CN104201887B - 降压型变换器的过零调节电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降压型变换器的过零调节电路及方法，本发明适用于采用固定导通时间的控制模式的降压型变换器，由于在高频应用下开关周期较短，本发明通过分频电路判断是否连续多个开关周期中的电感电流是否为正方向，从而判断降压型变换器的工作模式，在断续导通工作模式下，相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期，从而能够足够的时间供参考零电压信号产生电路对参考零电压信号进行调节，避免了在高频应用下调节紊乱的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种降压型变换器的过零调节电路及方法。
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。同步降压型变换器主要有连续导通和断续导通两种工作模式，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续导通模式(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断续导通模式(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，通过过零比较器判断电感电流为零时，则关断同步管，从而减少功耗以提高效率。由于实际电路中，比较器存在延时，根据经验需要提前触发比较器，例如在电感电流为100毫安左右时触发过零比较器以关断同步管，当同步管关断时的电感电流为零(或接近于零)。但依靠经验设置一定的预留量难以适应各种工作状况，当电感或输出的电压发生变化时，电感电流下降的斜率也会发生变化，最终也会出现过早或过晚关断同步管的现象。
对于上述技术问题，可以根据本周期的状态来调节下一周期的关断时间，即若本周期提前关断(电感电流未到零就被关断)，则降低过零比较器的参考电压，以延长下一周期的关断时间；若本周期过晚关断(电感电流为负电流才被关断)，则提高过零比较器的参考电压，以缩短下一周期的关断时间。但是，上述解决方案仅限于低频下的调节应用，由于在高频应用下，开关周期较短，没有足够的时间作上述调节，容易造成调节紊乱。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降压型变换器的过零调节电路及方法，以解决现有技术中存在的在高频应用下无法进行过零点自动调节的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的降压型变换器的过零调节电路，包括过零比较器，所述的过零比较器的第一输入端接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考零电压信号，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，所述的过零调节电路适用于高频应用，它还包括参考零电压信号产生电路和工作模式判断电路，
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地升高参考零电压信号；
当所述工作模式判断电路判断降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
优选地，所述的工作模式判断电路包括分频电路和第一逻辑电路，所述的分频电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号，产生表征在多个连续开关周期内电感电流方向是否均为正方向的第一判断信号，所述第一判断信号输入至第一逻辑电路，所述的第一逻辑电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第二状态信号和过零比较器输出的过零信号，根据第二状态信号和过零信号产生表征电感电流方向是否负方向的第二判断信号，第一逻辑电路根据第一判断信号和第二判断信号输出表征降压型变换器工作模式的工作模式信号，根据工作模式信号判断降压型变换器的工作模式。
优选地，所述固定导通时间的控制模式是指，通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
优选地，所述的参考零电压信号产生电路包括电流方向判断电路、第二逻辑电路、加减计数器和数模转换电路，所述的电流方向判断电路的第一输入端接收同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考电压，其输出端输出电流方向信号至第二逻辑电路，第二逻辑电路接收电流方向信号后输出计数信号，所述的加减计数器接收计数信号并输出相应的数字信号，所述的数模转换电路接收所述数字信号，经数模转换后输出相应的参考零电压信号至过零比较器的第二输入端。
优选地，所述的电流方向信号经第二逻辑电路处理后，产生表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号和第二状态信号。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种降压型变换器的过零调节方法，包括以下步骤：
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，在高频应用下，采用过零比较器分别接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号和参考零电压信号，对二者进行比较，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则相应地升高参考零电压信号；
当降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
优选地，通过工作模式判断电路判断降压型变换器的工作模式，所述的工作模式判断电路包括分频电路和第一逻辑电路，所述的分频电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号，产生表征在多个连续开关周期内电感电流方向是否均为正方向的第一判断信号，所述第一判断信号输入至第一逻辑电路，所述的第一逻辑电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第二状态信号和过零比较器输出的过零信号，根据第二状态信号和过零信号产生表征电感电流方向是否负方向的第二判断信号，第一逻辑电路根据第一判断信号和第二判断信号输出表征降压型变换器工作模式的工作模式信号，根据工作模式信号判断降压型变换器的工作模式。
优选地，所述固定导通时间的控制模式是指，通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
优选地，所述的参考零电压信号由参考零电压信号产生电路产生，所述的参考零电压信号产生电路包括电流方向判断电路、第二逻辑电路、加减计数器和数模转换电路，所述的电流方向判断电路的第一输入端接收同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考电压，其输出端输出电流方向信号至第二逻辑电路，第二逻辑电路接收电流方向信号后输出计数信号，所述的加减计数器接收计数信号并输出相应的数字信号，所述的数模转换电路接收所述数字信号，经数模转换后输出相应的参考零电压信号至过零比较器的第二输入端。
优选地，所述的电流方向信号经第二逻辑电路处理后，产生表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号和第二状态信号。
采用本发明的结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：本发明适用于采用固定导通时间的控制模式的降压型变换器，由于在高频应用下开关周期较短，本发明通过分频电路判断是否连续多个开关周期中的电感电流是否为正方向，从而判断降压型变换器的工作模式，在断续导通工作模式下，相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期，从而能够足够的时间供参考零电压信号产生电路对参考零电压信号进行调节，避免了在高频应用下调节紊乱的问题。
附图说明
图1为本发明降压型变换器的过零调节电路的原理图；
图2为工作模式判断电路的电路结构示意图；
图3为参考零电压产生电路的电路结构示意图；
图4为固定导通时间产生电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的降压型变换器的过零调节电路及方法作更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以在此描述基础上，在权利要求的范围内对本发明具体电路进行变换和替换，而仍然实现本发明的有利效果。下列描述并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心在于，提供一种降压型变换器的过零调节电路，包括过零比较器，所述的过零比较器的第一输入端接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考零电压信号，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，所述的过零调节电路适用于高频应用，它还包括参考零电压信号产生电路和工作模式判断电路，
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地升高参考零电压信号；
当所述工作模式判断电路判断降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
进一步地，本发明还提供一种降压型变换器的过零调节电路方法，包括以下步骤：
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，在高频应用下，采用过零比较器分别接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号和参考零电压信号，对二者进行比较，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则相应地升高参考零电压信号；
当降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
参考图1所示，示意了应用过零调节电路的降压型变换器，包括主功率开关管M1、同步开关管M2、电感L、过零比较器COMP1、输出电容C0、输出电阻R0等，由输入信号Vin对整个降压型变换器供电，Vout为输出电压，过零比较器COMP1的第一输入端(同相端)接收降压型变换器的同步开关管M2的漏极电压信号ULX，其第二输入端(反相端)接收由参考零电压产生电路所产生的参考零电压信号Vref0，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号Vref0时产生信号Ncl控制同步开关管关断。
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，本发明之过零调节电路主要适用于高频应用，由于在高频应用的情况下，开关周期短，往往没有足够的时间进行过零调节。参考零电压产生电路中具有判断电感电流方向的部分，在同步开关管关断时，根据漏极电压信号ULX的大小(ULX的大小可表征同步开关管M2的体二极管是否导通，当体二极管导通时，则电感电流为正，ULX约为-0.7V，当体二极管截止时，则电感电流为负，ULX约为(Vin+0.7V))来判断电感电流方向。判断电感电流方向的目的有两个：第一、判断此时是过早关断同步开关管还是过晚关断同步开关管，以作为调节参考零电压信号的依据；第二、判断降压型变换器的工作模式，即通过分频电路可以判断连续多个开关周期内(例如，若分频电路为4分频，则4个开关周期内)是否为正向电流，若在上述连续多个开关周期内均为正向电流，则判断为连续导通工作模式，若否，则判断为断续导通工作模式。
在断续导通工作模式下，由于本发明用于高频应用，因而需要延长同步开关管的开关周期以得到足够的时间来进行过零调节，否则会发生调节紊乱(可能存在调节未完成即进入下一开关周期)。本发明中，当所述工作模式判断电路判断降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。在固定导通时间的控制模式下，通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
参考图2所示，示意了工作模式判断电路的电路结构，包括分频电路和第一逻辑电路，所述的分频电路由多个D触发器连接而成，图中所示为16分频的分频电路，但不限于这一实施方式(例如，可采用4分频、8分频等均可实现)。分频电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号Zero_p(电感电流为正时，Zero_p为高电平，反之为低电平)，产生表征在多个连续开关周期内电感电流方向是否均为正方向的第一判断信号J1(若是则J1为高电平，若否则J1为低电平)，所述第一判断信号J1输入至第一逻辑电路，第一逻辑电路包括一个RS触发器和一个或门，所述的或门的一个输入端接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第二状态信号Zero_n(电感电流为负时，Zero_n为高电平，反之为低电平)，或门的另一个输入端接收过零比较器COMP1输出的过零信号Ncl，根据第二状态信号Zero_n和过零信号Ncl产生表征电感电流方向是否负方向的第二判断信号J2(若是则J2为高电平，若否则J2为低电平)，RS触发器根据第一判断信号J1和第二判断信号J2输出表征工作模式降压型变换器工作模式的工作模式信号CM，根据工作模式信号判断降压型变换器的工作模式(CM为高电平则为断续导通工作模式，若为低电平则为连续导通工作模式)。在断续导通工作模式下，为了更好地防止高频应用下没有足够时间进行过零调节，故将工作模式信号CM输入至固定导通时间产生电路，以延长主功率开关管的导通时间，由于在主功率开关管的导通时间内，同步开关管处于关断状态，因此延长了同步开关管的关断时间，从而有足够的时间来调节过零点，以产生相应参考零电压信号。若工作模式信号表征为连续导通工作模式时，即在连续导通工作模式下，由工作模式信号CM通过开关管将加减计数器的CLK端拉低，以保持当前的计数状态。
参考图3所示，其中示意了参考零电压产生电路的电路结构，包括比较器COMP2、第二逻辑电路、加减计数器和数模转换电路，比较器COMP2作为电流方向判断电路的具体实施方式，通过判断电感电流方向以判断同步开关管的体二极管是否导通，其第一输入端接收漏极电压信号ULX，其第二输入端接收参考电压Vref1，以将参考电压Vref1取值0.1v为例，当ULX<0.1v，则电感电流为正，此时同步开关管的体二极管导通，反之，电感电流为负，此时同步开关管的体二极管截止。第二逻辑电路主要是对比较器COMP2输出的电流方向信号进行逻辑改造，将Action信号作为第二逻辑电路的使能信号，当同步开关管关断后，Action信号输出一个高电平脉冲以使或非门工作。
当ULX<0.1v(Vref1)时，电感电流为正，电流方向信号为1，电流方向信号一方面和Action信号输入或非门，在Action信号产生高电平脉冲时，该或非门输出为0，并输入第二逻辑电路的RS触发器的R端(同时经一非门形成第一状态信号Zero_p)，从而使触发器输出为0，并据此使加减计数器作出减1指令，以降低数模转换电路的输出，从而降低参考零电压信号，延迟关断时间；电流方向信号另一方面经一非门和Action信号输入另一或非门，此时或非门输出为1，并输入第二逻辑电路的RS触发器的S端(同时经一非门形成第二状态信号Zero_n)。当ULX>0.1v(Vref1)时，第二逻辑电路输出的计数信号为1，以升高参考零电压信号，将关断时间提前。
参考图4所示，示意了固定导通时间产生电路的电路结构，I1和I2均为与Vin成比例关系的电流源(亦可认为I1和I2均由Vin产生)，可令I1＝Vin/k1，I2＝Vin/k2，duty cycle为降压型变换器主功率开关管M1的占空比，duty cycle用于控制开关Q4，通过电流源I1对电容C1充电，从而形成基准电压Vref2，电流源I2对电容C2充电，通过开关Q5放电，形成斜坡信号。通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
升高基准电压可以通过增大电流源I1来实现，举例来说，可以为I1设置两个不同大小的电流源，在处于断续导通工作模式下，选择较大的电流源以延长导通时间，在连续导通工作模式下，选择较小的电流源，根据工作模式信号CM的状态来选择；在此基础上，若需要更大的选择范围，则可设置两个以上不同大小的I1，由工作模式信号CM通过增设一个加减计数器来实现多位选择。
改变斜坡信号的斜率可以通过增大电容C2，其具体的选择方法可以参照I1的选择，即可以设置多个不同大小的电容作为C2，并由工作模式信号CM进行选择，当处于断续导通工作模式下，增大选择较大电容；也可以通过降低电流源I2来实现，其具体选择方法同样可以参考I1的选择。
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)
1.一种降压型变换器的过零调节电路，包括过零比较器，所述的过零比较器的第一输入端接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考零电压信号，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；其特征在于：
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，所述的过零调节电路适用于高频应用，它还包括参考零电压信号产生电路和工作模式判断电路，
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则由参考零电压信号产生电路相应地升高参考零电压信号；
当所述工作模式判断电路判断降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
2.根据权利要求1所述的降压型变换器的过零调节电路，其特征在于：所述的工作模式判断电路包括分频电路和第一逻辑电路，所述的分频电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号，产生表征在多个连续开关周期内电感电流方向是否均为正方向的第一判断信号，所述第一判断信号输入至第一逻辑电路，所述的第一逻辑电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第二状态信号和过零比较器输出的过零信号，根据第二状态信号和过零信号产生表征电感电流方向是否负方向的第二判断信号，第一逻辑电路根据第一判断信号和第二判断信号输出表征降压型变换器工作模式的工作模式信号，根据工作模式信号判断降压型变换器的工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的降压型变换器的过零调节电路，其特征在于：所述固定导通时间的控制模式是指，通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
4.根据权利要求1或2所述的降压型变换器的过零调节电路，其特征在于：所述的参考零电压信号产生电路包括电流方向判断电路、第二逻辑电路、加减计数器和数模转换电路，所述的电流方向判断电路的第一输入端接收同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考电压，其输出端输出电流方向信号至第二逻辑电路，第二逻辑电路接收电流方向信号后输出计数信号，所述的加减计数器接收计数信号并输出相应的数字信号，所述的数模转换电路接收所述数字信号，经数模转换后输出相应的参考零电压信号至过零比较器的第二输入端。
5.根据权利要求4所述的降压型变换器的过零调节电路，其特征在于：所述的电流方向信号经第二逻辑电路处理后，产生表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号和第二状态信号。
6.一种降压型变换器的过零调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
所述的降压型变换器采用固定导通时间的控制模式，在高频应用下，采用过零比较器分别接收降压型变换器的同步开关管的漏极电压信号和参考零电压信号，对二者进行比较，当所述漏极电压信号达到参考零电压信号时控制同步开关管关断；
当同步开关管关断时电感电流为正的情况下，则相应地降低参考零电压信号，当同步开关管关断时电感电流为负的情况下，则相应地升高参考零电压信号；
当降压型变换器为断续导通工作模式时，则相应延长主功率开关管的导通时间，以延长同步开关管的开关周期。
7.根据权利要求6所述的降压型变换器的过零调节方法，其特征在于：通过工作模式判断电路判断降压型变换器的工作模式，所述的工作模式判断电路包括分频电路和第一逻辑电路，所述的分频电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号，产生表征在多个连续开关周期内电感电流方向是否均为正方向的第一判断信号，所述第一判断信号输入至第一逻辑电路，所述的第一逻辑电路接收表征同步开关管关断时电感电流方向的第二状态信号和过零比较器输出的过零信号，根据第二状态信号和过零信号产生表征电感电流方向是否负方向的第二判断信号，第一逻辑电路根据第一判断信号和第二判断信号输出表征工作模式降压型变换器工作模式的工作模式信号，根据工作模式信号判断降压型变换器的工作模式。
8.根据权利要求6或7所述的降压型变换器的过零调节方法，其特征在于：所述固定导通时间的控制模式是指，通过对基准电压和斜波信号的比较来产生导通时间；所述的延长开关周期是指升高基准电压以延长导通时间或者改变斜坡信号的斜率以延长导通时间。
9.根据权利要求6或7所述的降压型变换器的过零调节方法，其特征在于：所述的参考零电压信号由参考零电压信号产生电路产生，所述的参考零电压信号产生电路包括电流方向判断电路、第二逻辑电路、加减计数器和数模转换电路，所述的电流方向判断电路的第一输入端接收同步开关管的漏极电压信号，其第二输入端接收参考电压，其输出端输出电流方向信号至第二逻辑电路，第二逻辑电路接收电流方向信号后输出计数信号，所述的加减计数器接收计数信号并输出相应的数字信号，所述的数模转换电路接收所述数字信号，经数模转换后输出相应的参考零电压信号至过零比较器的第二输入端。
10.根据权利要求9所述的降压型变换器的过零调节方法，其特征在于：所述的电流方向信号经第二逻辑电路处理后，产生表征同步开关管关断时电感电流方向的第一状态信号和第二状态信号。
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