CN105301338B - 信号零交叉检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各方面提出出了检测交叉，如零交叉可以解决电路操作的问题。根据实施例，实现了用于在各自的时间周期内检测电信号的信号交叉的两个或更多的电路，使得始终有至少一个电路被操作为检测交叉。每个电路有复位状态，控制它可以保证至少一个电路仍处于检测零交叉的操作。

Description

信号零交叉检测装置及方法

技术领域

本发明涉及检测信号交叉，例如零交叉。

背景技术

检测交叉点，例如零交叉点，可以用于各种应用，例如用于众多产品的电路驱动器中。各种用于各种目的的检测交叉点的方法被实现。例如，它可以检测零位电流状态，以便于停止电路，电路在这种情况下操作可能会受损，或者为了节约能源。

在各种ZCD(zero crossing detection零交叉或者zero current detection零电流检测电路)中，输入偏移电压可能与比较器一起存在(例如，在6sigma级/范围的高斯分布在10mV的范围内)一些高准确度比较器可能有剩余的输入偏移电压(例如在超过6sigma级/范围的高斯分布在3mv范围内)，它可能根据进程，电压和温度的变化而偏移。这样的比较器可能在操作中相对的慢。进一步的，低偏移量，例如3mV，对于特定应用可能是不能容忍的(例如，几百毫安可能通过开关呈现低导通电阻)

这些及其他问题给高精度和快速交叉检测带来挑战，用于各种应用的实现。

发明内容

各种实施例的例子涉及ZCD电路和它们的实现。

根据实施例的一个例子，一种装置包括第一交叉检测电路、第二交叉检测电路和复位电路。交叉检测电路分别在第一时间周期和第二时间周期内检测电信号的信号交叉，信号交叉与固定值(如零)有关。复位电路在第二时间周期运行的时候，复位第一交叉检测电路，在第一时间周期运行的时候，复位第二交叉检测电路。用这样的方法，始终至少有一个电路是在操作的，使得电路(结合)响应于在任一个时间周期内信号跨过固定值而提供信号交叉检测输出。

另外，还提供第一装置和第二装置，在各自的时间周期检测信号交叉，在任一个时间周期内提供指示信号交叉的输出。类似于上述的，执行复位操作以使得各自的装置在不同时间复位(也就是说，在操作期间始终维持至少一个装置监测零交叉)。在特定的实施例中，开关装置响应于检测到信号交叉而终止电路的操作。例如，开关装置连接电源到负载，负载响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出而去耦。在各种实施例中，用电容器来采样用于检测零交叉的电路的值，连接比较器来比较电容器的输出以提供指示交叉检测的输出。

其他的实施例提供了涉及一个或多个之前讨论的内容的方法。在一些实施例中，当检测到信号交叉时，停止一个或多个电路的操作。例如，在这样的状况下可能断开负载。在特定的实施例中，在复位状态下，对电容性电荷进行放电。

在上述的讨论/概述中，不需要描写每个实施例或者每个实现方式。下面的图形和详细说明例证各个实施例。

各种这里讨论的实施例是可以有变形或代替方式的，其中有些已经显示在图中，后面会详细描述。应该理解的是，本发明的思想并不被特定的实施例的描述所限制。相反的，本发明的思想涵盖了本发明的权利要求的范围内的所有的修改，等同和替换。另外，贯穿本申请的词语“例如”只是用来举例，而非限制。

本发明的各个方面被认为是适用于涉及零交叉检测的多种类型的装置、系统和方法。没有限制，各个方面都可能用上下文的例子提到。

各种实施例的例子提到自动校零，ZCD电路和相关方法，可以用用于各种电路的相关的ZCD检测方案来实现。ZCD电路与两个或更多的检测元件一起操作，分别在另一个检测元件正在监侧零交叉的情况下进行复位。在各个实施例中，ZCD电路被用于解决例如那些在背景技术中讨论过的的问题，它可能被应用在例如同步增压调节器中。

在一些特定的实施例中，操作ZCD电路以保护基于电感的电路(例如升压调节器)中的高侧(high-side)开关(例如MOSFET开关)。为了更高效率的综合设计可能用功率二级管代替实现。当流过高侧开关的电流是零的时候，开关被关断或者禁用，以保护系统，这也可能实现节能。在开关操作期间在至少一个元件是运行的期间，根据双相位检测方案，每一个检测元件操作为执行自动校零函数。相应地，提供了恒定的零交叉监视和相关的保护。进一步的，该方法可能被用于脉冲宽度调制(PWM)或者非脉宽调制应用，例如那些涉及脉冲频率调制(PFM)的应用。

在各个实施例中，每个检测元件以减轻或者阻止检测元件的检测零交叉的能力的方式来归零电容。同样地，元件彼此相关，以保证至少一个元件监测零交叉，始终保护相关电路。

更多详细实施例提出具有第一和第二交叉检测电路的装置，分别在第一和第二时间周期检测电信号的信号交叉(如零电流)。复位电路通过在其他检测电路正在监测交叉(通过复位存储的值)的时间期间内控制复位执行来复位每个交叉检测电路。提供指示信号交叉的输出，例如，用于断开或者禁用可能在这样的情况下受损的电路，或者是为了节省功率。

在一些实施例中，升压调节器电路和第一交叉检测电路和第二交叉检测电路一起响应于第一和第二交叉检测电路检测信号交叉来终止升压调节器的操作。在其他的实施例中，发光二极管(LED)和LED电流控制器响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出来去耦到LED的电流。

在各种实施例中，基于零交叉检测，用开关来断开负载。例如，如同在这里描述的ZCD检测电路，或者相关的控制电路，可操作为在检测到零交叉的时候断开这种开关。在一些实施例中，基于开关两端的电压值来检测交叉信号，并且响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出，将关断开。

在更详细的实施例中，这样的开关耦合电源到负载，每个交叉检测电路包括耦合到与开关串联的电路结点的电容器，并被操作为采样和保存值。交叉检测电路基于样本值产生信号交叉检测输出，并相应的控制开关。

在一些实施例中，控制器电路在不同于另一个交叉检测电路复位的时间期间来复位交叉检测电路，以确保始终的检测。在特定的实施例中，控制器电路操作第一交叉检测电路和第二交叉检测电路以保证当装置是有电的时候始终有至少一个电路被操作为检测信号。

附图说明

图1显示了根据实施例的一个例子的交叉检测电路；

图2显示了根据实施例另一个例子的基于电感器的脉冲宽度调制(PWM)升压LED驱动电路；

图3显示了根据实施例的另一个例子的双相位ZCD电路；

图4显示了根据一个或多个实施例的双相位自动校零ZCD电路的时钟图。

具体实施方式

各个举例的实施例可能更详细的说明。现在转到图中，图1显示了根据实施例的另一个例子的电路100。电源110向包含切断开关120的电路元件供电，它还向负载供电，各自的交叉检测电路130和140操作为监视提供到切断开关120的用于零交叉的信号。复位电路132和142分别操作为对各自的交叉检测电路130和140进行复位或者自动校零。

在一些实施例中，电路100根据以下操作。当第一时间周期是运行的时候，交叉检测电路130检测电信号的信号交叉，所述信号交叉与信号跨过的固定值有关(例如零值)。相似的，当第二时间周期是运行的时候，交叉检测电路140检测电信号的信号交叉，所述第一时间周期与第二时间周期是不同的。复位电路132和142(在一些实施例中结合)分别对各自的交叉检测电路130和140进行复位以保证不论何时两个交叉检测电路中的至少一个是在工作的。例如，交叉检测电路130的复位可以被限制在第二时间周期，以保证交叉检测电路140在该复位期间是激活的，从而保证能提供恒定的保护。当检测到交叉时，电路100提供指示该交叉的输出，例如禁用或者闭合切断的开关120。

图2显示了根据实施例另一个例子的基于电感器的脉冲宽度调制(PWM)升压LED驱动电路200。电源210经由电感器212，通过顶开关220供电，以驱动负载，这里显示了LED 230和电流控制器232，和LED驱动部分240的各自的电路形成部分的例子。前端PWM开关升压调节器元件包括经由反馈网络242连接到LED 230的升压转换器243，经由底开关244向升压转换器243供电。反馈网络242给出了提供到LED 230的电压和从顶开关220耦合到输出电容222的输出电压之间的比较。升压转换器243基于从双相位ZCD电路250的输出和反馈控制顶开关220的操作，这个可能根据一个或多个实施例进行描述。

双相位ZCD电路250用于检测通过顶开关220的电流为零的时刻，并且和PWM升压LED驱动电路200的其他元件一起操作来关断顶开关220，以节能和保护该电路。这样的零电流情况可能发生在调节器的平均输出电流在低水平的时候。该双相位ZCD电路250包括两个或更多的零交叉元件，零交叉元件监视零交叉，并且当PWM升压LED驱动电路200在工作的时候，操作使至少一个元件工作。零交叉元件中的每一个在另外一个监视零交叉元件监视零交叉的时间周期内执行复位功能。

PWM升压LED驱动电路200可能是在手持设备中实现，例如智能移动电话，智能移动电话采用2.5V-5V的输入电压和最大1.5A的输出电流(例如更高的输出电压)给例如LED设备的负载。例如，这样的输入功率可能通过锂电池或移动设备中的其他类型电池提供(例如2.5V-4.2V的电压范围)，基于电感器的升压调节器用于驱动系统。进一步的，PWM升压LED驱动电路200可能集成在单一芯片上。

图3显示了根据实施例的另一个例子的双相位ZCD电路300。该双相位ZCD电路300包括具有分别的单相位ZCD电路320和330的ZCD部分310，电路320和330各自具有比较器321/331，锁存器322/332，电容器323/333和324/334，和开关326/336，327/337和325/335，各自以类似的方式连接。“或”门340基于比较器321和331各自的输出提供输出ZCD_dout。

ZCD部分310为电源350监视零交叉，提供经由电感器360传到顶和底开关370和380的输出，各自通过二极管372和382来操作。更准确地，ZCD部分的各自的输入口in1和in2跨接在开关370的两端，该输入被提供到单相位ZCD电路320和330。在一些实施例中，操作控制电路390来控制开关325，326和327，以及335，336和337，以控制复位和监视ZCD部分310的模式。

关于单相位ZCD电路320，电容器323和324将功率信号与电源350分隔，能被用于输入补偿电压采样和保持。同样地，单相位ZCD电路320可能在来自那些电源350的不同的电压范围操作。电容器323和324的值被提供到比较器321，这将锁存器322设置为关于零交叉条件的检测(例如零电流条件)。锁存器322的输出，被提供到“或”门340，转而被用于在检测到零交叉时关断顶开关370。单相位ZCD电路330以类似的方式操作，关于相似标号电路。

单相位ZCD电路320和330关于彼此操作，当复位或者自动校零的操作在ZCD电路中的一个中执行时，保证ZCD电路的另一个继续监视零交叉。例如，自动零相位需要一些时间，该时间可能比监控周期更长，以致自动校零进程可能没有被充分完成，这就可能导致在电容器留下一些偏移量剩余。相应地，ZCD电路可操作解决这个问题，通过交替执行ZCD和提供用于校零操作的时间(例如完整PWM时钟器件加上停延时间)。

图4显示了根据一个或多个实施例的双相位自动校零ZCD电路的时钟图。例如，图4显示的各自的信号可能是图3中所实现的。PWM时钟信号被提供来各自的单相位ZCD电路320和330计时，它从“或”门340产生输出，对应与停延(Duty)和停延禁止(Duty_bar)信号。Duty或者Duty_bar信号各自基于零交叉的检测分别操作或者禁用顶开关。开关Ph1_1(327)，Ph1_2(325/326)，Ph2_1(337)和Ph2_2(335/336)是如如显示的执行的，用于当保持对顶开关370的监视时候执行自动校零。

也可用各种模块、组件或者其他电路来实现或执行本文描述的或者显示在图中的一个或多个操作和行动。在上下文中，“模块”(有时候也叫逻辑电路或者组件)是执行一个或多个相关操作或行动的电路(例如，提供图4的信号和开关控制，或者控制图1的模块130/132和142的交叉检测或自动校零功能)。例如，在上述讨论的特定的实施例中，一个或多个模块是离散逻辑电路或者可编程序逻辑电路，配置和布置为执行这些操作/行动，如图1所示的电路模块。在特定的实施例中，这种可编程电路是一个或多个计算电路程序执行一套(或多套)指令(和/或配置数据)。这些指令(和/或配置数据)可以是固件或存储在存储器中的软件的形式。例如，第一和第二模块包括CUP硬件电路和以固件形式的一套指令，其中第一模块包括第一CPU硬件电路具有一套指令，第二模块包括第二CPU硬件电路具有另外一套指令。另外，这里描述各种实施例都可以在特定的实施例中相结合，各种单独的实施例的各个方面可以作为单独的实施例实现。例如，图3和4的关于检测零交叉和自动零函数相关的方面可以与图1的模块一起执行。

特定实施例提出了计算机程序产品(例如非易失存储器设备)，包括机器或电脑可读媒介存储有如上的指令。

基于上述的讨论和解释，本领域的技术人员应该理解可以对各种实施例做各种修改和改变，而不严格按照上文描述的示范性的实施例和应用。例如各种类型的逻辑电路可以实现或执行相似的功能。这样的修改并不背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种信号零交叉检测装置，包括：

第一交叉检测电路，被配置和布置为当第一时间周期运行的时候，检测电信号的信号交叉，所述信号交叉与信号跨过的固定值相关；

第二交叉检测电路，被配置和布置为当第二时间周期运行的时候，检测电信号的信号交叉，所述第一时间周期与第二时间周期是不同的；

复位电路，被配置和布置为当第二时间周期运行的时候，复位第一交叉检测电路，当第一时间周期运行的时候，复位第二交叉检测电路；和

所述第一交叉检测电路和第二交叉检测电路被配置和布置为在第一时间周期和第二时间周期中任一个内响应于信号跨过所述固定值而提供信号交叉检测输出。

2.如权利要求1所述的装置，还包括升压调节器电路，被配置和布置为和第一交叉检测电路和第二交叉检测电路一起响应于第一交叉检测电路和第二交叉检测电路中的任意一个检测到信号交叉而终止升压调节器的操作。

3.如权利要求1所述的装置，所述第一交叉检测电路和第二交叉检测电路分别被配置和布置为通过检测指示零电流的信号交叉来检测所述信号交叉。

4.如权利要求1所述的装置，所述复位电路被配置和布置为通过复位各自电容器电路上积累的电荷到参考值来复位第一交叉检测电路和第二交叉检测电路。

5.如权利要求1所述的装置，还包括发光二极管(LED)和LED电流控制器，该LED电流控制器被配置和布置为响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出来去耦到LED的电流。

6.如权利要求1所述的装置，还包括开关，被配置和布置为耦合电源到负载，其中第一交叉检测电路和第二交叉检测电路中的每一个被配置和布置为响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出，把开关切换到断开状态。

7.如权利要求1所述的装置，还包括开关，被配置和布置为耦合电源到负载，其中第一交叉检测电路和第二交叉检测电路的每一个被配置和布置为

基于开关两端的电压值检测信号交叉，和

响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出，操作开关为断开状态，在其中减轻到负载的零电流状态耦合。

8.如权利要求1所述的装置，

还包括开关，被配置和布置为耦合电源与负载，

其中，第一交叉检测电路和第二交叉检测电路包括耦合到与开关串联的电路结点的第一电容器和第二电容器，

其中，该开关被配置和布置为耦合电路结点，第一电容器和第二电容器被配置和布置为提供指示开关两端电压的样本值，和

第一交叉检测电路和第二交叉检测电路被配置和布置为基于样本值产生信号交叉检测输出。

9.如权利要求1所述的装置，

还包括开关，被布置为配置和耦合电源与负载，

其中，第一交叉检测电路和第二交叉检测电路中的每一个包括耦合到与开关串联的电路结点的第一电容器和第二电容器，第一电容器和第二电容器被配置和布置为采样和保存指示零交叉的值，第一交叉检测电路和第二交叉检测电路中的每一个被配置和布置为基于采样和保存的值检测零交叉。

10.如权利要求1所述的装置，还包括控制器电路，被配置和布置为通过在每一个时间内复位一个电路来复位第一交叉检测电路和第二交叉检测电路，一个电路复位的时间与另一个电路复位的时间互不相同。

11.如权利要求10所述的装置，所述控制器电路被配置和布置为操作第一交叉检测电路和第二交叉检测电路以保证当装置是有电的时候始终有至少一个电路是操作为检测信号的。

12.一种信号零交叉检测装置，包括：

第一装置，用于当第一时间周期运行的时候，检测电信号的信号交叉，所述信号交叉与信号跨过的固定值有关；

第二装置，用于当第二时间周期运行的时候，检测电信号的信号交叉，所述第一时间周期与第二时间周期是不同的；和

用于检测信号交叉的第一装置和第二装置被配置和布置为

在第一时间周期和第二时间周期中任一个内响应于信号跨过所述固定值而提供信号交叉检测输出，和

独立地在操作为复位状态，第一装置在一个时间期间内操作为复位状态，第二装置在该时间期间之外的时间期间内操作为复位状态。

13.如权利要求12所述的装置，还包括开关装置，被配置和布置为响应于第一装置和第二装置中的任意一个检测到信号交叉而终止电路的操作。

14.如权利要求12所述的装置，所述第一装置和第二装置分别被配置和布置为通过复位积累的电容电荷到参考值以操作为复位状态。

15.如权利要求12所述的装置，还包括开关装置和连接到该开关装置的负载，用于检测信号交叉的第一装置和第二装置被配置和布置为响应于指示信号交叉的信号交叉检测输出，操作开关装置以去耦负载。

16.如权利要求12所述的装置，

还包括开关，被配置和布置为耦合电源与负载，

其中，每个用于检测信号交叉的装置包括耦合到与开关串联的电路结点的第一电容器和第二电容器，和连接到该电容器的比较器，该比较器被配置和布置为基于每一个电容器提供的值之间的比较来提供输出，和

其中，用于检测信号交叉的第一装置和第二装置被配置和布置为基于比较器的输出来产生信号交叉检测输出。

17.一种信号零交叉检测方法，包括：

当第一时间周期运行的时候，通过第一电路检测电信号的信号交叉，所述信号交叉与信号跨过的固定值相关；

当第二时间周期运行的时候，通过第二电路检测电信号的信号交叉，所述第一时间周期与第二时间周期是不同的；

在第一时间周期和第二时间周期中任一个内响应于信号跨过所述固定值而提供信号交叉检测输出；和

独立地在操作第一电路和第二电路为复位状态，第一电路在一个时间期间内操作为复位状态，第二装置在该时间期间之外的时间期间内操作为复位状态。

18.如权利要求17所述的方法，还包括响应于由第一装置和第二装置中的任意一个检测到信号交叉而终止电路的操作。

19.如权利要求17所述的方法，其中独立的操作第一电路和第二电路为复位状态，包括独立的把第一电路和第二电路中积累的电容电荷放电到参考值。

20.如权利要求17所述的方法，还包括响应于在任一个时间周期内信号交叉的检测，使用信号交叉检测输出来断开负载，各自的时间周期覆盖负载操作期间的所有时间。