宽输入范围的四开关Buck-Boost转换器系统的研究与设计

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DC-DC转换器以其输入输出范围宽、效率高等优点,已经成为各种电子设备所依赖的重要器件。随着电子设备的体积小型化,电池的高效利用成为电子设备的新需求,提高效率,延长电子设备的续航时间成为DC-DC转换器的研究趋势。而具有升/降压功能的DC-DC转换器能够在较宽的输入范围内充分利用电池容量,延长电子设备的使用时间,成为了DC-DC转换器研究的新方向,本文正是切合这一技术动向,设计了一款具有宽输入范围的四开关Buck-Boost转换器系统。
  采用传统工作方式的四开关Buck-Boost转换器能够实现输出电压与输入电压同相,但是开关损耗较大,降低了转换器的转换效率。为提高效率,本文设计的四开关Buck-Boost转换器采用多模式控制的新型工作方式来减少开关损耗,根据输入、输出电压的关系,转换器分别工作在Boost模式、过渡模式和Buck模式。另外,利用PWM调制方式在重载时效率高的优点进一步提高转换器的效率,同时采用电流反馈控制模式,提高了系统响应速度、简化了环路补偿电路。
  本文在进行系统设计时,首先,对电流环路的稳定性进行分析,并引入斜坡补偿技术来防止次谐波振荡的发生;同时采用开关网络法对电压环路的功率级进行建模分析,并利用MATLAB对推导出的传递函数的频率响应进行分析,确定系统的稳定性。其次,在系统整体结构框架的设计时,具体设计与分析系统中的关键模块电路,并进行仿真验证;最后,对系统整体的功能特性进行仿真验证与分析,且所有仿真结果满足原设计指标。
  本文设计的四开关Buck-Boost转换器采用0.18μm的BCD工艺进行设计,可实现在36V~6V的宽输入电压范围内,稳定输出12V电压;实现了三种工作模式下的稳定工作和模式间的平滑切换;当负载电流大于1A时,效率基本在90%左右。
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