[發明專利]一種四開關升降壓直流-直流變換器的控制方法及裝置

有效

• 申請號: 200910095890.8
• 申請日: 2009-02-17
• 公開（公告）號: CN101499717B
• 公開（公告）日: 2009-08-05
• 發明（設計）人: 吳曉波;婁佳娜;趙夢戀
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M3/04
• 分類號: H02M3/04;H02M3/145
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及一種升降壓直流-直流變換器的控制方法及實現該方法的一種升降壓直流-直流變換器。

背景技術

在鋰電池供電的便攜式設備中，提高電池的利用率是非常重要的。單節鋰電池的正常工作電壓范圍是2.7V到4.2V，而設備中的供電對象如處理器，解碼器等數字模塊一般采用3.3V供電，因此一個既能升壓又能降壓的直流-直流變換器能有效的提高電池的利用率。

在能實現升降壓功能的拓撲中，如圖1所示的四開關的buck-boost拓撲可看成是buck拓撲和boost拓撲級聯而成，而不增加電感個數。該四開關單電感buck-boost拓撲包括場效應開關管1、2、3和4、電感5和電容6。這種變換器除了能實現升降壓功能外，還能保證輸出電壓與輸入電壓始終同向，也使得控制策略可以更加靈活。

現有的四開關buck-boost變換器的控制策略可以分為線性控制和非線性控制。線性控制主要有電壓模式和電流模式等閉環控制，其中電流模式控制因其較好的線性和負載響應以及較簡單的補償策略而普遍應用。非線性控制主要有如遲滯控制等開環控制，其控制方法較簡單但是精度并不高。

在電流模式控制中，在輸出端對輸出電壓進行取樣，取樣電壓與一基準電壓輸入誤差放大器，誤差放大器的輸出作為電流比較器的基準輸入，所以其值與負載電流存在一定關系。在穩定狀態，控制環路中誤差放大器的輸出與負載電流成正比。又由于在電流模式控制中，誤差放大器輸出會連接一個電阻-電容補償模塊，所以，誤差放大器的輸出不會因為負載的突變而突變。這就是電壓環控制總是比電流環控制慢的原因。

此外，現有技術中的非線性控制策略一般在降壓控制中較易實現，而在升壓控制中，上述非線性控制并不適用。簡單的說，在boost拓撲中，當從輕載跳變到重載，相應的滿占空比控制只是實現了輸入給電感充電，但是能量并沒有傳遞到輸出端，所以輸出電壓依然不能快速恢復。而當從重載跳變到輕載零占空比控制只是實現輸入始終傳輸到輸出，雖然輸入電流會慢慢減小，輸出電壓會慢慢下降，但是速度并不快。

發明內容

本發明提供一種用于四開關升降壓直流-直流變換器的控制方法及裝置，使升降壓直流-直流變換器結合了電流模式控制與非線性控制的優點，在升壓或降壓控制中，實現了負載跳變時的快速響應。

非線性控制的原理一般是在負載跳變時控制變換器工作在滿占空比或零占空比下。即：當負載從輕載跳到重載時，輸出電壓產生一個下垂電壓時，控制變換器工作在滿占空比下，使輸出電壓較快回到穩定值；當負載從重載跳到輕載時，輸出電壓產生一個過沖電壓時，控制變換器工作在零占空比下，使輸出電壓較快恢復。而輕重載跳變的判斷一般通過具有一定窗口的遲滯比較器比較輸出電壓與基準得到。當下垂電壓低于遲滯比較器的第一門限基準電壓時或過沖電壓高于遲滯比較器的第二門限基準電壓時，判斷為需要非線性控制。

如果在負載跳變時，只是簡單的引入非線性控制，實現在負載跳變時開關變換器的滿占空比或零占空比控制，會使輸出端電容過充或過放。原因在于當負載從重載跳變到輕載時，輸出電壓發生過沖，觸發非線性控制而進入零占空比工作狀態；此時輸入端能量不傳輸到輸出端，輸出電容放電，同時誤差放大器的輸出端電壓會因為輸出電壓過沖而慢慢掉到零。由于在非線性控制中，原電流環和電壓環都不起調節作用，所以誤差放大器的輸出也不會隨負載變化而變化。在輸出電壓恢復到設計值后，非線性控制結束而回到線性控制時，誤差放大器輸出端電壓從零回到跳變后負載所需的電壓值需要一段時間，在這段時間內，輸出電壓會從原來的過沖變為下垂，進而觸發一次與之前相反的非線性控制，即滿占空比控制。若在滿占空比控制之后，誤差放大器輸出還不能穩定在與當時負載相對應的電壓值上，又會觸發一次相反的非線性控制。其結果是負載跳變的調整過程變成一個在不同的非線性控制之間來回切換的振蕩過程。反之，當負載從輕載跳變到重載時，也會出現這種振蕩，而不能實現快速響應的目的。

本發明基于上述分析，在解決負載跳變時發生振蕩的同時，也實現了對buck-boost拓撲的非線性控制，實現了變換器對負載跳變的快速響應。

本發明的升降壓直流-直流變換器的控制方法，在穩態時采用電流模式控制，在電壓輸出端進電壓采樣，將取樣電壓與基準電壓輸入誤差放大器，誤差放大器的輸出信號作為電流比較器的基準輸入，在誤差放大器的輸出端還連接有一個由電阻和電容組成的補償網絡。另外，對變換器工作模式進行判斷，在負載跳變時，

若工作在buck模式下：