四开关buck‑boost变换器及其数字控制方法技术

四开关buck‑boost变换器及其数字控制方法涉及开关电源领域。变换器包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，电感，第三MOS晶体管，第四MOS晶体管，电容和电阻，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。本发明专利技术中阐述了用MOS管代替电路中传统的开关或二极管的思想，由于MOS管具有的高效率、高可靠性等诸多优点，符合通信电源模块的发展趋势和需求，具有研究价值。本发明专利技术中DPWM是基于XILINX的Spartan6系列的XC6SLX9开发板进行设计，其工作时钟为50MHz，PWM实际的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1‑0.9，调制精度达到0.5％。

【技术实现步骤摘要】
四开关buck-boost变换器及其数字控制方法
本专利技术涉及开关电源领域，特别是涉及数字控制的buck拓扑技术的研究。
技术介绍
随着通信技术的快速发展，通信产品日趋绿色化、小型化，这对其通信电源模块，即开关电源提出了越来越高的要求。电源作为电子产品工作的动力，其质量直接影响电子设备的性能以及使用寿命，各种各样的电子产品规格也是不尽相同，但是无一例外的是电子产品的应用中都离不开DC/DC结构，即开关电源。Buck和Boost电路是DC/DC变换中最基本的两种电路，他们应用广泛，并且可以衍生出其他电路拓扑。Buck-Boost电路是其衍生电路，它既可以实现降压，也能够实现升压。市场多样化的需求也是使开关电源不断创新发展的一个重要原因。如今，各种各样的移动手机、上网设备、导航仪、便携式的娱乐设备等电子类产品的发展越来越快，而且这些设备开始逐步趋向于低耗能、更环保，多功能、智能化方向发展，作为电子类产品动力的电源，其重要性不言而喻。移动设备的迅速增长对便携式的充电设备提出了巨大的需求，各种各样的移动电源和适配器应运而生，开关电源的技术也在逐步的提升。电源管理技术的发展经历了电子管稳压源、晶体管稳压源、以IGBT和GTR为开关器件的低频低频开关稳压源、以场效应管作为开关器件的高频稳压源几个时期，总体的发展趋势是朝着体积小、损耗小、效率高、可靠性高的方向发展。市场多样化的需求也是使开关电源不断创新发展的一个重要原因。传统的DC/DC是基于模拟控制，虽然当前模拟控制技术的发展相当成熟，基本可以满足要求，但是具有一定的局限性。开关电源的数字化已经是当今DC/DC的重要发展趋势，与模拟控制相比，数字控制具有高精度、稳定、功耗低、适应环境强、易于与数字电路进行接口等诸多优势。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种四开关buck-boost的DC-DC拓扑电路思想，提供了一种数字PWM的控制方法。基于FPGA进行DigitalPWM设计，利用LTspice软件模拟buck-boost电路处于buck工作模式的情形进行仿真，验证本设计思想的可行性。专利技术中DPWM是基于XILINX的Spartan6系列的XC6SLX9开发板进行设计，其工作时钟为50MHz，PWM实际的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1-0.9，调制精度达到0.5％，本专利技术中利用LTspice软件模拟Buck-Boost电路处于buck工作模式时的输入电压为5V。本专利技术采用如下技术方案：一种四开关buck-boost变换器，其特征在于：利用四个MOS管代替传统的开关和二极管，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，当电路处于buck工作模式的时候，电路实现降压的作用，当电路处于boost工作模式的时候，电路实现升压的作用，因而通过控制相关MOS管的状态使得buck-boost电路处于不同的工作状态，实现不同的作用；通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。所述的四开关buck-boost变换器，其特征在于：电路结构包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，电感，第三MOS晶体管，第四MOS晶体管，电容和电阻；其中电压源的正极连接第一MOS晶体管的输入端，第一MOS晶体管的输出连接第二MOS晶体管的输入和电感的输入，电感的输出连接第三MOS晶体管和第四MOS晶体管的输入，第四晶体管的输出连接电容和电阻的输入，第二晶体管的输出，第三晶体管的输出，电容的输出，电阻的输出都连接到电压源的负极，此为整体的四开关buck-boost电路结构；当第三MOS晶体管处于一直断开状态，第四MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于buck工作状态；当第二MOS晶体管处于一直断开状态，第一MOS晶体管处于一直闭合状态时，该拓扑电路处于boost工作状态。传统的buck-boost电路拓扑如图1所示，本专利技术提出的四开关buck-boost的DC-DC拓扑思想的电路如图4所示，LTspice软件主要是模拟其工作在buck状态的情况，buck电路拓扑如图2所示，buck电路实现的作用是降压，即输出电压小于输入电压，从公式中体现为Vout＝D·Vin，D为占空比，是介于0到1之间的值，Vout为输出电压，Vin为输入电压，因此Vout≤Vin。开关电源的控制技术主要分为：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PFM)。PWM(pulsewidthmodulation)即脉冲宽度调制，PWM是开关型稳压电源中的术语，脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。PFM(Pulsefrequencymodulation)脉冲频率调制是一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。本专利技术主要是利用PWM技术进行控制，实现方式是基于Verilog语言，通过开发板进行设计，设定开发板中两个按键作为占空比增加与减小的调制按键，最终示波器观察结果，所设计PWM波的输出频率为100KHz,占空比调制范围为从0.1-0.9，调制精度达到0.5％。LTspice是凌力尔特公司提供的免费电路图仿真软件，利用LTspice软件模拟Buck-Boost电路处于buck工作模式进行仿真，其中选择Si7137dpMOS管代替传统的单刀开关来模拟仿真，实验结果表明，输出电压符合Buck电路原理特性，MOS管可代替buck-boost电路中传统的开关或二极管来实现升降压，验证了四开关buck-boost电路思想和设计的可行性。用MOS管代替电路中传统的开关或二极管，MOS管具有的高效率、高可靠性等诸多优点，符合通信电源模块的发展趋势和需求，具有研究价值。附图说明图1是传统的buck-boost变换器电路拓扑原理图；图2是buck-boost电路处于buck工作模式的等效电路图；图3是buck-boost电路处于boost工作模式的等效电路图；图4是四开关buck-boost变换器电路拓扑原理图；图5是利用FPGA开发板搭建的实验连接图；图6是示波器观察到的设计结果；图7是基于LTsipce软件模拟buck-boost电路处于buck工作模式时的具体连接电路图；图8是基于LTsipce软件模拟100KHz的PWM波对MOS管进行调制时的关系图；图9是基于LTsipce软件模拟占空比为0.7时，输入输出电压关系图；图10是基于LTsipce软件模拟进行模拟仿真，占空比与输出电压的关系图；具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本专利技术作进一步详细说明。图1是传统的buck-boost变换器电路拓扑原理图，buck-boost电路通过控制其开关管的导通和关闭可以实现buck以及boost的电路功能，其中Vin和Vout分别为输入和输出电压，iin和iout分别为输入和输出电流，iL为电感电流。图2是是buck-boost电路处于buck工作模式的等效电路图，当Q1闭合时，电路中电感储存能量，电感两端的电压为VL＝Vin-Vout(1)当Q1断开时，上一时刻储存在电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四开关buck‑boost变换器，其特征在于：利用四个MOS管代替传统的开关和二极管，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，当电路处于buck工作模式的时候，电路实现降压的作用，当电路处于boost工作模式的时候，电路实现升压的作用，因而通过控制相关MOS管的状态使得buck‑boost电路处于不同的工作状态，实现不同的作用；通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。

【技术特征摘要】
1.一种四开关buck-boost变换器，其特征在于：利用四个MOS管代替传统的开关和二极管，通过控制各个MOS管的导通关断状态，能够使得电路处于buck工作模式或者boost工作模式，当电路处于buck工作模式的时候，电路实现降压的作用，当电路处于boost工作模式的时候，电路实现升压的作用，因而通过控制相关MOS管的状态使得buck-boost电路处于不同的工作状态，实现不同的作用；通过对相应模式下的MOS管施加PWM激励信号，调节输出电压的增大与减小。2.如权利要求1所述的四开关buck-boost变换器，其特征在于：电路结构包括输入电压源，第一MOS晶体管，第二MOS晶体管，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文思，潘子月，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11