一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法及裝置的製作方法
2023-09-18 16:42:15
專利名稱：一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及的是一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法及裝置。
背景技術：
四開關Buck-boost變換器由於其輸入輸出同相、開關損耗低、輸出電壓可升可降等優點一直都受到人們的關注，對其電路的優化控制策略也成為當前研究的熱點。目前， 國內研究中對這種電路的控制方案主要為模擬控制方式，其中模擬控制方式又包括電壓模式和電流模式兩種電壓模式比較簡單，主要包括一誤差放大器和邏輯電路，誤差放大器兩輸入端分別接收輸出電壓採樣信號和一基準信號，其輸出的信號與一鋸齒波信號比較，然後通過邏輯電路產生開關控制信號，但這種電路需增加一個較複雜的補償電路，且動態響應很慢；電流模式則相對應用廣泛，其主要包括誤差放大器和電流比較器，誤差放大器接收輸出電壓採樣信號和一基準信號，其輸出的信號作為電流比較器的基準輸入，電流比較器的另一端輸入電感電流信號，通過電流比較器的比較產生一開關控制信號，這種方式通過改變輸入電流來改變輸出電壓，其動態響應速度仍較慢。國內也有一些研究在基於電流模式上，如專利號200910095890. 8公開了一種通過電流模式和非線性相結合的四開關直流-直流變換器，其通過多個比較器以及設計補償電路等方法來提高動態響應速度，但其控制過程十分複雜，外圍電路元器件繁多，電路損耗較大。國外對四開關Buck-boost變換器的數字控制策略進行了一些研究，如文獻《A Dual-loop Digital Controller for Switching DC-DC Converters》中介紹了通過線性環電路和非線性環電路相結合的數字控制方式實現電路的快速動態響應，當變換器的輸出端負載發生跳變時，非線性環路能快速調節變換器工作佔空比而使輸出電壓快速恢復到穩定值。但這種純數字控制方式不足之處在於沒有兼顧到電路穩態時的情形，由於數字控制電路存在量化精度的問題，穩態時系統也可能會出現小的擾動，如擾動的幅值沒有達到數字量化的門限，此時數字控制系統將不產生動作，以至於無法保證輸出電壓維持恆定。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，提供一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法及裝置，所述混合控制方法包括數字控制方式和模擬控制方式，並根據輸出電壓誤差信號分別產生一數字控制信號和一模擬控制信號，然後將兩者疊加得到一混合控制信號，穩定狀態下，所述混合控制信號能控制變換器中開關管的開關動作以維持輸出電壓為一恆定值，當負載發生跳變時，所述混合控制信號能控制變換器中開關管的開關動作以使得變換器輸出電壓快速恢復到恆定值。它不但能快速響應變換器的瞬態變化，提高穩態精確度，而且電路控制簡單。依據本發明的一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，包括 檢測所述變換器的輸出端的輸出電壓；根據所述輸出電壓與一參考電壓，產生一輸出電壓誤差信號； 根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生一模擬控制信號和一數字控制信號； 根據所述模擬控制信號和所述數字控制信號，產生一混合控制信號； 當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；
當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。進一步的，所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法還包括 根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號； 檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓；
當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；
所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Buck 模式；
當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；
所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於 Boost模式。進一步的，所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法還包括 檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓；
當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；
所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Buck 模式；
當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；
所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於 Boost模式。優選的，採用第一PID控制產生所述第一數字控制信號；採用第二PID控制產生所述第二數字控制信號。優選的，在預設的輸入電壓範圍內，控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID 控制的增益參數與第二 PID控制的增益參數相等。依據本發明的一種實現四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法的混合控制裝置，所述混合控制裝置包括輸出電壓反饋電路、數字控制迴路、模擬控制迴路和一加法電路；其中，
所述輸出電壓反饋電路，與所述Buck-Boost變換器的輸出端連接，用以接收所述變換器的輸出電壓，並與一參考電壓進行誤差運算以產生一輸出電壓誤差信號；
所述數字控制迴路，與所述輸出電壓反饋電路連接，接收所述輸出電壓誤差信號產生一數字控制信號；
所述模擬控制迴路，與所述輸出電壓反饋電路連接，接收所述輸出電壓誤差信號產生一模擬控制信號；
所述加法電路，與所述數字控制迴路和所述模擬控制迴路連接，用以接收所述數字控制信號和所述模擬控制信號，並將兩者相加得到一混合控制信號；
當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；
當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。進一步的，所述輸出電壓反饋電路包括一誤差放大器，其將接收到的所述輸出電壓和所述參考電壓進行誤差運算，並輸出所述輸出電壓誤差信號。進一步的，所述數字控制迴路包括一 ADC轉換電路、雙模選擇電路、Buck數字控制電路、Boost數字控制電路和DAC轉換電路，
所述ADC轉換電路接收所述輸出電壓反饋電路的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號；
所述Buck數字控制電路輸入端和Boost數字控制電路的輸入端均與所述ADC轉換電路相連接，用以接收轉換為數字的輸出電壓誤差信號，並據此分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號；
所述雙模選擇電路接收所述變換器的輸入端的輸入電壓；
當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，所述Buck數字控制電路輸出端連接到所述DAC 轉換電路，以選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號；
當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，所述Boost數字控制電路輸出端連接到所述 DAC轉換電路，以選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號；
所述DAC轉換電路，接收所述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。進一步的，所述數字控制迴路包括一 ADC轉換電路、雙模選擇電路、Buck數字控制電路、Boost數字控制電路和DAC轉換電路，
所述ADC轉換電路接收所述輸出電壓反饋電路的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號；
所述雙模選擇電路接收所述變換器的輸入端的輸入電壓；
當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，所述Buck數字控制電路接收所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號；
當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，所述Boost數字控制電路接收所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號；
所述DAC轉換電路，與所述Buck數字控制電路和所述Boost數字控制電路的輸出端均相連接，接收所述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。優選的，所述Buck數字控制電路採用第一PID控制，以產生第一數字控制信號；所述Boost數字控制電路採用第二 PID控制，以產生第二數字控制信號。
進一步的，所述數字控制迴路進一步包括PID增益控制電路，所述PID增益控制電路輸入端接收輸入電壓信號，輸出端與所述Buck數字控制電路連接，在預設的輸入電壓範圍內，控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID控制的增益參數和第二 PID控制的增益
參數相等。進一步的，所述混合控制裝置還包括開關控制信號發生電路，所述開關控制信號發生電路，與所述加法電路連接，接收所述混合控制信號產生四路開關控制信號分別用以控制所述變換器中開關管的開關動作。本發明通過模擬控制和數字控制共同作用的方法解決了四開關Buck-Boost變換器在負載跳變時的動態響應問題，提高系統的響應速度，輸出電壓的恢復時間快，同時，也保證在穩態時，即便系統出現微小擾動都能檢測控制，提高了系統的穩態精確度。另外，本發明通過監測輸入電壓的變化來進行系統工作模式的切換，並且控制PID增益參數隨著輸入電壓變化，可以使得在電路工作狀態切換的過程中，輸出電壓基本不變，減小了輸出電壓波動，且系統只工作在Buck模式或Boost模式，不存在Buck-Boost模式，降低了開關的導通和驅動損耗。本發明所述的混合控制裝置具有控制簡單，響應速度快，穩態精度高等特點ο
圖1所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制裝置一優選實施例的電路框圖。圖2所示為依據圖1所示電路的工作波形圖。圖3所示為依據本發明的Buck和Boost工作模式切換一優選實施例的示意圖。圖4所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制裝置另一優選實施例的電路框圖。圖5所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法一優選實施例的的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的幾個優選實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。參考圖1，所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制裝置一優選實施例的電路框圖，四開關Buck-Boost變換器包括四開關Buck-Boost拓撲和混合控制裝置，其中，四開關Buck-Boost拓撲包括開關管Si，開關管S2，開關管S3，開關管S4,電感Li， 輸入電容Cin和輸出電容Cout，本發明中所述的混合控制裝置包括數字控制迴路11、模擬控制迴路12、輸出電壓反饋電路13，加法電路14和開關控制信號發生電路15，其中，所述數字控制迴路11包括一ADC轉換電路111、雙模選擇電路112、Buck數字控制電路113、Boost 數字控制電路114和DAC轉換電路115。
所述輸出電壓反饋電路13，與所述Buck-Boost變換器的輸出端連接，用以接收所述Buck-Boost變換器的輸出電壓，並與一參考電壓進行誤差運算以輸出一輸出電壓誤差信號。這裡，所述輸出電壓反饋電路13具體包括一誤差放大器，穩態情況下，所述參考電壓與所述輸出電壓相等；當負載發生跳變時，輸出電壓會瞬變上升或瞬變下降，此時輸出電壓誤差信號值將會變大。本領域技術人員據此可以推知其他技術或者元件如減法器、比較器等只要能實現對輸出電壓的反饋均可應用於本實施例中的輸出電壓反饋電路。所述ADC轉換電路111接收所述輸出電壓反饋電路13的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號。所述Buck數字控制電路113輸入端和Boost數字控制電路114的輸入端均與所述ADC轉換電路111相連接，用以接收轉換為數字的輸出電壓誤差信號，並分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號。這裡，所述Buck數字控制電路113採用第一 PID控制， 所述Boost數字控制電路採用第二 PID控制，以得到上述第一數字控制信號和第二數字控制信號。所述雙模選擇電路112接收所述變換器的輸入端的輸入電壓，並根據輸入電壓的大小變化判斷所述變換器工作於Buck或Boost工作模式，以此選擇接通所述Buck數字控制電路113或Boost數字控制電路114。具體為當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，變換器工作在Buck模式，此時接通所述Buck數字控制電路113，即將所述Buck數字控制電路113輸出端連接到所述DAC轉換電路111，以選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，變換器工作在Boost模式，此時接通所述 Boost數字控制電路114，即將所述所述Boost數字控制電路114輸出端連接到所述DAC轉換電路111，以選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號。所述DAC轉換電路115，接收上述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。所述加法電路14，與所述數字控制迴路和所述模擬控制迴路連接，用以接收所述數字控制信號和所述模擬控制信號，並將兩者相加得到一混合控制信號；所述開關控制信號發生電路15，與所述加法電路14連接，接收所述混合控制信號產生四路開關控制信號分別用以控制所述變換器中四個開關管的開關動作。當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值。在穩態工作過程中，如出現較大擾動，數字控制迴路11和模擬控制迴路12能同時檢測到輸出電壓誤差信號，分別產生數字控制信號和模擬控制信號，並通過加法電路14混合得到混合控制信號來控制開關管動作，以調節輸出電壓穩定在恆定值；如出現微小擾動時，模擬控制迴路12即能檢測到這個微小的輸出電壓誤差信號，並通過模擬控制迴路12來抑制擾動，保證所述變換器輸出恆定，此時由於數字ADC轉換器量化精度的原因，若擾動的幅值可能達不到ADC量化的門限，數字控制迴路11部分將不產生動作。因此，在穩態過程時，由模擬控制電路產生的模擬控制信號起主要作用控制開關管的開關動作，維持輸出電壓恆定，提高穩態精確度。當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。如判斷當前變換器工作在Buck 模式，開關管S4常開通，開關管S3常關斷，由開關管Sl和開關管S2交替開關實現降壓控制。當負載從輕載到重載跳變，輸出電壓會瞬變下降，此時誤差放大器131輸出的輸出電壓誤差信號變大，數字控制電路11中的Buck數字控制電路113檢測到輸出電壓誤差信號後進行控制調節作用，控制開關管Sl的佔空比快速增大，使輸出電壓能迅速上升並達到穩定值。同理，當負載從重載到輕載跳變時，輸出電壓會瞬變上升，Buck數字控制電路113控制開關管Sl的佔空比快速減小，使輸出電壓能迅速下降並達到穩定值。如判斷當前電路工作在Boost模式下，開關管Sl常開通，開關管S3常關斷，由開關管S3和開關管S4交替開關實現升壓控制。當負載從輕載到重載跳變，輸出電壓會瞬變下降，誤差放大器131輸出的輸出電壓誤差信號變大，數字控制電路11中的Boost數字控制電路114檢測到輸出電壓誤差信號後進行控制調節作用，控制開關管S3的佔空比增大，使輸出電壓迅速上升達到穩定值。同理，當負載從重載到輕載跳變時，輸出電壓會瞬變上升， Boost數字控制電路114控制開關管S3的佔空比減小，使輸出電壓迅速下降達到穩定值。在負載發生跳變時，模擬控制迴路同時也接收到所述輸出電壓誤差信號，產生一模擬控制信號用以調節開關管的佔空比，但在這過程中，由於數字控制信號響應的速度比模擬控制信號響應的速度要快得多，因此在此過程中，由數字控制電路產生的數字控制信號起主要作用控制開關管的開關動作，從而也實現了對瞬態變化的快速響應，使輸出電壓快速恢復至恆定值。參考圖2所示，圖2為依據圖1所示電路的工作波形圖，從圖加中可以看出，當負載發生從輕載到重載突變時，混合控制方案中的混合控制信號Vcomp的變化(圖加中虛線) 比單純的模擬控制時變化(圖加中實線)更大，這樣其調節開關管佔空比的速度也會相應的更快，所以能更快地調節輸出電壓值。因此，從圖2b中可得知，採用混合控制方案輸出電壓恢復時間(t2-tl)比單純的模擬控制(t3-tl)輸出電壓恢復時間也要短很多，即動態響應快。進一步，所述數字控制迴路11還包括PID增益控制電路116，所述PID增益控制電路116輸入端接收輸入電壓，輸出端與所述Buck數字控制電路113連接，在預設的輸入電壓範圍內，PID增益控制電路116控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID控制的增益參數和第二 PID控制的增益參數相等。這樣可保證變換器在進行Buck和Boost工作模式切換過程中，輸出電壓波動小。本實施例中具體的為所述PID增益控制電路116控制Buck 數字控制電路113的PID增益參數隨著輸入電壓下降(上升)而下降(上升)，以調節第一 PID 控制的增益參數，使得在變換器工作模式切換時第一 PID控制的增益參數與第二 PID控制的增益參數相等。參考圖3，所示為依據本發明的Buck和Boost工作模式切換一優選實施例的示意圖，其具體工作過程為PID增益控制電路116控制Buck數字控制電路113的PID增益隨著輸入電壓的下降而下降，在輸入電壓Vin大於Vl時，變換器工作在Buck模式；當VirK= Vl且Vin>=V2時，Buck PID控制電路的增益參數G隨著Vin下降而下降，此時所述變換器仍工作在Buck模式；當輸入電壓Vin降到V2時，雙模選擇電路112控制變換器進入Boost 工作模式，並且此時所述PID增益控制電路116控制Buck數字控制電路的PID增益參數下降到與Boost數字控制電路的PID增益參數相等，此後，當輸入電壓Vin小於V2時，所述變換器仍工作在Boost模式。在增益相等處控制切換使得變換器從Buck模式到Boost模式
10的過渡非常平緩，因此可保證輸出電壓穩定，輸出電壓不會出現較大波動。並且，通過這種方式控制的Buck-Boost變換器只工作在Buck狀態或Boost狀態，不存在Buck-Boost狀態，即在每個開關周期內始終只有兩個開關管工作，避免了四個開關管同時工作的情況，減小了開關管的導通和驅動損耗。同樣的，當輸入電壓從小到大變化過程中，在達到預設的電壓值時，如輸入電壓為V2時，Boost數字控制電路的PID增益參數與Buck數字控制電路的 PID增益參數相等，雙模選擇電路12控制變換器從Boost工作模式切換到Buck工作模式， 同時，在預設的電壓範圍內，如輸入電壓V2到Vl範圍內，PID增益控制電路116控制Buck 數字控制電路113的PID增益參數G隨著輸入電壓Vin上升而上升，以使變換器工作於Buck 模式，提高變換器動態響應。參考圖4，所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制裝置另一優選實施例的電路框圖，本實施例與上一實施例的電路元器件相同，不同之處在於，所述數字控制迴路11包括一 ADC轉換電路411、雙模選擇電路412、Buck數字控制電路413、Boost 數字控制電路414和DAC轉換電路415。所述ADC轉換電路411接收所述輸出電壓反饋電路的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號。所述雙模選擇電路412接收所述變換器的輸入端的輸入電壓，根據輸入電壓的大小變化判斷所述變換器工作於Buck或Boost工作模式，以此選擇接通所述Buck數字控制電路113或Boost數字控制電路114。具體為當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，變換器工作於Buck模式，此時接通所述Buck數字控制電路413，即所述Buck數字控制電路413 接收所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，變換器工作於Boost模式，此時接通所述所述Boost數字控制電路414，即所述Boost數字控制電路414接收所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號；
所述DAC轉換電路415，與所述Buck數字控制電路413和所述Boost數字控制電路414 的輸出端均相連接，接收所述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。本實施例中的模擬控制迴路12、輸出電壓反饋電路13，加法電路14、開關控制信號發生電路15以及PID增益控制電路416工作過程與上一實施例相同，在此不再贅述。本實施例中同樣採用混合控制的方式，在穩態情況下，由數字控制信號和模擬控制信號疊加的混合控制信號控制開關管的開關動作，以維持輸出電壓為一恆定值；在負載發生突變時， 由數字控制信號和模擬控制信號疊加的混合控制信號控制開關管的開關動作，以使輸出電壓快速恢復到所述恆定值。但在本實施例中，變換器工作在Buck模式下則只有Buck數字控制電路產生動作，此時Boost數字控制電路不動作；變換器工作在Boost模式下則只有 Boost數字控制電路產生動作，此時Buck數字控制電路不動作，減小了電路的損耗。以下對依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法進行詳細說明。 參考圖5，所示為依據本發明的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法一優選實施例的流程圖，其包括以下步驟
5501檢測所述變換器輸出端的輸出電壓；
5502接收所述輸出電壓與一參考電壓，產生一輸出電壓誤差信號；5503根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生一模擬控制信號和一數字控制信號；
5504根據所述模擬控制信號和數字控制信號，產生一混合控制信號；
5505當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；
當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。在上述步驟S503中進一步包括根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號，檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓，當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號，所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作， 以使所述變換器工作於Buck模式；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號，所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Boost模式。在上述步驟S503中進一步包括檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓，當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號，所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Buck模式；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號，所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Boost模式。本實施例中所述混合控制方法採用第一 PID控制和第二 PID控制產生所述第一數字控制信號和所述第二數字控制信號。在預設的輸入電壓範圍內，控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID控制的增益參數和第二 PID控制的增益參數相等，保證在變換器進行 Buck或Boost工作模式切換的過程中，輸出電壓基本恆定。本領域技術人員可知，本發明中所述數字控制電路不局限於上述的PID控制技術，可以為任何合適形式的能夠實現數字控制方案的控制技術。本發明中的第一 PID控制和第二 PID控制為相同的控制技術，因此同樣也可以控制第二 PID增益參數的大小，使其跟隨輸入電壓變化，使變換器在Buck和Boost切換過程中第二 PID增益參數與第一 PID增益參數相等，其控制原理與過程與上述控制第一 PID增益參數類似，同樣也可實現上述的工作模式平滑切換的技術效果。綜上所述，本發明的混合控制裝置既解決了 Buck-Boost變換器在負載跳變時的動態反應慢的問題，又解決了系統在穩態時的出現輸出電壓波動問題，保證所述 Buck-Boost變換器輸出電壓在突變情況下能快速恢復穩定值且穩態精度高。同時本發明的混合控制裝置能實現Buck或Boost工作模式的平滑切換，進一步減小了輸出電壓的波動。依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受權利要求
12書及其全部範圍和等效物的限制。
權利要求
1.一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，其特徵在於，該方法包括 檢測所述變換器的輸出端的輸出電壓；根據所述輸出電壓與一參考電壓，產生一輸出電壓誤差信號； 根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生一模擬控制信號和一數字控制信號； 根據所述模擬控制信號和所述數字控制信號，產生一混合控制信號； 當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。
2.根據權利要求1所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，其特徵在於，該方法還包括根據所述輸出電壓誤差信號，分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號； 檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓；當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Buck 模式；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於 Boost模式。
3.根據權利要求1所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，其特徵在於，該方法還包括檢測所述變換器的輸入端的輸入電壓；當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於Buck 模式；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，根據所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號，以與所述模擬控制信號產生所述混合控制信號；所述混合控制信號控制所述變換器的開關管的開關動作，以使所述變換器工作於 Boost模式。
4.根據權利要求2或3所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，其特徵在於，該方法還進一步包括採用第一 PID控制產生所述第一數字控制信號； 採用第二 PID控制產生所述第二數字控制信號。
5.根據權利要求4所述的四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法，其特徵在於，在預設的輸入電壓範圍內，控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID控制的增益參數與第二 PID控制的增益參數相等。
6.一種實現如權利要求1或2或3或4或5所述四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法的混合控制裝置，其特徵在於，所述混合控制裝置包括輸出電壓反饋電路、數字控制迴路、模擬控制迴路和一加法電路，其中，所述輸出電壓反饋電路，與所述Buck-Boost變換器的輸出端連接，用以接收所述變換器的輸出電壓，並與一參考電壓進行誤差運算以產生一輸出電壓誤差信號；所述數字控制迴路，與所述輸出電壓反饋電路連接，接收所述輸出電壓誤差信號產生一數字控制信號；所述模擬控制迴路，與所述輸出電壓反饋電路連接，接收所述輸出電壓誤差信號產生一模擬控制信號；所述加法電路，與所述數字控制迴路和所述模擬控制迴路連接，用以接收所述數字控制信號和所述模擬控制信號，並將兩者相加得到一混合控制信號；當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值。
7.根據權利要求6所述的混合控制裝置，其特徵在於，所述輸出電壓反饋電路包括一誤差放大器，其將接收到的所述輸出電壓和所述參考電壓進行誤差運算，並輸出所述輸出電壓誤差信號。
8.根據權利要求6所述的混合控制裝置，其特徵在於，所述數字控制迴路包括一ADC轉換電路、雙模選擇電路、Buck數字控制電路、Boost數字控制電路和DAC轉換電路，所述ADC轉換電路接收所述輸出電壓反饋電路的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號；所述Buck數字控制電路輸入端和Boost數字控制電路的輸入端均與所述ADC轉換電路相連接，用以接收轉換為數字的輸出電壓誤差信號，並據此分別產生第一數字控制信號和第二數字控制信號；所述雙模選擇電路接收所述變換器的輸入端的輸入電壓；當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，所述Buck數字控制電路輸出端連接到所述DAC 轉換電路，以選擇所述第一數字控制信號作為所述數字控制信號；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，所述Boost數字控制電路輸出端連接到所述 DAC轉換電路，以選擇所述第二數字控制信號作為所述數字控制信號；所述DAC轉換電路，接收所述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。
9.根據權利要求6所述的混合控制裝置，其特徵在於，所述數字控制迴路包括一ADC轉換電路、雙模選擇電路、Buck數字控制電路、Boost數字控制電路和DAC轉換電路，所述ADC轉換電路接收所述輸出電壓反饋電路的輸出電壓誤差信號，並將其轉化為與之對應的數位訊號；所述雙模選擇電路接收所述變換器的輸入端的輸入電壓；當所述輸入電壓大於所述輸出電壓時，所述Buck數字控制電路接收所述輸出電壓誤差信號，產生第一數字控制信號以作為所述數字控制信號；當所述輸入電壓小於所述輸出電壓時，所述Boost數字控制電路接收所述輸出電壓誤差信號，產生第二數字控制信號以作為所述數字控制信號；所述DAC轉換電路，與所述Buck數字控制電路和所述Boost數字控制電路的輸出端均相連接，接收所述數字控制信號，並將其轉換為與之對應的模擬信號，以實現與模擬控制迴路產生的模擬控制信號相加。
10.根據權利要求8或9所述的混合控制裝置，其特徵在於，所述Buck數字控制電路採用第一 PID控制，以產生第一數字控制信號；所述Boost數字控制電路採用第二 PID控制，以產生第二數字控制信號。
11.根據權利要求8或9所述的混合控制裝置，其特徵在於，所述數字控制迴路進一步包括PID增益控制電路，所述PID增益控制電路輸入端接收輸入電壓信號，輸出端與所述Buck數字控制電路連接，在預設的輸入電壓範圍內，控制所述第一 PID控制的增益參數跟隨所述輸入電壓的變化，以使得所述變換器在進行Buck和Boost工作模式切換時，所述第一 PID控制的增益參數和第二 PID控制的增益參數相等。
12.根據權利要求6所述的混合控制裝置，其特徵在於所述混合控制裝置進一步包括開關控制信號發生電路，所述開關控制信號發生電路與所述加法電路連接，接收所述混合控制信號產生四路開關控制信號分別用以控制所述變換器中開關管的開關動作。
全文摘要
本發明公開了一種四開關Buck-Boost變換器的混合控制方法及裝置，所述混合控制方法包括數字控制方式和模擬控制方式，工作過程中根據輸出電壓誤差信號分別得到一數字控制信號和一模擬控制信號，然後由所述模擬控制信號和所述數字控制信號，產生一混合控制信號，當所述變換器輸出端負載沒有發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以維持所述輸出電壓為一恆定值；當所述變換器輸出端負載發生跳變時，所述混合控制信號控制所述變換器中開關管的開關動作，以使所述輸出電壓快速恢復至所述恆定值；本發明的混合控制方法及裝置控制方案簡單，動態響應速度快，穩態精度高等特點。
文檔編號H02M3/157GK102355131SQ201110311210
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者張曉峰, 黃曉冬 申請人:杭州矽力傑半導體技術有限公司