一种混合型开关电源转换器及控制方法技术

本发明专利技术涉及开关电源技术领域，公开了一种混合型开关电源转换器及控制方法，包括8个开关器件S1‑

【技术实现步骤摘要】
一种混合型开关电源转换器及控制方法


[0001]本专利技术涉及开关电源
，更具体的，涉及一种混合型开关电源转换器及控制方法。

技术介绍

[0002]如今紧凑型电子设备(Compact Electronic Devices)在生活的各个领域都有着广泛的应用，随着它们尺寸的减小，其工作电压也将不断降低，因此需要一个拥有较低电压转换比的直流
‑
直流降压型转换器(DC
‑
DC Buck Converter)将4.2
‑
2.8V左右的锂电池电压转换为一个1V甚至更低的供电电压；此外，电感的尺寸也会逐步缩小，但其直流导通电阻(DCR)依旧会非常大，这将导致较大的热损耗，影响设备的工作效率和使用年限。
[0003]如图7所示，传统降压型转换器拥有结构简单，性能稳定等优点，因而得到广泛的使用，然而其平均电感电流与负载电流相等，因此在重载条件下电感的DCR损耗会非常大，导致发热严重；开关管的导通损耗也会增加，恶化了整个系统的效率。此外，传统结构的电压转换比范围为0
‑
1，同开关占空比信号一致，当转换至相对低的电压时开关的占空比信号会变得非常窄，可能会导致电路无法轻易完成大幅度的降压转换。
[0004]为解决传统结构上的问题，近年来众多学者针对降压型转换器的拓扑结构进行了大量研究与探索。新的拓扑中大都利用了飞电容与电感相结合的混合型结构来提升电路性能。如图8所示，其中效果较为显著的是Guigang Cai等人于2022年提出的电容电感串联/>‑
降压转换器(CPL
‑
Buck Converter)，它由6个开关以及2个飞电容组成，其电压转换比(标记为M)如下：
[0005][0006]其中D为占空比，代表开关管的导通时间。M的范围为0
‑
1/3，这意味着该转换器可轻易地将原始的供电电压大幅转换为更低的电压。根据负载电容C
L
的充放电平衡可以计算出其平均电感电流I
L
为：
[0007][0008]相比传统结构，其平均电感电流有了明显的减小，并可以随着转换比的增加而进一步减小。
[0009]然而现有技术依然存在平均电感电流过大，损耗大，效率低的问题，因此，如何专利技术一种平均电感电流小，损耗小，效率高的混合型开关电源转换器，是本
亟需解决的问题。

技术实现思路

[0010]本专利技术提出了一种混合型开关电源转换器及其控制方法。本专利技术减小了开关和电感的损耗，提升了工作效率，同时实现了大幅度的降压转换，满足低功耗应用场景的需求。
[0011]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0012]一种混合型开关电源转换器，包括8个开关器件S1‑
S8，2个储能电容C
F1
和C
F2
，1个电感L；
[0013]S1的源极电性连接输入电压V
IN
，S1的漏极分别与电感L的一端和S2的漏极电性连接；S2的源极与地电平电性连接；S3的源极分别与电感L的另一端和储能电容C
F1
的上极板电性连接，S3的漏极分别与储能电容C
F2
的上极板、S4的漏极、S6的漏极电性连接；S4的源极分别与储能电容C
F1
的下极板和S5的漏极电性连接；S5的源极连接地电平；S6的源极与S7的源极电性连接；S7的漏极分别与储能电容C
F2
的下极板和S8的漏极电性连接；S8的源极连接地电平；将S6的源极与S7的源极处的电压称为输出电压V
O
。
[0014]优选的，还包括1个负载电容C
L
；C
L
的上极板分别与S6的源极和S7的源极电性连接；C
L
的下极板连接地电平。
[0015]进一步的，S1、S3、S4、S6、S7均为PMOS管。
[0016]更进一步的，S2、S5、S8均为NMOS管。
[0017]更进一步的，S6的源极和S7的源极还与电流检测装置电性连接。
[0018]更进一步的，S6的源极和S7的源极还与电压检测装置电性连接。
[0019]一种混合型开关电源转换器的控制方法：
[0020]当混合型开关电源转换器的开关信号占空比为设定的阈值D时，控制开关器件S2、S3、S5、S7关闭；S1、S4、S6、S8导通；
[0021]S2、S3、S5、S7分别对应的控制信号电平分别为低电平、高电平、低电平和高电平；S1、S4、S6、S8对应的控制信号电平分别为低电平、低电平、低电平和高电平。
[0022]一种混合型开关电源转换器的控制方法：
[0023]当混合型开关电源转换器的当开关信号占空比为设定的阈值1
‑
D时，控制开关器件S1、S4、S6、S8关闭；S2、S3、S5、S7导通；
[0024]S1、S4、S6、S8对应的控制信号电平分别为高电平、高电平、高电平和低电平；S2、S3、S5、S7对应的控制信号电平分别为高电平、低电平、高电平和低电平。
[0025]更进一步的，电感电流流经开关器件S1和S4以及电容C
F1
，电感L的两端电压被充电至V
IN
‑
3V
O
；电容C
F2
下极板接地并同时为负载供电直至电容两端电压放电至V
O
。
[0026]更进一步的，电感L与电容CF1并联，与电容C
F2
串联；电感L一端接地，另一端电压为2V
O
，两端电压为
‑
2V
O
，电感电流逐渐减小；电容C
F1
下极板接地并处于放电状态直至电容两端放电至2V
O
。
[0027]本专利技术的有益效果如下：
[0028]本专利技术提出了一种混合型开关电源转换器及其控制方法。本专利技术针对现有的降压型转换器平均电感电流过大，损耗大，效率低的问题，利用电容与电感双路径为负载供电，并通过设计8个开关器件，本专利技术减小了开关和电感的损耗，提升了工作效率，同时实现了大幅度的降压转换，满足低功耗应用场景的需求。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一种混合型开关电源转换器的电路系统示意图。
[0030]图2是本专利技术一种混合型开关电源转换器的电源控制方法的第1种混合型开关电
源转换器的控制方法的电流流向示意图。
[0031]图3是本专利技术一种混合型开关电源转换器的电源控制方法的第2种混合型开关电源转换器的控制方法的电流流向示意图。
[0032]图4是本专利技术一种混合型开关电源转换器的电源控制方法的8个开关器件控制信号的时序图。
[0033]图5是本专利技术一种混合型开关电源转换器的电源控制方法同CPL
‑
Buck和传统Buck的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合型开关电源转换器，其特征在于：包括8个开关器件S1‑
S8，2个储能电容C
F1
和C
F2
，1个电感L；S1的源极电性连接输入电压V
IN
，S1的漏极分别与电感L的一端和S2的漏极电性连接；S2的源极与地电平电性连接；S3的源极分别与电感L的另一端和储能电容C
F1
的上极板电性连接，S3的漏极分别与储能电容C
F2
的上极板、S4的漏极、S6的漏极电性连接；S4的源极分别与储能电容C
F1
的下极板和S5的漏极电性连接；S5的源极连接地电平；S6的源极与S7的源极电性连接；S7的漏极分别与储能电容C
F2
的下极板和S8的漏极电性连接；S8的源极连接地电平；将S6的源极与S7的源极处的电压称为输出电压V
O
。2.根据权利要求1所述的混合型开关电源转换器，其特征在于：还包括1个负载电容C
L
；C
L
的上极板分别与S6的源极和S7的源极电性连接；C
L
的下极板连接地电平。3.根据权利要求1所述的混合型开关电源转换器，其特征在于：S1、S3、S4、S6、S7均为PMOS管。4.根据权利要求1所述的混合型开关电源转换器，其特征在于：S2、S5、S8均为NMOS管。5.根据权利要求1所述的混合型开关电源转换器，其特征在于：S6的源极和S7的源极还与电流检测装置电性连接。6.根据权利要求1所述的混合型开关电源转换器，其特征在于：S6的源极和S7的源极还与电压检测装置电性连接。7.一种混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：余凯，杨尚儒，李思臻，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：