CN211352048U - 一种四开关升降压型变换器的控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于开关电源技术领域,涉及一种四开关升降压型变换器的控制电路,包括功率转换电路模块、负载电路模块、电流采样模块、开关转换模块、电流PWM比较器模块、逻辑和驱动模块;通过在升压和降压模式下合理、巧妙地变换电流PWM比较器的正负端输入,使变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式,升压模式下工作在峰值电流模式控制方式,保证变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变,并提供逐周期检测和限流功能,保护系统安全。同时,通过开关转换模块中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器的输入端信号,使采样单一的电流采样模块、PWM比较器和斜坡补偿信号能够实现升压和降压模式的控制,简化电路的复杂性。
Description
技术领域
本实用新型属于开关电源技术领域,涉及一种四开关升降压型变换器的控制电路。
背景技术
DC/DC变换器具有集成度高,效率高,稳压范围宽的优点,因此,广泛应用于各种电子通讯等技术领域。而升降压型DC/DC变换器是一种输出电压既可以大于又可以小于输入电压的直流电压变换器,因此具有更高的研究与开发意义。
典型的升降压拓扑图参见图1所示,由输入电源VIN,功率管M1,整流管M2,储能电感L,输出电容CO和负载电阻R组成。变换器工作时主要分两阶段进行:第一阶段,功率管M1导通,整流管M2关断,输入电源的能量通过功率管M1传递给储能电感L,此时,输出所需要的能量由输出电容CO来提供,电流由电容下极板流出经负载电阻流回电容上级板,输出电压为负电压;第二阶段,功率管M1关断,整流管M2导通,为电感电流提供通路,此时电流通过负载电阻由下端流到上端,因此输出电压也为负值。如此,整个变换器周期性的重复以上过程,维持输出电压的恒定。由电路的伏秒平衡原理可以得到变换器的增益为:
其中D为占空比,根据占空比的不同可以实现升压或者降压功能。
然而,上述变换器的输入和输出电压极性是相反的。为了得到正相的升降压变换器,我们将传统的降压型变换器和传统的升压型变换器级联,可以得到四开关升降压型DC/DC变换器,从而实现正相的降压或者升压功能,而如何控制四开关升降压型变换器高效稳定地工作仍是目前亟需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种四开关升降压型变换器的控制电路,以有效地控制四开关升降压型变换器进行高效稳定地运作。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的:
一种四开关升降压型变换器的控制电路,包括:
功率转换电路模块,用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输,所述功率转换电路模块与负载电路模块连接;所述功率转换电路模块包括多个功率管,其中,功率管B和功率管C的源极与电流采样模块的输入端连接,所述电流采样模块的输出端接开关转换模块的第一输入端M,所述开关转换模块的第二输入端N接电流限值Icomp信号;
所述开关转换模块的第一输出端X接电流PWM比较器的正相输入端,所述开关转换模块的第二输出端Y接电流PWM比较器的负相输入端;所述电流PWM比较器的输出端与逻辑和驱动模块的输入端连接,所述逻辑和驱动模块的输出端与功率管的栅极连接,通过开关转换模块中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器输入端的连接方式,实现对变换器升压和降压模式下的控制。
进一步,所述开关转换模块包括第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门;所述第一传输门、第二传输门的输入均端接开关转换模块的第二输入端N,所述第一传输门的输出端接开关转换模块的第一输出端X,所述第二传输门的输出端接开关转换模块的第二输出端Y;所述第三传输门、第四传输门的输入端均接开关转换模块的第一输入端M,所述第三传输门的输出端接开关转换模块的第二输出端Y,所述第四传输门的输出端接开关转换模块第一输出端X。
进一步,所述控制电路还包括斜坡补偿电流产生模块,所述斜坡补偿电流产生模块的输出端与电流PWM比较器的负相输入端连接,所述斜坡补偿电流产生模块的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器的负相输入端。
进一步,当变换器在升压模式下占空比大于50%和降压模式下占空比小于50%时,所述斜坡补偿电流产生模块将产生斜坡补偿电流信号,避免次谐波振荡现象。
进一步,所述功率转换电路模块还包括功率管A、D和电感L,所述功率管A的漏极接变换器的输入电压VIN,所述功率管A的源极分别与电感L的一端、功率管B的漏极连接,所述功率管B的源极分别与电流采样模块、功率管C的源极连接;所述功率管D的漏极接变换器的输出电压VOUT,所述功率管D的源极分别与电感L的另一端、功率管C的漏极连接;所述功率管A、B、C和D的栅极分别与逻辑和驱动模块的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
进一步,所述电流采样模块包括采样电阻和电流采样电路,所述采样电阻的m端接功率管B和功率管C的源极,n端接功率地;所述采样电阻的m端还与电流采样电路的第一输入端连接,所述采样电阻的n端还与电流采样电路的第二输入端连接。
进一步,所述电流采样模块分时段采样流过电感L的电流。
进一步,所述负载电路模块由电容CO和负载电阻R并联组成负载RO,所述电阻R和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT,另一个公共节点接地。
与现有技术相比,本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果:通过开关转换模块中各传输门的导通与关断,能够改变电流PWM比较器的输入端的连接方式,使变换器能够在升压和降压模式下合理、巧妙地变换PWM比较器的正、负端输入,使变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式,升压模式下工作在峰值电流模式控制方式,保证变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变,并且提供逐周期检测和限流功能,保护系统安全。而且,通过开关转换模块中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器的输入端信号,使变换器采样单一的电流采样模块、单一的PWM比较器和单一的斜坡补偿信号就能实现升压和降压模式的控制,大大简化了电路的复杂性。此外,由于电流环的存在,输出端LC网络构成的二阶系统由电感导致的延迟因素被电流环路抵消,使得系统频率补偿变得简单容易。
此外,通过增加斜坡补偿电流产生模块的设计,斜坡补偿电流产生模块的输出信号Islope将作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器的负相输入端,用于消除在升压模式下占空比大于50%和降压模式下占空比小于50%时发生的次谐波振荡现象,保持整个环路的稳定。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
为了更清楚地说明本实用新型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,对于本领域普通技术人员而言,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为现有典型升降压型DC/DC变换器的拓扑图;
图2为本实用新型提供的一种四开关升降压型变换器的控制电路的连接框图;
图3为本实用新型提供的一种四开关升降压型变换器的控制电路中电流采样模块的连接示意图;
图4为本实用新型提供的一种四开关升降压型变换器的控制电路中开关转换模块的连接示意图;
图5为降压模式下所采用的谷值电流模式控制方式下电流PWM比较器的输入信号及采样电流信号的波形图;
图6为升压模式下所采用的峰值电流模式控制方式下电流PWM比较器的输入信号及采样电流信号的波形图。
其中:101为功率转换电路模块;102为负载电路模块;103为电流采样模块;103-1为采样电阻;103-2为电流采样电路;104为开关转换模块;104-1为第一传输门;104-2为第二传输门;104-3为第三传输门;104-4为第四传输门;105为斜坡补偿电流产生模块;106为电流PWM比较器模块;107为逻辑和驱动模块。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案,下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述。
实施例1:
参见图2所示,本实用新型提供了一种四开关升降压型变换器的控制电路,包括:
功率转换电路模块101,用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输,功率转换电路模块101与负载电路模块102连接;功率转换电路模块101包括多个功率管,其中,功率管B和功率管C的源极与电流采样模块103的输入端连接,电流采样模块103的输出端接开关转换模块104的第一输入端M,开关转换模块104的第二输入端N接电流限值Icomp信号;
开关转换模块104的第一输出端X接电流PWM比较器106的正相输入端,开关转换模块104的第二输出端Y接电流PWM比较器106的负相输入端;电流PWM比较器106的输出端与逻辑和驱动模块107的输入端连接,逻辑和驱动模块107的输出端与功率管的栅极连接,通过开关转换模块104中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器输入端的连接方式,实现对变换器升压和降压模式下的控制。
进一步,参见图4所示,开关转换模块104包括第一传输门104-1、第二传输门104-2、第三传输门104-3和第四传输门104-4;第一传输门104-1的输入端接开关转换模块104的第二输入端N,第一传输门104-1的输出端接开关转换模块104的第一输出端X;第二传输门104-2的输入端接开关转换模块104的第二输入端N,第二传输门104-2的输出端接开关转换模块104的第二输出端Y;第三传输门104-3的输入端接开关转换模块104的第一输入端M,第三传输门104-3的输出端接开关转换模块104的第二输出端Y;第四传输门104-4的输入端接开关转换模块104的第一输入端M,第四传输门104-4的输出端接开关转换模块104第一输出端X。
当变换器工作在降压模式下,开关转换模块104的控制信号Q1为低电平,Q2为高电平,第一传输门104-1和第三传输门104-3关断,第二传输门104-2和第四传输门104-4导通,将电流采样模块103采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器106的正相输入端,将Icomp信号送入电流PWM比较器106的负相输入端。
当变换器工作在升压模式下,开关转换模块104的控制信号Q1为高电平,Q2为低电平,第一传输门104-1和第三传输门104-3导通,第二传输门104-2和第四传输门104-4关断,将电流采样模块103采样得到的电流信号Isense送至电流PWM比较器106的负相输入端,将Icomp信号送入电流PWM比较器106的正相输入端。
进一步,还包括斜坡补偿电流产生模块105,斜坡补偿电流产生模块105的输出端与电流PWM比较器106的负相输入端连接,斜坡补偿电流产生模块105的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器106的负相输入端。
进一步,当变换器在升压模式下占空比大于50%和降压模式下占空比小于50%时,斜坡补偿电流产生模块105将产生斜坡补偿电流信号,避免次谐波振荡现象,保持环路的稳定。
进一步,功率转换电路模块101还包括功率管A、D和电感L,功率管A的漏极接变换器的输入电压VIN,功率管A的源极分别与电感L的一端、功率管B的漏极连接,功率管B的源极分别与电流采样模块103、功率管C的源极连接;功率管D的漏极接变换器的输出电压VOUT,功率管D的源极分别与电感L的另一端、功率管C的漏极连接;功率管A、B、C和D的栅极分别与逻辑和驱动模块107的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
当输入电压VIN>输出电压VOUT时,功率管C保持关断状态,功率管D保持导通状态,功率管A和B交替导通,变换器工作在降压模式下;在降压模式下,当功率管A关断,功率管B导通时,电流采样电路103-2采样流过采样电阻103-1的电流。
当输入电压VIN<输出电压VOUT时,功率管B保持关断状态,功率管A保持导通状态,功率管C和D交替导通,变换器工作在升压模式下;在升压模式下,当功率管D关断,功率管C导通时,电流采样电路103-2采样流过采样电阻103-1的电流。
进一步,参见图3所示,电流采样模块103包括采样电阻103-1和电流采样电路103-2,采样电阻103-1的m端接功率管B和功率管C的源端E点,n端接功率地;采样电阻103-1的m端还与电流采样电路103-2的第一输入端相接,采样电阻103-1的n端还与电流采样电路103-2的第二输入端相接。
进一步,电流采样模块103分时段采样流过电感L的电流。
进一步,负载电路模块102由电容CO和负载电阻R并联组成负载RO,所述电阻R和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT,另一个公共节点接地。
综上,这种四开关升降压型变换器的控制电路,其具体的控制方法如下:
1)当变换器的输入电压VIN>输出电压VOUT时,功率管C保持关断状态,功率管D保持导通状态,功率管A和B交替导通,变换器工作在降压模式下:
在每个周期的起点,时钟信号clk信号将触发逻辑和驱动模块107将功率管B导通、功率管A关断,电感电流通过功率管B和采样电阻103-1续流,电感L的电流逐渐减小,此时电流采样模块103工作,对流过电感L的电流进行采样;
在降压模式下,开关转换模块104的控制信号Q1为低电平,Q2为高电平,第一传输门104-1和第三传输门104-3关断,第二传输门104-2和第四传输门104-4导通,将电流采样模块103采样得到的电流Isense信号送至电流PWM比较器106的正相输入端,将电流限值Icomp信号送入电流PWM比较器106的负相输入端,变换器采用谷值电流模式控制方式;如图5所示,在时钟信号clk信号到来之后,功率管B开始导通,电流采样模块103工作,采样得到的电感电流Isense逐渐减小,当减小到电流限值Icomp与斜坡补偿电流产生模块105产生的补偿电流Islope之和时,电流PWM比较器模块106的输出信号翻转,电流采样模块103停止工作,电流PWM比较器模块106的输出信号通过逻辑和驱动模块107使功率管B关断,功率管A导通,VIN的能量将通过功率管A,电感L和功率管D传输至输出端,电感电流逐渐增加,直至下一个时钟信号clk信号的到来。如此往复循环,维持输出稳定。在降压模式下,若占空比大于50%,则不会发生次斜波振荡现象,斜坡补偿电流为0。
2)当变换器的输入电压VIN<输出电压VOUT时,功率管B保持关断状态,功率管A保持导通状态,功率管C和D交替导通,变换器工作在升压模式下:
在每个周期的起点,时钟信号clk信号将触发逻辑和驱动模块107将功率管C导通、功率管D关断,此时电流采样模块103工作,对流过电感L的电流进行采样;
在升压模式下,开关转换模块104的控制信号Q1为高电平,Q2为低电平,第一传输门104-1和第三传输门104-3导通,第二传输门104-2和第四传输门104-4关断,将电流采样模块103采样得到的电流Isense信号送至电流PWM比较器106的负相输入端,将电流限值Icomp信号送入电流PWM比较器106的正相输入端,变换器采用谷值电流模式控制方式;如图6所示,在时钟信号clk信号到来之后,功率管C开始导通,此时电流采样模块103工作,电感L上的电流通过采样电阻103-1和功率管C,电感L电流逐渐增大,当采样电流Isense与斜坡补偿电流值Islope之和与电流限值Icomp相等时,也即当采样电感电流增加到电流限值Icomp信号与斜坡补偿电流产生模块105产生的补偿电流Islope之差时,电流PWM比较器模块106的输出信号翻转,通过逻辑和驱动模块107使得功率管C关断,功率管D导通,此时电流采样模块103停止工作,VIN的能量将通过功率管A,电感L和功率管D传输至输出端,电感L的电流逐渐减小,直至下一个时钟信号clk的到来。如此往复循环,维持输出稳定。在升压模式下,若占空比小于50%,则不会发生次斜波振荡现象,斜坡补偿电流为0。
综上,本实用新型提供的这种四开关升降压型变换器的控制电路,结构简单,通过在升压和降压模式下合理、巧妙地变换电流PWM比较器106的正、负端输入,使变换器在降压模式下工作在谷值电流模式控制方式,升压模式下工作在峰值电流模式控制方式,使变换器可以快速响应输入电压变化和输出负载跳变,并且提供逐周期检测和限流功能,保护系统安全。同时,通过开关转换模块104改变电流PWM比较器106的输入端信号,使得变换器中采样单一的电流采样模块103、单一的电流PWM比较器106和单一的斜坡补偿电流产生模块105产生的信号均能实现升压和降压模式的控制,大大简化了电路的复杂性。除此之外,由于电流环的存在,输出端LC网络构成的二阶系统由电感导致的延迟因素被电流环路抵消,使得系统频率补偿变得更加简单容易。因此,本实用新型使用开关转换模块104中不同的传输门改变不同情况下电流PWM比较器输入端的连接关系,巧妙地实现了控制方式的转变,电路结构简单且效果良好。
以上所述仅是本实用新型的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。
应当理解的是,本实用新型并不局限于上述已经描述的内容,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,包括:
功率转换电路模块(101),用于变换器在升压或降压模式下进行能量传输,所述功率转换电路模块(101)与负载电路模块(102)连接;所述功率转换电路模块(101)包括多个功率管,其中,功率管B和功率管C的源极与电流采样模块(103)的输入端连接,所述电流采样模块(103)的输出端接开关转换模块(104)的第一输入端M,所述开关转换模块(104)的第二输入端N接电流限值Icomp信号;
所述开关转换模块(104)的第一输出端X接电流PWM比较器(106)的正相输入端,所述开关转换模块(104)的第二输出端Y接电流PWM比较器(106)的负相输入端;所述电流PWM比较器(106)的输出端与逻辑和驱动模块(107)的输入端连接,所述逻辑和驱动模块(107)的输出端与功率管的栅极连接,通过开关转换模块(104)中各传输门的导通与关断来改变电流PWM比较器(106)输入端的连接方式,实现对变换器升压和降压模式下的控制。
2.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,所述开关转换模块(104)包括第一传输门(104-1)、第二传输门(104-2)、第三传输门(104-3)和第四传输门(104-4);
所述第一传输门(104-1)、第二传输门(104-2)的输入端均接开关转换模块(104)的第二输入端N,所述第一传输门(104-1)的输出端接开关转换模块(104)的第一输出端X,所述第二传输门(104-2)的输出端接开关转换模块(104)的第二输出端Y;所述第三传输门(104-3)、第四传输门(104-4)的输入端均接开关转换模块(104)的第一输入端M,所述第三传输门(104-3)的输出端接开关转换模块(104)的第二输出端Y,所述第四传输门(104-4)的输出端接开关转换模块(104)第一输出端X。
3.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,还包括斜坡补偿电流产生模块(105),所述斜坡补偿电流产生模块(105)的输出端与电流PWM比较器(106)的负相输入端连接,所述斜坡补偿电流产生模块(105)的输出信号Islope作为斜坡补偿信号送至电流PWM比较器(106)的负相输入端。
4.根据权利要求3所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,当变换器在升压模式下占空比大于50%和降压模式下占空比小于50%时,所述斜坡补偿电流产生模块(105)将产生斜坡补偿电流信号,避免次谐波振荡现象。
5.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,所述功率转换电路模块(101)还包括功率管A、D和电感L,所述功率管A的漏极接变换器的输入电压VIN,所述功率管A的源极分别与电感L的一端、功率管B的漏极连接,所述功率管B的源极分别与电流采样模块(103)、功率管C的源极连接;所述功率管D的漏极接变换器的输出电压VOUT,所述功率管D的源极分别与电感L的另一端、功率管C的漏极连接;所述功率管A、B、C和D的栅极分别与逻辑和驱动模块(107)的四个输出端TGA、TGB、TGC、TGD对应连接。
6.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,所述电流采样模块(103)包括采样电阻(103-1)和电流采样电路(103-2),所述采样电阻(103-1)的m端接功率管B和功率管C的源极,n端接功率地;所述采样电阻(103-1)的m端还与电流采样电路(103-2)的第一输入端连接,所述采样电阻(103-1)的n端还与电流采样电路(103-2)的第二输入端连接。
7.根据权利要求6所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,所述电流采样模块(103)分时段采样流过电感L的电流。
8.根据权利要求1所述的四开关升降压型变换器的控制电路,其特征在于,所述负载电路模块(102)由电容CO和负载电阻R并联组成负载RO,所述电阻R和电容CO相接的一个公共节点接输出电压VOUT,另一个公共节点接地。
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