CN115441737B - 升降压变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种升降压变换器及其控制方法。该升降压变换器包括：升压模块，所述升压模块包括第一电容和第一组开关元件；以及降压模块，所述降压模块包括电感和第二组开关元件，其中，所述升压模块和所述降压模块依次连接在输入端和输出端之间，在二者之间形成第一节点，并且，所述降压模块的电感连接至所述输出端，所述升压模块和所述降压模块按照多种状态协同工作以实现降压模式、升压模式和升降压模式。该升降压变换器采用升压模块和降压模块的级联结构实现多种电压变换模式，其中，降压模块的电感连接至输出端，不仅可以实现直流输出电压的平滑过渡，而且可以减小电压纹波和提高动态响应速度。

Description

升降压变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关变换器，特别涉及升降压变换器及其控制方法。
背景技术
升降压变换器用于将直流输入电压转换为直流输出电压，可以将直流输出电压调节成高于、等于或低于直流输入电压。采用升降压变换器的电子设备可以工作于宽输入电压范围，因此，升降压变换器在电源领域得到了广泛应用。
图1示出根据现有技术的升降压变换器的示意性电路图。升降压变换器100包括四个开关元件、一个电感以及输入电容、输出电容。开关元件Q1和开关元件Q2依次串联连接于输入端和地之间，二者的中间节点为节点SW1。开关元件Q3和开关元件Q4依次串联连接于输出端和地之间，二者的中间节点为节点SW2。电感L连接在节点SW1与节点SW2之间。输入电容Cin连接在输入端与地之间，输出电容Cout连接在输出端与地之间。
对于图1所示的升降压变换器，若输入电压Vin高于输出电压Vout，则该升降压变换器工作于降压（Buck）模式，若输入电压Vin低于输出电压Vout，则该升降压型开关变换器工作于升压（Boost）模式。在降压模式中，开关元件Q4持续保持关断，开关元件Q3持续保持导通，开关元件Q1、开关元件Q2和电感L形成降压拓扑结构，开关元件Q1和Q2在控制信号的控制下以互补方式切换导通状态。在升压模式中，开关元件Q1持续保持导通，开关元件Q2持续保持关断，开关元件Q3、开关元件Q4和电感L形成升压拓扑结构，开关元件Q3和Q4在控制信号的控制下以互补方式切换导通状态。
图2示出图1所示升降压变换器在直流输入电压接近直流输出电压时的工作波形图。其中，Vsw1和Vsw2分别表示节点SW1和SW2的电压，Il表示电感电流，Iq表示流经开关元件Q3的电流。
此时，升降压变换器工作于升降压（Buck-Boost）模式。在升降压模式中，开关元件Q1和Q2在第一控制信号的控制下以互补方式切换导通状态，开关元件Q3和Q4在第二控制信号的控制下以互补方式切换导通状态，第一控制信号和第二控制信号的开关周期彼此相同。开关元件Q1至Q4和电感L形成升降压拓扑结构。电感L的充电阶段是节点SW1为高电平且节点SW2为低电平的第一时间段，放电阶段是节点SW1为低电平且节点SW2为高电平的第二时间段。通过改变第一控制信号和第二信号的占空比，可以改变第一时间段和第二时间段的时间长度，从而控制电能的传输量，进而实现直流输出电压的恒压控制或电压调节。
在升压模式和升降压模式中，开关元件Q3切换导通状态，在开关元件Q3的关断状态下，电感L提供至输出端的电流不连续，不仅在直流输出电压中产生电压纹波，而且不同变换模式之间的电压过渡出现跳变。此外，开关元件Q3的关断状态也会导致输出电流相对于控制信号的占空比变化存在着滞后情况。
因此，现有升降压变换器的优点是转换效率高且调节电压范围宽，但缺点是输出端的电压过渡跳变、电压纹波大且动态响应慢。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供升降压变换器及其控制方法，其中，采用升压模块和降压模块的级联结构实现多种电压变换模式，其中，该降压模块的电感连接至输出端，不仅可以实现直流输出电压的平滑过渡，而且可以减小输出电压纹波和提高动态响应速度。
根据本发明的一方面，提供一种升降压变换器，包括：
升压模块，所述升压模块包括第一电容和第一组开关元件；以及降压模块，所述降压模块包括电感和第二组开关元件，其中，所述升压模块和所述降压模块依次连接在输入端和输出端之间，在二者之间形成第一节点，并且，所述降压模块的电感连接至所述输出端，所述升压模块和所述降压模块按照多种状态协同工作以实现降压模式、升压模式和升降压模式。
可选地，所述升降压变换器，还包括：第二电容，所述第二电容连接在所述输出端与地之间，并且与所述电感连接。
可选地，在所述降压模式的开关周期中，所述第一电容在所述输入端与地之间保持连接。
可选地，所述第二组开关元件根据第二控制信号切换导通状态，从而控制所述电感的充放电过程，以获得与所述第二控制信号的占空比相关的直流输出电压。
可选地，在所述升压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端与所述电感保持连接，第二端在所述输入端和地之间切换。
可选地，所述第一组开关元件根据第一控制信号切换导通状态，从而控制所述第一电容的充放电过程，以获得与所述第一控制信号的占空比相关的直流输出电压。
可选地，在所述升降压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端在所述输入端和所述电感之间切换，第二端在所述输入端和地之间切换。
可选地，所述第一组开关元件根据第一控制信号切换导通状态，所述第二组开关元件根据第二控制信号切换导通状态，从而控制所述第一电容和所述电感的充放电过程，以获得与所述第一控制信号和所述第二控制信号的占空比相关的直流输出电压，所述第一控制信号和所述第二控制信号的开关周期彼此相同。
可选地，所述升降压变换器连续的开关周期中稳态下的直流输出电压如下，
Vout= 2*D1*Vin+D2*Vin，
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D1表示所述第一控制信号的占空比，D2表示所述第二控制信号的占空比。
可选地，所述第一组开关元件包括：
第一开关元件和第二开关元件，串联连接在所述输入端和地之间；以及第三开关元件，连接在所述输入端和所述第一节点之间，其中，所述第一电容连接在第一开关元件和第二开关元件之间的节点和所述第一节点之间。
可选地，所述第一开关元件至所述第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，所述第三开关元件的寄生二极管反向连接在所述第一节点和所述输入端之间。
可选地，所述第一开关元件至所述第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，所述升降压变换器还包括反向连接在所述第一节点和所述输入端之间的附加二极管。
可选地，所述第一开关元件的控制端接收第一控制信号，所述第二开关元件和所述第三开关元件的控制端接收所述第一控制信号的互补信号。
可选地，所述第二组开关元件包括：第四开关元件和第五开关元件，串联连接在所述第一节点和地之间，其中，所述电感连接在所述第四开关元件和所述第五开关元件之间的节点与所述输出端之间。
可选地，所述第四开关元件的控制端接收第二控制信号，所述第五开关元件的控制端接收所述第二控制信号的互补信号。
可选地，所述第一组开关元件和所述第二组开关元件分别是选自场效应晶体管和双极型晶体管的任意一种。
根据本发明的第二方面，提供一种升降压变换器的控制方法，所述升降压变换器包括第一电容和电感，所述控制方法包括：
根据直流输入电压和直流输出电压之间的关系选择变换模式，所述变换模式包括降压模式、升压模式和升降压模式；
根据选定的变换模式控制所述第一电容和所述电感的连接方式以及二者的充放电过程，以获得相应的直流输出电压；
其中，在所述降压模式的开关周期中，所述第一电容保持连接在输入端与地之间，在所述升压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端与所述电感保持连接，第二端在所述输入端和地之间切换，在所述升降压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端在所述输入端和所述电感之间切换，第二端在所述输入端和地之间切换。
可选地，所述升降压变换器还包括第二电容，所述第二电容连接在所述输出端与地之间，并且所述输出端与所述电感连接。
可选地，所述第一电容根据第一控制信号切换充放电状态，所述电感根据第二控制信号切换充放电状态，所述第一控制信号和所述第二控制信号的开关周期彼此相同。
可选地，所述升降压变换器连续的开关周期中稳态下的直流输出电压如下，
Vout= 2*D1*Vin+D2*Vin，
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D1表示所述第一控制信号的占空比，D2表示所述第二控制信号的占空比。
根据本发明实施例的升降压变换器，升压模块和降压模块依次连接在输入端和输出端之间以形成级联结构，升压模块和降压模块按照多种状态协同工作以实现多种电压变换模式。该升降压变换器中的降压模块的电感连接至输出端。在升压模式和升降压模式中，电感的一端电压摆幅为Vin至2*Vin，另一端始终连接至输出端提供直流输出电压，因此，不仅可以实现直流输出电压的平滑过渡，而且可以减小电压纹波和提高动态响应速度。
在优选的实施例中，第一开关元件至第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，升降压变换器还包括反向连接在第一节点和输入端之间的附加二极管。该附加二极管在第一节点的电压为2*Vin时阻断第一节点和输入端的电流路径，使得升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
在优选的实施例中，第一开关元件至第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，第三开关元件的寄生二极管反向连接在第一节点和输入端之间。即使在升压模块中未增加新的二极管，也可以利用第三开关元件的寄生二极管的单向导电特性在第一节点的电压为2*Vin时阻断第一节点和输入端的电流路径，使得升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的升降压变换器的示意性电路图。
图2示出图1所示升降压变换器在直流输入电压接近直流输出电压时的工作波形图。
图3示出了根据本发明第一实施例的升降压变换器的示意性电路图。
图4示出了根据本发明第二实施例的升降压变换器的示意性电路图。
图5a、图5b和图5c分别示出了根据本发明实施例的升降压变换器状态1、状态2和状态3的示意性电路图。
图6a、图6b和图6c分别示出了根据本发明实施例的升降压变换器在降压模式、升压模式及升降压模式下的工作波形图。
图7示出了根据本发明实施例的升降压变换器在直流输入电压高于直流输出电压时的电路仿真结果。
图8示出了根据本发明实施例的升降压变换器在直流输入电压低于直流输出电压时的电路仿真结果。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请中，术语控制信号的“高电平”和“低电平”分别表示将开关元件导通和关断的信号电平。例如，在开关元件为N型场效应晶体管的情形下，控制信号是N型场效应晶体管的栅源电压，控制信号的“高电平”表示栅源电压大于N型场效应晶体管的阈值电压，控制信号的“低电平”表示栅源电压小于N型场效应晶体管的阈值电压。
图3示出了根据本发明第一实施例的升降压变换器的示意性电路图。升降压变换器200在输入端接收直流输入电压Vin，在输出端提供直流输出电压Vout。升降压变换器200包括升压模块210、降压模块220以及输出电容Cout。其中，升压模块210与降压模块220依次连接在输入端和输出端之间，并在二者之间形成节点N1；输出电容Cout连接在输出端与地之间，并且与电感L直接相连。升压模块210包括开关元件Q1至Q3、电容Cf以及二极管D1；降压模块220包括开关元件Q4、Q5以及电感L。
在升降压变换器200中，开关元件Q1和Q2依次串联连接在输入端与地之间；开关元件Q3和二极管D1依次串联连接在输入端与节点N1之间，参见图3，在开关元件Q3为N型场效应晶体管或P型场效应晶体管的情形下，开关元件Q3的源极和漏极之一与输入端相连接，源极和漏极中另一个与二极管D1的正极相连接；二极管D1的负极与节点N1相连；电容Cf连接在开关元件Q1和Q2之间的节点和节点N1之间。开关元件Q4和Q5依次串联连接在节点N1和地之间，开关元件Q4和Q5之间的公共连接点作为节点SW，电感L连接在节点SW与输出端之间。
图4示出了根据本发明第二实施例的升降压变换器的示意性电路图。升降压变换器300在输入端接收直流输入电压Vin，在输出端提供直流输出电压Vout。升降压变换器300包括升压模块310、降压模块320以及输出电容Cout。其中，升压模块310与降压模块320依次连接在输入端和输出端之间，并在二者之间形成节点N1；输出电容Cout连接在输出端与地之间，并且与电感L直接相连。升压模块310包括开关元件Q1至Q3以及电容Cf；降压模块320包括开关元件Q4、Q5以及电感L。
在升降压变换器300中，开关元件Q1和Q2依次串联连接在输入端与地之间；开关元件Q3连接在输入端与节点N1之间，且开关元件Q3的寄生二极管反向连接在第一节点和输入端之间：参见图4，在开关元件Q3为N型场效应晶体管或P型场效应晶体管的情形下，开关元件Q3的源极与输入端相连接，漏极与第一节点N1相连接，相应地，开关元件Q3的寄生二极管的正极与输入端相连接，负极与第一节点N1相连接，使得寄生二极管反向连接在第一节点和输入端之间；电容Cf连接在开关元件Q1和Q2之间的节点和节点N1之间。开关元件Q4和Q5依次串联连接在节点N1和地之间，开关元件Q4和Q5之间的公共连接点作为节点SW，电感L连接在节点SW与输出端之间。
在本发明的实施例中，由于电感L连接至输出端，基于电感电流的连续性，使得流向升降压变压器输出端的输出电容的的电流连续，不仅可以实现直流输出电压的平滑过渡，而且可以减小电压波纹和提高动态相应速度。
在本发明中，开关元件包括选自场效应管和双极型晶体管的任意一种，在本发明的第一实施例和第二实施例中，开关元件例如为N型MOSFET，然而，本发明不限于此。开关元件Q1至Q5的栅极接收控制信号G1至G5。控制信号G1至G5由控制器201产生。为了清楚起见，在图中均未示出用于产生控制信号G1至G5的控制电路。如下文所述，控制电路可以调节控制信号G1至G5的占空比，以改变直流输出电压Vout和直流输入电压Vin之间的比例关系，从而得到期望的直流输出电压Vout。
在升降压变换器的工作期间，随着控制信号G1至G5变化，开关元件Q1至Q5的导通状态相应变化，导致电容Cf和电感L的连接关系不同，从而使本发明的升降压变换器工作于三种不同的工作状态。
如图5a所示，状态1时，开关元件Q2，Q3，Q4导通，Q1，Q5关断，电容Cf连接在输入端和地之间，电感L连接在输入端和输出端之间。
如图5b所示，状态2时，开关元件Q2，Q3，Q5导通，Q1，Q4断开，电容Cf连接在输入端和地之间，电感L连接在输出端和地之间。
如图5c所示，状态3时，开关元件Q1，Q4导通，Q2，Q3，Q5关断，电容Cf和电感L依次串联连接在输入端和输出端之间。
根据输入电压Vin和输出电压Vout之间的关系，控制器201输出周期性变换的控制信号G1至G5，升降压变换器切换于不同的工作状态，使电容Cf和电感L的连接关系及充放电状态发生变化，从而实现升降压变换器多种电压模式变换。
如图6a所示，若输入电压Vin高于输出电压Vout，则升降压变换器工作于降压模式，在降压模式中，开关元件Q1持续保持关断，开关元件Q2和Q3持续保持导通，使电容Cf在输入端与地之间保持连接，输入电压Vin为电容Cf充电，电容Cf电压约等于输入电压Vin。
开关元件Q4、Q5和电感L形成降压模块。以控制信号控制开关元件一次导通和一次关断的时间记作控制信号的一个开关周期T，开关元件Q4由占空比为D2的控制信号控制导通和关断，开关元件Q5在控制信号下以与开关元件Q4互补的方式切换导通状态。当开关元件Q4导通，Q5关断时，升降压变换器工作于状态1，电感L连接在输入端和输出端之间，输入电压Vin为电感L充电，同时经由电感L将电能提供至升降压变换器的输出端，此时，节点N1与节点SW电压相同并等于Vin；当开关元件Q4关断，Q5导通时，升降压变换器工作于状态2，电感L连接在输出端和地之间，电感L放电将电能提供至输出端。
在连续的开关周期中，电感L一端的电压为开关节点电压SW的电压Vsw，电感L另一端的电压为输出电压Vout，根据电感的伏秒平衡原理可以推断出：当开关变换器工作在降压模式下，在连续的开关周期中，升降压变换器在稳态下的输出电压Vout如下式（1）所示，
Vout=D2*Vin （1）
其中，Vin表示输入电压，D2表示开关元件Q4的控制信号的占空比。
根据本发明实施例的开关变换器，作为降压变换器工作，提供与输入电压Vin成比例的输出电压Vout。进一步地，通过调节控制信号的占空比D2可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器在降压模式下可以获得期望的转换比。
如图6b所示，若输入电压Vin低于输出电压Vout，则升降压变换器工作于升压模式，在升压模式中，开关元件Q4持续保持导通，开关元件Q5持续保持关断，使电容Cf的第一端与电感L保持连接，节点N1电压与节点SW电压相同。
开关元件Q1至Q3以及电容Cf形成升压模块，以控制信号控制开关元件一次导通和一次关断的时间记作控制信号的一个开关周期T，开关元件Q1由占空比为D1的控制信号控制导通和关断，在相同的周期内，开关元件Q2和Q3状态一致，并在控制信号下以与开关元件Q1互补的方式切换导通状态。当开关元件Q1关断，Q2和Q3导通时，升降压变换器工作于状态1，电容Cf连接在输入端与地之间，电感L连接在输入端与输出端之间，输入电压Vin为电容Cf和电感L充电，同时经由电感L将电能提供至升降压变换器的输出端，此时，节点N1与节点SW电压等于Vin，电容Cf电压约为Vin；当开关元件Q1导通，Q2和Q3关断时，升降压变换器工作于状态3，电容Cf和电感L依次串联连接在输入端与输出端之间，输入电压Vin为电容Cf和电感L充电，同时电容Cf放电为电感L充电，电能经由电感L提供至升降压变换器的输出端，此时节点N1与节点SW电压等于2*Vin。
在本发明的第一实施例中，由于二极管D1的单向导电特性，使得在节点N1电压为2*Vin时阻断节点N1和输入端的电流路径，使升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
在本发明的第二实施例中，由于开关元件Q3的寄生二极管反向连接在节点N1和输入端之间，即使在升压模块中未增加新的二极管，也可以利用开关元件Q3的寄生二极管的单向导电特性在节点N1电压为2*Vin时阻断节点N1和输入端的电流路径，使得升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
在连续的开关周期中，电感L一端的电压为开关节点电压SW的电压Vsw，电感L另一端的电压为输出电压Vout，根据电感的伏秒平衡原理可以推断出：当开关变换器工作在升压模式下，在连续的开关周期中，变换器在稳态下的输出电压Vout如下式（2）所示，
Vout=（D1+1）*Vin （2）
其中，Vin表示输入电压，D1表示开关元件Q1的控制信号的占空比。
根据本实施例的开关变换器，作为升压变换器工作，提供与输入电压Vin成比例的输出电压Vout。进一步地，通过调节控制信号的占空比D1可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器在升压模式下可以获得期望的转换比。
如图6c所示，若输入电压Vin与输出电压Vout接近或相等，则升降压变换器工作于升降压模式，在升降压模式中，以控制信号控制开关元件Q1一次导通和一次关断的时间记作开关周期T1，并由占空比为D1的控制信号控制导通和关断；在相同的周期内，开关元件Q2和Q3保持状态一致，并在控制信号下以与开关元件Q1互补的方式切换导通状态；开关元件Q4、Q5和电感L形成降压拓扑结构，以控制信号控制开关元件Q4一次导通和一次关断的时间记作开关周期T2，并由占空比为D2的控制信号控制导通和关断；在相同的周期内，开关元件Q5在控制信号下以与开关元件Q4互补的方式切换导通状态；并且，开关元件Q1与Q4的控制信号开关周期T1和T2彼此相同。
在一个开关周期中，例如是，当开关元件Q1和Q4导通，开关元件Q2、Q3和Q5关断时，升降压变换器工作于状态3，电容Cf和电感L依次串联连接在输入端与输出端之间，输入电压Vin为电容Cf和电感L充电，同时电容Cf放电为电感L充电，电能经由电感L提供至升降压变换器的输出端，此时节点N1与节点SW电压相同且等于2*Vin。当开关元件Q1和Q4关断，Q2、Q3和Q5导通时，升降压变换器工作于状态2，电容Cf连接在输入端与地之间，电感L连接在输出端和地之间，电感L放电将电能提供至输出端；当开关元件Q1和Q5关断，Q2、Q3和Q4导通时，升降压变换器工作于状态1，电容Cf连接在输入端与地之间，电感L连接在输入端与输出端之间，输入电压Vin为电容Cf和电感L充电，同时经由电感L将电能提供至升降压变换器的输出端，此时，节点N1与节点SW相同且等于Vin，电容Cf电压约为Vin。
在本发明的第一实施例中，由于二极管D1的单向导电特性，使得在节点N1电压为2*Vin时阻断节点N1和输入端的电流路径，使升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
在本发明的第二实施例中，由于开关元件Q3的寄生二极管反向连接在节点N1和输入端之间，即使在升压模块中未增加新的二极管，也可以利用开关元件Q3的寄生二极管的单向导电特性在节点N1电压为2*Vin时阻断节点N1和输入端的电流路径，使得升压模块正常工作且提高升压模块的电路转换效率。
在连续的开关周期中，电感L一端的电压为开关节点电压SW的电压Vsw，电感L另一端的电压为输出电压Vout，根据电感的伏秒平衡原理可以推断出：当开关变换器工作在升降压模式下，在连续的开关周期中，变换器在稳态下的输出电压Vout如下式（3）所示，
Vout=2*D1*Vin+D2*Vin （3）
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D1表示开关元件Q1的控制信号的占空比，D2表示开关元件Q4的控制信号的占空比。
根据本实施例的开关变换器，作为升降压变换器工作，提供与输入电压Vin成比例的输出电压Vout。进一步地，通过调节控制信号的占空比D1和D2可以获得期望的输出电压。因而，该功率变换器可以获得期望的转换比。并且，通过升降压模式的引入及对占空比D1和/或D2的调节，以实现在开关变换器工作模式切换时输出电压的平滑过渡。
图7及图8示出了根据本发明实施例的升压降压开关变换器，以直流输入电压Vin=3.8V为例，当直流输入电压Vin高于或低于直流输出电压时的电路仿真结果。其中，开关节点电压VSW对应于开关元件的控制信号，且该控制信号的占空比以较小的幅度连续变化。即，图7和图8反应了根据本发明实施例的升降压开关变换器，输出电压随开关控制信号占空比的连续变化而连续变化的情形。
当Vin高于Vout时，如图7所示，开关变换器工作在降压模式，此时，开关变换器的工作状态在状态1和状态2之间切换，使得节点SW处电压VSW在0到Vin（即0V-3.8V）之间摆动。随着Vout逐渐升高，Vout与Vin接近，开关变换器切换至升降压模式，工作状态在状态1、状态2、状态3之间切换，使得节点SW处电压VSW在0到2*Vin（即0V-7.6V）之间摆动。
当Vin低于Vout时，如图8所示，Vout与Vin接近并高于Vin时，开关变换器工作在升降压模式，开关变换器工作状态在状态1、状态2、状态3之间切换，使得节点SW处电压VSW在0到2*Vin（即0V-7.6V）之间摆动；随着Vout升高，Vout明显高于Vin时，开关变换器切换至升压模式，开关变换器工作状态在状态1、状态3之间切换，使得节点SW处电压Vsw在Vin与2*Vin（即3.8V-7.6V）之间摆动。
进一步地，在升压模式和升降压模式中，Vsw电压摆幅均可达到Vin至2*Vin，另一端始终连接至输出端提供直流输出电压，因此，不仅可以实现直流输出电压的平滑过渡，而且可以减小电压纹波和提高动态响应速度。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种升降压变换器，包括：
升压模块，所述升压模块包括第一电容和第一组开关元件；
降压模块，所述降压模块包括电感和第二组开关元件；以及
第二电容，所述第二电容连接在输出端与地之间，
其中，所述升降压变换器根据直流输入电压和直流输出电压之间的关系控制所述第一组开关元件和所述第二组开关元件，使得所述升压模块和所述降压模块按照不同状态协同工作以实现降压模式、升压模式和升降压模式之一，
在所述降压模式、升压模式和升降压模式中的任一模式中，所述升压模块和所述降压模块依次连接在输入端和输出端之间，在二者之间形成第一节点，
在所述降压模式、升压模式和升降压模式中的任一模式中，所述降压模块的电感连接至所述输出端，所述第二电容与所述电感连接。
2.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，在所述降压模式的开关周期中，所述第一电容在所述输入端与地之间保持连接。
3.根据权利要求2所述的升降压变换器，其中，所述第二组开关元件根据第二控制信号切换导通状态，从而控制所述电感的充放电过程，以获得与所述第二控制信号的占空比相关的直流输出电压。
4.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，在所述升压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端与所述电感保持连接，第二端在所述输入端和地之间切换。
5.根据权利要求4所述的升降压变换器，其中，所述第一组开关元件根据第一控制信号切换导通状态，从而控制所述第一电容的充放电过程，以获得与所述第一控制信号的占空比相关的直流输出电压。
6.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，在所述升降压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端在所述输入端和所述电感之间切换，第二端在所述输入端和地之间切换。
7.根据权利要求6所述的升降压变换器，其中，所述第一组开关元件根据第一控制信号切换导通状态，所述第二组开关元件根据第二控制信号切换导通状态，从而控制所述第一电容和所述电感的充放电过程，以获得与所述第一控制信号和所述第二控制信号的占空比相关的直流输出电压，所述第一控制信号和所述第二控制信号的开关周期彼此相同。
8.根据权利要求7所述的升降压变换器，其中，所述升降压变换器连续的开关周期中稳态下的直流输出电压如下，
Vout= 2*D1*Vin+D2*Vin，
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D1表示所述第一控制信号的占空比，D2表示所述第二控制信号的占空比。
9.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，所述第一组开关元件包括：
第一开关元件和第二开关元件，串联连接在所述输入端和地之间；以及
第三开关元件，连接在所述输入端和所述第一节点之间，
其中，所述第一电容连接在第一开关元件和第二开关元件之间的节点和所述第一节点之间。
10.根据权利要求9所述的升降压变换器，其中，所述第一开关元件至所述第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，所述第三开关元件的寄生二极管反向连接在所述第一节点和所述输入端之间。
11.根据权利要求9所述的升降压变换器，其中，所述第一开关元件至所述第三开关元件分别为场效应晶体管，并且，所述升降压变换器还包括反向连接在所述第一节点和所述输入端之间的附加二极管。
12.根据权利要求9所述的升降压变换器，其中，所述第一开关元件的控制端接收第一控制信号，所述第二开关元件和所述第三开关元件的控制端接收所述第一控制信号的互补信号。
13.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，所述第二组开关元件包括：
第四开关元件和第五开关元件，串联连接在所述第一节点和地之间，
其中，所述电感连接在所述第四开关元件和所述第五开关元件之间的节点与所述输出端之间。
14.根据权利要求13所述的升降压变换器，其中，所述第四开关元件的控制端接收第二控制信号，所述第五开关元件的控制端接收所述第二控制信号的互补信号。
15.根据权利要求1所述的升降压变换器，其中，所述第一组开关元件和所述第二组开关元件分别是选自场效应晶体管和双极型晶体管的任意一种。
16.一种升降压变换器的控制方法，所述升降压变换器包括第一电容、第二电容和电感，所述控制方法包括：
根据直流输入电压和直流输出电压之间的关系选择变换模式，所述变换模式包括降压模式、升压模式和升降压模式；
根据选定的变换模式控制所述第一电容和所述电感的连接方式以及二者的充放电过程，以获得相应的直流输出电压，
其中，在所述降压模式的开关周期中，所述第一电容保持连接在输入端与地之间，
在所述升压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端与所述电感保持连接，第二端在所述输入端和地之间切换，
在所述升降压模式的开关周期中，所述第一电容的第一端在所述输入端和所述电感之间切换，第二端在所述输入端和地之间切换，
在所述降压模式、所述升压模式和所述升降压模式中的任一模式中，所述电感连接至输出端，所述第二电容与所述电感连接且连接在所述输出端与地之间。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其中，所述第一电容根据第一控制信号切换充放电状态，所述电感根据第二控制信号切换充放电状态，所述第一控制信号和所述第二控制信号的开关周期彼此相同。
18.根据权利要求16所述的控制方法，其中，所述升降压变换器连续的开关周期中稳态下的直流输出电压如下，
Vout= 2*D1*Vin+D2*Vin，
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D1表示第一控制信号的占空比，D2表示第二控制信号的占空比。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103560666A (zh) * 2013-11-14 2014-02-05 南京集能易新能源技术有限公司 具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法
CN108092513A (zh) * 2017-12-26 2018-05-29 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 直流-直流转换器
CN108352786A (zh) * 2015-09-28 2018-07-31 哈佛大学校长及研究员 用于高压电容式致动器的驱动器
CN109983685A (zh) * 2016-10-20 2019-07-05 思睿逻辑国际半导体有限公司 高效升压转换器
CN110034679A (zh) * 2018-12-28 2019-07-19 北京兴达智联科技有限公司 一种升降压变换器脉宽调压控制的方法
CN110249516A (zh) * 2017-02-03 2019-09-17 哈佛大学校长及研究员 高度集成的高压致动器驱动器
CN111682755A (zh) * 2020-06-09 2020-09-18 杭州艾诺半导体有限公司 混合功率变换器
WO2022062425A1 (zh) * 2020-09-25 2022-03-31 华为数字能源技术有限公司 一种开关电容型直流/直流变换器、开关电源及控制方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9712050B2 (en) * 2014-07-17 2017-07-18 Infineon Technologies Americas Corp. Power converter utilizing a resonant half-bridge and charge pump circuit
CA3056408A1 (en) * 2018-09-20 2020-03-20 Samuel Dylan Webb Zero inductor voltage converter topology with improved switch utilization
CN111181387A (zh) * 2020-01-26 2020-05-19 上海韦孜美电子科技有限公司 一种dc-dc转换器
CN113285596B (zh) * 2021-04-20 2023-02-14 广州金升阳科技有限公司 一种升降压直流变换器及其控制方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103560666A (zh) * 2013-11-14 2014-02-05 南京集能易新能源技术有限公司 具有低纹波的四开关升降压变换器及其控制方法
CN108352786A (zh) * 2015-09-28 2018-07-31 哈佛大学校长及研究员 用于高压电容式致动器的驱动器
CN109983685A (zh) * 2016-10-20 2019-07-05 思睿逻辑国际半导体有限公司 高效升压转换器
CN110249516A (zh) * 2017-02-03 2019-09-17 哈佛大学校长及研究员 高度集成的高压致动器驱动器
CN108092513A (zh) * 2017-12-26 2018-05-29 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 直流-直流转换器
CN110034679A (zh) * 2018-12-28 2019-07-19 北京兴达智联科技有限公司 一种升降压变换器脉宽调压控制的方法
CN111682755A (zh) * 2020-06-09 2020-09-18 杭州艾诺半导体有限公司 混合功率变换器
WO2022062425A1 (zh) * 2020-09-25 2022-03-31 华为数字能源技术有限公司 一种开关电容型直流/直流变换器、开关电源及控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种高效率升降压DC-DC变换器的研究;陈弯等;《辽宁工业大学学报(自然科学版)》;20161215(第06期);第367-370页 *

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