CN102735914B - 同步整流电路以及过零检测方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种同步整流电路以及过零检测方法。通过对同步电路中的同步整流管引出多个栅极，在过零检测时，关断同步整流管中部分MOS单元，进而增大同步整流管漏源两极之间的导通电阻。该过零检测方法可增大感测的电压信号，提高电流过零检测的精度。

Description

同步整流电路以及过零检测方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及一种同步整流电路以及过零检测方法。
背景技术
在同步整流DC-DC变换器中，在轻载的情况下，电路工作在电感电流断续模式(DCM)。同步整流管续流导通时，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，则输出电容将通过同步整流管放电，电流倒灌，从而极大地降低电源的转换效率。
为解决该问题，可在电流下降到零时，驱动同步整流管关断。为此，我们通常需要检测流过同步整流管的电流，即需要过零检测电路对电流过零点进行检测，以确定是否开通或关断同步整流管。通常，我们将运用同步整流管自身的导通电阻RL，将电流信号转换为电压信号，并利用过零比较器来检测电流的过零点。对于该种检测方式，过零检测的精度主要由电路中过零比较器的输入失调电压VOS决定。当同步整流管的导通电阻RL很小时，其压降也很小，过零检测的精度将受到很大影响。
发明内容
考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种同步整流电路以及用于同步整流变换器的过零检测方法。
根据本发明的实施例，提出了一种用于同步整流变换器的过零检测方法，所述同步整流变换器包括同步整流管，所述同步整流管包括多个并联的MOS单元，所述方法包括步骤：产生表示同步整流管漏源两极之间的电压的电压感测信号；判定电压感测信号是否等于第一电压；当电压感测信号等于第一电压时，关断所述同步整流管中一部分MOS单元；判定电压感测信号是否等于第二电压；当电压感测信号等于第二电压时，关断所述同步整流管中剩余的那部分MOS单元。
根据本发明的实施例，提出了一种同步整流电路，包括：开关电路，至少包括一个功率开关管和一个同步整流管，通过功率开关管和同步整流管的导通和关断将输入信号转换为输出信号，其中，所述同步整流管包括多个并联的MOS单元；过零检测电路，包括第一电压比较器和第二电压比较器，第一电压比较器和第二电压的反相输入端均接收同步整流管漏源两极之间的电压感测信号，第一电压比较器同相输入端接收第一参考电压，第二电压比较器同相输入端接收第二参考电压，其中，第二参考电压大于第一参考电压，所述第一电压比较器和第二电压比较器分别输出两个比较信号；反馈控制电路，电连接至开关电路的输出端，根据过零检测电路的两个比较信号和开关电路的输出信号，输出控制信号分别控制功率开关管和同步整流管的至少两个栅极。
附图说明
图1A所示为同步整流DC-DC转换器示意性电路图；
图1B所示为同步整流DC-DC转换器示意性波形图；
图2所示为现有的具有电流过零检测电路的同步整流电路示意图；
图3A所示为同步整流管一实施例示意性结构图；
图3B所示为根据本发明一实施例的同步整流管结构示意图；
图3C所示为根据本发明另一实施例的同步整流管结构示意图；
图4所示为根据本发明一实施例电感电流和感测电压波形示意图；
图5所示为根据本发明一实施例的同步整流电路示意性电路图；
图6所示为本发明同步整流电路电流过零检测方法一个实施例流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1A所示为同步整流DC-DC转换器示意性电路图100。该同步整流电路包括功率开关管SW，同步整流管SR，电感L，电容器C以及负载。其中，功率开关管SW和同步整流管SR串联于电源VIN和地之间，电感器L的一端与功率开关管SW和同步整流管SR的连接端相连，电感器L的另一端与电容器C和负载的一端相连，电容器C和负载的另一端接地。该同步整流电路还包括反馈控制电路，其接收电路的输出信号VO作为反馈信号，并根据反馈信号控制功率开关管SW和同步整流管SR的导通和关断。
这里所示的为同步整流BUCK变换器拓扑结构，当然也可采用其他的具有同步整流技术的直流/直流变换拓扑，如同步整流反激变换器、同步整流正激变换器、同步整流桥式变换器等结构。
在图1A所示实施例中，当功率开关管SW导通，同步整流管SR关断时，电源电压VIN经电感器L对输出电容C进行充电，输出电压VO上升；当功率开关管SW关断，同步整流管SR导通时，同步整流管SR对电感电流IL续流，且IL线性减小。当电路工作在电流非连续模式(DCM)下，电感电流IL线性下降，当IL下降到零时，如果同步整流管SR依然导通，则输出电容C可通过同步整流管SR放电，电流IL反向，从而极大地降低电源的转换效率。
图1B所示为同步整流DC-DC转换器100的波形图。在DCM模式下，当通过同步整流管SR续流的电感电流IL过零时，SR未及时关断，此时电感电流IL将反向流动，电感电流IL波形如图1B中(b)中虚线所示。为了阻止电感电流IL反向降低同步整流电路的效率，通常将在同步整流电路结构中增加电流过零检测电路。此时，当流过同步整流管SR的电感电流IL到达电流过零阀值时刻，关断同步整流管SR，电感电流IL波形如图1B中(c)所示。
图2所示为现有的具有电流过零检测的同步整流电路示意图200。为了防止电容器通过同步整流管SR对地放电，通常将在图1所示同步整流DC-DC转换器100中增加电流过零检测电路210，通过同步整流管SR漏源之间的电压值来判定流过同步整流管SR的电流方向和大小。在图2所示实施例中，还示出了功率开关管SW的导通电阻RH和同步整流管的导通电阻RL，通过同步整流管的导通电阻RL将电流信号转化为电压感测信号VDS。同步整流电路200中的反馈控制回路包括反馈电路221和控制电路222，反馈电路221将输出信号转换为反馈信号并送至控制电路222，控制电路222接收反馈信号和过零检测电路210的输出信号，并输出控制信号控制功率开关管SW和同步整流管SR的导通和关断。如图2所示，当功率开关管SW截止，同步整流管SR导通时，电感L通过同步整流管SR续流，同步整流管SR的电流由源极S流向漏极D，此时同步整流管SR漏源之间的电压VDS为负。
在图2所示实施例中，过零检测电路210包括一个过零比较器，其反相输入端接收电压感测信号VDS，正相输入端接收值为零的参考电压，并将比较结果送至控制电路222。由于比较器的输入失调电压VOS不为零，当电压感测信号VDS等于输入失调电压VOS时，同步整流管SR关断，因此，过零检测的精度主要取决于比较器的输入失调电压VOS。电压感测信号VDS＝-RL×IL，当同步整流管SR的导通电阻RL值较小时，电压感测信号VDS的值很小，电流过零的精度将受到更大的限制。例如，零电压比较器的输入失调电压VOS为3mV，同步整流管SR的导通电阻为3mΩ，则在电感电流IL为1A时，比较器将输出信号至控制电路，关断同步整流管SR。此时，电流过零检测不准确，精度差。
图3A所示为同步整流管一实施例示意性结构图。本领域的技术人员明白，一个功率MOS管由大量MOS单元并联而成，MOS单元的数量由功率MOS管尺寸的大小来决定。多个MOS单元并联组成的功率MOS管作用之一在于减小功率MOS管漏源之间的导通电阻RDS(on)，并联的MOS单元数量越多，功率MOS管漏源之间的导通电阻RDS(on)越小。在图3a所示实施例中，同步整流管SR由N个MOS单元M1、M2、……MN并联组成，MOS单元M1、M2、……MN的漏极连接在一起形成同步整流管SR的漏极D，MOS单元M1、M2、……MN的源极连接在一起形成同步整流管SR的源极S，MOS单元M1、M2、……MN的栅极连接在一起形成同步整流管SR的栅极G，每一个MOS单元漏源之间的导通电阻为RON，同步整流管SR的导通电阻为RON/N。
图3B所示为根据本发明一实施例的同步整流管结构示意图。同步整流管SR由N个MOS单元M1、M2、……MN并联组成，MOS单元M1、M2、……MN的漏极连接在一起形成同步整流管SR的漏极D，MOS单元M1、M2、……MN的源极连接在一起形成同步整流管SR的源极S，MOS单元M1、M2、……MN的栅极各自引出，形成同步整流管SR的多个栅极G1、G2、……GN，每一个MOS单元漏源之间的导通电阻为RON，同步整流管SR的导通电阻为RON/N。
当功率开关管SW关断，同步整流管SR续流导通时，控制电路输出控制信号至同步整流管SR的多个栅极G1、G2、……GN，所有MOS单元均导通，同步整流管SR的导通电阻为RON/N。当感测电压VDS接近比较器输入失调电压VOS时，如在VOS+Δv时，关断部分MOS单元，例如通过G2、……GN关断MOS单元M2、……MN，仅导通MOS单元M1，此时同步整流管SR的导通电阻变为RON。相比未关断MOS单元M2、……MN之前，导通电阻增大N-1倍，电流过零检测精度提高了N-1倍。感测电压VDS继续下降至比较器输入失调调压VOS时，再通过同步整流管SR的栅极G1关断MOS单元M1，整个同步整流管SR关断。
图3C所示为根据本发明另一实施例的同步整流管结构示意图。同样地，同步整流管SR由N个MOS单元并联组成，N个MOS单元可分为模块310、模块320两部分，模块310包括MOS单元M1、……MM，模块320包括MOS单元MM+1、……MN(M＜N)。MOS单元M1、M2、……MN的漏极连接在一起形成同步整流管SR管的漏极D，MOS单元M1、M2、……MN的源极连接在一起形成同步整流管SR的源极S，MOS单元M1、……MM的栅极连接在一起引出，形成模块310的栅极GM，MOS单元MM+1……MN的栅极连接在一起引出，形成模块320的栅极GN，每一个MOS单元漏源之间的导通电阻为RON，同步整流管SR的导通电阻为RON/N。
当功率开关管SW关断，同步整流管SR续流导通时，所有MOS单元均导通，同步整流管SR的导通电阻为RON/N。当节点电压VDS接近输入失调电压VOS时，比如在VOS+Δv时，首先通过栅极GM控制关断M个MOS单元，此时同步整流管SR的导通电阻变为RON/(N-M)。相比未关断之前，导通电阻增大了N/(N-M)-1倍，电流过零检测精度提高了N/(N-M)-1倍。当感测电压VDS继续下降至比较器输入失调电压VOS时，通过栅极GN控制关断余下的N-M个MOS单元，整个同步整流管SR关断。
图3B示出了组成同步整流管SR的各个MOS单元分别单独引出栅极的情形，而图3C示出了组成同步整流管SR的MOS单元分成两组引出两个栅极的情形。然而，本技术领域的技术人员应当理解，在其它实施例中，同步整流管SR的MOS单元可以为其它分组情形。
图4所示为根据本发明一实施例电感电流和感测电压波形示意图400。当功率开关管SW导通时，感测电压VDS＝VIN-IL×RH；当功率开关管SW关断，同步整流管SR续流导通时，感测电压VDS＝-IL×RL。在图4所示波形示意图中，比较器的失调电压为VOS，当感测电压VDS＝VOS+Δv时，关断同步整流管SR中的部分MOS单元，增大同步整流管SR的导通电阻RL，此时感测电压VDS的值由原始值a点增大到b点的VDS’，并以新的斜率下降至失调电压VOS。由图中电感电流IL的波形可知，当导通电阻RL未增大前，电流过零阀值如图中虚线所示，当增大导通电阻RL后，电感电流过零阀值降低，过零检测精度提高。当RL增大K倍时，在感测电压等于输入失调电压VOS时刻，电流过零阀值减小K倍。例如，比较器的输入失调电压VOS为3mV，同步整流管SR的导通电阻RL增大10倍，由3mΩ增大到30mΩ，电流过零阀值由1A降低为0.1A，过零检测精度提高了10倍。
图5所示为根据本发明一实施例的同步整流电路示意性电路图500。同步整流电路500包括开关电路，反馈控制电路以及电流过零检测电路510。开关电路包括功率开关管SW，同步整流管SR，电感L，电容器C以及负载。其中功率开关管SW和同步整流管SR串联于电源VIN和地之间，功率开关管SW的导通电阻为RH，同步整流管的导通电阻为RL，电感器L的一端与功率开关管SW和同步整流管SR的连接端相连，电感器L的另一端与电容器C和负载的一端相连，电容器C和负载的另一端接地。同步整流管SR具有多个MOS单元并联连接的结构，并引出至少两个栅极。
反馈控制电路包括反馈电路521和控制电路522，反馈电路521将输出信号转换为反馈信号并送至控制电路522，控制电路522接收反馈信号和过零检测电路510的输出信号，并输出控制信号控制功率开关管SW和同步整流管SR的导通和关断。过零检测电路510包括两个电压比较器CV1和CV2，其均具有输入失调电压VOS。比较器CV1反相输入端接收电压感测信号VDS，正相输入端接收值为零的参考电压；比较器CV2反相输入端接收电压感测信号VDS，正相输入端接收值为Δv的参考电压。控制电路522接收比较器CV1和CV2的输出信号。当电压感测信号VDS＝VOS+Δv时，电压比较器CV1和CV2分别输出低电平信号和高电平信号至控制电路522，控制电路522根据该两电平信号输出控制信号至同步整流管SR，关断部分MOS单元，以增大同步整流管SR的导通电阻。当电压感测信号VDS＝VOS时，电压比较器CV1和CV2均输出低电平信号至控制电路522，控制电路522根据该两电平信号输出控制信号至同步整流管SR，关断余下部分MOS单元，此时同步整流管SR完全关断。
图6所示为本发明同步整流电路电流过零检测方法一个实施例流程图600。该过零检测方法包括步骤610～650。
步骤610，检测同步整流管SR漏源两极之间的电压，并产生电压感测信号，其中，电压感测信号是通过利用所述同步整流管的导通电阻将电流信号转换为电压信号；
步骤620，运用过零比较器判定电压感测信号是否等于第一电压；
步骤630，当电压感测信号等于第一电压时，关断同步整流管中部分MOS单元，否则继续检测电压感测信号；
步骤640，运用过零比较器判定电压感测信号是否等于第二电压；
步骤650，当电压感测信号等于第二电压时，关断所述同步整流管中剩余部分MOS单元，同步整流管完全关断，否则继续保持部分MOS单元关断状态。
除以上步骤以外，该过零电流检测方法还包括将所述同步整流管中的多个并联的MOS单元的栅极分成至少两组连接，并引出相应的至少两个栅极。
在这个实施例中，同步整流管为MOSFET管，第二电压为电压比较器的失调电压，第一电压大于第二电压。
应当注意，为了使本发明更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的一些技术细节。
本领域的技术人员还应理解，本发明所用的实施例所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于同步整流变换器的过零检测方法，所述同步整流变换器包括同步整流管，其特征在于，所述同步整流管包括多个并联的MOS单元，所述方法包括步骤：
产生表示同步整流管漏源两极之间的电压的电压感测信号；
通过第一比较器判定电压感测信号是否等于第一电压；
当电压感测信号等于第一电压时，关断所述同步整流管中一部分MOS单元；
通过第二比较器判定电压感测信号是否等于第二电压；
当电压感测信号等于第二电压时，关断所述同步整流管中剩余的那部分MOS单元；
其中，第二电压为第二比较器的失调电压，且第一电压大于第二电压。
2.如权利要求1所述的过零检测方法，其中，所述产生表示同步整流管漏源之间的电压的电压感测信号的步骤具体包括利用所述同步整流管的导通电阻将流过所述同步整流管的电流信号转换为电压信号。
3.如权利要求1所述的过零检测方法，其中，所述方法还包括将所述同步整流管中的多个并联的MOS单元的栅极分成至少两组连接，并引出相应的至少两个栅极。
4.如权利要求1所述的过零检测方法，其中，同步整流管为MOSFET。
5.一种同步整流电路，包括：
开关电路，至少包括一个功率开关管和一个同步整流管，通过功率开关管和同步整流管的导通和关断将输入信号转换为输出信号，其中，所述同步整流管包括多个并联的MOS单元；
过零检测电路，包括第一电压比较器和第二电压比较器，第一电压比较器和第二电压比较器的反相输入端均接收同步整流管漏源两极之间的电压感测信号，第一电压比较器同相输入端接收第一参考电压，第二电压比较器同相输入端接收第二参考电压，其中，第一参考电压为零，第二参考电压大于第一参考电压，所述第一电压比较器和第二电压比较器分别输出第一比较信号和第二比较信号；
反馈控制电路，电连接至开关电路的输出端，根据过零检测电路的两个比较信号和开关电路的输出信号，输出控制信号分别控制功率开关管和同步整流管的至少两个栅极，其中，反馈控制电路根据第二比较信号关断同步整流管中一部分MOS单元，根据第一比较信号关断同步整流管剩余的MOS单元。
6.如权利要求5所述的同步整流电路，其中，所述过零检测电路通过所述同步整流管的导通电阻将电流信号转换为电压信号来产生所述电压感测信号。
7.如权利要求5所述的同步整流电路，其中，
当电压感测信号等于第二参考电压时，所述反馈控制电路关断所述同步整流管中的一部分MOS单元；
当电压感测信号等于第一参考电压时，所述反馈控制电路关断所述同步整流管中剩余的那部分MOS单元。
8.如权利要求5所述的同步整流电路，其中所述同步整流管中的多个并联的MOS单元的栅极分成至少两组连接，并引出相应的至少两个栅极。
9.如权利要求5所述的同步整流电路，其中，所述同步整流管为MOS管。
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