CN115603577B - 一种Buck/Boost自适应切换控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Buck/Boost自适应切换控制方法及电路，所述控制电路包括Q1和Q2组成第一桥臂，Q3和Q4组成第二桥臂；Vbus电容连接在第一桥臂和第二桥臂的两端，在Q1和Q2之间通过第一电感器件L1连接蓄电池电压Vbat，在Q3和Q4之间通过第二电感器件L2连接Vbat；CT1_UP和CT2_UP是检测上管电流的器件，CT1_UP连接Q1，CT2_UP连接Q3，CT1_DN和CT2_DN是检测下管电流的器件，CT1_DN连接Q2，CT2_DN连接Q4。本发明可通过电压外环的输出极性实现BUCK模式和BOOST模式运行的自适应切换，提升系统效率。

Description

一种Buck/Boost自适应切换控制方法及电路

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种Buck/Boost自适应切换控制方法及电路。

背景技术

BUCK硬件结构和BOOST硬件结构是相同的，电路要实现降压功能则需要工作在BUCK模式，要实现升压功能则需要工作在BOOST模式。现有技术中，这两种模式相互切换过程中需要先停机，即停止所有开关器件的动作，然后确定运行模式后再按照确定的BUCK或者BOOST模式来动作，由此导致BUCK/BOOST模式在切换时系统效率极低。因此如何提高BUCK/BOOST模式在切换时的效率是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种Buck/Boost自适应切换控制电路，包括：第一上管Q1和第一下管Q2组成第一桥臂，第二上管Q3和第二下管Q4组成第二桥臂；Vbus电容连接在第一桥臂和第二桥臂的两端，在第一桥臂的第一上管Q1和第一下管Q2之间通过第一电感器件L1连接蓄电池电压Vbat，在第二桥臂的第二上管Q3和第二下管Q4之间通过第二电感器件L2连接蓄电池电压Vbat；CT1_UP和CT2_UP是检测上管电流的器件，CT1_UP连接第一上管Q1，CT2_UP连接第二上管Q3，CT1_DN和CT2_DN是检测下管电流的器件，CT1_DN连接第一下管Q2，CT2_DN连接第二下管Q4。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其中，Buck模式指能量从Vbus电容向蓄电池处流动，即蓄电池端为为电压输出端；相反，boost 模式指能量由蓄电池向Vbus电容侧流动，即蓄电池端为电压输入端。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其中，当第一上管Q1导通时，第一电感器件L1的电感电流上升，当电流上升至第一电流Ipk_pos_L1时，第一上管Q1关断，第一下管Q2开始导通，由于电感续流将第一下管Q2的源漏电压Vds下拉至0V，实现了第一下管Q2的零电压开通；第一下管Q2导通时，电感电流下降，当电流下降至第二电流Ipk_neg_L1时，第一下管Q2关断，第一上管Q1开始导通，第一下管Q2关断时，电流反向流动，将第一上管Q1的源漏电压Vds下拉至0V，实现了第一上管Q1的零电压开通。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其中，当第二上管Q3导通时，L2电感电流上升，当电流上升至第三电流Ipk_pos_L2时，第二上管Q3关断，第二下管Q4开始导通，由于电感续流将第二下管Q4的源漏电压Vds下拉至0V，实现了第二下管Q4的零电压开通；第二下管Q4导通时，电感电流下降，当电流下降至第四电流Ipk_neg_L2时，第二下管Q4关断，第二上管Q3开始导通，第二下管Q4关断时，电流反向流动，将第二上管Q3的源漏电压Vds下拉至0V，实现了第二上管Q3的零电压开通。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其中，所述Buck/Boost自适应切换控制电路的控制逻辑具体为：输入电压Vbus与参考电压Vref经调整环路得到环路电压Vc，若Vc＞0，则对第二比较器2和第四比较器4的电感电流进行干预控制，第一桥臂上管电流检测器件CT1_UP和第二桥臂上管电流检测器件CT2_UP分别通入第二比较器2和第四比较器4的负极，第一电感器件L1的电感电流Ipk_pos_L1和第二电感器件L2的电感电流Ipk_pos_L2分别通入第二比较器2和第四比较器4的正极，第二比较器2下降沿触发Q1开关信号为低电平，第四比较器4下降沿触发Q3开关信号为低电平；若Vc＜0，则对第一比较器1和第三比较器3进行干预控制，第一桥臂下管电流检测器件CT1_DN和第二桥臂下管电流检测器件CT2_DN分别通入第一比较器1和第三比较器3的负极，第一电感器件L1的电感电流Ipk_neg_L1和第二电感器件L2的电感电流Ipk_neg_L2分别通入第一比较器1和第三比较器3的正极，第一比较器1下降沿触发Q1开关信号为高电平，第三比较器3下降沿触发Q3开关信号为高电平，保证两个桥臂均工作在TCM模式。

本发明还提供一种Buck/Boost自适应切换控制方法，包括：

捕获输入电压Vbus，比较输入电压Vbus与参考电压Vref；

设置电压环控制规则：

当输入电压Vbus大于参考Vref时，第一上管Q1作为主管动作，其第一桥臂对第一下管Q2作续流管动作，将续流管电流检测信号CT1_UP与Ipk_pos_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，第一上管Q1的电流检测信号CT1_UP与所述比较输出信号控制第一上管Q1关断；

当输入电压Vbus小于参考Vref时，第一下管Q2作为主管动作，其第一桥臂对第一上管Q1作出续流管动作，续流管电流检测信号CT1_DN与Ipk_neg_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，第一下管Q2的电流检测信号CT1_DN与所述比较输出信号控制第一下管Q2关断；

在负载变化时按照电压环控制规则稳定Vbus电压，通过Vbus电压的控制实现buck/boost的自适应切换，即Vbus电压高的时候正向buck工作，Vbus电压低的时候反向boost工作。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法，其中，主管动作具体为控制电感电流的峰值，即控制输出电流的大小。

如上所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法，其中，续流管动作具体为主管关断后电感续流通过下管的体二极管，同时下管也导通，电感电流通过下管流过形成回路向负载供电。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被处理器执行上述任一项所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法。

本发明实现的有益效果如下：本技术方案通过对每个开关管电流采样，与比较器设定的值比较来确定开关管的关断，通过闭环控制调节比较器的设定值大小可实现正向输出或者反向输入的电流大小，同时通过电压外环的输出极性实现BUCK模式和BOOST模式运行的自适应切换；本方案可实现BUCK/BOOST的快速切换，很好的适用于双向车载电源等产品充放电的要求（例如V2G产品一般对充放电切换时间有要求），同时通过控制电感负电流的大小实现开关管的软开通，提升系统效率。

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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种Buck/Boost自适应切换控制电路原理图；

图2是一种Buck/Boost自适应切换控制电路对应的软件控制逻辑框图；

图3是一种Buck/Boost自适应切换控制方法流程图；

图4是第一桥臂电路图；

图5是Q1作为主管动作示意图；

图6是Q2作为续流管动作示意图；

图7是第一桥臂关键波形示意图。

具体实施方式

下面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。

实施例一

图1是本发明实施例一提供一种Buck/Boost自适应切换控制电路，包括：第一上管Q1和第一下管Q2组成第一桥臂，第二上管Q3和第二下管Q4组成第二桥臂，CT1_UP和CT2_UP是检测上管电流的器件，CT1_DN和CT2_DN是检测下管电流的器件，左侧是Vbus电容，右侧Vbat是蓄电池电压，L1和L2是电感器件。Vbus电容连接在第一桥臂和第二桥臂的两端，第一桥臂的第一上管Q1和第一下管Q2之间通过第一电感器件L1连接蓄电池电压Vbat，第二桥臂的第二上管Q3和第二下管Q4之间通过第二电感器件L2连接蓄电池电压Vbat。Buck模式指能量从Vbus向Vbat处流动，即蓄电池端为电压输出端；相反，boost 模式指能量由Vbat向Vbus侧流动，即蓄电池端为电压输入端。上述Q1-Q4可以为三极管或场效应管。

图2是一种交错并联切换Buck/Boost的移相电路对应的软件控制逻辑框图，用于实现Q1、Q2、Q3、Q4的开通和关断。Vbus（输入电压）与Vref（参考电压）经调整环路得到Vc，若Vc＞0，则对第二比较器2和第四比较器4的电感电流进行干预控制，第一桥臂上管电流检测器件CT1_UP和第二桥臂上管电流检测器件CT2_UP分别通入第二比较器2和第四比较器4的负极，第一电感器件L1电感电流Ipk_pos_L1和第二电感器件L2电感电流Ipk_pos_L2分别通入第二比较器2和第四比较器4的正极，第二比较器2下降沿触发Q1开关信号为低电平，第四比较器4下降沿触发Q3开关信号为低电平；若Vc＜0，则对第一比较器1和第三比较器3进行干预控制，第一桥臂下管电流检测器件CT1_DN和第二桥臂下管电流检测器件CT2_DN分别通入第一比较器1和第三比较器3的负极，第一电感器件L1电感电流Ipk_neg_L1和第二电感器件L2电感电流Ipk_neg_L2分别通入第一比较器1和第三比较器3的正极，第一比较器1下降沿触发Q1开关信号为高电平，第三比较器3下降沿触发Q3开关信号为高电平；由此保证两个桥臂均工作在TCM模式，提升了系统的效率和稳定性。

如图3所示，一种Buck/Boost自适应切换控制方法，包括：

步骤310、捕获输入电压Vbus，比较输入电压Vbus与参考电压Vref；

步骤320、设置电压环控制规则：

当Vbus电压大于Vref时，上管作为主管动作，其桥臂对下管作续流管动作，将续流管电流检测信号CT1_UP与Ipk_pos_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，上管的电流检测信号CT1_UP与所述比较输出信号控制上管关断；

当Vbus电压小于Vref时，下管作为主管动作，其桥臂对上管作出续流管动作，续流管电流检测信号CT1_DN与Ipk_neg_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，下管的电流检测信号CT1_DN与所述比较输出信号控制下管关断。

如图4所示，以第一桥臂为例，当Vbus电压大于Vref时，第一上管Q1作为主管动作，其第一桥臂对第一下管Q2作出续流管动作，续流管电流检测信号CT1_UP与Ipk_pos_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，第一上管Q1电流检测信号CT1_UP与所述比较输出信号控制第一上管Q1关断，综上，当Vbus电压大于Vref时，Vc大于0，Ipk_pos_L1增大，第一上管Q1的占空比增大，能量从Vbus电容上泄放出去，Vbus电压开始下降。

当Vbus电压小于Vref时，第一下管Q2作为主管动作，其第一桥臂对第一上管Q1作为续流管动作，续流管电流检测信号CT1_DN与Ipk_neg_L1比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，第一下管Q2电流检测信号CT1_DN与电压环输出比较信号控制第一下管Q2关断，综上，当Vbus电压小于Vref时，Vc小于0，Ipk_neg_L1增大，第一下管Q2的占空比增大，能量由Vbat向Vbus电容传递，Vbus电压开始上升。

其中，主管动作即控制电感电流的峰值，也就是控制输出电流的大小，如图5所示；续流管动作是指主管关断后电感续流通过第一下管Q2的体二极管，同时第一下管Q2也导通，电感电流通过第一下管Q2流过形成回路向负载供电，如图6所示。

步骤330、在负载变化时按照电压环控制规则稳定Vbus电压，通过Vbus电压的控制实现buck/boost的自适应切换，即Vbus电压高的时候正向（能量由左向右传送）buck工作，bus电压低的时候反向（能量由右向左传送）boost工作。

以第一桥臂为例，其电流环实现两个功能：

1、峰值电流内环控制，将电压环的输出Vc作为电感电流正向的峰值点控制，实际 电感电流正向比较的峰值点还需要在此基础上叠加移相控制的修正值ΔI _{pk_pos} ，最终电感 电流正向实际参考值为I _{pk_pos_L1} 、I _{pk_pos_L2} ，其中，

。

如图7所示，以Buck模式为例，若第一电感器件L1电感电流正向小于该参考I _{pk_pos_L1} ，则该桥臂上管（即EPWMQ1）占空比增大，第一电感器件L1电感电流正向峰值开始增大；第二电感器件L2对应的桥臂同理，反之亦同理，最终达到稳定Bus电压的目的。Boost模式与BUCK类似，若Vc>0，则通过控制桥臂下管（即EPWMQ2）占空比增大，达到第一电感器件L1电感电流正向峰值开始增大的效果，最终达到稳定Bus电压的目的。

2、实现TCM控制，加入电感电流负向比较，以Buck模式为例，设置一定大小的负向电流I _{pk_neg_L1} （可通过计算或实测获得具体值），当电感电流负向峰值达到该设定值I _{pk_neg} 时，触发下管（即EPWMQ2，Buck模式时被称为续流管）的关断，相当于延长了上管的导通时间，使得电感电流反向流动，对上管的C _ds 放电，那么在接下来上管开通时刻即可获得其ZVS（零电压开关），减小开关损耗，提高效率。

与上述实施例对应的，本发明实施例提供一种Buck/Boost自适应切换控制装置，该装置包括：至少一个存储器和至少一个处理器；

存储器用于存储一个或多个程序指令；

处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行一种Buck/Boost自适应切换控制方法。

与上述实施例对应的，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，一个或多个程序指令用于被处理器执行一种Buck/Boost自适应切换控制方法。

本发明所公开的实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法。

在本发明实施例中，处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific工ntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。

其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，简称PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasablePROM，简称EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，简称EEPROM)或闪存。

易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，简称SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，简称SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，简称DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(EnhancedSDRAM，简称ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，简称SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，简称DRRAM)。

本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其特征在于，包括：第一上管（Q1）和第一下管（Q2）组成第一桥臂，第二上管（Q3）和第二下管（Q4）组成第二桥臂；Vbus电容连接在第一桥臂和第二桥臂的两端，在第一桥臂的第一上管（Q1）和第一下管（Q2）之间通过第一电感器件（L1）连接蓄电池电压（Vbat），在第二桥臂的第二上管（Q3）和第二下管（Q4）之间通过第二电感器件（L2）连接蓄电池电压（Vbat）；CT1_UP和CT2_UP是检测上管电流的器件，CT1_UP连接第一上管（Q1），CT2_UP连接第二上管（Q3），CT1_DN和CT2_DN是检测下管电流的器件，CT1_DN连接第一下管（Q2），CT2_DN连接第二下管（Q4）；

其中，当第一上管（Q1）导通时，第一电感器件（L1）电感电流上升，当电流上升至第一电流（Ipk_pos_L1）时，第一上管（Q1）关断，第一下管（Q2）开始导通，由于电感续流将第一下管（Q2）的源漏电压（Vds）下拉至0V，实现了第一下管（Q2）的零电压开通；第一下管（Q2）导通时，电感电流下降，当电流下降至第二电流（Ipk_neg_L1）时，第一下管（Q2）关断，第一上管（Q1）开始导通，第一下管（Q2）关断时，电流反向流动，将第一上管（Q1）的源漏电压（Vds）下拉至0V，实现了第一上管（Q1）的零电压开通；当第二上管（Q3）导通时，第二电感器件（L2）电感电流上升，当电流上升至第三电流（Ipk_pos_L2）时，第二上管（Q3）关断，第二下管（Q4）开始导通，由于电感续流将第二下管（Q4）的源漏电压（Vds）下拉至0V，实现了第二下管（Q4）的零电压开通；第二下管（Q4）导通时，电感电流下降，当电流下降至第四电流（Ipk_neg_L2）时，第二下管（Q4）关断，第二上管（Q3）开始导通，第二下管（Q4）关断时，电流反向流动，将第二上管（Q3）的源漏电压（Vds）下拉至0V，实现了第二上管（Q3）的零电压开通；

所述Buck/Boost自适应切换控制电路的控制逻辑具体为：输入电压（Vbus）与参考电压（Vref）经调整环路得到环路电压Vc，若Vc＞0，则对第二比较器（2）和第四比较器（4）的电感电流进行干预控制，第一桥臂上管电流检测器件（CT1_UP）和第二桥臂上管电流检测器件（CT2_UP）分别通入第二比较器（2）和第四比较器（4）的负极，第一电感器件（L1）的第一电流（Ipk_pos_L1）和第二电感器件（L2）的第三电流（Ipk_pos_L2）分别通入第二比较器（2）和第四比较器（4）的正极，第二比较器（2）下降沿触发第一上管（Q1）开关信号为低电平，第四比较器（4）下降沿触发第二上管（Q3）开关信号为低电平；若环路电压Vc＜0，则对第一比较器（1）和第三比较器（3）进行干预控制，第一桥臂下管电流检测器件（CT1_DN）和第二桥臂下管电流检测器件（CT2_DN）分别通入第一比较器（1）和第三比较器（3）的负极，第一电感器件（L1）的第二电流（Ipk_neg_L1）和第二电感器件（L2）的第四电流（Ipk_neg_L2）分别通入第一比较器（1）和第三比较器（3）的正极，第一比较器（1）下降沿触发第一上管（Q1）开关信号为高电平，第三比较器（3）下降沿触发第二上管（Q3）开关信号为高电平，保证第一桥臂和第二桥臂均工作在TCM模式。

2.如权利要求1所述的一种Buck/Boost自适应切换控制电路，其特征在于，Buck模式指能量从Vbus电容向蓄电池处流动，即蓄电池端为电压输出端；相反，boost 模式指能量由蓄电池向Vbus电容侧流动，即蓄电池端为电压输入端。

3.一种Buck/Boost自适应切换控制方法，其特征在于，包括：

捕获输入电压（Vbus）电压，比较输入电压（Vbus）电压与参考电压（Vref）；

设置电压环控制规则：

当输入电压（Vbus）的电压大于参考电压（Vref）时，上管作为主管动作，其桥臂对下管作续流管动作，将续流管电流检测信号CT1_UP与第二电流（Ipk_pos_L1）比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号，上管的电流检测号CT1_UP与所述比较输出信号控制上管关断；

当输入电压（Vbus）的电压小于参考电压（Vref）时，下管作为主管动作，其桥臂对上管作出续流管动作，续流管电流检测信号CT1_DN与第一电流（Ipk_neg_L1）比较输出信号作为判断主管软开通的触发信号下管的电流检测信号CT1_DN与所述比较输出信号控制下管关断；

在负载变化时按照电压环控制规则稳定输入电压（Vbus），通过输入电压（Vbus）的控制实现buck/boost的自适应切换，即输入电压（Vbus）电压高的时候正向buck工作，输入电压（Vbus）电压低的时候反向boost工作。

4.如权利要求3所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法，其特征在于，主管动作具体为控制电感电流的峰值，即控制输出电流的大小。

5.如权利要求4所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法，其特征在于，续流管动作具体为主管关断后电感续流通过下管的体二极管，同时下管也导通，电感电流通过下管流过形成回路向负载供电。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于被处理器执行如权利要求3-5任一项所述的一种Buck/Boost自适应切换控制方法。

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