四開關Buck-Boost變換器的討論


在非隔離電源方案中,Buck、Boost、Buck-Boost電路應用非常廣

1、

常規的Buck-Boost電路,Vo=-Vin*D/(1-D),輸出電壓的極性和輸入電壓相反。(電感的特性是:電感中的電流不能突變。所以,電流變化時,電感中的電壓方向的判定方法是,電壓阻止電流變化。電流變小,電壓就與原先的電流方向一致,這樣才能產生電流,補充電流的減小,維持原來的電流基本不變。電流變大,電壓就與原先的電流方向相反,這樣才能產生電流,抵消電流的增大,維持原來的電流基本不變。電流突然中斷,電感會產生一個與原先的電流方向一致的電壓,使電流不至於立刻中斷,維持一段時間。這就是續流。當然,如果不能恢復原來的供電,電感的續流就只能維持一段時間,電流最終還是要到零。)

簡要的四開關Buck-Boost電路,Vo=Vin*D/(1-D),輸出電壓的極性與輸入電壓相同。

四開關buck-boost的拓撲很簡單,如下圖。

 

對於四開關buck-boost,它本身有一種非常傳統簡單的控制方式。那就是Q1和Q3同時工作,Q2和Q4同時工作。並且兩組MOS交替導通,如上圖。如果把Q2和Q4換成二極管,那么也是同樣能工作,只不過沒有同步整流而已。(MOS是同步,二極管是異步)

對於這種控制方式,在CCM情況下我們可以得到公式:

Vin*D=Vout(1-D)也就是說,Vout=Vin*D/(1-D).  這個電壓轉換比和我們常見的buck-boost是一樣的。

 

只不過常見的buck-boost的輸出電壓是負壓,而四開關輸出的是正壓。

但是這種控制方式的優點是簡單,沒有模態切換。但是缺點是,四個管子都在一直工作,損耗大,共模噪音也大。 

 

基於傳統控制方式的缺點。多年前,一家知名的IC公司推出了一款控制IC,革新了這個拓撲的控制方式。

其思路就是當Vin〉Vout的時候,把這個拓撲當純粹的BUCK來用,當Vin<="" p="">

 

但是,這種思路本身沒什么奇特之處。真正有技術含量的是,當VIn=Vout的時候,采用怎么樣的控制方式?

從buck過渡到中間模態,再過渡到boost的時候,如何做到無縫切換? 這幾個問題,后來成為各家IC公司,大開腦洞,爭奪知識產權的戰場。

接下來,我來介紹某特公司的IC的控制邏輯。

先假設輸出為固定的12V,輸入假設為一個電池,充滿電電壓為16V,放電結束電壓為8V。

那么從輸入16V開始,此時的工作狀態顯然是BUCK

那么四個管子的驅動信號如下圖

 

 

那么當輸入電池電壓逐漸開始降低,M1的占空比也逐漸開始增大,而M2的占空比開始減小。

此時M2的占空比是個關鍵的參數。

因為IC內部對M2的脈寬有個最小設定,假如說是200ns。

那么現在假設輸入電壓掉到12.5V,而M2的脈寬也收縮到了200ns。IC內部的邏輯電路就認為到了模態切換的時候了。

此時發生的變化是,M3和M4兩個管子不再是常關和常通的狀態,而是開始開關了。

 

如果我們把上圖進行分解,就會發現一個有趣的現象,就是在一個clock周期里面,前半周期是buck,后半周期是boost

 

這個時候boost切進去的時候,M3是以最小占空比切入的,而且該占空比不可調。

此時M2的占空比則會從最小突然展寬以抵消boost模特切入的影響。在這個時候,輸出會產生一個動態效應。

那么當輸入繼續下降的時候,M2的占空比會繼續減小。

那么當M2再度回到最小占空比的時候,IC內部邏輯電路會認為模態需要再次轉換了。

此時,M2將固定在最小占空比,而M3則開始跳出最小占空比,可以逐漸展寬。理論上來說,這個過渡應該是完全無縫的切換,

但是由於芯片內部的clock時序的切換,也會對輸出造成一種動態效應。

 

這個時候,變成了前半周期是boost,后半周期是buck。

同樣,當輸入電壓繼續降低的時候,電路會切入完全的boost模態。

 

當然另外一家IC巨頭,某某儀器公司也有類似的IC,他們最大的區別,就是在buck-boost這個模態。

某某儀器的IC,在buck-boost模態,是一個周期是buck,下一個周期是boost,如此輪回。而某某爾特公司的IC卻是在一個周期內,前半周期是buck,后半周期是boost。

Boost的時候電感的回路是通過VIN回到另一端,相等於兩個電源串聯。

總的來說,兩家異曲同工。

 


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