[发明专利]一种基于电容电荷平衡升降压DC-DC开关电源系统及控制方法

摘要

一种基于电容电荷平衡升降压DC‑DC变换器系统及控制方法，利用电容电荷平衡原理，根据变换器不同的工作模式提出对应的暂态滞环电流控制策略，在DCM下，使得变换器仍具有较好的动态性能，满足实际需求，保证了变换器在不同的工作模式均具有较好的动态性能，提高供电设备的可靠性。

主权项

1.一种基于电容电荷平衡的升降压DC‑DC变换器控制方法，包括DC‑DC变换器(1)、采样电路(2)、判断处理电路(3)和控制电路(4)，其特征在于，DC‑DC变换器(1)输出端连接采样电路(2)的输入端，采样电路(2)输出端连接判断处理电路(3)的输入端，判断处理电路(3)的输出端连接控制电路(4)的输入端，控制电路(4)的输出端连接DC‑DC变换器(1)形成闭环反馈系统；所述的DC‑DC变换器(1)采用BUCK‑BOOST DC‑DC变换器拓扑结构，实现宽范围电压输入；所述的采样电路(2)采样输出电流、电感电流和输出电压和输入电压，并将采样信息发送到判断处理模块；所述的判断处理电路(3)采用处理器STM32F4，实现判断输出负载电流是否发生突降，如果突降，判断电路工作模式，连续导电模式(CCM)或断续导电模式(DCM)，并发送信息到控制电路模块；所述的控制电路(4)输出频率占空比可变的PWM波，精确地控制BUCK‑BOOST DC‑DC变换器开关管的导通与关断，其特征在于，基于电容电荷平衡的升降压DC‑DC变换器控制方法，包括以下步骤：1)采样电路采样输出电流、电感电流、输出电压和输入电压；2)将采样信息送入判断处理模块，根据BUCK‑BOOST DC‑DC变换器输入输出电压之间的关系，推导出实时平均电感电流IL(t)；3)处理器将前一时刻的IL2和这一时刻IL1作比较，判断负载电流是否发生变化，如果IL2‑IL1>ΔI，则突降发生，反之，负载电流保持不变；如果突降，判断电路工作状态是DCM还是CCM；判断突降后电路工作模式是DCM或CCM，具体步骤为：①负载电流突降，假定变换器处于CCM，根据电容电荷平衡原理，分析出理想的波形，波形中Io2和Io1分别为前一时刻IL2和这一时刻IL1对应的输出平均电流，H为变换器暂态参数；②负载电流突降，开关关断，电容C充电电荷量为Q1，即S1的面积，如式(1),iL1,min为电感电流最小值，其中如式(2)③电感电流最小时，开关导通，电容C放电电荷量为Q2，即S2的面积，则如式(3)、式(4)，Q2＝Io1×Ton   (3)其中④根据电容电荷平衡原理Q1＝Q2，得式(5)⑤如果处理器计算出H>0，则电路工作于CCM，否则，电路进入DCM；其中，IL2为前一时刻的平均电感电流；IL1为这一时刻的平均电感电流；IL(t)为实时平均电感电流；iL(t)为实时电感电流；ΔI为滞环电流宽度；Io2为前一时刻的平均输出电流；Io1为这一时刻的平均输出电流；IL1,min为电感电流最小值；Ton为开关导通时间；Toff为开关关断时间；RL2为前一时刻的负载电阻；RL1为这一时刻的负载电阻；io(t)为输出电流；uo(t)：输出电压；ui为输入电压；Ue为额定输出电压；L为电感值；C为电容值；uo(t1)为t1时刻输出电压；uo(t2)为t2时刻输出电压；uo(t3)为t3时刻输出电压；uo(t4)为t4时刻输出电压；4)根据判断结果采用相应的控制策略，如果负载电流变化范围较大进入DCM，则采用DCM控制策略，如果变化范围较小处于CCM，则采用CCM控制策略；控制策略包含CCM和DCM两部分，分析方法如下：第一部分：CCM下，根据式(2)、(4)和(5)可求出开关管的导通与关断时间，从而精确地控制开关动作；第二部分：DCM下，给出电路波形图，电路工作过程如下：Ⅰ、负载电流突降，S关断(即0时刻)；Ⅱ、输出电压大于额定输出电压时，S保持关断(即0～t3时刻)，变换器工作在以下三个阶段；①t∈[0，t1)：iL(t)>Io1，储存在电感中的能量同时给电容和负载供能，过渡过程满足微分方程为式(6)，初始条件为式(7)、式(8)，uo(0)＝Ue＝24   (7)根根据式(7)和式(8)，求出微分方程的解uo(t)，0到t1时刻的时间Δt1为式(9)，Δt1＝(IL2+0.5ΔI‑Io1)L/Ue   (9)将t1＝Δt1代入uo(t)，求出输出电压uo(t1)；②t∈[t1，t2)：iL(t)初始条件为式(11)，根据式(11)，求出输出电压uo(t)，t1到t2的时间Δt2为式(12)，Δt2＝Io1L/Ue   (12)将t2＝t1+Δt2代入uo(t)，求出输出电压uo(t2)；③t∈[t2，t3)：iL＝0，电路工作在DCM，仅由电容C给负载供能，过渡过程的微分方程为式(13)，将uo(t3)＝24V代入式(13)，求出t2到t3时刻经历的时间Δt3为式(14)，Ⅲ、输出电压小于等于额定输出电压时，S导通(即t3～t4时刻)，电容给负载供能，变换器满足的微分方程为式(15)，t＝t4时，电感电流为iL(t4)＝IL1‑0.5ΔI，暂态过程结束，电路进入稳态过程，t3到t4的时间Δt4为式(16)，Δt4＝(IL1‑0.5ΔI)L/ui   (16)将t＝Δt4代入式(16)，求出输出电压uo(t4)；Ⅳ、根据每阶段工作时间，可精确地控制开关动作，实现智能控制；5)根据不同的控制策略，控制变换器开关管的占空比，使输出电压稳定。