一种稳定高效的Buck—Boost开关电源的研究

沈琪 汪鑫 罗雪姣

【摘 要】针对宽输入范围电压的移动（独立）电源供电设备，如智能移动终端、便携式医疗设备、微型投影机、光伏供能产品等其它电池供电设备，设计了一种稳定高效的四开关buck-boost变换器的开关电源，与相关同类升降压变换器进行了对比，对四开关buck-boost变换器的工作过程和控制方法作了分析。并结合工程实践，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，作为一款快速无线充电、超级电容供能的电动小车的驱动电源。经实验，该开关电源具有高效率，高稳定性等特点。

【关键词】开关电源；四开关buck-boost变换器；TPS63020；高效率；高稳定性

中图分类号： TM46 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0059-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.027

在科技日新月异的今天，便携式电子产品已广泛应用于人们的生活当中，如智能移动终端、微型医疗设备、掌上投影仪等电池供电设备，其作为移动电源供电的设备对电源电压稳定性、高效率等要求极高。然而，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，工作范围较窄，若电池容量小，则持续工作时间必然很短；若要求持续供能时间长，则必然会增大电池体积，不利于设备的微小化、便携性等设计要求。

为了解决这种设计要求上的冲突，在没有新的供能能源出现之前，我们可以在改变电池工作电压设定的情况下，即增大电池工作电压范围，使电池放电达到2.5V甚至更低水平[5]。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，便可兼顾电池工作时间和电池体积的矛盾。

1 几种基本的升降压变换器的比较

如图1中：（a）反极性斩波和（b）Cuk斩波都是反极性电压输出，应用时只能独立使用，对有公地要求的电路系统使用不便，有局限性；

（a）反极性斩波和（d）Zeta斩波由于都是电源测直接与开关器件相连，工作时存在输入侧电流断续，这样对电网谐波影响严重，不利于前级降压整流环节的无功补偿；

（b）Cuk斩波、（c）Sepic斩波和（d）Zeta斩波都使用两个电感和电容，不利于电路的体积微小化，且相关控制方法和电路参数设定将比较繁琐；

此外，（c）Sepic斬波由于其工作过程中会出现负载侧电流断续的情况，则纹波控制较难，可能难以达到部分恒压电路要求的指标。

2 同步四开关Buck-Boost变换器组成原理和控制模式分析

显然，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，简化电感电容数量，同时使用同步开关管代替续流二极管之后得到的。即：V1、V2和L组成Buck斩波；L、V3和V4组成Boost斩波。

控制方式有多种：

（1）两模式：当Vin≥Vout时，V1和V2互补同步开关工作，V3关断且V4导通，仅以Buck模式工作；当Vin≥Vout时，V4和V3互补同步开关工作，V1导通且V2关断，仅以Boost模式工作。通常Buck模式和Boost模式共用一个调节器，会导致系统的增益带宽减小，从而恶化系统的宽输入电压范围的暂态响应能力。

（2）单模式：V1、V3同开同关，对应的V2、V4同关同开（互补于V1、V3），切换电感连接方向续流，使输出电压保持为正；工作原理和计算方法与基本的Inverting Buck-Boost斩波相同，可称为非反极性Buck-Boost模式。该模式下控制器占空比的调节相对复杂。

（3）三模式：其工作模式切换如图3所示，Buck模式、Boost模式和非反极性Buck-Boost模式。其模式切换原理上和两模式基本相同，只是加入了一个阈值Vth，从而增加一个非反极性Buck-Boost模式，以平滑Buck模式到Boost模式的切换，避免因Vin在Vout附近波动而引发频繁的模式切换，导致Vout可能的不稳定。为了提高电路功率密度，减小开关损耗，该控制方法常采用3种开关频率，控制复杂，不同模式间工作频率不同，切换可能使电路不稳定。

（4）混合单模式：在一个工作周期中Boost模式、Buck模式、电感短路模式（V2、V3同时导通）连续循环工作，工作过程中电感会在Boost储能前段、Buck放电后段和电感短路模式出现电流反向的情况，从而保证输出电压在任何时间均可实现升降压功能。因为加入电感短路模式可有效减少开关损耗，使控制器的开关频率恒定，该方式又称为混合单模式ZVS恒频控制，文献[2]有详细说明。但该模式控制方法复杂，且电感短路模式段必然会造成能量的损失，不利于电路的效率提高。

控制方法还有很多，如：输入电压前馈控制的两模式控制策略，可参阅文献[3]；带输入电压的两模式平均电流（双闭环）控制策略等，可参阅文献[5]。

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，要求设计一个电动小车，通过5W的无线充电器对超级电容充电1分钟，再由超级电容放电驱动小车前行和爬坡，其电动小车驱动即为以Tps63020为核心的高效Buck-Boost开关电源。

Tps63020是一款具有4A开关电流的高效集成开关式的升压/降压转换器，其输入电压范围：1.8V至5.5V；可调节输出电压范围：1.2V至5.5V；效率高达96%；2.4MHz强制固定运行频率同步开关；其控制方式为：带输入电压的两模式平均电流（双闭环）控制策略。此外，该器件采用3mmX4mm封装，可实现100mm2的完整DC/DC解决方案。

由于常规超级电容额定电压为5.5V，且瞬间放电电流能达到4A-10A，结合Tps63020的应用特性，选择典型的输出电压3.3V，来驱动小车电机，且根据其Buck和Boost模式最高电流，设定输出额定电流为2A，其设计电路如图4所示。

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，其中输入输出電容采用ESR值低的钽电容，电感L采用叠层绕线式贴片电感，具体相关参数的计算参见文献[1]的公式。R1和C4构成反馈补偿网络，以改善负载的瞬态响应速度，增加系统稳定性。

经实验测试，对于单只BMT型全封5.5V1F的超级电容储能供电，经本设计的开关变换器驱动电动小车前进可达31m远，爬坡角度可达58度（坡长1m），模块PCB面积不超过2cm2，效果很好，工作稳定。实验说明了Buck-Boost环节的效率高，能耗低，工作范围宽使电容充分放电，且能够持续稳定在3.3V工作，稳定性高。

4 结论

在节约能源和绿色循环的要求日趋强烈的背景下，稳定高效、应用范围宽广的开关电源逐渐成为研究的重点，尤其是在移动电池供电设备、超级电容循环供能设备等新兴设备出现之后，说明此种开关电源的重要性。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，使得其在高效稳定等特点上尤其突出，并以Tps63020为核心设计的3.3V2A升降压开关电源，应用于实际工程实验之中，更能切实反映四开关Buck-Boost变换器的价值所在，目前已有应用于汽车启停系统，电压可达0.8V-55V宽范围输出的案例，相信不久之后，其发展会更快，应用会更广。

【参考文献】

[1]Texas Instruments.Tps63020 technical document[M].Dallas，Texas：Texas Instruments，2017.

[2]李海燕，竺绿园.一种高频高效的四开关Buck-Boost变换器控制策略[J].机电工程，2017，34（11）.

[3]姚川，阮新波，等.双管Buck—Boost变换器的输入电压前馈控制策略[J].中国电机工程学报，2013，33（21）.

[4]颜湘武，王杨，等.双管Buck—Boost变换器的带输入电压前馈双闭环控制策略[J].电力自动化设备，2016，36（10）.

[5]Texas Instruments.LM5175 technical document[M].Dallas，Texas：Texas Instruments，2015.