CN111262435B - 一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法 - Google Patents

一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于开关电源技术领域，涉及一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法，该控制电路包括功率转换电路模块、负载电路模块、反馈电路模块、基准电压模块、采样及控制模块、逻辑和驱动模块；不仅能实现正对正的电压输出，在输出与功率地互换的情况下，也能实现正对负的电压输出；通过传输门模块中各传输门的导通与关断能够在升压和降压模式下合理、巧妙地变换电流PWM比较器的正、负相端输入，让变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式，升压模式下工作在峰值电流模式控制方式，电路结构简单且效果良好，使得变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变，并且提供逐周期检测和限流功能，保护系统安全，应用范围更加广阔。

Description

一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，涉及DC/DC变换器的采样及控制方法，尤其涉及一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法。
背景技术
DC/DC变换器具有集成度高，效率高，稳压范围宽的优点，因此，广泛应用于各种电子通讯等技术领域。而升降压型DC/DC变换器是一种输出电压既可以大于又可以小于输入电压的直流电压变换器，因此具有更高的研究与开发意义。
典型的升降压拓扑图参见图1所示，由输入电源VIN，功率管M1，整流管M2，储能电感L，输出电容CO和负载电阻R组成。变换器工作时主要分两阶段进行：第一阶段，功率管M1导通，整流管M2关断，输入电源的能量通过功率管M1传递给储能电感L，此时，输出所需要的能量由输出电容CO来提供，电流由电容下极板流出经负载电阻流回电容上级板，输出电压为负电压；第二阶段，功率管M1关断，整流管M2导通，为电感电流提供通路，此时电流通过负载电阻由下端流到上端，因此输出电压也为负值。如此，整个变换器周期性的重复以上过程，维持输出电压的恒定。由电路的伏秒平衡原理可以得到变换器的增益为：
Figure BDA0002408000150000011
其中D为占空比，根据占空比的不同可以实现升压或者降压功能。
然而，上述变换器的输入和输出电压极性是相反的。为了得到同相的升降压变换器，我们将传统的降压型变换器和传统的升压型变换器级联，即可得到四开关升降压型DC/DC变换器，从而实现同相的降压或者升压功能，而如何控制四开关升降压型变换器高效稳定地工作仍是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法，以有效地控制四开关升降压型变换器进行高效稳定地工作。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一方面，本发明提供了一种四开关升降压型变换器的控制电路，包括：功率转换电路模块，用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输，所述功率转换电路模块与负载电路模块连接；所述功率转换电路模块包括多个功率管，其中，功率管MB和功率管MC的源极与采样及控制模块中的采样模块连接；
采样及控制模块，还包括误差放大电路、电流PWM比较器、传输门模块；所述误差放大电路的输出端经线性电压转电流模块与传输门模块连接；所述传输门模块与电流PWM比较器的输入端连接，所述电流PWM比较器的输出端与逻辑和驱动模块的输入端连接，所述逻辑和驱动模块的输出端与功率管的栅极连接，通过传输门模块中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器输入端的连接方式，实现对变换器升压和降压模式下的控制；
反馈电路模块，用于产生反馈电压信号，且反馈电压信号输入到误差放大电路的负相输入端；
基准电压模块，用于产生基准电压信号，且基准电压信号输入到误差放大电路的正相输入端。
进一步，所述传输门模块包括第一传输门、第二传输门、第三传输门、第四传输门；
所述线性电压转电流模块的输出端分别与第一传输门的输入端、第二传输门的输入端连接，所述第一传输门的输出端与电流PWM比较器的正相输入端连接，所述第二传输门的输出端与电流PWM比较器的负相输入端连接；
所述采样模块中电流采样电路的输出端分别与第三传输门的输入端、第四传输门的输入端连接，所述第三传输门的输出端与电流PWM比较器的负相输入端连接，所述第四传输门的输出端与电流PWM比较器的正相输入端连接，所述逻辑和驱动模块的输入端与电流PWM比较器的输出端连接。
进一步，所述采样模块还包括采样电阻，所述采样电阻的上端分别接功率管MB的源极和功率管MC的源极，所述采样电阻的下端接功率地；所述电流采样电路的第一输入端接采样电阻的上端，所述电流采样电路的第二输入端接采样电阻的下端；其中，所述电流采样电路以及采样电阻将流过采样电阻的电流按一定比例转化为电流采样电路的输出信号。
进一步，所述功率转换电路模块还包括功率管MA、MD和电感L，所述功率管MA的漏极接变换器的输入电压VIN，所述功率管MA的源极分别与电感L的一端、功率管MB的漏极连接，所述功率管MB的源极分别与采样模块中采样电阻、功率管MC的源极连接；所述功率管MD的漏极接变换器的输出电压VOUT，所述功率管MD的源极分别与电感L的另一端、功率管MC的漏极连接；所述功率管MA、MB、MC和MD的栅极分别与逻辑和驱动模块的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
进一步，所述采样及控制模块还包括斜坡补偿电流产生模块，所述斜坡补偿电流产生模块与电流PWM比较器的负相输入端连接，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持整个环路的稳定。
进一步，所述负载电路模块包括并联连接的电阻RO和电容CO，所述电阻RO和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT，另一个公共节点接地。
进一步，所述反馈电路模块包括电阻Rf1、Rf2，所述电阻Rf1的上端接变换器的输出电压VOUT，下端与电阻Rf2的上端串联，并连接至误差放大电路的负相输入端，所述电阻Rf2的下端接地；其中，所述误差放大电路，用于放大基准电压与反馈电压的差值。
另一方面，本发明还提供了一种四开关升降压型变换器的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1)、确定变换器的工作模式；
步骤2)、根据不同情况下Q1和Q2的高、低电平，所述传输门模块执行具体工作模式下各传输门的导通与关断；电流采样电路将采样得到的电流信号Isense和线性电压转电流模块产生的电流信号Icomp送至电流PWM比较器的不同输入端；其中，所述线性电压转电流模块，用于将误差放大电路产生的误差信号线性地转化为电流信号；
步骤3)、根据变换器不同的工作模式，选择峰值电流模式或谷值电流模式的控制方式控制变换器工作。
进一步，所述步骤1)、确定变换器的工作模式，具体包括：
步骤1.1)获取变换器的输入电压VIN和输出电压VOUT；
步骤1.2)当输入电压VIN>输出电压VOUT时，功率管MC保持关断状态，功率管MD保持导通状态，功率管MA和MB交替导通，变换器工作在降压模式下；
步骤1.3)当输入电压VIN<输出电压VOUT时，功率管MB保持关断状态，功率管MA保持导通状态，功率管MC和MD交替导通，变换器工作在升压模式下。
进一步，所述步骤2)具体包括，
当变换器工作在降压模式下，Q1为低电平，Q2为高电平，所述第一传输门和第三传输门关断，所述第二传输门和第四传输门导通；电流采样电路采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器的正相输入端，线性电压转电流模块产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器的负相输入端；
或者，当变换器工作在升压模式下，Q1为高电平，Q2为低电平，所述第一传输门和第三传输门导通，所述第二传输门和第四传输门关断；电流采样电路采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器的负相输入端，线性电压转电流模块产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器的正相输入端。
进一步，所述步骤3)，具体包括：
当变换器工作在降压模式下，反馈电路模块采样输出电压VOUT，与基准电压模块的参考电压Vref通过误差放大电路放大后的电压经线性电压转电流模块转换后确定谷值电流限，变换器采用谷值电流模式控制方式控制变换器工作；
或者，当变换器工作在升压模式下，反馈电路模块采样输出电压VOUT，与基准电压模块的参考电压Vref通过误差放大电路放大后的电压经线性电压转电流模块转换后确定峰值电流限，变换器采用峰值电流模式控制方式控制变换器工作。
这种四开关升降压型变换器的控制方法，误差放大电路将基准电压与反馈电压信号的差值进行放大；线性电压转电流模块将误差放大电路的输出误差电压信号线性地转化为电流信号；电流采样电路将采样采样电阻上流过的电流，并将其按照一定的比例转化；第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门在不同模式下控制信号的不同导通或关断，将线性电压转电流模块的输出信号Icomp和电流采样电路的输出信号Isense送至电流PWM比较器的两输入端；此外，斜坡补偿电流产生模块的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器的负相输入端，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持整个环路的稳定。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：这种四开关升降压型变换器的控制电路，通过传输门模块中各传输门的导通与关断，能够改变电流PWM比较器的输入端的连接方式，使变换器仅使用单一的误差放大电路EA及电流PWM比较器就能够实现升压和降压模式下的控制，大大简化了电路的复杂性；通过对采样模块及功率转换电路模块结构的设计：降压模式下，功率管MB导通，功率管MA关断时采样其电流；升压模式下，功率管MC导通，功率管MD关断时采样其电流，且在采样时采样的电流均流过采样电阻RS，使用单一的电流采样即可实现电流采样功能。同时，由于电流环的存在，输出端LC网络构成的二阶系统由电感导致的延迟因素被电流环路抵消，使得系统频率补偿变得简单容易。
因此，与典型的升降压型变换器相比，这种变换器的结构不仅能实现正对正的电压输出，在输出与功率地互换的情况下，也能实现正对负的电压输出，通过在升压和降压状态模式下合理、巧妙地变换电流PWM比较器的正、负相端输入，让变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式，升压模式下工作在峰值电流模式控制方式，使得变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变，并且提供逐周期检测和限流功能，保护系统安全，应用范围更加广阔。
此外，通过增加斜坡补偿电流产生模块的设计，斜坡补偿电流产生模块的输出信号Islope将作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器的负相输入端，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持整个环路的稳定。由于变换器在升压模式下占空比大于50％时，系统会出现次谐波振荡的问题，因此需要在Icomp端加入斜坡补偿；在降压模式下占空比小于50％时，系统会出现次谐波振荡的问题，因此需要在Icomp端加入负斜坡补偿，而在传输门模块开关转换、电流PWM比较器输入端改变之后，原本加在Icomp端的斜坡补偿电流也相当于减在了Icomp端。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有典型升降压型DC/DC变换器的拓扑图；
图2为本发明提供的一种四开关升降压型变换器的控制电路的连接框图；
图3为变换器工作在降压模式下所采用的谷值电流模式控制方式下电流PWM比较器的输入信号及采样电流信号波形图；
图4为变换器工作在升压模式下所采用的峰值电流模式控制方式下电流PWM比较器的输入信号及采样电流信号波形图；
图5为变换器工作在降压-升压模式下四个功率管驱动信号及电感电流波形图；
图6为变换器工作在升压-降压模式下四个功率管驱动信号及电感电流波形图。
其中：101为功率转换电路模块；102为负载电路模块；103为反馈电路模块；104为基准电压模块；105为采样及控制模块；105-0为误差放大电路；105-1为线性电压转电流模块；105-2为第一传输门；105-3为第二传输门；105-4为第三传输门；105-5为第四传输门；105-6为斜坡补偿电流产生模块；105-7为电流PWM比较器；105-8为电流采样电路；105-9为采样电阻；105-10为采样模块；105-11为传输门模块；106为逻辑和驱动模块。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置、方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：
参见图2所示，本发明提供了一种四开关升降压型变换器的控制电路，包括：功率转换电路模块101，用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输，功率转换电路模块101与负载电路模块102连接；功率转换电路模块101包括多个功率管，其中，功率管MB和功率管MC的源极与采样及控制模块105中的采样模块105-10连接；
采样及控制模块105，还包括误差放大电路105-0、电流PWM比较器105-7、传输门模块105-11；误差放大电路105-0的输出端经线性电压转电流模块105-1与传输门模块105-11连接；传输门模块105-11与电流PWM比较器105-7的输入端连接，电流PWM比较器105-7的输出端与逻辑和驱动模块106的输入端连接，逻辑和驱动模块106的输出端与功率管的栅极连接，通过传输门模块105-11中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器105-7输入端的连接方式，实现对变换器升压和降压模式下的控制；
反馈电路模块103，用于产生反馈电压信号，且反馈电压信号输入到误差放大电路105-0的负相输入端；
基准电压模块104，用于产生基准电压信号，且基准电压信号输入到误差放大电路105-0的正相输入端。
进一步，传输门模块105-11包括第一传输门105-2、第二传输门105-3、第三传输门105-4、第四传输门105-5；
线性电压转电流模块105-1的输出端分别与第一传输门105-2的输入端、第二传输门105-3的输入端连接，第一传输门105-2的输出端与电流PWM比较器105-7的正相输入端连接，第二传输门105-3的输出端与电流PWM比较器105-7的负相输入端连接；
采样模块105-10中电流采样电路105-8的输出端分别与第三传输门105-4的输入端、第四传输门105-5的输入端连接，第三传输门105-4的输出端与电流PWM比较器105-7的负相输入端连接，第四传输门105-5的输出端与电流PWM比较器105-7的正相输入端连接，逻辑和驱动模块106的输入端与电流PWM比较器105-7的输出端连接。
进一步，采样模块105-10还包括采样电阻105-9，采样电阻105-9的上端分别接功率管MB的源极和功率管MC的源极，采样电阻105-9的下端接功率地；电流采样电路105-8的第一输入端接采样电阻105-9的上端，电流采样电路105-8的第二输入端接采样电阻105-9的下端。其中，电流采样电路105-8将流过采样电阻105-9的电流按一定比例转化为电流采样电路105-8的输出信号。
进一步，功率转换电路模块101还包括功率管MA、MD和电感L，功率管MA的漏极接变换器的输入电压VIN，功率管MA的源极分别与电感L的一端、功率管MB的漏极连接，功率管MB的源极分别与采样模块105-10中采样电阻105-9、功率管MC的源极连接；功率管MD的漏极接变换器的输出电压VOUT，功率管MD的源极分别与电感L的另一端、功率管MC的漏极连接；功率管MA、MB、MC和MD的栅极分别与逻辑和驱动模块106的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
进一步，采样及控制模块105还包括斜坡补偿电流产生模块105-6，斜坡补偿电流产生模块105-6与电流PWM比较器105-7的负相输入端连接，斜坡补偿电流产生模块105-6的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器105-7的负相输入端，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持整个环路的稳定。
进一步，负载电路模块102包括并联连接的电阻RO和电容CO，电阻RO和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT，另一个公共节点接地。
进一步，反馈电路模块103包括电阻Rf1、Rf2，电阻Rf1的上端接变换器的输出电压VOUT，下端与电阻Rf2的上端串联，并连接至误差放大电路105-0的负相输入端，所述电阻Rf2的下端接地。其中，误差放大电路105-0，用于放大基准电压与反馈电压的差值。
此外，本发明还提供了一种四开关升降压型变换器的控制方法，该方法基于如上所述的四开关升降压型变换器的控制电路，误差放大电路105-0将基准电压与反馈电压信号的差值进行放大；线性电压转电流模块105-1将误差放大电路105-0的输出误差电压信号线性地转化为电流信号；电流采样电路105-8将采样采样电阻105-9上流过的电流，并将其按照一定的比例转化；第一传输门105-2、第二传输门105-3、第三传输门105-4和第四传输门105-5在不同模式下控制信号的不同导通或关断，将线性电压转电流模块105-1的输出信号Icomp和电流采样电路105-8的输出信号Isense送至电流PWM比较器105-7的两输入端；斜坡补偿电流产生模块105-6的输出信号Islope将作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器105-7的负相端，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持环路的稳定。
具体地，上述四开关升降压型变换器的控制方法，具体包括如下步骤：
步骤1)、确定变换器的工作模式，具体包括：
步骤1.1)获取变换器的输入电压VIN和输出电压VOUT；
步骤1.2)当输入电压VIN>输出电压VOUT时，功率管MC保持关断状态，功率管MD保持导通状态，功率管MA和MB交替导通，变换器工作在降压模式下；
步骤1.3)当输入电压VIN<输出电压VOUT时，功率管MB保持关断状态，功率管MA保持导通状态，功率管MC和MD交替导通，变换器工作在升压模式下；
步骤2)、根据不同情况下Q1和Q2的高、低电平，传输门模块105-11执行具体工作模式下各传输门的导通与关断；电流采样电路105-8将采样得到的电流信号Isense和线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送至电流PWM比较器105-7的不同输入端，具体包括：
当变换器工作在降压模式下，Q1为低电平，Q2为高电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4关断，第二传输门105-3和第四传输门105-5导通；电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的正相输入端，线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的负相输入端；
或者，当变换器工作在升压模式下，Q1为高电平，Q2为低电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4导通，第二传输门105-3和第四传输门105-5关断；电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的负相输入端，线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的正相输入端；
步骤3)、根据变换器不同的工作模式，选择峰值电流模式控制方式或谷值电流模式控制方式控制变换器工作，具体包括：
当变换器工作在降压模式下，反馈电路模块103采样输出电压VOUT，与基准电压模块104的参考电压Vref通过误差放大电路105-0放大后的电压经线性电压转电流模块105-1转换后确定谷值电流限，变换器采用谷值电流模式控制方式控制变换器工作；
或者，当变换器工作在升压模式下，反馈电路模块103采样输出电压VOUT，与基准电压模块104的参考电压Vref通过误差放大电路105-0放大后的电压经线性电压转电流模块105-1转换后确定峰值电流限，变换器采用峰值电流模式控制方式控制变换器工作。
综上，上述四开关升降压型变换器的控制方法，具体控制过程如下：
1)当变换器的输入电压VIN>输出电压VOUT时，功率管MC保持关断状态，功率管MD保持导通状态，功率管MA和MB交替导通，变换器工作在降压模式下：
此处的“＞”是指VOUT＝DVIN中，功率管MA的占空比DA还没有达到最大占空比DMAX，功率管MA的最大占空比由功率管MA的最小导通时间tA确定，即DMAX＝1-tA/T，T为变换器开关周期；
在每个周期的起点，时钟信号clk信号将触发逻辑和驱动模块106将功率管MB导通、功率管MA关断，此时电流采样电路105-8工作，对流过电感L的电流进行采样；
在降压模式下，Q1为低电平，Q2为高电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4关断，第二传输门105-3和第四传输门105-5导通，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的正相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的负相输入端；
在降压模式下，电流PWM比较器105-7的正相输入端接电流采样模块105-8的输出端，电流PWM比较器105-7的负相输入端接线性电压转电流模块105-1的输出端和斜坡补偿电流产生模块105-6的输出端，变换器采用谷值电流模式控制方式，具体如下：
反馈电路103采样输出电压VOUT，与基准电压模块104的参考电压Vref通过误差放大电路105-0放大后的电压经线性电压转电流模块105-1转换后确定谷值电流限：如图3所示，在时钟信号clk信号到来之后，功率管MB开始导通，此时电流采样电路105-8工作，电感L上的电流通过采样电阻105-9和功率管MB续流，电感L上的电流逐渐减小，当采样电感电流减小到线性电压转电流模块105-1的输出电流Icomp与斜坡补偿电流产生模块105-6产生的补偿电流Islope之和时，电流PWM比较器模块105-7的输出信号翻转，通过逻辑和驱动模块106使得功率管MB关断，功率管MA导通，此时电流采样电路105-8停止工作，VIN的能量将通过功率管MA，电感L和功率管MD传输至输出端，电感L上的电流逐渐增加，直至下一个时钟信号clk信号的到来。如此往复循环，维持输出稳定。降压模式下，若占空比大于50％，则不会发生次斜波振荡现象，斜坡补偿电流为0。
2)当变换器的输入电压VIN<输出电压VOUT时，功率管MB保持关断状态，功率管MA保持导通状态，功率管MC和MD交替导通，变换器工作在升压模式下：
此处的“＜”是指VOUT＝VIN/(1-D)中，功率管MC的占空比DC还没有达到最小占空比DMIN，功率管MC的最小占空比由功率管MC的最小导通时间tC确定，即DMIN＝tC/T，T为变换器开关周期；
在每个周期的起点，时钟信号clk信号将触发逻辑和驱动模块106将功率管MC导通、功率管MD关断，此时电流采样电路105-8工作，对流过电感L的电流进行采样；
在升压模式下，Q1为高电平，Q2为低电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4导通，第二传输门105-3和第四传输门105-5关断，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的负相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的正相输入端；
在升压模式下，电流PWM比较器105-7的负相输入端接电流采样模块105-8的输出端和斜坡补偿电流产生模块105-6的输出端，电流PWM比较器105-7的正相输入端接线性电压转电流模块105-1的输出端，变换器采用峰值电流模式控制方式，具体如下：
反馈电路103采样输出电压VOUT，与基准电压模块104的参考电压Vref通过误差放大电路105-0放大后的电压经线性电压转电流模块105-1转换后确定峰值电流限；如图4所示，在时钟信号clk信号到来之后，功率管MC开始导通，此时电流采样电路105-8工作，电感L上的电流通过采样电阻105-9和功率管MC，电感L上的电流逐渐增大，当采样电流Isense与斜坡补偿电流Islope之和与线性电压转电流的输出电流Icomp相等，也即当采样电感电流增加到线性电压转电流模块105-1的输出电流Icomp与斜坡补偿电流产生模块105-6产生的补偿电流Islope之差时，电流PWM比较器模块105-7的输出信号翻转，通过逻辑和驱动模块106使得功率管MC关断，功率管MD导通，此时电流采样模块105-8停止工作，VIN的能量将通过功率管MA，电感L和功率管MD传输至输出端，电感L上的电流逐渐减小，直至下一个时钟信号clk信号的到来。如此往复循环，维持输出稳定。升压模式下，若占空比小于50％，则不会发生次斜波振荡现象，斜坡补偿电流为0。
3)当变换器的输入电压VIN略大于输出电压VOUT时，此时输入、输出电压接近，功率管MA的占空比DA达到最大值，变换器工作在降压-升压模式下。四个功率管驱动及电感L的电流波形如图5所示，当时钟信号clk信到来时，功率管MB和MD导通，MA和MC关断，Q1为低电平，Q2为高电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4关断，第二传输门105-3和第四传输门105-5导通，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的正相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的负相输入端，此时，变换器采用谷值电流模式控制方式；当电感L的电流到达谷值之后，功率管MB和MD关断，MA和MC导通，Q1为高电平，Q2为低电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4导通，第二传输门105-3和第四传输门105-5关断，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的负相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的正相输入端。此时变换器采用峰值电流模式控制方式，当电感电流到达峰值之后，MC关断，MD导通，此时MA保持导通状态，MB保持关断状态，在该周期内剩余时间内MA和MD保持接通状态，直至下一周期的到来。
4)当变换器的输入电压VIN略小于输出电压VOUT时，此时输入输出、电压接近，功率管MC的占空比DC达到最小值，变换器工作在升压-降压模式下。四个功率管驱动及电感L的电流波形如图6所示，当时钟信号clk信号到来时，功率管MB和MD关断，MA和MC导通，Q1为高电平，Q2为低电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4导通，第二传输门105-3和第四传输门105-5关断，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的负相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的正相输入端，此时，变换器采用峰值电流模式控制方式；当电感L的电流到达峰值之后，功率管MB和MD导通，MA和MC关断，Q1为低电平，Q2为高电平，第一传输门105-2和第三传输门105-4关断，第二传输门105-3和第四传输门105-5导通，将电流采样电路105-8采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器105-7的正相输入端，将线性电压转电流模块105-1产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器105-7的负相输入端。此时变换器采用谷值电流模式控制方式，当电感电流到达谷值之后，MA导通，MB关断，此时MC保持关断状态，MD保持导通状态，在该周期内剩余时间内MA和MD保持接通状态，直至下一周期的到来。
因此，本发明提供的这种四开关升降压型变换器的控制电路及控制方法，与典型的升降压型变换器相比，这种变换器的结构简单，不仅能实现正对正的电压输出，在输出与功率地互换的情况下，也能实现正对负的电压输出；通过传输门模块105-11中各传输门的导通与关断能够在升压和降压状态模式下合理、巧妙地变换电流PWM比较器105-7的正、负相端输入，让变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式，升压模式下工作在峰值电流模式控制方式，电路结构简单且效果良好，使得变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变，并且提供逐周期检测和限流功能，保护系统安全，应用范围更加广阔。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解，本发明并不局限于上述已描述的内容，且可在不脱离其范围进行修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种四开关升降压型变换器的控制电路，其特征在于，包括：
功率转换电路模块(101)，用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输，所述功率转换电路模块(101)与负载电路模块(102)连接；所述功率转换电路模块(101)包括多个功率管，其中，功率管MB和功率管MC的源极与采样及控制模块(105)中的采样模块(105-10)连接；
采样及控制模块(105)，还包括误差放大电路(105-0)、电流PWM比较器(105-7)、传输门模块(105-11)；所述误差放大电路(105-0)的输出端经线性电压转电流模块(105-1)与传输门模块(105-11)连接；所述传输门模块(105-11)与电流PWM比较器(105-7)的输入端连接，所述电流PWM比较器(105-7)的输出端与逻辑和驱动模块(106)的输入端连接，所述逻辑和驱动模块(106)的输出端与功率管的栅极连接，通过传输门模块(105-11)中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器(105-7)输入端的连接方式，实现对变换器升压和降压模式下的控制；
反馈电路模块(103)，用于产生反馈电压信号，且反馈电压信号输入到误差放大电路(105-0)的负相输入端；
基准电压模块(104)，用于产生基准电压信号，且基准电压信号输入到误差放大电路(105-0)的正相输入端；
所述传输门模块(105-11)包括第一传输门(105-2)、第二传输门(105-3)、第三传输门(105-4)、第四传输门(105-5)；
所述线性电压转电流模块(105-1)的输出端分别与第一传输门(105-2)的输入端、第二传输门(105-3)的输入端连接，所述第一传输门(105-2)的输出端与电流PWM比较器(105-7)的正相输入端连接，所述第二传输门(105-3)的输出端与电流PWM比较器(105-7)的负相输入端连接；
所述采样模块(105-10)中电流采样电路(105-8)的输出端分别与第三传输门(105-4)的输入端、第四传输门(105-5)的输入端连接，所述第三传输门(105-4)的输出端与电流PWM比较器(105-7)的负相输入端连接，所述第四传输门(105-5)的输出端与电流PWM比较器(105-7)的正相输入端连接，所述逻辑和驱动模块(106)的输入端与电流PWM比较器(105-7)的输出端连接；
所述采样模块(105-10)还包括采样电阻(105-9)，所述采样电阻(105-9)的上端分别接功率管MB的源极和功率管MC的源极，所述采样电阻(105-9)的下端接功率地；所述电流采样电路(105-8)的第一输入端接采样电阻(105-9)的上端，所述电流采样电路(105-8)的第二输入端接采样电阻(105-9)的下端。
2.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路，其特征在于，所述功率转换电路模块(101)还包括功率管MA、MD和电感L，所述功率管MA的漏极接变换器的输入电压VIN，所述功率管MA的源极分别与电感L的一端、功率管MB的漏极连接，所述功率管MB的源极分别与采样模块(105-10)中采样电阻(105-9)、功率管MC的源极连接；所述功率管MD的漏极接变换器的输出电压VOUT，所述功率管MD的源极分别与电感L的另一端、功率管MC的漏极连接；所述功率管MA、MB、MC和MD的栅极分别与逻辑和驱动模块(106)的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
3.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路，其特征在于，所述采样及控制模块(105)还包括斜坡补偿电流产生模块(105-6)，所述斜坡补偿电流产生模块(105-6)与电流PWM比较器(105-7)的负相输入端连接，所述斜坡补偿电流产生模块(105-6)的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器(105-7)的负相输入端，用于消除在升压模式下占空比大于50％和降压模式下占空比小于50％时发生的次谐波振荡现象，保持整个环路的稳定。
4.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路，其特征在于，
所述负载电路模块(102)包括并联连接的电阻RO和电容CO，所述电阻RO和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT，另一个公共节点接地；
所述反馈电路模块(103)包括电阻Rf1、Rf2，所述电阻Rf1的上端接变换器的输出电压VOUT，下端与电阻Rf2的上端串联，并连接至误差放大电路(105-0)的负相输入端，所述电阻Rf2的下端接地。
5.基于权利要求1-4任一项所述四开关升降压型变换器的控制电路的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1)、确定变换器的工作模式；
步骤2)、根据不同情况下Q1和Q2的高、低电平，所述传输门模块(105-11)执行具体工作模式下各传输门的导通与关断，电流采样电路(105-8)将采样得到的电流信号Isense和线性电压转电流模块(105-1)产生的电流信号Icomp送至电流PWM比较器(105-7)的不同输入端；
步骤3)、根据变换器不同的工作模式，选择峰值电流模式或谷值电流模式的控制方式控制变换器工作。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1)、确定变换器的工作模式，具体包括：
步骤1.1)获取变换器的输入电压VIN和输出电压VOUT；
步骤1.2)当输入电压VIN>输出电压VOUT时，功率管MC保持关断状态，功率管MD保持导通状态，功率管MA和MB交替导通，变换器工作在降压模式下；
步骤1.3)当输入电压VIN<输出电压VOUT时，功率管MB保持关断状态，功率管MA保持导通状态，功率管MC和MD交替导通，变换器工作在升压模式下。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2)，具体包括，
当变换器工作在降压模式下，Q1为低电平，Q2为高电平，所述第一传输门(105-2)和第三传输门(105-4)关断，所述第二传输门(105-3)和第四传输门(105-5)导通，电流采样电路(105-8)采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器(105-7)的正相输入端，线性电压转电流模块(105-1)产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器(105-7)的负相输入端；
或者，当变换器工作在升压模式下，Q1为高电平，Q2为低电平，所述第一传输门(105-2)和第三传输门(105-4)导通，所述第二传输门(105-3)和第四传输门(105-5)关断，电流采样电路(105-8)采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器(105-7)的负相输入端，线性电压转电流模块(105-1)产生的电流信号Icomp送入电流PWM比较器(105-7)的正相输入端。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3)，具体包括：
当变换器工作在降压模式下，反馈电路模块(103)采样输出电压VOUT，与基准电压模块(104)的参考电压Vref通过误差放大电路(105-0)放大后的电压经线性电压转电流模块(105-1)转换后确定谷值电流限，变换器采用谷值电流模式控制方式控制变换器工作；
或者，当变换器工作在升压模式下，反馈电路模块(103)采样输出电压VOUT，与基准电压模块(104)的参考电压Vref通过误差放大电路(105-0)放大后的电压经线性电压转电流模块(105-1)转换后确定峰值电流限，变换器采用峰值电流模式控制方式控制变换器工作。
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