CN104518690B - 零电流侦测电路及直流转换器 - Google Patents

零电流侦测电路及直流转换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种零电流侦测电路，包括耦合至两晶体管的一电流镜，其中第一晶体管经第一电阻耦合至接地端，而第二晶体管经第二电阻耦合至侦测节点。该第一晶体管的输出耦合至第一比较器的负输入端，该第二晶体管的输出耦合至第一比较器的正输入端。当该第一比较器的正输入端的电压准位大于该第一比较器负输入端的电压准位时，该第一比较器输出一预定信号指示该侦测节点零电流的出现。

Description

零电流侦测电路及直流转换器
技术领域
本发明涉及一种零电流侦测电路及使用该零电流侦测电路的直流转换器。
背景技术
具有上下桥开关的直流转换器通常用于为中央处理器、内存等供电。当直流转换器工作于非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)下时，由于电感作用会有反向电流产生，反向电流无法对输出电流作贡献且消耗电能。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种利用零电流侦测电路侦测并抑制反向电流的直流转换器。
一种零电流侦测电路，包括：
一偏压电流源；
一电流镜，包括输入端、第一输出端及第二输出端，其中该输入端耦合至该偏压电流源；
一第一晶体管，与该第一输出端耦合并经第一电阻接地；
一第二晶体管，与该第二输出端耦合并经第二电阻与一侦测节点连接；
一第一比较器包括正输入端,负输入端与第一比较输出端，该正输入端耦合至该第二输出端，该负输入端耦合至该第一输出端；
电压嵌制单元，用于控制该第一比较器正输入端的电压摆动幅度；
当该第一比较器的正输入端的电压准位大于该第一比较器负输入端的电压准位时，该第一比较器输出一预定信号指示该侦测节点零电流的出现。
一直流转换器，包括：
一上桥开关连接一电源供应器；
一下桥开关耦合至该上桥开关与接地端之间，该上桥开关与该下桥开关之间形成一侦测节点；
一驱动器用于控制该上下、桥开关的导通与关断；
一电感器，耦合至侦测节点与电源输出端之间；
一零电流侦测电路耦合于该驱动器与该侦测节点之间，包括：一偏压电流源；
一电流镜，包括输入端、第一输出端及第二输出端，其中该输入端耦合至该偏压电流源；
一第一晶体管，与该第一输出端耦合并经第一电阻接地；
一第二晶体管，与该第二输出端耦合并经第二电阻与一侦测节点连接；
一第一比较器包括正输入端,负输入端与第一比较输出端，该正输入端耦合至该第二输出端，该负输入端耦合至该第一输出端；
电压嵌制单元，用于控制该第一比较器正输入端的电压准位摆动幅度以加快该第一比较器的反应速度；
当该第一比较器正输入端的电压准位大于该第一比较器负输入端的电压准位时，该第一比较器输出一预定信号指示该侦测节点零电流的出现，该驱动器根据该预定信号控制该下桥开关关断。
相较于现有技术，本发明的直流转换器包括一零电流侦测电路，当该直流转换器处于非连续工作模式下时，该零电流侦测电路侦测该上、下桥之间节点的反向电流，当有反向电流出现时，该零电流侦测电路输出一预定电流并使该下桥开关关断以节省能耗。进一步，当直流转换器由连续导通模式切换至非连续导通模式时，电压嵌制单元控制该第一比较器正输入端的电压准位摆动幅度以加快该第一比较器的反应速度。
附图说明
图1是本发明的直流转换器一实施方式电路结构示意图。
图2是图1所示的直流转换器的零电流侦测电路示意图。
图3是图1所示的直流转换器工作于非连续导通模式时的电感电流及侦测节点电压变化示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明的直流转换器10一实施方式电路结构示意图。该直流转换器10包括驱动器102、上桥开关104、下桥开关106、电感108、电容110、负载RL及输出端VOUT。该驱动器102用于控制该上、下桥开关104、106的导通与关断。该在本实施方式中，该上桥开关104为一PMOS(P-Metal Oxide Semiconductor)晶体管，该下桥开关106为一NMOS(N-Metal Oxide Semiconductor)晶体管。该上桥开关104的源极与一电压源VDD连接，该上桥开关104的漏极与该下桥开关106的漏极连接，该下桥开关106的源极接地。该上、下桥开关104、106的栅极与该驱动器102相连。该上桥开关104漏极与该下桥开关106的漏极之间的节点为侦测节点LX。该侦测节点LX经该电感108、该输出端VOUT与负载RL相连。该电容110串接于该输出端VOUT与该地之间。该直流转换器10还包括连接于该侦测节点LX与该驱动器102之间的零电流侦测电路120。该直流转换器10在非连续导通模式(DiscontinuousConduction Mode,DCM)下，零电流侦测电路120用于侦测该侦测节点LX的零电流，即侦测该上桥开关104关断，该下桥开关106导通时的该侦测节点LX处的反向电流Ir(如图1中所示)且当该侦测节点LX出现零电流时，该零电流侦测电路120输出一指示零电流的预定信号至该驱动器102，该驱动器102根据该预定信号将该下桥开关106关断。
请参阅图2，其为图1所示的零电流侦测电路120示意图。该零电流侦测电路120包括一偏压电流源122、一电流镜124、一零电流侦测单元126及一电压嵌制单元128。该偏压电流源122提供一直流偏压电压给输入端VIN。该电流镜124包括输入端VIN、第一PMOS晶体管M1、第二PMOS晶体管M2、第三PMOS晶体管M3、第一输出端V1及第二输出端V2。该输入端VIN与该偏压电流源122相连。该第一、第二、第三PMOS晶体管M1、M2、M3的栅极均与该输入端VIN电连接。该第一PMOS晶体管M1的漏极与该输入端VIN相连。该第一、第二、第三PMOS晶体管M1、M2、M3的源极均连接至电压源VDD的节点。该第二PMOS晶体管M2的漏极为第一输出端V1，该第三PMOS晶体管M3的漏极为第二输出端V2。本实施方式中，该第一、第二输出端V1、V2的输出电流值亦为IB。该侦测节点LX的电压计为VLX。
该零电流侦测单元126包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2及第一比较器CM1。该第一晶体管Q1与该第一电阻R1串接于该第一输出端V1与地之间。该第二晶体管Q2与该第二电阻R2串接于该第二输出端V2与侦测节点LX之间。该第一比较器CM1包括负输入端V-、正输入端V+及第一比较输出端Cout1，该负输入端V-与该第一输出端V1相连，该正输入端V+与该第二输出端V2相连，该第一比较输出端Cout1与该驱动器102电连接。
在本实施方式中，该第一、第二晶体管Q1、Q2为NPN型晶体管。该第一比较器CM1为具有高速且低输入偏移电压(High Speed&Low Input Offset)。该第一晶体管Q1的基极、集电极均与该第一输出端V1相连，该第一晶体管Q1的发射极经该第一电阻R1接地。该第二晶体管Q2的基极、集电极均与该第二输出端V2相连，该第二晶体管Q2的发射极经该第二电阻R2与侦测节点LX相连。在其它实施方式中，该第一、第二晶体管Q1、Q2为二极管，其中二极管的阳极与该第一、第二输出端V1、V2连接，二极管的阴极与该第一、第二电阻R1、R2连接。
该第一比较器CM1的负输入端V-电压准位为IB*R10+VBEQ1，其中R10表示电阻R1的阻值，VBEQ1表示第一晶体管Q1的顺向导通电压。该第一比较器CM1的正输入端V+的电压准位为IB*R20+VBEQ2+VLX，其中R20表示电阻R2的阻值，VBEQ2表示第二晶体管Q2的顺向导通电压。
该电压嵌制单元128包括第一NMOS晶体管ME1与第二比较器CM2。该第一NMOS晶体管ME1的漏极与该第二输出端V2相连接，该第一NMOS晶体管ME1的源极接地。该第二比较器CM2包括正输入端V+、负输入端V-及第二比较输出端Cout2。该第二比较器CM2的正输入端V+与第二输出端V2相连接，该第二比较器CM2的负输入端V-连接一参考电压Vref，该第二比较器CM2的第二比较输出端Cout2与该第一NMOS晶体管ME1的栅极电连接。
当该直流转换器10工作于非连续导通模式下，即轻负载时。请一并参阅图3，图3为本发明的直流转换器10工作于非连续导通模式时，该流经电感108的电流IL及侦测节点电压VLX变化示意图。在第一时间段T1，该驱动器102控制该上桥开关104导通、该下桥开关106关断，该电感108处于充电状态，且经该输出端VOUT为该负载RL供电，该侦测节点LX处的电压VLX为正电压。则该第一比较器CM1负输入端V-的输入电压准位低于该正输入端V+的电压准位，该第一比较器CM1的第一比较输出端Cout1输出控制信号至该驱动器102，该驱动器102不受该控制信号影响正常控制该上桥开关104导通、该下桥开关106关断，即该零电流侦测电路120不工作。
在第二时间段T2，该驱动器102控制该上桥开关104关断、该下桥开关106导通，该电感处于放电状态经并经该输出端VOUT为该负载RL供电，该侦测节点LX处的电压VLX为负电压，则该第一比较器CM1负输入端V-的输入电压准位高于该正输入端V+的电压准位，该第一比较器CM1的第一比较输出端Cout1输出第一控制信号至该驱动器102，该驱动器102在该第一控制信号下正常工作。
在第三时间段T3，该侦测节点LX出现零电流，同时该侦测节点LX的电压VLX大于零时，该第一比较器CM1的正输入端V+的输入电压准位大于该负输入端V-的电压准位，该第一比较器CM1输出第二控制信号至该驱动器102，该驱动器102根据该第二控制信号强制关断该下桥开关106，即该上桥开关104与该下桥开关106同时关断。从而，抑制反向电流Ir的出现提高直流转换器10处于非连续导通模式的转换效率。在本实施方式中，通过改变该第一电阻R1、第二电阻R2的阻值可实现反向电流准位的改变。该第一电阻R1、第二电阻R2为高阻值电阻，从而当侦测节点LX有静电发生时，可有效保护该零电流侦测电路102不受静电损坏。
当该直流转换器10由连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)切换至非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)，即为重载(heavy load)模式切换至轻载(light load)模式时，若无电压嵌制单元128，该侦测节点LX的电压VLX有升高趋势，从而该第一比较器CM1正输入端V+电压准位升高，使该第一比较器CM1转换输出第二控制信号的反应速度降低。
而在本案的直流转换器10中，当该第一比较器CM1的正输入端V+的电压准位高于该参考电压Vref时，该第二比较器CM2的第二比较输出端Cout2输出一控制信号使该第一NMOS晶体管ME1导通，该第一比较器CM1的正输入端经导通的第一NMOS晶体管ME1将第一比较器CM1正输入端V+嵌制在参考电压Vref电压准位，从而可通过调整参考电压Vref电压准位将该第一比较器CM1正输入端V+的输入电压限制于一预定范围内。该第一比较器CM1的负输入端V-与第一比较器CM1的正输入端V+的差值控制在一预定范围内，以增加该第一比较器CM1的反应速度。该在本实施方式中，该控制信号为高准位信号。
进一步，当直流转换器10工作于连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)时，通过调整该参考电压Vref的电压准位，使得该第一比较器CM1正输入端V+的电压准位不会随侦测节点LX电压的变化而变化，以使该直流转换器10工作于连续导通模式时不受该零电流侦测电路120的影响。
前述的直流转换器10包括侦测反向电流的零电流侦测电路120，且当反向电流出现时，即侦测节点LX出现零电流，同时该侦测节点LX的电压VLX为零时，该零电流侦测电路输出一控制信号使该驱动器关断该下桥开关，从而避免反向电流的出现，进而提高直流转换器10的工作效率。进一步，当直流转换器10由连续导通模式切换至非连续导通模式时，通过调整参考电压Vref将第一比较器CM1正输入端V+的输入电压限制于一预定范围内以加快该第一比较器CM1的反应速度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种零电流侦测电路，包括：
一偏压电流源；
一电流镜，包括输入端、第一输出端及第二输出端，其中该输入端耦合至该偏压电流源；
一第一晶体管，与该第一输出端耦合并经第一电阻接地；
一第二晶体管，与该第二输出端耦合并经第二电阻与一侦测节点连接；
一第一比较器包括正输入端与负输入端，该正输入端耦合至该第二输出端，该负输入端耦合至该第一输出端；
电压嵌制单元，用于在该第一比较器正输入端的电压超过参考电压时钳制该第一比较器的正输入端为参考电压，以加快该第一比较器的反应速度；
当该第一比较器的正输入端的电压准位由小于该第一比较器负输入端的电压准位变化为大于该第一比较器负输入端的电压准位时，该第一比较器输出一预定信号指示该侦测节点零电流的出现；
通过调整参考电压电压准位将该第一比较器正输入端的输入电压限制于一预定范围内；当该第一比较器负输入端与正输入端的差值越小时，该第一比较器的反应速度越快。
2.如权利要求1所述的零电流侦测电路，其特征在于，改变该第一电阻、第二电阻的阻值实现侦测反向电流准位的改变。
3.如权利要求1所述的零电流侦测电路，其特征在于，该第一比较器包括负输入端、正输入端及第一比较输出端，该负输入端与该第一输出端相连，该正输入端与该第二输出端相连，该第一比较输出端用于输出指示信号。
4.如权利要求1所述的零电流侦测电路，其特征在于，该第一、第二晶体管为NPN型晶体管，该第一晶体管的基极、集电极均与该第一输出端相连，该第一晶体管的发射极经该第一电阻接地；该第二晶体管的基极、集电极均与该第二输出端相连，该第二晶体管的发射极经该第二电阻与侦测节点相连。
5.如权利要求1所述的零电流侦测电路，其特征在于，该第一、第二晶体管为二极管，且两个二极管的阳极分别与该第一、第二输出端连接，两个二极管的阴极分别与该第一、第二电阻连接。
6.如权利要求1所述的零电流侦测电路，其特征在于，该电压嵌制单元包括第一NMOS晶体管与第二比较器；该第一NMOS晶体管的漏极与该第二输出端相连接，该第一NMOS晶体管的源极接地；该第二比较器包括正输入端、负输入端及第二比较输出端；该第二比较器的正输入端与第二输出端相连接，该第二比较器的负输入端连接一参考电压，该第二比较输出端与该第一NMOS晶体管的栅极电连接。
7.一种直流转换器，包括：
一上桥开关连接一电源供应器；
一下桥开关耦合至该上桥开关与接地端之间，该上桥开关与该下桥开关之间形成一侦测节点；
一驱动器用于控制该上、下桥开关的导通与关断；
一电感器，耦合至侦测节点与电源输出端之间；
一零电流侦测电路耦合于该驱动器与该侦测节点之间，包括：一偏压电流源；
一电流镜，包括输入端、第一输出端及第二输出端，其中该输入端耦合至该偏压电流源；
一第一晶体管，与该第一输出端耦合并经第一电阻接地；
一第二晶体管，与该第二输出端耦合并经第二电阻与一侦测节点连接；
一第一比较器包括正输入端与负输入端，该正输入端耦合至该第二输出端，该负输入端耦合至该第一输出端；
电压嵌制单元，用于控制该第一比较器正输入端的电压准位超过参考电压时钳制该第一比较器的正输入端为参考电压；
当该第一比较器正输入端的电压准位由小于该第一比较器负输入端的电压准位变化为大于该第一比较器负输入端的电压准位时，该第一比较器输出一预定信号指示该侦测节点零电流的出现，该驱动器根据该预定信号控制该下桥开关关断；
通过调整参考电压电压准位将该第一比较器正输入端的输入电压限制于一预定范围内；当该第一比较器负输入端与正输入端的差值越小时，该第一比较器的反应速度越快。
8.如权利要求7所述的直流转换器，其特征在于，在第一时间段，该驱动器控制该上桥开关导通、该下桥开关关断，该电感处于充电状态，且经该输出端为负载供电，该侦测节点处的电压为正电压，则该第一比较器负输入端的输入电压准位低于该正输入端的电压准位，该第一比较器的第一比较输出端输出控制信号至该驱动器，该驱动器不受该控制信号影响正常控制该上桥开关导通、下桥开关关断。
9.如权利要求8所述的直流转换器，其特征在于，在第二时间段，该驱动器控制该上桥开关关断、该下桥开关导通，该电感处于放电状态并经该输出端为该负载供电，该侦测节点处电压为负电压，则该第一比较器负输入端的输入电压准位高于该正输入端的电压准位，该第一比较器的第一比较输出端输出第一控制信号至该驱动器，该驱动器在该第一控制信号下正常工作。
10.如权利要求7所述的直流转换器，其特征在于，在第三时间段，该侦测节点出现零电流时，该第一比较器的正输入端的输入电压准位大于该负输入端的电压准位，该第一比较器输出第二控制信号至该驱动器，该驱动器根据该第二控制信号强制关断该下桥开关以抑制反向电流。
11.如权利要求7所述的直流转换器，其特征在于，该电压嵌制单元包括第一NMOS晶体管与第二比较器；该第一NMOS晶体管的漏极与该第二输出端相连接，该第一NMOS晶体管的源极接地；该第二比较器包括正输入端、负输入端及第二比较输出端；该第二比较器的正输入端与第二输出端相连接，该第二比较器的负输入端连接一参考电压，该第二比较输出端与该第一NMOS晶体管的栅极电连接。
12.如权利要求11所述的直流转换器，其特征在于，当直流转换器由连续导通模式切换至非连续导通模式时，该第一比较器的正输入端的电压准位高于该参考电压时，该第二比较器输出一控制信号使该第一NMOS晶体管导通，该第一比较器的正输入端经导通的第一NMOS晶体管将第一比较器正输入端嵌制在参考电压准位，从而通过调整参考电压电压准位将该第一比较器正输入端的输入电压限制于一预定范围内以加快该第一比较器的反应速度。
13.如权利要求11所述的直流转换器，其特征在于，当直流转换器工作于连续导通模式时，通过调整该参考电压的电压准位，使得该第一比较器正输入端的电压准位不会随侦测节点电压的变化而变化。
14.如权利要求7所述的直流转换器，其特征在于，通过改变该第一电阻、第二电阻的阻值实现侦测反向电流准位的改变。
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