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介绍一种简单的四开关BUCK-BOOST的无缝切换空载方法

2023-3-23 14:10:33

2755 PWM控制 boost电路变换器

　　前言：虽然LT/ADI/ti 等公司的四开关BUCK-BOOST控制器已经大规模量产许久了，各自对VIN和VOUT相等的情况都有很好的解决方法，但是在DSP或MCU中实现他们的控制，还真是有点不容易。
　　主要原因是调制方向的问题，比如说BUCK加占空比是加大输出，当调节到BUCK满占空比后，如果把反馈的控制变量直接给到BOOST的主开关管，那么最大占空比加上去，肯定会有很大的电压和电流超调。因此在模拟IC里面都用到两种调制方法，比如利用上升沿和下降沿两种载波来对BUCK和BOOST两个情况进行占空比调节，这样利用方向相反的逻辑，也可以解决过渡阶段的控制变量切换问题。

　　另外一个问题是在BUCK/BOOST阶段的开关逻辑到功率开关的对应，这样在LT8491里面可以很容易的看到他们的实现方法。

　　在数字环境里面我们也可以参考他们的做法，因此着重点考虑的是如何处理无缝切换的过渡问题，这里我提出一种载波叠层的控制方法，其idea 的来源是我之前学习研究 TNCP 的控制时的学习理解。
　　通过叠层载波方法，可以把 BUCK的 PWM载波放到下层，然后把 BOOST的 PWM载波放置到上层。这样在过渡阶段的时候，当输出电压需从降压区域过渡到升压模式，反馈环会继续增大输出控制量，它对应的 PWM调制波也会继续增大，当与 BUCK的载波比较的调制波，即将增加到接近 1.0 时，就对应到下层载波的最大值了，然后反馈环路继续增大控制量时，调制波对应到载波的上层 1.0～2.0 阶段，这个区域就是 BOOST控制的区域。因此 BOOST的占空比是从小到大开始增大的，可见下图所示：

　　也可以用三角波：

　　仿真运行：CH1 载波，CH2 M1/M2 驱动输出，CH3 M3/M4驱动输出，此时越过下层载波，属于BOOST模式工作。

　　另外为了解决在输入和输出相等阶段的控制问题，此时也可以借鉴LT/ADI/TI大佬们的做法，就是变成 BUCK-BOOST控制方法。所以这里我再提出一个方法，就是把下层载波最大值放到 1.05，相同地也把上层载波的最小值放到 0.95，因此两个区域的 PWM载波就在 0.95～1.05 区域是重合的，可实现对功率开关实现 BUCK-BOOST控制模式。然后再利用叠层载波的物理关系，自然而然地实现两个桥臂 PWM输出自然的存在 180deg 的 phase delay。

　　放大之后：

　　运行波形，由BUCK经过中间区域过渡到BOOST

　　（BUCK-BOOST工作）

　　（BUCK-BOOST工作）
　　在上文简单介绍了叠层载波应用到四开关无缝切换的问题后，就可以应用到拓扑控制上，可以检测输入电流，输出电流，电感电流，然后外行分别控制输入电压，输出电压，输出电流等外环控制量，内环控制电感平均电流值，即可完成拓扑控制：

　　控制：

　　运行测试，BUCK-BOOST变换器能适应各种输出电压，切换过渡无过冲，平稳过渡。

　　小结：通过借鉴 TNPC 中的叠层载波调制方法，十分简单地解决了四开关 BUCK-BOOST控制上在过渡阶段控制量逻辑不对导致的输出过冲问题，然后巧妙的小幅度重叠两个载波，解决了过渡阶段的控制问题。在 DSP/MCU里面的实现后面有时间做个实际测试即可得到数据，谢谢！

原作者：杨帅锅开关电源仿真与实用设计