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高效同相降压—升压DCDC转换器的设计_图文

高效同相降压一升压DC/DC转换器的设计
张友华,姚建楠,吴金,马杰
东南大学IC学院无锡分院,无锡,214028

摘要:提出了一种高效同相降压一升压转换器的控制方法,这种高效的控制技术能够根据输入电压和输
出电压的相对大小,自动从一个工作模式稳定、平滑地过渡到另外一个工作模式,实现升降压功能。本 文主要从输出电压的纹波以及控制方法的可靠性来进行分析。主要思想是在传统的降压和升压模式过 渡区间中引入升降压模式,从而实现升压和降压平稳的切换,同时给出了控制电路的实现方案并对切换 点的设计做了详细阐述。最后,仿真结果验证了理论的正确性。 关键词:降压,升压,升降压,效率,四开关

The Design For High

Efficiency And Non-Inverting

Buck.Boost DC/DC Converter Zhangyouhua,Yaojiannan,WU Jing,Majie
Wuxi Branch 0f IC Institute 0f SEU,WIlxi,214028

Abstract:A

hJigII

efficiency control method for operating
an



buck-boost

DC/DC

converter

wM

蛆output

voltage for

input voatage,which is higher,lower-Or the
content

8出lle∞the output

adopted.‰c∞verter regulate voltage.m technique introduced here
carl one

is unique of its kind fzcⅢn the point of view of ripple main obiective of this work i8
on

in the output

vdtage and the reliability of the control strategy.11他
mode
to


to

have



positive buck.boost

regulator that automatically transits from

the other based combination of

the relative size

between the input vdtage and the

output voltage.ne method introduced in this paper is
was

buck。boost,and buck—boost modes.,11le implementation scheme for the control circuit

provided and the

design for the

bmaking point w鹪analysed detailedly in the¥l毗rrle time.Finally.the simulation results have been added to support the pmposed
theory. Key

words:Buck,Boost,Buck?Boost,Emciency,Four Switeh



引言
随着锂离子电池以及3.3V电源的广泛应用,便携式设备设计者通常面临着这样的问题,即需要从单节

锂离子电池中得到3.3V电源电压。然而问题是锂离子电池在充电周期里,其电压可能高于3.3V,也可能低
于3.3V。这使得这样的电路设计变得相当复杂。 如何才能在电池充电周期内得到一个稳定的电池中间电压,这已成为实际工程中迫切需要解决的问 题。传统的降压转换器和升压转换器已经不能满足要求,这就需要一种特别的转换器,它能够根据电池充 电的状态自动升高或者降低电池电压,从而获得稳定的输出电压。 本文首先对降压、升压过渡区间做了理论分析。在此基础上,讨论了几种现存的升降压实现方案,分析 了它们各自的优缺点。最后提出了一种新颖的基于四开关结构的降压一升压转换器的控制方法,并给出了 系统实现方案。

2过渡区间分析
图l表示单节锂离子充放电特性以及从单节锂离子得到3.3V输出电压的输出特性。在电池完全充电
116

时,电池电压是4.2V,在电池未完全充电时。电源电压下降到2.8V。最关键的是在A和B之间,正如图中所

显示的那样,此时,输入电压和输出电压变的几乎相等。
图2显示了从降压到升压的转换中,占空比随充电电压变化而变化的情况。在降压模式下。当电池完全 充电时,占空比是最低的。此后,随着电压的下降,占空比逐渐增加。当输入电压和输出电压变的几乎相等 时。即对应图中A点,此时占空比是降压模式下最大的。在同一点B,升压模式的占空比是最小的。随着输

图1电池充电特性图

图2占空比变化图

人电压下降,升压模式下的占空比继续增加,一直到升压模式下最大值。现在应用平均状态空间方法‘¨,对 于降压型变换器,有:

票屯:一手k+孥k 面‘£2一i7“+T…洫

【1) (1)

面d‰=吉屯一志‰
对于升压变换器,有:

(2)

鼽:L尘‰+一1L
df‘L一

7。糠T



yin


(3)
、J,

面d‰:宰卜而1‰
占空比关系如下式所示:

(4)

k=瓦Vo,dh=半
压,降压过渡区间.由于电感申.流变化率彳艮大.从而导致输出申.压会出现j臣大的纹波.

(5)

从上面的方程我们可以看出,在降压模式下,当占空比接近1时,即在切换点A时,电感的变化率变的

非常高,从而引起输出电压的变化很大。同样,在升压模式下,在同一点,也即切换点B时,由于占空比非常
低,所以电感电流,正如方程(3)所描述,会变得很大从而导致输出电压大的扰动。由此,我们可以看到在升

3存在的解决方案
在锂电池充电过程中,输入电压可能会高于输出电压也有可能低于输出电压,单独的降压或者升压变 换器已经不再适合这种应用除非它们级连拉],但级连的同时也增加了损耗和代价。另外,在输入电压接近 输出电压时,这种级连变换器并不能精确的输出电压。正如前面所叙述的,在升压和降压过渡区间,它会有 很大的纹波。同时还需要两个控制电路来调节输出电压,一个是在降压模式,另一个是在升压模式。这又 增加了电路的复杂性。 可集成在芯片中的反相Buck—Boost转换器∞Ky特点是一种非隔离的,具有负输出电压拓扑结构的转 换器。通过调节开关管的占空比,可使得其输出电压低于、高于或等于输入电压。反向变换器可以降压。也
117

可以升压,这是它的主要优点。但是,由于它的输出电压与输入电压反相,所以它很难应用到便携式电子设 备中。另外,它的驱动不共地,这也使线路构成复杂化,元件增加。 SEPIC转换器…(Single
Ended Primary Inductor

Converter)是少数单级电路中可降升压、而且输出电压的

极性与输入电压相同的电路之一,但是相对单独的升压变换器或者降压变换器来说。它需要两个电感以及 三个去耦电容,这会引起更多的EMI问题和损耗,并使得系统花费的代价更大。另外,这种结构还会在功率 器件上引起高的峰值电流以及在电容上产生大的斜波电流。

4理想的解决方案
对于由锂离子供电的便携式设备,我们急需一种变换器,它只要很少的元器件,占用很小的空问,并能 够高效同相的输出电压。所以在综合考虑效率、成本、尺寸以及复杂度等问题后,本文提出一种基于四开关 拓扑结构¨][6]的控制方案。如图3所示,它是基于四开关结构,将降压模式、舞降压模式以及升压模式整合 在一个系统中,主要由模式控制器来检测输入电压的状态,从而决定系统工作在哪一个模式。
模式控制器具体实现电路方案如图4所示。它主要由两路比较器构成,输入电压与两个切换点电压相

比较,分别产生三个状态信号:00、10、11,这三路状态信号再通过一系列的数字逻辑,分别控制四个开关管的
通断,从而使得系统分别工作在降压、升降压以及升压模式下。当输入电压高于输出电压时,开关管B一直 导通而开关管D一直关断,开关管A和C交替导通,系统工作在降压模式;当输入电压低于输出电压时,开 关管A一直导通而C一直关断,开关管B和D交替导通,系统工作在升压模式;当输人电压接近输出电压 时。开关管A、D和B、C交替导通。即当开关管A和D导通时,B和C截止,电感充电,而当开关管A和D截 止时.B和C导通,电感放电,此时,系统工作在升降压模式。这样,在锂离子充电周期里,能够得到稳定的介 于电池中简电压的输出电压,并且由于加入了中间过渡模式,所以在过渡区间输出端的纹波减小。另外,由 于在降压模式和升压模式下,仅仅两个开关工作,像单独的升压变换器和降压变换器工作,这样,在系统工 作在高频下,能够大大减小开关损耗,从而提高系统的效率。









V V
‰ ‰
降Hi 升降压 升压

图3系统框图

图4模式控制器

5切换点分析与设计
本文中由于加入了中问过渡模式,如何具体划分三种模式,使系统稳定性和效率都能符合应用要求,将
成为本文中迫切需要解决的问题。正如上面所论述,引人中间过渡区间,是为了减小切换时的系统纹波,提 高转换效率。但如果过渡区间过小,则系统在正常工作时,一个微/1,1拘扰动将会引起系统不停的来回切换, 这样不利于系统的稳定。相反,如果过渡区间过大,则工作在中间过渡模式的时闻过长,这样四个开关管长 时间的导通和截止,会导致系统效率的降低。一般来说,对于输入电压在2.5V一5.5V内变化,在升压模式

向中间模式过渡时,为了保证切换时电感电流缓慢变化,我们取升压模式下最小占空比为10%。同理,降压
118

模式下,取最大占空比为90%。这样保证系统在切换时,可以稳定平滑的过渡。本文需要得到3.3V输出电 压,在降压模式和升压模式下,有公式:

竞锄,讫2南
作模式下时LXI、LX2引角的电压波形以及电感电流的波形。







(6)

这样可以计算出A和B点的切换电压分别为3.67V和2.97V,为了留点裕量,本文取3.7V和2.95V。本论 文将升压、降压和升降压整和在一个系统中,当K。>3.7V时,系统工作在降压模式,当K。<2.95V时,系统

工作在升压模式,当2.95V<K。<3.7V时,系统工作在升降压模式。图5、图6和图7分别为系统在三种工

LXl

]广]厂]

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LXl

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LX2

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r] 厂] r]一
飞./\/\
(b)

LX2



]厂]厂]一
/\/4\/



图5电感电流波形
(-)降压模式;(b)升压模式;(c)升降压模式。



仿真结果
系统切换点分别为2.95V以及3.7V,其它参数见表1。 表1
K。/V
2.5-5.5 l,“/V

系统仿_真相关参数
C“矗 26

£/州
2.64

plVll№


兄/Q

3.3

6.6

图8是电池在一个充电周期里的电压变化图,它表示随时间的变化电池电压的不同,从图8中可以看出 在充电时间为6.5rm时,电池电压大约为3.3V。图9和图10分别表示在两个工作模式和三个工作模式下 的的仿真波形。从图9可以看出,两个工作工作模式下,在3.3V附近也即降压向升压转换的过渡区中,输 出电压出现比较大的扰动。这是由于在升压、降压过渡区间,由于电感电流变化率很大,从而导致输出电压 会出现很大的纹波。这与上述理论分析吻合。而在图10中,由于在升压和降压中间加入升降压模式,从而 使得系统可以稳定并且平滑地过渡,从而减小了纹波,提高了效率。图l l为采用三种工作模式下,各工作模 式相互过渡时输出端的纹波变化,输出端的最大纹波为34mV。









0 0.002 0.004



之 ‰ 至

>≈∞墨一o≯ 3

。、
\1
0.006 0.008 0.0 l Tirnels





图8充电电压变化图

119

用10

2个模式辅m电^叱.

图II切换时输出端纹波

7结束语
提出了一种新颖、高效应用于升降压系统的控制方法,通过输人和输出电压的^小,能够实现升压和降
压功能.由于加入了中间模式.能够使系统在一压与降压的切换稳定、平滑的过渡。另外.讨葩丁升压和降

胜的过渡区特性,分析比较了系统工作在升所和降肫两种模式下以&升压、降压和升降压=种模式下的情 况,仿真结果验证了理论分析的正确性。 该方法的优点当工作在升压或降压模式下,仪仪两个开荧管变替导通,不需要在2倍负载电流下工作, 提高r效率;加^r中问升降压模式,使得升脂和降压稳定、半滑的过渡,降低了输出端的纹渡,最少的外围 器件,降低了成奉。固此非常适合由锂离子供电的便携式电子产品的应用,
参考文献
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作者简介

张友华(1981一),男.羹或自路瓠十专立项士研究生,
兢建楠(1954一),男,副研究目,i要从事半#体器畔和I艺方面的研究。
吴金(1%5一),男,教授.从事数横混台集成电路领域的教学和科研工作。

高效同相降压—升压DC/DC转换器的设计
作者: 作者单位: 张友华, 姚建楠, 吴金, 马杰 东南大学IC学院无锡分院,无锡,214028

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