本发明涉及开关电源领域，特别涉及一种宽压输入软开关升降压电路及其控制方法。
背景技术：
请参考图1，其为公知的升降压电路，输入电压vin可高于、低于和等于输出电压vo，其工作方式为开关管s1和开关管s4同时导通，然后关断后将开关管s2和开关管s3同时导通，如此循环工作，通过调节占空比实现输出电压稳定，但是功率回路的有效电流值大，硬开关，所以损耗大，效率低。
申请号为10/885,827，发明名称为《buck-boostdc-dcswitchingpowerconversion》的美国专利，在图1的电路基础上优化控制方式，请参考图2。
图2为buck-boostdc-dc电源转换器的开关时序图表，buck-boostdc-dc电源转换器通过应用该开关工作时序，使得在相同输出负载下，能降低功率回路的有效电流值，且所有开关管能够实现软开通，开关损耗较低，工作效率较高。
请参考图3-4，图3为buck-boostdc-dc电源转换器工作在降压状态的时序图，图4为buck-boost电源转换器工作在升压状态的时序图。当输入电压vin高于输出电压vo较多时，或者同时负载较轻时，由于输入阶段(即t0至t1时间段)的存在，使得buck-boost电源转换器的功率回路的有效电流值较大，并且由于每个周期开关管s1、s2、s3和s4均需要开关一次，因此导致buck-boost电源转换器的工作效率不高；同理，当输入电压vin低于输出电压vo较多，或者同时负载较轻时，由于输出阶段(即t4至t5时间段)的存在，使得buck-boost电源转换器的功率回路的有效电流值较大，并且由于每个周期开关管s1、s2、s3和s4均需要开关一次，因此导致buck-boost电源转换器工作效率也不高。
由图3和图4可见，现有的buck-boost电源转换器的控制策略并不适合于输入电压和输出电压相差较大的场景，其会导致工作效率很低。
技术实现要素：
鉴于现有的buck-boost电源转换器的控制方法在输入电压vin与输出电压vo电压差较大时存在的问题，本发明要解决的技术问题是提出一种宽压输入软开关升降压电路及其控制方法，通过多个模式切换，使升降压电路在较宽的输入电压范围实现软开关，且具有较高的工作效率。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种升降压电路的控制方法，用于控制一种升降压电路，升降压电路包括输入电压、输出电压、电源公共地、开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电感以及控制器；开关管q1的漏极作为输入电压的输入端，开关管q1的源极和开关管q2的漏极分别与电感的一端连接，开关管q3的源极和开关管q4的漏极分别与电感的另一端连接，开关管q3的漏极作为输出电压的输出端，开关管q2的源极和开关管q4的源极与电源公共地连接，开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的控制引脚分别与控制器连接；
升降压电路默认工作在模式二，模式二的一个工作循环依序包括：输入阶段、输入输出阶段、输出阶段和钳位阶段；
当输入电压大于输出电压且钳位阶段的时长大于第一预定时长时,控制器控制升降压电路从模式二切换到模式一；
当输入电压大于输出电压且升降压电路的开关频率低于第一预定开关频率时,控制器控制升降压电路从模式一切换到模式二；
当输入电压小于输出电压且钳位阶段的时长大于第二预定时长时,控制器控制升降压电路从模式二切换到模式三；
当输入电压小于输出电压且升降压电路的开关频率低于第二预定开关频率时,控制器控制升降压电路从模式三切换到模式二。
在一个实施例中，模式一的一个工作循环依序包括输入输出阶段、输出阶段和钳位阶段，在输入输出阶段，开关管q1和开关管q3导通，开关管q2和开关管q4关断；在输出阶段，开关管q2和开关管q3导通，开关管q1和开关管q4关断；在钳位阶段，开关管q2和开关管q4导通，开关管q1和开关管q3关断。
在一个实施例中，模式三的一个工作循环依序包括：输入阶段、输入输出阶段和钳位阶段；在输入阶段，开关管q1和开关管q4导通，开关管q2和开关管q3关断；在输入输出阶段，开关管q1和开关管q3导通，开关管q2和开关管q4关断；在钳位阶段，开关管q2和开关管q4导通，开关管q1和开关管q3关断。
在一个实施例中，在模式二中，在输入阶段，开关管q1和开关管q4导通，开关管q2和开关管q3关断；在输入输出阶段，开关管q1和开关管q3导通，开关管q2和开关管q4关断；在输出阶段，开关管q2和开关管q3导通，开关管q1和开关管q4关断；在钳位阶段，开关管q2和开关管q4导通，开关管q1和开关管q3关断。
在一个实施例中，第一预定时长和第二预定时长均为大于零的可调时间长度。
在一个实施例中，第一预定开关频率和第二预定开关频率均为可调开关频率。
在一个实施例中，控制器根据输入电压、输出电压和与输出端连接的负载的大小调节输入阶段、输入输出阶段、输出阶段和钳位阶段的时间长短，其中输入阶段、输出阶段或钳位阶段的时长最小为零。
本发明还提供一种升降压电路，其包括，电压转换电路以及控制器；
电压转换电路，具有用于接收输入电压的输入端、用于提供转换后输出电压的输出端、开关组件以及电感；
控制器，用于根据输入电压、输出电压、电压转换电路的开关频率以及电压转换电路在一个工作周期中钳位阶段的时长控制开关组件，使得电升降压电路在模式一、模式二和模式三之间进行切换；
当输入电压大于输出电压且钳位阶段的时长大于第一预定时长时,控制器控制升降压电路从模式二切换到模式一；
当输入电压大于输出电压且开关频率低于第一预定开关频率时,控制器控制升降压电路从模式一切换到模式二；
当输入电压小于输出电压且钳位阶段的时长大于第二预定时长时,控制器控制升降压电路从模式二切换到模式三；
当输入电压小于输出电压且开关频率低于第二预定开关频率时,控制器控制升降压电路从模式三切换到模式二。
在一个实施例中，开关组件包括开关管q1、开关管q2、开关管q3以及开关管q4；开关管q1的漏极作为输入电压的输入端，开关管q1的源极和开关管q2的漏极分别与电感的一端连接，开关管q3的源极和开关管q4的漏极分别与电感的另一端连接，开关管q3的漏极作为输出电压的输出端，开关管q2的源极和开关管q4的源极与电源公共地连接，开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的控制引脚分别与控制器连接。
本发明再提供一种升降压电路的模式控制方法，其包括：
检测升降压电路的输入电压、输出电压、开关频率以及升降压电路在一个工作周期中钳位阶段的时长；
根据输入电压、输出电压、开关频率以及钳位阶段的时长控制升降压电路在模式一、模式二和模式三之间进行切换；
当输入电压大于输出电压且钳位阶段的时长大于第一预定时长时,控制升降压电路从模式二切换到所述模式一；
当输入电压大于输出电压且开关频率低于第一预定开关频率时,控制升降压电路从模式一切换到所述模式二；
当输入电压小于输出电压且钳位阶段的时长大于第二预定时长时,控制升降压电路从模式二切换到模式三；
当输入电压小于输出电压且开关频率低于第二预定开关频率时,控制升降压电路从模式三切换到模式二。
术语含义说明：
开关管的漏极：对于mos管指的是漏极、对于三极管指的是集电极、对于igbt指的是漏极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举；
开关管的源极：对于mos管指的是源极、对于三极管指的是发射极、对于igbt指的是源极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举；
开关管的控制引脚：对于mos管指的是栅极、对于三极管指的是基极、对于igbt指的是栅极，其它开关管依据本领域的技术人员的知识可以自行对应，不再一一列举。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
可实现所有开关管软开关，在相同输出负载的条件下，控制器根据输入电压与输出电压电压的差值关系以及负载大小，使升降压电路进入不同的工作模式，使电感的有效电流降低，一个周期内的总开关次数降低，从而降低了导通损耗和开关损耗，提升了升降压电路在超宽压输入电压范围下的高效率输出。
附图说明
图1为现有升降压电路原理图；
图2为现有buck-boost电源转换器的开关时序图表；
图3为现有buck-boost电源转换器工作在降压状态的时序图；
图4现有buck-boost电源转换器工作在升压状态的时序图；
图5为本发明的升降压电路原理图；
图6为本发明升降压电路工作于模式二的第一种工作时序图；
图7为本发明升降压电路工作于模式一的工作时序图；
图8为本发明升降压电路工作于模式一的最简工作时序图；
图9为本发明升降压电路工作于模式二的第二种工作时序图；
图10为本发明升降压电路工作于模式三的工作时序图；
图11为本发明升降压电路工作于模式三的最简工作时序图。
具体实施方式
图5为本发明升降压电路原理图，如图5所示，升降压电路，包括电压转换电路和控制器。
所述电压转换电路包括用于接收输入电压vin的输入端、用于产生输出电压vo的输出端、电源公共地gnd、开关组件以及电感l。其中，开关组件由开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4组成，开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4可以是mos管、三极管或igbt等类型的开关管。
开关管q1的漏极作为电压转换电路的输入端，用于连接输入电压vin；开关管q1的源极和开关管q2的漏极分别与电感l的第一端sw1连接；开关管q3的源极和开关管q4的漏极分别与电感l的第二端sw2连接；开关管q3的漏极作为电压转换电路的输出端，用于将输出电压vo输送至负载；开关管q2的源极和开关管q4的源极分别与电源公共地gnd连接。
在本实施例中，开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4分别具有寄生电容coss1、coss2、coss3和coss4。
控制器分别与电感l的第一端sw1和第二端sw2、电压转换电路的输入端、电压转换电路的输出端连接，同时控制器还分别与开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的控制引脚连接。控制器采样输入电压vin、输出电压vo、第一端sw1和第二端sw2的电压和负载的大小，对开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的开通和关断进行控制，进而实现升降压电路的工作模式切换。
将开关管q1和开关管q4导通，开关管q2和开关管q3关断的阶段定义为输入阶段；将开关管q1和开关管q3导通，开关管q2和开关管q4关断的阶段定义为输入输出阶段；将开关管q2和开关管q3导通，开关管q1和开关管q4关断的阶段定义为输出阶段；将开关管q2和开关管q4导通，开关管q1和开关管q3关断的阶段定义为钳位阶段。上述各阶段的时序为：输入阶段在输入输出阶段之前，输入输出阶段在输出阶段之前，输出阶段在钳位阶段之前。
随着负载的增加，控制器会延长输入阶段和输入输出阶段的时长，减小钳位阶段的时长，钳位阶段的时长最小可为零；相反，随着负载的减少，控制器会缩短输入阶段和输入输出阶段的时长，增加钳位阶段的时长。
升降压电路工作于降压状态时，升降压电路模式切换原理具体如下：
默认情况下，升降压电路工作于模式二，图6为本发明升降压电路工作于模式二的第一种工作时序图，升降压电路工作于模式二时，一个工作循环依序包括：输入阶段(t0至t1)、输入输出阶段(t2至t3)、输出阶段(t4至t5)和钳位阶段(t6至t7)。随着负载的增加，钳位阶段的时长最小可为零。
当输入电压vin大于输出电压vo一个较大的阈值电压vth1且负载较轻时，由于输入阶段不但不往输出传递能量还使钳位阶段变长，电感l的有效电流变大，因此当钳位阶段大于一定时长后应该去掉输入阶段，即将输入阶段的时长降为零，去掉输入阶段后，电感l一个周期的电流波形变成图6中虚线所示，从a点到b点再到c点，峰值电流降低，有效电流降低，进而使得导通损耗降低。
也就说，当输入电压vin大于输出电压vo一个较大的阈值电压vth1时，且钳位阶段的时长大于第一预定时长时,控制器会控制升降压电路会从模式二切换到模式一。
请参考图7，图7为本发明升降压电路工作于模式一时的波形及时序图，升降压电路工作于模式一时，在t0时刻之前开关管q1已经导通，t0时刻开关管q3导通，输入输出阶段开始；t1时刻开关管q1关断，输入输出阶段结束，电感l的电流il开始给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t2时刻开关管q2实现软开通，输出阶段开始，然后电感l的电流il相位反向，当电感l在t3时刻的负向电流大小足以在t6时刻实现开关管q1软开通时，开关管q3关断，输出阶段结束，电感l的电流il给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电；t4时刻实现开关管q4的软开通，钳位阶段开始；t5时刻开关管q2关断，钳位阶段结束，电感l的电流il给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t6时刻开关管q4关断，开关管q1实现软开通，输入电压vin和电感l的电流il开始给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电，在t0 t时刻开关管q3实现软开通，下一个工作周期开始，重复上面的过程。
请参考图8，图8为本发明升降压电路工作于模式一的最简状态的工作时序图，在与上述模式一相同的输入电压和输出电压情况下，当负载增加使钳位阶段的时长降为零时，称为模式一的最简状态。
升降压电路工作于模式一的最简状态时，开关管q3一直处于导通状态，开关管q4一直处于关断状态，t0时刻开关管q1导通，输入输出阶段开始；t1时刻开关管q1关断，输入输出阶段结束，电感l的电流il开始给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t2时刻开关管q2实现软开通，输出阶段开始，然后电感l的电流il相位反向，当电感l在t3时刻的负向电流大小足以在t0 t时刻实现开关管q1软开通时，开关管q2关断，输出阶段结束，电感l的电流il给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t0 t时刻开关管q1实现软开通，下一个工作周期开始，重复上面的过程。
与模式二的工作时序相比，由于模式一的最简工作时序不具有输入阶段和钳位阶段，因此使得电感l的峰值电流降低，有效电流降低，所以导通损耗降低，且减少了开关管q3和开关管q4的开关动作，所以降低了开关损耗，总体效率得到了提升。
在与上述模式一的最简状态相同的输入电压和输出电压下，如果负载再进一步增加，开关频率将会降低较大，当开关频率低于第一预定开关频率时,控制器会控制升降压电路从模式一切换到模式二。也就说，当输入电压大于输出电压且开关频率低于第一预定开关频率时,控制器会控制升降压电路从模式一切换到所模式二。
升降压电路工作于升压状态时，升降压电路模式切换原理具体如下：
请参考图9，图9为本发明升降压电路工作于模式二的第二种工作时序图，当输入电压vin降低到小于输出电压vo一个较大的值vth2且负载较轻时，相对于输入输出阶段，输出阶段只把电感l存储的能量传给负载，而输入输出阶段不但把电感l存储的能量传给负载，而且会把输入的能量传给负载，所以当钳位阶段大于一定时长后应该去掉输出阶段，一个周期中电感l的电流波形变成图9中虚线所示，从a点到b点，到c点，再到d点，峰值电流降低，有效电流降低，所以导通损耗降低。
也就说，当输入电压小于输出电压且钳位阶段的时长大于第二预定时长时,控制器会控制升降压电路从模式二切换到模式三。
请参考图10，图10为升降压电路工作于模式三时的波形及时序图，升降压电路工作于模式三时，在t0时刻之前开关管q4已经导通，t0时刻开关管q1导通，输入阶段开始；t1时刻开关管q4关断，输入阶段结束，电感l的电流il开始给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电；t2时刻开关管q3实现软开通，输入输出阶段开始，然后在电感l的电流相位反向前的t3时刻同时关断开关管q1和开关管q3，输入输出阶段结束，电感l的电流il开始给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t4时刻开关管q2实现软开通，此时电感l的电流il为零，然后电感l的电流il开始给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电；t5时刻实现开关管q4的软开通，钳位阶段开始；t6时刻开关管q2关断，钳位阶段结束，电感l的电流il给开关管q1和开关管q2的寄生电容coss1和coss2充放电；t0 t时刻开关管q1实现软开通，下一个工作周期开始，重复上面的过程。
请参考图11，图11为本发明升降压电路工作于模式三的最简工作时序图，在与上述模式三相同的输入输出电压下，当负载增加使钳位阶段的时长降为零时，称为模式三的最简状态，升降压电路工作于模式三的最简状态时，开关管q1一直处于导通状态，开关管q2一直处于关断状态，t0时刻开关管q4导通，输入阶段开始；t1时刻开关管q4关断，输入阶段结束，电感l的电流il开始给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电；t2时刻开关管q3实现软开通，输入输出阶段开始，然后电感l的电流il相位会反向，当电感l在t3时刻的负向电流大小足以在t0 t时刻实现开关管q4软开通时，开关管q3关断，输入输出阶段结束，电感l的电流il给开关管q3和开关管q4的寄生电容coss3和coss4充放电；在t0 t时刻开关管q4实现软开通，下一个工作周期开始，重复上面的过程。
与模式二的第二种工作时序相比，由于模式三的最简状态的工作时序不具有输出阶段和钳位阶段，电感l的峰值电流降低，有效电流降低，所以导通损耗降低，且减少了开关管q1和开关管q2的开关动作，所以降低了开关损耗，总体效率得到了提升。
在与上述模式三的最简状态相同的输入输出电压下，如果负载再进一步增加，开关频率将会降低较大，当开关频率低于第二预定开关频率时,控制器会控制升降压电路从模式三的最简状态切换到模式二。也就说，当输入电压小于输出电压且开关频率低于第二预定开关频率时,控制器会控制升降压电路从模式三的最简状态切换到模式二。
上述实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干等同替换、改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种升降压电路的控制方法，用于控制一种升降压电路，所述升降压电路包括输入电压、输出电压、电源公共地、开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、电感以及控制器；所述开关管q1的漏极作为输入电压的输入端，所述开关管q1的源极和所述开关管q2的漏极分别与所述电感的一端连接，所述开关管q3的源极和所述开关管q4的漏极分别与所述电感的另一端连接，所述开关管q3的漏极作为输出电压的输出端，所述开关管q2的源极和所述开关管q4的源极与电源公共地连接，所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3和所述开关管q4的控制引脚分别与所述控制器连接；其特征在于，
所述升降压电路默认工作在模式二，所述模式二的一个工作循环依序包括：输入阶段、输入输出阶段、输出阶段和钳位阶段；
当所述输入电压大于所述输出电压且所述钳位阶段的时长大于第一预定时长时,所述控制器控制所述升降压电路从模式二切换到模式一；
当所述输入电压大于所述输出电压且所述升降压电路的开关频率低于第一预定开关频率时,控制器控制所述升降压电路从模式一切换到模式二；
当所述输入电压小于所述输出电压且所述钳位阶段的时长大于第二预定时长时,所述控制器控制所述升降压电路从模式二切换到模式三；
当所述输入电压小于所述输出电压且所述升降压电路的开关频率低于第二预定开关频率时,控制器控制所述升降压电路从模式三切换到模式二。
2.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：所述模式一的一个工作循环依序包括输入输出阶段、输出阶段和钳位阶段，在所述输入输出阶段，所述开关管q1和所述开关管q3导通，所述开关管q2和所述开关管q4关断；在所述输出阶段，所述开关管q2和所述开关管q3导通，所述开关管q1和所述开关管q4关断；在所述钳位阶段，所述开关管q2和所述开关管q4导通，所述开关管q1和所述开关管q3关断。
3.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：所述模式三的一个工作循环依序包括：输入阶段、输入输出阶段和钳位阶段；在所述输入阶段，所述开关管q1和所述开关管q4导通，所述开关管q2和所述开关管q3关断；在所述输入输出阶段，所述开关管q1和所述开关管q3导通，所述开关管q2和所述开关管q4关断；在所述钳位阶段，所述开关管q2和所述开关管q4导通，所述开关管q1和所述开关管q3关断。
4.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：在所述模式二中，在所述输入阶段，所述开关管q1和所述开关管q4导通，所述开关管q2和所述开关管q3关断；在所述输入输出阶段，所述开关管q1和所述开关管q3导通，所述开关管q2和所述开关管q4关断；在所述输出阶段，所述开关管q2和所述开关管q3导通，所述开关管q1和所述开关管q4关断；在所述钳位阶段，所述开关管q2和所述开关管q4导通，所述开关管q1和所述开关管q3关断。
5.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：所述第一预定时长和所述第二预定时长均为大于零的可调时间长度。
6.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：所述第一预定开关频率和所述第二预定开关频率均为可调开关频率。
7.如权利要求1所述升降压电路的控制方法，其特征在于：所述控制器根据所述输入电压、所述输出电压和与所述输出端连接的负载的大小调节所述输入阶段、所述输入输出阶段、所述输出阶段和所述钳位阶段的时间长短，其中所述输入阶段、所述输出阶段或钳位阶段的时长最小为零。
8.一种升降压电路，其特征在于，包括，电压转换电路以及控制器；
电压转换电路，具有用于接收输入电压的输入端、用于提供转换后输出电压的输出端、开关组件以及电感；
控制器，用于根据所述输入电压、所述输出电压、所述电压转换电路的开关频率以及所述电压转换电路在一个工作周期中钳位阶段的时长控制所述开关组件，使得所述电升降压电路在模式一、模式二和模式三之间进行切换；
当所述输入电压大于输出电压且所述钳位阶段的时长大于第一预定时长时,所述控制器控制所述升降压电路从所述模式二切换到所述模式一；
当所述输入电压大于所述输出电压且所述开关频率低于第一预定开关频率时,所述控制器控制所述升降压电路从所述模式一切换到所述模式二；
当所述输入电压小于输出电压且所述钳位阶段的时长大于第二预定时长时,所述控制器控制所述升降压电路从所述模式二切换到所述模式三；
当所述输入电压小于所述输出电压且所述开关频率低于第二预定开关频率时,所述控制器控制所述升降压电路从所述模式三切换到所述模式二。
9.如权利要求8所述电源转换器，其特征在于：所述开关组件包括开关管q1、开关管q2、开关管q3以及开关管q4；所述开关管q1的漏极作为输入电压的输入端，所述开关管q1的源极和所述开关管q2的漏极分别与所述电感的一端连接，所述开关管q3的源极和所述开关管q4的漏极分别与所述电感的另一端连接，所述开关管q3的漏极作为输出电压的输出端，所述开关管q2的源极和所述开关管q4的源极与所述电源公共地连接，所述开关管q1、所述开关管q2、所述开关管q3和所述开关管q4的控制引脚分别与所述控制器连接。
10.一种升降压电路的模式控制方法，其特征在于，包括：
检测升降压电路的输入电压、输出电压、开关频率以及所述升降压电路在一个工作周期中钳位阶段的时长；
根据所述输入电压、所述输出电压、所述开关频率以及所述钳位阶段的时长控制所述升降压电路在模式一、模式二和模式三之间进行切换；
当所述输入电压大于所述输出电压且所述钳位阶段的时长大于第一预定时长时,控制所述升降压电路从所述模式二切换到所述模式一；
当所述输入电压大于所述输出电压且所述开关频率低于第一预定开关频率时,控制所述升降压电路从所述模式一切换到所述模式二；
当所述输入电压小于所述输出电压且所述钳位阶段的时长大于第二预定时长时,控制所述升降压电路从所述模式二切换到所述模式三；
当所述输入电压小于所述输出电压且所述开关频率低于第二预定开关频率时,控制所述升降压电路从所述模式三切换到所述模式二。
技术总结