CN115765469A - 一种开关电源转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计电子技术领域，公开了一种开关电源转换器及其控制方法，包括：开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，电感L₁和L₂，飞电容C_F1和C_F2，其中：开关S₁的漏极电性连接输入电压V_IN，源级分别与开关S₂的漏极和飞电容C_F1的上极板电性连接；开关S₂的源级分别与开关S₄的漏极和飞电容C_F2的上极板电性连接；飞电容C_F1的下极板分别与开关S₃的漏极和电感L₁的一端电性连接；开关S₃的源级连接地电平；电感L₁的另一端电性连接电感L2的一端并产生输出电压；飞电容C_F2的下极板连接地电平；开关S₄的源极分别与开关S₅的漏极和电感L2的另一端电性连接；开关S₅的源极连接地电平。本发明降低了开关的电压应力，实现在瞬态提升的工作模式下，使两相电流匹配，增加了降压效率。

Description

一种开关电源转换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种开关电源转换器及其控制方法。

背景技术

在汽车电子、数据中心、通信基站和工业控制等应用领域中，常需要将系统供电电压48/24/12V转换为1.8/1.2/1V，为系统内部低压电子设备提供高效和稳定的电源。传统的降压型开关电源转换器在应用于48-1V、开关频率为2MHz的应用场景中，其导通时间只有10ns，这对控制和驱动电路的延时要求十分苛刻。

目前，常将混合型开关电源转换器结构应用于48-1V、开关频率为2MHz的应用场景中，在其导通时间可以达到21ns，缓解了传统的降压型开关电源转换器在高转换比降压应用中导通时间过小的问题。

然而，现有的混合型开关电源转换器结构存在开关电压应力过大的缺陷，并进而带来降压效率低的问题。

发明内容

本发明为克服现有技术开关电压应力过大以及降压效率低的缺陷，提供一种开关电源转换器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

第一个方面，本发明提出一种开关电源转换器，包括：开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，电感L₁和L₂，飞电容C_F1和C_F2，其中：

开关S₁的漏极电性连接输入电压V_IN，源级分别与开关S₂的漏极和飞电容C_F1的上极板电性连接；开关S₂的源级分别与开关S₄的漏极和飞电容C_F2的上极板电性连接；飞电容C_F1的下极板分别与开关S₃的漏极和电感L₁的一端电性连接；开关S₃的源级连接地电平；电感L₁的另一端电性连接电感L2的一端并产生输出电压；飞电容C_F2的下极板连接地电平；开关S₄的源极分别与开关S₅的漏极和电感L2的另一端电性连接；开关S₅的源极连接地电平。

第二个方面，本发明提出一种开关电源转换器的控制方法，包括：控制所述开关S₁和开关S₅导通，控制所述开关S₂、开关S₃和开关S₄关断；所述开关S₁和开关S₅对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S₂、开关S₃和开关S₄对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。

第三个方面，本发明提出一种开关电源转换器的控制方法，包括：控制所述开关S3和开关S5导通，控制所述开关S1、开关S2和开关S4关断；所述开关S3和开关S5对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S1、开关S2和开关S4对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。

第四个方面，本发明提出一种开关电源转换器的控制方法，包括：控制所述开关S2、开关S3和开关S4导通，控制所述开关S1和开关S5关断；所述开关S2、开关S3和开关S4对应的控制信号电平分别为高电平、高电平和高电平；所述开关S1和开关S5对应的控制信号电平分别为低电平和低电平。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过5个开关器件S1-S5，双电容以及双电感组成双降压电感电容混合型开关电源转换器结构，其中通过在开关S₂的源级增加电容C_F2，开关电源转换器在稳态时，能够将开关S₂承受的压降从V_IN降至V_IN/2，并在在瞬态双电感电流同步上升时，将S₅承受的压降从VIN降至V_IN/2，使得所有开关的电压应力均为V_IN/2，降低了开关的电压应力，同时令电感L₁和电感L₂的电压相等，实现在瞬态提升的工作模式下，使两相电流匹配，增加了降压效率。

附图说明

图1为本申请实施例中开关电源转换器电路示意图。

图2为本申请实施例中开关电源转换器的周期开关控制时序图。

图3为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅰ的电流流向示意图。图4(a)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅰ时的两相电感电流与输出电流变化图。

图4(b)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅰ时的电容C_F1电压与电感两侧电压变化图。

图5为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅱ的电流流向示意图。图6(a)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅱ时的两相电感电流与输出电流变化图。

图6(b)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅱ时的电容C_F1电压与电感两侧电压变化图。

图7为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅲ的电流流向示意图。图8(a)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅲ时的两相电感电流与输出电流变化图。

图8(b)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅲ时的电容C_F1电压与电感两侧电压变化图。

图9为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅳ的电流流向示意图。图10(a)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅳ时的两相电感电流与输出电流变化图。

图10(b)为本申请实施例中开关电源转换器处于工作状态Ⅳ时的电容C_F1电压与电感两侧电压变化图。

图11为本申请实施例中开关电源转换器处于瞬态响应工作模式的电流流向示意图。

图12为本申请实施例中开关电源转换器处于瞬态响应工作模式的两相电感电流与输出电流变化图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例一

请参阅图1，本实施例提出一种开关电源转换器，包括：开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，电感L₁和L₂，飞电容C_F1和C_F2。其中：

开关S₁的漏极电性连接输入电压V_IN，源级分别与开关S₂的漏极和飞电容C_F1的上极板电性连接；开关S₂的源级分别与开关S₄的漏极和飞电容C_F2的上极板电性连接；飞电容C_F1的下极板分别与开关S₃的漏极和电感L₁的一端电性连接；开关S₃的源级连接地电平；电感L₁的另一端电性连接电感L2的一端并产生输出电压；飞电容C_F2的下极板连接地电平；开关S₄的源极分别与开关S₅的漏极和电感L2的另一端电性连接；开关S₅的源极连接地电平。

本实施例所提出的开关电源转换器，通过5个开关器件S1-S5，双电容以及双电感组成双降压电感电容混合型开关电源转换器结构，其中通过在开关S₂的源级增加电容C_F2，开关电源转换器在稳态时，能够将开关S₂承受的压降从V_IN降至V_IN/2，并在在瞬态双电感电流同步上升时，将S₅承受的压降从VIN降至V_IN/2，使得所有开关的电压应力均为V_IN/2，降低了开关的电压应力，同时令电感L₁和电感L₂的电压相等，实现在瞬态提升的工作模式下，使两相电流匹配，增加了降压效率。

实施例二

请参阅图1，本实施例在实施例一提出的开关电源转换器的基础上作出改进。

本实施例中，所述开关电源转换器还包括输出电容C_OUT，所述输出电容C_OUT的上极板分别与电感L₁和电感L₂电性连接，输出电容C_OUT的下极板连接地电平。

本实施例中，所述输出电容C_OUT连接有负载，所述负载的一端与输出电容C_OUT的上极板电性连接，另一端连接地电平。

本实施例中，所述开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅为NMOS管。

实施例三

本实施例提出一种开关电源转换器的控制方法，应用于实施例二提出的开关电源转换器中，包括：

开关电源转换器的开关状态由两相控制信号M和S控制，两相信号的周期均为T，占空比均为D，S控制信号比M控制信号相位延后180°，如图2所示，图2为开关电源转换器的周期开关控制时序图。

当M＝高电平，S＝低电平时，开关电源转换器进入工作状态Ⅰ，如图3和图4所示，控制所述开关S₁和开关S₅导通，控制所述开关S₂、开关S₃和开关S₄关断。所述开关S₁和开关S₅对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S₂、开关S₃和开关S₄对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。飞电容C_F1电压与电感L₁电流增加，电感L₂电流降低。

如图4(a)所示，对电感L₁的电流i₁进行分析，此时输入电压V_IN经过C_F1连接到电感L₁，电容C_F1电压为V_IN/2，因此电感L₁左侧电压为V_IN/2，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为V_IN/2-V_OUT。电感L₁的电流i₁增加，i₁电流上升斜率为(V_IN/2-V_OUT)/L₁；

对电感L₂的电流i₂进行分析。电感L₂左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为-V_OUT。电感L₂的电流i₂降低，i₂电流下降斜率为-V_OUT/L₂；

对电路输出电流i_OUT进行分析。电路输出电流i_OUT＝i₁+i₂，状态I时i₁增加幅度大于i₂降低幅度，因此输出电流i_OUT增加。

如图4(b)所示，对飞电容C_F1的电压V_CF1进行分析。飞电容C_F1电流等于电感L₁电流i₁，电流从电容高电压侧流至低电压侧，电容电压V_CF1增加，电压上升斜率为i₁/C_F1。

实施例四

本实施例提出一种开关电源转换器的控制方法，应用于实施例二提出的开关电源转换器中，包括：

开关电源转换器的开关状态由两相控制信号M和S控制，两相信号的周期均为T，占空比均为D，S控制信号比M控制信号相位延后180°，如图2所示，图2为开关电源转换器的周期开关控制时序图。

当M信号从高电平进入低电平，S信号未进入高电平时，如图5和图6所示，开关电源转换器进入工作状态Ⅱ，控制所述开关S₃和开关S₅导通，控制所述开关S₁、开关S₂和开关S₄关断。所述开关S₃和开关S₅对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S₁、开关S₂和开关S₄对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。飞电容C_F1电压不变，电感L₁与电感L₂电流降低。

如图6(a)所示：对电感L₁的电流i₁进行分析，电感L₁左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为-V_OUT。电感L₁的电流i₁降低，i₁电流下降斜率为-V_OUT/L₁。对电感L₂的电流i₂进行分析。电感L₂左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为-V_OUT。电感L₂的电流i₂降低，i₂电流下降斜率为-V_OUT/L₂。对电路输出电流i_OUT进行分析。电路输出电流i_OUT＝i₁+i₂，状态II时i₁、i₂降低，因此输出电流i_OUT降低。

如图6(b)所示，对飞电容C_F1的电压V_CF1进行分析，飞电容C_F1无电流流过，因此电容电压V_CF1不变。

实施例五

本实施例提出一种开关电源转换器的控制方法，应用于实施例二提出的开关电源转换器中，包括：

开关电源转换器的开关状态由两相控制信号M和S控制，两相信号的周期均为T，占空比均为D，S控制信号比M控制信号相位延后180°，如图2所示，图2为开关电源转换器的周期开关控制时序图。

当S＝高电平，M＝低电平时，开关电源转换器进入工作状态Ⅲ，如图7和图8所示，控制所述开关S₂、开关S₃和开关S₄导通，控制所述开关S₁和开关S₅关断。所述开关S₂、开关S₃和开关S₄对应的控制信号电平分别为高电平、高电平和高电平；所述开关S₁和开关S₅对应的控制信号电平分别为低电平和低电平。飞电容C_F1电压与电感L₁电流降低，电感L₂电流增加。

如图8(a)所示，对电感L₁的电流i₁进行分析：电感L₁左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为-V_OUT。电感L₁的电流i₁降低，i₁电流下降斜率为-V_OUT/L₁。对电感L₂的电流i₂进行分析：C_F1电压V_CF1为V_IN/2，通过S₂将C_F2电压V_CF2充至V_IN/2，电感L₂左侧电压为V_IN/2，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为V_IN/2-V_OUT。电感L₂的电流i₂增加，i₂电流上升斜率为(V_IN/2-V_OUT)/L₂。对电路输出电流i_OUT进行分析：电路输出电流i_OUT＝i₁+i₂，状态III时i₂增加幅度大于i₁降低幅度，因此输出电流i_OUT增加。

如图8(b)所示，对飞电容C_F1的电压V_CF1进行分析：飞电容C_F1电流等于电感L₂电流i₂，电流从电容低电压侧流至高电压侧，电容电压V_CF1降低，电压下降斜率为i₂/C_F1。

实施例六

本实施例提出一种开关电源转换器的控制方法，应用于实施例二提出的开关电源转换器中，包括：

开关电源转换器的开关状态由两相控制信号M和S控制，两相信号的周期均为T，占空比均为D，S控制信号比M控制信号相位延后180°，如图2所示，图2为开关电源转换器的周期开关控制时序图。

当S控制信号从高电平进入低电平，M未进入高电平时，如图9和图10所示，开关电源转换器进入工作状态Ⅳ，控制所述开关S₃和开关S₅导通，控制所述开关S₁、开关S₂和开关S₄关断。所述开关S₃和开关S₅对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S₁、开关S₂和开关S₄对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。飞电容C_F1电压不变，电感L₁与电感L₂电流降低。

如图10(a)所示，对电感L₁的电流i₁进行分析：电感L₁左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为-V_OUT。电感L₁的电流i₁降低，i₁电流下降斜率为-V_OUT/L₁。对电感L₂的电流i₂进行分析：电感L₂左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为-V_OUT。电感L₂的电流i₂降低，i₂电流下降斜率为-V_OUT/L₂。

对电路输出电流i_OUT进行分析：电路输出电流i_OUT＝i₁+i₂，状态II时i₁、i₂降低，因此输出电流i_OUT降低。

如图10(b)所示，对飞电容C_F1的电压V_CF1进行分析：飞电容C_F1无电流流过，因此电容电压V_CF1不变。

实施例七

正常工作模式下，开关电源转换器在每个周期会经过状态I-IV，电感电流在某个值上下波动，如果电感电流波动纹波较小，也可以视为电感电流和输出电流近似不变。

如图2所示，图2为本申请实施例中开关电源转换器的周期开关控制时序图，根据电感L₁和L_2的伏秒定律可得：

其中，T为开关控制信号周期，D为开关控制信号占空比，解得V_CF1＝V_IN/2，转换比M＝V_OUT/V_IN＝D/2。

表1本申请的开关电源转换器在不同工作状态下开关电压应力表

状态	S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	S<sub>3</sub>	S<sub>4</sub>	S<sub>5</sub>
						I	～0	V<sub>IN</sub>/2	V<sub>IN</sub>/2	V<sub>IN</sub>/2	～0
II	V<sub>IN</sub>/2	～0	～0	V<sub>IN</sub>/2	～0
						III	V<sub>IN</sub>/2	～0	～0	～0	V<sub>IN</sub>/2
IV	V<sub>IN</sub>/2	～0	～0	V<sub>IN</sub>/2	～0

如表1所示，表1为本申请的开关电源转换器在不同工作状态下开关电压应力表，从表1可以看出在所有工作状态下所有开关承受的最大开关应力均为V_IN/2。

当负载电流忽然增大时，电路的输出电流需要快速增加时(电感电流也要快速增加)，可以让开关处于S₁和S₄导通，S₂、S₃和S₅断开，此时两相电感电流和输出电流会同时增加。

本申请所提出的开关电源转换器可以令双电感电流同步增加以增强瞬态响应，如图11和图12所示，导通S₁和S₄的电压应力近似为0，断开S3、S2和S5的电压应力是V_IN/2。不存在传统的双降压电感电容混合型开关电源转换器结构在双电感电流同步上升时开关S₅电压应力为V_IN的问题。当电感L1和L2的电压均为V_IN/2-V_OUT，电流上升幅度相同，双电感电流同步上升且不存在电流匹配问题。由此带来的好处是全部开关功率管可以使用耐压值为VIN/2的器件，一方面在工艺器件耐压值小于V_IN的情况下，实现高转换比降压，更有利于功率开关全集成的开关电源转换器设计；另一方面使用耐压值减半的功率开关在相同面积下也降低了导通损耗，解决了电感电流失配问题。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源转换器，其特征在于，包括：开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，电感L₁和L₂，飞电容C_F1和C_F2，其中：

开关S₁的漏极电性连接输入电压V_IN，源级分别与开关S₂的漏极和飞电容C_F1的上极板电性连接；开关S₂的源级分别与开关S₄的漏极和飞电容C_F2的上极板电性连接；飞电容C_F1的下极板分别与开关S₃的漏极和电感L₁的一端电性连接；开关S₃的源级连接地电平；电感L₁的另一端电性连接电感L2的一端并产生输出电压；飞电容C_F2的下极板连接地电平；开关S₄的源极分别与开关S₅的漏极和电感L2的另一端电性连接；开关S₅的源极连接地电平。

2.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其特征在于，还包括输出电容C_OUT，所述输出电容C_OUT的上极板分别与电感L₁和电感L₂电性连接，输出电容C_OUT的下极板连接地电平。

3.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其特征在于，所述输出电容C_OUT连接有负载，所述负载的一端与输出电容C_OUT的上极板电性连接，另一端连接地电平。

4.根据权利要求1所述的开关电源转换器，其特征在于，所述开关S₁、S₂、S₃、S₄和S₅为NMOS管。

5.一种开关电源转换器的控制方法，应用于如权利要求1～4任一项所述的开关电源转换器中，其特征在于，包括：控制所述开关S₁和开关S₅导通，控制所述开关S₂、开关S₃和开关S₄关断；

所述开关S₁和开关S₅对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S₂、开关S₃和开关S₄对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。

6.根据权利要求5所示的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，电感L₁左侧电压为V_IN/2，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为V_IN/2-V_OUT。

7.一种开关电源转换器的控制方法，应用于如权利要求1～4任一项所述的开关电源转换器中，其特征在于，包括：控制所述开关S3和开关S5导通，控制所述开关S1、开关S2和开关S4关断；

所述开关S3和开关S5对应的控制信号电平分别为高电平和高电平；所述开关S1、开关S2和开关S4对应的控制信号电平分别为低电平、低电平和低电平。

8.根据权利要求7所示的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，电感L₁左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为-V_OUT；电感L₂左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为-V_OUT。

9.一种开关电源转换器的控制方法，应用于如权利要求1～4任一项所述的开关电源转换器中，其特征在于，包括：控制所述开关S2、开关S3和开关S4导通，控制所述开关S1和开关S5关断；

所述开关S2、开关S3和开关S4对应的控制信号电平分别为高电平、高电平和高电平；所述开关S1和开关S5对应的控制信号电平分别为低电平和低电平。

10.根据权利要求9所示的控制方法，其特征在于，所述控制方法中，电感L₁左侧电压为0，右侧电压为V_OUT，电感L₁电压为-V_OUT；电感L₂左侧电压为V_IN/2，右侧电压为V_OUT，电感L₂电压为V_IN/2-V_OUT。

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