断TG1；当电感电流过零时，即ZRDT＝1时，会强制使TG2_ON＝1，即强制关断TG2。
所述驱动模块如图9-5所示，包括第二至第五与非门，第四至第十一反相器，其中，第二与非门ND2的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第三输出端和第六反相器INV6的输出端，所述第二与非门ND2的输出端连接第四反相器INVH4的输入端，第四反相器INVH4的输出端一方面连接第五反相器INV5的输入端，另一方面连接第一开关管TG1的控制端，所述第五反相器INV5的输出端连接第三与门ND3的第一输入端，第三与门ND3的第二输入端连接逻辑控制模块的第四输出端，第三与门ND3的输出端连接第七反相器INVH7的输入端，第七反相器INVH7的输出端一方面连接第六反相器INV6的输入端，另一方面连接第二开关管的控制端；
第四与非门ND4的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第二输出端和第十反相器INV10的输出端，所述第四与非门ND4的输出端连接第八反相器INVH8的输入端，第八反相器INVH8的输出端一方面连接第九反相器INV9的输入端，另一方面连接第三开关管TG2的控制端，所述第九反相器INV9的输出端连接第五与门ND5的第一输入端，第五与门ND5的第二输入端连接逻辑控制模块的第一输出端，第五与门ND5的输出端连接第十一反相器INVH11的输入端，第十一反相器INVH11的输出端一方面连接第十反相器INV10的输入端，另一方面连接第四开关管的控制端。
下面通过附图说明变换器的各种工作状态。
图9-6为电压比较切换模式下BUCK模式时的波形。当Vin>1.1*Vo时，电路工作于BUCK模式，EN_BUCK＝1，EN_BOOST＝0，因而TG2常开，BG2常关，TG1与BG1驱动逻辑由PWM_BUCK决定，变换器工作等同于纯BUCK模式。
图9-7为电压比较切换模式下BOOST模式时的波形。当Vin<0.9*Vo时，电路工作于BOOST模式，EN_BUCK＝0，EN_BOOST＝1，因而TG1常开，BG1常关，TG2与BG2驱动逻辑由PWM_BOOST决定，变换器工作等同于纯BOOST模式。
图9-8为占空比比较切换模式下BUCK向BOOST切换的波形。当0.9*Vo<Vin<1.1*Vo时，变换器的工作状态由占空比切换模式来决定，图中电路初始工作于BUCK模式，第一个时钟周期内PWM_BUCK与PWM_BOOST出现都为1的情况，因而下个时钟CLK采样后得到EN_BUCK＝0，而EN_BOOST＝1，即电路由BUCK模式切换到了BOOST模式。整个过程中每个周期内不会出现BUCK与BOOST模式同时工作的情况，也不会出现BUCK-BOOST模式，BUCK向BOOST的切换是平滑的。
图9-9为占空比比较切换模式下BOOST向BUCK切换的波形。当0.9*Vo<Vin<1.1*Vo时，变换器的工作状态由占空比切换模式来决定，图中电路初始工作于BOOST模式，第二个时钟周期内PWM_BUCK与PWM_BOOST出现整个周期内均不为1的情况，因而下个时钟CLK采样后得到EN_BUCK＝1，而EN_BOOST＝0，即电路由BOOST模式切换到了BUCK模式。整个过程中每个周期内不会出现BUCK与BOOST模式同时工作的情况，也不会出现BUCK-BOOST模式，BOOST向BUCK的切换是平滑的。
图9-10为占空比比较模式切换下BOOST与BUCK交替切换的波形图。当Vin非常接近Vo时，Vea2在Vsaw_buck与Vsaw_boost的交点附近波动，BUCK与BOOST会出现交替切换的状态，图中初始状态为BOOST模式，输出电压小幅度偏高Vea2下降，第一个时钟周期内出现了PWM_BUCK与PWM_BOOST没有同时为1的状态，因而下个CLK采样后电路会由BOOST模式切换到BUCK模式，BUCK模式下由于输出电压小幅度下降Vea2会缓慢上升，第三个时钟周期内出现了PWM_BUCK与PWM_BOOST同为1的情况，因而下个CLK采样后电路会由BUCK模式切换到BOOST模式，BOOST模式下由于输出电压小幅度上升Vea2又会缓慢下降，最终达到平衡。由分析可知，交替切换时每个周期内不会出现BUCK与BOOST模式同时工作的情况，也不会出现BUCK-BOOST模式，工作仍然是双模的，因而效率较高，又Vea2变化缓慢，BUCK与BOOST基本能每二个周期切换一次，因而输出纹波也不会很大。
还需要补充说明的是，所述电压外环误差放大器EA1的输出端还分别连接第二电阻Rc1的第一端和第一电容C0的第一端，第二电阻RC1的第二端连接第二电容C1的第一端，第一电容C0的第二端和第二电容C1的第二端接地。
一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器的变换方法，基于上述基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，该方法包括：
电压外环误差放大器EA1将主功率模块的输出电压反馈信号与基准电压的差值进行放大后输入至电流内环误差放大器，电流内环误差放大器EA2将电流采样模块采集的电感电流平均值与电压外环误差放大器EA1的外环误差值Vea1的差值进行放大，电流采样模块主要用于采样全周期电感电流以及峰值过流信号OCP，然后过零比较器通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零，然后把信号传输至逻辑控制模块，锯齿波产生器生成Vsaw_buck与Vsaw_boost两个锯齿波信号分别传输至第一PWM比较器和第二PWM比较器，第一PWM比较器和第二PWM比较器分别将电流内环误差放大器的误差信号Vea2与双锯齿波进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号；然后模式选择模块根据PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；同时，逻辑控制模块将OCP、ZRDT、PWM_BUCK、PWM_BOOST、EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON，最后驱动模块将前驱信号转换为有足够驱动能力的信号，并设置死区时间，保证功率管能够高效有序的工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：包括由第一开关管TG1、第二开关管BG1、第三开关管TG2和第四开关管BG2四个开关管及电感组成的H桥架构的主功率模块、电压外环误差放大器EA1、电流内环误差放大器EA2、电感电流采样模块、电压采样电路模块、电感电流过零比较器、锯齿波发生器、第一PWM比较器、第二PWM比较器、模式选择模块、逻辑控制模块及驱动模块；所述电压采样电路模块的输入端与主功率模块的电压输出端连接，电压采样电路模块的输出端连接所述电压外环误差放大器EA1的负相端，所述电压外环误差放大器EA1的正相端连接基准参考电压，所述电压外环误差放大器EA1的输出端连接电流内环误差放大器EA2的正相端，所述电感电流采样模块的输入端连接电感的第一端，电感电流采样模块的第一输出端与电流内环误差放大器EA2的负相端连接，所述电流内环误差放大器EA2的输出端分别连接第一PWM比较器的正相端和第二PWM比较器的正相端，所述电感电流采样模块的第二输出端连接逻辑控制模块的第一输入端，所述电感电流采样模块用于采样全周期电感电流通过第一输出端输出，采样峰值过流信号OCP通过第二输出端输出；电感电流过零比较器的两个输入端分别连接第三开关管TG2的输入端和输出端，电感电流过零比较器的输出端用于连接逻辑控制模块的第二输入端，电感电流过零比较器通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零；所述锯齿波发生器的第一输出端与第一PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_buck锯齿波信号，所述锯齿波发生器的第二输出端与第二PWM比较器的负相端连接，用于产生Vsaw_boost锯齿波信号，第一PWM比较器和第二PWM比较器用于将电流内环误差放大器EA2输出的误差信号Vea2分别与锯齿波发生器输出的两个锯齿波信号进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号，并分别将信号输入至逻辑控制模块第三输入端和第四输入端，所述模式选择模块分别与第一PWM比较器和第二PWM比较器的输出端连接，模式选择模块的第一输出端EN_BUCK和第二输出端EN_BOOST分别与逻辑控制模块连接，模式选择模块用于根据PWM信号PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；所述逻辑控制模块用于将第一输入端输入的OCP信号、第二输入端输入的ZRDT信号、第三输入端和第四输入端输入的PWM_BUCK、PWM_BOOST，模式选择模块输入的EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON；所述驱动模块与逻辑控制模块的输出端连接，将前驱信号分别转换为驱动第一至第四开关管工作的驱动信号，并设置死区时间，保证功率管能够高效有序的工作。
2.如权利要求1所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述电压外环误差放大器EA1的输出端还分别连接第二电阻Rc1的第一端和第一电容C0的第一端，第二电阻RC1的第二端连接第二电容C1的第一端，第一电容C0的第二端和第二电容C1的第二端接地。
3.如权利要求1所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述电感电流采样模块包括将第一开关管TG1的输出电流按照一定比例镜像的第一电流镜单元，第一开关管TG1的输出端作为第一电流镜单元的第一输出端，还包括钳位电路，所述钳位电路包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与第一开关管TG1的输出端连接，第二输入端与第一电流镜单元的第二输出端连接，第一电流镜单元的第二输出端作为所述钳位电路的输出端，与第二电流镜单元的输入端，所述钳位电路用于保证第一开关管TG1的输出端的电位与第一电流镜单元的输出端的电位相同，所述第二电流镜单元包括第一镜像输出端和第二镜像输出端，所述第一镜像输出端作为采样峰值过流信号OCP与逻辑控制模块的第一输入端连接，第二镜像输出端连接电感电流采样电路的输入端，所述电感电流采样电路用于根据BG1开通时电感电流与输出电压的关系，模拟出采样电感电流，并将模拟出的采样电感电流与电流内环误差放大器EA2的负向端连接。
4.如权利要求3所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述电感电流采样电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三镜像电流单元、第四电流镜单元、OP放大器和第四电阻R4，所述OP放大器的负相端连接主功率模块的电压输出端，OP放大器的正相端连接第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端接地，OP放大器的输出端分别连接第四电流镜单元的第一镜像控制端和第二镜像控制端，第四电流镜的第一镜像输出端连接第四电阻R4的第一端，第二镜像输出端连接第三电流镜单元的输入端，第三电流镜单元的镜像电流输出端连接第二开关S2的第一端，第二开关S2的第二端连接第一开关S1的第一端，第一开关S1的第二端连接第二电流镜单元的第二电流镜的第二镜像输出端，第一开关S1的第一端连接电流内环误差放大器EA2的负相端。
5.如权利要求1所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述模式选择模块包括第一比较器、第二比较器、第一或非门、第一与门、第二与门、第一或门、第二或门、第三与门、SR锁相器及D触发器，所述第一比较器的正相端和第二比较器的负相端分别与主功率模块的输入电压Vin端连接，第一比较器的负相端和第二比较器的正相端分别与主功率模块的输出电压端V0连接，所述第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与第一或非门的两个输入端连接，第一或非门的输出端分别连接第一与门的第一输入端和第二与门的第一输入端，第一比较器的输出端和第二比较器的输出端还分别连接第一或门的第一输入端和第二或门的第一输入端，第一与门的输出端和第二与门的输出端分别连接第一或门的第二输入端和第二或门的第二输入端，第一与门的输出端和第二与门的输出端分别连接逻辑控制模块，第三与门的两个输入端分别连接第一PWM比较器的输出端和第二PWM比较器的输出端，第三与门的输出端连接SR锁存器的第一输入端，SR锁存器的第二输入端连接时钟的输出端，时钟的输出端还与触发器的时钟输入端连接，SR锁存器的输出端连接D触发器的输入端，D触发器的第一输出端和第二输出端分别对应连接第一与门的第二输入端和第二与门的第二输入端。
6.如权利要求1所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述逻辑控制模块包括第四与门AN4、第四或非门NR4、第一至第三反相器INV1-INV3、第一与非门ND1和第五与门，所述第四与门AN4的两个输入端分别连接模式选择模块的EN_BOOST输出端和第二PWM比较器的输出端，所述第四与门AR4的输出端一方面与作为第一输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第四或非门NR4的第一输入端，第四或非门NR4的第二输入端连接所述电感电流过零比较器的输出端，第四或非门NR4的输出端作为第二输出端，与驱动模块连接；
所述第一反相器INV1的输入端连接所述电感电流采用电路的第二输出端，所述第一反相器INV1的输出端连接第五与门AN5的第一输入端，所述第二反相器INV2的输入端连接第一PWM比较器的输出端，所述第二反相器INV2的输出端连接第一与非门ND1的第一输入端，所述第一与非门ND1的第二输入端连接模式选择模块的EN_BUCK输出端，所述第一与非门ND1的输出端连接第五与门AN5的第二输入端，所述第五与门AN5的输出端一方面作为第三输出端，与驱动模块连接，另一方面连接第三反相器INV3的输入端，所述第三反相器INV3的输出端作为第四输出端，与驱动模块连接。
7.如权利要求6所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，其特征在于：所述驱动模块包括第二至第五与非门，第四至第十一反相器，其中，第二与非门ND2的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第三输出端和第六反相器INV6的输出端，所述第二与非门ND2的输出端连接第四反相器INVH4的输入端，第四反相器INVH4的输出端一方面连接第五反相器INV5的输入端，另一方面连接第一开关管TG1的控制端，所述第五反相器INV5的输出端连接第三与门ND3的第一输入端，第三与门ND3的第二输入端连接逻辑控制模块的第四输出端，第三与门ND3的输出端连接第七反相器INVH7的输入端，第七反相器INVH7的输出端一方面连接第六反相器INV6的输入端，另一方面连接第二开关管的控制端；
第四与非门ND4的两个输入端分别连接逻辑控制模块的第二输出端和第十反相器INV10的输出端，所述第四与非门ND4的输出端连接第八反相器INVH8的输入端，第八反相器INVH8的输出端一方面连接第九反相器INV9的输入端，另一方面连接第三开关管TG2的控制端，所述第九反相器INV9的输出端连接第五与门ND5的第一输入端，第五与门ND5的第二输入端连接逻辑控制模块的第一输出端，第五与门ND5的输出端连接第十一反相器INVH11的输入端，第十一反相器INVH11的输出端一方面连接第十反相器INV10的输入端，另一方面连接第四开关管的控制端。
8.一种基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器的变换方法，其特征在于：基于上述权利要求1-7任一项所述的基于平均电流模的BUCK-BOOST变换器，包括：
电压外环误差放大器EA1将主功率模块的输出电压反馈信号与基准电压的差值进行放大后输入至电流内环误差放大器，电流内环误差放大器EA2将电流采样模块采集的电感电流平均值与电压外环误差放大器EA1的外环误差值Vea1的差值进行放大，电流采样模块主要用于采样全周期电感电流以及峰值过流信号OCP，然后过零比较器通过比较TG2两端的电压判断电感电流是否过零，然后把信号传输至逻辑控制模块，锯齿波产生器生成Vsaw_buck与Vsaw_boost两个锯齿波信号分别传输至第一PWM比较器和第二PWM比较器，第一PWM比较器和第二PWM比较器分别将电流内环误差放大器的误差信号Vea2与双锯齿波进行比较，分别得到BUCK与BOOST模式的PWM信号；然后模式选择模块根据PWM_BUCK与PWM_BOOST的关系，决定变换器工作于BUCK还是BOOST模式；同时，逻辑控制模块将OCP、ZRDT、PWM_BUCK、PWM_BOOST、EN_BUCK及EN_BOOST信号进行处理，得到四个功率管的前驱信号TG1_ON、BG1_ON、TG2_ON和BG2_ON，最
后驱动模块将前驱信号转换为有足够驱动能力的信号，并设置死区时间，
保证功率管能够高效有序的工作。
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