CN114362518A - 适用于大功率的双向电压转换电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双向电压转换电路，该双向电压转换电路包括耦接于输入端和第一开关端之间的第一开关，耦接于第一开关端和参考地端之间的第二开关，耦接于第一开关端和输出开关端之间的第一电感，耦接于输出开关端和系统端之间的第三开关，耦接于输出开关端和参考地端之间的第四开关，以及并联于第三开关的两端的第五开关。该双向电压转换电路可以工作于降压充电模式将输入端的输入电压转换成系统端的降压充电电压，或者升压放电模式将系统端的系统电压转换成输入端的升压放电电压，当双向电压转换电路工作于降压充电模式时或者升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关和第二开关互补地导通和关断，第三开关和第五开关保持导通，第四开关保持关断。

Description

适用于大功率的双向电压转换电路
技术领域
本发明涉及双向电压转换电路，尤其涉及大电流，大功率的双向电压转换电路。
背景技术
双向电压转换电路因在电源供电时，可以向电池充电，在电源掉电时，电池通过双向电压转换电路为系统的其它电路供电而广泛的应用于电池管理系统，且随着充电协议对充电速度的不断提高，双向电压转换电路处理的功率越来越大。在实际的应用中，为了节约芯片成本，双线电压转换电路的芯片尺寸越小越好，故一些大功率应用场合往往因为温度特性不好(过热)而不满足应用要求。因此在大功率应用场合，希望能进一步提高双向电压转换电路的效率。目前，当双向电压转换电路处理大功率时，通常需要针对效率指标重新设计双向电压转换电路。
因此，需要一种双向电压转换电路，既可以适用小功率的应用，也可以在大功率应用时，可以进一步提高效率。
发明内容
本发明一实施例提出了一种双向电压转换电路，所述一种双向电压转换电路，耦接于输入端和系统端之间，所述双向电压转换电路包括第一开关，第二开关，第一电感，其中第一开关耦接于输入端和第一开关端之间，第二开关耦接于第一开关端和参考地端之间，第一电感耦接于第一开关端和输出开关端之间，第三开关耦接于输出开关端和系统端之间，第四开关耦接于输出开关端和参考地端之间，以及第五开关，并联于第三开关的两端，所述双向电压转换电路可以工作于降压充电模式将输入端接收的输入电压转换成系统端的降压充电电压，或者升压放电模式将系统端的系统电压转换成输入端的升压放电电压，其中当双向电压转换电路工作于降压充电模式时，在每个开关周期，第一开关和第二开关互补地导通和关断，第三开关和第五开关保持导通，第四开关保持关断，当双向电压转换电路工作于升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关和第二开关互补地导通和关断，第三开关和第五开关保持导通，第四开关保持关断，其中降压充电电压小于输入电压，升压放电电压大于系统电压。
根据本发明提供的双向电压转换电路，在其工作于降压充电模式或者升压放电模式时，第五开关保持导通，提高了双向电压转换电路的工作效率，具有更好的温度特性。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述，这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中的部分特征，并且附图不一定是按比例绘制的。
图1给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路100的电路示意图。
图2给出了根据本发明另一实施例的双向电压转换电路200的电路示意图。
图3给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于升压充电模式时各控制信号的波形图。
图4给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于降压充电模式时各控制信号的波形图。
图5给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于升压放电模式时各控制信号的波形图。
图6给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于降压放电模式时各控制信号的波形图。
不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其它实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在本公开的说明书及权利要求书中，若采用了诸如“左、右、内、外、上、下、之上、之下”等一类词，均只是为了便于描述，而不表示组件/结构的必然或者永久的相对位置。本领域的技术人员应该理解这类词在合适的情况下是可以互换的，例如，以使的本公开的实施例可以在不同于本说明书描绘的方向下仍可以运作。在本公开的上下文中，将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者他们之间可以存在居中层/元件。此外“耦接”一词意味着以直接或者间接的电气的或者非电气的方式连接。“一个/这个/那个”并不用于特指单数，而可能涵盖复数形式。整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”不一定都指同一个实施例或者示例。本领域普通技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各个具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路100的电路示意图。双向电压转换电路100耦接于输入端IN和系统端SYS之间，其既可以工作在充电模式，即将输入端IN的输入电压VIN转换成系统端SYS的系统电压VSYS，也可以工作于放电模式，即将系统端SYS的电压转换成输入端IN所需的电压。双向电压转换电路100包括第一开关Q1，第二开关Q2，第一电感L1，第三开关Q3，第四开关Q4以及第五开关Q5。其中第一开关Q1耦接于输入端IN和第一开关端SWA之间，第二开关Q2耦接于第一开关端SWA和参考地端GND之间，第一电感L1耦接于第一开关端SWA和输出开关端SWB之间，第三开关Q3耦接于输出开关端SWB和系统端SYS之间，第四开关Q4耦接于输出开关端SWB和参考地端GND之间，第五开关Q5并联于第三开关Q3的两端。在一实施例中，第一开关Q1，第二开关Q2，第三开关Q3以及第四开关Q4集成在一半导体芯片上，第五开关Q5是外置的。双向电压转换电路100还包括模式切换电路和开关控制电路，其中模式切换电路用于提供升压充电使能信号M1，降压充电使能信号M2，升压放电使能信号M3以及降压放电使能信号M4以控制双向电压转换电路100分别工作于升压充电模式，降压充电模式，升压放电模式或者降压放电模式。其中当升压充电使能信号M1处于第一状态时，双向电压转换电路100工作于升压充电模式，当降压充电使能信号M2处于第一状态时，双向电压转换电路100工作于降压充电模式，当升压放电使能信号M3处于第一状态时，双向电压转换电路100工作于升压放电模式，当降压放电使能信号M4处于第一状态时，双向电压转换电路100工作于降压放电模式。在一实施例中，模式切换电路通过I2C接口接收指令来设置升压充电使能信号M1，降压充电使能信号M2，升压放电使能信号M3以及降压放电使能信号M4。在另一实施例中，模式切换电路通过检测输入端IN的电压以及系统端SYS的电压来设置升压充电使能信号M1，降压充电使能信号M2，升压放电使能信号M3以及降压放电使能信号M4。开关控制电路根据接收的升压充电使能信号M1，降压充电使能信号M2，升压放电使能信号M3以及降压放电使能信号M4生成第一控制信号PWMA以控制第一开关Q1和第二开关Q2的导通和关断，第二控制信号PWMB以控制第三开关Q3和第四开关Q4的导通和关断，以及栅极驱动信号CTRL以控制第五开关Q5的导通和关断。在图1中，双向电压转换电路100还包括耦接于输入端IN的输入电容CIN，以及耦接于系统端SYS的负载电容CO。
当双向电压转换电路100工作于升压充电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1保持导通，第二开关Q2保持关断，第三开关Q3和第四开关Q4互补地导通和关断，第五开关Q5保持关断，双向电压转换电路100将输入端IN接收的输入电压VIN转换成系统端SYS的升压充电电压VCT，升压充电电压VCT大于输入电压VIN。其中第三开关Q3和第四开关Q4互补地导通和关断指的是，在一个开关周期里，当第三开关Q3处于导通状态时，第四开关Q4处于关断状态，而当第三开关Q3处于关断状态时，第四开关Q4处于导通状态。当双向电压转换电路100工作于降压充电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1和第二开关Q2互补地导通和关断，第三开关Q3和第五开关Q5保持导通，第四开关Q4保持关断，双向电压转换电路100将输入端IN接收的输入电压VIN转换成系统端SYS的降压充电电压VCK，降压充电电压VCK小于输入电压VIN。其中第一开关Q1和第二开关Q2互补地导通和关断指的是，在一个开关周期里，当第一开关Q1处于导通状态时，第二开关Q2处于关断状态，而当第一开关Q1处于关断状态时，第二开关Q2处于导通状态。当双向电压转换电路100工作于降压充电模式时，第一开关Q1导通的时长和开关周期的比值定义为降压占空比DBK，降压占空比DBK由输入电压VIN和降压充电电压VCK决定。在一实施例中，当输入电压VIN一定时，降压充电电压VCK越高，降压占空比DBK越大。在另一实施例中，当降压充电电压VCK一定时，输入电压VIN越高，降压占空比DBK越小。
当双向电压转换电路100工作于升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1和第二开关Q2互补地导通和关断，第三开关Q3和第五开关Q5保持导通，第四开关Q4保持关断，双向电压转换电路100将系统端SYS的系统电压VSYS转换成输入端IN的升压放电电压VDT，升压放电电压VDT大于系统电压VSYS。当双向电压转换电路100工作于升压放电模式时，第一开关Q1导通的时长和开关周期的比值定义为升压占空比DBT，第一开关Q1的升压占空比DBT由系统电压VSYS和升压放电电压VDT决定。在一实施例中，当系统电压VSYS一定时，升压放电电压VDT越高，升压占空比DBT越大。在另一实施例中，当升压放电电压VDT一定时，系统电压VSYS越高，升压占空比DBT越小。当双向电压转换电路100工作于降压放电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1保持导通，第二开关Q2保持关断，第三开关Q3和第四开关Q4互补地导通和关断，第五开关Q5保持关断。双向电压转换电路100将系统端SYS的系统电压VSYS转换成输入端IN的降压放电电压VDK，其中降压放电电压VDK小于系统电压VSYS。
图2给出了根据本发明另一实施例的双向电压转换电路200的电路示意图。和双向电压转换电路100相比，双向电压转换电路200还包括第二电感L2，第六开关Q6和第七开关Q7。其中第六开关Q6耦接于输入端IN和第二开关端SWC之间，第七开关Q7耦接于第二开关端SWC和参考地端GND之间，第二电感L2耦接于第二开关端SWC和参考地端GND之间，其中第六开关Q6和第七开关Q7在第三控制信号PWMC的控制下导通和关断。双向电压转换电路200在升压充电使能信号M1，降压充电使能信号M2，升压放电使能信号M3以及降压放电使能信号M4的控制下可以工作于升压充电模式，降压充电模式，升压放电模式或者降压放电模式。其中，当双向电压转换电路200工作于升压充电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1保持导通，第二开关Q2保持关断，第三开关Q3和第四开关Q4互补地导通和关断，第五开关Q5保持关断，第六开关Q6保持导通，第七开关Q7保持关断。当双向电压转换电路200工作于降压充电模式时，在每个开开关周期，第一开关Q1和第二开关Q2互补地导通和关断，第三开关Q3和第五开关Q5保持导通，第四开关Q4保持关断，第六开关Q6和第七开关Q7互补地导通和关断。其中第六开关Q6和第七开关Q7互补地导通和关断指的是，在一个开关周期里，当第六开关Q6处于导通状态时，第七开关Q7处于关断状态，而当第六开关Q6处于关断状态时，第七开关Q7处于导通状态。在一实施例中，第一开关Q1和第六开关Q6同步导通和关断，即第一开关Q1和第六开关Q6在同一时刻导通。当双向电压转换电路200工作于升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1和第二开关Q2互补地导通和关断，第三开关Q3和第五开关Q5保持导通，第四开关Q4保持关断，第六开关Q6和第七开关Q7互补地导通和关断。在一实施例中，在每个开关周期，第一开关Q1和第六开关Q6同步导通和关断，即第一开关Q1和第六开关Q6在同一时刻导通。当双向电压转换电路200工作于降压放电模式时，在每个开关周期，第一开关Q1和第六开关Q6保持导通，第二开关Q2和第七开关Q7保持关断，第三开关Q3和第四开关Q4互补地导通和关断，第五开关Q5保持关断。
图3给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于升压充电模式时各控制信号的波形图。如图3所示，从上至下依次是第一控制信号PWMA，第二控制信号PWMB，栅极驱动信号CTRL以及第三控制信号PWMC。当双向电压转换电路200工作于升压充电模式时，在每个开关周期T内，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态以控制第一开关Q1保持导通，第二开关Q2保持关断。第二控制信号PWMB处于逻辑高状态时，第三开关Q3导通，第四开关Q4关断，第二控制信号PWMB处于逻辑低状态时，第三开关Q3关断，第四开关Q4导通。栅极驱动信号CTRL处于逻辑高状态以控制第五开关Q5保持导通。第三控制信号PWMC处于逻辑高状态以控制第六开关Q6保持导通，第七开关Q7保持关断。
图4给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于降压充电模式时各控制信号的波形图。如图4所示，从上至下依次是第一控制信号PWMA，第二控制信号PWMB，栅极驱动信号CTRL以及第三控制信号PWMC。当双向电压转换电路200工作于降压充电模式时，在每个开关周期T内，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态时，第一开关Q1导通，第二开关Q2关断，第一控制信号PWMA处于逻辑低状态时，第一开关Q1关断，第二开关Q2导通。第二控制信号PWMB处于逻辑高状态以控制第三开关Q3保持导通，第四开关Q4保持关断。栅极驱动信号CTRL处于逻辑高状态以控制第五开关Q5保持导通。第三控制信号PWMC处于逻辑高状态时，第六开关Q6导通，第七开关Q7关断，第三控制信号PWMC处于逻辑低状态时，第六开关Q6关断，第七开关Q7导通。在图4所示的实施例中，第三控制信号PWMC与第一控制信号PWMA之间的相位差为180°。在其它实施例中，第三控制信号PWMC与第一控制信号PWMA之间的相位差可以为零，即第一开关Q1和第六开关Q6在同一时刻导通。在图4中，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态的时长和开关周期T的比为降压占空比DBK。
图5给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于升压放电模式时各控制信号的波形图。如图5所示，从上至下依次是第一控制信号PWMA，第二控制信号PWMB，栅极驱动信号CTRL以及第三控制信号PWMC。当双向电压转换电路200工作于升压放电模式时，在每个开关周期T内，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态时，第一开关Q1导通，第二开关Q2关断，第一控制信号PWMA处于逻辑低状态时，第一开关Q1关断，第二开关Q2导通。第二控制信号PWMB处于逻辑高状态以控制第三开关Q3保持导通，第四开关Q4保持关断。栅极驱动信号CTRL处于逻辑高状态以控制第五开关Q5保持导通。第三控制信号PWMC处于逻辑高状态时，第六开关Q6导通，第七开关Q7关断，第三控制信号PWMC处于逻辑低状态时，第六开关Q6关断，第七开关Q7导通。在图5所示的实施例中，第三控制信号PWMC与第一控制信号PWMA之间的相位差为180°。在其它实施例中，第三控制信号PWMC与第一控制信号PWMA之间的相位差可以为零，即第一开关Q1和第六开关Q6在同一时刻导通。在图5中，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态的时长和开关周期T的比为升压占空比DBT。
图6给出了根据本发明一实施例的双向电压转换电路200工作于降压放电模式时各控制信号的波形图。如图6所示，从上至下依次是第一控制信号PWMA，第二控制信号PWMB，栅极驱动信号CTRL以及第三控制信号PWMC。当双向电压转换电路200工作于降压放电模式时，在每个开关周期T内，第一控制信号PWMA处于逻辑高状态以控制第一开关Q1保持导通，第二开关Q2保持关断。第二控制信号PWMB处于逻辑高状态时，第三开关Q3导通，第四开关Q4关断，第二控制信号PWMB处于逻辑低状态时，第三开关Q3关断，第四开关Q4导通。栅极驱动信号CTRL处于逻辑低状态以控制以第五开关Q5保持关断。第三控制信号PWMC处于逻辑高状态以控制第六开关Q6保持导通，第七开关Q7保持关断。
采用本发明中的双向电压转换电路，在其工作于降压充电模式或者升压放电模式时，第五开关Q5保持导通，提高了双向电压转换电路的工作效率，具有更好的温度特性。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明实施例的高压期间及其制造方法进行了说明。这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其它可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (8)

1.一种双向电压转换电路，耦接于输入端和系统端之间，所述双向电压转换电路包括：
第一开关，耦接于输入端和第一开关端之间；
第二开关，耦接于第一开关端和参考地端之间；
第一电感，耦接于第一开关端和输出开关端之间；
第三开关，耦接于输出开关端和系统端之间；
第四开关，耦接于输出开关端和参考地端之间；以及
第五开关，并联于第三开关的两端；
所述双向电压转换电路可以工作于降压充电模式将输入端接收的输入电压转换成系统端的降压充电电压，或者升压放电模式将系统端的系统电压转换成输入端的升压放电电压，其中当双向电压转换电路工作于降压充电模式或者升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关和第二开关互补地导通和关断，第三开关和第五开关保持导通，第四开关保持关断，其中降压充电电压小于输入电压，升压放电电压大于系统电压。
2.如权利要求1所述的双向电压转换电路，当双向电压转换电路工作于降压充电模式时，在每个开关周期，降压占空比由输入电压和降压充电电压决定，当双向电压转换电路工作于升压放电模式时，在每个开关周期，升压占空比由系统电压和升压放电电压决定。
3.如权利要求1所述的双向电压转换电路还可以工作于升压充电模式将输入端接收的输入电压转换成系统端的升压充电电压，当双向电压转换电路工作于升压充电模式时，在每个开关周期，第一开关保持导通，第二开关保持关断，第三开关和第四开关互补地导通和关断，第五开关保持关断，其中升压充电电压大于输入电压。
4.如权利要求1所述的双向电压转换电路还可以工作于降压放电模式将系统端的系统电压转换成输入端的降压放电电压，当双向电压转换电路工作于降压放电模式时，在每个开关周期，第一开关保持导通，第二开关保持关断，第三开关和第四开关互补地导通和关断，第五开关保持关断，其中系统电压大于降压放电电压。
5.如权利要求1所述的双向电压转换电路还包括：
第二电感，耦接于第二开关端和输出开关端之间；
第六开关，耦接于输入端和第二开关端之间；以及
第七开关，耦接于第二开关端和参考地端之间；
其中当双向电压转换电路工作于降压充电模式或者升压放电模式时，在每个开关周期，第六开关和第七开关互补地导通和关断。
6.如权利要求5所述的双向电压转换电路工作于降压充电模式或者升压放电模式时，在每个开关周期，第一开关和第六开关同步导通。
7.如权利要求5所述的双向电压转换电路工作于升压充电模式时，在每个开关周期，第六开关保持导通，第七开关保持关断。
8.如权利要求5所述的双向电压转换电路工作于降压放电模式时，在每个开关周期，第六开关保持导通，第七开关保持关断。
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WO2024072840A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-04 Texas Instruments Incorporated Six-switch two-inductor two-phase buck-boost converter

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