[发明专利]改进的四开关降压-升压式转换器的恒定关闭时间控制

说明书

一种降压‑升压式转换器包括：串联连接在输入电压端子和地之间的第一高压侧开关和第一低压侧开关；串联连接在输出电压端子和地之间的第二高压侧开关和第二低压侧开关；连接到第一高压侧开关和第一低压侧开关的共同节点与第二高压侧开关和第二低压侧开关的共同节点的电感器；以及被配置为生成栅极驱动信号的控制设备。其中，所述控制设备包括：用于设置第一低压侧开关的关闭时间的第一计时器；用于设置第二高压侧开关的关闭时间的第二计时器；以及用于设置第一高压侧开关的关闭时间和第二低压侧开关的关闭时间的峰值电流模式控制装置。

技术领域

本发明涉及功率转换器。

背景技术

随着电子装置朝便携式和移动式发展，电池成为了主要的电力来源。然而，由于电池的特性，电池组的输出电压可能会在充满电的状态和完全耗尽的状态之间的广泛范围内变化。取决于电池的状态，充电电压可能高于或低于电池电压。

另外，随着C型USB(USB-C)开始渗透到主流市场，来自UBS端口的电压不再固定为5V，而是可能会在介于3.5V和20V之间的广泛范围内变化。与此同时，连接到此种类型的USB端口的下游装置可能仍然需要大体上约为5V或接近于3.5V到20V的中间值的电压。

在所有这些情形中，电子装置的功率转换器的输入电压和输出电压可能会在正常操作期间交叉。传统的降压(步降式)转换器或升压(步升式)转换器可能只能以分别高于或低于输出电压的输入电压工作。因此，四开关降压-升压式转换器因为它对于输入和输出电压范围的灵活性而成为选择。

图1中示出降压-升压式转换器的传统控制方法。在降压-升压式转换器中，在每个切换循环中，所有四个开关打开和关闭一次。并且，输入电源的能量不直接传递到输出端。而是需要储存在电感器中，然后再传给输出端。因此，传统降压-升压式转换器的效率较低。此外，传统降压-升压式转换器因为需要高额定电流装置而具有高成本。在控制四开关降压-升压式转换器时还利用基于峰值电流模式(PCM)或电压模式(VM)控制的其它控制方法。但是，所有这些控制方法都利用时钟信号，基于固定频率控制的方式来确定四个开关的时序。

因此，迫切需要新的方法来控制四开关降压-升压式转换器。

发明内容

在具体实施例中，一种控制方案可在各种操作状况下实现快速瞬态响应并提高四开关降压-升压式转换器的性能。

根据本发明的各种示例，系统和方法通过以恒定关闭时间(COT)控制和峰值电流模式(PCM)控制的组合管理四开关降压-升压式转换器来对上述问题提供解决方案。利用COT控制，四开关降压-升压式转换器可在输入电压变化时在降压模式、降压-升压模式和升压模式之间自动且平稳地转变。在一些实例中，通过对电感器电流进行PCM控制，四开关降压-升压式转换器只需简单的、低功耗且稳健的系统控制回路补偿，并且因此消除振荡器和斜率补偿电路的需要。利用PCM控制来确定四开关降压-升压式转换器的开关的关闭计时。系统控制回路补偿可提供逐个循环电流限制功能以便保护转换器和负载免受过载电流造成的损坏。

在一些实例中，通过利用峰值电流信息的关闭时间计算电路来确定四开关降压-升压式转换器的开关的计时。因此，本发明消除了常规四开关降压-升压式转换器中对固定时钟信号的需要。

在一些实例中，利用COT控制，四开关降压-升压式转换器可从脉冲宽度调制(PWM)自动转变为脉冲频率调制(PFM)。因此，四开关降压-升压式转换器不需要对于PCM控制所需的斜率补偿，并且因此大大简化了控制电路和电流消耗。在一些实例中，利用PCM控制，可通过将电感器和输出电容器的输出双极缩减为单极响应来进一步简化系统控制回路补偿。