CN113949267A - 一种基于平均电流模的四开关buckboost控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器。该控制器，包括：电压环路运放、电流环路运放、电感电流检测模块、降压比较器、升压比较器和逻辑电路模块；电压环路运放输出电压环路控制信号，电流环路运放输出电流环路控制信号，电感电流检测模块检测四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流，信号转换模块输出降压模式控制信号和升压模式控制信号，降压比较器输出降压占空比信息，升压比较器输出升压占空比信息，逻辑电路模块控制四开关BUCKBOOST电路在一个周期内的工作状态为降压状态或升压状态。本发明电路结构简单，方便对环路控制的稳定性进行补偿。

Description

一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器

技术领域

本发明涉及开关电源控制领域，特别是涉及一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器。

背景技术

四管Buck-Boost(Four-Switch-Buck-Boost，FSBB)控制器由于其输入输出极性相同、开关损耗低、输出电压可升可降等优点一直受到关注，适用于输入电压变化范围较宽的场合。但是如何提高转换效率，减小输出电压纹波，减小平均电感电流和电感电流纹波；如何实现平滑的模式切换；如何提高动态响应等问题，是需要重点面对的。

常见的开关电源控制策略分为线性控制和非线性控制。线性控制主要有电压模式和电流模式等闭环控制，线性控制的特点是通过精密稳定的环路控制达到较高的控制精度；但同时因为是闭环控制，其响应速度受系统的频域特性限制，在系统受到干扰时，需要进行多级系统调整，响应缓慢，在负载跳变或者电源跳变等阶跃激励下，输出表现为较大的过冲和下沉电压。非线性控制主要有迟滞控制、固定开/关时间控制等开环控制，其控制方法较简单，由于其开环控制，精度并不高，但是具有较快的响应速度。

线性控制具体包括电压模控制、峰值/峰值电流模控制、峰值/谷值电流模控制、平均电流模控制等。电压模控制：抗噪声能力较强，系统电路中只有一个电压反馈环路，设计简单，稳定性较高。但是对输入电压的变化动态响应差，电路中电压或电流发生变化时，必须要反应到输出电压变化上，然后再经过反馈调节和环路控制最终使系统稳定。电压模控制中不存在电流采样的部分，所以在片内或外围电路中还需要额外加入电流保护模块来限制芯片内的最大电流。峰值电流模控制：具有动态闭环响应较快，而且能够快速地响应输出电压和负载的变化，电路结构简单。但是电感电流一直处在不断变化中，峰值电流采样并不能准确反映出负载电流的变化，所以系统采样得到的电流不是特别准确，在占空比较大时，开环存在不稳定的问题(需要加斜坡补偿)。平均电流模：不需要斜坡补偿。比峰值电流模少用了一个斜坡电路，抗干扰性强，应用范围广，并且采样得到的信号可以准确反映负载电流值。现有的平均电流模控制电路，同样的控制信号Vc，控制不同的BUCK斜坡和BOOST斜坡，增加了斜坡电路的复杂性，因此，电路结构复杂，不便于对环路控制的稳定性进行补偿，并且对电流误差放大器的增益和带宽等参数要求较高。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，以简化电路结构，方便对环路控制的稳定性进行补偿。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，包括：

电压环路运放，正端连接参考基准电压，负端连接四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，用于输出电压环路控制信号；

电流环路运放，正端连接所述电压环路运放的输出端，用于输出电流环路控制信号；

电感电流检测模块，输入端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，输出端连接所述电流环路运放的负端，用于检测所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流；

信号转换模块，输入端分别与所述电流环路运放的输出端、所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端以及所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接，第一输出端用于输出降压模式控制信号，第二输出端用于输出升压模式控制信号；

降压比较器，正端连接所述信号转换模块的第一输出端，负端连接降压斜坡信号，用于输出降压占空比信息；

升压比较器，正端连接所述信号转换模块的第二输出端，负端连接升压斜坡信号，用于输出升压占空比信息；

逻辑电路模块，输入端分别连接所述降压比较器的输出端和所述升压比较器的输出端，输出端分别连接所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极，用于控制所述四开关BUCKBOOST电路在一个周期内的工作状态为降压状态或升压状态。

可选的，所述电感电流检测模块，具体包括：

第一运算放大器、第二运算放大器、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第四电流镜、第一开关、第二开关、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容；

所述第一运算放大器的正端和负端之间连接所述采样电阻；所述第一运算放大器的正端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端；所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻串联；所述第二电阻与所述第三电阻之间的连接端为第一连接点，所述第三电阻与所述第四电阻之间的连接端为第二连接点；所述第一运算放大器的输出端通过所述第一开关连接所述第一连接点；

所述第一电流镜的漏极通过所述第一电阻与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接，所述第一电流镜的源极接地，所述第一电流镜的漏极和栅极均与所述第二电流镜的栅极连接；所述第二电流镜的源极接地，所述第二电流镜的漏极与电流补充模块连接；所述第三电流镜的漏极和栅极均与所述第二电流镜的漏极连接，所述第三电流镜的源极与所述第四电流镜的源极连接；所述第四电流镜的栅极与所述第三电流镜的栅极连接，所述第四电流镜的漏极通过所述第二开关与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地；

所述第二运算放大器的正端连接所述第一电容的一端，所述第二运算放大器的负端连接所述第一电容的另一端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第二连接点连接；所述第一连接点用于输出所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流。

可选的，所述信号转换模块，包括：

差分信号转换模块，输入端连接所述电流环路运放的输出端，第一输出端用于输出第一差分信号电流相减值，第二输出端用于输出第二差分信号电流相减值；

电压电流转换模块，包括电压输出端电流产生模块和电压输入端电流产生模块；电压输出端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第一输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，用于输出降压模式控制信号；所述电压输入端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第二输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，用于输出升压模式控制信号。

可选的，所述逻辑电路模块，具体包括：

组合逻辑模块、第一上升沿模块、第二上升沿模块和保护组合模块；

所述组合逻辑模块分别连接所述降压比较器的输出端、所述升压比较器的输出端、第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一上升沿模块的输入端分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第二上升沿模块的输出端连接；所述第二上升沿模块分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第一上升沿模块的输出端连接；所述保护组合模块的输入端分别与所述第一上升沿模块的输出端、所述第二上升沿模块的输出端和保护信号连接；所述保护组合模块的输出端分别与所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极连接。

可选的，所述基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，还包括：分压电路；

所述电压环路运放的负端通过所述分压电路与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接；所述分压电路包括：第一分压电阻和第二分压电阻；所述第一分压电阻的一端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout，所述第一分压电阻的另一端分别与所述电压环路运放EA1的负端以及所述第二分压电阻的一端连接，所述第二分压电阻的另一端接地。

可选的，所述基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，还包括：电压环路补偿电路；

所述电压环路补偿电路，包括：电压环路补偿电阻和电压环路补偿电容；所述电压环路补偿电阻的一端与所述电压环路运放的输出端连接，所述电压环路补偿电阻的另一端与所述电压环路补偿电容的一端连接，所述电压环路补偿电容的另一端接地。

可选的，所述基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，还包括：电流环路补偿电路；

所述电流环路补偿电路，包括：电流环路补偿电阻和电流环路补偿电容；所述电流环路补偿电阻的一端与所述电流环路运放的输出端连接，所述电流环路补偿电阻的另一端与所述电流环路补偿电容的一端连接，所述电流环路补偿电容的另一端接地。

可选的，所述四开关BUCKBOOST电路，具体包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感；所述第一开关管的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，所述第一开关管的源极分别与所述第二开关管的漏极以及所述电感的一端连接，所述第二开关管的源极接地，所述电感的另一端分别与所述第三开关管的漏极以及所述第四开关管的源极连接，所述第三开关管的源极接地，所述第四开关管的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极均与所述逻辑电路模块的输出端连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器。该控制器，包括：电压环路运放，正端连接参考基准电压，负端连接四开关BUCKBOOST电路的电压输出端；电流环路运放，正端连接电压环路运放的输出端；电感电流检测模块，输入端连接四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，输出端连接电流环路运放的负端；信号转换模块，输入端分别与电流环路运放的输出端、电压输入端以及电压输出端连接；降压比较器，正端连接信号转换模块的第一输出端，负端连接降压斜坡信号；升压比较器，正端连接信号转换模块的第二输出端，负端连接升压斜坡信号；逻辑电路模块，输入端分别连接降压比较器和升压比较器的输出端，输出端分别连接四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极。本发明设置降压比较器和升压比较器，不同的控制信号控制不同的斜坡信号比较，使得斜坡电路简单，从而简化电路结构；采用电压环路运放和电流环路运放，使电压环路与电流环路单独补偿，更加灵活，方便对环路控制的稳定性进行补偿；采用逻辑电路模块，每个周期只可能工作在BUCK或BOOST状态，保证任何时刻都只有两个开关管处于开关工作，开关损耗较低，并达到模式之间无缝切换，可以有效减小变换器的电感电流平均值和电感电流的波动值。

附图说明

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例提供的基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器的电路原理图；

图2为本发明实施例提供的电感电流检测模块的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的信号转换模块的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的逻辑电路模块的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的BUCKBOOST控制器工作在BUCK降压模式的控制方式示意图；

图6为本发明实施例提供的BUCKBOOST控制器工作在BOOST升压模式的控制方式示意图；

图7为本发明实施例提供的BUCKBOOST控制器工作在BUCKBOOST升降压模式的控制方式示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例的基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器可应用于带有电池或DCDC升降压的电源管理设备，包括电源适配器、移动电源、电动工具、智能设备等。图1为本发明实施例提供的基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器的流程图。参见图1，该基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，包括：

电压环路运放EA1，正端连接参考基准电压Vref1，负端连接四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout，用于输出电压环路控制信号Vc1。

电流环路运放EA2，正端连接所述电压环路运放EA1的输出端，用于输出电流环路控制信号Vc2。

电感电流检测模块，输入端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端Vin，输出端连接所述电流环路运放EA2的负端，用于检测所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流Isense。

信号转换模块，输入端分别与所述电流环路运放EA2的输出端、所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端Vin以及所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout连接，第一输出端用于输出降压模式控制信号Vc BUCK，第二输出端用于输出升压模式控制信号Vc BOOST。

降压比较器BUCKPWM，正端连接所述信号转换模块的第一输出端，负端连接降压斜坡信号，用于输出降压占空比信息PWM_BUCK。

升压比较器BOOST PWM，正端连接所述信号转换模块的第二输出端，负端连接升压斜坡信号，用于输出升压占空比信息PWM_BOOST。

逻辑电路模块，输入端分别连接所述降压比较器BUCKPWM的输出端和所述升压比较器BOOST PWM的输出端，输出端分别连接所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极，用于控制所述四开关BUCKBOOST电路在一个周期内的工作状态为降压(BUCK)状态或升压(BOOST)状态。

其中，所述四开关BUCKBOOST电路，具体包括：

第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4和电感L；所述第一开关管M1的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端Vin，所述第一开关管M1的源极分别与所述第二开关管M2的漏极以及所述电感L的一端连接，所述第二开关管M2的源极接地，所述电感L的另一端分别与所述第三开关管M3的漏极以及所述第四开关管M4的源极连接，所述第三开关管M3的源极接地，所述第四开关管M4的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout，所述第一开关管M1、所述第二开关管M2、所述第三开关管M3和所述第四开关管M4的栅极均与所述逻辑电路模块的输出端连接。

在一个示例中，参见图2，所述电感电流检测模块，具体包括：

第一运算放大器CS1、第二运算放大器CS2、第一电流镜Mcs1、第二电流镜Mcs2、第三电流镜Mcs3、第四电流镜Mcs4、第一开关S1、第二开关S2、采样电阻Rcs、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C。

所述第一运算放大器CS1的正端和负端之间连接所述采样电阻Rcs；所述第一运算放大器CS1的正端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端Vin；所述第二电阻R2、所述第三电阻R3和所述第四电阻R4串联；所述第二电阻R2与所述第三电阻R3之间的连接端为第一连接点，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4之间的连接端为第二连接点；所述第一运算放大器CS1的输出端通过所述第一开关S1连接所述第一连接点。

所述第一电流镜Mcs1的漏极通过所述第一电阻R1与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout连接，所述第一电流镜Mcs1的源极接地，所述第一电流镜Mcs1的漏极和栅极均与所述第二电流镜Mcs2的栅极连接；所述第二电流镜Mcs2的源极接地，所述第二电流镜Mcs2的漏极与电流补充模块连接；所述第三电流镜Mcs3的漏极和栅极均与所述第二电流镜Mcs2的漏极连接，所述第三电流镜Mcs3的源极与所述第四电流镜Mcs4的源极连接；所述第四电流镜Mcs4的栅极与所述第三电流镜Mcs3的栅极连接，所述第四电流镜Mcs4的漏极通过所述第二开关S2与所述第一电容C的一端连接，所述第一电容C的另一端接地。

所述第二运算放大器CS2的正端连接所述第一电容C的一端，所述第二运算放大器CS2的负端连接所述第一电容C的另一端连接，所述第二运算放大器CS2的输出端与所述第二连接点连接；所述第一连接点用于输出所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流Isense。

在一个示例中，所述信号转换模块，包括：

差分信号转换模块，输入端连接所述电流环路运放EA2的输出端，第一输出端用于输出第一差分信号电流相减值+ΔVc，第二输出端用于输出第二差分信号电流相减值-ΔVc。差分信号转换模块包括第五电流镜MVI1、第六电流镜MVI2、第七电流镜MVI3、第八电流镜MVI4、第九电流镜MVI5、第十电流镜MVI6、第十一电流镜MVI7、第十二电流镜MVI8、第十三电流镜MVI9、第十四电流镜MVI10、第十五电流镜MVI11、第十六电流镜MVI12、第十七电流镜MVI13、第十八电流镜MVI14和第十九电流镜MVI15，十五个电流镜的连接关系如图3所示。

电压电流转换模块，包括电压输出端电流产生模块和电压输入端电流产生模块；电压输出端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第一输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout，用于输出降压模式控制信号Vc BUCK；所述电压输入端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第二输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端Vin，用于输出升压模式控制信号Vc BOOST。

电压输出端电流产生模块，包括第二十电流镜MVI16、第二十一电流镜MVI17、第二十二电流镜MVI18、第二十三电流镜MVI19和第五电阻R5，其连接关系如图3所示。

电压输入端电流产生模块，包括第二十四电流镜MVI20、第二十五电流镜MVI21、第二十六电流镜MVI22、第二十七电流镜MVI23和第六电阻R6，其连接关系如图3所示。

在一个示例中，参见图4，所述逻辑电路模块，具体包括：

组合逻辑模块、第一上升沿模块、第二上升沿模块和保护组合模块。

所述组合逻辑模块分别连接所述降压比较器BUCKPWM的输出端、所述升压比较器BOOST PWM的输出端、第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一上升沿模块的输入端分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第二上升沿模块的输出端连接；所述第二上升沿模块分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第一上升沿模块的输出端连接；所述保护组合模块的输入端分别与所述第一上升沿模块的输出端、所述第二上升沿模块的输出端和保护信号连接；所述保护组合模块的四个输出端与所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极一一对应连接；其中，保护组合模块的第一输出端与第一开关管M1的栅极连接，保护组合模块的第一输出端输出第一开关管M1的栅极驱动信号HS1；保护组合模块的第二输出端与第二开关管M2的栅极连接，保护组合模块的第二输出端输出第二开关管M2的栅极驱动信号LS1；保护组合模块的第三输出端与第四开关管M4的栅极连接，保护组合模块的第三输出端输出第四开关管M4的栅极驱动信号HS2；保护组合模块的第四输出端与第三开关管M3的栅极连接，保护组合模块的第四输出端输出第三开关管M3的栅极驱动信号LS2。

在一个示例中，所述基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，还包括：分压电路、电压环路补偿电路和电流环路补偿电路。

所述电压环路运放EA1的负端通过所述分压电路与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout连接；所述分压电路包括：第一分压电阻Ra和第二分压电阻Rb；所述第一分压电阻Ra的一端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端Vout，所述第一分压电阻Ra的另一端分别与所述电压环路运放EA1的负端以及所述第二分压电阻Rb的一端连接，所述第二分压电阻Rb的另一端接地。

所述电压环路补偿电路，包括：电压环路补偿电阻R7和电压环路补偿电容C1；所述电压环路补偿电阻R7的一端与所述电压环路运放EA1的输出端连接，所述电压环路补偿电阻R7的另一端与所述电压环路补偿电容C1的一端连接，所述电压环路补偿电容C1的另一端接地。

所述电流环路补偿电路，包括：电流环路补偿电阻R8和电流环路补偿电容C2；所述电流环路补偿电阻R8的一端与所述电流环路运放EA2的输出端连接，所述电流环路补偿电阻R8的另一端与所述电流环路补偿电容C2的一端连接，所述电流环路补偿电容C2的另一端接地。

电压环路补偿电路和电流环路补偿电路均为RC电路，本实施例采用RC电路实现外部补偿，方便外部器件更改，进一步增强了不同应用下对稳定性进行补偿的效果。

上述基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器的实现原理如下：

如图1，BUCKBOOST控制器环路包含电压环路与电流环路，图中Vin作为输入，Vout作为输出。电压环路的运放EA1负端为Vout电压经电阻Ra、Rb的分压，正端为参考基准电压vref1，运放EA1产生电压环路控制信号Vc1，其中电阻R7与电容C1用来补偿电压环路。电压环路的运放EA1输出信号Vc1接到电流环路的运放EA2正端，EA2负端接平均电流采样电路的输出信号Isense，电流环路的运放EA2产生电流环路控制信号Vc2，并且电阻R8与电容C2用来补偿电流环路。Vc2经差分信号转换模块，转换为第一差分信号电流相减值+ΔVc以及第二差分信号电流相减值-ΔVc，这两个差分信号电流相减值作为BUCKBOOST环路反馈信号，并分别与Vout的分压和Vin的分压相加，经过电压电流转换模块后得到BUCK降压模式控制信号Vc_BUCK和BOOST升压模式控制信号Vc_BOOST。Vc_BUCK与斜坡信号Ramp_buck(Ramp_buck斜坡峰值与Vin成正比)比较产生BUCK占空比信息，Vc_BOOST与斜坡信号Ramp_boost(Ramp_boost斜坡峰值与Vout成正比)比较产生BOOST占空比信息。其中，环路补偿主要由Vc1、Vc2结点上的RC电路组成，RC电路为外部补偿，方便了外部器件更改，达到了方便不同应用下对稳定性进行补偿的效果。

电感电流采样电路检测BUCKBOOST控制器输入端的平均电流，作为电流环路的输入，但是在图1中第二开关管M2打开阶段电流不经过输入端，并不能通过输入端的电流采样得到。当图1中第二开关管M2、第四开关管M4打开时，电感电流变化斜率为Vout/L，故需要根据输出电压Vout的值和电感值L来模拟图1中第二开关管M2打开时的电流，然后通过采样电路得到全周期的电感电流采样值。如图2，在一个周期中检测到图1中第二开关管M2关闭时，第一开关S1打开，第二开关S2关闭，采样电路通过输入端采样电阻Rcs得到电感电流Isense1。在检测到图1中第二开关管M2打开时，第一开关S1关闭，第二开关S2打开。在模拟电感电流模块中，输出电压Vout产生(Vout-VGS1)/R的电流，通过图2电流镜Mcs1、Mcs2、Mcs3、Mcs3镜像后给第一电容C充电，其中电流补充模块，用来补充Mcs1管VGS1压降的影响，产生VGS1/R的电流，这样通过电流镜镜像后给第一电容C充电的电流只与Vout/R有关，消除了VGS1的影响。设置合适的第一电阻R1与第一电容C的值，使电容电压上升的斜率

与电感电流变化斜率Vout/L相同，通过第二运算放大器CS2检测出图1中第二开关管M2打开阶段电感电流Isense2。整个周期阶段，Isense＝Isense1+Isense2得到整周期的平均电感电流采样。

差分信号转换模块和电压电流转换模块如图3，MVI1、MVI2、MVI3、MVI4、MVI5、MVI6、MVI7、MVI8、MVI9、MVI10、MVI11、MVI12、MVI13、MVI14和MVI15组成差分信号转换模块。差分运放输入对管MVI2、MVI3接Vc2和Vref2，经电流镜MVI6、MVI7、MVI8、MVI9产生输出第一差分信号电流相减值+ΔVc，R5、MVI6、MVI7、MVI8、MVI9组成电压输出端电流产生模块，输出电流经过R9，与+ΔVc相加得到Vc_BUCK信号；电流镜MVI13、MVI14和MVI15产生输出第二差分信号电流相减值-ΔVc，R6、MVI20、MVI21、MVI22和MVI23组成电压输出端电流产生模块，输出电流经过R10，与-ΔVc相加得到Vc_BOOST信号。

斜坡模块BUCKRAMP产生斜坡峰值与Vin相关的斜坡——Ramp_buck，BOOST RAMP产生斜坡峰值与Vout相关的斜坡——Ramp_boost。Ramp_buck与Vc_BUCK作为BUCKPWM比较器的输入，Ramp_boost与Vc_BOOST作为BOOST PWM比较器的输入。

经比较器产生的PWM_BUCK信号和PWM_BOOST信号送进逻辑电路模块，逻辑电路(如图4)使PWM_BUCK信号和PWM_BOOST信号分别与CLK1、CLK2组合，产生受最大占空比、最小占空比限制的信号。之后两个信号又经上升沿检测电路检测上升沿，其中若PWM_BUCK先检测到上升沿，则会产生Gating信号，屏蔽PWM_BOOST信号的上升沿检测功能，并使此周期工作在BUCK周期；若PWM_BOOST先检测到上升沿，也会产生Gating信号，屏蔽PWM_BUCK信号的上升沿检测功能，并使此周期工作在BOOST周期。这样一个周期中只能工作在一种模式下，只有两个开关管处于开关状态。经上升沿检测之后的信号，送入保护信号的组合逻辑，经保护信号组合逻辑后输出信号到驱动电路产生HS1、LS1、HS2、LS2的驱动信号，分别控制图1中开关管M1、M2、M3、M4。

本实施例中输入电压Vin和输出电压Vout信号可以互换，互换后同样可工作于BUCK降压、BOOST升压、BUCKBOOST升降压模式。

图5示出了平均电流模的BUCKBOOST控制器工作在BUCK降压模式(Vin>1.1*Vout)的主要结点波形，每个周期开始时，时钟信号CLK1产生脉冲，并且时钟信号CLK1经过延迟运算，产生另一时钟信号CLK2，其中同一周期CLK1上升沿到CLK2上升沿时间段T1产生M2/M3管最小导通时间Ton限制，CLK2脉冲高电平时间段T2产生上管M1/M4管最小导通时间Ton限制，上一周期CLK2脉冲上升沿到下一周期CLK1脉冲上升沿之间产生最大占空比Dmax限制。CLK2周期开始时，Vc_BUCK与Ramp_buck相比较，Vc_BUCK大于Ramp_buck时PWM_BUCK信号为高，控制M1管打开M2管关闭；Vc_BUCK小于Ramp_buck时PWM_BUCK信号为低，控制M1管关闭，M2管打开。Vc_BOOST始终大于Ramp_boost，PWM_BOOST信号一直为高，控制M3管始终关闭，M4管始终打开。BUCKBOOST控制系统工作在BUCK降压模式，并通过Vc_BUCK控制输出电压稳定。

图6为本发明平均电流模的BUCKBOOST控制器工作在BOOST升压模式(Vin<0.9*Vout)的主要结点波形，CLK2周期开始时，Vc_BOOST与Ramp_boost相比较，Vc_BOOST大于Ramp_boost时PWM_BOOST信号为高，控制M3管关闭M4管打开；Vc_BOOST小于Ramp_boost时PWM_BOOST信号为低，控制M3管打开M4管关闭。Vc_BUCK始终大于Ramp_buck，PWM_BUCK信号一直为高，控制M1管始终打开，M2管始终关闭。BUCKBOOST控制系统工作在BOOST升压模式，并通过Vc_BOOST控制输出电压稳定。

图7为本发明平均电流模的BUCKBOOST控制器工作在BUCKBOOST升降压模式(0.9*Vout<Vin<1.1*Vout)的主要结点波形。Vin接近Vout时，每个CLK2周期开始PWM_BUCK和PWM_BOOST都为高，控制M1管和M4管打开，M2管和M3管关闭。之后若Vc_BUCK首先与Ramp_buck相交，则第一个周期工作在BUCK模式，若Vc_BOOST首先与Ramp_boost相交，则第一个周期工作在BOOST模式。波形中显示了第一个CLK2周期Vc_BUCK首先与Ramp_buck相交，故为BUCK周期，Vc_BUCK大于Ramp_buck时PWM_BUCK信号为高，控制M1管打开M2管关闭；Vc_BUCK小于Ramp_buck时PWM_BUCK信号为低，控制M1管关闭M2管打开。同时第一个周期中Vc_BOOST始终大于Ramp_boost，PWM_BOOST信号一直为高，控制M4管始终打开，M3管始终关闭；第二个CLK2周期中，Vc_BOOST首先与Ramp_boost相交，故为BOOST周期，Vc_BOOST大于Ramp_boost时PWM_BOOST信号为高，控制M4管打开M3管关闭，Vc_BOOST小于Ramp_boost时PWM_BOOST信号为低，控制M4管关闭M3管打开。同时第二个周期中Vc_BUCK始终大于Ramp_buck，PWM_BUCK信号一直为高，控制M1管始终打开，M2管始终关闭；第三个CLK2周期中，Vc_BUCK首先与Ramp_buck相交，为BUCK周期；第四个CLK2周期中，Vc_BOOST首先与Ramp_boost相交，为BOOST周期。在VBUS与VBAT近似相等的过程中，BUCKBOOST控制器工作在BUCKBOOST升降压模式，BUCK周期和BOOST周期交替工作，达到了模式之间的平滑切换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，包括：

电压环路运放，正端连接参考基准电压，负端连接四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，用于输出电压环路控制信号；

电流环路运放，正端连接所述电压环路运放的输出端，用于输出电流环路控制信号；

电感电流检测模块，输入端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，输出端连接所述电流环路运放的负端，用于检测所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流；

信号转换模块，输入端分别与所述电流环路运放的输出端、所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端以及所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接，第一输出端用于输出降压模式控制信号，第二输出端用于输出升压模式控制信号；

降压比较器，正端连接所述信号转换模块的第一输出端，负端连接降压斜坡信号，用于输出降压占空比信息；

升压比较器，正端连接所述信号转换模块的第二输出端，负端连接升压斜坡信号，用于输出升压占空比信息；

逻辑电路模块，输入端分别连接所述降压比较器的输出端和所述升压比较器的输出端，输出端分别连接所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极，用于控制所述四开关BUCKBOOST电路在一个周期内的工作状态为降压状态或升压状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，所述电感电流检测模块，具体包括：

第一运算放大器、第二运算放大器、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第四电流镜、第一开关、第二开关、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容；

所述第一运算放大器的正端和负端之间连接所述采样电阻；所述第一运算放大器的正端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端；所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻串联；所述第二电阻与所述第三电阻之间的连接端为第一连接点，所述第三电阻与所述第四电阻之间的连接端为第二连接点；所述第一运算放大器的输出端通过所述第一开关连接所述第一连接点；

所述第一电流镜的漏极通过所述第一电阻与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接，所述第一电流镜的源极接地，所述第一电流镜的漏极和栅极均与所述第二电流镜的栅极连接；所述第二电流镜的源极接地，所述第二电流镜的漏极与电流补充模块连接；所述第三电流镜的漏极和栅极均与所述第二电流镜的漏极连接，所述第三电流镜的源极与所述第四电流镜的源极连接；所述第四电流镜的栅极与所述第三电流镜的栅极连接，所述第四电流镜的漏极通过所述第二开关与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地；

所述第二运算放大器的正端连接所述第一电容的一端，所述第二运算放大器的负端连接所述第一电容的另一端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第二连接点连接；所述第一连接点用于输出所述四开关BUCKBOOST电路输入端的平均电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，所述信号转换模块，包括：

差分信号转换模块，输入端连接所述电流环路运放的输出端，第一输出端用于输出第一差分信号电流相减值，第二输出端用于输出第二差分信号电流相减值；

电压电流转换模块，包括电压输出端电流产生模块和电压输入端电流产生模块；电压输出端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第一输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，用于输出降压模式控制信号；所述电压输入端电流产生模块的输入端分别连接所述差分信号转换模块的第二输出端和所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，用于输出升压模式控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，所述逻辑电路模块，具体包括：

组合逻辑模块、第一上升沿模块、第二上升沿模块和保护组合模块；

所述组合逻辑模块分别连接所述降压比较器的输出端、所述升压比较器的输出端、第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一上升沿模块的输入端分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第二上升沿模块的输出端连接；所述第二上升沿模块分别与所述组合逻辑模块的输出端以及所述第一上升沿模块的输出端连接；所述保护组合模块的输入端分别与所述第一上升沿模块的输出端、所述第二上升沿模块的输出端和保护信号连接；所述保护组合模块的输出端分别与所述四开关BUCKBOOST电路的四个开关管的栅极连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，还包括：分压电路；

所述电压环路运放的负端通过所述分压电路与所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端连接；所述分压电路包括：第一分压电阻和第二分压电阻；所述第一分压电阻的一端连接所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，所述第一分压电阻的另一端分别与所述电压环路运放的负端以及所述第二分压电阻的一端连接，所述第二分压电阻的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，还包括：电压环路补偿电路；

所述电压环路补偿电路，包括：电压环路补偿电阻和电压环路补偿电容；所述电压环路补偿电阻的一端与所述电压环路运放的输出端连接，所述电压环路补偿电阻的另一端与所述电压环路补偿电容的一端连接，所述电压环路补偿电容的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，还包括：电流环路补偿电路；

所述电流环路补偿电路，包括：电流环路补偿电阻和电流环路补偿电容；所述电流环路补偿电阻的一端与所述电流环路运放的输出端连接，所述电流环路补偿电阻的另一端与所述电流环路补偿电容的一端连接，所述电流环路补偿电容的另一端接地。

8.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模的四开关BUCKBOOST控制器，其特征在于，所述四开关BUCKBOOST电路，具体包括：

第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感；所述第一开关管的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输入端，所述第一开关管的源极分别与所述第二开关管的漏极以及所述电感的一端连接，所述第二开关管的源极接地，所述电感的另一端分别与所述第三开关管的漏极以及所述第四开关管的源极连接，所述第三开关管的源极接地，所述第四开关管的漏极作为所述四开关BUCKBOOST电路的电压输出端，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极均与所述逻辑电路模块的输出端连接。

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