CN113422513B - 一种buck-boost变换器的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种BUCK‑BOOST变换器的控制方法。本发明在每个周期A+C导通阶段前插入一小段A+D导通时间。确保在将SW1充至VIN且开关B的体二极管反向恢复时间结束之后，再进入A+C导通阶段。在A+C导通阶段开关A中的电流一直等于电感中的电流。系统不再需要将电流采样信号屏蔽一段时间，从而减小了A+C导通的最小时间，降低了电感电流的纹波。

Description

一种BUCK-BOOST变换器的控制方法
技术领域
本发明属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种BUCK-BOOST变换器的控制方法。
背景技术
BUCK-BOOST是电感式开关升降压DCDC电压稳压器的简称。其基本原理如图1所示。MOS开关ABCD和电感组成了功率级电路。控制电路让ABCD按着一定的时序交替工作，在保持输出电压VOUT恒定的同时，利用储能原件电感将能量由输入VIN搬移的输出VOUT。
在VIN>>VOUT时，开关D一直导通C一直关断，开关AB交替导通关断。系统工作在简单的降压模式(BUCK模式)。在VIN<<VOUT时，开关A一直导通B一直关断，开关CD交替导通关断。系统工作在简单的升压模式(BOOST模式)。
当VIN接近VOUT时，需要开关ABCD按照特定的时序交替导通，系统工作在升降压模式(BUCK-BOOST模式)来保持VOUT的恒定。经过几代产品的发展，峰值电流模成为BUCK-BOOST模式的一个新的控制趋势。
典型的峰值电流模BUCK-BOOST系统框图如图2所示。内部参考电压VREF和VOUT电压反馈信号VFB通过差分放大后产生电流控制信号Vc，电感电流采样信号流经Rsns后产生VSNS。VSNS和Vc进行比较，产生脉冲宽度调制信号PWM。Timer电路通过监测VIN和VOUT电压，产生T1和T2信号。PWM，T1和T2共同控制开关ABCD，实现VOUT的稳压。
当VIN接近VOUT时，电路工作在的BUCK-BOOST模式。每个开关周期开始时，开关A和C导通，电感电流随时间而线性增加。当电感电流采样信号VSNS达到Vc设定的峰值时，PWM信号将开关C关断，开关D导通。同时Timer2电路开始计时，当到达预设的时间后，T2信号将开关A关断，开关B导通。同时Timer1电路开始计时，当到达预设的时间后，T1信号将开关BD关断，开关AC导通，系统进入下一个开关周期。开关信号和电感电流信号如图3所示。
电感在A+C导通阶段的充电电压为VIN，在A+D导通阶段的充电电压为VIN-VOUT，在B+D导通阶段的放电电压为VOUT。因为在BUCK-BOOST工作模式时VIN和VOUT比较接近，所以电感电流的纹波电流大小主要由A+C和B+D的时间决定。对于峰值电流模控制方式，A+C的导通时间环路PWM调制的结果，B+D的时间是依据电感伏秒平衡原理，根据电路能达到的最小的A+C导通时间设定的。所以本质上电感电流的纹波大小是由A+C的最小导通时间决定的。
影响A+C最小导通时间的因素有两个。第一个因素是比较器COMP1的传输延迟。第二个是因素是由开关ABCD的动作时序和实际电路中的寄生电容电感引起的。在每个周期开始且开关A导通之前，开关B会先关断以防止AB的串通。开关B的寄生体二极管会自动导通以维持电感中的电流，SW1节点会被拉到-0.7V。如图4所示，当AC开始导通时，SW1电压会被A管拉高至VIN。流经A管的电流将包含电感电流I_IND，开关B的体二极管的反向恢复电流IRR，以及VIN通过A管将SW1节点的寄生电容Cpar充到VIN电压的电流I_PAR。由于实际应用中VIN通路中寄生电感Lpar的存在，IRR+I_PAR会震荡衰减到零。为了避免这个震荡电流对环路工作的干扰，在每个开关周期开始时需要将VSNS屏蔽一段时间，等IRR+I_PAR衰减到足够小后再使能电流采样电路。在实际的电路设计中，VSNS的屏蔽时间大于COMP1的传输延迟，是影响A+C最小导通时间的主要因素。
电感纹波电流偏大时，会使系统效率降低，EMI干扰变大。同时输入输出电压纹波都比较大，需要增加滤波电容来抑制，从而使得成本增加。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种BUCK-BOOST变换器的控制方法，上述传统方法，主要问题在于，A+C导通阶段紧跟在B+D导通阶段之后。由于SW1点的寄生电容，开关B的体二极管的存在反向恢复时间以及VIN通路中寄生电感的存在，在开关A导通后的一段时间内A中流过的电流大于电感中的实际充电电流。这段时间内如果用开关A中的实时电流参与环路控制，PWM会被误触发而引起环路振荡。实际电路中需要将电流采样信号屏蔽一段时间，等开关A中的电流等于电感电流后再参与环路的控制。在屏蔽时间内，A+C会被强制导通。这段时间内电感的充电电压比较高，使得电感电流纹波比较大。
针对上述问题，本发明的技术方案是：
一种BUCK-BOOST变换器的控制方法，所述BUCK-BOOST变换器包括MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D、电感、差分放大器、比较器、第一定时器、第二定时器和第三定时器，输入电压信号VIN经过MOS开关A、电感和MOS开关D后输出，MOS开关A与电感的连接点通过MOS开关B后接地，电感与MOS开关D的连接点通过MOS开关C后接地；差分放大器的同相输入端接基准电压VREF，差分放大器的反相输入端接输出端采样的反馈电压VFB，比较器的同相输入端接MOS开关A输出端的采样电压VSNS，比较器的反相输入端接差分放大器的输出电压VC；通过控制MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D的导通和关断控制BUCK-BOOST变换器，其特征在于，控制方法包括：
S1、开关周期开始时，MOS开关A和MOS开关D导通，同时第三定时器开始计时；
S2、第三定时器达到预设的时间，输出控制信号控制关断MOS开关D并导通MOS开关C，直到采样电压VSNS达到差分放大器输出电压VC，此时比较器输出PWM信号将MOS开关C关断，而MOS开关D导通，同时第二定时器开始计时；
S3、第二定时器到达预设的时间，输出控制信号控制关断MOS开关A并导通MOS开关B，同时第一定时器开始计时；
S4、第一定时器到达预设的时间，输出控制信号关断MOS开关B并导通MOS开关A，进入下一个开关周期。
本发明在每个周期A+C导通阶段前插入一小段A+D导通时间。确保在将SW1充至VIN且开关B的体二极管反向恢复时间结束之后，再进入A+C导通阶段。在A+C导通阶段开关A中的电流一直等于电感中的电流。系统不再需要将电流采样信号屏蔽一段时间，从而减小了A+C导通的最小时间，降低了电感电流的纹波。
本发明的有益效果是：可以有效降低电感电流的纹波。
附图说明
图1为BUCK-BOOST简化框图；
图2为峰值电流模式BUCK-BOOST；
图3为BUCK-BOOST模式下的波形；
图4为开关AC导通初期A中的电流；
图5为本发明的方案系统框图；
图6为本发明的方案在BUCK-BOOST模式下的波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的方法，主要是在每个开关周期的开始时，让开关AD先导通一小段时间。因为VIN和VOUT比较接近，电感的充电电压比较低，电流只会缓慢上升。在VIN通过开关A将SW1节点充电至VIN且开关B的体二极管反向恢复时间结束后，开关D关断开关C导通。电感以VIN电压快速充电。此时开关A中只有电感的充电电流，VSNS不再需要屏蔽时。A+C最小导通时间可以大大降低。
如图5所示，在图2所示的系统中，去除电感电流采样电路中的屏蔽模块blanking，同时增加延迟电路Tdelay。T1信号经延迟电路Tdelay产生T3。Tdelay设定的时间要略大于开关B的体二极管的反向恢复时间和SW1节点被开关A充到VIN的时间。
本发明的开关时序和电感电流波形如图6所示。每个开关周期的开始时，开关A和D导通，同时Timer3电路开始计时。当Timer3达到预设的时间后，开关A和C导通，电感电流随时间而线性增加。当电感电流采样信号VSNS达到Vc设定的峰值时，PWM信号将开关C关断，开关D导通。同时Timer2电路开始计时，当到达预设的时间后，T2信号将开关A关断，开关B导通。同时Timer1电路开始计时，当到达预设的时间后，T1信号将开关B关断，开关A导通，系统进入下一个开关周期。

Claims (1)

1.一种BUCK-BOOST变换器的控制方法，所述BUCK-BOOST变换器包括MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D、电感、差分放大器、比较器、第一定时器、第二定时器和第三定时器，输入电压信号VIN经过MOS开关A、电感和MOS开关D后输出，MOS开关A与电感的连接点通过MOS开关B后接地，电感与MOS开关D的连接点通过MOS开关C后接地；差分放大器的同相输入端接基准电压VREF，差分放大器的反相输入端接输出端采样的反馈电压VFB，比较器的同相输入端接MOS开关A输出端的采样电压VSNS，比较器的反相输入端接差分放大器的输出电压VC；通过控制MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D的导通和关断控制BUCK-BOOST变换器，其特征在于，控制方法包括：
S1、开关周期开始时，MOS开关A和MOS开关D导通，同时第三定时器开始计时；
S2、第三定时器达到预设的时间，输出控制信号控制关断MOS开关D并导通MOS开关C，直到采样电压VSNS达到差分放大器输出电压VC，此时比较器输出PWM信号将MOS开关C关断，而MOS开关D导通，同时第二定时器开始计时；
S3、第二定时器到达预设的时间，输出控制信号控制关断MOS开关A并导通MOS开关B，同时第一定时器开始计时；
S4、第一定时器到达预设的时间，输出控制信号关断MOS开关B并导通MOS开关A，进入下一个开关周期。
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