CN104578722A - 一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路 - Google Patents

一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路 Download PDF

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Abstract

一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，包括：功率开关管，漏极与被检测的电感相连接，其源极通过采样电阻接地；第一比较器，正相输入端与功率开关管的源极相连接，反相输入端连接第一比较电压，其输出端用于输出关断信号；RS触发器的R输入端与第一比较器的输出端相连接，用于接受关断信号，其输出端通过驱动级与功率开关管的栅极相连接；过零比较器的输出端与RS触发器的S输入端相连接，用于产生并输出开启信号；过零检测模块用于实现副边电感电流的过零检测，进而控制功率开关管的关断。利用本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，实现了可集成化的过零检测的技术方案。

Description

一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路
技术领域
本发明涉及一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路。
背景技术
现有的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路如图1所示，在功率开关芯片中，经常采用断续或者临界工作模式应用，通过检测变压器7的原边电感上的峰值电流控制功率开关管4的关断，检测变压器7的副边电感上电流过零控制功率开关管4开启。如图1所示,功率开关管4导通期间，变压器7原边电感电流不断增加，将原边电感电流经过采样电阻5(RCS)采样后产生VCS信号，通过比较器1与第一基准电压VREF进行比较，通过RS触发器2产生关断信号，再通过驱动级3关闭功率开关管4，即检测峰值电流控制关断；功率开关管4关闭以后，变压器7副边电感电流逐渐减小到零，通过外置辅助绕组或者反馈分压网络A产生过零检测信号VFB，再通过过零比较器6与第二基准电压VREF1进行比较，通过RS触发器2产生开启信号，再通过驱动级3打开功率开关管4，即检测副边电感电流过零控制开启；所以，如何检测副边电感电流过零成为这种控制架构的关键核心技术。
传统的过零检测电路通常通过增加辅助绕组或者通过检测原边电感电压分压来实现。这些过零检测方式通常都需要增加外围器件和芯片引脚，进而增加了系统成本。一方面外围器件需要器件成本；另一方面，还增加了PCB板的面积，对于很多对面积要求严格的应用(小体积LED照明器材)影响很大。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，无需任何外围器件和芯片引脚，可集成于芯片内，在片内实现副边电感电流过零检测。
本发明一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，包括：功率开关管，所述功率开关管的漏极与被检测的电感相连接，其源极通过采样电阻接地；第一比较器，所述第一比较器的正相输入端与所述功率开关管的源极相连接，反相输入端连接第一比较电压，其输出端用于输出关断信号；RS触发器，所述RS触发器的R输入端与所述第一比较器的输出端相连接，用于接受关断信号，其输出端通过驱动级与所述功率开关管的栅极相连接；过零比较器，所述过零比较器的输出端与所述RS触发器的S输入端相连接，用于产生并输出开启信号；还包括过零检测模块，所述过零检测模块，具备两个输入端和两个输出端，其中第一输入端与所述功率开关管的漏极相连接，第二输入端与所述功率开关的栅极相连接，第一输出端与所述过零比较器的反相输入端相连接，第二输出端与所述过零比较器的正相输入端相连接，所述过零检测模块用于实现副边电感电流的过零检测，进而控制所述功率开关管的关断。
具体的，所述过零检测模块包括第一检测支路和第二检测支路；
所述第一检测支路包括第一高压MOS管，所述第一高压MOS管的漏极与所述过零检测模块的第一输入端相连接，其源极通过相串联的第一分压电阻和第二分压电阻接地，其栅极通过控制模块与所述过零检测模块的第二输入端相连接，所述控制模块用于控制第一高压MOS管的关断，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间形成第一输出节点，所述过零检测模块的第一输出端与所述输出节点相连接；
所述第二支路的一端连接芯片内置电源，另一端与所述过零检测模块的第二输出端相连接，用于对所述过零比较器提供直流电压。
具体的，所述控制模块具备：
第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述过零检测模块的第二输入端相连接，源极连接芯片内置电源，漏极通过第五电阻与所述第一高压MOS管的栅极相连接；
第四MOS管，所述第四MOS管的栅极与所述过零检测模块的第二输入端相连接，源极接地，漏极与所述第一高压MOS管的栅极相连接。
具体的，所述控制模块还包括二极管，所述二极管的正极与所述第四MOS管的漏极相连接，负极与所述第三MOS管的漏极相连接，所述二极管用于保证第一高压MOS管的栅极不被击穿。
具体的，所述第二支路包括顺次串联的第二高压MOS管，第三分压电阻和第四分压电阻，所述第二高压MOS管的漏极与芯片内置电源相连接，其栅极与漏极短接，其源极通过相串联的所示第三分压电阻和第四分压电阻接地，所示第三分压电阻和所述第四分压电阻之间形成第二输出节点，与所述过零检测模块的第二输出端相连接。
利用本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，实现了可集成化的过零检测的技术方案。
附图说明
图1是现有的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路；
图2是本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路；
图3是过零检测模块的结构图；
图4是本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路的最佳实施方式；
图5是本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路的另一种实施方式。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。图1是现有的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，图2是本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，增加了过零比较模块B取代现有技术中外置辅助绕组或者反馈分压网络A，从而控制功率开关管4的开启，即检测变压器7的副边电感电流过零控制开启，因此，第一比较器1、RS触发器2、驱动级3和采样电阻5的功能与现有技术相同，这里不再赘述。
过零检测模块B的第一输入端与功率开关管4的漏极相连接，第二输入端与功率开关管4的栅极相连接。图3是过零检测模块的结构图，过零检测模块B包括两条支路，第一支路包括第一高压MOS管8，其漏极与第一输入端相连接，栅极通过控制模块与第二输入端相连接，源极通过相串联的第一分压电阻9(阻值为R1)与第二分压电阻10(阻值为R2)接地，第一分压电阻9与第二分压电阻10之间形成第一输出节点与过零检测模块B的第一输出端相连接；
第一高压MOS管8的控制模块包括：第三MOS管17，第三MOS管17的栅极与过零检测模块B的第二输入端相连接，漏极连接芯片内置电源VCC，源极通过第五电阻15(阻值为Rz)与第一高压MOS管8的栅极相连接，第四MOS管16的栅极过零检测模块B的第二输入端相连接，源极接地，漏极与第一高压MOS管8的栅极相连接，另外还包括二极管14，正极与第四MOS管16的漏极相连接，二极管14的负极与第三MOS管17的漏极相连接。
第二支路为第二MOS管11、第三分压电阻12(阻值为R3)和第四分压电阻13(阻值为R4)相串联而成的支路，第二MOS管11的漏极连接芯片内置电源VCC，栅极与漏极短接，源极通过相串联的第三分压电阻12和第四分压电阻13接地。第三分压电阻12和第四分压电阻13之间形成第二输出节点与过零检测模块B的第二输出端相连接。
过零检测模块B的第一输出端与过零比较器6的反向输入端相连接，第二输出端与过零比较器6的正相输入端相连接。
以下结合附图4对本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路的工作原理进行说明。
首先，当功率开关管4导通期间，变压器7原边电感电流不断增加，将原边电感电流经过采样电阻5采样后产生VCS信号，输入至第一比较器1中，当VCS信号与预设值VREF相等时，第一比较器1的输出信号Voc由低电平变为高电平，此时，Voc控制RS触发器2产生关断信号，在通过驱动级3关闭功率开关管4，即检测原边峰值电流控制关断。
当功率开关管4关闭后，变压器7副边电感电流逐渐减小到零的过程中反射电压被钳位，当变压器7副边电感电流变为零之后，原边电感两端电压开始振荡。因此功率开关管4寄生的栅漏电容Cgd1和驱动级3的输出阻抗Ro形成一个RLC二阶欠阻尼系统回路，因此在功率开关管4的漏极电压VD中产生个中频欠阻尼振荡(该频率取决于变压器7原边电感的电感量的大小和寄生电容Cgd1的容值的大小,中频振荡衰减的速度取决于驱动级3的输出阻抗的大小)。该振荡信号通过第一高压MOS管8的寄生电容Cgd2将交流信号耦合到第一高压MOS管8的栅极，产生一个围绕电源电压VCC振荡的中频信号，进一步通过第一高压MOS管8的源随作用将交流信号再次耦合到第一高压MOS管8的源极，并通过第一分压电阻9和第二分压电阻10分压产生一个围绕一确定直流电压波动的中频振荡信号即为过零检测信号，该直流电压的值为(VCC-VGS8)*R2/(R1+R2)(其中VCC为电源电压，VGS8为第一高压MOS管8的导通时的栅源电压)。该过零检测信号通过过零检测模块B的第一输出端输入至过零比较器6的反相输入端，用于产生过零开启电压Vzcd输入至RS触发器的S输入端，再通过驱动级3开启功率开关管4。
过零检测模块B的第二支路的输出信号为(VCC-VGS11)*R4/(R3+R4)(其中VGS11为第二高压MOS管11的导通时的栅源电压)。因此，通过设置第一分压电阻9、第二分压电阻10、第三分压电阻12和第四分压电阻13的阻值的比例，能够使得两个输出信号的差值的绝对值小于围绕(VCC-VGS8)*R2/(R1+R2)的中频振荡信号的幅值。在设计中采用相同尺寸的高压MOS管实现在过零检测过程中第一高压MOS管8的栅源电压VGS8和第二高压管11的栅源电压VGS11的匹配，采用同种类型的电阻，并在版图设计过程中采用匹配的布局，能很有效的避免因工艺参数和外围条件改变引起的过零比较器6(ZCD_COMP)输入端电压的不能很精确匹配的现象。
以下，对电感电流过零的流程进行说明。该控制模块由第三MOS管17、第四MOS管16，二极管14和第五电阻15构成。当功率开关管4的栅极电压VG1为高电平时，此时第三MOS管17关断，第四MOS管16导通，因此第一高压MOS管8的栅极电压VG2为低电平，第一高压MOS管8关断，进而功率开关管4导通，流过变压器7原边电感电流增大，当原边电感电流流过采样电阻5产生的信号VCS大于VREF时，比较器1工作产生关断功率开关管4的控制信号，并通过RS触发器2的锁存以及驱动电路3使得功率开关管4的栅极电压VG1变为低电平，控制功率开关管4的关断；当功率开关管4的栅极电压VG1为低电平，此时第三MOS管17导通，第四MOS管16关断，第一高压MOS管8的栅极电压VG2为通过第五电阻15和二极管14接到内部电源电压VCC，第一高压MOS管8导通，功率开关管4关断，流过变压器7副边电流减小至零，通过过零检测电路检测使得比较器6产生导通功率开关管4的控制信号，并通过RS触发器2的锁存以及驱动电路3使得当功率开关管4的栅极电压VG1变为高电平，控制功率开关管4的导通。
综上，在实施电路中，通过对第一高压MOS管8的栅极电压和内部电源电压通过第五电阻RZ进行隔离，将电感电流降到零时在功率开关管4漏端产生的中频振荡电压转化成在过零比较器6的输入端的过零信号，实现副边电感电流的过零检测，控制功率开关管开启的功能。
另外，本发明的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路也能够应用在如图5所示的单电感的功率开关控制芯片中。

Claims (5)

1.一种功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，包括：功率开关管，所述功率开关管的漏极与被检测的电感相连接，其源极通过采样电阻接地；第一比较器，所述第一比较器的正相输入端与所述功率开关管的源极相连接，反相输入端连接第一比较电压，其输出端用于输出关断信号；RS触发器，所述RS触发器的R输入端与所述第一比较器的输出端相连接，用于接受关断信号，其输出端通过驱动级与所述功率开关管的栅极相连接；过零比较器，所述过零比较器的输出端与所述RS触发器的S输入端相连接，用于产生并输出开启信号；其特征在于，还包括过零检测模块，所述过零检测模块，具备两个输入端和两个输出端，其中第一输入端与所述功率开关管的漏极相连接，第二输入端与所述功率开关的栅极相连接，第一输出端与所述过零比较器的反相输入端相连接，第二输出端与所述过零比较器的正相输入端相连接，所述过零检测模块用于实现副边电感电流的过零检测，进而控制所述功率开关管的关断。
2.如权利要求1所述的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，其特征在于，所述过零检测模块包括第一检测支路和第二检测支路；
所述第一检测支路包括第一高压MOS管，所述第一高压MOS管的漏极与所述过零检测模块的第一输入端相连接，其源极通过相串联的第一分压电阻和第二分压电阻接地，其栅极通过控制模块与所述过零检测模块的第二输入端相连接，所述控制模块用于控制第一高压MOS管的关断，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间形成第一输出节点，所述过零检测模块的第一输出端与所述输出节点相连接；
所述第二支路的一端连接芯片内置电源，另一端与所述过零检测模块的第二输出端相连接，用于对所述过零比较器提供直流电压。
3.如权利要求2所述的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，其特征在于，所述控制模块具备：
第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述过零检测模块的第二输入端相连接，源极连接芯片内置电源，漏极通过第五电阻与所述第一高压MOS管的栅极相连接；
第四MOS管，所述第四MOS管的栅极与所述过零检测模块的第二输入端相连接，源极接地，漏极与所述第一高压MOS管的栅极相连接。
4.如权利要求3所述的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，其特征在于，所述控制模块还包括二极管，所述二极管的正极与所述第四MOS管的漏极相连接，负极与所述第三MOS管的漏极相连接，所述二极管用于保证第一高压MOS管的栅极不被击穿。
5.如权利要求2所述的功率开关芯片中电感电流的过零检测电路，所述第二支路包括顺次串联的第二高压MOS管，第三分压电阻和第四分压电阻，所述第二高压MOS管的漏极与芯片内置电源相连接，其栅极与漏极短接，其源极通过相串联的所示第三分压电阻和第四分压电阻接地，所示第三分压电阻和所述第四分压电阻之间形成第二输出节点，与所述过零检测模块的第二输出端相连接。
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