一种DC-DC变换器的控制方法及其控制芯片模组技术

本发明专利技术公开了一种DC

【技术实现步骤摘要】
一种DC
‑
DC变换器的控制方法及其控制芯片模组


[0001]本专利技术属于非隔离电源
，尤其涉及一种DC
‑
DC变换器的控制方法及其控制芯片模组。

技术介绍

[0002]在既需要升压又需要降压的非隔离功率变换场合，四开关Buck
‑
Boost DC
‑
DC变换器应用非常广泛，例如电池充电、光伏并网、功率因数校正等。如图1A所示，该DC
‑
DC变换器包含4个开关管Q1
‑
Q4，电感L1，输入电容C
in
和输出电容C
o
。工作时输入电压V
in
可以小于或大于等于输出电压V
o
，即具有升降压变换功能。
[0003]针对该变换器的控制方法，现有技术之一是采用分区模式切换控制：当V
in
>V
o
时，Q3常开，Q4常关，Q1和Q2互补开关，工作于Buck模式，Q1为主开关管，Q2为同步整流管；当V
in
<V
o
时，Q1常开，Q2常关，Q3和Q4互补开关，工作于Boost模式，Q4为主开关管，Q3为同步整流管；当V
in
与V
o
接近时，工作于一种特殊的过渡模式。除了特别轻载工况，通常电感工作在连续电流模式(continuous current mode,CCM)，虽然同步整流管Q2和Q3可以实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)，但主开关管Q1和Q4工作在硬开通模式，开关损耗较大，限制了开关频率的提升。为了减小电感体积，通常需要提高开关频率，然而这种硬开关的控制方法无法满足需要。此外，这类控制方法存在固有的工作模式切换带来的不平滑的问题，为了解决平滑切换问题，导致控制器实现较为复杂。
[0004]现有技术中另一类控制方法是让4个开关管均高频开关动作，通过控制电感电流适时反向使主开关管Q1和Q4也能实现ZVS，从而4个开关管均能实现软开关。由于软开关工作时开关损耗小，特别是采用碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)半导体器件后，由于该类器件的关断能量极小，若控制让其工作于ZVS开通，则开关损耗极低，开关频率可以大幅提升，从而提高了变换器的转换效率和功率密度。然而，此时电感电流纹波较大，相同输出功率时电流的有效值较大，增加了电路的通态损耗。
[0005]电流检测是实现上述控制方法的基础，现有的典型电流检测方案如图1B至图1D中所示。为了实现开关管Q1和Q4的ZVS控制，需要检测Q2或Q3关断时刻的电感电流为负值，通常在Q2管的源极和地之间串入一电阻R
sens
进行电流检测，如图1B所示。由于Q2管上的电流并不能完整反应电感电流信息，例如当Q2管关断工作于Boost模式时。为此，图1C给出了另一种电流检测方案，即在Q2和Q4的源极并联点与地之间串入R
sens
，无论是Buck模式还是Boost模式工作，都可以检测到电感电流的峰值，既可以实现ZVS控制，又可以及时进行逐周期的过流保护，但是，由于源极与地分开，不利于Q2和Q4的散热。另外，为了采样输出电流，通常在输出端口串入电阻R
osens
，如图1B所示，但这会增加通态损耗和硬件成本。图1D给出了另一种电流检测方案，即在电感支路上串入R
sens
，可以检测到完整的电感电流，既能实现ZVS控制，又能实现逐周期的过流保护，但是由于R
sens
两端的电压均为PWM高频跳变电压，对差分运放要求很高，成本也较高。
[0006]典型工作波形如图2所示，其中图2A为V
o
<V
in
时的工作波形，图2B为V
o
>V
in
时的工作
波形，图中Q1至Q4对应的PWM信号分别为PWM1至PWM4。从图中可以看出，一个开关周期包含四段，即T1、T2、T3、T4，分别代表Q1和Q4、Q1和Q3、Q2和Q3、Q2和Q4共同导通的时间，因此，T
s
＝T1+T2+T3+T4。以图2A为例进行说明现有技术的ZVS控制方法，在T1时段Q1和Q4导通，V
in
施加在电感上，电感电流i
L
上升至I1；在T2时段Q1和Q3导通，(V
in
‑
V
o
)施加在电感上，电感电流i
L
上升至I2；在T3时段Q2和Q3导通，
‑
V
o
施加在电感上，电感电流i
L
下降,当下降至
‑
I
ZVS
时PWM3关断，T3时段结束，由于此刻电感电流为负(i
L
＝
‑
I
ZVS
),该电流对Q3的寄生电容进行充电，对Q4的寄生电容进行放电，Q3的漏源极电压V
ds3
上升，Q4的漏源极电压V
ds4
下降，当V
ds4
下降到零时PWM4开通，Q4实现了ZVS。在T4时段Q2和Q4导通，近似零电压施加在电感上，电感电流i
L
维持在
‑
I
ZVS
，同理，在T4的结束时刻，即下一个开关周期开始的时刻，Q1也可实现ZVS。由于T4时段电感电流维持不变，该工作模式称为断续模式(discontinuous mode,DCM)。图2B的情形与图2A的区别主要是在T2时段，由于V
o
>V
in
，电感电流从I1下降至I2，其余时段类似，详细过程不再赘述，所有开关管也均能实现ZVS。需要说明的是，在能实现ZVS的前提下，I
ZVS
越小越好，有利于提高变换器的转换效率，因此，I
ZVS
通常设为能实现ZVS的最小电流值。
[0007]然而，相比CCM模式，ZVS工作模式下的电感电流纹波较大，相同输出功率时电流的有效值较大，ZVS控制虽然减小了开关损耗，但增加了变换器的通态损耗。因此，在实现ZVS的前提下，如何最小化电感电流的有效值成为亟待解决的控制问题。由于存在多个控制自由度，不同的T1和T2组合可以输出相同的功率，为了最小化相同功率下电感电流的有效值，从而降低变换器的导通损耗，现有技术的一种策略为，采用固定开关频率的软开关控制策略，并且采用查表的方式得到不同工况下的T1和T2组合，以最小化电流的有效值。然而该实现方法需要控制器具备大量的存储空间，特别是针对不同的输入和输出电压范围，需要存储大量的T1和T2组合数据，因此控制器成本较高。为了简化实现，现有技术中的一种计算T1方法为：当V
o
<＝V
in
时控制I1＝I
ZVS
为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DC
‑
DC变换器的控制方法，所述DC
‑
DC控制器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及电感，其特征在于：包括如下步骤：根据T
s
[k
‑
1]计算当前开关周期的T
2crm
[k]；其中，T
2crm
[k]为CRM模式下第k个开关周期内第一开关管和第三开关管共同导通的时长，k为正整数，所述CRM模式为临界模式，T
s
[k
‑
1]为第(k
‑
1)个开关周期的总时长；获取T
u
[k]；其中，T
u
[k]为第k个开关周期的DCM模式对应的T2[k]的参考值，T2[k]为第k个开关周期内第一开关管和第三开关管共同导通的时长，所述DCM模式为断续模式；根据T
2crm
[k]与T
u
[k]的大小关系，确定当前开关周期采用的模式以及T2[k]；根据V
o
与V
in
的大小关系，计算T1[k]；其中，T1[k]为第k个开关周期内第一开关管和第四开关管共同导通的时长，V
o
为输出电压采样值，V
in
为输入电压采样值；根据当前开关周期所采用的模式，计算T
s
[k]；其中，T
s
[k]为第k个开关周期的总时长；根据i
L
与I
ZVS
的大小关系，判断复位信号是否有效；其中，i
L
为电感电流信号，I
ZVS
为实现零电压开通模式的最小电流，ZVS为零电压开通模式；根据T1[k]、T2[k]、T
s
[k]及复位信号，调制PWM信号，用PWM信号控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开通及关断。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述计算当前开关周期的T
2crm
[k]，具体为：根据公式(1)计算T
2crm
[k]：其中：L为电感的电感值。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：若T
2crm
[k]＞T
2max
，则T
2crm
[k]＝T
2max
，其中，T
2max
为预设的T2[k]时长最大值。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述T
u
[k]由闭环调节器产生，所述闭环调节器为电流闭环调节器或电压闭环调节器。5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述根据T
2crm
[k]与T
u
[k]的大小关系，确定当前开关周期采用的模式以及T2[k]，具体为：若T
u
[k]≤T
2crm
[k]，则当前开关周期采用DCM模式，且T2[k]＝T
u
[k]；若T
u
[k]>T
2crm
[k]，则当前开关周期采用CRM模式，且T2[k]＝T
2crm
[k]。6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述根据当V
o
与V
in
的大小关系，计算T1[k]，具体为：若V
o
＞V
in
，则根据公式(2)计算T1[k]：若V
o
≤V
in
，则根据公式(3)计算T1[k]：
其中：ΔT2[k]＝T
u
[k]
‑
T2[k]。7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述根据当前开关周期所采用的模式，计算T
s
[k]，具体为：若当前开关周期采用DCM模式，则T
s
[k]逐步减小至T
s0
，所述T
s0
为DCM模式下开关周期时长的预设值；若当前开关周期采用CRM模式，则根据公式(4)计算T
s
[k]：8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述T
s
[k]逐步减小至T
s0
，具体为：根据公式(5.1)计算T
s
[k]：T
s
[k]＝T
s
[k
‑
1]+m(T
s0
‑
T
s
[k
‑
1])
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5.1)；其中：m为预设的开关周期变化比例系数，0<m<1。9.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于：所述T
s
[k]逐步减小至T
s0
，具体为：根据公式(5.2)计算T
s
[k]：T
s
[k]＝T
s
[k
‑
1]
‑
ΔT
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5.2)；其中：ΔT
s
为预设的开关周期变化步长；并且，判断T
s
[k]与T
s0
的大小关系，若T
s
[k]<T
s0
，则设置T
s
[k]＝T
s0
。10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述根据i
L
与I
ZVS
的大小关系，判断复位信号是否有效，具体为：当i
L
≤(
‑
I
ZVS
)时，复位信号为有效；当i
L
>(
‑
I
ZVS
)时，复位信号为无效。11.据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述根据T1[k]、T2[k]、T
s
[k]及复位信号，调...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆城，辛晓妮，李亚宇，黄娇平，
申请(专利权)人：OPPO广东移动通信有限公司，
类型：发明
国别省市：