改进的四开关降压-升压式转换器的恒定关闭时间控制制造技术

一种降压‑升压式转换器包括：串联连接在输入电压端子和地之间的第一高压侧开关和第一低压侧开关；串联连接在输出电压端子和地之间的第二高压侧开关和第二低压侧开关；连接到第一高压侧开关和第一低压侧开关的共同节点与第二高压侧开关和第二低压侧开关的共同节点的电感器；以及被配置为生成栅极驱动信号的控制设备。其中，所述控制设备包括：用于设置第一低压侧开关的关闭时间的第一计时器；用于设置第二高压侧开关的关闭时间的第二计时器；以及用于设置第一高压侧开关的关闭时间和第二低压侧开关的关闭时间的峰值电流模式控制装置。

Constant closing time control of improved four-switch buck-boost converter

【技术实现步骤摘要】
改进的四开关降压-升压式转换器的恒定关闭时间控制
本专利技术涉及功率转换器。
技术介绍
随着电子装置朝便携式和移动式发展，电池成为了主要的电力来源。然而，由于电池的特性，电池组的输出电压可能会在充满电的状态和完全耗尽的状态之间的广泛范围内变化。取决于电池的状态，充电电压可能高于或低于电池电压。另外，随着C型USB(USB-C)开始渗透到主流市场，来自UBS端口的电压不再固定为5V，而是可能会在介于3.5V和20V之间的广泛范围内变化。与此同时，连接到此种类型的USB端口的下游装置可能仍然需要大体上约为5V或接近于3.5V到20V的中间值的电压。在所有这些情形中，电子装置的功率转换器的输入电压和输出电压可能会在正常操作期间交叉。传统的降压(步降式)转换器或升压(步升式)转换器可能只能以分别高于或低于输出电压的输入电压工作。因此，四开关降压-升压式转换器因为它对于输入和输出电压范围的灵活性而成为选择。图1中示出降压-升压式转换器的传统控制方法。在降压-升压式转换器中，在每个切换循环中，所有四个开关打开和关闭一次。并且，输入电源的能量不直接传递到输出端。而是需要储存在电感器中，然后再传给输出端。因此，传统降压-升压式转换器的效率较低。此外，传统降压-升压式转换器因为需要高额定电流装置而具有高成本。在控制四开关降压-升压式转换器时还利用基于峰值电流模式(PCM)或电压模式(VM)控制的其它控制方法。但是，所有这些控制方法都利用时钟信号，基于固定频率控制的方式来确定四个开关的时序。因此，迫切需要新的方法来控制四开关降压-升压式转换器。
技术实现思路
在具体实施例中，一种控制方案可在各种操作状况下实现快速瞬态响应并提高四开关降压-升压式转换器的性能。根据本专利技术的各种示例，系统和方法通过以恒定关闭时间(COT)控制和峰值电流模式(PCM)控制的组合管理四开关降压-升压式转换器来对上述问题提供解决方案。利用COT控制，四开关降压-升压式转换器可在输入电压变化时在降压模式、降压-升压模式和升压模式之间自动且平稳地转变。在一些实例中，通过对电感器电流进行PCM控制，四开关降压-升压式转换器只需简单的、低功耗且稳健的系统控制回路补偿，并且因此消除振荡器和斜率补偿电路的需要。利用PCM控制来确定四开关降压-升压式转换器的开关的关闭计时。系统控制回路补偿可提供逐个循环电流限制功能以便保护转换器和负载免受过载电流造成的损坏。在一些实例中，通过利用峰值电流信息的关闭时间计算电路来确定四开关降压-升压式转换器的开关的计时。因此，本专利技术消除了常规四开关降压-升压式转换器中对固定时钟信号的需要。在一些实例中，利用COT控制，四开关降压-升压式转换器可从脉冲宽度调制(PWM)自动转变为脉冲频率调制(PFM)。因此，四开关降压-升压式转换器不需要对于PCM控制所需的斜率补偿，并且因此大大简化了控制电路和电流消耗。在一些实例中，利用PCM控制，可通过将电感器和输出电容器的输出双极缩减为单极响应来进一步简化系统控制回路补偿。根据本专利技术的一个方面，一种用于以恒定关闭时间(COT)控制和峰值电流模式(PCM)控制的组合来管理系统的四开关降压-升压式转换器的计算机实现方法包括：确定四开关降压-升压式转换器的输入电压(VIN)和输出电压(VOUT)；如果VIN大于第一阈值电压，那么对于四开关降压-升压式转换器启用降压模式；如果VIN低于第二阈值电压，那么对于四开关降压-升压式转换器启用升压模式；并且如果VIN介于第二阈值电压和第一阈值电压之间，那么对于四开关降压-升压式转换器启用降压-升压模式。根据一实施例，一种设备包括：第一计时器，被配置为确定对降压-升压式转换器的降压转换器部分的低压侧开关施加的栅极驱动信号的关闭沿，其中第一计时器包括配置成接收第一斜坡信号的第一输入端、配置成接收第一阈值电压的第二输入端，并且其中第一斜坡信号由具有与降压-升压式转换器的输入电压成比例的电流电平的第一电流源生成，并且第一阈值电压与降压-升压式转换器的输入电压和降压-升压式转换器的输出电压之间的差成比例；以及第二计时器，被配置为确定对降压-升压式转换器的升压转换器部分的高压侧开关施加的栅极驱动信号的关闭沿，其中第二计时器包括配置成接收第二斜坡信号的第一输入端、配置成接收第二阈值电压的第二输入端，并且其中第二斜坡信号由具有与降压-升压式转换器的输出电压成比例的电流电平的第二电流源生成，并且第二阈值电压与降压-升压式转换器的输入电压成比例。根据另一个实施例，一种方法包括：利用具有与降压-升压式转换器的输入电压成比例的电流电平的第一电流源生成第一斜坡信号；利用具有与降压-升压式转换器的输出电压成比例的电流电平的第二电流源生成第二斜坡信号；生成与降压-升压式转换器的输入电压和输出电压之间的差成比例的第一阈值电压；生成与降压-升压式转换器的输入电压成比例的第二阈值电压；利用第一比较器比较第一阈值电压与第一斜升和第一预定偏置电压之和；利用第二比较器比较第二阈值电压与第二斜升和第二预定偏置电压之和；基于由第一比较器生成的比较结果终止降压-升压式转换器的降压转换器部分的低压侧开关的栅极驱动信号；以及基于由第二比较器生成的比较结果终止降压-升压式转换器的升压转换器部分的高压侧开关的栅极驱动信号。根据又一个实施例，一种转换器包括：串联连接在输入电压端子和地之间的第一高压侧开关和第一低压侧开关；串联连接在输出电压端子和地之间的第二高压侧开关和第二低压侧开关；连接到第一高压侧开关和第一低压侧开关的共同节点与第二高压侧开关和第二低压侧开关的共同节点的电感器；以及配置成生成栅极驱动信号的控制设备，其中控制设备包括：用于设置第一低压侧开关的关闭时间的第一计时器；用于设置第二高压侧开关的关闭时间的第二计时器；以及用于设置第一高压侧开关的关闭时间和第二低压侧开关的关闭时间的峰值电流模式控制装置。本专利技术的较佳实施例的优点是提高降压-升压式功率转换器的性能。上文相当广泛地概述了本专利技术的特征和技术优点，以便可以更好地了解本专利技术的详细描述。下文将描述形成本专利技术的权利要求的主题的本专利技术的额外特征和优点。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于进行本专利技术的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造并未偏离随附权利要求中阐述的本专利技术的精神和范围。附图说明为了更全面地理解本专利技术及其优点，现在结合附图参考以下描述，图中：图1示出四开关降压-升压式转换器的常规控制方法；图2示出根据本专利技术实例的，用于示例性恒定关闭时间(COT)降压-升压式转换器的示例性COT降压-升压控制方法；图3示出根据本专利技术实例的，用于图2中的示例性COT降压-升压式转换器的示例性降压Toff计时器和升压Toff计时器；图4A-4C示出根据本专利技术实例的，图2中的示例性COT降压-升压式转换器的波形；图5示出根据本专利技术实例的，用于示例性恒定关闭时间(COT)降压-升压式转换器的另一种示例性COT降压-升压控制方法；图6示出根据本专利技术实例的，图5中的示例性COT降压-升压式转换器的另一个示例性降压Toff计时器和升压Toff计时器；图7示出根据本专利技术实例的，图5中的示例性COT降压-升压式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制设备，其特征在于，包括：第一计时器，被配置为确定施加在降压‑升压式转换器的降压转换器部分的低压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿，其中所述第一计时器包括被配置为接收第一斜坡信号的第一输入端、被配置为接收第一阈值电压的第二输入端，并且所述第一斜坡信号由第一电流源生成，所述第一电流源具有与所述降压‑升压式转换器的输入电压成比例的电流水平；并且所述第一阈值电压与所述降压‑升压式转换器的所述输入电压和所述降压‑升压式转换器的输出电压之间的差成比例；以及第二计时器，被配置为确定施加在所述降压‑升压式转换器的升压转换器部分的高压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿，其中所述第二计时器包括被配置为接收第二斜坡信号的第一输入端、被配置为接收第二阈值电压的第二输入端，并且所述第二斜坡信号由第二电流源生成；所述第二电流源具有与所述降压‑升压式转换器的所述输出电压成比例的电流水平并且所述第二阈值电压与所述降压‑升压式转换器的所述输入电压成比例。

【技术特征摘要】
2018.03.28 US 62/649,328;2018.06.05 US 16/000,757;1.一种控制设备，其特征在于，包括：第一计时器，被配置为确定施加在降压-升压式转换器的降压转换器部分的低压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿，其中所述第一计时器包括被配置为接收第一斜坡信号的第一输入端、被配置为接收第一阈值电压的第二输入端，并且所述第一斜坡信号由第一电流源生成，所述第一电流源具有与所述降压-升压式转换器的输入电压成比例的电流水平；并且所述第一阈值电压与所述降压-升压式转换器的所述输入电压和所述降压-升压式转换器的输出电压之间的差成比例；以及第二计时器，被配置为确定施加在所述降压-升压式转换器的升压转换器部分的高压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿，其中所述第二计时器包括被配置为接收第二斜坡信号的第一输入端、被配置为接收第二阈值电压的第二输入端，并且所述第二斜坡信号由第二电流源生成；所述第二电流源具有与所述降压-升压式转换器的所述输出电压成比例的电流水平并且所述第二阈值电压与所述降压-升压式转换器的所述输入电压成比例。2.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，还包括：连接在所述第一计时器的所述第一输入端和所述第一斜坡信号之间的第一偏置电压源；其中，所述第一偏置电压源被配置为当所述第一斜坡信号复位时，对所述第一计时器的所述第一输入端施加正电压；以及连接在所述第二计时器的所述第一输入端和所述第二斜坡信号之间的第二偏置电压源，其中所述第二偏置电压源被配置为当所述第二斜坡信号复位时，对所述第二计时器的所述第一输入端施加负电压。3.如权利要求1所述的控制设备，其特征在于，通过比较器来确定施加在所述降压-升压式转换器的所述降压转换器部分的高压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿和施加在所述降压-升压式转换器的所述升压转换器部分的低压侧开关的栅极驱动信号的关闭沿，并且所述比较器包括被配置为接收误差放大器的输出电压的第一输入端和被配置为接收与流过所述降压-升压式转换器的电感器的电流成比例的信号的第二输入端。4.如权利要求3所述的控制设备，其特征在于，所述误差放大器包括连接到预定参考电压的第一输入端和被配置为检测所述降压-升压式转换器的所述输出电压的第二输入端。5.如权利要求4所述的控制设备，其特征在于，通过电流检测装置生成与流过所述降压-升压式转换器的所述电感器的所述电流成比例的所述信号；所述电流检测装置包括：连接在所述降压-升压式转换器的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻器-电容器网络；以及连接到所述电阻器-电容器网络的电流感应放大器。6.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述电阻器-电容器网络包括：串联连接在所述第一切换节点和地之间的第一电阻器和第一电容器；以及串联连接在所述第二切换节点和地之间的第二电阻器和第二电容器，并且所述第一电阻器和所述第一电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的第一输入端；并且所述第二电阻器和所述第二电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的第二输入端。7.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述电阻器-电容器网络包括：串联连接在所述第一切换节点和地之间的第一电阻器和第一电容器；串联连接在所述第二切换节点和地之间的第二电阻器和第二电容器；以及串联连接在所述电流感应放大器的第一输入端和第二输入端之间的第三电容器，并且所述第一电阻器和所述第一电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的所述第一输入端；并且所述第二电阻器和所述第二电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的所述第二输入端。8.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述电阻器-电容器网络包括：连接在所述第一切换节点和所述电流感应放大器的第一输入端之间的第一电阻器；连接在所述第二切换节点和所述电流感应放大器的第二输入端之间的第二电阻器；以及连接在所述电流感应放大器的所述第一输入端和所述第二输入端之间的第一电容器。9.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述电阻器-电容器网络包括：串联连接在所述第一切换节点和地之间的第一电阻器和第一电容器；串联连接在所述第二切换节点和地之间的第二电阻器和第二电容器；分别与所述第一电容器和所述第二电容器并联连接的第三电阻器和第四电阻器；以及连接在所述电流感应放大器的第一输入端和第二输入端之间的第三电容器，并且其中：所述第一电阻器和所述第一电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的所述第一输入端；并且所述第二电阻器和所述第二电容器的共同节点连接到所述电流感应放大器的所述第二输入端。10.如权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述电阻器-电容器网络包括：串联连接在所述第一切换节点和地之间的第一电阻器和第三电阻器；串联连接在所述第二切换节点和地之间的第二电阻器...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勃，席小玉，孟庆达，
申请(专利权)人：来颉科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71