CN103929048A - 一种开关电源的过零检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源的过零检测电路，至少包括电压输入模块；连接于所述电压输入模块的电压输出模块；通过充放电控制输出电压的电感；控制电感充放电的开关管；将电感与开关管的漏极之间的谐振信号耦合到开关管栅极的耦合电路；用于取出与所述耦合电路输出信号的负电压呈正比的电流并转化为电压输出的谐振取样模块；根据所述谐振取样模块输出的电压产生控制信号的比较控制模块以及产生所述开关管门电压的控制驱动模块。本发明的开关电源的过零检测电路可以大幅度减小脉宽调制电源芯片的面积，提升产品竞争力。

Description

一种开关电源的过零检测电路

技术领域

本发明涉及微电子领域，特别是涉及一种开关电源的过零检测电路。

背景技术

开关电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的开通和关断来维持稳定输出电压或电流的一种电源。与线性电源相比，开关电源比线性电源体积更小、效率更高、更加节能、环保。在某些领域已经完全替代了线性电源。尤其是在当前用电设备体积不断减小，电压不断降低，移动设备普遍使用的趋势下，开关电源的应用越来越广泛。目前，开关电源正向着高频化、小型化的方向发展。

由于电子技术在不断地发展与创新，开关电源芯片控制技术也在不断出现新的形式。无论何种控制方式都需要芯片的内部电路每时每刻去采样输出电压或电流，通过采样输出量的变化来对自身进行调整。根据输出功率的大小制定出***的结构、采用的反馈控制技术等。

在开关电源的工作过程中，如果电感中的电流在开关过程中没有完全释放，则属于电流连续模式(CCM)；如果电感中的电流完全释放，过一段时间再充电，则属于断续模式；如果电感中的电流完全释放后，又立即充电，则属于临界模式(BCM)。不论是断续模式，还是临界模式，电感中的电流都要完全释放。根据电感中电流为零这一特点诞生出不同的采样技术和控制电路。

如图1所示为目前普遍使用的一种源极驱动的过零检测电路1。该电路包括电压输入模块11、电压输出模块12、电感Lm、二极管D、耦合电路13、开关管M1、开关管M2、谐振取样模块14、比较器15、触发器16以及采样电阻Rcs，其中电压输入模块11、电压输出模块12、电感Lm、二极管D、耦合电路13、开关管M1以及采样电阻Rcs为片外器件，开关管M2、谐振取样模块14、比较器15以及触发器16为片内器件。所述耦合电路13把所述电感Lm和所述开关管M1之间的谐振信号耦合到片内的所述开关管M2的漏端，然后所述谐振取样模块14对这一信号采样，同时所述比较器15将所述开关管M2漏端的采样信号与参考电压进行比较，所述触发器16接收所述谐振取样模块14及所述比较器15的输出信号，并输出控制所述开关管M2的导通与断开的控制信号。在这种采样方式中，电感Lm中的电流要全部流经芯片内部的开关管M2，该开关管M2需要很大的面积，而且电感Lm中的电流越大，芯片内部的开关管M2的面积就越大，相应的芯片面积就越大，基于这一点芯片的制造成本就大大提高了，产品的竞争力也就相应减小了。

如何提高开关电源的过零检测芯片的成本，提升产品竞争力是本领域的技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开关电源的过零检测电路，用于解决现有技术中开关电源的过零检测芯片的成本高，产品竞争力低下的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种开关电源的过零检测电路，所述开关电源的过零检测电路至少包括：

电压输入模块、电压输出模块、电感、开关管、耦合电路、谐振取样模块、比较控制模块以及控制驱动模块；

所述电压输出模块连接于所述电压输入模块，用于输出电压；

所述电感连接于所述电压输出模块，通过所述电感的充、放电来调节输出电压，使其稳定在设定值；

所述开关管连接于所述电感，通过所述开关管的导通和关断来控制所述电感充、放电，当所述开关管导通时，所述电感充电，当所述开关管关断时，所述电感放电；

所述耦合电路的输入端连接于所述电感与所述开关管的漏极之间，所述耦合电路的输出端连接于所述开关管的栅极，用于将所述电感与所述开关管的漏极之间的谐振信号耦合到所述开关管的栅极；

所述谐振取样模块连接于所述耦合电路，用于取出与所述耦合电路输出信号的负电压呈正比的电流，并转化为电压输出；

所述比较控制模块连接于所述谐振取样模块，根据所述谐振取样模块输出的电压产生控制信号；

所述控制驱动模块连接于所述比较控制模块及所述开关管的输出端，用于产生控制所述开关管导通和关断的门电压。

优选地，所述开关电源的过零检测电路适用于断续模式或临界导通模式的脉宽调制电源。

优选地，所述电压输入模块包括电源及连接于所述电源的滤波电容。

优选地，所述电压输出模块包括输出电容及并联于所述输出电容的负载。

优选地，所述开关管为NMOSFET。

优选地，所述耦合电路为电容或由电容与电阻串联构成的电路。

优选地，所述比较控制模块包括第一比较器、第一触发器以及缓冲器；所述第一比较器的输入端分别连接所述谐振取样模块及第一参考电压，将所述谐振取样模块的输出信号与所述第一参考电压做比较；所述第一触发器连接于所述第一比较器，当所述第一比较器输出高电平信号时所述第一触发器输出高电平脉冲；所述缓冲器连接于所述第一触发器，用于缓冲输出信号。

更优选地，所述第一触发器为D触发器。

优选地，所述控制驱动电路包括第二比较器以及第二触发器，所述第二比较器将与所述开关管输出电流相对应的电压信号与第二参考电压作比较，并将比较结果输出至所述第二触发器，所述第二触发器用于输出驱动所述开关管的门电压。

更优选地，所述第二触发器可以是D触发器或RS触发器。

优选地，还包括二极管，所述二极管的阳极连接于所述电感及所述开关管的漏极之间，所述二极管的阴极连接于所述电压输入模块，当所述开关管导通时，所述二极管截止；当所述开关管关断时，所述二极管导通，给所述电感及所述电压输出模块提供通路。

优选地，还包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接于所述开关管的输出端，另一端接地，用于采集与所述开关管输出电流相对应的电压。

如上所述，本发明的开关电源的过零检测电路，具有以下有益效果：

本发明的开关电源的过零检测电路对电路结构进行优化，将芯片内部的开关管与芯片外部的开关管合成为一个开关，且放置于芯片外部，可以把芯片的面积大大地缩小，提高产品的竞争力。

附图说明

图1显示为现有技术中的开关电源的过零检测电路的示意图。

图2显示为本发明的开关电源的过零检测电路的示意图。

图3显示为本发明的开关电源的过零检测电路的谐振取样模块的电路示意图。

图4(a)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在断续模式下电感充放电的波形示意图。

图4(b)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在断续模式下Lx节点的波形示意图。

图4(c)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在断续模式下Gs节点的波形示意图。

图5(a)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在临界模式下电感充放电的波形示意图。

图5(b)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在临界模式下Lx节点的波形示意图。图5(c)显示为本发明的开关电源的过零检测电路在临界模式下Gs节点的波形示意图。元件标号说明

1      开关电源的过零检测电路

11     电压输入模块

12     电压输出模块

13     耦合电路

14     谐振取样模块

15     比较器

16     RS触发器

2      开关电源的过零检测电路

21     电压输入模块

22     电压输出模块

221    负载

23     耦合电路

24     谐振取样模块

25     比较控制电路

251    第一比较器

252    第一触发器

253    缓冲器

26     控制驱动模块

261    第二比较器

262    第二触发器

CT     滤波电容

Cout   输出电容

Lm     电感

M      开关管

M1     开关管

M2     开关管

D      二极管

Rcs    采样电阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图5(c)。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图2所示，本发明提供一种开关电源的过零检测电路2，所述开关电源的过零检测电路2至少包括：

电压输入模块21、电压输出模块22、电感Lm、开关管M、耦合电路23、谐振取样模块24、比较控制模块25、控制驱动模块26、二极管D以及采样电阻Rcs。

所述电压输入模块21用于提供输入电压Vin。

如图2所示，所述电压输入模块21包括电源Vin及滤波电容CT，所述滤波电容CT一端与所述电压输入模块21的输出端相连，另一端接地，用于对所述电压输入模块21输出的电压Vin进行滤波。

所述电压输出模块22连接于所述电压输入模块21，用于输出稳定的电压。

如图2所示，所述电压输出模块22包括输出电容Cout及并联于所述输出电容Cout的负载221。所述输出电容Cout用于储存电荷并给所述负载221供电。

所述电感Lm连接于所述电压输出模块22，通过所述电感Lm的充放电来调节输出电压，使其稳定在设定值。

如图2所示，所述电感Lm的一端连接于输出电容Cout和负载221，另一端连接于所述开关管M的漏端。

所述开关管M连接于所述电感Lm，通过所述开关管M的导通和关断来控制所述电感Lm充、放电，当所述开关管M导通时，输入电压Vin给所述电感Lm充电，当所述开关管M关断时，所述电感Lm放电，给所述电压输出模块22提供电源。在本实施例中，所述开关管M优选为NMOSFET。

所述二极管D的阳极连接于所述电感Lm及所述开关管M之间，所述二极管D的阴极连接于所述电压输入模块21，当所述开关管M关断时，所述二极管D给所述电感Lm及所述电压输出模块22提供通路。

如图2所示，所述开关管M的漏极连接于所述电感Lm，当所述开关管M导通时，所述输入电压Vin给所述电感Lm充电；当所述开关管M关断时，充电通路断开，所述电感Lm给二极管D和输出模块22形成的回路提供电源。

所述采样电阻Rcs的一端连接于所述开关管M的源极，另一端接地，用于采集与所述开关管M输出电流相对应的电压。

所述耦合电路23的输入端连接于所述电感Lm与所述开关管M的漏极之间，所述耦合电路23的输出端连接于所述开关管M的栅极。所述耦合电路23为电容或由电容与电阻串联构成的电路。在本实施例中，所述耦合电路23为一个电容。

如图2所示，所述耦合电路23的输入端连接于所述电感Lm与所述开关管M的漏极之间，所述耦合电路23的输出端连接于所述开关管M的栅极，当所述电感Lm过零点时起振，所述电容23隔直通交，将谐振信号耦合到所述开关管M的栅极。

所述谐振取样模块24连接于所述耦合电路23，用于取出与所述耦合电路24输出信号的负电压呈正比的电流，并将所述电流转化为电压输出。

如图3所示为所述谐振取样模块24的一个实施例，电阻Rs一端连接于所述耦合电路23的输出端Gs，MOS管Mn1及MOS管Mn2构成电流镜结构，由于MOS管Mn2的源极b接地，MOS管Mn1的源极a点电位也为0。当Gs点的电压V_GS小于零时，有电流流过电阻Rs、MOS管Mn1、MOS管Mp1及MOS管Mp2形成的通路，该电流I_RS＝|V_GS|/Rs。经过Mp1、Mp2与Mp5、Mp6之间的镜像，产生取样电流：Isense＝K×I_RS，其中K是镜像的比例因子，该电流与Gs点的电压V_GS的负电压呈正比关系。再经由电阻Rsense转化为电压输出，所述电压Vsense＝Isense×Rsense。谐振过零越大，即Gs点的电压V_GS越小于0，I_RS越大，相应的Isense和Vsense也就越大。如果Gs点的电压V_GS大于或等于0，Vsense也就等于零。

所述比较控制模块25连接于所述谐振取样模块24，根据所述谐振取样模块24输出的电压产生脉冲信号Dpulse。

如图2所示，在本实施例中，所述比较控制模块25包括第一比较器251；第一触发器252，在本实施例中，所述第一触发器优选为D触发器；以及缓冲器253。所述第一比较器251的输入端分别连接所述谐振取样模块24及第一参考电压Vref1，如图2所示，所述第一比较器251的正向输入端连接于所述谐振取样模块24的输出端，所述第一比较器251的反向输入端连接第一参考电压Vref1，所述第一比较器251将所述谐振取样模块24的输出信号与所述第一参考电压Vref1做比较，当所述谐振取样模块24输出的信号大于所述第一参考电压Vref1时输出高电平信号，反之，输出低电平信号。所述第一触发器252连接于所述第一比较器251，当所述第一比较器251输出高电平信号时，所述第一触发器252产生高电平脉冲信号。所述缓冲器253连接于所述第一触发器252的输出端，起缓冲作用，保证数据或时钟的同步传输，所述缓冲器253的输出信号为脉冲信号Dpulse。

所述控制驱动模块26连接于所述比较控制模块25及所述开关管M的输出端，用于产生控制所述开关管M导通和关断的门电压V_GS。

如图2所示，在本实施例中，所述控制驱动电路26包括第二比较器261以及第二触发器262，所述第二触发器262可以是D触发器或RS触发器，在本实施例中，所述第二触发器262为RS触发器。所述第二比较器261将与所述开关管M输出电流相对应的电压信号Vcs与第二参考电压Vref2作比较，并将比较结果输出至所述RS触发器，所述RS触发器用于输出驱动所述开关管M的门电压V_GS，当所述缓冲器253输出的信号Dpulse为高电平，所述第二比较器261输出的信号Vcs为低电平时，所述门电压V_GS为高电平，其他情况为低电平。

上述开关电源的过零检测电路2工作原理如下：

当所述开关管M导通时，所述电压输入模块21、所述电压输出模块22、所述电感Lm、所述开关管M以及所述采样电阻Rcs形成回路，所述输入点压Vin给所述电感Lm充电；当所述开关管M关断时，回路断开，所述输出模块22、所述电感Lm以及所述二极管D形成新的回路，此时，所述电感Lm放电，为所述输出模块22提供能源。

所述开关电源的过零检测电路2适用于断续模式或临界导通模式的脉宽调制电源。

在断续模式下，当所述电感Lm中的放电电流慢慢降至0时，所述电感Lm中的电流开始出现谐振，如图4(a)所示，所述电感Lm中的电流在0点位置出现谐振。所述电感Lm及所述开关管M的漏极之间的节点Lx的电压也随之发生谐振，如图4(b)所示。该谐振信号通过所述耦合电路23被耦合至所述开关管M的门电压V_GS，如图4(c)所示，由于所述电感Lm放电时，所述开关管M为关断状态，在本实施例中，所述开关管为NMOSFET，所以门电压V_GS低电平的部分耦合谐振信号，在本实施例中表现为0V的电压。

门电压V_GS在0V电压位置发生谐振必将产生低于0V的电压，当低于0V的电压被所述谐振取样模块24采集到，将产生一个与该负电压呈正比的电流，并以电压形式输出，并通过所述比较控制模块25产生高电平信号；同时，所述第一比较器261将采样电压Vcs与参考电压Vref2作比较，由于电感Lm处于放电状态，所以所述开关管M关断，与所述开关管M输出电流相对应的电压Vcs小于所述参考电压Vref2，所述第二比较器261输出低电平信号；所述比较控制模块25产生的高电平信号连接于所述RS触发器262的R端，所述第二比较器261输出的低电平信号连接于所述RS触发器262的S端，所述RS触发器262产生所述开关管M的门电压V_GS，该门电压V_GS为高电平脉冲，作用于所述开关管M的栅极，所述开关管M导通，所述电感Lm进入充电模式。

所述电感Lm开始充电，电流值逐渐增大，如图4(a)所示。所述电感Lm及所述开关管M之间的节点Lx的电压为0V，如图4(b)所示。所述开关管M的门电压V_GS为高电平信号，当门电压V_GS大于等于0V时，所述比较控制模块25产生低电平信号。所述开关管M的输出电流逐渐增大，当与所述开关管M输出电流相对应的电压Vcs大于参考电压Vref1时，所述RS触发器262跳变为低电平，所述开关管M关断，所述电感Lm重新进入放电模式。

通过控制所述开关管M栅极的门电压V_GS来控制所述开关管Ｍ的导通的关断，进一步控制所述电感Lm的充、放电，调节所述电压输出模块22的输出电压，使其稳定于某一设定值。

在临界导通模式下原理一致，在此不一一赘述，不同的是该模式下，所述电感Lm中的电流完全释放后，又立即充电，只有一个过零点，不会长时间的出现谐振。如图5(a)所示为临界模式下电感Lm充放电的波形示意图。图5(b)所示为临界模式下Lx节点的波形示意图。图5(c)显示为临界模式下Gs节点的波形示意图。

在本发明的开关电源的过零检测电路2中，所述电压输入模块21、电压输出模块22、电感Lm、二极管D、耦合电路23、开关管M以及采样电阻Rcs为片外器件；谐振取样模块24、比较器15以及触发器16为片内器件。本发明的开关电源的过零检测电路在优化电路确保输出稳定电压的基础上，将片内的大面积MOS管合并到片外的MOS管，大大减小芯片面积，有效降低成本，提升产品竞争力。

综上所述，本发明的开关电源的过零检测电路，至少包括提供电源的电压输入模块；连接于所述电压输入模块，由于输出电压的电压输出模块；通过充放电控制输出电压的电感；控制电感充放电的开关管；将谐振信号耦合到开关管栅极的耦合电路；采集所述开关管门电压过零信号的所述谐振取样模块；产生脉冲信号的比较控制模块以及产生所述开关管门电压的控制驱动模块。当电感电流为零时，开关管和电感之间出现谐振，该谐振信号通过所述耦合电路耦合到所述开关管的栅极。谐振信号耦合到开关管的栅极表现为过零点的振荡信号。所述谐振取样电路取出与该谐振信号负电压成正比的谐振电流，该谐振电流转换成电压输出到所述比较控制电路，再通过控制驱动模块产生控制信号控制所述开关管的导通。本发明的开关电源的过零检测电路可以大幅度减小脉宽调制电源芯片的面积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种开关电源的过零检测电路，其特征在于，所述开关电源的过零检测电路至少包括：

电压输入模块、电压输出模块、电感、开关管、耦合电路、谐振取样模块、比较控制模块以及控制驱动模块；

所述电压输出模块连接于所述电压输入模块，用于输出电压；

所述电感连接于所述电压输出模块，通过所述电感的充、放电来调节输出电压，使其稳定在设定值；

所述开关管连接于所述电感，通过所述开关管的导通和关断来控制所述电感充、放电，当所述开关管导通时，所述电感充电，当所述开关管关断时，所述电感放电；

所述耦合电路的输入端连接于所述电感与所述开关管的漏极之间，所述耦合电路的输出端连接于所述开关管的栅极，用于将所述电感与所述开关管的漏极之间的谐振信号耦合到所述开关管的栅极；

所述谐振取样模块连接于所述耦合电路，用于取出与所述耦合电路输出信号的负电压呈正比的电流，并转化为电压输出；

所述比较控制模块连接于所述谐振取样模块，根据所述谐振取样模块输出的电压产生控制信号；

所述控制驱动模块连接于所述比较控制模块及所述开关管的输出端，用于产生控制所述开关管导通和关断的门电压。

2.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述开关电源的过零检测电路适用于断续模式或临界导通模式的脉宽调制电源。

3.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述电压输入模块包括电源及连接于所述电源的滤波电容。

4.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述电压输出模块包括输出电容及并联于所述输出电容的负载。

5.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述开关管为NMOSFET。

6.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述耦合电路为电容或由电容与电阻串联构成的电路。

7.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述比较控制模块包括第一比较器、第一触发器以及缓冲器；所述第一比较器的输入端分别连接所述谐振取样模块及第一参考电压，将所述谐振取样模块的输出信号与所述第一参考电压做比较；所述第一触发器连接于所述第一比较器，当所述第一比较器输出高电平信号时所述第一触发器输出高电平脉冲；所述缓冲器连接于所述第一触发器，用于缓冲输出信号。

8.根据权利要求7所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述第一触发器为D触发器。

9.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述控制驱动电路包括第二比较器以及第二触发器，所述第二比较器将与所述开关管输出电流相对应的电压信号与第二参考电压作比较，并将比较结果输出至所述第二触发器，所述第二触发器用于输出驱动所述开关管的门电压。

10.根据权利要求9所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：所述第二触发器可以是D触发器或RS触发器。

11.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：还包括二极管，所述二极管的阳极连接于所述电感及所述开关管的漏极之间，所述二极管的阴极连接于所述电压输入模块，当所述开关管导通时，所述二极管截止；当所述开关管关断时，所述二极管导通，给所述电感及所述电压输出模块提供通路。

12.根据权利要求1所述的开关电源的过零检测电路，其特征在于：还包括采样电阻，所述采样电阻的一端连接于所述开关管的输出端，另一端接地，用于采集与所述开关管输出电流相对应的电压。