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四管同步升降压变换器工作原理及设计相关问题

发布时间:2019-07-12 责任编辑:xueqi

【导读】四管同步BuckBoost升降压变换器为单电感结构,不需要耦合电容,尽管系统需要四个开关管,控制相比较复杂,但由于采用同步的变换器,系统的效率比SEPIC高,而且体积比SEPIC小,非常适用于汽车及通讯这类系统的效率和体积要求严格的应用。下面本文将讨论这种四管同步BuckBoost升降压变换器的具体的工作原理及设计过程的相关问题。
 
电子系统的一些应用中由于输入电压的变化,电源的输出可能低于输入电压也可能高于输入电压,对于非隔离的电源变换器,这时候要采用升降压的拓朴结构。常用的升降压拓朴结构SEPIC需要二个电压,中间还需要耦合电容,因此当输出功率较大时,电感和电容的体积大,成本高,而且整机系统效率差。
 
1、四管同步BuckBoost升降压变换器工作原理
 
四管同步BuckBoost升降压变换器的拓朴结构如图1所示,其中Cin和Cout分别为输入和输出直流滤波电容,A和B为输入侧功率开关管,C和D为输出侧功率开关管,可以看出:四个开关管结构类似于全桥的结构:A和B及C和D分别类似于全桥电路的二个桥臂,L为功率电感。
 
图1:四管同步BuckBoost升降压变换器拓朴结构
 
下面分三个模式说明这种电路结构的工作原理。
 
1.1、模式1:同步Buck模式,Vin>Vout+△V
 
当输入电压比输出电压高△V时,开关管D保持常开,开关管C保持常关,开关管A和B工作于同步的Buck模式。其工作原理与一般的同步的Buck工作原理完全相同,控制的方法为谷点电流模式,如图2所示,其中D为占空比。
D=Vo/Vin
 
图2:同步Buck模式
 
1.2、模式2:降压BuckBoost模式,Vout<Vin<Vout+△V
 
当输入电压比输出电压低△V,即输入电压略高于输出电压时,系统工作于降压式BuckBoos模式。开关周期起始时,开关管B/D先同时导通,然后A/C同时导通,最后是A/D同时导通,即开关管导通的顺序为:B/D–A/C–A/D。
 
开关管B/D同时导通,导通时间为△tBD,电感去磁,则有:
 
 
式中:△IL为电感电流的纹波。
 
开关管A/C同时导通时,导通时间为△tAC,电感激磁:
 
 
开关管A/D同时导通时,导通时间为△tAD,电感继续激磁:
 
 
考虑到磁通在每个开关周期必须复位,则有:
 
 
所以可以得到:
 
 
对于降压BuckBoost变换器,调节△tAC小于△tBD就可以控制系统得到正确的输出,△tAD值远大于△tAC和△tBD。当输入电压略大于输出电压且输入电压非常接近输出电压时系统进入降压BuckBoost工作模式,电路的控制和工作波形见图3所示。
 
图3:降压BuckBoost工作模式
 
1.3、模式3:升压BuckBoost模式,Vin<Vout<Vin+△V
 
输出电压比输入电压高△V,即输入电压略低于输出电压时,系统工作于升压BuckBoos模式。开关周期起始时,开关管A/C先同时导通,然后B/D同时导通,最后是A/D同时导通,即开关管导通的顺序为:A/C–B/D–A/D。
 
开关管A/C同时导通时,导通时间为△tAC,电感激磁:
 
 
式中:△IL为电感电流的纹波。
 
开关管B/D同时导通时,导通时间为△tBD,电感去磁:
 
 
开关管A/D同时导通时,导通时间为△tAD,电感继续去磁:
 
 
考虑到磁通在每个开关周期必须复位,则有:
 
 
所以可以 得到:
 
 
升压BuckBoost模式和降压BuckBoost模式的公式完全一样,调节△tAC大于△tBD就可以控制系统得到正确的输出。当输入电压略小于输出电压且即输入电压非常接近输出电压时系统进入升压BuckBoost工作模式,电路的控制和工作波形见图4所示。
 
图4:升压BuckBoost工作模式
 
升压和降压BuckBoost模式控制策略稍有不同:
 
(1) 降压BuckBoost模式仍然是降压模式,所以要先深去磁,再短时间的深激磁,然后长时间的浅激磁;
 
(2) 升压BuckBoost模式仍然是升压模式,所以要先深激磁,再短时间的深去磁,然后长时间的浅去磁。
 
BuckBoost模式下输入电压和输出电压非常接近,输入和输出基本上长时间保持直通,开关状态工作的时间很短,控制器通过内部的调节使系统工作于升压或降压BuckBoost模式。
 
1.4、模式4:同步Boost模式,Vout>Vin+△V
 
当输入电压比输出电压低△V时,开关管A保持常开,开关管B保持常关,开关管C和D工作于同步Boost模式。其工作原理与一般的同步Boost工作原理完全相同,控制的方法为峰值电流模式,如图5所示。
Vo/Vin=1/(1-D)
 
图5:同步Boost模式
 
2、 四管同步BuckBoost升降压变换器电感的设计
 
四管同步BuckBoost升降压变换器采用单电感的结构,这种拓朴结构根据输入电压和输出电压的不同,工作于降压Buck或升压Boost模式,电感的设计要考虑并兼顾到这二种拓朴结构的特性。
 
输出满载时,对于降压Buck变换器,当输入电压最大时,电感的纹波最大:
 
 
式中:△IL为电感电流的纹波,fs为开关频率。
 
输出满载时,对于升压Boost变换器,当输入电压最小时,电感的纹波最大:
 
 
因此最大的电感电流纹波由输入最小电压和最大电压共同来决定,这样在整个电压范围内,电感电流纹波的变化值很大,在选取电感电流纹波系数时,必须作一些折衷的处理。根据实际经验,一般可以根据下面的原则来选取:升压Boost模式下,输入电压最小时,电感的电流纹波系数最大值取20%~30%;降压Buck模式下,输入电压最大时,电感的电流纹波系数最大值取100%~150%。
 
电感的电流纹波系数为:
 
 
式中:Ipk-pk为电感电流的峰峰值,IL(ave)为电感电流的平均值。
 
由输入电压范围,输出电压和电流,选取工作频率,就可以计算出电感值。
 
3、四管同步BuckBoost升降压变换器PCB的设计
 
降压Buck变换器的电感位于输出回路,所以输出回路的电流是连续的,输入回路的电流是不连续的,输入回路的干扰大,这些环路产生很大的磁场发射,因此输入回路要尽可能的小。输入回路的地为功率地,要与系统的信号地分开单独布线,输出地可以作为干净的信号地。
 
图6:PCB布局
 
升压Boost变换器的电感位于输入回路,所以输入回路的电流是连续的,输出回路的电流是不连续的,输出回路的干扰大,这些环路产生很大的磁场发射,因此输出回路要尽可能的小,输出回路的地为功率地,要与系统的信号地分开单独布线,输入地可以作为干净的信号地。
 
两者的兼顾对PCB设计要非常的小心,开关回路中du/dt比较大的节点SW1和SW2及其回路,要尽可能的小,因为这些环路产生很大的电场发射。
 
电流检测回路,电流检测电阻要用KEVIN连接,直接从电流检测电阻两端布线,线径要细,并且平行平线。
 
4、功率MOSFET选择
    
功率MOSFET的功耗主要为导通损耗和开关损耗,如果功率MOSFET工作于同步整流状态,主要的功耗为导通损耗、二极管死区时间及反向恢复损耗,这些内容可以参考以前的文章。
 
参考文献
 
(1) A.I. Pressman. Switching Power Supply Design (second edition). New York: McGraw-HillPublishing Co., 1998.
(2) LTC3780数据表
 
来源:松哥电源,作者:刘松  
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