CN102128973A - 一种电压过零检测电路及具有该检测电路的dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公告了一种电压过零检测电路，该电路包括PMOS管m₁、m₂、m₃，NMOS管m₅、m₆、M_s0、M_s1，基准电流源I₀，电阻R₀及一反相器；还可包括一PMOS管m₄和一NMOS管m₇组成的串联支路。本发明还公告了一种具有电压过零检测电路的DC-DC转换器，包括功率管mp、同步整流管mn，电感L、电容C_out，电源电压，反馈控制回路；本发明通过简单的电路平衡了反馈控制回路等逻辑单元的延时，既节省了成本，又提高了可靠性，适用于便携式产品的应用。

Description

一种电压过零检测电路及具有该检测电路的DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及一种模拟集成电路，特别的涉及一种对电路的电流或电压过零点起检测作用的模拟集成电路及其应用。

背景技术

同步整流是采用通态电阻很低的功率MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项技术，能大大提高变换器的转换效率。同步整流DC-DC转换器是一种常用的电源IC，具有输出电流大、转换效率高的优点，是便携式产品的首选供电***之一。

在非连续模式(DCM)下，当同步整流管导通时，此时电感电流线性下降，当电流下降到零时，如果同步整流管依然导通，则输出电容可能通过同步整流管将电流倒灌至地，从而极大程度上降低了电源的转换效率。

同步整流技术的核心问题是同步整流管的驱动问题，即当电流下降到零时，驱动同步整流管关断，从而防止输出电容通过同步整流管将电流倒灌至地，降低电源的转换效率。常用的电流驱动同步整流器通过检测流过同步整流管的电流，确定是否开通还是关断同步整流管，当同步整流管导通且电流从同步整流管的源极流向漏极时，检测功率MOSFET的电流，得到同步整流管的驱动信号；当电流降低为0或反向时，同步整流管关断。因此，同步整流管的过零检测是产生同步整流管驱动信号的决定因素。已有的同步整流管的电压/电流过零检测电路有两种：一种是电阻检测法，即在同步整流管支路上串联一个小电阻，通过检测电阻上的压降来检测电流过零点，由于电阻在电路中会引起损耗，因此电阻需要做的很小，但是这样就会导致检测信号变得很弱，使得控制电路的抗干扰性比较差，而且电阻无论如何都会引入损耗，尤其是在低电压大电流的情况下，这种方法变得很不实用。同时由于该电阻必须外接，使得这种方法的集成很困难。另一种电流过零检测电路方法是电流变压器检测法，即在主电路中引入电流变换器的方法，将电流信号转换成电压信号，再将此电压信号进行处理复杂方法，获得用于控制的电压信号。此方法的缺点是复杂、昂贵、体积大、不易集成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电压过零检测电路及该电路在同步整流DC-DC转换器中的应用，该电压过零检测电路不仅具有可靠的过零检测功能，而且成功地解决了传统的电流检测电路中的可靠性、功耗、集成度等问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种电压过零检测电路，该电路包括PMOS管m₁、m₂、m₃，NMOS管m₅、m₆、M_s0、M_s1，基准电流源I₀，电阻R₀及一反相器，其中，PMOS管m₂与NMOS管m₅、PMOS管m₁和基准电流源I₀分别串联于电源电压端和地之间，PMOS管m₃和NMOS管m₆及电阻R₀串联后的支路一端接电源电压，另一端接NMOS管M_s0和M_s1的漏极，NMOS管M_s0的源极接所述电压过零检测电路的一输入电压V_sw、栅极接一输入控制信号V_ckn；输入控制信号V_ckn经所述反相器后接NMOS管M_s1的栅极、NMOS管M_s1的源极接地；PMOS管m₁、m₂、m₃镜像连接，NMOS管m₅、m₆镜像连接，由NMOS管m₆的漏极得到所述电压过零检测电路的输出控制信号。所述NMOS管M_s0和M_s1为开关管。

所述电阻R₀的阻值可根据所述电压过零检测电路的输出控制信号超前于所述电压过零检测电路输入电压V_sw达到零电压值的时间调节。

该检测电路还包括一PMOS管m₄和一NMOS管m₇组成的串联支路，连接于NMOS管m₆的漏极和所述电压过零检测电路的输出控制信号之间，其中NMOS管m₆的漏极输出至NMOS管m₇的栅极、NMOS管m₇的漏极接所述电压过零检测电路的输出控制信号；且该串联支路一端接电源电压，另一端接地；PMOS管m₄与PMOS管m₃的栅极相连。

本发明还提出了一种电压过零检测电路，该检测电路包括PMOS管m₁、m₂、m₃、m₈、m₉、m₁₀、m₁₂，NMOS管m₅、m₆、M_s0、M_s1，两个相同的基准电流源，电阻R₀及一反相器，其中，PMOS管m₁₂和一基准电流源、PMOS管m₈和PMOS管m₁及另一基准电流源、PMOS管m₉和PMOS管m₂及NMOS管m₅分别串联于电源V_DD和地之间，且PMOS管m₈的栅极接PMOS管m₁的源极，PMOS管m₁₂的栅极漏极相连，NMOS管m₅的栅极漏极相连；PMOS管m₁₀、m₃和NMOS管m₆及电阻R₀串联后的支路一端接电源电压，另一端接NMOS管M_s0和M_s1的漏极，NMOS管M_s0的源极接所述电压过零检测电路的一输入电压V_sw、栅极接一输入控制信号V_ckn；控制信号V_ckn经所述反相器后接NMOS管M_s1的栅极、NMOS管M_s1的源极接地；PMOS管m₁、m₂、m₃、m₁₂的栅极均相连，PMOS管m₈、m₉、m₁₀镜像连接，NMOS管m₅、m₆镜像连接，由NMOS管m₆的漏极得到所述电压过零检测电路的输出控制信号。所述NMOS管M_s0、M_s1为开关管。且所述电阻R₀的阻值可根据所述电压过零检测电路的输出控制信号超前于所述电压过零检测电路输入电压V_sw达到零电压值的时间调节。

所述检测电路还包括PMOS管m₁₁、m₄和NMOS管m₇组成的串联支路，连接于NMOS管m₆的漏极所述电压过零检测电路的输出控制信号之间，其中NMOS管m₆的漏极输出至NMOS管m₇的栅极、NMOS管m₇的漏极接所述电压过零检测电路的输出控制信号；且该串联支路一端接电源电压，另一端接地；PMOS管m₁₁与PMOS管m₁₀镜像连接，PMOS管m₄的栅极与PMOS管m₃的栅极相连。

本发明还提出了一种具有电压过零检测电路的DC-DC转换器，包括功率管mp、同步整流管mn，电感L、电容C_out，电源电压，反馈控制回路，其中，功率管mp和同步整流管mn串联于电源电压和地之间，同步整流管mn的漏极电压V_sw经电感L后的输出电压V_out经电容C_out到地，且该输出电压V_out还输入至反馈控制回路，该反馈控制回路输出两个控制信号V_ckp和V_ckn分别控制功率管mp和同步整流管mn的栅极，该DC-DC转换器还包括上述任一种电压过零检测电路，其中，同步整流管mn的漏极电压作为所述电压过零检测电路的输入电压V_sw，所述反馈控制回路输出的一控制信号V_ckn作为所述电压过零检测电路的输入控制信号，且该电压过零检测电路的输出控制信号输入至所述反馈控制回路。

所述电压过零检测电路的输出控制信号与经所述反馈控制回路后得到的控制信号V_ckn反向。

本发明一种电压过零检测电路应用于DC-DC转换器的有益效果表现在：为防止由于电压过零检测电路输出的控制信号经反馈控制回路时导致的延时对电路的影响，本发明通过简单的电路平衡了反馈控制回路等相关逻辑电路的延时，当电压过零时，本发明所述电压过零检测电路能够及时关闭同步整流管，既节省了成本，又提高了可靠性，防止了输出电容通过同步整流管将电流倒灌至地，从而极大程度上提高了电源的转换效率；另一方面，本发明所述电路结构简单，可有效节省面积，更适用于便携式产品。

附图说明

图1是具有电压过零检测电路的同步整流DC-DC转换器的结构示意图；

图2是本发明现有的过零检测电路中控制信号延时于电压过零点的波形示意图；

图3是本发明实施例一所述的电压过零检测电路的电路结构图；

图4是本发明所述电压过零检测电路输出控制信号经反馈控制回路后的控制信号与输入电压过零点一致时的波形示意图；

图5是本发明实施例二所述的电压过零检测电路的电路结构图；

图6是本发明实施例三所述的电压过零检测电路的结构图；

图7是本发明实施例四所述的电压过零检测电路的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示为带电压过零检测电路的同步整流DC-DC转换器的结构示意图，该结构包括功率管mp，同步整流管mn、电感L、输出电容C、反馈控制回路及本发明所提出的电压过零检测电路，其中，功率管mp和同步整流管mn串联于电源电压和地之间，同步整流管mn的漏极电压V_sw经电感L后的输出电压V_out经电容C_out到地，且该输出电压V_out还输入至反馈控制回路，该反馈控制回路输出两个控制信号V_ckp和V_ckn分别控制功率管mp和同步整流管mn的栅极。同步整流管mn的漏极电压作为所述电压过零检测电路的输入电压V_sw，所述反馈控制回路输出的一控制信号V_ckn作为所述电压过零检测电路的输入控制信号，且该电压过零检测电路的输出控制信号输入至所述反馈控制回路。

当功率管mp导通、同步整流管mn截止时，电源电压对输出电容C_out进行充电，输出电压Vout上升；而当功率管mp截止、同步整流管mn导通时，同步整流管mn对输出进行续流，且续流电流线性减小。在非连续模式(DCM)下，当电压过零检测电路接入电路，同步整流管mn导通时，此时电感L电流线性下降，当电流下降到零时，如果同步整流管mn依然导通，则输出电容C_out可能通过同步整流管mn将电流倒灌至地，从而极大程度上降低了电源的转换效率。

为了防止输出电容通过同步整流管对地放电，本具体实施方式所述DC-DC转换器电路结构中增加了电压过零检测电路，通过检测sw处的电压值来进行判断同步整流管mn的电流方向和大小，当同步整流管mn的电流降到零时，则关闭该同步整流管mn，否则继续导通续流。当功率管mp截止，同步整流管mn导通时，此时同步整流管mn给电感L续流，电流方向为从地到sw，则此时sw的电压小于地电压，即为负电压，当电流降为零时，则此时需要关闭同步整流管mn，使sw点为高阻态，即在电流降为零时，电压过零检测电路输出一个控制信号，用来关闭同步整流管mn。

其中电压过零检测电路可采用常用的比较器单元，但由于反馈控制回路存在一定的延时，导致由比较器单元输出的驱动信号到达同步整流管mn时产生一定的延时，如图2所示，在延时的过程中，电容C_out将通过同步整流管mn倒灌至地，降低电源的转换效率。

本具体实施方式提出了四种电压过零检测电路结构。

实施例一

本实施例一中，电压过零检测电路采用如图3所述电路结构，该结构包括PMOS管m₁、m₂、m₃、m₄，NMOS管m₅、m₆、m₇，开关管m_s0、m_s1，反相器inv、电流源I₀及电阻R₀、电源电压V_DD，以下结合如图1所示的DC-DC转换器说明本实施例所述的电压过零检测电路的连接关系及应用于DC-DC转换器的工作原理：其中，电流源I₀为基准电流源，给放大器提供偏置电流，当V_ckn为高电平时，同步整流管mn导通，给电感L续流，续流方向从地到整流管mn的漏极SW，该漏极SW处的电压输入给由PMOS管m₃、m₄和NMOS管m₆、m₇组成的放大器，其中PMOS管m₃和NMOS管m₆组成第一级放大器，PMOS管m₄和NMOS管m₇组成第二级放大器，由于电流源I₀为基准电流源，本发明中镜像的MOS管尺寸可以相同，也可以成比例，但本实施例以PMOS管m₁、m₂、m₃、m₄尺寸完全相同，及NMOS管m₅、m₆尺寸完全相同为例进行说明，则流过PMOS管m₁、m₂、m₃的电流都为I₀，开关管m_s0、m_s1的导通电阻可以忽略。

如图3所示，第一级放大器为典型的共栅极放大器，其直流电压增益

如式(1)所示：

A_v1＝(g_m6+g_mb6)(r_o3//r_o6)+1    (1)

而第二级放大器为共源级放大器，其直流电压增益如式(2)所示：

A_v2＝g_m7(r_o4//r_o7)    (2)

则两级放大器的总的直流电压增益如式(3)所示：

A_v＝[(g_m6+g_mb6)(r_o3//r_o6)+1]g_m7(r_o4//r_o7)    (3)

从式(3)可得，该两级放大器的增益很大，可以放大很微小的信号。

当V_ckp、V_ckn都为低电平时，功率管mp导通，给输出电容C_out充电，开关管m_s0截止，开关管m_s1导通，此时本实施例一所述电压过零检测电路与同步整流管mn漏极sw没有连接，不影响整个电路；当V_ckn、V_ckp都为高电平时，同步整流管mn导通，开关管m_s0导通，开关管m_s1截止，同步整流管mn给电感续流，方向从地到同步整流管mn漏极sw，则该漏极电压V_sw为负电压，当|V_sw|＞I₀×R₀时，NMOS管m₆的源极电压V₂为负值，导致NMOS管m₆的栅源电压V_gs6变大，根据饱和区的电流公式(4)：

$I_{\mathrm{ds}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2---\left(4\right)$

由公式(4)可知，当NMOS管m6的栅源电压V_gs6变大时，NMOS管m₆的漏源电流增大，但PMOS管m₃的电流由于镜像而恒定，则PMOS管m₃进入线性区，电压V₂为高电平，输出驱动信号V_cn为低电平；则驱动信号V_cn经反馈控制回路后得到的V_ckn仍为高电平，同步整流管mn继续导通；当同步整流管mn续流到满足|V_sw|＝I₀×R₀时，此时电压V₂为零电平，电路处于直流工作点状态；当同步整流管mn继续续流到满足|V_SW|＜I₀×R₀时，则电压V₂为正电压，NMOS管m₆的栅源电压V_gs6变小，根据饱和区的电流公式(4)可知，NMOS管m₆的漏源电流减小，NMOS管m₆进入线性区，电压V₁为低电平，则输出驱动信号V_cn为高电平，经反馈控制回路产生一定的延时后，得到为低电平的V_ckn，从而关断同步整流管mn。

本实施例一中，驱动信号V_cn的变化超前于SW点电压，该超前的时间设定为Δt，当该超前的时间Δt与驱动信号V_cn经反馈控制回路延时的时间相同时，则同步整流管mn续流到零时刚好驱动信号V_cn传输至同步整流管mn的栅极，使同步整流管mn关闭，从而有效防止输出电容C_out通过同步整流管mn将电流倒灌至地。如图4所示为同步整流管mn漏极SW端电压、驱动信号V_cn及同步整流管mn栅极电压V_ckn的延时波形示意图。

为使驱动信号V_cn超前的时间与驱动信号经反馈控制回路的延时一致，本具体实施方式中通过调节电阻R₀的阻值实现，当反馈控制回路的电路结构确定时，则信号经该反馈控制回路产生的延时则一定，此时调节电阻R₀的阻值，控制|V_sw|续流到等于I₀×R₀的时间，从而实现超前时间Δt与反馈控制回路产生的延时相等。

实施例二

如图5所示为本发明另一电压过零检测电路，该电路结构在如图3所示电压过零检测电路的基础上增加了5个PMOS管m₈、m₉、m₁₀、m₁₁、m₁₂和一基准电流源I₀，其中PMOS管m₈、PMOS管m₉、PMOS管m₁₀、PMOS管m₁₁镜像连接，且依次分别串联于PMOS管m₁、PMOS管m₂、PMOS管m₃、PMOS管m₄的源极和电源V_DD之间，形成折叠电流源结构；PMOS管m₁₂和基准电流源I₀串联于电源V_DD和地之间，且PMOS管m₁₂的栅极漏极相连，为PMOS管m₁、m₂、m₃、m₄提供偏置电压，保证该4个PMOS管处于深度饱和状态；PMOS管m₈的栅极与PMOS管m₁的漏极相连，为镜像的PMOS管m₈、m₉、m₁₀、m₁₁提供偏置电流。

本实施例二在实施例一的基础上增加一排PMOS管的作用是减小电源电压V_DD的纹波，使输出信号更稳定，防止电源电压V_DD中的噪声或毛刺引入到控制信号V_cn中引起误操作。

实施例三

如图6所示为本发明另一电压过零检测电路，该电路在实施例一中所述的电压过零检测电路的基础上去掉第二级放大器，即去掉PMOS管m₄和NMOS管m₇，直接由第一级放大器的输出端V₁作为实施例一中的V_cn  输出至反馈控制回路，该电路检测过零电压的工作原理与实施例一所示电路相同，采用一级放大器相比两级放大器增益较小，但电路结构简单，节省了芯片面积。

实施例四

如图7所示为本发明的又一电压过零检测电路，其中该电路在如图5所示的实施例二所述电路结构的基础上去除第二放大器所述支路，即PMOS管m₁₀、m₃和NMOS管m₆，直接由第一级放大器的输出V₁作为V_cn输入至反馈控制回路生成控制信号V_ckn、V_ckp。该电路检测过零电压的工作原理与实施例一所示电路相同，但采用一级放大器相比两级放大器增益较小，但电路结构简单，节省了芯片面积。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电压过零检测电路，其特征在于，该电路包括PMOS管m₁、m₂、m₃，NMOS管m₅、m₆、M_s0、M_s1，基准电流源I₀，电阻R₀及一反相器，其中，PMOS管m₂与NMOS管m₅、PMOS管m₁和基准电流源I₀分别串联于电源电压端和地之间，PMOS管m₃和NMOS管m₆及电阻R₀串联后的支路一端接电源电压，另一端接NMOS管M_s0和M_s1的漏极，NMOS管M_s0的源极接所述电压过零检测电路的一输入电压V_sw、栅极接一输入控制信号V_ckn；输入控制信号V_ckn经所述反相器后接NMOS管M_s1的栅极、NMOS管M_s1的源极接地；PMOS管m₁、m₂、m₃镜像连接，NMOS管m₅、m₆镜像连接，由NMOS管m₆的漏极得到所述电压过零检测电路的输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述NMOS管M_s0和M_s1为开关管。

3.根据权利要求2所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述电阻R₀的阻值可根据所述电压过零检测电路的输出控制信号超前于所述电压过零检测电路输入电压V_sw达到零电压值的时间调节。

4.根据权利要求1所述的电压过零检测电路，其特征在于，该检测电路还包括一PMOS管m₄和一NMOS管m₇组成的串联支路，连接于NMOS管m₆的漏极和所述电压过零检测电路的输出控制信号之间，其中NMOS管m₆的漏极输出至NMOS管m₇的栅极、NMOS管m₇的漏极接所述电压过零检测电路的输出控制信号；且该串联支路一端接电源电压，另一端接地；PMOS管m₄与PMOS管m₃的栅极相连。

5.一种电压过零检测电路，其特征在于，该检测电路包括PMOS管m₁、m₂、m₃、m₈、m₉、m₁₀、m₁₂，NMOS管m₅、m₆、M_s0、M_s1，两个相同的基准电流源，电阻R₀及一反相器，其中，PMOS管m₁₂和一基准电流源、PMOS管m₈和PMOS管m₁及另一基准电流源、PMOS管m₉和PMOS管m₂及NMOS管m₅分别串联于电源V_DD和地之间，且PMOS管m₈的栅极接PMOS管m₁的源极，PMOS管m₁₂的栅极漏极相连，NMOS管m₅的栅极漏极相连；PMOS管m₁₀、m₃和NMOS管m₆及电阻R₀串联后的支路一端接电源电压，另一端接NMOS管M_s0和M_s1的漏极，NMOS管M_s0的源极接所述电压过零检测电路的一输入电压V_sw、栅极接一输入控制信号V_ckn；控制信号V_ckn经所述反相器后接NMOS管M_s1的栅极、NMOS管M_s1的源极接地；PMOS管m₁、m₂、m₃、m₁₂的栅极均相连，PMOS管m₈、m₉、m₁₀镜像连接，NMOS管m₅、m₆镜像连接，由NMOS管m₆的漏极得到所述电压过零检测电路的输出控制信号。

6.根据权利要求5所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述NMOS管M_s0、M_s1为开关管。

7.根据权利要求6所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述电阻R₀的阻值可根据所述电压过零检测电路的输出控制信号超前于所述电压过零检测电路输入电压V_sw达到零电压值的时间调节。

8.根据权利要求7所述的电压过零检测电路，其特征在于，所述检测电路还包括PMOS管m₁₁、m₄和NMOS管m₇组成的串联支路，连接于NMOS管m₆的漏极所述电压过零检测电路的输出控制信号之间，其中NMOS管m₆的漏极输出至NMOS管m₇的栅极、NMOS管m₇的漏极接所述电压过零检测电路的输出控制信号；且该串联支路一端接电源电压，另一端接地；PMOS管m₁₁与PMOS管m₁₀镜像连接，PMOS管m₄的栅极与PMOS管m₃的栅极相连。

9.一种具有电压过零检测电路的DC-DC转换器，包括功率管mp、同步整流管mn，电感L、电容C_out，电源电压，反馈控制回路，其中，功率管mp和同步整流管mn串联于电源电压和地之间，同步整流管mn的漏极电压V_sw经电感L后的输出电压V_out经电容C_out到地，且该输出电压V_out还输入至反馈控制回路，该反馈控制回路输出两个控制信号V_ckp和V_ckn分别控制功率管mp和同步整流管mn的栅极，其特征在于，该DC-DC转换器还包括如权利要求1-10任一所述的电压过零检测电路，其中，同步整流管mn的漏极电压作为所述电压过零检测电路的输入电压V_sw，所述反馈控制回路输出的一控制信号V_ckn作为所述电压过零检测电路的输入控制信号，且该电压过零检测电路的输出控制信号输入至所述反馈控制回路。

10.根据权利要求9所述的一种具有电压过零检测电路的DC-DC转换器，其特征在于，所述电压过零检测电路的输出控制信号与经所述反馈控制回路后得到的控制信号V_ckn反向。

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