CN116317584B - 一种直流转换器及pwm控制器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及直流供电电路的领域，尤其是涉及一种直流转换器及PWM控制器的控制方法，该直流转换器包括PWM控制器，其被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通；第二状态信号用于控制第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；PWM控制器，还被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1时，PWM控制器输出控制第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
Description
技术领域
本申请涉及直流供电电路的领域，尤其是涉及一种直流转换器及PWM控制器的控制方法。
背景技术
AMOLED屏幕常采用单电感L双极性输出直流-直流转换器做为供电电源，传统的单电感L双极性输出降压-升压直流-直流转换器，正压输出端只能高于输入电压，但是现在使用的手环、智能手表的AMOLED显示屏所需的正供电电压大概在3.3V左右，普遍使用的锂电池电压在2.8-4.5V，所以这就要求正压输出端同时也具有和负压输出端一样的升压/降压能力。公开号为US20150236594A1的专利公开了一种单电感L双极性输出降压-升压直流-直流转换器的电路关系图，如图1所示。
图1所示的单电感L双极性输出直流-直流转换器有三个工作状态，分别为ΦC，ΦP以及ΦN。ΦC状态时电感L积蓄能量，ΦC状态时分别将电感L上的能量分配给正压输出VOP和负压输出VON。在ΦC状态时：开关SW1、SW2导通，SW3、SW4关断，电感L一端接输入电压VIN，另一端接地，此时电感L两端压差为正，电感L充磁，电感L电流上升，同时，正压输出电容COP通过负载电流IOP放电，负载电流ION向负压输出电容充电。在ΦP状态时，开关SW1、SW3导通，SW2、SW4关断，电感L两端一端接输入电压VIN，一端接正输出电压VOP，此时电感L两端压差为负，电感L去磁，电感L电流下降，同时电感L电流向正压输出电容COP充电。在ΦN状态时，开关SW2、SW4导通，开关SW1、SW3关断，电感L一端接负输出电压VON，一端接地，此时电感L两端压差为负，电感L去磁电感L电流下降，同时，负压输出电容通过电感L电流放电。
电流采样电路3采样到的电流信号VSEN与斜坡补偿电路5通过加法器4相加得到信号VSUM。正压输出电压VOP与负压输出VON通过分压电阻分压，分别得到正反馈电压VFBP和负反馈电压VFBN，VFBP与正参考电压VREFP之间的误差通过放大器6放大为VEAP，VFBN与负参考电压VFBN之间的误差通过放大器7放大器VEAN。误差信号VEAP与VEAN通过加法器8得到VEAPN。
图1所示的该转换器采用峰值电流模式PWM控制，如图2所示为具体控制逻辑关系：VEAPN信号与VSUM信号作比较得到的信号通过PWM逻辑电路来控制ΦC状态的时间，以决定电感L积蓄能量的多少，VEAP、VEAN信号与VSUM信号作比较得到的信号通过PWM逻辑电路来分别控制ΦP状态和ΦN状态的时间，以决定能量的分配，分别调制正负压输出。
该控制方式存在的问题为：当负压输出电压|VON|越来越小，趋近于0时，该电路逐渐退化到ΦC，ΦP两个状态，也就变成了一个升压直流-直流转换器，也即，正压输出电压VOP无法低于电源电压，这就导致正输出电压的输出范围较小。
发明内容
为了增大直流转换器中正输出电压的输出范围，本申请提供一种直流转换器及PWM控制器的控制方法。
第一方面，本申请提供一种直流转换器，采用如下的技术方案：
一种直流转换器，包括：直流转换电路和PWM控制器，直流转换电路包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4，还包括电感L、正输出电容器COP和负输出电容器CON；第一开关SW1的第一端连接输入电压VIN，第一开关SW1的第二端连接于电感L的第一端，电感L的第二端连接于第三开关SW3的第一端，第三开关SW3的第二端连接于正输出电容器COP的第一端，正输出电容器COP的第二端与负输出电容器CON的第一端相连，负输出电容器CON的第二端通过第四开关SW4连接于电感L的第一端，正输出电容器COP的第二端和负输出电容器CON的第一端共接地；第二开关SW2的第二端接地，第二开关SW2的第一端连接于电感L的第二端；正输出电容器COP的第一端和负输出电容器CON的第二端之间连接负载；还包括：
PWM控制器，被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，所述第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；所述第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；
PWM控制器(7)，被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器(7)输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号；
PWM控制器(7)，还被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器(7)输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
通过采用上述技术方案，在输出第一状态信号和第二状态信号时对电感L做伏-秒平衡，可得D(VIN-0)=(1-D)(VOP-VON)，(VOP-VON)/VIN=D/(1-D)；其中，VIN为输入电压，VOP为正输出电压，VON为负输出电压，D为第一状态在一个周期内的工作时间占比，D(0,1)，(VOP-VON)/VIN(0,)，因此理论上正输出电压VOP和VON均可以是任意正电压和任意负电压，也就是说正输出电压VOP的输出范围与只能大于输入电压相比，得到了提升。
在一种可能实现的方式中，所述直流转换器还包括驱动电路；
所述驱动电路的输入端连接于PWM控制器的输出端，能够接收所述PWM控制器输出的D1脉冲信号和D2脉冲信号；
其中所述驱动电路接收D1脉冲信号以输出S1信号或S4信号，所述驱动电路接收D2脉冲信号以输出S2信号或S3信号，其中S1信号控制第一开关SW1导通，S4信号控制第四开关SW4导通，其中S2信号控制第二开关SW2导通，S3信号控制第三开关SW3导通；
其中D1脉冲信号为高电平时，驱动电路输出S1信号，D1脉冲信号为低电平时，驱动电路输出S4信号；D2脉冲信号为高电平时，驱动电路输出S2信号，D2脉冲信号为低电平时，驱动电路输出D3信号；
第一状态信号为连续且相等的高电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号，第二状态信号为连续且相等的低电平D1脉冲信号和连续的低电平D2脉冲信号，第三状态信号为连续的高电平D1脉冲信号和低电平D2脉冲信号，第四状态信号为连续的低电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号。
在一种可能实现的方式中，正输出电容器COP的第一端和第二端之间连接有串联的第一正极分压电阻器RFP1和第二正极分压电阻器RFP2，第一正极分压电阻器RFP1的第一端连接于正输出电容器COP的第一端，第二正极分压电阻器RFP2的第二端连接于正输出电容器COP的第二端，第一正极分压电阻器RFP1的第二端和第二正极分压电阻器RFP2的第一端连接；负输出电容器CON的第一端和第二端之间连接有串联的第一负极分压电阻器RFN1和第二负极分压电阻器RFN2，第一正极分压电阻器RFN1的第一端连接于负出电容器CON的第一端，第二负极分压电阻器RFN2的第二端连接于负出电容器CON的第二端，第一负极分压电阻器RFN1的第二端和第二负极分压电阻器RFN2的第一端连接；
还包括正极采样电路、负极采样电路以及中间采样电路；
正极采样电路采集第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP；
负极采样电路采集第一负极分压电阻器RFN1的第二端电压并转换成正电压后得到电压VFBN；
中间采样电路，采集第二开关SW2的第一端电流并转换成VSEN电压信号；
还包括时钟电路，用于产生时钟信号CLK输入PWM控制器的输入端，PWM控制器基于时钟信号CLK输出连续且相同的D1脉冲信号和D2脉冲信号，其中D1脉冲信号和D2脉冲信号的脉宽为预设周期。
在一种可能实现的方式中，所述直流转换器还包括第一放大模块和第二放大模块；
第一放大模块将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相加后增益输出，得到第一采样电压VEA1，其中VFBP=RFP2*VM1/（RFP1+RFP2），第二目标电压VM2为负输出电容器CON第二端的目标电压，VFBN=RFN2*VM2/（RFN1+RFN2）,VEA1=A1(VFBP-VREFP)+A1(VFBN-VREFN)，A1为第一放大模块的增益；
第一采样电压VEA1与中间采样电路得到的VSEN电压相加后输入PWM控制器的输入端，用以控制PWM控制器输出连续的D1脉冲信号；
第二放大模块将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相减后增益输出，得到第二采样电压VEA2，第二采样电压VEA2=A2(VFBP-VREFP)-A2(VFBN-VREFN)，A2为第二放大模块的增益；
第二采样电压VEA2输入PWM控制器的输入端，用以控制PWM控制器输出D2脉冲信号，且在第二采样电压VEA2大于对应的稳定电压时，PWM控制器输出脉宽大于D1脉冲信号的D2脉冲信号，在第二采样电压VEA2小于对应的稳定电压时，PWM控制器输出脉宽小于D1脉冲信号的D2脉冲信号，在VEA2等于对应的稳定电压时，PWM控制器输出脉宽相等的D1脉冲信号和D2脉冲信号，当正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1时，第二采样电压VEA2等于对应的稳定电压。
第二方面，本申请提供一种PWM控制器的控制方法，采用如下的技术方案：
一种PWM控制器的控制方法，应用于如第一方面所述的直流转换器，所述方法包括：
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，所述第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；所述第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号；
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
在输出第一状态信号和第二状态信号时对电感L做伏-秒平衡，可得D(VIN-0)=(1-D)(VOP-VON)，(VOP-VON)/VIN=D/(1-D)；其中，VIN为输入电压，VOP为正输出电压，VON为负输出电压，D为第一状态在一个周期内的工作时间占比，D(0,1)，(VOP-VON)/VIN(0,)，因此理论上正输出电压VOP和VON均可以是任意正电压和任意负电压，也就是说正输出电压VOP的输出范围与只能大于输入电压相比，得到了提升。
附图说明
图1是背景技术中相关技术的直流转换器的电路结构示意图；
图2是背景技术中各个工作状态电压和电流的时序图；
图3是本申请实施例中直流转换器的电路结构示意图；
图4是本申请实施例中PWM控制器输出信号的时序图；
图5是本申请实施例中直流转换电路几种在不同工作状态下的示意图；
图6是本申请实施例中PMW控制器的控制方法的流程示意图；
图7是本申请实施例中一种调整D2脉冲信号的脉宽的电路时序图；
图8是本申请实施例中另一种调整D2脉冲信号的脉宽的电路时序图；
图9是本申请实施例中另一种调整D2脉冲信号的脉宽的电路时序图。
附图标记说明：1、直流转换电路；2、正极采样电路；3、负极采样电路；4、第一放大模块；5、第二放大模块；6、中间采样电路；7、PWM控制器；8、驱动电路；9、时钟电路。
具体实施方式
以下结合附图1-附图9对本申请作进一步详细说明。
本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请实施例提供了一种直流转换器，参照图3,该直流转换器包括直流转换电路1；其中直流转换电路1包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4，还包括电感L、正输出电容器COP和负输出电容器CON。具体地，第一开关SW1的第一端连接输入电压VIN，第一开关SW1的第二端连接于电感L的第一端，电感L的第二端连接于第三开关SW3的第一端，第三开关SW3的第二端连接于正输出电容器COP的第一端，正输出电容器COP的第二端与负输出电容器CON的第一端相连，负输出电容器CON的第二端通过第四开关SW4连接于电感L的第一端，正输出电容器COP的第二端和负输出电容器CON的第一端共接地；第二开关SW2的第二端接地，第二开关SW2的第一端连接于电感L的第二端；正输出电容器COP的第一端和负输出电容器CON的第二端之间连接负载。
进一步地，由于正输出电容器COP的第一端电压VOP和负输出电容器CON的第二端电压VON均较大，不便于采样，因此，进一步地，在正输出电容器COP的第一端和第二端之间连接有串联的第一正极分压电阻器RFP1和第二正极分压电阻器RFP2，第一正极分压电阻器RFP1的第一端连接于正输出电容器COP的第一端，第二正极分压电阻器RFP2的第二端连接于正输出电容器COP的第二端，第一正极分压电阻器RFP1的第二端和第二正极分压电阻器RFP2的第一端连接；负输出电容器CON的第一端和第二端之间连接有串联的第一负极分压电阻器RFN1和第二负极分压电阻器RFN2，第一正极分压电阻器RFN1的第一端连接于负出电容器CON的第一端，第二负极分压电阻器RFN2的第二端连接于负出电容器CON的第二端，第一负极分压电阻器RFN1的第二端和第二负极分压电阻器RFN2的第一端连接。
进一步地，参照图3，直流转换器还包括PWM控制器7和驱动电路8。
具体地， PWM控制器7的输出端连接于驱动电路8的输入端，驱动电路8能够接收PWM控制器7输出的D1脉冲信号和D2脉冲信号。具体地，驱动电路8接收D1脉冲信号以输出S1信号或S4信号，驱动电路8接收 D2脉冲信号以输出S2信号或S3信号，其中S1信号控制第一开关SW1导通，S4信号控制第四开关SW4导通，其中S2信号控制第二开关SW2导通，S3信号控制第三开关SW3导通。
具体地，参照图4，当D1脉冲信号为高电平时，驱动电路8输出S1信号，D1脉冲信号为低电平时，驱动电路8输出S4信号。当D2脉冲信号为高电平时，驱动电路8输出S2信号，D2脉冲信号为低电平时，驱动电路8输出S3信号。
PWM控制器7被配置为，当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器7每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通。其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压，正压输出电流IOP为正输出电容器COP第一端的输出电流，负压输出电流ION为负输出电容器CON第二端的输出电流。
PWM控制器7还被配置为，当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器7输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号。
PWM控制器7还被配置为，当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器7输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
其中，正输出电容器COP第一端的电压VOP即为正输出电压，负输出电容器CON第二端的电压VON即为负输出电压。
对于本申请实施例，参照图4和图5，为了便于阐述，将直流转换电路1划分为四个状态。其中，第一状态信号使得直流转换电路1进入Φ1状态，第二状态信号使得直流转换电路1进入Φ2状态；第三状态信号使得直流转换电路1进入ΦP状态，第四状态信号使得直流转换电路1进入ΦN状态。
具体地，参照图4和图5，第一状态信号为连续且相等的高电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号，第二状态信号为连续且相等的低电平D1脉冲信号和连续的低电平D2脉冲信号，第三状态信号为连续的高电平D1脉冲信号和低电平D2脉冲信号，第四状态信号为连续的低电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号。
具体地，第一状态信号为连续的高电平D1脉冲信号和连续的高电平D2脉冲信号，第二状态信号为连续的低电平D1脉冲信号和连续的低电平D2脉冲信号。在Φ1状态和Φ2状态时，D1脉冲信号和D2脉冲信号的脉宽相同，即D1脉冲信号和D2脉冲信号同时上升到高电平，同时下降到低电平，即D1脉冲信号和D2脉冲信号为完全相同的两个信号。其中，直流转换器还包括时钟电路9，时钟电路9连接于PWM控制器7的输入端，时钟电路9向PWM控制器7提供CLK时钟信号，以控制在第一状态信号和第二状态信号中的D1脉冲信号和D2脉冲信号的脉宽。D1脉冲信号和D2脉冲信号的脉宽为预设周期。
第三状态信号为连续的高电平D1脉冲信号和连续的低电平D2脉冲信号。其中，在ΦP状态时，D1脉冲信号的脉宽与Φ1状态和Φ2状态时输出D1脉冲信号的脉宽相同，D2脉冲信号的低电平脉宽增加，D2脉冲信号的高电平脉宽减小。也即，在ΦP状态时，D1脉冲信号和D2脉冲信号的周期相同，且D1脉冲信号和D2脉冲信号上升高电平的时刻相同，在一个周期内，D2脉冲信号在高电平的工作时长，小于在低电平的工作时长。
第四状态信号为连续的低电平D1脉冲信号和连续的高电平D2脉冲信号，其中D1脉冲信号和D2脉冲信号的周期相同，上升至高电平的时刻相同，同时D1脉冲信号在高电平持续的时长小于D2脉冲信号在高电平持续的时长，D2脉冲信号在低电平持续的时长小于D1脉冲信号在低电平持续的时长。
进一步地，参照图3，直流转换器还包括正极采样电路2、负极采样电路3以及中间采样电路6，其中：正极采样电路2采集第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP；负极采样电路3采集第一负极分压电阻器RFN1的第二端电压并转换成正电压后得到电压VFBN；中间采样电路6，采集第二开关SW2的第一端电流并转换成VSEN电压信号。
进一步地，直流转换器还包括第一放大模块4和第二放大模块5。其中，第一放大模块4将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相加后增益输出得到第一采样电压VEA1，其中VFBP=RFP2*VM1/（RFP1+RFP2），第二目标电压VM2为负输出电容器CON第二端的目标电压，VFBN=RFN2*VM2/（RFN1+RFN2）,VEA1=A1(VFBP-VREFP)+A1(VFBN-VREFN)，A1为第一放大模块4的增益。第一采样电压VEA1与中间采样电路6得到的VSEN电压相加后输入PWM控制器7的输入端，用以控制PWM控制器7输出连续的D1脉冲信号。
第二放大模块5将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相减后增益输出，得到第二采样电压VEA2，第二采样电压VEA2=A2(VFBP-VREFP)-A2(VFBN-VREFN)，A2为第二放大模块5的增益。
第二采样电压VEA2输入PWM控制器7的输入端，用以控制PWM控制器7输出D2脉冲信号。在第二采样电压VEA2大于对应的稳定电压时，PWM控制器7输出脉宽大于D1脉冲信号的D2脉冲信号；在第二采样电压VEA2小于对应的稳定电压时，PWM控制器7输出脉宽小于D1脉冲信号的D2脉冲信号；在VEA2等于对应的稳定电压时，PWM控制器7输出脉宽相等的D1脉冲信号和D2脉冲信号，当正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1时，第二采样电压VEA2等于对应的稳定电压。如图4中水平的虚线即为VEA2电压对应的稳定电压。
其中第一放大模块4的输出电压VEA1与中间采样模块的输出电压VSEN相加后输出PWM控制器7的输入端，用以控制PWM控制器7输出D1脉冲信号。第二放大模块5的输出电压VEA2输入PWM控制器7的输入端，用以控制PWM控制器7输出D2脉冲信号。
以下内容具体阐述在正极输出电流IOP等于负极输出电流ION时，直流转换电路1的工作原理：
参照图4和图5，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压，在电压VOP等于第一目标电压VM1时，VFBN等于VREFP，在Φ1状态时，开关SW1、SW2导通，开关SW3、SW4关断，此时电感L左侧的第一端连接输入电压VIN，电感L第二端接地，电感L两端压差大于0，电感L电流上升，电感L充磁，电流由输入端流向地端，电感L电流上升，正输出电压VOP和负输出电压VON的幅值均降低。
在Φ2状态时，开关SW1、SW2关断，SW3、SW4导通，此时电感L第一端与负输出电容器CON的第二端相连，电感L第二端与正输出电容器COP的第一端相连，也即，电感L的第一端为电压VON，电感L的第二端电压为VOP，电感L两端压差小于0，电感L电流降低，电感L去磁，电流由负输出VON流向正输出VOP。电感L电流下降，正输出电压VOP和负输出电压VON均上升。
在正输出电容器COP和负输出电容器CON之间接入负载时，当电压VOP等于第一目标电压VM1时，PWM控制器7持续输出脉宽相等的D1脉冲信号和D2脉冲信号，且D1脉冲信号和D2脉冲信号完全相同。
直流转换电路1周期性交替工作在Φ1 ,Φ2两种状态，便可将输入电压VIN同时转换成一个正输出电压VOP和一个负输出电压VON。
对电感L做伏-秒平衡，可得D(VIN-0)=(1-D)(VOP-VON)，(VOP-VON)/VIN=D/(1-D)；其中，VIN为输入电压，VOP为正输出电压，VON为负输出电压，D为Φ1在一个周期内的工作时间占比，D∈(0,1)，(VOP-VON)/VIN∈(0,∞)，因此理论上VOP和VON能是任意正电压和负电压。
在直流转换电路1产生稳定的正压输出VOP与稳定的负压输出VON的过程中，可根据VOP或VON的状态插入ΦP或ΦN状态。
参照图4和图5，具体地，在ΦP状态时，开关SW1、SW3导通，开关SW2、W4关断，此时电流从电感L左侧的输入端通过电感L流向正输出电容器COP的第一端，而没有电流从负输出电容器CON的第二端流出；因此，正输出电压VOP会上升，负压输出电压VON会下降。
在正输出电容器COP第一端的电压VOP小于第一目标电压VM1时，电压VOP＜电压VREFP，为了提高电压VOP，需要更多的电流流向正输出电容器COP的第一端，所以此时直流转换电路1会插入ΦP状态，使得正输出电压VOP上升；直到电压VOP等于第一目标电压VM1时，便将ΦP状态去掉，电路又回到Φ1 ,Φ2交替的状态。此时PWM控制器7输出的D1脉冲信号和D2脉冲信号，且D1脉冲信号相对于Φ1状态时的D1脉冲信号无变化；D2脉冲信号相对于D1脉冲信号，在每一个周期内，D2脉冲信号在高电平的工作时间变短，且在低电平的工作时间边长，但是D2脉冲信号的周期与D1脉冲信号的周期仍然相同，也即脉宽相同。
具体地，在ΦN状态时，开关SW2、SW4导通，开关SW2、SW3关断，此时电流从VON通过电感L流向地端,而没有电流流入正输出电容器COP的第一端，正压输出电压VOP会下降，负压输出电压VON会上升。
当正输出电压VOP>第一目标电压VM1时，VFBP>VREFP, 即当正输出电压VOP比目标电压VM1更高时，意味着此时不需要有电流流向正输出电容器COP的第一端，所以该电路会插入ΦN状态，使得VOP下降，直到正输出电压VOP=VM1时，便将ΦN状态去掉，电路又回到Φ1,Φ2交替工作的状态。此时PWM控制器7输出的D1脉冲信号和D2脉冲信号，且D1脉冲信号相对于Φ1状态时的D1脉冲信号无变化；D2脉冲信号相对于D1脉冲信号，在每一个周期内，D2脉冲信号在低电平的工作时间变短，且在高电平的工作时间边长，但是D2脉冲信号的周期与D1脉冲信号的周期仍然相同，也即脉宽相同。
以下内容具体阐述在正极输出电流IOP不等于负极输出电流ION时，直流转换电路1的工作原理：
当正极输出电流IOP大于负极输出电流ION时，正输出电压VOP大于负输出电压VON，而通常该直流转换器的使用工况，也即负载的工作要求是正输出电压VOP要大于等于负输出电压VON，因此，此时要实现增加正输出电压，降低负输出电压。此时，直流转换电路1由稳定工作的时Φ1状态和Φ2状态交替的状态，变为在Φ1状态和Φ2状态之间插入ΦP状态，进而使得正输出电压VOP上升，负输出电压VON下降。
当正极输出电流IOP小于负极输出电流ION时，此时要降低正输出电压，提升负输出电压。此时，直流转换电路1由稳定工作的时Φ1状态和Φ2状态交替的状态，变为在Φ1状态和Φ2状态之间插入ΦN状态，进而使得正输出电压VOP下降，负输出电压VON上升。
在本申请实施例中，当直流转换电路1在稳定工作时，即在正输出电压稳VOP等于第一目标电压VM1，且正极输出电流IOP等于负极输出电流ION时，直流转换电路1只有Φ1状态和Φ2状态两种状态，此时D1脉冲信号和D2脉冲信号完全相同，并且D1脉冲信号和D2脉冲信号均只有两个相位。在正输出电压VOP和/或负输出电压VON调节过程中，引入ΦP状态和ΦN状态的电压调节状态，在理论上正输出电压VOP和负输出电压VON均可以为任意电压值，与相关技术相比，本申请实施例中的直流转换器的正输出电压可以小于输入电压VIN，进而能够实现输出较宽范围的正输出电压。
进一步地，本申请实施例中的直流转换电路1对正负端负载电流的差别不敏感，理论上在正输出电容器COP和负输出电容器CON之间位非空载的条件下，该电路都能稳定工作。并且本申请实施例的方案只需要一个带补偿的放大器即可实现第一放大模块4和第二放大模块5的功能，减少了无源补偿器件如电阻、电容的使用。
由于ΦP和ΦN状态的存在，能够对正输出电压VOP和负输出电压VON进行调节，而在相关技术中，对正输出电压VOP和负输出电压VON的调节通常需要斜坡补偿电路来实现，因而，本申请中的直流转换器的电路结构，还减少了对斜坡补偿电路的应用。
本申请实施例提供一种PWM控制器的控制方法，应用于上述实施例中的直流转换器中的电路结构；具体地，如图所示，一种PWM控制方法包括：
步骤S61、当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，所述第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；所述第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；
步骤S62、当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号；
步骤S63、当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
在本控制方法中，PWM控制器会根据带补偿的放大器输出的VEA1电压来产生D1脉冲信号，来调制正压输出电压VOP与负压输出电压VON的差值VOP-VON，以使得VOP-VON=VM1-VM2。PWM控制器会根据放大器的输出VEA2来产生大于/等于/小于D1脉冲信号脉宽的D2脉冲信号，分别使正压输出VOP与负压输出VON调制到各自对应的目标电压值, 以使得直流转换电路1的正输出电压VOP=第一目标电压VM1, 负输出电压VON=第二目标电压VM2。
并且进一步地，凡是正压输出电压VOP与负压输出VON稳定时，功率级电路也即直流转换电路1只工作在两个相位的单电感L双极性输出直流-直流转换器，本申请实施例提供的一种PWM控制器的控制方法均适用，并且，不仅基于正输出电流和负输出电流对正输出电压和负输出电压的调节方式适用，基于正输出电压和目标电压的关系来实现对正输出电压和负输出电压的调节方式也适用。
进一步地，根据第二放大模块5的输出电压VEA2来调整D2脉冲信号的脉宽的电路，包括但不限于：如图7所示，根据不同的电压VEA2，产生不同的延时的电路；如图8所示，根据不同的电压VEA2，产生与基准电压VEA1有不同抵消的电压，再与相同的斜坡比较；如图9所示，根据不同的电压VEA2，调整不同的斜坡电路的高度的电路，然后用相同的VEA1信号与不同高度的斜坡信号作比较等等。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (5)
1.一种直流转换器，包括直流转换电路(1)和PWM控制器(7)，直流转换电路(1)包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3以及第四开关SW4，还包括电感L、正输出电容器COP和负输出电容器CON；第一开关SW1的第一端连接输入电压VIN，第一开关SW1的第二端连接于电感L的第一端，电感L的第二端连接于第三开关SW3的第一端，第三开关SW3的第二端连接于正输出电容器COP的第一端，正输出电容器COP的第二端与负输出电容器CON的第一端相连，负输出电容器CON的第二端通过第四开关SW4连接于电感L的第一端，正输出电容器COP的第二端和负输出电容器CON的第一端共接地；第二开关SW2的第二端接地，第二开关SW2的第一端连接于电感L的第二端；正输出电容器COP的第一端和负输出电容器CON的第二端之间连接负载；其特征在于：
所述PWM控制器(7)，被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器(7)每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，所述第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；所述第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；
所述PWM控制器(7)，被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器(7)输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号；
所述PWM控制器(7)，还被配置为当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器(7)输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
2.根据权利要求1所述的一种直流转换器，其特征在于：还包括驱动电路(8)；
所述驱动电路(8)的输入端连接于PWM控制器(7)的输出端，能够接收所述PWM控制器(7)输出的D1脉冲信号和D2脉冲信号；
其中所述驱动电路(8)接收D1脉冲信号以输出S1信号或S4信号，所述驱动电路(8)接收D2脉冲信号以输出S2信号或S3信号，其中S1信号控制第一开关SW1导通，S4信号控制第四开关SW4导通，其中S2信号控制第二开关SW2导通，S3信号控制第三开关SW3导通；
其中D1脉冲信号为高电平时，驱动电路(8)输出S1信号，D1脉冲信号为低电平时，驱动电路(8)输出S4信号；D2脉冲信号为高电平时，驱动电路(8)输出S2信号，D2脉冲信号为低电平时，驱动电路(8)输出D3信号；
第一状态信号为连续且相等的高电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号，第二状态信号为连续且相等的低电平D1脉冲信号和连续的低电平D2脉冲信号，第三状态信号为连续的高电平D1脉冲信号和低电平D2脉冲信号，第四状态信号为连续的低电平D1脉冲信号和高电平D2脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的一种直流转换器，正输出电容器COP的第一端和第二端之间连接有串联的第一正极分压电阻器RFP1和第二正极分压电阻器RFP2，第一正极分压电阻器RFP1的第一端连接于正输出电容器COP的第一端，第二正极分压电阻器RFP2的第二端连接于正输出电容器COP的第二端，第一正极分压电阻器RFP1的第二端和第二正极分压电阻器RFP2的第一端连接；负输出电容器CON的第一端和第二端之间连接有串联的第一负极分压电阻器RFN1和第二负极分压电阻器RFN2，第一正极分压电阻器RFN1的第一端连接于负出电容器CON的第一端，第二负极分压电阻器RFN2的第二端连接于负出电容器CON的第二端，第一负极分压电阻器RFN1的第二端和第二负极分压电阻器RFN2的第一端连接；其特征在于，还包括正极采样电路(2)、负极采样电路(3)以及中间采样电路(6)；
正极采样电路(2)采集第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP；
负极采样电路(3)采集第一负极分压电阻器RFN1的第二端电压并转换成正电压后得到电压VFBN；
中间采样电路(6)，采集第二开关SW2的第一端电流并转换成VSEN电压信号；
还包括时钟电路(9)，用于产生时钟信号CLK输入PWM控制器(7)的输入端，PWM控制器(7)基于时钟信号CLK输出连续且相同的D1脉冲信号和D2脉冲信号，其中D1脉冲信号和D2脉冲信号的脉宽为预设周期。
4.根据权利要求3所述的一种直流转换器，其特征在于：还包括第一放大模块(4)和第二放大模块(5)；
第一放大模块(4)将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相加后增益输出，得到第一采样电压VEA1，其中VFBP=RFP2*VM1/（RFP1+RFP2），第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压，第二目标电压VM2为负输出电容器CON第二端的目标电压，
VFBN=RFN2*VM2/（RFN1+RFN2）,VEA1=A1(VFBP-VREFP)+A1(VFBN-VREFN)，A1为第一放大模块(4)的增益；
第一采样电压VEA1与中间采样电路(6)得到的VSEN电压相加后输入PWM控制器(7)的输入端，用以控制PWM控制器(7)输出连续的D1脉冲信号；
第二放大模块(5)将第一正极分压电阻器RFP1的第二端电压VFBP与第一参考电压VREFP之间的误差以及电压VFBN与第二参考电压VREFN之间的误差相减后增益输出，得到第二采样电压VEA2，第二采样电压VEA2=A2(VFBP-VREFP)-A2(VFBN-VREFN)，A2为第二放大模块(5)的增益；
第二采样电压VEA2输入PWM控制器(7)的输入端，用以控制PWM控制器(7)输出D2脉冲信号，且在第二采样电压VEA2大于对应的稳定电压时，PWM控制器(7)输出脉宽大于D1脉冲信号的D2脉冲信号，在第二采样电压VEA2小于对应的稳定电压时，PWM控制器(7)输出脉宽小于D1脉冲信号的D2脉冲信号，在VEA2等于对应的稳定电压时，PWM控制器(7)输出脉宽相等的D1脉冲信号和D2脉冲信号，当正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1时，第二采样电压VEA2等于对应的稳定电压。
5.一种PWM控制器的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4任一项所述的直流转换器，所述方法包括：
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP等于第一目标电压VM1且正压输出电流IOP等于负压输出电流ION时，PWM控制器每隔预设周期交替输出第一状态信号和第二状态信号，所述第一状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步导通，第三开关SW3和第四开关SW4同步断开；所述第二状态信号用于控制第一开关SW1和第二开关SW2同步断开，第三开关SW3和第四开关SW4同步导通；其中，第一目标电压VM1为正输出电容器COP应达到的工作电压；
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP小于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP大于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3导通，且第二开关SW2和第四开关SW4断开的第三状态信号；
当判断正输出电容器COP的第一端电压VOP大于第一目标电压VM1或正压输出电流IOP小于负压输出电流ION时，PWM控制器输出用以控制第一开关SW1和第三开关SW3断开，且第二开关SW2和第四开关SW4导通的第四状态信号。
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