CN113489318A - 一种控制Buck变换器工作模态的方法 - Google Patents

一种控制Buck变换器工作模态的方法 Download PDF

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李壮
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Abstract

本发明公开了一种控制Buck变换器工作模态的方法，包括采集Buck变换器的输出电压Vout、输出电流Io和电感电流iL，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较后产生外环驱动信号，控制开关管的开通，对输出电压Vout和输出电流Io进行乘法运算，得到负载的输出功率Pout，根据所需Buck变换器工作模态将输出功率Pout转换为相对应的电感峰值电流Ipk，电流比较器将采集的电感电流iL与电感峰值电流Ipk进行比较后产生内环驱动信号，控制开关管的关断。采用本发明控制方法能使Buck变换器工作在所需工作模态下，提高了Buck变换器的工作特性，增强了Buck变换器的实际运用性。

Description

一种控制Buck变换器工作模态的方法
技术领域
本发明属于电子电力技术领域，涉及一种控制Buck变换器工作模态的方法。
背景技术
Buck变换器电路属于降压型拓扑电路，其被广泛运用在日常生活中，尤其是在低电压大电流的应用场合。由于结构简单，Buck电路以及由Buck衍生出的Buck类拓扑结构，如正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路等拓扑广泛应用于各类需要直流降压的场合，如航空航天电源、电动汽车充电电源、LED驱动电源、中小功率开关电源等领域。
现阶段有关Buck变换器的控制方法有很多种，还有很多的学者在研究Buck电路的控制方法，都希望能得到更好的控制特性。其中最基本的控制方法是电压控制，电压控制是一种单环控制，其开环传递函数中存在较为复杂的极点，具有较差的动态负载性能；而电流模式控制方法是在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，通过调节电感电流实现对输出电压的控制，其响应速度受制于电压环控制器；滑模变结构控制方法是将受控非线性系统的状态轨迹引向预先指定的状态平均空间平面上，具有较好的稳定鲁棒性和动态特性。
实际应用中，Buck变换器需要根据实际工况需求工作在不同模式下，例如在轻载或者在实现软开关的情况下需要工作在DCM模式下，有时则需要工作在CRM或者CCM模式下，但现有的Buck变换器控制方法难以控制Buck变换器处于不同工作模态。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制Buck变换器工作模态的方法，解决了现有Buck变换器控制方法难以使Buck变换器处于所需工作模态的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种控制Buck变换器工作模态的方法，包括以下步骤：
步骤1，采集Buck变换器的输出电压Vout、输出电流Io和电感电流iL，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较后产生外环驱动信号，控制开关管的开通；
步骤2，对输出电压Vout和输出电流Io进行乘法运算，得到负载的输出功率Pout；
步骤3，根据所需Buck变换器工作模态将输出功率Pout转换为相对应的电感峰值电流Ipk；
步骤4，电流比较器将采集的电感电流iL与电感峰值电流Ipk进行比较后产生内环驱动信号，控制开关管的关断。
本发明的技术特征还在于，
步骤1中，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较，当输出电压Vout下降到基准电压Vref时，电压比较器输出高电平，置位RS触发器，RS触发器的Q端输出高电平，产生外环驱动信号，控制开关管S导通，输出电压Vout开始上升。
步骤3中，当所需Buck变换器工作模态为CRM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure BDA0003108364210000031
步骤3中，当所需Buck变换器工作模态为CCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure BDA0003108364210000032
其中，T为开关管的周期，L为Buck变换器中电感器的电感，Vin为Buck变换器的输入电压。
步骤3中，当所需Buck变换器工作模态为DCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure BDA0003108364210000033
其中，T为开关管的周期，ton为开关管的开通时间，Vin为Buck变换器的输入电压。
步骤4中，电流比较器将步骤1采集的电感电流iL与步骤3得到的电感峰值电流Ipk进行比较，当电感电流iL上升到峰值电流Ipk时，电流比较器输出高电平，复位RS触发器，RS触发器的Q端输出低电平，产生内环驱动信号，控制开关管S关断。
本发明的有益效果是，根据所需Buck变换器的工作模态建立电感电路峰值、输出电压和输出功率之间的数学关系，将输出功率的实时检测值转化为电感峰值电流，将其作为电感电流的参考值，以此构成电流内环，进而来调节开关管的频率以及电感电流来保证Buck变换器在所需的工作模态，进一步提高了Buck变换器的工作特性，增强了Buck变换器的实际运用性，使其具有良好的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明一种控制Buck变换器工作模态的方法中采用的Buck变换器控制框图；
图2是本发明实施例中Buck变换器工作在CRM模式下的工作波形图；
图3是本发明实施例中Buck变换器工作在DCM模式下的工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种控制Buck变换器工作模态的方法，其采用的Buck变换器控制框图如图1所示，包括Buck变换器电路、乘法器、函数编辑器、电压比较器、电流比较器和RS触发器。Buck变换器电路中Vin和Vout分别为Buck变换器的输入电压和输出电压，iL为电感电流，Io为输出电流，Vg为驱动信号，S为开关管，VD为二极管，L为电感，C为输出电容，R为负载电阻。
本发明一种控制Buck变换器工作模态的方法，包括以下步骤：
步骤1，采集Buck变换器的输出电压Vout、输出电流Io和电感电流iL，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较，当输出电压Vout下降到基准电压Vref时，电压比较器输出高电平，置位RS触发器，RS触发器的Q端输出高电平，产生外环驱动信号，控制开关管S导通，输出电压Vout开始上升；
步骤2，对输出电压Vout和输出电流Io进行乘法运算，得到负载的输出功率Pout；
Pout＝IoVout (1)
步骤3，根据所需Buck变换器工作模态将输出功率Pout通过函数编辑器转换为相对应的电感峰值电流Ipk，具体过程如下：
当所需Buck变换器工作模态为CRM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk为：
Figure BDA0003108364210000051
当所需Buck变换器工作模态为CCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk为：
Figure BDA0003108364210000052
其中，T为开关管的周期，L为Buck变换器中电感器的电感，Vin为Buck变换器的输入电压。
当所需Buck变换器工作模态为DCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk为：
Figure BDA0003108364210000053
其中，T为开关管的周期，ton为开关管的开通时间，Vin为Buck变换器的输入电压。
步骤4，电流比较器将步骤1采集的电感电流iL与步骤3得到的电感峰值电流Ipk进行比较，当电感电流iL上升到峰值电流Ipk时，电流比较器输出高电平，复位RS触发器，RS触发器的Q端输出低电平，产生内环驱动信号，控制开关管S关断。
绘制Buck变换器工作模态为CRM模式时的工作波形图，如图2所示，图中底部波形图是电感电流波形图，从该电感电流波形图中可看出，在稳态时电感电流和横轴只有一个交点，且最小值为零，表明Buck变换器工作在CRM模式下。
绘制Buck变换器工作模态为DCM模式时的工作波形图，如图3所示，图中底部波形图是电感电流波形图，从该电感电流波形图中可看出，在稳态时，电感电流在续流结束后开关管依然没有开启，出现了电感电流为零的一段时间，表明Buck变换器工作在DCM模式下，本发明控制方法能将Buck变换器准确控制在所需工作模式下，提高了Buck变换器的工作特性，增强了Buck变换器的实际运用性和抗干扰能力。

Claims (6)

1.一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集Buck变换器的输出电压Vout、输出电流Io和电感电流iL，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较后产生外环驱动信号，控制开关管的开通；
步骤2，对输出电压Vout和输出电流Io进行乘法运算，得到负载的输出功率Pout；
步骤3，根据所需Buck变换器工作模态将输出功率Pout转换为相对应的电感峰值电流Ipk；
步骤4，电流比较器将采集的电感电流iL与电感峰值电流Ipk进行比较后产生内环驱动信号，控制开关管的关断。
2.根据权利要求1所述的一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，所述步骤1中，电压比较器将输出电压Vout与基准电压Vref进行比较，当输出电压Vout下降到基准电压Vref时，电压比较器输出高电平，置位RS触发器，RS触发器的Q端输出高电平，产生外环驱动信号，控制开关管S导通，输出电压Vout开始上升。
3.根据权利要求2所述的一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，所述步骤3中，当所需Buck变换器工作模态为CRM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure FDA0003108364200000021
4.根据权利要求2所述的一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，所述步骤3中，当所需Buck变换器工作模态为CCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure FDA0003108364200000022
其中，T为开关管的周期，L为Buck变换器中电感器的电感，Vin为Buck变换器的输入电压。
5.根据权利要求2所述的一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，所述步骤3中，当所需Buck电路工作模态为DCM模式时，相对应的电感峰值电流Ipk如下：
Figure FDA0003108364200000023
其中，T为开关管的周期，ton为开关管的开通时间，Vin为Buck变换器的输入电压。
6.根据权利要求2-5中任一所述的一种控制Buck变换器工作模态的方法，其特征在于，所述步骤4中，电流比较器将步骤1采集的电感电流iL与步骤3得到的电感峰值电流Ipk进行比较，当电感电流iL上升到峰值电流Ipk时，电流比较器输出高电平，复位RS触发器，RS触发器的Q端输出低电平，产生内环驱动信号，控制开关管S关断。
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