Science&TechnologyVision科技视界一种稳定高效的Buck-Boost开关电源的研究沈琪汪鑫罗雪姣渊武汉晴川学院电子信息与机电工程学院袁湖北武汉430204冤揖摘要铱针对宽输入范围电压的移动渊独立冤电源供电设备袁如智能移动终端尧便携式医疗设备尧微型投影机尧光伏供能产品等其它电池供电设备袁设计了一种稳定高效的四开关buck-boost变换器的开关电源袁与相关同类升降压变换器进行了对比袁对四开关buck-boost变换器的工作过程和控制方法作了分析遥并结合工程实践袁以一款控制器--TPS63020为核心设计了一种稳定高效的buck-boost开关电源袁作为一款快速无线充电尧超级电容供能的电动小车的驱动电源遥经实验袁该开关电源具有高效率袁高稳定性等特点遥揖关键词铱开关电源曰四开关buck-boost变换器曰TPS63020曰高效率曰高稳定性中图分类号院TM46文献标识码院ADOI院10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.027在科技日新月异的今天袁便携式电子产品已广泛应用于人们的生活当中袁如智能移动终端尧微型医疗设备尧掌上投影仪等电池供电设备袁其作为移动电源供电的设备对电源电压稳定性尧高效率等要求极高遥然而袁普通的单节锂离子电池工作电压范围常被设定在4.2V-3.7V之间袁工作范围较窄袁若电池容量小袁则持续工作时间必然很短曰若要求持续供能时间长袁则必然会增大电池体积袁不利于设备的微小化尧便携性等设计要求遥为了解决这种设计要求上的冲突袁在没有新的供能能源出现之前袁我们可以在改变电池工作电压设定的情况下袁即增大电池工作电压范围袁使电池放电达到2.5V甚至更低水平[5]遥再使用一种宽输入电压范围的高效升降压开关电源稳定供电袁便可兼顾电池工作时间和电池体积的矛盾遥文章编号院2095-2457渊2018冤27-0059-002接与开关器件相连袁工作时存在输入侧电流断续袁这样对电网谐波影响严重袁不利于前级降压整流环节的无功补偿曰渊b冤Cuk斩波尧渊c冤Sepic斩波和渊d冤Zeta斩波都使用两个电感和电容袁不利于电路的体积微小化袁且相关控制方法和电路参数设定将比较繁琐曰此外袁渊c冤Sepic斩波由于其工作过程中会出现负载侧电流断续的情况袁则纹波控制较难袁可能难以达到部分恒压电路要求的指标遥2同步四开关Buck-Boost变换器组成原理和控制模式分析1几种基本的升降压变换器的比较图2简化型Buck尧Boost串级式变换器图1几种基本的升降压变换器电路图如图1中院渊a冤反极性斩波和渊b冤Cuk斩波都是反极性电压输出袁应用时只能独立使用袁对有公地要求的电路系统使用不便袁有局限性曰渊a冤反极性斩波和渊d冤Zeta斩波由于都是电源测直显然袁图2中的Buck-Boost斩波电路实际上是由buck斩波和boost斩波串级连接袁简化电感电容数量袁同时使用同步开关管代替续流二极管之后得到的遥即院V1尧V2和L组成Buck斩波曰L尧V3和V4组成Boost斩波遥控制方式有多种院渊1冤两模式院当Vin逸Vout时袁V1和V2互补同步开关工作袁V3关断且V4导通袁仅以Buck模式工作曰当Vin逸Vout时袁V4和V3互补同步开关工作袁V1导通且V2关断袁仅以Boost模式工作遥通常Buck模式和Boost模式共用一个调节器袁会导致系统的增益带宽减小袁从而恶化系统的宽输入电压范围的暂态响应能力遥渊2冤单模式院V1尧V3同开同关袁对应的V2尧V4同关同开渊互补于V1尧V3冤袁切换电感连接方向续流袁使输出电压保持为正曰工作原理和计算方法与基本的淫基金项目院湖北省教育厅科学研究计划指导性项目院多协议快充技术的移动电源研发与设计渊B2017412冤遥Science&TechnologyVision科技视界59Science&TechnologyVision科技视界InvertingBoost式尧Boost渊模3冤式Buck三遥模模该-Boost式式模和院非其式斩波相同袁可称为非反极性Buck-反工下极作控制性模器式占空比的调节相对复杂遥Buck切-换Boost如图模3式所遥示其袁Buck模式模切换Vth原理上和两模式基本相同袁只是加入了一个阈Buck袁从近波动模而而式增引到加一个非反极性Buck-Boost模式袁以平值滑发Boost频繁模的式模的式切切换换袁袁导避致免因VoutVin可在能Vout的不附稳定遥为了提高电路功率密度袁减小开关损耗袁该控制方法常采用3种开关频率袁控制复杂袁不同模式间工作频率不同袁切换可能使电路不稳定遥图3三模式控制的切换过程Buck渊4冤混合单模式院在一个工作周期中Boost模工作袁模工式作尧电过感程短中路电模感式会渊在V2Boost尧V3储同能时前导段通尧冤Buck连续循式放环尧电后段和电感短路模式出现电流反向的情况袁从而保证输出电压在任何时间均可实现升降压功能遥因为加入电感短路模式可有效减少开关损耗袁使控制器的开关频率恒定袁该方式又称为混合单模式ZVS恒频控制袁文献[2]有详细说明遥但该模式控制方法复杂袁且电感短路模式段必然会造成能量的损失袁不利于电路的效率提高遥控制方法还有很多袁如院输入电压前馈控制的两模式控制策略袁可参阅文献[3]曰带输入电压的两模式平均电流渊双闭环冤控制策略等袁可参阅文献[5]遥3以Tps63020为核心的Buck-Boost开关电源的设计本设计来源于2018年TI杯全国大学生电子设计竞赛题C-无线充电电动小车袁要求设计一个电动小车袁通过5W的无线充电器对超级电容充电1分钟袁再由超级电容放电驱动小车前行和爬坡袁其电动小车驱动即为以Tps63020为核心的高效Buck-Boost开关电源遥式5.的Tps63020升压/降是压一转款换具器有袁4A其开输关入电流的高效集成开关965V式%为曰曰院2.可带4MHz调节输输入电强压制出的固电两定压模运范式行围平频院1.均率2V电电同至压流步渊开5.范双关5V围院1.8V至闭曰曰效环其率冤控高控制达制方策略遥此外袁该器件采用3mmX4mm封装袁可实现100mm2的完整DC/DC解决方案遥由于常规超级电容额定电压为5.5V袁且瞬间放电电流能达到4A-10A袁结合Tps63020的应用特性袁选择60科技视界Science&TechnologyVision典Buck型的输出电压3.3V袁来驱动小车电机袁且根据其其设计和电Boost路如模图式4最所高示电遥流袁设定输出额定电流为2A袁图43.3V2A输出的Buck-Boost开关电源电路图图4电路中的电阻电容元件全部是采用贴片式封装的元件袁其中输入输出电容采用ESR值低的钽电容袁电感L采用叠层绕线式贴片电感袁具体相关参数的计算参见文献[1]的公式遥R1和C4构成反馈补偿网络袁以改善负载的瞬态响应速度袁增加系统稳定性遥经实验测试袁对于单只BMT型全封5.5V1F的超级电容储能供电袁经本设计的开关变换器驱动电动小车前进可达31m远袁爬坡角度可达58度渊坡长1m冤袁模块PCB面积不超过2cm2明了Buck-Boost环节的效袁效率果高很袁好能袁耗工低作袁稳工定作遥实范验围说宽使电容充分放电袁且能够持续稳定在3.3V工作袁稳定性高遥4结论在节约能源和绿色循环的要求日趋强烈的背景下袁稳定高效尧应用范围宽广的开关电源逐渐成为研究的重点袁尤其是在移动电池供电设备尧超级电容循环供能设备等新兴设备出现之后袁说明此种开关电源的重要性遥本文提出的四开关Buck-Boost变换器及两模式平均电流控制策略袁使得其在高效稳定等特点上尤其突出袁并以Tps63020为核心设计的3.3V2A升降压开关电源袁应用于实际工程实验之中袁更能切实反映四开关Buck-Boost变换器的价值所在袁目前已有应用于汽车启停系统袁电压可达0.8V-55V宽范围输出的案例袁相信不久之后袁其发展会更快袁应用会更广遥咱揖参考文献铱Texas1暂TexasInstruments援Tps63020technicaldocument[M]咱换2咱器暂李院Texas海燕袁Instruments竺绿园援一袁2017.援Dallas袁种高频高效的四开关Buck-Boost变前3咱馈暂姚控控川制策略[J]援机电工程袁2017,34(11).制袁阮新波袁等援双管Buck要Boost变换器的输入电压压4暂颜湘武策袁略王[J杨]援中袁等国援电双机管工Buck程学要报Boost袁2013变袁换33器(21的).带输入电咱前馈双闭环控制策略[J]援电力自动化设备袁2016,36Texas5暂Texas院TexasInstrumentsInstruments援LM5175袁2015.technicaldocument[M]援(Dallas10).袁
