一種穩(wěn)定高效的Buck—Boost開關(guān)電源的研究

沈琪 汪鑫 羅雪姣

【摘 要】針對寬輸入范圍電壓的移動（獨(dú)立）電源供電設(shè)備，如智能移動終端、便攜式醫(yī)療設(shè)備、微型投影機(jī)、光伏供能產(chǎn)品等其它電池供電設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定高效的四開關(guān)buck-boost變換器的開關(guān)電源，與相關(guān)同類升降壓變換器進(jìn)行了對比，對四開關(guān)buck-boost變換器的工作過程和控制方法作了分析。并結(jié)合工程實(shí)踐，以一款控制器--TPS63020為核心設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定高效的buck-boost開關(guān)電源，作為一款快速無線充電、超級電容供能的電動小車的驅(qū)動電源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該開關(guān)電源具有高效率，高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源；四開關(guān)buck-boost變換器；TPS63020；高效率；高穩(wěn)定性

中圖分類號： TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0059-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.027

在科技日新月異的今天，便攜式電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于人們的生活當(dāng)中，如智能移動終端、微型醫(yī)療設(shè)備、掌上投影儀等電池供電設(shè)備，其作為移動電源供電的設(shè)備對電源電壓穩(wěn)定性、高效率等要求極高。然而，普通的單節(jié)鋰離子電池工作電壓范圍常被設(shè)定在4.2V-3.7V之間，工作范圍較窄，若電池容量小，則持續(xù)工作時(shí)間必然很短；若要求持續(xù)供能時(shí)間長，則必然會增大電池體積，不利于設(shè)備的微小化、便攜性等設(shè)計(jì)要求。

為了解決這種設(shè)計(jì)要求上的沖突，在沒有新的供能能源出現(xiàn)之前，我們可以在改變電池工作電壓設(shè)定的情況下，即增大電池工作電壓范圍，使電池放電達(dá)到2.5V甚至更低水平[5]。再使用一種寬輸入電壓范圍的高效升降壓開關(guān)電源穩(wěn)定供電，便可兼顧電池工作時(shí)間和電池體積的矛盾。

1 幾種基本的升降壓變換器的比較

如圖1中：（a）反極性斬波和（b）Cuk斬波都是反極性電壓輸出，應(yīng)用時(shí)只能獨(dú)立使用，對有公地要求的電路系統(tǒng)使用不便，有局限性；

（a）反極性斬波和（d）Zeta斬波由于都是電源測直接與開關(guān)器件相連，工作時(shí)存在輸入側(cè)電流斷續(xù)，這樣對電網(wǎng)諧波影響嚴(yán)重，不利于前級降壓整流環(huán)節(jié)的無功補(bǔ)償；

（b）Cuk斬波、（c）Sepic斬波和（d）Zeta斬波都使用兩個(gè)電感和電容，不利于電路的體積微小化，且相關(guān)控制方法和電路參數(shù)設(shè)定將比較繁瑣；

此外，（c）Sepic斬波由于其工作過程中會出現(xiàn)負(fù)載側(cè)電流斷續(xù)的情況，則紋波控制較難，可能難以達(dá)到部分恒壓電路要求的指標(biāo)。

2 同步四開關(guān)Buck-Boost變換器組成原理和控制模式分析

顯然，圖2中的Buck-Boost斬波電路實(shí)際上是由buck斬波和boost斬波串級連接，簡化電感電容數(shù)量，同時(shí)使用同步開關(guān)管代替續(xù)流二極管之后得到的。即：V1、V2和L組成Buck斬波；L、V3和V4組成Boost斬波。

控制方式有多種：

（1）兩模式：當(dāng)Vin≥Vout時(shí)，V1和V2互補(bǔ)同步開關(guān)工作，V3關(guān)斷且V4導(dǎo)通，僅以Buck模式工作；當(dāng)Vin≥Vout時(shí)，V4和V3互補(bǔ)同步開關(guān)工作，V1導(dǎo)通且V2關(guān)斷，僅以Boost模式工作。通常Buck模式和Boost模式共用一個(gè)調(diào)節(jié)器，會導(dǎo)致系統(tǒng)的增益帶寬減小，從而惡化系統(tǒng)的寬輸入電壓范圍的暫態(tài)響應(yīng)能力。

（2）單模式：V1、V3同開同關(guān)，對應(yīng)的V2、V4同關(guān)同開（互補(bǔ)于V1、V3），切換電感連接方向續(xù)流，使輸出電壓保持為正；工作原理和計(jì)算方法與基本的Inverting Buck-Boost斬波相同，可稱為非反極性Buck-Boost模式。該模式下控制器占空比的調(diào)節(jié)相對復(fù)雜。

（3）三模式：其工作模式切換如圖3所示，Buck模式、Boost模式和非反極性Buck-Boost模式。其模式切換原理上和兩模式基本相同，只是加入了一個(gè)閾值Vth，從而增加一個(gè)非反極性Buck-Boost模式，以平滑Buck模式到Boost模式的切換，避免因Vin在Vout附近波動而引發(fā)頻繁的模式切換，導(dǎo)致Vout可能的不穩(wěn)定。為了提高電路功率密度，減小開關(guān)損耗，該控制方法常采用3種開關(guān)頻率，控制復(fù)雜，不同模式間工作頻率不同，切換可能使電路不穩(wěn)定。

（4）混合單模式：在一個(gè)工作周期中Boost模式、Buck模式、電感短路模式（V2、V3同時(shí)導(dǎo)通）連續(xù)循環(huán)工作，工作過程中電感會在Boost儲能前段、Buck放電后段和電感短路模式出現(xiàn)電流反向的情況，從而保證輸出電壓在任何時(shí)間均可實(shí)現(xiàn)升降壓功能。因?yàn)榧尤腚姼卸搪纺Ｊ娇捎行p少開關(guān)損耗，使控制器的開關(guān)頻率恒定，該方式又稱為混合單模式ZVS恒頻控制，文獻(xiàn)[2]有詳細(xì)說明。但該模式控制方法復(fù)雜，且電感短路模式段必然會造成能量的損失，不利于電路的效率提高。

控制方法還有很多，如：輸入電壓前饋控制的兩模式控制策略，可參閱文獻(xiàn)[3]；帶輸入電壓的兩模式平均電流（雙閉環(huán)）控制策略等，可參閱文獻(xiàn)[5]。

3 以Tps63020為核心的Buck-Boost開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)來源于2018年TI杯全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽題C-無線充電電動小車，要求設(shè)計(jì)一個(gè)電動小車，通過5W的無線充電器對超級電容充電1分鐘，再由超級電容放電驅(qū)動小車前行和爬坡，其電動小車驅(qū)動即為以Tps63020為核心的高效Buck-Boost開關(guān)電源。

Tps63020是一款具有4A開關(guān)電流的高效集成開關(guān)式的升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍：1.8V至5.5V；可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍：1.2V至5.5V；效率高達(dá)96%；2.4MHz強(qiáng)制固定運(yùn)行頻率同步開關(guān)；其控制方式為：帶輸入電壓的兩模式平均電流（雙閉環(huán)）控制策略。此外，該器件采用3mmX4mm封裝，可實(shí)現(xiàn)100mm2的完整DC/DC解決方案。

由于常規(guī)超級電容額定電壓為5.5V，且瞬間放電電流能達(dá)到4A-10A，結(jié)合Tps63020的應(yīng)用特性，選擇典型的輸出電壓3.3V，來驅(qū)動小車電機(jī)，且根據(jù)其Buck和Boost模式最高電流，設(shè)定輸出額定電流為2A，其設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4電路中的電阻電容元件全部是采用貼片式封裝的元件，其中輸入輸出電容采用ESR值低的鉭電容，電感L采用疊層繞線式貼片電感，具體相關(guān)參數(shù)的計(jì)算參見文獻(xiàn)[1]的公式。R1和C4構(gòu)成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，對于單只BMT型全封5.5V1F的超級電容儲能供電，經(jīng)本設(shè)計(jì)的開關(guān)變換器驅(qū)動電動小車前進(jìn)可達(dá)31m遠(yuǎn)，爬坡角度可達(dá)58度（坡長1m），模塊PCB面積不超過2cm2，效果很好，工作穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)說明了Buck-Boost環(huán)節(jié)的效率高，能耗低，工作范圍寬使電容充分放電，且能夠持續(xù)穩(wěn)定在3.3V工作，穩(wěn)定性高。

4 結(jié)論

在節(jié)約能源和綠色循環(huán)的要求日趨強(qiáng)烈的背景下，穩(wěn)定高效、應(yīng)用范圍寬廣的開關(guān)電源逐漸成為研究的重點(diǎn)，尤其是在移動電池供電設(shè)備、超級電容循環(huán)供能設(shè)備等新興設(shè)備出現(xiàn)之后，說明此種開關(guān)電源的重要性。本文提出的四開關(guān)Buck-Boost變換器及兩模式平均電流控制策略，使得其在高效穩(wěn)定等特點(diǎn)上尤其突出，并以Tps63020為核心設(shè)計(jì)的3.3V2A升降壓開關(guān)電源，應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)之中，更能切實(shí)反映四開關(guān)Buck-Boost變換器的價(jià)值所在，目前已有應(yīng)用于汽車啟停系統(tǒng)，電壓可達(dá)0.8V-55V寬范圍輸出的案例，相信不久之后，其發(fā)展會更快，應(yīng)用會更廣。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]顏湘武，王楊，等.雙管Buck—Boost變換器的帶輸入電壓前饋雙閉環(huán)控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2016，36（10）.

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