CN108712074B - 升降压dc-dc变换器及其软起动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于升降压DC‑DC变换器的软起动控制方法，包括：步骤S1：预配置第一拐点电压和第二拐点电压，以及输出电压达到第一拐点电压所需要的时间、达到第二拐点电压所需要的时间；步骤S2：控制输出电压按照恒定速率上升至第一拐点电压后，继续按照另一恒定速率上升至第二拐点电压。与现有技术相比，本发明通过预配置两个拐点，将启动分为两个节点，第一阶段尽快建立输出电压并减少启动时间，第二阶段确保DC‑DC变换器控制单元中的电压误差放大器能够退出饱和，其输出能够达到期望值。
Description
技术领域
本发明涉及一种升降压技术，尤其是涉及一种升降压DC-DC变换器及其软起动控制方法。
背景技术
如图1所示，基于升降压拓扑的变换器包括输入整流电容C1和升降压变换器主电路1，以及产生驱动信号的升压控制单元和降压控制单元。在变换器主电路中，降压主开关Q1接在整流输入电压Vin和主电感L之间，二极管D1和升压主开关Q2分别接在主电感的两端与地之间，二极管D2接在主电感与输出电压Vout之间。分压电阻R1和R2用来产生一个合适的输出电压反馈信号Vfb。
降压控制单元2(buck control circuit)和升压控制单元3(boost controlcircuit)分别包括一个电压误差放大器和PWM信号发生单元21、31(PWM Generator Unit)，用来根据反馈信号Vfb产生开关器件的驱动信号。模式切换单元4(Mode Switch)可以根据输入电压的反馈信号决定当前变换器是工作于降压模式还是升压模式。当变换器工作在降压模式时，降压主开关Q1根据驱动信号进行工作，而升压主开关Q2处于“常开”状态。当变换器工作在升压模式时，升压主开关Q2根据驱动信号进行工作，而降压主开关Q2处于“常闭”状态。电压误差放大器根据输出电压反馈信号Vfb和参考电压Vref产生一个电压误差信号Ver。PWM信号发生单元(PWM generator unit)提供一个锯齿波电压，并将电压误差信号与锯齿波信号进行对比，以分别产生升压或降压驱动信号。
如图1所示，在变换器启动时，由于输出电压还未建立，所以电压误差放大器将进入饱和，此时PWM信号发生单元将输出最大占空比，这将导致主电感L进入饱和状态同时对输出缓冲电容C2造成危害。因此，无论是升压变换还是降压变换，通常都会加入一个软启动控制电路，用来限制启动时开关器件控制信号的占空比，同时使得输出电压按照给定的速率缓慢上升。然而，在基于升降压拓扑的变换器中，在软起动过程中必须考虑工作模式的切换问题。同升压或降压变换器一样，升降压变换器也是由降压模式开始启动，输出电压逐步建立。如果输入电压足够高，当输出电压达到额定输出电压后，变换器将始终保持降压工作模式，若输入电压不够高，变换器将切换至升压模式，以确保输出电压能够达到额定输出电压。
因此，需要设计一种能够应用于升降压变换器的全新的软启动方法，来适应宽输入电压的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种升降压DC-DC变换器及其软起动控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，包括：
步骤S1：预配置第一拐点电压和第二拐点电压，以及输出电压达到第一拐点电压所需要的时间、达到第二拐点电压所需要的时间；
步骤S2：控制输出电压按照恒定速率上升至第一拐点电压后，继续按照另一恒定速率上升至第二拐点电压。
所述步骤S2具体包括：
步骤S21：判断输入电压是否大于第一拐点电压，若为是，则执行步骤S22，若为否，则执行步骤S23；
步骤S22：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至第一拐点电压，并执行步骤S25；
步骤S23：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S24；
步骤S24：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第一拐点电压，并执行步骤S28；
步骤S25：判断输入电压是否大于第二拐点电压，若为是，则执行步骤S26，若为否，则执行步骤S27；
步骤S26：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至第二拐点电压，启动结束；
步骤S27：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S28；
步骤S28：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第二拐点电压，启动结束。
所述第一降压模式斜率为：
其中：k1为第一降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，Vin为输入电压，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间。
所述第二降压模式斜率为：
其中：k2为第二降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，VP2为第二拐点电压，Vin为输入电压，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间，TP2为输出电压达到第二拐点电压所需要的时间。
所述步骤S24具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第一升压模式斜率上升至第一拐点电压，并执行步骤S28。
所述第一升压模式斜率为：
其中：k3为第一升压模式斜率，k1为第一降压模式斜率。
所述步骤S28具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第二升压模式斜率上升至第二拐点电压，启动结束。
所述第二升压模式斜率为：
其中：k4为第二升压模式斜率，k2为第二降压模式斜率。
所述第二拐点电压高于目标输出电压，且低于变换器的模拟控制IC的过电压保护值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过预配置两个拐点，将启动分为两段，第一阶段尽快建立输出电压并减少启动时间，第二阶段确保DC-DC变换器控制单元中的电压误差放大器能够退出饱和，其输出能够达到期望值。
2)通过降压PWM和升压PWM控制分阶段进入，以接力形式实现启动升压，启动更平缓。
3)设计了第一降压模式斜率的取值方法，可以尽快建立输出电压并减少启动时间。
4)设计了第二降压模式斜率的取值方法，可以确保DC-DC变换器控制单元中的电压误差放大器能够退出饱和。
附图说明
图1为现有变换器的电路结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中变换器的电路结构示意图；
图4为本发明的主要步骤流程示意图；
图5为输出电压示意图；
其中：1、变换器主电路，2、降压控制单元，3、升压控制单元，4、模式切换单元，5、可编程PWM信号发生单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本申请设计一种升降压DC-DC变换器的软启动技术，通过本申请，PWM信号发生单元能够自动适应不同的输入电压，并根据预设曲线建立输出电压。
本发明同时提供了一种基于可编程逻辑器件的软起动方法。可编程逻辑器件在软启动过程中独立产生驱动信号，并且在软起动过程结束后，由DC-DC变换器的PWM信号发生单元完成闭环控制并持续提供驱动信号。
图2和图3揭示了本发明所涉及的软启动电路示意图，包含一个独立设置的可编程PWM信号发生单元5(Programmable PWM Generator)，输出电压反馈电路，输入整流电容C1以及用于DC-DC变换器闭环控制的降压控制单元2(Buck Control Circuit)和升压控制单元2(Boost Control Circuits)。
可编程PWM信号发生单元在软起动期间不依赖于变换器的控制单元独立产生开关器件控制信号，输出电压开始建立，一旦输出电压达到预设值，DC-DC变换器的控制单元将“平滑的接过”控制任务，并在闭环的条件下持续输出控制信号。该过程的核心是软起动结束后DC-DC变换器控制单元如何“平滑的接过”控制任务。DC-DC变换器控制单元通常使用基于电压电流双闭环的模拟控制IC，无论是升压变换还是降压变换在软启动过程中的驱动信号取决于输出电压和输入电压的比。而正常工作时，驱动信号的占空比由电流内环的峰值电流或平均电流的限定值决定，即与负载电流有关。“平滑的接手”的原则是：在DC-DC变换器控制单元接手前后，开关器件驱动信号的占空比不能有大的波动，以确保经过短暂的过度后，变换器能够工作在闭环的控制状态下。
一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，如图4所示包括：
步骤S1：预配置第一拐点电压和第二拐点电压，以及输出电压达到第一拐点电压所需要的时间、达到第二拐点电压所需要的时间，其中，第二拐点电压高于目标输出电压，且低于变换器的模拟控制IC的过电压保护值；
步骤S2：控制输出电压按照恒定速率上升至第一拐点电压后，继续按照另一恒定速率上升至第二拐点电压，具体包括：
步骤S21：判断输入电压是否大于第一拐点电压，若为是，则执行步骤S22，若为否，则执行步骤S23；
步骤S22：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至第一拐点电压，并执行步骤S25；
步骤S23：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S24；
其中，第一降压模式斜率为：
其中：k1为第一降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，Vin为输入电压(采用有效值)，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间。
步骤S24：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第一拐点电压，并执行步骤S28，具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第一升压模式斜率上升至第一拐点电压，并执行步骤S28。
第一升压模式斜率为：
其中：k3为第一升压模式斜率，k1为第一降压模式斜率。
步骤S25：判断输入电压是否大于第二拐点电压，若为是，则执行步骤S26，若为否，则执行步骤S27；
步骤S26：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至第二拐点电压，启动结束；
步骤S27：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S28；
其中，第二降压模式斜率为：
其中：k2为第二降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，VP2为第二拐点电压，Vin为输入电压(采用有效值)，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间，TP2为输出电压达到第二拐点电压所需要的时间。
步骤S28：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第二拐点电压，启动结束，具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第二升压模式斜率上升至第二拐点电压，启动结束。
第二升压模式斜率为：
其中：k4为第二升压模式斜率，k2为第二降压模式斜率。
图5展示了输出电压Vout和电压误差放大器输出信号Ver的波形。当DC-DC变换器启动时，变换器输出电压在可编程软起动单元的控制下按照给定的斜率上升。而此时，由于输出电压较低，电压误差放大器马上进入饱和，并输出最大值，导致PWM发生器饱和，并输出最大值接近1。电压误差放大器的输出将持续饱和状态，直到其反向输入端的信号Vfb大于同向输入端的参考信号Vref后，电压误差放大器才能退出饱和，同时其输出信号由最大值开始下降。此时，PWM控制信号的占空比由接近1的最大值逐步下降至接近可编程软起动控制单元的输出占空比，使得“平滑的接手”成为可能。在图3所示的电路中，考虑到输出缓冲电容C2具有ESR。由于该ESR的存在，DC-DC变换器控制单元中的电压误差放大器可以认为是典型二阶放大器，该放大器输出信号在退出饱和时的下降斜率取决于输出电压的上升过程K1和K2，如图5所示。上升过程K1的选择是尽快建立输出电压并减少启动时间。K2的选择依据是确保DC-DC变换器控制单元中的电压误差放大器能够退出饱和，其输出能够达到期望值。如图5所示，输出电压的上升过程K2及电压上升的速率取决于拐点P1和P2，其中拐点P2对应输出电压Vp2为输出电压的最高点，这个电压应当小于模拟控制IC的过电压保护值。
输出电压的上升过程K1和K2都同时包含降压和升压两种工作模式。其中过程K1包含降压模式的控制信号占空比斜率k1和升压模式的控制信号占空比斜率k3两部分。当输入电压Vin大于拐点P1对应的Vp1时，K1完全由k1构成，当输入电压Vin小于拐点P1对应的Vp1时，K1由k1和k3两部分构成。降压模式的控制信号占空比斜率k1的选择依据是：当输入电压较高时，在快速建立输出电压的同时避免主电感的饱和。升压模式的控制信号占空比斜率k3的选择依据是：输出电压上升的速率和k1保持一致。过程K2包含降压模式的控制信号占空比斜率k2和升压模式的控制信号占空比斜率k4两部分。控制信号占空比斜率上升斜率k1至k4的值可以通过变换器的输入电压和拐点P1，P2所对应的时间计算得出。因为软起动总是从降压模式开始，
斜率k3和k4可通过如下的公式导出：
降压模式:
升压模式：
图4为本发明涉及软启动的程序流程图，该流程图说明如下：
1、变换器低压输出条件
软启动由降压模式开始，控制信号占空比由斜率k1决定。此时降压主开关Q1处于开关模式，升压主开关Q2处于“断开”状态。变换器输出电压按给定速率上升，但是由于变换器输入电压较低，当控制信号占空比达到最大值时，变换器输出电压仍然低于拐点P1所对应的电压Vp1。此时变换器将进入升压模式，升压主开关Q2处于开关模式，降压主开关Q1处于“导通”状态。控制信号占空比由斜率k3决定，变换器输出电压按同一速率继上升，直至到达Vp1。此后控制信号占空比上升斜率切换至k4，同时变换器工作模式保持为升压模式不变，直至输出电压达到拐点P2对应的电压Vp2。
2、变换器中压输入条件
软启动由降压模式开始，控制信号占空比由斜率k1决定。由于变换器输入电压较高，当变换器输出电压达到拐点P1所对应的电压Vp1时，控制信号占空比仍未达到最大值。在这种情况下，变换器的工作模式保持降压模式不变，但是控制信号占空比切换至斜率k2。但是，当控制信号占空比达到最大值时，变换器输出电压仍然低于拐点P2所对应的电压Vp2，此时变换器将切换至升压模式，控制信号占空比上升斜率切换至k4，直至输出电压达到拐点P2对应的电压Vp2。
3、变换器高压输入条件
软启动由降压模式开始，控制信号占空比由斜率k1决定。由于变换器输入电压较高，当变换器输出电压达到拐点P1所对应的电压Vp1时，控制信号占空比仍未达到最大值。。在这种情况下，变换器的工作模式保持降压模式不变，但是控制信号占空比切换至斜率k2。由于变换器输入电压足够高，其输出电压将在降压模式下按照信号占空比斜率k2所决定的速率上升至拐点P2对应的电压Vp2。
Claims (8)
1.一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：预配置第一拐点电压和第二拐点电压，以及输出电压达到第一拐点电压所需要的时间、达到第二拐点电压所需要的时间，
步骤S2：控制输出电压按照恒定速率上升至第一拐点电压后，继续按照另一恒定速率上升至第二拐点电压；
所述步骤S2具体包括：
步骤S21：判断输入电压是否大于第一拐点电压，若为是，则执行步骤S22，若为否，则执行步骤S23；
步骤S22：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至第一拐点电压，并执行步骤S25；
步骤S23：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第一降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S24；
步骤S24：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第一拐点电压，并执行步骤S28；
步骤S25：判断输入电压是否大于第二拐点电压，若为是，则执行步骤S26，若为否，则执行步骤S27；
步骤S26：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至第二拐点电压，启动结束；
步骤S27：控制变换器工作于降压模式，并使输出电压按照第二降压模式斜率上升直至输入电压，并执行步骤S28；
步骤S28：控制变换器工作于升压模式，并使输出电压上升直至第二拐点电压，启动结束。
2.根据权利要求1所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述第一降压模式斜率为：
其中：k1为第一降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，Vin为输入电压，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间。
3.根据权利要求1所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述第二降压模式斜率为：
其中：k2为第二降压模式斜率，VP1为第一拐点电压，VP2为第二拐点电压，Vin为输入电压，TP1为输出电压达到第一拐点电压所需要的时间，TP2为输出电压达到第二拐点电压所需要的时间。
4.根据权利要求1所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述步骤S24具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第一升压模式斜率上升至第一拐点电压，并执行步骤S28。
5.根据权利要求4所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述第一升压模式斜率为：
其中：k3为第一升压模式斜率，k1为第一降压模式斜率。
6.根据权利要求1所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述步骤S28具体为：
控制变换器工作于升压模式，并使输出信号叠加第二升压模式斜率上升至第二拐点电压，启动结束。
7.根据权利要求6所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述第二升压模式斜率为：
其中：k4为第二升压模式斜率，k2为第二降压模式斜率。
8.根据权利要求1所述的一种应用于升降压DC-DC变换器的软起动控制方法，其特征在于，所述第二拐点电压高于目标输出电压，且低于变换器的模拟控制IC的过电压保护值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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