CN109660109A - 一种适用于开关电源的自适应过零检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于开关电源的自适应过零检测电路，包括加减计数器、失调电压动态调节电路和过零比较器，加减计数器连接失调电压动态调节电路，失调电压动态调节电路连接过零比较器，过零比较器连接开关电源的控制端和加减计数器，加减计数器用于根据过零比较器输出的过零检测信号来进行加减计数并输出逻辑信号；失调电压动态调节电路用于接收加减计数器输出的逻辑信号并将其转换成失调电压；过零比较器用于根据开关电源的功率管和同步整流管的公共端的电压与失调电压动态调节电路输出的失调电压的大小输出过零检测信号。本发明可同时消除过零比较器随时失调和延时的影响，精确地检测开关电源的反向电流。

Description

一种适用于开关电源的自适应过零检测电路
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种适用于开关电源的自适应过零检测电路。
背景技术
为提高开关电源的转换效率，开关电源一般都采用同步整流结构，即用同步整流晶体管代替传统二极管完成电感电流整流。但当输出负载较小时，电感电流会反向造成能量损耗，为此，需要过零检测电路检测同步整流晶体管的反向电流。当过零检测电路检测到同步整流管电流反向时，过零检测电路将发出信号关断同步整流晶体管以阻止电流反向。但是，受半导体制造工艺偏差、环境温度、工作电压的影响，过零检测电路存在随机的输入失调电压和延时，导致过零检测电路检测到反向电流到发出信号关断同步整流晶体管的时间不准确：(1)同步整流晶体管关断时间过早时，电感电流依靠同步整流晶体管的体二极管续流，产生较大的体二极管损耗；(2)当同步整流晶体管关断时间过晚时，电感电流反向，也会导致损耗增大；同时，功率管和同步整流晶体管的公共端(SW)有很大的振铃电压，增加了晶体管、电感的电压应力，加剧了功率管损耗，并引入了EMI问题；因此需要精确的过零检测电路及时关断同步整流晶体管以减小功率损耗、器件应力和EMI问题。
在当前应用中，开关电源朝着高压高频大电流的方向发展。在高压应用中，电感电流的变化速率更快，对过零检测电路的反应速度提出更高的要求；在高频应用中，开关周期变短，并且过零检测电路还需要额外的消隐时间，同样对过零检测电路的反应速度提出更高的要求；在大电流应用中，非同步状态的体二极管损耗和电感电流反向，均降低了转换器的效率，对过零检测电路的精度提出了更高的要求。
现有技术通过将功率管和同步整流晶体管的公共端(SW)电压按照一定比例放大后接到过零检测电路输入端或调节过零检测电路输出信号延时来增加过零检测精度。其中将功率管和同步整流晶体管的公共端(SW)电压按照一定比例放大后接到过零比较器输入端，只减小了过零检测电路延时对过零检测精度的影响，可以加快过零检测电路的反应速度，但是无法消除过零检测电路失调的影响；调节过零检测电路输出信号延时来增加过零检测精度，可以在一定程度上减小过零检测电路失调的影响，但无法减小过零检测电路本身延时的影响。因此，现有技术无法同时消除过零检测电路失调和延时的影响，不能得到精确的过零检测电路，无法应用于高压高频大电流设计中。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种适用于开关电源的自适应过零检测电路，可以同时消除过零比较器随时失调和延时的影响，精确地检测开关电源的反向电流。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种适用于开关电源的自适应过零检测电路，所述开关电源包括功率管和同步整流管，所述自适应过零检测电路包括加减计数器、失调电压动态调节电路和过零比较器，所述加减计数器的输出端连接所述失调电压动态调节电路的输入端，所述失调电压动态调节电路的输出端连接所述过零比较器的输入端，所述过零比较器的输出端连接所述开关电源的控制端和所述加减计数器的输入端，其中：所述加减计数器用于根据所述过零比较器输出的过零检测信号来进行加减计数并输出逻辑信号；所述失调电压动态调节电路用于接收所述加减计数器输出的所述逻辑信号并将其转换成失调电压；所述过零比较器用于根据所述功率管和所述同步整流管的公共端的电压与所述失调电压动态调节电路输出的所述失调电压的大小输出所述过零检测信号。
优选地，所述过零比较器的正向输入端连接所述功率管和所述同步整流管的公共端，负向输入端连接所述失调电压动态调节电路的输出端；以使得过零比较器既可以采集功率管和同步整流管的公共端的电压，又可以采集失调电压动态调节电路输出的失调电压。
优选地，当所述同步整流管电流反向时，所述过零比较器的正向端电压大于负向端电压，所述过零检测信号为高电平；当所述同步整流管电流正向时，所述过零比较器的正向端电压小于负向端电压，所述过零检测信号为低电平；通过输出高电平或低电平，给加减计数器提供加减计数的输入信号。
优选地，所述失调电压动态调节电路采用数模转换电路；用以将加减计数器输出的逻辑信号的码值转换成过零比较器负向端的失调电压。
优选地，所述自适应过零检测电路还包括反相器和D触发器，所述反相器和所述D触发器连接在所述过零比较器的输出端和所述加减计数器的输入端之间，所述反相器的输入端连接所述过零比较器的输出端，所述反相器的输出端连接所述D触发器的时钟端和所述开关电源的控制端，所述D触发器的正向输出端连接所述加减计数器的输入端；通过反相器和D触发器将过零比较器输出的过零检测信号转换成加减计数器能够采集和应用的信号。
优选地，当所述过零比较器输出的所述过零检测信号为高电平时，所述D触发器的正向输出端的输出信号保持不变；当所述过零比较器输出的所述过零检测信号为低电平时，在所述反相器的输出信号的上升沿将所述D触发器的正向输出端的输出信号置为1；通过输出信号保持不变或置为1，使得加减计数器对应执行加减计数。
优选地，所述加减计数器在其时钟信号的上升沿采样所述D触发器的正向输出端的输出信号，当所述D触发器的正向输出端的输出信号为低电平时，所述加减计数器减1；当所述D触发器的正向输出端的输出信号为高电平时，所述加减计数器加1；通过输出信号为低电平或高电平，使得加减计数器减1或加1，从而进一步可以输出逻辑信号。
优选地，所述加减计数器的保持控制信号端接收所述开关电源的控制信号以控制所述加减计数器进行加减处理的有效时间，当所述加减计数器的保持控制信号为高电平时，所述加减计数器不进行加减操作；当所述加减计数器的保持控制信号为低电平时，所述加减计数器进行加减操作；通过此步骤有效控制加减计数器进行加减处理的有效时间，提高该自适应过零检测电路的计算效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用自适应过零检测电路检测开关电源的反向电流，通过功率管和同步整流管的公共端的电压，利用加减计数器和失调电压动态调节电路，自适应地调节过零检测电路精度，能够同时减小过零检测电路失调和延时对过零检测精度的影响，精确地检测开关电源的反向电流，满足高压高频大电流的应用需求，同时，减小转换器损耗、EMI、晶体管应力等影响。
附图说明
图1是带有反向电流检测的降压型开关电源架构框图；
图2是本发明优选实施例的自适应过零检测电路的原理框图；
图3是本发明优选实施例的自适应过零检测电路的逻辑时序图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示的带有反向电流检测的降压型开关电源的电源架构框图，是本发明优选实施例的自适应过零检测电路适用场景，其中该开关电源包括功率管HSPMOS、同步整流管LSNMOS、第一反相器101、环路控制逻辑电路102、环路脉冲宽度调制比较器PWM、环路误差放大器电路EA、内部振荡器电路osc、第一与门103、第二与门104、第一与非门105、第二与非门106以及自适应过零检测电路200，功率管HSPMOS和同步整流管LSNMOS的公共端为SW端，SW端处连接开关电源转换器输出电压Vout，功率管HSPMOS的另一端连接输入电压信号Vin，同步整流管LSNMOS的另一端连接参考地电压GND；功率管HSPMOS的驱动信号HSDRV连接第一反相器101的输出端，第一反相器101的输入端连接环路控制逻辑电路102，环路控制逻辑电路102连接环路脉冲宽度调制比较器PWM的输出端(环路脉冲宽度调制比较器PWM输出的环路脉冲宽度调制信号PWM通过环路控制逻辑电路102输入到第一反相器101)，环路脉冲宽度调制比较器PWM的正向端连接环路误差放大器电路EA的输出端，负向端连接内部振荡器电路osc，内部振荡器电路osc接收环路开关频率信号clk并产生斜坡信号Vramp输出给环路控制逻辑电路102的负向端；环路误差放大器电路EA的正向端连接内部基准电压Vref，负向端连接开关电源转换器输出电压的分压反馈信号Vfb，分压反馈信号Vfb通过开关电源转换器输出电压Vout和连接参考地电压GND产生；同步整流管LSNMOS的驱动信号LSDRV连接第一与门103的输出端，第一与门103的第一输入端连接第一反相器101的输出端，第二输入端连接第二与非门106的输出端，第二与非门106的第一输入端连接第一与非门105的输出端，第二输入端连接第二与门104的输出端，第一与非门105的第一输入端连接第一反相器101的输出端，第二输入端连接第二与非门106的输出端，第二与门104的第一输入端连接自适应过零检测电路200，第二输入端连接功率管HSPMOS的驱动信号HSDRV。
如图2所示，本发明优选实施例的自适应过零检测电路200包括过零比较器201、失调电压动态调节电路202、加减计数器203、第二反相器204和D触发器205，过零比较器201的输出端连接第二反相器204的输入端，正向端连接SW端，负向端连接失调电压动态调节电路202的输出端，失调电压动态调节电路202的输入端连接加减计数器203的输出端，加减计数器203的输入端连接D触发器205的正向输出端，第二反向器204的输出端连接D触发器的时钟端，D触发器205的输入端连接内部逻辑高电平VDD，重置端连接功率管HSPMOS的驱动信号HSDRV(功率管HSPMOS的驱动信号HSDRV周期性地将D触发器205输出信号UD复位)。另外加减计数器203的保持控制信号Hold端同时连接第一与非门105的输出端。
本发明优选实施例的自适应过零检测电路200的工作原理为：过零比较器201的负向端连接失调电压动态调节电路202的输出端，负向端的动态调节电压为在GND的基础上叠加失调电压动态调节电路202输出的失调电压Voff；当同步整流管LSNMOS电流反向时，过零比较器201正向端电压高于负向端电压，过零比较器201输出高电平，D触发器的正向输出端的输出信号UD保持不变；当同步整流管LSNMOS电流正向时，过零比较器201正向端电压低于负向端电压，过零比较器201输出低电平，在第二反相器204的输出信号zcd(也即过零比较器201输出信号经过第二反相器204后得到的有效输出信号)的上升沿将D触发器的正向输出端的输出信号UD置为1，UD变为逻辑高电平。加减计数器203实现加减计数，改变逻辑信号D0～D7的码值；加减计数器203时钟信号udclk上升沿采样D触发器的正向输出端的输出信号UD的电压，当udclk上升沿采样UD为低电平，加减计数器203减1，反之，当udclk上升沿采样UD为高电平，加减计数器203加1。加减计数器203的保持控制信号Hold控制加减计数器203的有效时间，当Hold为高电平时，加减计数器203不进行加减操作，输出逻辑信号D0～D7的码值保持不变，当Hold为低电平时，加减计数器203根据时钟信号udclk上升沿采样信号进行加减计数。失调电压动态调节电路202采用数模转换器，用以将加减计数器203输出的逻辑信号D0～D7的码值转换成过零比较器201负向端的失调电压Voff，当加减计数器203输出的逻辑信号D0～D7的码值增大时，失调电压Voff增大，当加减计数器203输出的逻辑信号D0～D7的码值减小时，失调电压Voff减小；并通过过零比较器201、失调电压动态调节电路202和加减计数器203之间的信号相互自适应调节直到获得准确的过零检测信号。
如图3所示，是本发明优选实施例的自适应过零检测电路的主要信号时序图，当受过零比较器201失调和延时影响，电感电流IL还未降到零时，过零比较器201的有效输出信号zcd由高变低，指示此时存在电感电流IL反向，使同步整流管LSNMOS关断，电感电流IL通过同步整流管LSNMOS的体二极管续流，SW端的电压约为-0.7V，zcd又由低变高，D触发器的正向输出端的输出信号UD被置为1，UD变为逻辑高电平；同时，加减计数器203的保持控制信号Hold由高变低，加减计数器203不再保持；加减计数器203的时钟信号udclk上升沿采样UD为高电平，加减计数器203输出码值D0～D7加1，码值D0～D7经过失调电压动态调节电路202后，使过零比较器负向端失调电压Voff增大。当电感电流IL降到零后，SW端的电压由-0.7V上升到输出电压Vout，过零比较器的有效输出信号zcd再次由高变低。此过程一直持续，逐渐增大Voff直到获得精确的反向电流检测。当电感电流IL已经降到负值，过零比较器201的有效输出信号zcd由高变低，指示此时存在电感电流IL反向，使同步整流管LSNMOS关断；此时，SW端的电压会迅速上升，zcd保持为低电平，UD信号保持为低电平，加减计数器203的时钟信号udclk上升沿采样UD为低电平，加减计数器203输出码值D0～D7减1，码值D0～D7经过失调电压动态调节电路202后，使过零比较器负向端失调电压Voff减小。此过程一直持续，逐渐减小Voff直到获得精确的反向电流检测。至此，本发明优选实施例的自适应过零检测电路实现了同时消除过零比较器随机失调和延时的影响，精确地检测开关电源的反向电流。
本发明优选实施例的自适应过零检测电路在-40～125℃的温度范围内，输入电压范围为4～14V，输出电压范围为3～4.5V，经过所有工艺角瞬态仿真验证，均能得到精确的反向电流检测。
上述优选实施例是以自适应过零检测电路应用于降压型开关电源为例，其中本发明优选实施例的自适应过零检测电路也同样适用于升压型开关电源以及升降压型开关电源，其工作原理和上述一样，在此不再赘述。
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，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于开关电源的自适应过零检测电路，所述开关电源包括功率管和同步整流管，其特征在于，所述自适应过零检测电路包括加减计数器、失调电压动态调节电路和过零比较器，所述加减计数器的输出端连接所述失调电压动态调节电路的输入端，所述失调电压动态调节电路的输出端连接所述过零比较器的输入端，所述过零比较器的输出端连接所述开关电源的控制端和所述加减计数器的输入端，其中：
所述加减计数器用于根据所述过零比较器输出的过零检测信号来进行加减计数并输出逻辑信号；
所述失调电压动态调节电路用于接收所述加减计数器输出的所述逻辑信号并将其转换成失调电压；
所述过零比较器用于根据所述功率管和所述同步整流管的公共端的电压与所述失调电压动态调节电路输出的所述失调电压的大小输出所述过零检测信号。
2.根据权利要求1所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述过零比较器的正向输入端连接所述功率管和所述同步整流管的公共端，负向输入端连接所述失调电压动态调节电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的自适应过零检测电路，其特征在于，当所述同步整流管电流反向时，所述过零比较器的正向端电压大于负向端电压，所述过零检测信号为高电平；当所述同步整流管电流正向时，所述过零比较器的正向端电压小于负向端电压，所述过零检测信号为低电平。
4.根据权利要求1所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述失调电压动态调节电路采用数模转换电路。
5.根据权利要求1所述的自适应过零检测电路，其特征在于，还包括反相器和D触发器，所述反相器和所述D触发器连接在所述过零比较器的输出端和所述加减计数器的输入端之间，所述反相器的输入端连接所述过零比较器的输出端，所述反相器的输出端连接所述D触发器的时钟端和所述开关电源的控制端，所述D触发器的正向输出端连接所述加减计数器的输入端。
6.根据权利要求5所述的自适应过零检测电路，其特征在于，当所述过零比较器输出的所述过零检测信号为高电平时，所述D触发器的正向输出端的输出信号保持不变；当所述过零比较器输出的所述过零检测信号为低电平时，在所述反相器的输出信号的上升沿将所述D触发器的正向输出端的输出信号置为1。
7.根据权利要求5所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述加减计数器在其时钟信号的上升沿采样所述D触发器的正向输出端的输出信号，当所述D触发器的正向输出端的输出信号为低电平时，所述加减计数器减1；当所述D触发器的正向输出端的输出信号为高电平时，所述加减计数器加1。
8.根据权利要求1至7任一项所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述加减计数器的保持控制信号端接收所述开关电源的控制信号以控制所述加减计数器进行加减处理的有效时间，当所述加减计数器的保持控制信号为高电平时，所述加减计数器不进行加减操作；当所述加减计数器的保持控制信号为低电平时，所述加减计数器进行加减操作。
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