升降压变换器控制系统的制作方法

1.本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种升降压变换器控制系统。


背景技术：

2.当前，无线功率传输和usb功率传输(power delivery，pd)正在向大功率应用(例如，平板电脑、手提电脑等)延伸。
3.传统的无线功率传输系统，在满载充电时，发送器的母线电压需要升至最高，以提供最大功率；在处于待机状态时，发送器的母线电压需要降至最低，以降低待机功耗。可见，如何满足不同的功率要求以及不同的适配器输入电压v
in
是至关重要的。例如，一款30w的无线充电器，其输入电压v
in
可由12v电源适配器提供，母线电压v
bus
设计为在3v至20v宽范围内调节，此时如何实现v
in
与v
bus
之间的电压匹配是至关重要的。
4.现有技术中，存在一些单纯的降压或者升压变换器，然而，这些变换器无法满足当前宽输入/宽输出电压的要求。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种升降压变换器控制系统，能够利用升降压控制器基于电流采样电压v
sns
、输入电压v
in
和输出电压v
out
来控制开关网络中各个开关的导通和关断，进而控制输出电压v
out
的上升和降低，使得输出电压v
out
能够等于、小于和大于输入电压v
in
。
6.一方面，本发明实施例提供一种升降压变换器控制系统，包括：开关网络，包括多个开关、电感和电流采样电阻，其中，所述电流采样电阻上的电压与流经所述电感的电流有关；电流采样模块，用于基于所述电流采样电阻上的电压来生成电流采样电压；以及升降压控制器，用于基于所述系统的输入电压和输出电压以及所述电流采样电压，生成多个控制信号，分别用于控制所述多个开关的导通和关断，以控制所述输出电压的上升和降低，使得所述输出电压能够等于、小于和大于所述输入电压。
7.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述多个开关包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，其中，所述第一开关、所述电感和所述第四开关串联连接在所述系统的输入端和输出端之间，所述第二开关和所述第三开关分别将所述第一开关中与所述系统的输入端相反的一端、所述第四开关中与所述系统的输出端相反的一端接地，所述多个控制信号为分别控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关导通或关断的四个信号。
8.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述电流采样电阻连接在所述电感与所述第四开关之间；或者，所述电流采样电阻连接在所述第一开关与所述电感之间；或者，所述电流采样电阻连接在所述第二开关中与所述第一开关相反的一端与地之间，以及所述第三开关中与所述第四开关相反的一端与地之间。
9.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述升降压控制器包括：开关电源，用于基于所述输出电压和所述电流采样电压来生成升压信号(pwm_bst)和降压信号
(pwm_buk)；工作模式判断模块，用于基于所述输入电压、所述输出电压、所述升压信号(pwm_bst)和所述降压信号(pwm_buk)来输出指示所述系统所处工作模式的第一信号(bst)、第二信号(buk)、第三信号(bst_on)和第四信号(buk_on)；以及逻辑和驱动模块，用于基于所述第一信号(bst)、所述第二信号(buk)、所述第三信号(bst_on)和所述第四信号(buk_on)来输出所述多个控制信号。
10.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述升压信号(pwm_bst)还与升压模式下所述第三开关的最小导通时间(minon_bst)、升压模式下所述第三开关的最大导通时间(maxon_bst)、升压模式时钟信号(clk_bst)以及升压模式斜坡电压(slope_bst)有关，其中，所述升压模式斜坡电压(slope_bst)用于防止所述系统在升压模式下产生次谐波振荡；以及所述降压信号(pwm_buk)还与降压模式下所述第二开关的最小导通时间(minon_buk)、降压模式下所述第二开关的最大导通时间(maxon_buk)、降压模式时钟信号(clk_buk)以及降压模式斜坡电压(slope_buk)有关，其中，所述降压模式斜坡电压(slope_buk)用于防止所述系统在降压模式下产生次谐波振荡。
11.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述开关电源包括：分压模块，用于对所述输出电压进行分压，得到反馈电压；误差放大器，用于对所述反馈电压和基准电压的差值进行放大，以输出放大电压(v
comp
)；求和模块，用于对所述电流采样电压和所述升压模式斜坡电压(slope_bst)求和，以输出和电压(v
sum_bst
)；求差模块，用于对所述电流采样电压和所述降压模式斜坡电压(slope_buk)求差，以输出差电压(v
sum_buk
)；第一支路，用于基于所述放大电压(v
comp
)和所述和电压(v
sum_bst
)来输出所述升压信号(pwm_bst)；以及第二支路，用于基于所述放大电压(v
comp
)和所述差电压(v
sum_buk
)来输出所述降压信号(pwm_buk)。
12.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述第一支路包括：第一比较器，用于对所述放大电压(v
comp
)与所述和电压(v
sum_bst
)进行比较，以输出第一比较信号(pwm1)；第一逻辑单元，用于基于所述第一比较信号(pwm1)、所述升压模式下所述第三开关的最小导通时间(minon_bst)以及所述升压模式下所述第三开关的最大导通时间(maxon_bst)来生成第一逻辑信号；以及第一触发器，用于基于所述第一逻辑信号和升压模式时钟信号(clk_bst)来产生所述升压信号(pwm_bst)。
13.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述第一逻辑单元包括第一与非门和第二与非门，其中，所述第一与非门用于基于所述第一比较信号(pwm1)和所述升压模式下所述第三开关的最小导通时间(minon_bst)来输出第一中间信号，所述第二与非门用于基于所述第一中间信号和所述升压模式下所述第三开关的最大导通时间(maxon_bst)来生成所述第一逻辑信号。
14.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述第二支路包括：第二比较器，用于对所述放大电压(v
comp
)与所述差电压(v
sum_buk
)进行比较，以输出第二比较信号(pwm2)；第二逻辑单元，用于基于所述第二比较信号(pwm2)、所述降压模式下所述第二开关的最小导通时间(minon_buk)以及所述降压模式下所述第二开关的最大导通时间(maxon_buk)来生成第二逻辑信号；以及第二触发器，用于基于所述第二逻辑信号和所述降压模式时钟信号(clk_buk)来产生所述降压信号(pwm_buk)。
15.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述第二逻辑单元包括第三与
非门和第四与非门，其中，所述第三与非门用于基于所述第二比较信号(pwm2)和所述降压模式下所述第二开关的最小导通时间(minon_buk)来输出第二中间信号，所述第四与非门用于基于所述第二中间信号和所述降压模式下所述第二开关的最大导通时间(maxon_buk)来生成所述第二逻辑信号。
16.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述逻辑和驱动模块包括：第一反相器，用于对所述第一信号(bst)进行反相；第一或非门，用于接收经反相的第一信号和所述第四信号(buk_on)；第一或门，用于接收所述经反相的第一信号和所述第四信号(buk_on)；第二反相器，用于对所述降压信号(pwm_buk)进行反相；第二或门，用于接收来自所述第一或非门的输出信号和经反相的降压信号；第一与门，用于接收来自所述第一或门的输出信号和所述降压信号(pwm_buk)；第三反相器，用于对所述第二信号(buk)进行反相；第三或门，用于接收经反相的第二信号和所述第三信号(bst_on)；第二或非门，用于接收所述经反相的第二信号和所述第三信号(bst_on)；第二与门，用于接收来自所述第三或门的输出信号和所述升压信号(pwm_bst)；第四反相器，用于对所述升压信号(pwm_bst)进行反相；第四或门，用于接收来自所述第二或非门的输出信号和经反相的升压信号；以及第一驱动器，用于基于来自所述第二或门的输出信号来产生第一控制信号；第二驱动器，用于基于来自所述第一与门的输出信号来产生第二控制信号；第三驱动器，用于基于来自所述第二与门的输出信号来产生第三控制信号；和第四驱动器，用于基于来自所述第四或门的输出信号来产生第四控制信号，其中，所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号和所述第四控制信号分别用于控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关的导通或关断。
17.根据本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，所述工作模式判断模块具体用于在所述第一信号(bst)处于高电平且所述第四信号(buk_on)处于低电平时，确定所述系统处于所述升压模式，从而所述逻辑和驱动模块基于所述第一控制信号使所述第一开关在整个开关周期内一直导通，基于所述第二控制信号使所述第二开关在整个开关周期内一直关断，并分别基于所述第三控制信号和所述第四控制信号使所述第三开关和所述第四开关交替导通；所述工作模式判断模块具体用于在所述第一信号(bst)和所述第四信号(buk_on)均处于高电平时，确定所述系统处于升降压模式，从而所述逻辑和驱动模块基于所述第二控制信号使所述第二开关以最小导通时间工作；所述工作模式判断模块具体用于在所述第三信号(bst_on)和第四信号(buk_on)均处于高电平时，确定所述系统处于所述升降压模式，从而所述逻辑和驱动模块分别基于所述第二控制信号和所述第三控制信号使所述第二开关和所述第三开关均以最小导通时间工作；所述工作模式判断模块具体用于在所述第二信号(buk)和所述第三信号(bst_on)均处于高电平时，确定所述系统处于所述升降压模式，从而所述逻辑和驱动模块基于所述第三控制信号使所述第三开关以最小导通时间工作；以及所述工作模式判断模块具体用于在所述第二信号(buk)处于高电平且所述第三信号(bst_on)处于低电平时，确定所述系统处于所述降压模式，从而所述逻辑和驱动模块基于所述第四控制信号使所述第四开关在整个开关周期内一直导通，基于所述第三控制信号使所述第三开关在整个开关周期内一直关断，并分别基于所述第一控制信号和所述第二控制信号使所述第一开关和所述第二开关交替导通。
18.本发明实施例的升降压变换器控制系统，能够利用升降压控制器基于电流采样电
压v
sns
、输入电压v
in
和输出电压v
out
来控制开关网络中各个开关的导通和关断，进而控制输出电压v
out
的上升和降低，使得输出电压v
out
能够等于、小于和大于输入电压v
in
。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是现有技术中提供的无线功率传输系统的结构示意图；
21.图2是现有技术中提供的第一种传统的同相升降压变换器的结构示意图；
22.图3是图2所示的同相升降压变换器在不同模式下的电感电流的曲线示意图；
23.图4是现有技术中提供的第二种传统的同相升降压变换器的结构示意图；
24.图5是图4所示的同相升降压变换器在不同模式下各个开关的对应状态的曲线示意图；
25.图6是本发明实施例提供的升降压变换器控制系统的结构示意图；
26.图7是本发明实施例提供的开关网络的四种实现方式的电路结构图；
27.图8是本发明实施例提供的电流采样模块的实现方式的电路结构图；
28.图9是本发明实施例提供的升降压控制器的实现方式的电路结构图；
29.图10示出了图9所示的电路中的信号bst、buk的高低与输入电压v
in
和输出电压v
out
的比例大小之间的关系的示意图；
30.图11示出了图9所示的电路中的信号bst_on、buk_on的高低分别与信号pwm_buk、pwm_bst的占空比大小之间的关系的示意图；
31.图12示出了本发明实施例提供的逻辑和驱动模块的电路结构图；
32.图13示出了本发明实施例提供的升降压控制器的工作波形示意图；
33.图14示出了本发明实施例提供的用于典型的功率传输协议应用的系统波形示意图；以及
34.图15示出了本发明实施例提供的用于典型的汽车电源应用的系统波形示意图。
具体实施方式
35.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.如图1所示，图1是现有技术中提供的无线功率传输系统的结构示意图，如图所示，在输入电压v
in
与母线电压v
bus
之间使用了dc/dc变换器来调节全桥lc谐振电路的母线电压v
bus
，以满足输入电压v
in
与母线电压vbus之间的电压匹配。
38.作为一个示例，通用串行总线(universal serial bus，usb)端口通过适配器电源、汽车12v电源或者便携式移动电源来传输能量，并且能够产生一个可以高于、低于或者等于输入电压的电压，其宽输出电压(5
‑
20v)和高功率要求(高达100w)给电源系统设计带来了巨大挑战。例如，在汽车起停电源系统中，当汽车冷启动或者电源抛载时，汽车的12v电源可能会有4v
‑
60v的电压变化，为了产生稳定的负载点电压(12v)，其电源系统能够满足输入电压低于、高于或者等于输出电压。
39.综上，为了满足宽输入/宽输出电压的要求，需要供电系统设计从单纯的降压或者升压变换器转向同相的升降压变换器。
40.如图2所示，图2是现有技术中提供的第一种传统的同相升降压变换器的结构示意图，其中，在第一种模式下，开关a和开关c同时导通时，此时输入v
in
给电感l储能；在第二种模式下，开关b和开关d同时导通时，此时电感l给输出v
out
提供能量。
41.然而，这种传统的同相升降压变换器的缺点在于，由于在每个开关周期中，只有开关b和d同时导通(即，bd阶段)的情况下，才有能量转移到输出端，没有能量能够直接从输入端传递到输出端(即，不存在ad阶段)，所以在特定的负载下，这种传统的同相升降压变换器的平均电感电流值i
l
大于具有ad阶段的升降压变换器的平均电感电流值，这可能导致其具有较大的开关导通损耗和电感的dcr电阻(直流电阻)损耗。
42.如图4和图5所示，其中，图4是现有技术中提供的第二种传统的同相升降压变换器的结构示意图，并且图5是图4所示的同相升降压变换器在不同模式下各个开关(例如，s1至s4)的对应状态的曲线示意图。在图4提供的这种传统的同相升降压变换器中，其采用的是“双沿电流模式控制”方式。
43.其中，两个含有电感电流信息的斜坡信号“ramp1+isns”和“ramp2+isns”在阈值电压(例如，mid)处交叠，其中，当误差放大器ea的输出信号comp大于mid时，系统工作在升压模式；以及当ea的输出信号comp小于mid时，系统工作在降压模式。
44.然而，这种传统的同相升降压变换器存在以下缺点：在输入电压接近输出电压的情况下，信号comp在mid的附近，当输入或者输出电压发生扰动时，会使得系统在降压模式或升压模式之间发生无规律的切换，这会导致系统节点sw1和sw2处的频率变化范围较大，从而导致较严重的电磁干扰(electromagnetic interference，emi)问题。
45.第三种传统的同相升降压变换器，其控制方式在从降压模式过渡为升降压模式或者从升压模式过渡为升降压模式时，系统节点sw1和sw2处的频率会降低为原始频率的二分之一，这会降低系统线瞬态响应(line transient response)速度，从而导致模式切换点输出电压纹波较大。
46.然而，这种传统的同相升降压变换器存在以下缺点，由于频率的降低，会导致在模式切换点处(例如，从降压模式过渡为升降压模式，从升降压模式过渡为降压模式，从升压模式过渡为升降压模式，或者从升降压模式过渡为升压模式)出现模式来回振荡，其解决模
式振荡的方法可以加大模式转换的判断阈值迟滞，但这会导致模式切换时输出电压纹波变大。
47.第四种传统的同相升降压变换器，其控制方式在从降压模式过渡为升降压模式或者从升压模式过渡为升降压模式时，系统节点sw1和sw2处的频率会降低为原始频率的二分之一，这会降低系统线瞬态响应(line transient response)速度，从而导致模式切换时输出电压纹波较大。
48.第五种传统的同相升降压变换器，由于其采用了电压模式控制，其产生的用于与误差放大器的输出信号进行比较的锯齿波中没有电感电流的信息，所以系统的负载瞬态响应(load transient response)和线瞬态响应都较差。
49.因此，为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种升降压变换器控制系统。参考图6，图6是本发明实施例提供的升降压变换器控制系统的结构示意图。
50.作为一个示例，图6所示的升降压变换器控制系统可以包括：开关网络610，该开关网络610可以包括多个开关、电感和电流采样电阻，其中，电流采样电阻上的电压与流经电感的电流有关；电流采样模块120，该电流采样模块120用于基于电流采样电阻上的电压来生成电流采样电压；以及升降压控制器130，该升降压控制器130用于基于系统的输入电压和输出电压以及电流采样电压，生成多个控制信号，分别用于控制多个开关的导通和关断，以控制输出电压的上升和降低，使得输出电压能够等于、小于和大于输入电压。
51.此外，该升降压变换器控制系统还可以包括输入电容c
in
，输出电容c
out
。
52.其中，应注意，图6中所示的电感l即为开关网络610中所包含的电感，图中所示电感的位置仅仅是为了清楚和便于描述，并不旨在对本发明进行限制。
53.在图6所示的实施例中，系统的输入端可以经由输入电容c
in
接地，并且该输入端还可以连接至开关网络110的输入端，开关网络110的输出端可以连接至系统的输出端，系统的输出端可以经由输出电容c
out
接地，电流采样模块120的输入端可以连接至电感l的一端，电流采样模块120的输出端可以连接至升降压控制器130的输入端，以向升降压控制器130提供电流采样电压v
sns
，升降压控制器130还连接至系统的输入端和输出端，以接收输入电压v
in
和输出电压v
out
，进而可以基于电流采样电压v
sns
、输入电压v
in
和输出电压v
out
来输出例如四个控制信号(例如，a、b、c和d)至开关网络110，以基于这四个控制信号来控制开关网络110中四个开关的导通和关断，进而可以控制输出电压v
out
的上升和降低，使得输出电压v
out
能够等于、小于和大于输入电压v
in
。
54.通过本发明实施例提供的上述升降压变换器控制系统，可以利用升降压控制器基于电流采样电压v
sns
、输入电压v
in
和输出电压v
out
来控制开关网络中各个开关的导通和关断，进而控制输出电压v
out
的上升和降低，使得输出电压v
out
能够等于、小于和大于输入电压v
in
。
55.以下通过具体示例的方式对本发明实施例提供的开关网络进行详细介绍，参见图7，图7是本发明实施例提供的开关网络的四种实现方式的电路结构图。
56.作为一个示例，开关网络110可以包括第一开关sa、第二开关sb、第三开关sc、第四开关sd，其中，第一开关sa、电感l和第四开关sd可以串联连接在系统的输入端和输出端之间，第二开关sb和第三开关sc可以分别将第一开关sa中与系统的输入端相反的一端、第四开关sd中与系统的输出端相反的一端接地，多个控制信号为分别控制第一开关sa、第二开
关sb、第三开关sc、第四开关sd导通或关断的四个信号。
57.首先，参见图7(a)，其中，示出了开关网络110的第一种实现方式，在图7(a)所示的实施例中，第一开关sa的一端可以连接至系统的输入端，第一开关sa的另一端可以经由第二开关sb接地，并且第一开关sa的另一端可以连接至电感l的一端，电感l的另一端可以连接至电流采样电阻r
sense
的一端，电流采样电阻r
sense
的另一端可以经由第三开关sc接地，并且电流采样电阻r
sense
的另一端可以经由第四开关sd连接至系统的输出端。
58.其次，参见图7(b)，其中，示出了开关网络110的第二种实现方式，在图7(b)所示的实施例中，第一开关sa的一端可以连接至系统的输入端，第一开关sa的另一端可以经由第二开关sb接地，并且第一开关sa的另一端可以连接至电流采样电阻r
sense
的一端，电流采样电阻r
sense
的另一端可以连接至电感l的一端，电感l的另一端可以经由第三开关sc接地，并且电感l的另一端可以经由第四开关sd连接至系统的输出端。
59.其次，参见图7(c)，其中，示出了开关网络110的第三种实现方式，在图7(c)所示的实施例中，第一开关sa的一端可以连接至系统的输入端，第一开关sa的另一端可以连接至电感l的一端，电感l的另一端可以经由第四开关sd连接至系统的输出端，第二开关sb的一端可以连接至第一开关sa与电感l的公共端，第二开关sb的另一端可以经由电流采样电阻r
sense
接地，第三开关sc的一端可以连接至电感l和第四开关sd的公共端，并且第三开关sc的另一端可以经由电流采样电阻r
sense
接地。
60.最后，参见图7(d)，其中，示出了开关网络110的第四种实现方式，应该，图7(d)所示的实施例与图7(a)至图7(c)所示的实施例的不同之处在于：图7(d)所示的实施例中存在两个电流采样电阻r
sense
，即第一电流采样电阻r
sense1
和第二电流采样电阻r
sense2
。具体地，第一电流采样电阻r
sense1
的一端连接至系统的输入端，第一电流采样电阻r
sense1
的另一端连接至第一开关sa的一端，第一开关sa的另一端可以经由第二开关sb接地，并且第一开关sa的另一端可以连接至电感l的一端，电感l的另一端可以经由第三开关sc接地，并且电感l的另一端可以经由第四开关sd连接至第二电流采样电阻r
sense2
的一端，第二电流采样电阻r
sense2
的另一端可以连接至系统的输出端。
61.其中，本发明实施例提供的上述开关网络加入了ad阶段，即输入直接到输出直通，可以在一定程度上降低平均电感电流，从而减小导通损耗，这将在下面详细介绍。
62.作为一个示例，参考图8，图8是本发明实施例提供的电流采样模块的实现方式的电路结构图。
63.在图8所示的实施例中，电流采样模块120可以包括电流采样电阻r
sense
和电感电流采样放大器acs。如图所示，电感电流采样放大器acs的两个输入端可以连接至电流采样电阻r
sense
的两端，电感电流采样放大器acs的输出端用于输出电流采样电压v
sns
。
64.具体地，电流采样电阻r
sense
可以用于将流经电感l的电流转换为电压，电感电流采样放大器acs可以用于放大电流采样电阻r
sense
两端电压snsp和snsn之间的电压差，以产生电流采样电压v
sns
。应注意的是，v
sns
可以是整个周期的电流采样信号，也可以分为两个信号，即第一开关sa和第三开关sc一起导通时的电流采样电压v
sns_bst
以及第二开关sb和第四开关sd一起导通时的电流采样电压v
sns_buk
。本发明实施例是以整个周期的电流采样电压v
sns
为例进行说明的，应注意的是，这仅仅是出于说明的目的，而不旨在对本发明进行限制。
65.应注意的是，图8所示的电流采样模块的实施例是以图7(a)所示的开关网络为基
础进行介绍的，这并非旨在对本发明进行限制。类似地，针对图7(b)和图7(c)所示的开关网络，对应的电感电流采样放大器acs的两个输入端可以连接至的电流采样电阻r
sens
两端；以及针对图7(d)所示的开关网络，可以存在两个电感电流采样放大器acs，其中，一个电感电流采样放大器acs的两个输入端可以连接至电流采样电阻r
sense1
的两端，而另一电感电流采样放大器acs的两个输入端可以连接至电流采样电阻r
sense2
的两端。
66.作为一个示例，图9是本发明实施例提供的升降压控制器的实现方式的电路结构图。
67.在图9所示的实施例中，升降压控制器130可以包括：开关电源210，可以用于基于输出电压v
out
和电流采样电压v
sns
来生成升压信号pwm_bst和降压信号pwm_buk；工作模式判断模块220，可以用于基于输入电压v
in
、输出电压v
out
、升压信号pwm_bst和降压信号pwm_buk来输出指示系统所处工作模式的第一信号bst、第二信号buk、第三信号bst_on和第四信号buk_on；以及逻辑和驱动模块230，可以用于基于第一信号bst、第二信号buk、第三信号bst_on和第四信号buk_on来输出多个控制信号(例如，控制信号a、b、c和d)。
68.作为一个示例，升压信号还可以与升压模式下第三开关sc的最小导通时间minon_bst、升压模式下第三开关sc的最大导通时间maxon_bst、升压模式时钟信号clk_bst以及升压模式斜坡电压slope_bst有关，其中，升压模式斜坡电压slope_bst可以用于防止系统在升压模式下产生次谐波振荡；以及降压信号还与降压模式下第二开关的最小导通时间minon_buk、降压模式下第二开关的最大导通时间maxon_buk、降压模式时钟信号clk_buk以及降压模式斜坡电压slope_buk有关，其中，降压模式斜坡电压slope_buk可以用于防止系统在降压模式下产生次谐波振荡，这将在下面进行详细介绍。
69.作为一个示例，参见图9，开关电源210可以包括：分压模块2101，可以包括分压电阻r
fb1
和r
fb2
，该分压模块2101可以用于采样输出电压v
out
，得到反馈电压v
fb
；误差放大器ea，可以用于对反馈电压v
fb
和基准电压v
ref
之间的差值进行放大，以输出放大电压v
comp
；求和模块2102，可以用于对电流采样电压v
sns
和升压模式斜坡电压slope_bst进行求和，以输出和电压v
sum_bst
，其中，该升压模式斜坡电压slope_bst用于防止系统在升压模式中产生次谐波振荡；求差模块2103，可以用于使电流采样电压v
sns
与降压模式斜坡电压slope_buk相减，以输出差电压v
sum_buk
，其中，该降压模式斜坡电压slope_buk用于防止系统在降压模式中产生次谐波振荡；第一支路2104，可以用于基于放大电压v
comp
和和电压v
sum_bst
来输出升压信号pwm_bst；以及第二支路2105，可以用于基于放大电压v
comp
和差电压v
sum_buk
来输出降压信号pwm_buk。
70.作为一个示例，第一支路2104可以包括第一比较器cmp1、第一逻辑单元和第一触发器rs1，其中，比较器cmp1可以用于对电压v
comp
和和电压v
sum_bst
进行比较以产生信号pwm1，然后可以利用第一逻辑单元对信号pwm1和升压模式下第三开关的最小导通时间minon_bst以及升压模式下第三开关的最大导通时间maxon_bst进行逻辑运算，并将运算结果输入到第一触发器rs1，第一触发器rs1还可以接收升压模式时钟信号clk_bst，使得第一触发器rs1可以基于该运算结果和升压模式时钟信号clk_bst来产生升压信号pwm_bst。
71.作为一个示例，该第一逻辑单元可以包括第一与非门和第二与非门，其中，第一与非门可以用于基于信号pwm1和升压模式下第三开关的最小导通时间minon_bst来输出第一中间信号，第二与非门可以用于基于第一中间信号和升压模式下第三开关的最大导通时间
maxon_bst来生成运算结果，并将该运算结果输入到第一触发器rs1。
72.作为一个示例，第二支路可以包括比较器cmp2、第二逻辑单元和第二触发器rs2，其中，比较器cmp2、可以用于对电压v
comp
和电压v
sum_buk
进行比较，以输出信号pwm2，然后可以利用第二逻辑单元对信号pwm2、降压模式下第二开关的最小导通时间minon_buk以及降压模式下第二开关的最大导通时间maxon_buk进行逻辑运算，并将运算结果输入到第二触发器rs2，第二触发器rs2还可以接收降压模式时钟信号clk_buk，使得第二触发器rs2可以基于该预算结果和降压模式时钟信号clk_buk来产生降压信号pwm_buk。
73.其中，minon_bst可以用于确定升压模式下第三开关sc的最小导通时间；maxon_bst可以用于确定升压模式下第三开关sc的最大导通时间；minon_buk可以用于确定降压模式下第二开关sb的最小导通时间；maxon_buk可以用于确定降压模式下第二开关sb的最大导通时间。
74.作为一个示例，第二逻辑单元可以包括第三与非门和第四与非门，其中，第三与非门可以用于基于信号pwm2和降压模式下第二开关的最小导通时间minon_buk来输出第二中间信号，第四与非门可以用于基于第二中间信号和降压模式下第二开关的最大导通时间maxon_buk来生成运算结果，并将该运算结果输入到第二触发器rs2。
75.作为一个示例，工作模式判断模块220可以用于基于输入电压v
in
、输出电压v
out
、控制信号pwm_buk以及控制信号pwm_bst来输出四个控制信号bst、buk、bst_on以及buk_on，使得逻辑和驱动模块230可以基于这四个控制信号bst、buk、bst_on以及buk_on来输出用于控制四个开关导通和关断的信号a、b、c和d。
76.其中，在一些实施例中，控制信号bst、buk的高低与输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的比例(例如，v
in
/v
out
)大小有关，如图10所示。
77.此外，控制信号bst_on的高低可以与控制信号pwm_buk的占空比大小有关，而buk_on的高低可以与控制信号pwm_bst的占空比大小有关，如图11所示。作为一个示例，例如图11(a)示出了控制信号bst_on的高低与pwm_buk的占空比大小之间的关系图，而图11(b)示出了buk_on的高低与控制信号pwm_bst的占空比大小之间的关系图。
78.作为一个示例，控制信号bst、buk、bst_on以及buk_on经过逻辑和驱动模块230的处理，可以得到四个控制信号a、b、c和d。这四个控制信号a、b、c和d可以分别用来控制四个开关sa、sb、sc和sd的导通和关断。
79.作为一个示例，参考图12，图12示出了本发明实施例提供的逻辑和驱动模块的电路结构图。
80.在图12所示的实施例中，该逻辑和驱动模块230可以包括：第一反相器1201，可以用于对第一信号bst进行反相；第一或非门1202，可以用于接收经反相的第一信号和第四信号buk_on；第一或门1203，可以用于接收经反相的第一信号和第四信号buk_on；第二反相器1204，可以用于对降压信号pwm_buk进行反相；第二或门1205，可以用于接收来自第一或非门1202的输出信号和经反相的降压信号；第一驱动器(例如，栅极驱动a)，可以用于基于来自第二或门1205的输出信号来产生第一控制信号a，以控制开关sa；第一与门1206，可以用于接收来自第一或门1205的输出信号和降压信号pwm_buk；第二驱动器(例如，栅极驱动b)，可以用于基于来自第一与门1206的输出信号来产生第二控制信号b，以控制开关sb；第三反相器1207，可以用于对第二信号buk进行反相；第三或门1208，可以用于接收经反相的第二
信号和第三信号bst_on；第二或非门1209，可以用于接收经反相的第二信号和第三信号bst_on；第二与门1210，可以用于接收来自第三或门1208的输出信号和升压信号pwm_bst；第三驱动器(例如，栅极驱动c)，可以用于基于来自第二与门1210的输出信号来产生第三控制信号c，以控制开关sc；第四反相器1211，可以用于对升压信号pwm_bst进行反相；第四或门1212，可以用于接收来自第二或非门1209的输出信号和经反相的升压信号；以及第四驱动器(例如，栅极驱动d)，可以用于基于来自第四或门1212的输出信号来产生第四控制信号d，以控制开关sd。
81.作为一个示例，参考图6和图12，输入电压v
in
、输出电压v
out
、控制信号pwm_buk以及控制信号pwm_bst经过工作模式判断模块220的处理得到控制信号bst、buk、bst_on以及buk_on，并且控制信号bst、buk、bst_on以及buk_on经过逻辑和驱动模块230的处理，得到控制信号a、b、c和d，控制信号a、b、c和d可以分别用来控制第一开关至第四开关sa、sb、sc和sd的导通和关断。
82.在一些实施例中，例如，四开关同相升降压变换器控制系统的输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系，可以由伏秒平衡定律得出，如公式(1)：
[0083][0084]
其中，t
ac
为一个开关周期t
sw
内第一开关sa和第三开关sc同时导通的时间，t
ad
为一个开关周期t
sw
内第一开关sa和第四开关sd同时导通的时间，以及t
bd
为一个开关周期t
sw
内第二开关sb和第四开关sd同时导通的时间。
[0085]
本发明实施例提供的升降压变换器控制系统，可以根据工作模式判断模块220(参见图9)来将系统分为不同的工作模式。作为一个示例，例如可以根据输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系，即信号bst和buk的高低，以及信号bst_on和buk_on的高低，可以将系统分为例如以下三种工作模式：
[0086]
1.作为一个示例，当信号bst处于高电平且buk_on处于低电平(例如，bst＝1&buk_on＝0)时，可以由工作模式判断模块220确定系统工作在升压模式，以使逻辑和驱动模块230可以基于控制信号a使得第一开关sa在整个开关周期内一直导通，可以基于控制信号b使得第二开关sb在整个开关周期内一直关断，并可以分别基于控制信号c和d使得第三开关sc和第四开关sd交替导通(即，根据系统环路控制交替导通)，其输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系可以表示为：
[0087][0088]
2.(1)作为一个示例，当信号bst和信号buk_on均处于高电平(例如，bst＝1&buk_on＝1)时，可以由工作模式判断模块220确定系统工作在升降压模式，以使逻辑和驱动模块230可以基于控制信号b使得第二开关sb以最小导通时间工作，其输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系可以表示为：
[0089][0090]
(2)作为一个示例，当信号bst_on和信号buk_on均处于高电平(例如，bst_on＝1&buk_on＝1)时，可以由工作模式判断模块220确定系统处于升降压模式，以使逻辑和驱动模
块230可以分别基于控制信号b和控制信号c使第二开关sb和第三开关sc均以最小导通时间工作，其中在理想情况下，t
ac(min)
＝t
bd(min)
，其输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系可以表示为：
[0091][0092]
(3)作为一个示例，当信号buk和信号bst_on均处于高电平(例如，buk＝1&bst_on＝1)时，可以由工作模式判断模块220确定系统处于升降压模式，以使逻辑和驱动模块230可以基于第三控制信号c使第三开关sc以最小导通时间工作，其输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系可以表示为：
[0093][0094]
3.作为一个示例，当信号buk处于高电平且信号bst_on处于低电平(例如，buk＝1&bst_on＝0)时，可以由工作模式判断模块220确定系统处于降压模式，以使逻辑和驱动模块230可以基于第四控制信号d使第四开关sd在整个开关周期内一直导通，可以基于第三控制信号c使第三开关sc在整个开关周期内一直关断，并可以分别基于第一控制信号a和第二控制信号b使第一开关sa和第二开关sb交替导通，其输入电压v
in
和输出电压v
out
之间的关系可以表示为：
[0095][0096]
作为一个示例，图13示出了本发明实施例提供的升降压控制器的工作波形示意图，参考图13，clk_bst和clk_buk二者频率相等且存在一定的相移，典型值可以为120度到240度。
[0097]
在一些实施例中，当信号bst处于高电平且buk_on处于低电平(例如，bst＝1且buk_on＝0)时，系统可以工作在升压模式，在t1时刻，第三开关sc导通。在t2时刻，当v
sns
加上slope_bst的值大于v
comp
的值时，第三开关sc关断，第四开关sd开始导通，直到t3时刻，第四开关sd关断。
[0098]
在t3时刻，系统判断pwm_bst的占空比已经小于5％，所以信号buk_on被置为高电平(例如，buk_on＝1)，系统开始进入升降压模式，在t3时刻，第三开关sc导通，当v
sns
加上slope_bst的值大于v
comp
的值时，第三开关sc关断(若v
sns
加上slope_bst的值大于v
comp
的值所持续的时间小于最小导通时间t
ac(min)
时，则第三开关sc以最小导通时间t
ac(min)
导通)，在t4时刻，第三开关sc关断，第四开关sd开始导通。在t5时刻，即降压模式时钟信号clk_buk的上升沿，第二开关sb开始导通。由公式(3)可知，从t5时刻开始，经过最小导通时间t
bd(min)
，在t6时刻，第二开关sb关断，第一开关sa开始导通。在t7时刻，即升压模式时钟信号clk_bst的上升沿，第三开关sc以最小导通时间t
ac(min)
导通，在t8时刻，第三开关sc关断，第四开关sd开始导通。在t9时刻，即降压模式时钟信号clk_buk的上升沿，第二开关sb开始导通。由式(3)可知，从t9时刻开始，经过最小导通时间t
bd(min)
，在t
10
时刻，第二开关sb关断，第一开关sa开始导通。在t
11
时刻，即升压模式时钟信号clk_bst的上升沿，第三开关sc以最小导通时间t
ac(min)
导通。
[0099]
在t8时刻开始，由于bst_on＝1且buk_on＝1，第二开关sb和第三开关sc分别以最
小的导通时间t
bd(min)
和t
ac(min)
工作，由式(4)可知，输入电压v
in
继续增大，则输出电压v
out
会略大于设定值，进而v
comp
会逐渐减小。在t
11
时刻，即升压模式时钟信号clk_bst的上升沿，第三开关sc以最小导通时间t
ac(min)
导通，在t
12
时刻，第三开关sc关断，sd开始导通。
[0100]
在t
13
时刻，即降压模式时钟信号clk_buk的上升沿，第二开关sb开始导通，在v
sns
减去slope_buk的值还未小于v
comp
的值的时间段内，系统判断出pwm_buk的占空比已经大于15％，此时bst_on被重置为0，系统进入降压模式。在t
14
时刻，即v
sns
减去slope_buk的值小于v
comp
的值时，第二开关sb关断，第一开关sa开始导通，直到t
15
时刻，即clk_buk的上升沿，第一开关sa关断。
[0101]
时刻t1‑
t
15
示出了系统从升压模式到升降压模式的转换，再从升降压模式到降压模式的转换。其逆过程为降压模式到升降压模式的转换，再从升降压模式到升压模式的转换，在本发明提供的实施例的基础上，其系统工作原理对于本领域技术人员而言将变得显而易见。应注意的是，模式切换过程(例如，从升压模式切换到降压模式，或从降压模式切换到升压模式)通常需要多个开关周期才能够实现。
[0102]
应注意的是，图13为模式切换过程的简化示意图，且不应解释为对本发明的限制，此外，为了进一步说明，参考图14和图15，图14示出了本发明实施例提供的用于典型的功率传输协议(usb power delivery，usb pd)应用的系统波形示意图，图15示出了本发明实施例提供的用于典型的汽车电源应用的系统波形示意图。
[0103]
作为一个示例，参考图14，其中，输入电压v
in
＝12v，输出电压v
out
＝5v、9v、15v、20v，并且负载电流i
load
＝5a。
[0104]
作为一个示例，参考图15，其中，输入电压v
in
＝4v至36v，输出电压v
out
＝12v，并且负载电流i
load
＝5a。
[0105]
综上，本发明实施例提供的升降压变换器控制系统可以有效地克服传统技术的缺点，并且相比于现有技术，可以实现如下优点：
[0106]
首先，可以提高效率，本发明实施例提供的升降压变换器控制系统加入了ad阶段(即，第一开关sa和第四开关sd同时导通，输入到输出直通)，所以减小了平均电感电流，从而减小了导通损耗。此外，由于ad阶段为直通模式，即能量可以直接从输入端传递到输出端，所以减小了开关损耗，而现有技术中，只有第二开关和第四开关同时导通(bd阶段)时，才有能量转移到输出端。
[0107]
其次，可以实现良好的emi特性，在输入电压接近输出电压的情况下，系统处于升压模式和降压模式交替运行，所以系统节点sw1和sw2(参见图4)处的频率恒定，从而不会产生emi问题。
[0108]
再次，良好的线瞬态响应。在系统向升降模式切换时，系统节点sw1和sw2处的频率未降低，且仍保持原有开关频率，使得能够实现从升压模式向降压模式以及从降压模式向升压模式的无缝切换。
[0109]
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0110]
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd
‑
rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
[0111]
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0112]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。