一种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制电路及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于四管Buck-Boost变换器的开关控制电路及其控制方法，通过对第一开关和第三开关的导通时刻或关断时刻的控制，使得系统的开关周期为一恒定值，即实现了定频控制，并且可以保证系统工作在恒定关断时间或恒定导通时间，本发明的技术方案相对于现有技术来说，系统稳定性好。
【专利说明】-种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制电路及控制 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种用于四管Buck-Boost变换器的 开关控制电路及控制方法。
【背景技术】
[0002] 现有技术中的四管Buck-Boost变换器的功率级电路如图1所示，所述功率级电路 接收输入电压VIN，通过功率转换后输出稳定的输出电压信号V0UT，所述四管Buck-Boost 变换器包括：电感L1，稱接于输入电压VIN与电感L1的第一端间的第一开关S1，藕接于电 感L1的第一端与接地端间的第二开关S2,藕接于电感L1的第二端与接地端间的第三开关 S3,以及耦接于电感L1的第二端与稳定输出电压V0UT间的第四开关S4。
[0003] 其中，第一开关S1和第二开关S2组成Buck桥背，第三开关S3和第四开关S4组 成Boost桥背，在输入电压VIN低于输出电压V0UT时，Buck桥背开环工作在最大占空比， Boost桥背闭环升压；在输入电压VIN高于输出电压V0UT时，正好相反。
[0004] 现有技术中的四管Buck-Boost变换器的开关控制电路根据输入电压和输出电压 的大小控制功率级电路的工作模式，然后控制各个开关的开关状态。现有技术中一般采用 的是变频的恒定导通或恒定关断时间的控制方法，然而，在变频控制中，电源输入电压和输 入电流间的相位角与频率的关系很可能出现分歧现象，引起系统不稳定，而且需实现跟踪 的电路元件较多，控制复杂。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提出了一种用于四管Buck-Boost变换器中的开关控制电路及 控制方法，采用准定频的恒定导通时间或恒定关断时间的控制方案以消除电路工作不稳定 的问题。
[0006] 依据本发明的一种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制电路，所述四管 Buck-Boost变换器包括一功率级电路，所述功率级电路包括串联于其输入端和输出端之间 的第一开关、电感和第四开关，第二开关的第一端连接于第一开关和电感的公共连接点，第 二端接地，第三开关的第一端连接于第四开关和电感的公共连接端，第二端接地，所述开关 控制电路包括恒定时间控制电路和PWM控制电路，
[0007] 所述恒定时间控制电路根据所述第一开关和第三开关的开关信号来产生开关触 发信号；
[0008] 所述PWM控制电路接收所述功率级电路的输入电压信号、输出电压信号和所述开 关触发信号以产生四路开关信号来控制所述第一开关至第四开关的开关动作，
[0009] 并且，在所述开关触发信号变为有效状态时刻，所述PWM控制电路控制所述第一 开关和第三开关导通，或者，
[0010] 在所述开关触发信号变为有效状态时刻，所述PWM控制电路控制所述第一开关和 第三开关关断。
[0011] 进一步的，所述恒定时间控制电路包括第一斩波电路、第二斩波电路、滤波电路和 比较电路，
[0012] 所述第一斩波电路接收第一电压信号和第一开关的开关信号，以产生第一斩波信 号，并且，所述第一斩波信号与所述第一开关的关断时间成比例；
[0013] 所述第二斩波电路接收所述第一电压信号和第三开关的开关信号，以产生第二斩 波信号，并且，所述第二斩波信号与所述第三开关的关断时间成比例；
[0014] 所述滤波电路接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信 号；
[0015] 所述比较电路接收所述滤波信号和第一斜坡信号，以产生比较信号，所述比较信 号经单脉冲发生电路处理后输出所述开关触发信号。
[0016] 进一步的，所述第一斜坡信号由第一斜坡发生电路产生，所述第一斜坡发生电路 包括第一受控电流源、第二受控电流源、第一电容和第五开关，
[0017] 所述第一受控电流源接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关 为关断状态时，输出第一电流信号；
[0018] 所述第二受控电流源接收所述第一电流源和第三开关的开关信号，并当所述第三 开关为关断状态时，输出所述第一电流信号；
[0019] 所述第一电容的第一端连接在所述第一受控电流源和第二受控电流源的输出端 的公共连接点，第二端接地；
[0020] 所述第五开关的两个功率端并联在所述第一电容的两端，控制端接收所述开关触 发信号。
[0021] 进一步的，所述恒定时间控制电路包括第一斩波电路、第二斩波电路、滤波电路和 比较电路，
[0022] 所述第一斩波电路接收第一电压信号和第一开关的开关信号，以产生第一斩波信 号，并且，所述第一斩波信号与所述第一开关的导通时间成比例；
[0023] 所述第二斩波电路接收所述第一电压信号和第三开关的关断信号，以产生第二斩 波信号，并且，所述第二斩波信号与所述第三开关的导通时间成比例；
[0024] 所述滤波电路接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信 号；
[0025] 所述比较电路接收所述滤波信号和第一斜坡信号，以产生比较信号，所述比较信 号经单脉冲发生电路处理后输出所述开关触发信号。
[0026] 进一步的，所述第一斜坡信号由第一斜坡发生电路产生，所述第一斜坡发生电路 包括第一受控电流源、第二受控电流源、第一电容和第五开关，
[0027] 所述第一受控电流源接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关 为导通状态时，输出第一电流信号；
[0028] 所述第二受控电流源接收所述第一电流源和第三开关的导通信号，并当所述第三 开关为导通状态时，，输出所述第一电流信号；
[0029] 所述第一电容的第一端连接在所述第一受控电流源和第二受控电流源的输出端 的公共连接点，第二端接地；
[0030] 所述第五开关的两个功率端并联在所述第一电容的两端，控制端接收所述开关触 发信号。
[0031] 依据本发明的一种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制方法，所述四管 Buck-Boost变换器包括一功率级电路，所述功率级电路包括串联于输入端和输出端之间的 第一开关、电感L和第四开关，第二开关的第一端连接于第一开关和电感的公共连接点，第 二端接地，第三开关的第一端连接于第四开关和电感的公共连接端，第二端接地，包括以下 步骤：
[0032] 根据所述第一开关和第三开关的开关信号来产生开关触发信号；
[0033] 所述PWM控制电路接收所述功率级电路的输入电压信号、输出电压信号和所述开 关触发信号以产生四路开关信号来控制所述第一开关至第四开关的开关动作，
[0034] 并且，当所述开关触发信号变为有效状态时，所述PWM控制电路控制所述第一开 关和第三开关导通，或者，
[0035] 当所述开关触发信号变为有效状态时，所述PWM控制电路控制所述第一开关和第 二开关关断。
[0036] 优选的，根据所述第一开关和第三开关的导通信号和关断信号来产生所述开关触 发信号具体步骤包括：
[0037] 接收第一电压信号和第一开关的开关信号，以产生第一斩波信号，并且，所述第一 斩波信号与所述第一开关的关断时间成比例；
[0038] 接收所述第一电压信号和第三开关的开关信号，以产生第二斩波信号，并且，所述 第二斩波信号与所述第三开关的关断时间成比例；
[0039] 接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号；
[0040] 比较所述滤波信号和第一斜坡信号，以产生比较信号，所述比较信号经单脉冲发 生电路处理后输出所述开关触发信号。
[0041] 进一步的，所述第一斜坡信号的产生步骤具体包括：
[0042] 接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为关断状态时，输出 第一电流信号；
[0043] 接收所述第一电流源和第三开关的开关信号，并当所述第三开关为关断状态时， 输出所述第一电流信号；
[0044] 通过给第一电容充放电以形成所述第一斜坡信号，其中，所述第一电流信号用以 给所述第一电容充电。
[0045] 优选的，根据所述第一开关和第三开关的导通信号和关断信号来产生所述开关触 发信号具体步骤包括：
[0046] 接收第一电压信号和第一开关的开关信号，以产生第一斩波信号，并且，所述第一 斩波信号与所述第一开关的导通时间成比例；
[0047] 接收所述第一电压信号和第三开关的开关信号，以产生第二斩波信号；并且，所述 第一斩波信号与所述第一开关的导通时间成比例；
[0048] 接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号；
[0049] 比较所述滤波信号和第一斜坡信号，以产生比较信号，所述比较信号经单脉冲发 生电路处理后输出所述开关触发信号。
[0050] 进一步的，所述第一斜坡信号产生的步骤具体包括：
[0051] 接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为导通状态时，输出 所述第一电流信号；
[0052] 接收所述第一电流源和第三开关的开关信号，并当所述第三开关为导通状态时， 输出所述第一电流信号；
[0053] 通过给第一电容充放电以形成所述第一斜坡信号，其中，所述第一电流信号用以 给所述第一电容充电。
[0054] 由上可知，依据本发明的四管Buck-Boost变换器的开关控制电路通过对第一开 关和第三开关的导通时刻或关断时刻的控制，使得系统的开关周期为一恒定值，即实现了 定频控制。相对于现有技术，本发明的技术方案可实现准定频控制的恒定导通时间或关断 时间，系统稳定性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0055] 图1所示为现有技术中的四管Buck-Boost变换器的功率级电路图；
[0056] 图2所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的电路框图；
[0057] 图3A所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的恒定时间控制电路的第一实 施例的具体电路图；
[0058] 图3B所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的第一实施例的工作波形图；
[0059] 图4A所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的恒定时间控制电路的第二实 施例的具体电路图；
[0060] 图4B所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的第二实施例的工作波形图；
【具体实施方式】
[0061]以下结合附图对本发明的几个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髓和范围上做的替代、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。
[0062] 参考图2所示为依据本发明的四管Buck-Boost变换器的电路框图，所述四管 Buck-Boost变换器包括一功率级电路，所述功率级电路包括串联于输入端和输出端之间的 第一开关S1、电感L1和第四开关S4,第二开关S2的第一端连接于第一开关S1和电感L1 的公共连接点，第二端接地，第三开关S3的第一端连接于第四开关S4和电感L1的公共连 接端，第二端接地，这里，所述第一开关和第三开关为三极管或晶体管，所述第二开关和第 四开关为三极管或晶体管或二极管。所述开关控制电路具体包括恒定时间控制电路201和 PWM控制电路202,并且，所述恒定时间控制电路201根据所述第一开关S1和第三开关S3 的导通信号和关断信号来产生一开关触发信号CLOCK。
[0063] 所述PWM控制电路202接收所述功率级电路的输入电压信号VIN、输出电压信号 V0UT和所述开关触发信号CLOCK以产生四路开关信号V gl、Vg2、Vg3、Vg4来控制所述第一开 关、第二开关、第三开关和第四开关的开关动作，并且，在所述开关触发信号变为有效状态 时刻，这里，以高电平表征为有效状态，所述PWM控制电路控制所述第一开关S1和第三开关 S3导通，或者，在所述开关触发信号变为有效状态时刻，所述PWM控制电路控制所述第一开 关S1和第三开关S3关断。
[0064] 在本发明中，通过控制第一开关S1和第三开关S3的导通或关断时刻，可以获得一 个准定频的恒定关断时间或恒定导通时间控制方式，以下结合附图3A所示恒定时间控制 电路的第一实施例的具体电路图来详细阐述本发明准定频的控制方式：
[0065] 如图3A所示，所述恒定时间控制电路具体包括由第一晶体管Q1和第二晶体管 Q2组成的第一斩波电路、由第三晶体管Q3和第四晶体管Q4组成的第二斩波电路、由电阻 RFm、电阻R FW2和电容CFU组成的滤波电路、由第一受控电流源i 1、第二受控电流源i2、第一 电容0^和第五开关Q5组成的第一斜坡发生电路以及由比较器CMP组成的比较电路。 [0066] 具体地，所述第一斩波电路和所述第二斩波电路均由P型晶体管和N型晶体管构 成一推挽电路结构，其中，所述第一晶体管Q1为P型晶体管，第二晶体管Q2为N型晶体管， 第一晶体管Q1和第二晶体管Q2连接在第一电压信号V〇sc；和地之间，第一晶体管Q1和第二 晶体管Q2的控制端接收所述第一开关的开关信号，当所述第一开关的开关信号为有效状 态时，即第一开关导通，图3A中以T S1_W表征第一开关的导通时间，表征第一开关的关 断时间，下文中第二开关至第四开关的表征方式均相同，所述第二晶体管Q2导通，当所述 第一开关关断时，所述第一晶体管Q1导通，因此，所述第一电压信号经过所述第一斩波 电路斩波后，获得的第一斩波信号V A的平均值为：
【权利要求】
1. 一种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制电路，所述四管Buck-Boost变换器包 括一功率级电路，所述功率级电路包括串联于其输入端和输出端之间的第一开关、电感和 第四开关，第二开关的第一端连接于第一开关和电感的公共连接点，第二端接地，第H开关 的第一端连接于第四开关和电感的公共连接端，第二端接地，其特征在于，所述开关控制电 路包括恒定时间控制电路和PWM控制电路， 所述恒定时间控制电路根据所述第一开关和第H开关的开关信号来产生开关触发信 号； 所述PWM控制电路接收所述功率级电路的输入电压信号、输出电压信号和所述开关触 发信号W产生四路开关信号来控制所述第一开关至第四开关的开关动作， 并且，在所述开关触发信号变为有效状态时刻，所述PWM控制电路控制所述第一开关 和第H开关导通，或者， 在所述开关触发信号变为有效状态时刻，所述PWM控制电路控制所述第一开关和第H 开关关断。
2. 根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述恒定时间控制电路包括第 一斩波电路、第二斩波电路、滤波电路和比较电路， 所述第一斩波电路接收第一电压信号和第一开关的开关信号，W产生第一斩波信号， 并且，所述第一斩波信号与所述第一开关的关断时间成比例； 所述第二斩波电路接收所述第一电压信号和第H开关的开关信号，W产生第二斩波信 号，并且，所述第二斩波信号与所述第H开关的关断时间成比例； 所述滤波电路接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号； 所述比较电路接收所述滤波信号和第一斜坡信号，W产生比较信号，所述比较信号经 单脉冲发生电路处理后输出所述开关触发信号。
3.根据权利要求2所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一斜坡信号由第一斜坡 发生电路产生，所述第一斜坡发生电路包括第一受控电流源、第二受控电流源、第一电容和 第五开关， 所述第一受控电流源接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为关 断状态时，输出第一电流信号； 所述第二受控电流源接收所述第一电流源和第H开关的开关信号，并当所述第H开关 为关断状态时，输出所述第一电流信号； 所述第一电容的第一端连接在所述第一受控电流源和第二受控电流源的输出端的公 共连接点，第二端接地； 所述第五开关的两个功率端并联在所述第一电容的两端，控制端接收所述开关触发信 号。
4.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述恒定时间控制电路包括第 一斩波电路、第二斩波电路、滤波电路和比较电路， 所述第一斩波电路接收第一电压信号和第一开关的开关信号，W产生第一斩波信号， 并且，所述第一斩波信号与所述第一开关的导通时间成比例； 所述第二斩波电路接收所述第一电压信号和第H开关的关断信号，W产生第二斩波信 号，并且，所述第二斩波信号与所述第H开关的导通时间成比例； 所述滤波电路接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号； 所述比较电路接收所述滤波信号和第一斜坡信号，W产生比较信号，所述比较信号经 单脉冲发生电路处理后输出所述开关触发信号。
5. 根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一斜坡信号由第一斜坡 发生电路产生，所述第一斜坡发生电路包括第一受控电流源、第二受控电流源、第一电容和 第五开关， 所述第一受控电流源接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为导 通状态时，输出第一电流信号； 所述第二受控电流源接收所述第一电流源和第H开关的导通信号，并当所述第H开关 为导通状态时，，输出所述第一电流信号； 所述第一电容的第一端连接在所述第一受控电流源和第二受控电流源的输出端的公 共连接点，第二端接地； 所述第五开关的两个功率端并联在所述第一电容的两端，控制端接收所述开关触发信 号。
6. -种用于四管Buck-Boost变换器的开关控制方法，所述四管Buck-Boost变换器包 括一功率级电路，所述功率级电路包括串联于输入端和输出端之间的第一开关、电感L和 第四开关，第二开关的第一端连接于第一开关和电感的公共连接点，第二端接地，第H开关 的第一端连接于第四开关和电感的公共连接端，第二端接地，其特征在于，包括W下步骤： 根据所述第一开关和第H开关的开关信号来产生开关触发信号； 所述PWM控制电路接收所述功率级电路的输入电压信号、输出电压信号和所述开关触 发信号W产生四路开关信号来控制所述第一开关至第四开关的开关动作， 并且，当所述开关触发信号变为有效状态时，所述PWM控制电路控制所述第一开关和 第H开关导通，或者， 当所述开关触发信号变为有效状态时，所述PWM控制电路控制所述第一开关和第H开 关关断。
7. 根据权利要求6所述的开关控制方法，其特征在于，根据所述第一开关和第H开关 的导通信号和关断信号来产生所述开关触发信号具体步骤包括： 接收第一电压信号和第一开关的开关信号，W产生第一斩波信号，并且，所述第一斩波 信号与所述第一开关的关断时间成比例； 接收所述第一电压信号和第H开关的开关信号，W产生第二斩波信号，并且，所述第二 斩波信号与所述第H开关的关断时间成比例； 接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号； 比较所述滤波信号和第一斜坡信号，W产生比较信号，所述比较信号经单脉冲发生电 路处理后输出所述开关触发信号。
8. 根据权利要求7所述的开关控制方法，其特征在于，所述第一斜坡信号的产生步骤 具体包括： 接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为关断状态时，输出第一 电流f旨号； 接收所述第一电流源和第H开关的开关信号，并当所述第H开关为关断状态时，输出 所述第一电流信号； 通过给第一电容充放电W形成所述第一斜坡信号，其中，所述第一电流信号用W给所 述第一电容充电。
9. 根据权利要求6所述的开关控制方法，其特征在于，根据所述第一开关和第H开关 的导通信号和关断信号来产生所述开关触发信号具体步骤包括： 接收第一电压信号和第一开关的开关信号，W产生第一斩波信号，并且，所述第一斩波 信号与所述第一开关的导通时间成比例； 接收所述第一电压信号和第H开关的开关信号，W产生第二斩波信号；并且，所述第一 斩波信号与所述第一开关的导通时间成比例； 接收所述第一斩波信号和第二斩波信号，经滤波处理后产生滤波信号； 比较所述滤波信号和第一斜坡信号，W产生比较信号，所述比较信号经单脉冲发生电 路处理后输出所述开关触发信号。
10. 根据权利要求9所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一斜坡信号产生的步骤 具体包括： 接收第一电流源和第一开关的开关信号，并当所述第一开关为导通状态时，输出所述 第一电流信号； 接收所述第一电流源和第H开关的开关信号，并当所述第H开关为导通状态时，输出 所述第一电流信号； 通过给第一电容充放电W形成所述第一斜坡信号，其中，所述第一电流信号用W给所 述第一电容充电。
【文档编号】H02M3/158GK104467427SQ201410670391
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】邓甫华 申请人:南京矽力杰半导体技术有限公司