一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电路的控制方法、控制电路及开关电路。

背景技术：

四开关管Buck-Boost升降压电路拓扑结构如图1所示。该电路包含Q1、Q2、Q3、Q4四个功率开关管、储能电感L、以及输入端电容Cin，输出端电容Co。开关管Q1和开关管Q2串联，开关管Q1和开关管Q2的公共端为第一节点SW1，开关管Q1连接到输入端，开关管Q2连接到地，输入端通过电容Cin连接到地，开关管Q3和开关管Q4串联，开关管Q3和开关管Q4的公共端为第二节点SW2，开关管Q3连接到输出端，开关管Q4连接到地，输出端通过电容Co连接到地，电感L连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。

当输入电压V_IN比输出电压V_O大一定值时，此电路工作在Buck降压模式，开关管Q1、Q2工作在高频开关状态，开关管Q3管常导通，开关管Q4管常关闭；当输入电压V_IN比输出电压V_O小一定值时，此电路工作在Boost升压模式，开关管Q3，开关管Q4工作在高频开关状态，开关管Q1管常导通，开关管Q2管常关闭；当V_IN与V_O接近时，此电路工作在Buck-Boost升降压模式，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均处于高频开关状态。

不同的控制策略针对三种工作模式(Buck、Boost、Buck-Boost)的切换条件和控制方法不同，工作于Buck-Boost升降压模式的工作条件也不同。由于Buck、Boost这两种工作模式的效率较高，因此希望Buck-Boost升降压模式的工作区间越窄越好。

一种现有的控制方法为控制电路采样输入电压V_IN和输出电压V_O，根据V_IN和V_O的电压区分三种工作模式：

V_O≤V_IN-Vth1时，电路工作在Buck降压模式；

V_O≥V_IN+Vth2时，电路工作在Boost升压模式；

V_IN-Vth1<V_O<V_IN+Vth2，电路工作在Buck-Boost升降压模式；

其中，Vth1和Vth2为电压阈值。

该控制方法根据输入输出电压的大小关系区别三种工作模式。为了使输出电压稳定，通常需要设置较宽的Buck-Boost升降压模式的工作区间，降低了系统的平均效率。

另一种现有的控制方法如图2(a)所示，控制电路通过采样电阻R01、R02采样输出电压V_O，得到的采样电压FB通过运算放大器U00与内部基准信号Vref比较，输出补偿信号Vc，补偿信号Vc与时钟电路U01产生的两个载波信号输入到比较电路U02的输入端，比较电路U02产生4个管子的驱动信号PWM。时钟电路U01产生的两个载波信号如图2(b)所示，为锯齿波信号，当补偿信号Vc落在区域1(灰色部分)时，开关管Q1、Q4导通；当补偿信号Vc落在区域2(白色部分)时，开关管Q1、Q3导通；当补偿信号Vc落在区域3(斜线部分)时，开关管Q2、Q3导通。即

Vc≥Vc1时，电路工作在Boost升压模式；

Vc≤Vc2时，电路工作在Buck降压模式；

Vc2<Vc<Vc1时，电路工作在Buck-Boost升降压模式。

该控制方法需要采用电压模式控制，系统的动态响应较差。原因是电压信号的变化相对于电流信号存在一定的滞后，设计控制环路时需要通过降低系统带宽来使得系统能够稳定工作，这样的代价是降低系统的动态性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四开关管电路的控制方法、控制电路及开关电路，用以解决现有技术中系统平均效率低、系统动态响应差的问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种开关电路的控制方法，包括：第一开 关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和第四开关管串联，第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于第一节点和第二节点之间，其特征在于，所述控制方法包括：

在开关周期开始时，所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断，经过第一导通时间，比较电感电流和指令电流的大小；

当所述电感电流小于所述指令电流，则所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，直到电感电流大于等于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期；

当所述电感电流大于等于所述指令电流，则所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，直到电感电流小于等于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。

作为可选，所述指令电流由输出反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。

作为可选，所述输出反馈信号包括：输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和输出功率反馈信号。

作为可选，所述第一导通时间与第一比值和第二比值中较小的值成正比；第一比值为输出电压和输入电压的比值，第二比值为输入电压和输出电压的比值。

本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电路的控制电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，所述第一开关管和第二开关管串联，第一开关管和第二开关管的公共端为第一节 点，所述第一开关管连接到输入端，所述第二开关管连接到地，所述第三开关管和第四开关管串联，第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点，所述第三开关管连接到输出端，所述第四开关管连接到地，所述电感连接于第一节点和第二节点之间，其特征在于，所述控制电路包括：

第一比较电路和逻辑电路；

电感电流信号和指令电流信号连接到第一比较电路的输入端；第一比较电路的输出信号连接到逻辑电路的输入端；

在开关周期开始时，逻辑电路控制所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管和所述第四开关管关断，经过第一导通时间，第一比较电路比较电感电流和指令电流的大小；

当所述电感电流小于所述指令电流，则逻辑电路控制所述第一开关管和所述第四开关管导通，所述第二开关管和所述第三开关管关断，直到第一比较电路检测到电感电流大于等于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期；

当所述电感电流大于等于所述指令电流，则逻辑电路控制所述第一开关管和所述第四开关管关断，所述第二开关管和所述第三开关管导通，直到第一比较电路检测到电感电流小于等于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。

作为可选，所述控制电路还包括：第一运放，误差放大输出反馈信号和基准信号，得到所述指令电流。

作为可选，所述控制电路还包括：第一导通时间产生电路，产生第一导通时间，所述第一导通时间与第一比值和第二比值中小的值成正比；第一比值为输出电压和输入电压的比值，第二比值为输入电压和输出电压的比值。

作为可选，所述第一导通时间产生电路包括：第二比较电路，比较输入电压和输出电压，输出第一比较电压和第二比较电压，较高的电压为第一比较 电压，较低的电压为第二比较电压；第一除法比例电路，将第二比较电压除以第一比较电压，经过比例调节后，得到所述第一导通时间。

作为可选，所述第一导通时间产生电路包括：第二除法比例电路，将输入电压除以输出电压，经过比例调节后，得到第一时间，将输出电压除以输入电压，经过比例调节后，得到第二时间；第三比较电路，比较所述第一时间和所述第二时间，输出为所述第一时间和所述第二时间中较短的时间，作为所述第一导通时间。

本发明的又一技术解决方案是，提供一种开关电路。

采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：升降压模式工作区间窄，系统在较宽的输入输出电压范围内具有高转换效率。本发明采用电流模式控制，相比电压模式控制而言，具有更好的动态性能，包括输入电压阶跃响应和输出负载阶跃响应。本发明采用逐周期电流控制，可以限定每个开关周期的电流大小，防止电流过大而损坏，因而具有更高的可靠性。当输入电压V_IN与输出电压V_o的大小关系不同时，电路可自然切换到不同的工作模式，保证电路正常工作，满足系统需求。

附图说明

图1为现有技术的四开关管Buck-Boost升降压电路；

图2(a)为现有技术的一种四开关管Buck-Boost升降压电路的控制电路框图；

图2(b)为现有技术的一种四开关管Buck-Boost升降压电路的控制电路中的补偿信号和载波信号；

图3为本发明四开关管控制方法的流程图；

图4为本发明在Buck降压模式下的稳态波形；

图5为本发明在Boost升压模式下的稳态波形；

图6为本发明在Buck-Boost升降压模式下的稳态波形；

图7为本发明的电路结构图；

图8为第一导通时间产生电路的电路结构图；

图9为第一导通时间产生电路的另一电路结构图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图3所示，示意了本发明的四开关管控制方法的流程图。所述控制方法基于图1的四开关拓扑结构。图1中的开关管Q1为第一开关管，开关管Q2为第二开关管，开关管Q3为第三开关管，开关管Q4为第四开关管。开关管Q1和开关管Q2串联，开关管Q1和开关管Q2的公共端为第一节点SW1，开关管Q1连接到输入端，开关管Q2连接到地，输入端通过电容Cin连接到地，开关管Q3和开关管Q4串联，开关管Q3和开关管Q4的公共端为第二节点SW2，开关管Q3连接到输出端，开关管Q4连接到地，输出端通过电容Co连接到地，电感L连接于第一节点SW1和第二节点SW2之间。本发明的技术解决方案是，提供一种以下步骤的控制方法：

步骤S001：在开关周期开始时，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关断。

步骤S002：判断是否到第一导通时间，如果没有到第一导通时间则继续 保持第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关断。

步骤S003：当到达第一导通时间，则比较电感电流和指令电流的大小。

步骤S004：在步骤S003之后，如果电感电流小于指令电流，则第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断。

步骤S005：判断电感电流和指令电流的大小，当电感电流大于等于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期，即回到步骤S001，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关断。

步骤S006：在步骤S003之后，如果电感电流大于等于指令电流，则第一开关管和第四开关管关断，第二开关管和第三开关管导通。

步骤S007：判断电感电流和指令电流的大小，当电感电流小于指令电流，则此开关周期结束，进入下一个开关周期，即回到步骤S001，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关断。

上述步骤中指令电流由输出反馈信号和基准信号经过误差放大后得到。反馈信号包括：输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和输出功率反馈信号。当反馈信号为输出电压反馈信号时为输出恒压控制；当反馈信号为输出电流反馈信号时为输出恒流控制；当反馈信号为输出功率反馈信号时为输出恒功率控制。

以输出恒压控制为例，说明该控制方法在各种输入输出电压条件下的工作情况。

为了方便描述，定义UU状态为第一、三开关管导通，第二、四开关管关断；DU状态为第二、三开关管导通，第一、四开关管关断；UD状态为第二、三开关管关断，第一、四开关管导通。

参考图4所示，当输入电压V_IN大于输出电压V_O，且未超过Buck最大占空比限制时，电路工作于Buck降压模式。在Buck降压模式下，第一节点SW1的电平高低切换，第二节点SW2的电平常为高。第一开关管Q1与第二 开关管Q2互补开关，第三开关管Q3常导通，第四开关管Q4常关断。在Buck模式下，在UU与DU两个状态来回切换。如图4所示，t＝0时刻，处于UU状态，此时第一节点SW1的电平为高，SW2的电平为高，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断。电感电流iL线性上升。当到达第一导通时间时，电感电流iL大于指令电流ic。因此，进入DU状态。此时第一节点SW1的电平为低，第二节点SW2的电平为高，第一开关管Q1关断，第二开关管Q2导通，第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断。另一方面，由于恒压控制，指令电流ic相对保持稳定。电感电流iL线性下降，当电感电流iL等于指令电流ic时，进入一下个周期，即再次进入UU状态。

参考图5所示，当输入电压V_IN小于输出电压V_O，且未超过Boost最小占空比限制时，电路工作于Boost升压模式。在Boost升压模式下，第一节点SW1的电平常为高，第二节点SW2的电平高低切换。对应的，第一开关管Q1常导通，第二开关管Q2常关断，第三开关管Q3与第四开关管Q4互补开关。在Boost模式下，在UU与UD两个状态来回切换。如图5所示，t＝0时刻，状态机处于UU状态，此时第一节点SW1的电平为高，第二节点SW2的电平为高，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断。电感电流iL线性下降。当到达第一导通时间时，电感电流iL小于指令电流ic。因此，状态机进入UD状态。此时第一节点SW1的电平为高，第二节点SW2的电平为低，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3关断，第四开关管Q4导通。另一方面，由于恒压控制，指令电流ic相对保持稳定。电感电流iL线性上升，当电感电流iL等于指令电流ic时，进入一下个周期，即再次进入UU状态。

参考图6所示，当输入电压V_IN与输出电压V_O足够接近时，电路无法单独工作于Buck或Boost模式，此时电路工作于Buck-Boost模式。在Buck-Boost模式下，第一节点SW1的电平高低切换，第二节点SW2的电平高低切换。对应的，第一开关管Q1与第二开关管Q2互补开关，第三开关管Q3与第四 开关管Q4互补开关。在Buck-Boost模式下，状态机在DD、UD与UU三个状态来回切换。在t＝0时刻，处于UU状态，此时第一节点SW1的电平为高，第二节点SW2的电平为高，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断。当到达第一导通时间时，电感电流iL小于指令电流ic，状态机进入UD状态，此时第一节点SW1的电平为高，第二节点SW2的电平为低，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3关断，第四开关管Q4导通。当电感电流iL等于指令电流ic时，再次进入UU状态。需要注意的是，此时iL与ic的大小关系发生改变。当第一导通时间到达，UU状态结束。当UU状态结束时，电感电流iL大于指令电流ic。因此，状态机会进入DU状态。此时第一节点SW1的电平为低，第二节点SW2的电平为高，第一开关管Q1关断，第二开关管Q2导通，第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断。当电感电流iL等于指令电流ic时，再次进入UU状态，进入一下个周期。

本发明的控制方法适用于输入电压V_IN与输出电压V_O大小不同的各种情况。当输入电压V_IN与输出电压V_O的大小关系不同时，电路可自然切换到不同的工作模式，保证电路正常工作，满足系统需求。

步骤S002中的第一导通时间T_UU与第一比值和第二比值中较小的值成正比；其中第一比值为输出电压V_O和输入电压V_IN的比值，第二比值为输入电压V_IN和输出电压V_O的比值，即T_UU∝min(V_O/V_IN,V_IN/V_O)。在Buck降压模式下，V_O<V_IN，则T_UU∝V_O/V_IN。由于占空比D＝T_UU/TS＝V_O/V_IN，其中TS为开关周期，因此可以保持开关周期恒定，即能实现系统定频。在Boost升压模式下，V_IN<V_O，则T_UU∝V_IN/V_O，同理可以保持开关周期恒定，即能实现系统定频。第一导通时间T_UU的计算方式不仅限于上述方式，还可能有其他方式。

参考图7所示，示意了本发明实施例一的四开关管控制电路。该控制电路包括第一比较电路U10和逻辑电路U11；电感电流信号iL和指令电流信号ic连接到第一比较电路U10的输入端；第一比较电路U10的输出信号OFF 连接到逻辑电路U11的输入端；在开关周期开始时，逻辑电路U11控制所述第一开关管Q1和所述第三开关管Q3导通，所述第二开关管Q2和所述第四开关管Q4关断，经过第一导通时间T_UU，第一比较电路U10比较电感电流iL和指令电流ic的大小；当所述电感电流iL小于所述指令电流ic，则逻辑电路U11控制所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4导通，所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3关断，直到第一比较电路U10检测到电感电流iL大于等于指令电流ic，则此开关周期结束，进入下一个开关周期；当所述电感电流iL大于等于所述指令电流ic，则逻辑电路U11控制所述第一开关管Q1和所述第四开关管Q4关断，所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3导通，直到第一比较电路U10检测到电感电流iL小于等于指令电流ic，则此开关周期结束，进入下一个开关周期。

在实施例一中，第一比较电路可以采用比较器，则电感电流信号iL连接到比较器的反相输入端；补偿信号ic连接到比较器的正相输入端。

在实施例一中，还包括第一运放U12，误差放大输出反馈信号和基准信号，得到所述指令电流ic。反馈信号可以是电压反馈信号、电流反馈信号、功率反馈信号，这三种反馈信号分别对应恒压控制、恒流控制和恒功率控制。以恒压控制为例，即反馈信号为电压反馈信号，输出电压V_O经过分压电阻R10和R11得到分压电压V_FB，输入到第一运放U12的反相输入端，基准电压信号V_REF输入到第一运放U12的正相输入端。

在实施例一中，第一导通时间产生电路U13产生的第一导通时间T_UU与第一比值和第二比值中较小的值成正比；其中第一比值为输出电压V_O和输入电压V_IN的比值，第二比值为输入电压V_IN和输出电压V_O的比值，即T_UU∝min(V_O/V_IN,V_IN/V_O)。

第一导通时间产生电路U13可以采用如图8所示的电路，该电路包括比较电路U130和除法比例电路U131。输入电压V_IN和输出电压V_O连接到比较电路U130的两个输入端，比较电路U130比较两个电压，输出第一比较电 压和第二比较电压，并连接到除法比例电路U131的输入端，第一比较电压为输入的两个电压中电压值较高的值，第二比较电压为输入的两个电压中电压值较低的值。除法比例电路将第二比较电压除以第一比较电压并经过一定比例，得到第一导通时间，作为除法比例电路U131的输出，即第一导通时间产生电路U13的输出。

第一导通时间产生电路U13还可以采用如图9所示的电路，该电路包括除法比例电路U132和比较电路U133。输入电压V_IN和输出电压V_O连接到除法比例电路U132的两个输入端，除法比例电路U132将输入电压V_IN除以输出电压V_O并经过一定比例，得到第一时间；将输出电压V_O除以输入电压V_IN并经过一定比例，得到第二时间。第一时间和第二时间连接到比较电路U133的输入端，比较电路U133比较第一时间和第二时间，并将第一时间和第二时间中较短的时间作为比较电路U133的输出，即第一导通时间产生电路U13的输出。

第一导通时间产生电路U13的实现方式不仅限于上述所述方式，还可能有其他方式。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。