CN112928917B - 三电平降压dc-dc转换器飞行电容平衡电路及方法 - Google Patents

三电平降压dc-dc转换器飞行电容平衡电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三电平降压DC‑DC转换器飞行电容平衡电路及方法，属于电源管理电路领域。通过增加与飞行电容CF容值相等的辅助电容CA、开关S1、S2、S3，通过控制飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式来实现飞行电容电压的平衡控制。本发明实现了占空比D<0.5和占空比D>0.5两种模式下三电平降压转换器飞行电容电压的平衡调节，可以解决不同占空比状态下三电平降压转换器的飞行电容电压不平衡问题，提高了系统稳定性。相比于背景技术中提出的带有固定频率和自适应导通时间的控制方案(CF‑AOT)，该结构无需复杂的控制环路即可实现飞行电容电压VCF的平衡控制，具有结构简单、易于调节、稳定性强的优点。

Description

三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路及方法
技术领域
本发明属于电源管理电路领域，尤其涉及三电平降压DC-DC转换器。
背景技术
由于锂离子电池、物联网产品等应用场景的不断扩展，目前对降压型DC-DC转换器的需求量也在迅速增长，尤其是具有低转换比的降压转换器，但具有此类特性的传统二电平降压转换器通常寄生电容和开关损耗较大，同时也会产生较大的电感电流纹波。
三电平降压转换器的归一化电感电流纹波和输出电压纹波可以分别减少4倍和8倍，对于降低转换器的传导损耗和开关损耗具有十分有利的作用，然而三电平变换器在实际工作中会受到开关频率、寄生电容、栅极控制信号等因素的影响，会导致飞行电容电压无法平衡到输入电压VIN的一半，从而对转换器的系统性能产生较为显著的影响。
目前针对三电平转换器飞行电容平衡问题的研究主要如文献1【J.Xue andH.Lee,“A2MHz 12–100V 90％efficiency self-balancing ZVS reconfigurable three-level DC-DC regulator with constant-frequency adaptive-on-time V2 control andnanosecond-scale ZVS turn-on delay,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.51,no.12,pp.2854-2866,Dec.2016.】所示，其中涉及的飞行电容自平衡电路可以将飞行电容电压稳定在VIN/2。该电路提出了带有固定频率和自适应导通时间的控制方案(CF-AOT)，在稳定输出电压的同时，通过调节导通时间大小以实现在较高频率范围和较宽输入范围内飞行电容自平衡。然而该电路设计复杂，增加了系统的面积和功耗，同时反馈回路可能容易受到工作条件的影响，不利于转换器的正常运行。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种使用辅助电容的三电平降压转换器的飞行电容平衡电路，该变换器不需要任何反馈回路就可以将飞行电容电压平衡到VIN/2，在无需复杂平衡电路的条件下解决了飞行电容的不平衡问题。本发明采用一个辅助电容CA，通过控制飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式来实现飞行电容电压VCF的平衡控制，具有结构简单、易于调节、稳定性强的优点。
技术方案
一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路，其特征在于增加辅助电容CA、开关S1、S2、S3，通过控制飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式来实现飞行电容电压的平衡控制；所述的飞行电容CF与辅助电容CA的电容值相等。
本发明技术方案更进一步的说：包括占空比D<0.5和占空比D>0.5的两种模式，当占空比D<0.5时，电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S1、S2组成；功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S1与S2的一端相连，另一端分别接在功率管M2与功率管M3之间和功率管M1与功率管M2之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S1与开关S2之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地。
本发明技术方案更进一步的说：包括占空比D<0.5和占空比D>0.5的两种模式，当占空比D>0.5时，电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S2、S3组成；功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S2与S3的一端相连，另一端分别接在功率管M1与功率管M2之间和功率管M3与功率管M4之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S2与开关S3之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地。
一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡方法，其特征在于分为四个工作阶段：φ1阶段、φ2阶段、φ3阶段和φ4阶段，φ1阶段中，控制功率管M1、M3以及开关S1导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；φ2阶段中，控制功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断；φ3阶段中，控制功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S1关断；φ4阶段中，控制功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断。
一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡方法，其特征在于分为四个工作阶段：φ1阶段、φ2阶段、φ3阶段和φ4阶段，φ1阶段中，控制功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；φ2阶段中，控制功率管M1、M3以及开关S3导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；φ3阶段中，控制功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；φ4阶段中，控制功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S3关断。
有益效果
本发明提出的一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路及方法，当占空比D<0.5时，采用模式1的电路结构，通过调节四个功率管M1-M4以及开关S1、S2的导通状态实现对飞行电容电压VCF的平衡调节；当占空比D>0.5时，采用模式2的电路结构，通过调节四个功率管M1-M4以及开关S2、S3的导通状态实现对飞行电容电压VCF的平衡调节。与现有的方案相比，本发明采用辅助电容CA，在无需复杂的调节电路的基础上可以实现对飞行电容电压VCF的平衡调节，具有结构简单、易于调节、稳定性强的优点。
本发明电路结构实现了占空比D<0.5和占空比D>0.5两种模式下三电平降压转换器飞行电容电压的平衡调节，可以解决不同占空比状态下三电平降压转换器的飞行电容电压不平衡问题，提高了系统稳定性。相比于背景技术中提出的带有固定频率和自适应导通时间的控制方案(CF-AOT)，该结构无需复杂的控制环路即可实现飞行电容电压VCF的平衡控制，具有结构简单、易于调节、稳定性强的优点。
本发明提出的一种新型的飞行电容电压平衡方式，利用一个辅助电容来实现飞行电容电压调节的方法，并在三电平工作周期的不同阶段改变飞行电容CF与辅助电容CA的串并联结构，实现飞行电容电压稳定在VIN/2的平衡控制，简化了系统控制结构。
附图说明
图1为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1和模式2的结构框图；
图2为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1电路工作状态图；
图3为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1电路工作状态等效电路图；
图4为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2电路工作状态图；
图5为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2电路工作状态等效电路图；
图6为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式1工作时序图；
图7为本发明提出的使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路模式2工作时序图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
参照图1-5，本发明提出的一种使用辅助电容的三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路由两种模式组成，模式1为：占空比D<0.5时三电平降压转换器飞行电容电压平衡电路；模式2为：占空比D>0.5时三电平降压转换器飞行电容电压平衡电路。
当占空比D<0.5，进入模式1状态，如图1(a)所示。此时电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S1、S2组成。功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S1与S2的一端相连，另一端分别接在功率管M2与功率管M3之间和功率管M1与功率管M2之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S1与开关S2之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地。
模式1状态一个完整周期共分为四个工作阶段，如图2所示，分别为：φ1阶段、φ2阶段、φ3阶段和φ4阶段。图2(a)所示的φ1阶段中，功率管M1、M3以及开关S1导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；图2(b)所示的φ2阶段中，功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断；图2(c)所示的φ3阶段中，功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S1关断；图2(d)所示的φ4阶段中，功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断。
当占空比D>0.5，进入模式2状态，如图1(b)所示。此时电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S2、S3组成。功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S2与S3的一端相连，另一端分别接在功率管M1与功率管M2之间和功率管M3与功率管M4之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S2与开关S3之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地。
模式2状态一个完整周期共分为四个工作阶段，如图4所示，分别为：φ1阶段、φ2阶段、φ3阶段和φ4阶段。图4(a)所示的φ1阶段中，功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；图4(b)所示的φ2阶段中，功率管M1、M3以及开关S3导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；图4(c)所示的φ3阶段中，功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；图4(d)所示的φ4阶段中，功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S3关断。
参照图1-7，本发明提出的飞行电容平衡电路的具体实施如下：根据三电平降压转换器在占空比D<0.5和D>0.5模式下的基本工作原理，通过三电平DC-DC电路中四个功率管的栅极电压大小VG1-VG4来确定不同的工作阶段；设飞行电容CF与辅助电容CA的电容值相等，通过控制开关S1和S2来改变飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式，以实现对飞行电容电压的平衡调节。
当三电平降压转换器的占空比D<0.5时，在φ1阶段，其等效电路图如图3(a)所示，飞行电容CF上极板接VIN，辅助电容CA下极板接地，开关节点VLX接在电容CA和CF之间，此时飞行电容CF与辅助电容CA串联，VIN给电容CF和CA充电，由于两电容容值相等，故每个电容上获得的电压为VIN/2，开关节点电压VLX＝VIN/2；在φ2阶段，其等效电路图如图3(b)所示，飞行电容CF与辅助电容CA的下极板接地，上极板相连，开关节点VLX接地，此时飞行电容CF与辅助电容CA并联，电容CF和CA进行电荷共享，根据电荷共享公式(1)，由于两电容容值相等，故共享之后每个电容上获得的电压依旧为VIN/2，开关节点电压VLX＝0；在φ3阶段，其等效电路图如图3(c)所示，飞行电容CF与辅助电容CA的下极板接地，上极板相连，开关节点VLX接飞行电容与辅助电容的上极板，此时飞行电容CF与辅助电容CA并联，电容CF和CA继续进行电荷共享，电压依旧为VIN/2，开关节点电压VLX＝VIN/2；在φ4阶段，其等效电路图如图3(d)所示，该阶段工作状态与φ2阶段相同，此时飞行电容CF与辅助电容CA获得的电压依旧为VIN/2，开关节点电压VLX＝0。占空比D<0.5工作模式下开关节点电压与电感电流的工作时序图如图6所示，此模式下开关节点电压VLX的最大值为VIN/2，最小值为0。
当三电平降压转换器的占空比D>0.5时，在φ1阶段，其等效电路图如图5(a)所示，飞行电容CF上极板接VIN，辅助电容CA下极板接地，开关节点VLX接VIN，此时飞行电容CF与辅助电容CA串联，VIN给电容CF和CA充电，由于两电容容值相等，故每个电容上获得的电压为VIN/2，开关节点电压VLX＝VIN；在φ2阶段，其等效电路图如图5(b)所示，飞行电容CF与辅助电容CA的下极板接地，上极板相连，开关节点VLX接在飞行电容CF与辅助电容CA之间，此时飞行电容CF与辅助电容CA串联，每个电容上获得的电压依旧为VIN/2，开关节点电压VLX＝VIN/2；在φ3阶段，其等效电路图如图5(c)所示，该阶段工作状态与阶段相同，此时飞行电容CF与辅助电容CA获得的电压依旧为VIN/2,开关节点电压VLX＝VIN；在φ4阶段，其等效电路图如图5(d)所示，飞行电容CF与辅助电容CA的下极板接地，上极板相连，开关节点VLX接在飞行电容CF与辅助电容CA之间，此时飞行电容CF与辅助电容CA并联，电容CF和CA进行电荷共享，根据电荷共享公式(1)，由于两电容容值相等，故共享之后每个电容上获得的电压为VIN/2,开关节点电压VLX＝VIN/2。占空比D<0.5工作模式下开关节点电压VLX与电感电流IL的工作时序图如图7所示，此模式下开关节点电压VLX的最大值为VIN，最小值为VIN/2。
电荷共享公式：
其中CCF、CCA分别为飞行电容CF和辅助电容CA的容值，VCF、VCA分别为电荷共享之前飞行电容CF和辅助电容CA的电压，V为电荷共享之后飞行电容CF和辅助电容CA的电压。该式表明，当CCF＝CCA时，电荷共享之后的电压V等于VCF与VCA和的一半。

Claims (1)

1.一种三电平降压DC-DC转换器飞行电容平衡电路，其特征在于增加辅助电容CA、开关S1、S2、S3，通过控制飞行电容CF与辅助电容CA的串并联方式来实现飞行电容电压的平衡控制；所述的飞行电容CF与辅助电容CA的电容值相等；
其中，占空比D<0.5和占空比D>0.5的两种模式，当占空比D<0.5时，电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S1、S2组成；功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S1与S2的一端相连，另一端分别接在功率管M2与功率管M3之间和功率管M1与功率管M2之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S1与开关S2之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地；
当占空比D>0.5时，电路由四个功率管M1-M4，两个电容CF、CA以及两个开关S2、S3组成；功率管M1的漏端接输入信号VIN，功率管M4的源端接地，四个功率管M1-M4的源端和漏端依次相连；开关S2与S3的一端相连，另一端分别接在功率管M1与功率管M2之间和功率管M3与功率管M4之间；飞行电容CF的上极板接在功率管M1源端与功率管M2漏端之间，下极板接在功率管M3源端与功率管M4漏端之间；辅助电容CA的上极板接在开关S2与开关S3之间，下极板接地；电感L一端接在功率管M2源端与功率管M3漏端之间，另一端与VOUT相连；输出电容CO一端与VOUT相连，另一端接地；
分为四个工作阶段：φ1阶段、φ2阶段、φ3阶段和φ4阶段，φ1阶段中，控制功率管M1、M3以及开关S1导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；φ2阶段中，控制功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断；φ3阶段中，控制功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S1关断；φ4阶段中，控制功率管M3、M4以及开关S2导通，功率管M1、M2以及开关S1关断；或者，φ1阶段中，控制功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；
φ2阶段中，控制功率管M1、M3以及开关S3导通，功率管M2、M4以及开关S2关断；
φ3阶段中，控制功率管M1、M2以及开关S3导通，功率管M3、M4以及开关S2关断；
φ4阶段中，控制功率管M2、M4以及开关S2导通，功率管M1、M3以及开关S3关断。
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