CN107124166B - 一种低功耗高速零电流开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低功耗高速零电流开关，包括延迟控制器、驱动级和功率管MN；延迟控制器的输入端连接外部时钟CLK，输出端连接驱动级的输入端，驱动级的输出端连接功率管MN的栅极；延迟控制器包括栅极信号产生器、采样电路和电流控制器，并组成一个负反馈回路；使得采样零电流开关的源漏间电压在导通和关断时刻的电压VON和VD最终稳定到0，实现功率管MN在导通和关断时源漏间电压为0。本发明不再使用高功耗的高速比较器，而是采用低功耗的延迟控制器，产生功率管的导通和关断信号；另外，通过使用低功耗的负反馈电路控制其延时，保证功率管在导通和关断时的零电流特性。

Description

一种低功耗高速零电流开关
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种零电流开关；主要涉及应用于车载电子，消费类产品等的分立集成电路，和应用于生物医疗植入式系统，消费类无线供电系统等片上系统(SOC)中的集成电路设计。
背景技术
零电流开关广泛的应用于各种开关电路中，例如DC-DC变换器，有源整流器等。零电流开关的作用是使开关在导通和关断的状态切换时，流经开关的电流为零，从而减小开关的导通损耗，提高开关电路的可靠性。
传统的零电流开关是基于比较器结构的。一般由功率MOS管和比较器组成。功率MOS一般由NMOS或者PMOS或者是NMOS，PMOS组成的CMOS管组成，功率管是电流的主通路。功率管的导通和关断实现电路连接和断开。比较器通过比较功率管两端的电压，控制功率管的导通和关断。当比较器两端电压为零时，控制功率管在导通和关断状态间切换，实现切换时流经功率管的电流为零。
传统的零电流开关在面临高速的需求比如高频有源整流器，高频DC-DC时，需要比较器具有较高速度。但是高速的比较器又会消耗更多的功耗，所以，更多的文献都致力于实现低功耗高速比较器，并解决高速比较器低功耗化后存在的问题。
文献“An efficiency-enhanced CMOS rectifier with unbalanced-biasedcomparators for transcutaneous-powered high-current implants，”(S.Guo andH.Lee,IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.44,NO.6,JUNE 2009)通过非平衡偏置电流的方法，在比较器的输入端引入了一个固定的失调电压VOS，实现了比较器关断沿的超前比较，从而在较低的功耗下实现了零电流开关的提前关断，提高了零电流开关的关断速度。
文献：“An integrated power-efficient active rectifier with offset-controlled high speed comparators for inductively-powered applications,”(H.Lee and M.Ghovanloo，IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I:REGULARPAPERS,VOL.58,NO.8,AUGUST 2011)则在以上研究基础上，通过控制非平衡电流的导通与关断，在比较器的输入端动态的引入两个失调电压VOS+和VOS-，实现了在一定功耗控制下，零电流开关的提前导通和关断。提速后的零电流开关使得应用它的有源整流器的工作频率达到了13.56MHz，处于工业、科研、医疗专用频率(ISM)规定的带宽内，可以实现植入式系统中的应用。然而，由于两个超前的失调电压使得比较器本身是一个不稳定的，软件仿真中会产生多重脉冲问题，实际应用甚至会由于振荡导致使用该零电流开关的电路工作失效。
文献：“A 13.56MHz CMOS Active Rectifier With Switched-Offset andCompensated Biasing for Biomedical Wireless Power Transfer Systems，”(Lu Yanand Ki Wing-Hung,IEEE Trans Biomed Circuits Syst,vol.8,pp.334-44,Jun 2014.)指出了上一篇文献中比较器使用两个失调电压会导致的多重脉冲和不稳定的问题，并通过开关失调(Switched-Offset)的方式予以解决。但是，该文献中仅仅是把上一篇文献中VOS+～VOS-的双失调电压减小为0～VOS-，降低了有源整流器发生不稳定的概率，并没有从根本上解决双失调电压所带来的稳定性问题。
文献：“Adaptive On/Off Delay-Compensated Active Rectifiers forWireless Power Transfer Systems，”(Lin Cheng，Wing-Hung Ki，Yan Lu,Tak-Sang Yim，IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.51,pp.712-723,2016.)和文献：“A Near-Optimum 13.56MHz CMOS Active Rectifier With Circuit-Delay Real-TimeCalibrations for High-Current Biomedical Implants，”(Cheng Huang，ToruKawajiri，Hiroki Ishikuro，IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.51,pp.1797-1809,2016.)则在前面的研究基础上，采用负反馈控制技术，自适应的控制非平衡电流的大小，从而控制失调电压的大小，也就是控制补偿的延时的大小。实现了零电流开关速度的提高。使用该零电流开关的有源整流器的转换效率也提升到90％左右。而对于双失调电压带来的不稳定的问题，文献：“Adaptive On/Off Delay-Compensated Active Rectifiersfor Wireless Power Transfer Systems，”(Lin Cheng，Wing-Hung Ki，Yan Lu,Tak-SangYim，IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.51,pp.712-723,2016.)采用一种one-shot电路，利用反馈置位的方式来消除不稳定的多重脉冲。然而，由于one-shot电路利用的是反馈信号，该反馈信号和比较器的输入存在竞争关系。一旦该反馈信号在时域上晚于比较器的输入，多重脉冲依然会产生。
传统的零电流开关在面临高速需求时，需要通过提高比较器速度来满足需求。可是高速的比较器一般会产生较大的功耗。诸多文献中采用的基于双失调电压技术的比较器可以实现较低功耗下较快速度的比较，可是双失调电压技术会导致零电流开关的不稳定，影响其可靠性。另外，由于失调电压能提供的延迟时间补偿有限，零电流开关中比较器仍然会消耗比较大的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗高速零电流开关，以解上述现有技术中高速零电流开关存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用入下技术方案：
一种低功耗高速零电流开关，包括延迟控制器、驱动级和功率管MN；延迟控制器的输入端连接外部时钟CLK，输出端连接驱动级的输入端，驱动级的输出端连接功率管MN的栅极；
延迟控制器包括栅极信号产生器、采样电路和电流控制器；
栅极信号产生器利用外部时钟信号CLK和电流控制器所控制的电流ION和ID产生零电流开关所需要的功率管MN栅极信号VGN；采样电路包括采样逻辑和开关电容采样单元；采样逻辑利用外部时钟CLK和功率管栅极信号VGN控制开关电容采样单元，对零电流开关的源漏间电压在导通和关断时刻进行采样，采样得到的电压VON和VD给电流控制器；电流控制器利用电压VON和VD自适应的调节电流ION和ID；栅极信号产生器、采样电路和电流控制器组成一个负反馈回路；使得采样电压VON和VD最终稳定到0，实现功率管MN在导通和关断时源漏间电压为0。
进一步的，栅信号产生器由两个级联的电流控制延时单元、两个单脉冲产生器和SR锁存器组成；两个级联的电流控制延时单元包括第一电流控制延时单元和第二电流控制延时单元；第一电流控制延时单元的输入端连接CLK，电流控制端连接ION，输出端连接第二电流控制延时单元的输入端和第一单脉冲发生器的输入端；第二电流控制延时单元的电流控制端连接ID，输出端连接第二单脉冲发生器的输入端；第一单脉冲发生器和第二单脉冲发生器分别输出脉冲信号PRA、PFA给SR锁存器的两个输入端，SR锁存器的输出端输出功率管栅极信号VGN。
进一步的，第一电流控制延时单元由电流ION控制，调节栅信号的导通时间；第二电流控制延时单元由电流ID控制，调节栅信号的关断时间。
进一步的，单脉冲产生器把延时后的栅信号恢复成短脉冲，给SR锁存器，生成所需要的栅极信号VGN。
进一步的，电流控制器由依次连接的电平转换电路、比较器CMP1和CMP2、逻辑控制电路、开关电流积分器、电压电流转换器和电流减法器组成；电平转换电路的输入端输入电压VON/VD,电流减法器的输出端输出电流ION/ID。
相对于现有技术，本发明具有以下有效果：本发明不再使用高功耗的高速比较器，而是采用低功耗的延迟控制器，产生功率管的导通和关断信号，所以本发明可以实现在较低功耗下零电流开关的速度的提高；另外，通过使用低功耗的负反馈电路控制其延时，保证功率管在导通和关断时的零电流特性，同时，由于延时控制电路的负反馈特性，零电流开关电路的鲁棒性和稳定性得到较大的提升。
附图说明
图1本发明提出的零电流开关的结构示意图；
图2零电流开关中栅信号产生器的结构示意图；
图3栅信号产生器中关键节点波形示意图；
图4栅信号产生器中电流控制延时单元的结构示意图；
图5电流控制延时单元的关键节点波形示意图；
图6零电流开关中电流控制器的结构示意图；
图7电流控制器中关键节点波形示意图；
图8零电流开关中开关电容采样电容的拓扑结构示意图；
图9零电流开关的源端(S)接地时的蒙特卡洛仿真波形图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种低功耗高速零电流开关，通过延时电路产生功率管导通和关断信号；通过负反馈电路控制延时，保证功率管导通和关断的零电流特性。
本发明所提出的低功耗高速零电流开关的结构示意图如图1所示，由延迟控制器，驱动级和功率管MN组成。功率管MN是开关的主通路。由于功率级晶体管具有较大的栅极寄生电容，延迟控制器不能直接驱动，驱动级电路可以增强信号的驱动能力，使得有源电路的输出信号经过驱动级电路后，驱动具有较大寄生电容的功率级晶体管。延迟控制器通过延时控制的方式生成功率级的栅极信号，并通过负反馈控制维持栅极信号上升和下降时刻的稳定。
本发明所提出的零电流开关的结构如图1所示。零电流开关由延迟控制器、驱动级和功率管MN组成。延迟控制器的输入端连接外部时钟CLK，输出端连接驱动级的输入端，驱动级的输出端连接功率管MN的栅极。
延迟控制器包括栅极信号产生器、采样电路和电流控制器。
栅极信号产生器利用外部时钟信号CLK和电流控制器所控制的电流ION和ID产生零电流开关所需要的功率管MN栅极信号VGN。采样电路包括采样逻辑和开关电容采样单元。采样逻辑利用外部时钟CLK和功率管栅极信号VGN控制开关电容采样单元，对零电流开关的源(S)漏(D)间电压差在导通时刻和关断时刻进行采样，采样得到的导通电压VON和关断电压VD给电流控制器。电流控制器利用电压VON和VD自适应的调节电流ION和ID。栅极信号产生器、采样电路和电流控制器组成一个负反馈回路。使得采样电压VON和VD最终稳定到0，实现功率管MN在导通和关断时源漏电压为0，实现零电流开关。
本发明所提出的栅信号产生器的结构如图2所示。栅信号产生器由两个级联的电流控制延时单元CCDL、两个单脉冲产生器和SR锁存器组成。电流控制延时单元(CCDL)1的输入端连接CLK，电流控制端连接ION，输出端连接电流控制延时单元(CCDL)2的输入端和第一单脉冲发生器的输入端；电流控制延时单元(CCDL)2的电流控制端连接ID，输出端连接第二单脉冲发生器的输入端；第一单脉冲发生器和第二单脉冲发生器分别输出脉冲信号PRA、PFA给SR锁存器的两个输入端，SR锁存器的输出端输出功率管栅极信号VGN。
电流控制延时单元(CCDL)1由电流ION控制，调节栅信号的导通时间，电流控制延时单元(CCDL)2由电流ID控制，调节栅信号的关断时间，如图3所示。单脉冲产生器把延时后的信号恢复成短脉冲，给SR锁存器，以生成所需要的栅极信号VGN。
本发明所提出的栅信号产生器中电流控制延时单元(CCDL)的结构如图4所示。MN1，MN2组成电流镜。MN2镜像流过MN1的输入电流ION(ID)。电流控制延时单元通过控制输入电流ION(ID)的大小，就可以控制电容CP的放电速度。当电容上的电压下降到一定程度时，输出OUT翻转。不同大小的电流，意味着不同的放电速度，意味着不同的延迟时间，如图5所示。
本发明所提出的电流控制器的结构如图6所示。电流控制器由依次连接的电平转换电路，比较器CMP1和CMP2，逻辑控制电路，开关电流积分器，电压电流转换器和电流减法器组成。电平转换电路将采样到的电压VON(VD)转换为较高的电压VON_S(VD_S)，并提供两个参考电压VON_H，VON_L(VD_H，VD_L)。VON_H和VON_L在电平转换电路的输入端等效的引入了一个(VOS-～0)的电压窗口。比较器CMP1和CMP2比较VON_S和两个参考电压VON_H，VON_L的大小，等效于比较VON和VOS-，0的大小。CMP1和CMP2输出产生数字码控制开关电流积分器中开关Sinj和Sext的导通和关断，从而调节节点VR_ON的电压大小。通过电压电流转换器和电流减法器，VR_ON的电压变化就会调节输出电流ION的大小。图7是电流控制器中关键节点的波形示意图。
本发明所提出的零电流开关，通过电流控制延时来产生功率管的栅极信号，从而避免了使用高功耗的比较器结构。由于采用逐次逼近负反馈技术，基于延时控制器的零电流开关可以在较低的功耗下实现更高的开关速度。低功耗高速的零电流开关有利于使用该电路的其他电路性能的提升。
另外，延迟控制器内部的负反馈机制使得有源整流器能够具有很好的抵抗工艺变化的能力，具有较强的工艺鲁棒性，如图9所示。

Claims (4)

1.一种低功耗高速零电流开关，其特征在于，包括延迟控制器、驱动级和功率管MN；延迟控制器的输入端连接外部时钟CLK，输出端连接驱动级的输入端，驱动级的输出端连接功率管MN的栅极；
延迟控制器包括栅极信号产生器、采样电路和电流控制器；
栅极信号产生器利用外部时钟信号CLK和电流控制器所控制的电流ION和ID产生零电流开关所需要的功率管MN栅极信号VGN；所述栅极信号产生器由两个级联的电流控制延时单元、两个单脉冲产生器和SR锁存器组成；两个级联的电流控制延时单元包括第一电流控制延时单元和第二电流控制延时单元；第一电流控制延时单元的输入端连接CLK，电流控制端连接ION，输出端连接第二电流控制延时单元的输入端和第一单脉冲发生器的输入端；第二电流控制延时单元的电流控制端连接ID，输出端连接第二单脉冲发生器的输入端；第一单脉冲发生器和第二单脉冲发生器分别输出脉冲信号PRA、PFA给SR锁存器的两个输入端，SR锁存器的输出端输出功率管栅极信号VGN；采样电路包括采样逻辑和开关电容采样单元；采样逻辑利用外部时钟CLK和功率管栅极信号VGN控制开关电容采样单元，对零电流开关的源漏间电压在导通和关断时刻进行采样，采样得到的电压VON和VD给电流控制器；电流控制器利用电压VON和VD自适应的调节电流ION和ID；栅极信号产生器、采样电路和电流控制器组成一个负反馈回路；使得采样电压VON和VD最终稳定到0，实现功率管MN在导通和关断时源漏间电压为0。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗高速零电流开关，其特征在于，第一电流控制延时单元由电流ION控制，调节栅极信号的导通时间；第二电流控制延时单元由电流ID控制，调节栅极信号的关断时间。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗高速零电流开关，其特征在于，单脉冲产生器把延时后的栅极信号恢复成短脉冲，给SR锁存器，生成所需要的栅极信号VGN。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗高速零电流开关，其特征在于，电流控制器由依次连接的电平转换电路、比较器CMP1和CMP2、逻辑控制电路、开关电流积分器、电压电流转换器和电流减法器组成；电平转换电路的输入端输入电压VON/VD,电流减法器的输出端输出电流ION/ID。
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