一种降压变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电压处理技术领域，具体涉及一种降压变换器及其控制方法。

背景技术：

常见的降压变换器，例如，Buck电路，可以用于将高电压转换成低电压。Buck电路主要包括续流二极管、开关管和电感，其中续流二极管、开关管是造成效率损失的主要元件。续流二极管的损耗包括导通损耗与恢复损耗，开关管的损耗包括导通损耗与开关损耗。

在Buck电路中，开关管的输出端(例如，漏极)与续流二极管的负极相连接，并且与电感相连接，即开关管与续流二极管串联连接，续流二极管与电感并联连接。开关管可以通过驱动电路控制开关管的导通时间，以控制电感的降压，从而实现高电压到低电压的转换，当开关管关断时，可以通过续流二极管释放电感上的电流。

然而，由于续流二极管与开关管串联连接，且续流二极管上的电压降很小(例如，1V)，因此，开关管上的电压降接近输入电压，因此必须选用截止电压较大的开关管，这样，使得开关损耗和导通损耗较大，从而使得降压变换器的转换效率较低。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种降压变换器及其控制方法，能够提高降压变换器的转换效率。

为实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种降压变换器，所述降压变换器位于电源和负载之间，所述降压变换器包括相并联的主变换器和辅变换器，其中：所述主变换器包括第一功率开关、第二功率开关、第一驱动器、控制策略模块、LC谐振电路以及误差电路；所述误差电路用于获取所述LC谐振电路的输出电压与基准电压之间的误差电压，并将所述误差电压输入所述控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号；所述第一驱动器根据所述脉冲相位调制信号控制所述第一功率开关和第二功率开关的通断；所述辅变换器包括第三功率开关、第四功率开关、第三驱动器、第四驱动器、第一比较电路、第二比较电路以及与所述LC谐振电路中的第一电感相并联的第二电感；其中，所述第一比较电路和第二比较电路分别将所述LC谐振电路的输出电压与第一预设电压和第二预设电压进行比较，并将各自的比较电压分别输入所述第四驱动器和第三驱动器中，以分别控制所述第四功率开关和第三功率开关的通断。

进一步地，所述控制策略模块包括模糊控制单元、神经网络控制单元、线性控制单元中的至少一种。

进一步地，所述误差电路具备两个输出端口，其中一个输出端口与所述控制策略模块直接相连，另一个输出端口通过微分器与所述控制策略模块相连。

进一步地，所述主变换器中的第一电感的电感值为辅变换器中的第二电感的电感值的10倍。

进一步地，所述第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关均为场效应管。

为实现上述目的，本申请另一方面还提供一种降压变换器的控制方法，所述方法包括：误差电路将LC谐振电路的输出电压与基准电压进行比较，得到误差电压，并将所述误差电压输入控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号；第一驱动器根据所述脉冲相位调制信号控制第一功率开关和第二功率开关的通断；第一比较电路和第二比较电路分别将所述LC谐振电路的输出电压与第一预设电压和第二预设电压进行比较，并将各自得到的比较电压分别输入第四驱动器和第三驱动器中，以分别控制第四功率开关和第三功率开关的通断。

进一步地，将所述误差电压输入控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号具体包括：将所述误差电压拆分为两路电压，其中一路电压直接输入所述控制策略模块，另一路电压经过微分处理之后输入所述控制策略模块。

进一步地，所述控制策略模块包括模糊控制单元、神经网络控制单元、线性控制单元中的至少一种。

进一步地，当所述第二预设电压小于所述LC谐振电路的输出电压，并且所述LC谐振电路的输出电压小于所述第一预设电压时，所述第四功率开关和所述第三功率开关均处于断开状态；当所述第二预设电压大于所述LC谐振电路的输出电压时，所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于导通状态，所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于断开状态。

进一步地，当所述LC谐振电路的输出电压大于所述第一预设电压时，所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于断开状态，所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于导通状态。

在本申请实施方式中，降压变换器的结构可以通过主辅两个变换器并联而成。主变换器的作用是在系统无扰动或微扰动时工作，使输出电压纹波较小。辅变换器的作用是在系统发生较大扰动时，帮助主变换器抑制输出电压波动，使输出电压能够迅速恢复稳定。此外，通过引入控制策略模块，能够在控制策略上采用模糊控制方式、神经网络控制方式或者线性控制方式等，从而使系统抗干扰能力强，能较好地抑制负载的电源扰动，从而提高降压变换器的转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例所述的降压变换器的框架图；

图2是本实施例所述的降压变换器的电路示意图；

图3是本实施例中功率开关的工作示意图；

图4是本实施例所述降压变换器的控制方法的流程图。

贯穿附图，应该注意的是，相似的标号用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

本申请提供一种降压变换器，请参阅图1，所述降压变换器可以位于电源和负载之间，所述降压变换器可以包括相并联的主变换器和辅变换器。在本实施方式中，主变换器的作用是在系统无扰动或微扰动时工作，使输出电压纹波较小；辅变换器的作用是在系统发生较大扰动时，帮助主变换器抑制输出电压波动，使输出电压能够迅速恢复稳定。

请参阅图2，在图2中，虚线以下的部分可以代表主变换器，虚线以上的部分可以代表辅变换器。在本实施方式中，所述主变换器可以采用负反馈的电路架构，所述主变换器包括第一功率开关M1、第二功率开关M2、第一驱动器、控制策略模块、LC谐振电路以及误差电路。其中，LC谐振电路可以包括电感L1和电容C，与电容C并联的可以是输出电阻R。所述误差电路可以是相减器，用于将LC谐振电路输出的电压V₀与基准电压V_ref相减，从而得到误差电压。

在本实施方式中，所述误差电路在获取所述LC谐振电路的输出电压V₀与基准电压V_ref之间的误差电压后，可以将所述误差电压输入所述控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号。所述第一驱动器根据所述脉冲相位调制信号可以控制所述第一功率开关M1和第二功率开关M2的通断。

在本实施方式中，所述误差电路具备两个输出端口，其中一个输出端口与所述控制策略模块直接相连，另一个输出端口通过微分器与所述控制策略模块相连。这样可以满足模糊控制器中，输入为误差和误差变化率的要求。

在本实施方式中，所述控制策略模块中可以设置一定的控制策略，所述控制策略例如可以是模糊控制策略、神经网络控制策略、线性控制策略等，这样，所述控制策略模块中便可以包括模糊控制单元、神经网络控制单元、线性控制单元中的至少一种。其中，在模糊控制中，可以通过电子计算机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象(或过程)的控制作用。这反映人们在对被控过程进行控制中，不断将观察到的过程输出精确量转化为模糊量，经过逻辑推理取得模糊判决后，再将判决的模糊量转化为精确量，去实现手动控制的整个过程。

本实施方式可以采用模糊控制策略来输出第一功率开关M1的占空比，并通过第一驱动器来输出M1和M2的控制信号，其优点就是不用建立复杂的数学模型，不用进行复杂的数学推导，而且设计方法简单，控制效果比较好。

在本实施方式中，所述辅变换器包括第三功率开关M3、第四功率开关M4、第三驱动器、第四驱动器、第一比较电路、第二比较电路以及与所述LC谐振电路中的第一电感L1相并联的第二电感L2。其中，所述第一比较电路和第二比较电路分别将所述LC谐振电路的输出电压V₀与第一预设电压V₁和第二预设电压V₂进行比较，并将各自的比较电压分别输入所述第四驱动器和第三驱动器中，以分别控制所述第四功率开关M4和第三功率开关M3的通断。由于辅变换器主要是使系统能在大扰动时迅速恢复稳定，所以辅变换器中电感L2的值应该比主变换器中电感L1的值要小得多，具体地，电感L2的值为可以为电感L1的1/10。

在本实施方式中，所述第一功率开关M1、第二功率开关M2、第三功率开关M3以及第四功率开关M4均为场效应管。

请参阅图3，当V₂<V₀<V₁时，系统工作于无扰动或微扰动状态，只有主变换器参加工作，M3和M4接收到的信号都为0，均处于断开状态。当前的降压变换器就等同于一个运用反馈控制的降压变换器，M1、M2的占空比近似恒定。

当V₀<V₂时，系统发生较大扰动，辅变换器开始加入工作，驱动器给M1、M3的信号为1，M1和M3处于导通状态；M2、M4接收到的信号为0，M2、M4处于断开状态，直到系统恢复稳定。

当V₀>V₁时，系统发生较大扰动，辅变换器也加入工作，驱动器给M1、M3的信号为0，给M2、M4的信号为1，这样可以强制M1、M3处于断开状态，M2、M4处于导通状态，直到系统恢复稳定。

请参阅图4，本申请还提供一种降压变换器的控制方法，所述方法包括：

S1：误差电路将LC谐振电路的输出电压与基准电压进行比较，得到误差电压，并将所述误差电压输入控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号；

S2：第一驱动器根据所述脉冲相位调制信号控制第一功率开关和第二功率开关的通断；

S3：第一比较电路和第二比较电路分别将所述LC谐振电路的输出电压与第一预设电压和第二预设电压进行比较，并将各自得到的比较电压分别输入第四驱动器和第三驱动器中，以分别控制第四功率开关和第三功率开关的通断。

在本申请一个实施方式中，将所述误差电压输入控制策略模块，以生成脉冲相位调制信号具体包括：

将所述误差电压拆分为两路电压，其中一路电压直接输入所述控制策略模块，另一路电压经过微分处理之后输入所述控制策略模块。

在本申请一个实施方式中，所述控制策略模块包括模糊控制单元、神经网络控制单元、线性控制单元中的至少一种。

在本申请一个实施方式中，当所述第二预设电压小于所述LC谐振电路的输出电压，并且所述LC谐振电路的输出电压小于所述第一预设电压时，所述第四功率开关和所述第三功率开关均处于断开状态；

当所述第二预设电压大于所述LC谐振电路的输出电压时，所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于导通状态，所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于断开状态。

在本申请一个实施方式中，当所述LC谐振电路的输出电压大于所述第一预设电压时，所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于断开状态，所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于导通状态。

在本申请实施方式中，降压变换器的结构可以通过主辅两个变换器并联而成。主变换器的作用是在系统无扰动或微扰动时工作，使输出电压纹波较小。辅变换器的作用是在系统发生较大扰动时，帮助主变换器抑制输出电压波动，使输出电压能够迅速恢复稳定。此外，通过引入控制策略模块，能够在控制策略上采用模糊控制方式、神经网络控制方式或者线性控制方式等，从而使系统抗干扰能力强，能较好地抑制负载的电源扰动，从而提高降压变换器的转换效率。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。