CN113489323B - 四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，包括：当四开关升降变换器处于稳态时，通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入‑输出阶段的时间值比例，使输入‑输出阶段的时间值在整个开关周期内的占比最大化，并且如果输入‑输出阶段的时间值占比更大，输出电压有跌落的变化趋势。本发明通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入‑输出阶段的比例，使得变换器输入输出高效率传输阶段在整个开关周期内的占比最大化，以达到在各种不同工作状况下，变换器都可以达到一个较高的转换效率。本发明控制逻辑简单方便，而且不受变换器的硬件参数偏差的影响，可以实时进行效率优化。

Description

四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法和装置
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，具体而言涉及一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法和装置。
背景技术
四开关升降压(Buck-Boost)变换器是一种DC/DC电路拓扑，因其高效性、可靠性、灵活性、宽输入输出范围等特点被广泛应用于航空航天、通讯和军工武器等电源领域。如图1所示的四开关Buck-Boost变换器，其中包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4，以及一个电感L的电感。电感L的一端连接与第一开关S1和第二开关S2之间，另一端连接与第三开关S3和第四开关S4之间；图1还包括一个变换器控制器，用于控制第一开关S1至第四开关S4的开通和关断。输入源以电压Vin向转换器输入功率，经过变换器，功率以输出电压Vo传向输出负载。
简要而言，四开关Buck-Boost变换器在一个开关周期内，分为四个阶段，如图2所示；即输入阶段，输入-输出阶段，续流阶段，钳位阶段。在输入阶段，第一开关S1和第四开关S4开通，输入电压和地端分别施加在电感L两端，在该阶段电感电流以
Figure GDA0003553946920000011
的斜率上升，在该阶段电感L开始储能；第二阶段，输入-输出阶段；在该阶段第一开关S1和第三开关S3开通，输入电压和输出电压分别施加在电感L的两端，电感电流以
Figure GDA0003553946920000012
的斜率变化，此阶段输入端和变换器电感一并向负载传递能量；第三阶段，续流阶段；第二开关S2和第三开关S3导通；输出电压和地端分别施加在电感L两端，电感电流以
Figure GDA0003553946920000013
的斜率下降，电感L中的能量向负载端传递；钳位阶段，第二开关S2和第四开关S4开通，电感电流保持不变，变换器既不从输入端吸收能量也不向负载输出能量。
图1中的变换器控制器通过控制第一开关S1至第四开关S4的开通和关断，来控制各阶段的周期占比值，保证变换器在不同电压输入、不同负载等工况下输出稳定的输出电压。从图2可以看出，升降压变换器一个开关周期内有输入阶段T1，输入-输出阶段T2，续流阶段T3，钳位阶段T4等4个阶段，这意味着对该变换器进行控制时，可以控制和调整的变量至少有3个，也即同一个输入电压、同一个输出负载情况下，该变换器可以有多种稳态，图3A和图3B给出了相同输入电压、相同输出电压工况下，在同一负载下，电感电流的两种可能稳态，从图中可以看出电感电流的有效值有明显的差异，即变换器的效率有明显差异。
事实上，为了提高四开关升降压变换器的效率，需要优化控制方法，选择合理的控制变量，合理分配输入阶段、输入-输出阶段、续流阶段、钳位阶段的时间占比，已有众多专利和文献进行研究。在专利CN 106849659中，通过分别在buck、Boost、buck-boost三种不同工作模式下设置不同的电路控制策略来提高电源转换效率，复杂繁琐，当工作模式发生改变时需要改变控制策略使效率最大化。然而，该方法控制电路复杂，且需要电阻电流采样，对硬件电路要求较高且由于电阻采样造成的损耗会进一步影响变换器效率。文献AConstant Frequency ZVS Control System for the Four-Switch Buck–Boost DC–DCConverter With Reduced Inductor Current中，离线计算出多种工况下的时间分配，使用查找表格与线性插值的方法来控制变换器稳定输出，此方法控制复杂，计算量大，精度差且难以适应硬件参数的变化。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法和装置，通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入-输出阶段的比例，使得变换器输入输出高效率传输阶段在整个开关周期内的占比最大化，以达到在各种不同工作状况下，变换器都可以达到一个较高的转换效率。本发明控制逻辑简单方便，而且不受变换器的硬件参数偏差的影响，可以实时进行效率优化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提出了一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，所述四开关升降变换器的一个开关周期被依次划分成四个阶段：输入阶段、输入-输出阶段、续流阶段和钳位阶段；在输入阶段，输入电压和地端分别施加在电感两端，在输入-输出阶段，输入电压和输出电压分别施加在电感两端，在续流阶段，输出电压和地端分别施加在电感两端，在钳位阶段，电感电流保持不变；所述控制方法包括：
当四开关升降变换器处于稳态时，通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入-输出阶段的时间值比例M，使输入-输出阶段的时间值T2在整个开关周期内的占比最大化，并且如果输入-输出阶段的时间值T2占比更大，输出电压有跌落的变化趋势；
其中，输入阶段时间值T1与输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo有关，且其最大值决定四开关升降压变换器的最大输出功率。
可选的，所述控制方法还包括：
S1，对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref做减法运算，对运算得到的两者之间的误差值做比例积分运算，得到输出电压闭环调节值Ver，Ver＝(Kp+Ki/s)×(Voref-Vo)，式中，Kp和Ki分别是比例和积分系数常数，与四开关升降压变换器的具体工况相关；
S2，依据输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节值Ver和钳位阶段时间值T4，以钳位阶段时间值T4小于等于预设的时长阈值上限T4TH或者输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M；
S3，以乘积或者加法的形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2。
可选的，步骤S2中，以钳位阶段持续时长T4小于预设的时长阈值上限T4TH为优化目标，计算得到时间值比例M的过程包括以下步骤：
S201，判断四开关升降压变换器的钳位阶段时间值T4是否超过设定的时长阈值上限T4TH，如果超过，转入步骤S202，否则，转入步骤S204；
S202，以第一步长增加时间值比例M，以提高输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态；
S203，重新获取输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo和钳位阶段时间值T4，判断当前四开关变换器的输出电压采样值Vo是否降低或者所述变换器的输入电压采样值Vin是否发生变化，如果是，重新设定时长阈值上限T4TH，返回步骤S201，否则，直接返回步骤S201；
S204，以第二步长减小时间值比例M，以减小输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态，返回步骤S201。
可选的，所述时长阈值上限T4TH的取值范围为[5％×Ts,10％×Ts]，Ts是开关周期时长。
可选的，步骤S2中，以输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M的过程包括以下步骤：
S211，设定输出阈值上限VerTH；
S212，判断输出电压闭环调节值Ver是否达到设定的阈值VerTH，若当未达到时，转入步骤S213，否则转入步骤S215；
S213，以第一步长增加时间值比例M，以提高输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态；
S214，重新获取输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo和输出电压闭环调节值Ver，判断当前四开关变换器的输出电压值Vo是否降低或者所述变换器的输入电压Vin是否发生变化，若是，返回步骤S211，否则返回步骤S212；
S215，以第二步长减小时间值比例M，以减小输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态，返回步骤S212。
可选的，步骤S211中，根据下述公式设定输出阈值上限VerTH：
Figure GDA0003553946920000031
可选的，步骤S3中，以乘积形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2的过程包括以下步骤：
Figure GDA0003553946920000032
Figure GDA0003553946920000033
Figure GDA0003553946920000034
T4＝Ts-T1-T2-T3
式中，T1是输入阶段时间值，T2是输入-输出阶段时间值，T3是续流阶段时间值，T4是钳位阶段时间值，Ts是一个开关周期取值。
可选的，步骤S3中，以加法形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2的过程包括以下步骤：
Figure GDA0003553946920000035
第二方面，本发明实施例提出了一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制装置，所述控制装置包括：
减法器，用于对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref做减法运算；
输出电压闭环调节模块，其输入端与减法器的输出端连接，用于对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref两者之间的误差值做比例积分运算，得到输出电压闭环调节值Ver，Ver＝(Kp+Ki/s)×(Voref-Vo)，式中，Kp和Ki分别是比例和积分系数常数，与四开关升降压变换器的具体工况相关；
在线效率实施优化模块，在线效率实施优化模块的四个输入端分别与输出电压闭环调节模块的输出端、输入电压采样端、输出电压采样端和T1～T4时间段参数计算模块的钳位阶段时间值输出端连接，用于依据输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节值Ver和钳位阶段时间值T4，以钳位阶段时间值T4小于等于预设的时长阈值上限T4TH或者输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M；
T1～T4时间段参数计算模块，T1～T4时间段参数计算模块的三个输入端分别与输入电压采样端、输出电压闭环调节模块的输出端和在线效率实施优化模块的输出端连接，T1～T4时间段参数计算模块用于根据输入电压采样值Vin、输出电压闭环调节值Ver和时间值比例M计算得到输入阶段时间值T1、输入-输出阶段时间值T2、续流阶段时间值T3和钳位阶段时间值T4，其中，T1～T4时间段参数计算模块以乘积或者加法的形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2；
PWM生成模块，用于根据T1～T4时间段参数计算模块输出的输入阶段时间值T1、输入-输出阶段时间值T2、续流阶段时间值T3和钳位阶段时间值T4生成对应的变换器四个开关的通断控制信号。
本发明的有益效果是：
本发明通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入-输出阶段的比例，使得变换器输入输出高效率传输阶段在整个开关周期内的占比最大化，以达到在各种不同工作状况下，变换器都可以达到一个较高的转换效率。本发明控制逻辑简单方便，而且不受变换器的硬件参数偏差的影响，可以实时进行效率优化。
附图说明
图1为四开关Buck-Boost变换器的功率电路。
图2为四开关Buck-Boost变换器的一个开关周期序列。
图3是两种不同时间分配方式下的流经电感L的电流波形图，图3A是第一种时间分配方式下的流经电感L的电流波形图，图3B是第二种时间分配方式下的流经电感L的电流波形图。
图4为本发明的四开关升降变换器的在线实时效率优化控制电路结构的示意图。
图5为在线效率实时优化模块的其中一种实施方式示意图。
图6为在线效率实时优化模块的另一种实施方式示意图。
图7是本发明实施例的四开关升降变换器和传统技术中的四开关升降变换器的波形对比结果示意图，其中，图7A为本发明实施例的四开关升降压变换器的波形图，图7B为现有控制的四开关升降压变换器的波形图。
图8为本发明实施例的电源效率和传统技术的控制电源效率对比曲线图。
图9是本发明实施例的四开关升降变换器的在线实时效率优化控制方法流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
图9是本发明实施例的四开关升降变换器的在线实时效率优化控制方法流程图。本实施例可适用于对四开关升降变换器的实时效率进行优化控制的情况，该方法可以由如图4所示的四开关升降变换器的在线实时效率优化控制装置来执行。
本实施例的在线实时效率优化控制装置可以直接应用于现有技术中的四开关升降变换器。为了便于描述，本实施例仍以传统的四开关升降变换器为控制对象进行方案阐述。在本实施例中，四开关升降压变换器主功率电路400包含第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4，以及一个电感L的电感。电感L的一端连接与第一开关S1和第二开关S2之间，另一端连接与第三开关S3和第四开关S4之间；输入源以电压Vin向转换器输入功率，经过变换器，功率以输出电压Vo传向输出负载。第一开关S1至第四开关S4的通断控制由在线实时效率优化控制装置(变换器控制器)401控制，可选的，变换器控制器401可以是数字控制器(DSP)，微信处理器MCU或者现场可编程逻辑器件FPGA等。
参见图4，从变换器控制器401整体角度来看，变换器控制器401包括第一输入信号端(用于接收主功率电路400的输入电压采样值Vin)和第二输入信号端(用于接收主功率电路400的输出电压采样值Vo)，以及用于输出控制主功率电路400的第一开关S1至第四开关S4的通断控制信号TS1、TS2、TS3、TS4的四个信号输出端。而在其电路内部，四开关升降变换器的在线实时效率优化控制装置401还包括减法器402、输出电压闭环调节模块403、在线效率实施优化模块406、T1～T4时间段参数计算模块404和PWM生成模块405。
(一)减法器402
减法器402，用于进行输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref之间的减法运算，减法器402的输出信号作为输出电压闭环调节模块403的输入信号。
(二)输出电压闭环调节模块403
输出电压闭环调节模块403对输出电压Vo和输出基准值Voref的误差值做比例积分运算，即Ver＝(Kp+Ki/s)×(Voref-Vo)；其中Kp和Ki分别是比例和积分系数常数，具体值可依据四开关升降压变换器的具体工况进行优化设计。
(三)T1～T4时间段参数计算模块404
T1～T4时间段定义参见图2，分别为输入阶段、输入-输出阶段、续流阶段和钳位阶段，对应的时间值分别为T1、T2、T3和T4。T1～T4时间段参数计算模块404的输入信号端包括四开关升降压变换器的输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节模块403的输出值Ver以及在线效率实施优化模块406的实时优化输出值M。T1～T4时间段参数计算模块404的参数计算结果决定了四开关升降压变换器四个阶段在一个开关周期内的占比分配，进而决定变换器的变换效率。T1～T4时间段参数计算模块404优化四开关升降压变换器的效率依据的关键输入端信号是在线效率实施优化模块406的在线效率实时优化模块的输出值M。
T1～T4时间段参数计算模块404计算T1～T4时间段参数的具体计算公式有多种形式，本发明实例的可行方式之一如下：
Figure GDA0003553946920000061
Figure GDA0003553946920000062
Figure GDA0003553946920000063
T4＝Ts-T1-T2-T3 (4)
式(1)～式(4)中，Ver是输出电压闭环调节模块403的输出值；M是在线效率实施优化模块406的输出值；Ts是四开关升降压变换器400的开关周期的时间值。式(1)中T1的计算值和输入电压Vin呈反比，改善变换器的动态响应；T1的值同时和输出电压闭环调节模块403的输出值Ver呈正比，以实现对四开关升降压变换器的输出电压稳压控制。当输出电压Vo跌落时增加T1时间，反之在输出电压Vo升高时，减小T1时间。式(2)中T2时间段的计算值和输入电压Vin和输出电压Vo间的差值呈反比，同时和输出电压闭环调节模块403的输出值Ver呈正比，和在线实时效率优化模块的输出值M呈正比。T3的值由T1、T2及变换器的输入输出电压同时决定，T3对应的续流阶段用于保证电感电流可靠复位。T4由升降变换器的开关周期Ts减去T1、T2、T3时间段后剩余时间。另外需要说明的是，为了便于计算，在本实施例中，T1、T2、T3、T4和Ts均被设置成无量纲的参数。在另一些例子中，也可以直接将其设定成时间参数，相应的，前述公式的计算目标则被修改为各个阶段的持续时长与开关周期Ts的比例值。
由所述式(1)～(4)可以看出，本实施例通过调整T2和T1的比例来实现对变换器效率的优化，具体地，通过调整所述式(2)中T2和T1的比例调系数M来实现对变换器效率的优化。以图3A和图3B为例，图3B中T2时间段周期占比明显小于图3A中的T2时间段占比，由此对应的，相同工况下，图3A中的电感电流有效值要明显小于图3B中的电感电流有效值。一般而言，对于四开关升降压变换器，T2对应的输入-输出阶段的周期占比越长，该变换器整体转换效率就越高。进一步，从图1中的变换器工作模态分析，T2对应的输入-输出阶段，即第一开关S1和第三开关S3同时导通，输入电压经由第一开关S1、电感器L、第三开关S3直接连接至输出，输入能量传递至输出侧路径直接、效率最高。故而，T2对应的输入-输出阶段在一个开关周期内的占比越高，高效率的能量传递时间就越多，对应的升降压变换器的整机转换效率必然越高。需要指出的是，升降压变换器的T3时长受T1和T2时间段时长影响，事实上，T3对应的续流阶段的时长占比由升降压变换器的电感L的磁复位时间决定。通常情况下，T2对应的输入-输出阶段的周期占比越长，电感L的峰值电流就越小，T3对应的续流阶段的周期占比就越小。相应地，T4时间段的周期占比也变小。总结而言，增大T1～T4时间段参数计算模块404的实时优化模块的输出值M，升降压变换器的输入-输出阶段的周期占比时间会增加，进一步T3和T4会减小，该结论可以从图3A和图3B的对比可以明显看出。另一方面，T2对应的输入-输出阶段是升降压变换器输入输出功率传递效率最高的阶段，增加输入-输出阶段的周期占比即意味着提升该变换器的变换效率。
需要指出的是，除了式(1)～(4)的可行的四开关升降压变换器T1～T4时间段参数公式，其他可行的实施方式包括对T1进行调整，例如T1的值仅和输出电压闭环调节模块403的输出值Ver呈正比，如T1＝Ver，或者T1＝Tx+Ver。可行的T2的实施方式也可做类似的调整，例如
Figure GDA0003553946920000071
等。需要指出的是本实施例通过调整T2和T1的比例来实现对变换器效率的优化，采用的比例调整方式不依赖于四开关升降压变换器T1～T4时间段参数的具体计算方式。
另外，式(2)除了将在线效率实时优化模块的输出值M以乘积的形式调整输入-输出阶段的时间值之外，还可以以加法的形式调整输入-输出阶段的时间值，例如，
Figure GDA0003553946920000072
应当理解，这只是其中的一种关于T2的加法形式的计算方式，还可以在M乘以某限定参数后再与前一部分相加来获得T2，T2的取值更多的是取决于四开关升降变压器自身的运行需求。
(四)在线效率实施优化模块406
本实施例通过优化输入-输出阶段的周期占比时间来在线实时优化四开关升降压变换器的效率，输入-输出阶段的周期占比时间调整依据是图4中的在线效率实施优化模块406。在线效率实施优化模块406包括四个信号输入量：第一信号输入量是输出电压闭环调节模块403的输出电压闭环调节器输出值Ver；第二信号输入量是T1～T4时间段参数计算模块404的第四输出量钳位阶段的时间值T4；第三信号输入量是四开关升降压变换器的输出电压采样值Vo；第四信号输入量是四开关升降压变换器的输入电压采样值Vin。需要指出的是，在实际变换器运行过程中，T1～T4时间段参数计算模块404的在线效率优化机制可以设置成仅在稳态进行，优化机制的调节速度相对较慢，以避免对变换器的主控制回路的输出电压闭环调节产生影响。
在线效率实施优化模块406的实施方式有多种，实施方式的核心在于依据第一信号输入量Ver、第二信号输入量T4、第三输入量变换器输出电压采样值Vo以及第四输入量变换器输入电压采样值Vin，识别出当前四开关升降压变换器的电感L的电流状态，以确定T2时间段是否有继续调整的空间，若T2仍有继续增加的空间，则增大M以提高T2时间段的周期占比；若由于T2时间段过大导致输出电压跌落，则减小M以减小T2时间段的周期占比。
下面将结合附图5和附图6对在线效率实施优化模块406的具体实施方式进行说明。
图5为在线效率实时优化模块的其中一种实施方式示意图。该实施方法包括：
500，获取四开关升降压变换器的输出电压Vo、输入电压Vin、该变换器的控制器的输出电压闭环调节器的输出值Ver(即图4的输出电压闭环调节模块403的输出值)。
501，设定输出电压闭环调节模块403的输出阈值上限VerTH；设定的输出阈值上限VerTH一方面标识允许最大的四开关升降压变换器的输入-输出阶段的时间值T2，另一方面也标识着允许的最大输入阶段的时间值T1。需要指出的是，T1的最大值决定着四开关升降压变换器的最大输出功率。输出电压闭环调节模块403的阈值上限VerTH的设定方法灵活，既可以通过查表的形式设定，也可以通过特定的数学表达式。当采用数学表达式时，选用的数学表达式通常情况下需要和四开关升降压变换器的第一时间段T1至第四时间段T4的计算公式对应，示例性地，其中一种可行的优选公式如式(5)所示：
Figure GDA0003553946920000081
502,判断当前输出电压调节器的输出值Ver是否达到设定的阈值VerTH。若输出电压闭环调节模块403的输出值未达到输出阈值上限VerTH，意味着当前四开关升降压变换器未工作在效率最优点，也即时间值T2仍有继续增加的裕量，则执行步骤503，否则执行步骤506。
503，以第一步长缓慢增加在线效率实时优化模块的输出值M，以进一步提高输入-输出阶段的周期占比值，之后执行步骤504。
504，执行步骤503之后，变换器达到新的稳态，重新获取四开关升降压变换器的输出电压Vo、输入电压Vin、该变换器的控制器的输出电压闭环调节模块403的输出值Ver，继续执行步骤505。
505，判断当前四开关变换器的输出电压值Vo是否降低或者变换器的输入电压Vin是否发生变化，若是，则执行步骤501，重新设定阈值VerTH,否则执行步骤502，开始新一轮的调整。
506，若步骤502判断为否，则执行该步；该步以第二步长减小在线实时优化模块的输出值M，以进一步减小输入-输出阶段的周期占比值。需要注意的是，步骤506中的第二步长和步骤503中的第一步长不存在特定的大小关系，例如此处的第一步长和第二步长也可以相等。此外，第一步长和第二步长既可以是固定值，也可以是线性或者非线性的变化值，以实现四开关升降压变换器的高效率工作点的快速调节等。
图6为在线效率实时优化模块的另一种实施方式示意图，该实施方法包括：
600，获取四开关升降压变换器的输出电压Vo、输入电压Vin、变换器的控制器的第四时间段(钳位阶段)的时间值T4。
601，设定四开关升降压变换器的第四时间段的时间值T4的阈值上限T4TH。参见图2，四开关升降压变换器第四阶段，即续流阶段，在该阶段升降压变换器的第二开关S2和第4开关S4开通，电感L的电流在第二开关和第四开关间续流，在钳位阶段，输入电压Vin和输出电压Vo断开，也即在第四阶段，输入不向输出传递能量，这意味着，从升降压变换器的效率角度而言，第四阶段的时间持续时间越短越好，故而阈值上限T4TH应当设置为较低值，通常选取开关周期的5％～10％。
602，判断四开关升降压变换器的钳位阶段的时间值T4是否达到设定的阈值T4TH。若超过设定的阈值T4TH，意味着当前变四开关升降压变换器未工作在效率最优点，也即时间值T2仍有继续增加的裕量，则执行步骤603，否则执行步骤606。
603，以第一步长缓慢增加在线效率实时优化模块的输出值M，以进一步提高输入-输出阶段的周期占比值，之后执行步骤604。
604，执行步骤603之后，变换器达到新的稳态，重新获取四开关升降压变换器的输出电压Vo、输入电压Vin、变换器的控制器的钳位阶段的时间值T4，继续执行步骤605。
605，判断当前四开关变换器的输出电压值Vo是否降低或者变换器的输入电压Vin是否发生变化，若是，则执行步骤601，重新设定阈值T4TH,否则执行步骤602，开始新一轮的调整。
606，若步骤602判断结果为否，则执行该步；该步以第二步长减小在线实时优化模块的输出值M，以进一步减小输入-输出阶段的周期占比值。需要注意的是，步骤606中的第二步长和步骤603中的第一步长不存在特定的大小关系，例如，此处的第一步长和第二步长也可以相等。此外，此处的第一步长和第二步长既可以是固定值，也可以是线性或者非线性的变化值，以实现四开关升降压变换器的高效率工作点的快速调节。
为进一步说明本控制方法提升效率的效果，比较本发明申请的控制方法和现有控制方法在相同工况下的波形，分别如图7A和7B所示。在28V输入电压，36V输出电压的条件下，本发明控制方法电感L的电流的峰值和有效值明显小于现有的常规控制方法。图8进一步给出了在负载0.3A～3.3A的各个负载条件下，本发明实施例的四开关升降压变换器的转换效率和现有技术电源转换效率的对比曲线图，可以看出本发明申请实施例可以有效提升电源转换效率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，所述四开关升降变换器的一个开关周期被依次划分成四个阶段：输入阶段、输入-输出阶段、续流阶段和钳位阶段；在输入阶段，输入电压和地端分别施加在电感两端；在输入-输出阶段，输入电压和输出电压分别施加在电感两端；在续流阶段，输出电压和地端分别施加在电感两端，在钳位阶段，电感电流保持不变；其特征在于，所述控制方法包括：
当四开关升降变换器处于稳态时，通过在线实时调整所述变换器的输入阶段和输入-输出阶段的时间值比例M，使输入-输出阶段的时间值T2在整个开关周期内的占比最大化，并且如果输入-输出阶段的时间值T2占比更大，输出电压有跌落的变化趋势；
其中，输入阶段时间值T1与输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo有关，且其最大值决定四开关升降压变换器的最大输出功率；
依据输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节值Ver和钳位阶段时间值T4，以钳位阶段时间值T4小于等于预设的时长阈值上限T4TH或者输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M。
2.根据权利要求1所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
S1，对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref做减法运算，对运算得到的两者之间的误差值做比例积分运算，得到输出电压闭环调节值Ver，Ver＝(Kp+Ki/s)×(Voref-Vo)，式中，Kp和Ki分别是比例和积分系数常数，与四开关升降压变换器的具体工况相关；
S2，依据输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节值Ver和钳位阶段时间值T4，以钳位阶段时间值T4小于等于预设的时长阈值上限T4TH或者输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M；
S3，以乘积或者加法的形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2。
3.根据权利要求2所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，步骤S2中，以钳位阶段持续时长T4小于预设的时长阈值上限T4TH为优化目标，计算得到时间值比例M的过程包括以下步骤：
S201，判断四开关升降压变换器的钳位阶段时间值T4是否超过设定的时长阈值上限T4TH，如果超过，转入步骤S202，否则，转入步骤S204；
S202，以第一步长增加时间值比例M，以提高输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态；
S203，重新获取输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo和钳位阶段时间值T4，判断当前四开关变换器的输出电压采样值Vo是否降低或者所述变换器的输入电压采样值Vin是否发生变化，如果是，重新设定时长阈值上限T4TH，返回步骤S201，否则，直接返回步骤S201；
S204，以第二步长减小时间值比例M，以减小输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态，返回步骤S201。
4.根据权利要求3所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，所述时长阈值上限T4TH的取值范围为[5％×Ts,10％×Ts]，Ts是开关周期时长。
5.根据权利要求2所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，步骤S2中，以输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M的过程包括以下步骤：
S211，设定输出阈值上限VerTH；
S212，判断输出电压闭环调节值Ver是否达到设定的阈值VerTH，若当未达到时，转入步骤S213，否则转入步骤S215；
S213，以第一步长增加时间值比例M，以提高输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态；
S214，重新获取输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo和输出电压闭环调节值Ver，判断当前四开关变换器的输出电压值Vo是否降低或者所述变换器的输入电压Vin是否发生变化，若是，返回步骤S211，否则返回步骤S212；
S215，以第二步长减小时间值比例M，以减小输入-输出阶段的时间值T2的周期占比值，并使变换器达到新的稳态，返回步骤S212。
6.根据权利要求5所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，步骤S211中，根据下述公式设定输出阈值上限VerTH：
Figure FDA0003553946910000021
7.根据权利要求2所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，步骤S3中，以乘积形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2的过程包括以下步骤：
Figure FDA0003553946910000022
Figure FDA0003553946910000023
Figure FDA0003553946910000024
T4＝Ts-T1-T2-T3
式中，T1是输入阶段时间值，T2是输入-输出阶段时间值，T3是续流阶段时间值，T4是钳位阶段时间值，Ts是一个开关周期取值。
8.根据权利要求2所述的四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制方法，其特征在于，步骤S3中，以加法形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2的过程包括以下步骤：
Figure FDA0003553946910000025
9.一种四开关升降压变换器的在线实时效率优化控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
减法器，用于对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref做减法运算；
输出电压闭环调节模块，其输入端与减法器的输出端连接，用于对输出电压采样值Vo和输出电压基准值Voref两者之间的误差值做比例积分运算，得到输出电压闭环调节值Ver，Ver＝(Kp+Ki/s)×(Voref-Vo)，式中，Kp和Ki分别是比例和积分系数常数，与四开关升降压变换器的具体工况相关；
在线效率实施优化模块，在线效率实施优化模块的四个输入端分别与输出电压闭环调节模块的输出端、输入电压采样端、输出电压采样端和T1～T4时间段参数计算模块的钳位阶段时间值输出端连接，用于依据输入电压采样值Vin、输出电压采样值Vo、输出电压闭环调节值Ver和钳位阶段时间值T4，以钳位阶段时间值T4小于等于预设的时长阈值上限T4TH或者输出电压闭环调节值Ver达到预设的输出阈值上限VerTH为优化目标，计算得到时间值比例M；
T1～T4时间段参数计算模块，T1～T4时间段参数计算模块的三个输入端分别与输入电压采样端、输出电压闭环调节模块的输出端和在线效率实施优化模块的输出端连接，T1～T4时间段参数计算模块用于根据输入电压采样值Vin、输出电压闭环调节值Ver和时间值比例M计算得到输入阶段时间值T1、输入-输出阶段时间值T2、续流阶段时间值T3和钳位阶段时间值T4，其中，T1～T4时间段参数计算模块以乘积或者加法的形式，借由时间值比例M调整输入-输出阶段的持续时长T2；
PWM生成模块，用于根据T1～T4时间段参数计算模块输出的输入阶段时间值T1、输入-输出阶段时间值T2、续流阶段时间值T3和钳位阶段时间值T4生成对应的变换器四个开关的通断控制信号。
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