CN103616556A - 用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法 - Google Patents

用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法，所述的过零检测电路包括状态判定电路、逻辑电路、加减计数电路、数模转换电路和过零比较器；根据同步管的体二极管的状态可以判断流经电感的电流方向，若体二极管导通，说明过零检测的阈值点为正，可在下一周期降低阈值点，直至二极管截止，说明过零检测的阈值点为负，可在下一周期提高阈值点；所述的降低和提高阈值点是通过加减计数器来调节数模转换电路的输出，通过平衡模块可以对信号进行优化，形成校正模拟信号，从而实现一定范围的正负校正，使得过零检测在过零点动态平衡，实现过零比较器失调电压的自动校正，降低了电路功耗。

Description

用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法
技术领域
本发明涉及降压变换器领域，具体涉及一种用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法。
背景技术
在同步降压型变换器中，主开关管在每个周期开始时导通，电感电流上升，输入端输入的电能转换为磁能储存在电感磁场中，到达一定占空比时关断主开关管，电感电流通过同步管续流而逐渐下降，磁能转换为电能释放到输出端，完成一个周期转换。当负载较大时，电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连接导通模式（CCM）；当轻载时，在同步管续流过程中，电感电流逐步降至零，此时在关断同步管，从而降低功耗，提高效率，电感电流在该过程中的工作模式为不连续导通模式（DCM）。
在以上不连续导通模式下，需要采用过零检测电路来检测电感电流是否过零，通过过零比较器检测到电感电流为零时（实际过程中会考虑电路存在的控制信号传输延迟，从而设定一个阈值），则关断同步管，从而减少功耗以提高效率。由于实际电路中，比较器存在失调电压，控制信号存在传输延迟，因此在设置过零比较器的阈值时，需要考虑比较器的失调电压和控制信号传输延迟。
图1给出了现有技术用于同步降压型比较器的过零检测电路，即在降压型变换器上设置过零比较电路，主要采用一个过零比较器实现的。当输入端输入一个电压源时，主开关管M1’导通，电感L’的电流上升，达到一定占空比时，主开关管M1’关断，电感L’通过同步管续流而逐步下降，直到下降至一定零时，通过过零比较器进行过零比较，过零比较器的输出控制驱动电路关断同步管M2’。
但是由于过零比较器失调电压VOS’的存在，在大功率应用时，同步管的阻值很小（如：2mΩ），失调电压（如：±10mv）会引起很大的误差，电感电流过零点波动范围大，在轻载或空载时，导致过零比较器无法被触发，检测不到过零点，使电路工作在强制连续导通模式（Force CCM），增加了电路的功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供了一种能自动校正过零比较器失调电压的用于同步降压型变换器的过零检测电路及检测方法。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的用于同步降压型变换器的过零检测电路，包括状态判定电路、逻辑电路、加减计数电路、数模转换电路和过零比较器，
状态判定电路，对降压变换器的同步管的漏极电压进行采样，并与一基准电压进行比较，输出用于表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号；
逻辑电路，其输入端接入状态数字信号，并将状态数字信号转换后输出计数指令；
加减计数器，其输入端接入计数指令，执行相应的计数指令后，输出数值信号；
数模转换电路，其输入端接入数值信号，通过数模转换后，输出与数值信号对应的校正模拟信号；
过零比较器，分别接入校正模拟信号和同步管漏极电压，二者比较后输出过零比较信号，过零比较信号接入降压变换器的驱动电路。
作为优选，所述状态判定电路包括第一比较器，第一比较器用于对降压变换器同步管的漏极电压与基准电压进行比较。
作为优选，所述的过零检测电路还包括时序逻辑电路，其输入端接入由降压变换器驱动电路产生的第一时序信号，输出分别表征第一比较器和逻辑电路工作时序的第二时序信号和第三时序信号，所述第二时序信号和第三时序信号分别接入第一比较器和逻辑电路；第一时序信号同时接入加减计数器。
作为优选，所述的过零检测电路还包括时序逻辑电路，其输入端接入由降压变换器驱动电路产生的第一时序信号，输出分别表征第一比较器、逻辑电路和加减计数器工作时序的第二时序信号、第三时序信号和第四时序信号，所述的第二时序信号、第三时序信号和第四时序信号分别接入第一比较器、逻辑电路和加减计数器。
作为优选，所述的逻辑电路包括一D触发器，D触发器的D端接高电平，其时钟端接入状态数字信号，其清零端接入第三时序信号，输出端输出计数指令至加减计数器。
作为优选，所述的逻辑电路包括一RS触发器，状态数字信号接入RS触发器的S端，第三时序信号接入RS触发器的R端，RS触发器的输出端输出计数指令至加减计数器。
作为优选，所述的数模转换电路包括数模转换模块和平衡模块，所述的平衡模块包括一电阻，电阻一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接,另一端接地；所述直流电流源的电流方向与数模转换模块中的电流方向相反。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下步骤的用于同步降压型变换器的过零检测方法，包括：
设置加减计数器的初始值，将该初始数值信号输入至数模转换电路，由数模转换电路经数模转换后输出初始校正模拟信号；
过零比较器在初始阈值点过零触发，关断同步管，设定一基准电压与同步管漏极电压进行比较，根据比较结果判断同步管的体二极管是否导通；
将表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号通过逻辑电路转换产生相应的计数指令；
所述计数指令输入加减计数器，由加减计数器执行该计数指令，作加一或减一的运算，输出用于表征失调校正量二进制数值信号；
将二进制数值信号经数模转换电路转换后，得到表征实际失调校正量的校正模拟信号；
将校正模拟信号和同步管漏极电压分别输入过零比较器，二者比较后输出过零比较信号，过零比较信号接入降压变换器的驱动电路，经驱动电路关断同步管，进入下一周期的过零检测。
作为优选，采用三个时序信号分别输入第一比较器、逻辑转换电路和加减计数器，以控制第一比较器、逻辑转换电路和加减计数器的工作时序：第一比较器的使能端在相应时序信号的控制下在每一周期的特定时间内进行采样，相应时序信号使加减计数器在特定时间内开通计数，逻辑电路则在相应时序信号的作用下进行逻辑转换，在计数完成后，控制逻辑电路的相应时序信号保持延时一段时间后，再对计数指令清零。
作为优选，所述的数模转换电路包括数模转换模块和平衡模块，所述的平衡模块包括一电阻，电阻一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接,另一端接地；所述直流电流源的电流方向与数模转换模块中的电流方向相反。
采用本发明的结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：根据同步管的体二极管的状态可以判断流经电感的电流方向，主要依据体二极管导通情况下的压降来设定基准电压来判断，若体二极管导通，说明过零检测的阈值点为正，可在下一周期降低阈值点，直至二极管截止，说明过零检测的阈值点为负，可在下一周期提高阈值点；所述的降低和提高阈值点是通过加减计数器来调节数模转换电路的输出，从而对过零比较器的失调电压进行校正，由于数模转换模块的输出一般为恒正或恒负，通过平衡模块可以对信号进行优化，形成校正模拟信号，从而实现一定范围的正负校正，使得过零检测在过零点动态平衡，实现过零比较器失调电压的自动校正，降低了电路功耗。
附图说明
图1为现有技术中过零检测电路的电路结构图；
图2为本发明用于同步降压型变换器的过零检测电路的结构示意图（实施例1）；
图3为本发明用于同步降压型变换器的过零检测电路的结构示意图（实施例2）；
图4为数模转换电路的电路结构示意图。
图5为实施例1中的工作波形图。
图6为实施例1中时序信号的时序图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来进一步详细说明本发明。
本发明的用于同步降压型变换器的过零检测电路，包括状态判定电路、逻辑电路、加减计数电路、数模转换电路和过零比较器，
状态判定电路，对降压变换器的同步管的漏极电压进行采样，并与一基准电压进行比较，输出用于表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号；
逻辑电路，其输入端接入状态数字信号，并将状态数字信号转换后输出计数指令；
加减计数器，其输入端接入计数指令，执行相应的计数指令后，输出数值信号；
数模转换电路，其输入端接入数值信号，通过数模转换后，输出与数值信号对应的校正模拟信号；
过零比较器，分别接入校正模拟信号和同步管漏极电压，二者比较后输出过零比较信号，过零比较信号接入降压变换器的驱动电路。
实施例1：
如图2所示，采用第一比较器A1作为状态判定电路，所述的状态判定是指判断同步管M2中的体二极管是否导通；在过零比较器被触发后，通过驱动电路关断同步管M2，然后第一比较器A1在一段采样时间内检测同步管漏极电压ULx，将该电压与基准电压作比较；
由于当同步管M2的体二极管导通时，其压降为0.7v，可以将基准电压的值设置为-0.3～-0.5v或+0.3～0.5v来进行比较，以电感电流自左往右为正方向，当体二极管导通时，ULx点的电压大致为-0.7v，ULx点的电压接入第一比较器的正相输入端，将基准电压取值-0.4v接入第一比较器A1的反相输入端，由于正相输入端小于反相输入端电压，第一比较器A1不会发生翻转，输出状态数字信号为0；反之则输出为1。
逻辑电路包括一D触发器，D触发器的D端接高电平，其时钟端接入状态数字信号，其清零端接入第二时序信号，在状态数字信号为0的情况下，输出的计数指令为0。将计数指令输出至加减计数器。加减计数器设置成：计数指令为0减1，计数指令为1则加1。
若体二极管导通，说明过零检测的阈值点为正，此时计数指令为0，加减计数器执行减1指令，从而降低数模转换电路输出的校正模拟信号，以降低过零阈值点，运行一个或多个周期后，直至体二极管截止，说明过零检测的阈值点为负，此时计数指令为1，加减计数器执行加1指令，以提高过零阈值点；从而使得阈值点在0点上下波动，实现动态平衡。
由于过零比较器A存在失调电压Vos，可以认为Vos接在过零比较器的正相输入端或反相输入端；因此，以附图2示意为例，过零检测实际上就是比较正相输入端（ULx点电压）和反相输入端（Vos与校正模拟信号之和），Vos与校正模拟信号之和越趋近于零，则校正效果越好；在过零比较器A过零后，将过零比较信号传输给驱动电路，从而关断同步管，由驱动电路输出第一时序信号，接入加减计数器，第二时序信号和第三时序信号是第一时序信号经时序逻辑电路变换产生的，第二时序信号是在第一时序信号的上升沿作一定采样时间的高电平，第三时序信号是对第一时序信号作反向，并在其下降沿作延时处理。第二时序信号采样后，则由第一时序信号控制加减计数器进行计数，第三时序信号在延时低电平后（预留计数的时间），用高电平对D触发器进行清零（图6示意了上述时序信号的时序波形）。
如图4所示，数模转换电路包括数模转换模块和平衡模块，平衡模块包括电阻R1，电阻R1一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接，另一端接地；由于数模转换模块的输出为恒正或恒负，校正范围有限，通过平衡模块可以对信号进行优化形成校正模拟信号，从而实现一定范围的正负校正，使得过零检测在过零点动态平衡，直流电流源的电流方向与数模转换电路中的电流方向相反。
实施例2：
如图3所示，实施例2与1的不同主要在于逻辑电路、时序逻辑电路和时序信号等几个部分。实施例2的逻辑电路采用了一个RS触发器，状态数字信号连接在RS触发器的S端，第三时序信号接至RS触发器的R端，输出端输出计数指令至加减计数器。
第一时序信号接入时序逻辑电路，输出分别表征第一比较器、逻辑电路和加减计数器工作时序的第二时序信号、第三时序信号和第四时序信号。第二时序信号是对第一时序信号的上升沿处设置了一定采样时间的高电平，第三时序信号是对第一时序信号的上升沿处设置了一定时间的低电平。第四时序信号是在第一时序信号的上升沿设置了一定时间的低电平，其低电平的持续时间少于第三时序信号。实施例2中的第二时序信号、第三时序信号与实施例1中的时序是不同的，这就意味着二者时序逻辑电路也是不同的。
实施例2中由第一时序信号通过时序逻辑电路产生三个时序信号分别接入第一比较器、逻辑电路和计数器的电路结构，可以用于实施例1中，只需将实施例2中的时序逻辑电路进行改造，使其产生符合实施例1要求的时序信号。同理，实施1中由第一时序信号直接输入计数器，同时又通过时序逻辑电路产生第二时序信号和第三时序信号分别接入第一比较器和逻辑电路的电路结构，可以替换用于实施例2中。实例1和2中的平衡模块，可以与数模转换模块分别接在过零比较器的不同输入端，此时则平衡模块的电流源方向与数模转换模块相同。
本发明的用于同步降压型变换器的过零检测方法，包括以下步骤：
设置加减计数器的初始值，将该初始数值信号输入至数模转换电路，由数模转换电路经数模转换后输出初始校正模拟信号，过零比较器在初始阈值点过零触发，由驱动电路关断同步管；
设定一基准电压与同步管漏极电压进行比较，根据比较结果判断同步管的体二极管是否导通；如图5所示，以电感L自左往右方向为正方向，当电感电流IL为正时，体二极管导通，则在同步管漏极电压为-0.7v左右。故将基准电压设置为-0.3～-0.5v，与ULx点电压分别输入第一比较器A1的两个输入端进行比较。若ULx点电压小于基准电压（-0.3～-0.5v），说明体二极管导通，电感电流为正；若ULx点电压大于基准电压（-0.3～-0.5v），说明体二极管不导通，电感电流为负。
根据上述判断结果，由第一比较器A1输出表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号，0表示导通（电感电流为正），1表示不导通（电感电流为负），通过逻辑电路进行逻辑转换产生相应的计数指令；
加减计数器的初始值，如采用四位的加减计数器，其初始值可以设置为（1000），并执行计数指令，作加一或减一的运算，输出用于表征失调校正量二进制数值信号，即若初始值加1则二进制数值信号为（1001），若初始值减1则二进制数值信号为（0111）；
对于加减计数器的初始值可以进行优化，因为若失调电压过大的话，电路可能会工作在强制连续导通模式，无法检测到过零点，如图2和3中所示，已经假设失调电压为负电压，若失调电压过大，而ULx无法达到这一低点，就不会检测到过零点，故此时将加减计数器的初始值设置为最大值（1111），以确保能够检测到过零点，然后由电路进行自动校正。反之，若失调电压为正电压，过大的话，ULx可能无法达到这一高点，故将加减计数器的初始值设置为最大值（0000）。
为了提高校正的有效性，可以对使用的过零比较器进行失调电压的测试，根据方差等统计学方法，得出失调电压在一个正态分布的范围内。这一步骤可以在加减计数器的初始值设置之前完成。
将二进制数值信号经数模转换电路进行数模转换后，得到表征实际失调校正量的校正模拟信号，在数模转换电路中，一个二进制数值对应一个模拟数值；
由于过零比较器A存在失调电压Vos，可以认为Vos接在过零比较器的正相输入端或反相输入端；因此，以附图2示意为例，过零检测实际上就是比较正相输入端（ULx点电压）和反相输入端（Vos与校正模拟信号之和），Vos与校正模拟信号之和越趋近于零，则校正效果越好；在过零比较器A过零后，将过零比较信号传输给驱动电路，从而关断同步管，进入下一周期的过零检测。
平衡模块包括电阻R1，电阻R1一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接，另一端接地；由于数模转换模块的输出为恒正或恒负，校正范围有限，通过平衡模块可以对信号进行优化形成校正模拟信号，从而实现一定范围的正负校正，使得过零检测在过零点动态平衡，直流电流源的电流方向与数模转换电路中的电流方向相反。
由驱动电路产生第一时序信号，通过时序逻辑电路进行时序变换，采用三个时序信号分别输入第一比较器、逻辑转换电路和加减计数器，具体时序信号和连接方式参见实施例1和2以及相关附图。
由于数模转换模块输出的信号为恒正或恒负，校正范围有限，通过平衡模块可以对校正模拟信号进行优化。平衡模块中的直流电流源的电流方向与数模转换电路中的电流方向相反。以下就平衡电路的作用原理，举例说明：
若数模转换模块的输出范围为+0.1v、+0.2v、+0.3v、+0.4v，平衡模块的电压由电流源和电阻的乘积决定，可以通过调节使得其输出电压为-0.25v，将其与校正模拟信号进行叠加，使得输入比较器的电压范围为-0.15v、-0.05v、+0.05v、0.15v，能够对比较器进行正负两个方向的校正，校正范围更广，更精确。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：包括状态判定电路、逻辑电路、加减计数电路、数模转换电路和过零比较器，
状态判定电路，对降压变换器的同步管的漏极电压进行采样，并与一基准电压进行比较，输出用于表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号；
逻辑电路，其输入端接入状态数字信号，并将状态数字信号转换后输出计数指令；
加减计数器，其输入端接入计数指令，执行相应的计数指令后，输出数值信号；
数模转换电路，其输入端接入数值信号，通过数模转换后，输出与数值信号对应的校正模拟信号；
过零比较器，分别接入校正模拟信号和同步管漏极电压，二者比较后输出过零比较信号，过零比较信号接入降压变换器的驱动电路。
2.根据权利要求1所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述状态判定电路包括第一比较器，第一比较器用于对降压变换器同步管的漏极电压与基准电压进行比较。
3.根据权利要求2所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述的过零检测电路还包括时序逻辑电路，其输入端接入由降压变换器驱动电路产生的第一时序信号，输出分别表征第一比较器和逻辑电路工作时序的第二时序信号和第三时序信号，所述第二时序信号和第三时序信号分别接入第一比较器和逻辑电路；第一时序信号同时接入加减计数器。
4.根据权利要求2所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述的过零检测电路还包括时序逻辑电路，其输入端接入由降压变换器驱动电路产生的第一时序信号，输出分别表征第一比较器、逻辑电路和加减计数器工作时序的第二时序信号、第三时序信号和第四时序信号，所述的第二时序信号、第三时序信号和第四时序信号分别接入第一比较器、逻辑电路和加减计数器。
5.根据权利要求3所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述的逻辑电路包括一D触发器，D触发器的D端接高电平，其时钟端接入状态数字信号，其清零端接入第三时序信号，输出端输出计数指令至加减计数器。
6.根据权利要求4所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述的逻辑电路包括一RS触发器，状态数字信号接入RS触发器的S端，第三时序信号接入RS触发器的R端，RS触发器的输出端输出计数指令至加减计数器。
7.根据权利要求1或2所述的用于同步降压型变换器的过零检测电路，其特征在于：所述的数模转换电路包括数模转换模块和平衡模块，所述的平衡模块包括一电阻，电阻一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接,另一端接地；所述直流电流源的电流方向与数模转换模块中的电流方向相反。
8.一种用于同步降压型变换器的过零检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
设置加减计数器的初始值，将该初始数值信号输入至数模转换电路，由数模转换电路经数模转换后输出初始校正模拟信号；
过零比较器在初始阈值点过零触发，关断同步管，设定一基准电压与同步管漏极电压进行比较，根据比较结果判断同步管的体二极管是否导通；
将表征同步管的体二极管是否导通的状态数字信号通过逻辑电路转换产生相应的计数指令；
所述计数指令输入加减计数器，由加减计数器执行该计数指令，作加一或减一的运算，输出用于表征失调校正量二进制数值信号；
将二进制数值信号经数模转换电路转换后，得到表征实际失调校正量的校正模拟信号；
将校正模拟信号和同步管漏极电压分别输入过零比较器，二者比较后输出过零比较信号，过零比较信号接入降压变换器的驱动电路，经驱动电路关断同步管，进入下一周期的过零检测。
9.根据权利要求8所述的用于同步降压型变换器的过零检测方法，其特征在于：采用三个时序信号分别输入第一比较器、逻辑转换电路和加减计数器，以控制第一比较器、逻辑转换电路和加减计数器的工作时序：第一比较器的使能端在相应时序信号的控制下在每一周期的特定时间内进行采样，相应时序信号使加减计数器在特定时间内开通计数，逻辑电路则在相应时序信号的作用下进行逻辑转换，在计数完成后，控制逻辑电路的相应时序信号保持延时一段时间后，再对计数指令清零。
10.根据权利要求8所述的用于同步降压型变换器的过零检测方法，其特征在于：所述的数模转换电路包括数模转换模块和平衡模块，所述的平衡模块包括一电阻，电阻一端通入直流电流源，并与数模转换模块连接,另一端接地；所述直流电流源的电流方向与数模转换模块中的电流方向相反。
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