CN107707121B - 基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路 - Google Patents
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Abstract
基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，属于电子电路技术领域。电压比较器对其第一和第二输入端的信号进行比较，输出比较信号自适应死区逻辑电路提取比较信号中体二极管的导通信号作为功率管的关断信号，并输出给死区选择判断电路；死区选择判断电路根据开关变换器的工作模式，对固定死区和自适应死区进行处理后得到信号输入到功率管驱动电路，确保在电路连续模式CCM及电流断续模式DCM下都能输出较理想的含自适应死区的驱动信号。本发明能有效地检测开关变换器中体二极管的导通情况，并以此为依据开启功率管，实现了接近理想的死区时间。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路。
背景技术
在同步整流的DC-DC开关变换器中，两个功率管尺寸通常较大，其开启及关断延迟不可忽略，若用单一的控制信号进行开关控制，会出现两个功率管同时开启的情况，此时流过功率管的电流将会非常大，尤其在高频应用中，芯片的功耗将大大增加，常用的解决办法为将控制信号一分为二并加入死区时间，死区时间即两个功率管同时关断的时间。
对于死区时间的处理，传统的方案是采用固定长度的死区时间，其优点是可靠性高且结构简单，但固定的死区时间也会导致功率管同时关闭的时间较长，特别是在轻载的情况下。进一步会导致占空比受限等问题。
常见的DC-DC开关变换器，如BUCK和BOOST变换器中都含有功率电感，由于电感的电流不突变特性，在死区时间内功率管的体二极管会导通以对电感电流进行续流。故体二极管导通可作为功率管已经同时关断的标志信号，通过检测体二极管的导通来设置死区时间是一种较为理想的死区控制思路。目前通过检测体二极管的导通来设置死区时间的方法不多，文献Zhen S,Zhang B,Luo P,et al.A high efficiency synchronous buckconverter with adaptive dead time control for dynamic voltage scalingapplications[C]//Ieee/ifip,International Conference on Vlsi and System-On-Chip.IEEE,2011:43-48.中涉及到一种测体二极管的导通的方法，但是该方式有通用性较差，对于工艺的要求较高等缺点。
发明内容
基于上述不足之处，本发明提出了一种基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，在不同输入输出电压、不同负载情况下都能自适应的产生合适的死区时间。
本发明的技术方案为：
基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，包括电压比较器、高端功率管驱动电路、低端功率管驱动电路、自适应死区逻辑电路、固定死区产生电路和死区选择判断电路，所述电压比较器的正向输入端作为所述自适应死区产生电路的第一输入端，其负向输入端作为所述自适应死区产生电路的第二输入端，其输出端连接所述自适应死区逻辑电路的第一输入端；所述自适应死区逻辑电路的第二输入端连接所述开关变换器的脉宽调制信号PWM，其第一输出端连接所述死区选择判断电路的第一输入端，其第二输出端连接所述死区选择判断电路的第二输入端；所述固定死区产生电路的输入端连接所述开关变换器的脉宽调制信号PWM，其第一输出端连接所述死区选择判断电路的第三输入端，其第二输出端连接所述死区选择判断电路的第四输入端和所述自适应死区逻辑电路的第三输入端；所述高端功率管驱动电路的输入端连接所述死区选择判断电路的第一输出端，其输出端作为所述自适应死区产生电路的第一输出端输出高端功率管驱动信号DTH_OUT；所述低端功率管驱动电路的输入端连接所述死区选择判断电路的第二输出端，其输出端作为所述自适应死区产生电路的第二输出端输出低端功率管驱动信号DTL_OUT；
所述电压比较器为带失调电压的电压比较器，用于比较所述开关变换器中两功率管共漏端电压和所述开关变换器的输出电压，当所述开关变换器中两功率管共漏端电压大于所述开关变换器的输出电压与失调电压之和时，所述电压比较器输出高电平；当所述开关变换器中两功率管共漏端电压小于所述开关变换器的输出电压与失调电压之和时，所述电压比较器输出低电平；
所述自适应死区逻辑电路包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第二或门OR2、第二与门AND2、第一与非门NAND1和D触发器，
第一反相器INV1的输入端连接第二反相器INV2的输入端和第二与门AND2的第一输入端并作为所述自适应死区逻辑电路的第二输入端，其输出端连接D触发器的D输入端；
第二或门OR2的第一输入端作为所述自适应死区逻辑电路的第一输入端，其第二输入端作为所述自适应死区逻辑电路的第三输入端，其输出端连接D触发器的时钟信号输入端；
第一与非门NAND1的第一输入端连接D触发器的输出端，其第二输入端连接第二反相器INV2的输出端，其输出端作为所述自适应死区逻辑电路的第一输出端输出高端功率管自适应死区信号ADTH；
第三反相器INV3的输入端连接D触发器的输出端，其输出端连接第二与门AND2的第二输入端，第二与门AND2的输出端作为所述自适应死区逻辑电路的第二输出端输出低端功率管自适应死区信号ADTL；
所述死区选择判断电路包括第三或门OR3、第二与非门NAND2、第三与非门NAND3、第四反相器INV4、过零比较器和鉴相器，
第三或门OR3的第一输入端作为所述死区选择判断电路的第二输入端，其第二输入端作为所述死区选择判断电路的第四输入端，其输出端作为所述死区选择判断电路的第二输出端输出低端功率管死区信号DTL；
第二与非门NAND2的第一输入端作为所述死区选择判断电路的第一输入端，其第二输入端作为所述死区选择判断电路的第三输入端，其输出端连接第三与非门NAND3的第一输入端和鉴相器的第二输入端；
过零比较器的第一输入端连接所述自适应死区产生电路的第一输入端，其第二输入端连接所述自适应死区产生电路的第二输入端，其输出端连接所述鉴相器的第一输入端；
第三与非门NAND3的第二输入端连接所述鉴相器的输出端，其输出端通过第四反相器INV4后连接所述死区选择判断电路的第一输出端并输出高端功率管死区信号DTH。
具体的，所述固定死区产生电路包括第一与门AND1、第一或门OR1、电阻R和电容C，
第一或门OR1的第一输入端作为所述固定死区产生电路的输入端，其输出端作为所述固定死区产生电路的第一输出端输出高端功率管固定死区信号FDTH；
第一与门AND1的第一输入端连接所述固定死区产生电路的输入端，其第二输入端连接第一或门OR1的第二输入端，其输出端作为所述固定死区产生电路的第二输出端输出低端功率管固定死区信号FDTL；
电阻R和电容C串联，其串联点连接第一或门OR1的第二输入端，电阻R的另一端连接所述固定死区产生电路的输入端，电容C的另一端接地。
具体的，所述电压比较器的第一输入端的电压值大于第二输入端的电压值与其失调电压值之和时，所述电压比较器输出高电平；所述电压比较器的第一输入端的电压值小于第二输入端的电压值与其失调电压值之和时，所述电压比较器输出低电平。
本发明的工作过程为：将开关变换器中体二极管在开关死去内导通的功率管的漏断和源端连接带失调OFFSET电压的电压比较器的输入端，自适应死区逻辑电路提取电压比较器的输出信号Comp_out中体二极管导通的信息并结合脉宽调制信号PWM以产生高端功率管自适应死区信号ADTH和低端功率管自适应死区信号ADTH输入到死区选择判断电路，固定死区产生电路将含固定死区时间的导高端功率管固定死区信号FDTH和低端功率管固定死区信号FDTL输入死区选择判断电路，死区选择判断电路将根据开关变换器的工作模式进一步对死区信号进行处理，最后将处理得到的高端功率管死区信号DTH和低端功率管死区信号DTL输入到高端功率管驱动电路和低端功率管驱动电路，最终高端功率管驱动电路和低端功率管驱动电路输出含有自适应死区时间的高端功率管驱动信号DTH_OUT和低端功率管驱动信号DTL_OUT。
本发明的有益效果为：能有效的检测开关变换器中体二极管的导通情况，并以此为依据开启功率管，实现了接近理想的死区时间。该电路与传统固定死区电路相比，其开关管的导通损耗近似为零，在不同输入输出电压、不同负载情况下都能自适应的产生合适的死区时间，不存在占空比损失及功耗损失等问题。
附图说明
图1为本发明提供的基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路示意图。
图2为实施例中固定死区产生电路结构图。
图3为本发明中自适应死区逻辑电路结构图。
图4为电流连续模式CCM下自适应死区产生电路的逻辑波形图。
图5为电流断续模式DCM下自适应死区产生电路的逻辑波形图。
图6为本发明中死区选择判断电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
本发明提供的自适应死区产生电路，用于开关变换器，其第一输入端和第二输入端连接开关变换器中体二极管在开关死区内导通的功率管的源端和漏端，以BOOST变换器为例，如图1所示为本发明提出的一种基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路应用于BOOST变换器的结构示意图，BOOST变换器中高端功率管MP的漏端SW连接自适应死区产生电路的第一输入端，其源端即BOOST变换器的输出端连接自适应死区产生电路的第二输入端。
带失调电压的电压比较器对BOOST变换器中的输出电压VOUT以及两个功率管的共漏端的SW信号进行比较，输出比较信号Comp_out；自适应死区逻辑电路提取比较信号Comp_out中体二极管的导通信号作为功率管的关断信号并输出给死区选择判断电路，具体提取方式是在电压比较器中加入一定的失调OFFSET电压，如图4所示，由于体二极管导通时SW点电压等于VOUT+0.7左右，所以每次体二极管导通，比较信号Comp_out输出为高电平。其中0.7V是一般体二极管的导通压降，具体值可根据实际体二极管导通压降决定。死区选择判断电路根据BOOST变换器的工作模式对固定死区和自适应死区进行处理后得到驱动信号输入到驱动电路，确保在电流连续模式CCM及电流断续模式DCM下都能输出较理想的含自适应死区的驱动信号，具体做法为：在电流断续模式DCM下，过零比较器输出反流信号OVER_OUT影响高端功率管死区信号DTH；在电流连续模式CCM下，过零比较器不影响高端功率管死区信号DTH，此时等效为只有第三或门OR3和第二与非门NAND2工作，其中第二与非门NAND2的输出端可等效为高端功率管死区信号DTH。
本发明中带失调OFFSET电压的电压比较器的失调OFFSET电压设置为二分之一体二极管导通压降附近，具体表现为当SW>VOUT+OFFSET时，带OFFSET的比较器输出高电平；当SW<VOUT+OFFSET时，带OFFSET的比较器输出低电平。
如图2所示为一些实施例中固定死区产生电路的结构图，通过RC延迟结构，产生脉宽调整信号PWM的延迟信号并与脉宽调制信号PWM本身进行一些逻辑处理后即可得到含有固定死区的高端功率管固定死区信号FDTH和低端功率管固定死区信号FDTL。
如图3所示为自适应死区逻辑电路结构图。图4所示为电流连续模式CCM下自适应死区逻辑电路产生的逻辑波形图，当BOOST变换器工作在电流连续模式CCM下，每个周期中体二极管将导通两次，在电压比较器输出的比较信号Comp_out中将有两个上升沿，如图4所示，D触发器将两个上升沿信号转化为方波信号Q。方波信号Q的上升沿对应着低端功率管完全关闭后体二极管导通的瞬间，方波信号Q的下降沿对应着高端功率管完全关闭后体二极管导通的瞬间，再通过数字逻辑将方波信号Q中的信息加入到脉宽调制信号PWM中得到含自适应死区时间的PWM信号即高端功率管自适应死区信号ADTH和低端功率管自适应死区信号ADTL，死区长度如图所示为ADT1和ADT2。
如图5所示为电流断续模式DCM下自适应死区逻辑电路产生的逻辑波形图。当BOOST变换器工作在电流断续模式DCM下，每个周期中体二极管将导通一次，在比较信号Comp_out中将只有一个上升沿，如图5所示，只有一个上升沿是因为体二极管只在低端功率管完全关闭后导通，而上管关闭后电感电流为零，体二极管未导通。此时将固定死区中的上升沿(信息为时钟信号)作为第二个上升沿，D触发器将两个上升沿信号转化为方波信号Q。方波信号Q的上升沿对应着低端功率管完全关闭后体二极管导通的瞬间，方波信号Q的下降沿对应低端功率管固定死区信号FDTL的上升沿，再通过数字逻辑将Q中的信息加入到脉宽调制信号PWM中，得到含自适应死区时间的高端功率管自适应死区信号信号ADTH和低端功率管自适应死区信号ADTL，死区长度如图所示为ADT1和ADT2。
如图6所示为死区选择判断电路结构图，该电路的主要功能是在电流断续模式DCM的情况下给上管提供提前关断的信息，当过零比较器从VOUT和SW电压信息中判断出电感电流反流，则此时BOOST变换器工作在电流断续模式DCM，反流信息通过鉴相器后经数字逻辑提前关闭功率上管，在下个时钟来临之前，功率上管和功率下管都处于关闭状态，这也是电流断续模式DCM的特点。死区选择判断电路还有比较自适应死区和固定死区长度的功能，二者中较短的将作为最终的含死区时间的功率管脉冲控制信号即高端功率管死区信号DTH和低端功率管死区信号DTL输出，这个功能主要是防止BOOST变换器建立期间，电路启动未完成导致的逻辑错误等问题。
尽管本发明结合BOOST特定实施方案进行描述，但许多其它的变化和改进以及其它的使用，如BUCK等开关变换器，对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此本发明并不局限于此处特定公开的内容。
Claims (3)
1.基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，其特征在于，包括电压比较器、高端功率管驱动电路、低端功率管驱动电路、自适应死区逻辑电路、固定死区产生电路和死区选择判断电路，
所述电压比较器的正向输入端作为所述自适应死区产生电路的第一输入端，其负向输入端作为所述自适应死区产生电路的第二输入端，其输出端连接所述自适应死区逻辑电路的第一输入端；
所述自适应死区逻辑电路的第二输入端连接所述开关变换器的脉宽调制信号(PWM)，其第一输出端连接所述死区选择判断电路的第一输入端，其第二输出端连接所述死区选择判断电路的第二输入端；
所述固定死区产生电路的输入端连接所述开关变换器的脉宽调制信号(PWM)，其第一输出端连接所述死区选择判断电路的第三输入端，其第二输出端连接所述死区选择判断电路的第四输入端和所述自适应死区逻辑电路的第三输入端；
所述高端功率管驱动电路的输入端连接所述死区选择判断电路的第一输出端，其输出端作为所述自适应死区产生电路的第一输出端输出高端功率管驱动信号(DTH_OUT)；
所述低端功率管驱动电路的输入端连接所述死区选择判断电路的第二输出端，其输出端作为所述自适应死区产生电路的第二输出端输出低端功率管驱动信号(DTL_OUT)；
所述电压比较器为带失调电压的电压比较器，用于比较所述开关变换器中两功率管共漏端电压和所述开关变换器的输出电压，当所述开关变换器中两功率管共漏端电压大于所述开关变换器的输出电压与失调电压之和时，所述电压比较器输出高电平；当所述开关变换器中两功率管共漏端电压小于所述开关变换器的输出电压与失调电压之和时，所述电压比较器输出低电平；
所述自适应死区逻辑电路包括第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第二或门(OR2)、第二与门(AND2)、第一与非门(NAND1)和D触发器，
第一反相器(INV1)的输入端连接第二反相器(INV2)的输入端和第二与门(AND2)的第一输入端并作为所述自适应死区逻辑电路的第二输入端，其输出端连接D触发器的D输入端；
第二或门(OR2)的第一输入端作为所述自适应死区逻辑电路的第一输入端，其第二输入端作为所述自适应死区逻辑电路的第三输入端，其输出端连接D触发器的时钟信号输入端；
第一与非门(NAND1)的第一输入端连接D触发器的输出端，其第二输入端连接第二反相器(INV2)的输出端，其输出端作为所述自适应死区逻辑电路的第一输出端输出高端功率管自适应死区信号(ADTH)；
第三反相器(INV3)的输入端连接D触发器的输出端，其输出端连接第二与门(AND2)的第二输入端，第二与门(AND2)的输出端作为所述自适应死区逻辑电路的第二输出端输出低端功率管自适应死区信号(ADTL)；
所述死区选择判断电路包括第三或门(OR3)、第二与非门(NAND2)、第三与非门(NAND3)、第四反相器(INV4)、过零比较器和鉴相器，
第三或门(OR3)的第一输入端作为所述死区选择判断电路的第二输入端，其第二输入端作为所述死区选择判断电路的第四输入端，其输出端作为所述死区选择判断电路的第二输出端输出低端功率管死区信号(DTL)；
第二与非门(NAND2)的第一输入端作为所述死区选择判断电路的第一输入端，其第二输入端作为所述死区选择判断电路的第三输入端，其输出端连接第三与非门(NAND3)的第一输入端和鉴相器的第二输入端；
过零比较器的第一输入端连接所述自适应死区产生电路的第一输入端，其第二输入端连接所述自适应死区产生电路的第二输入端，其输出端连接所述鉴相器的第一输入端；
第三与非门(NAND3)的第二输入端连接所述鉴相器的输出端，其输出端通过第四反相器(INV4)后连接所述死区选择判断电路的第一输出端并输出高端功率管死区信号(DTH)。
2.根据权利要求1所述的基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，其特征在于，所述固定死区产生电路包括第一与门(AND1)、第一或门(OR1)、电阻(R)和电容(C)，
第一或门(OR1)的第一输入端作为所述固定死区产生电路的输入端，其输出端作为所述固定死区产生电路的第一输出端输出高端功率管固定死区信号(FDTH)；
第一与门(AND1)的第一输入端连接所述固定死区产生电路的输入端，其第二输入端连接第一或门(OR1)的第二输入端，其输出端作为所述固定死区产生电路的第二输出端输出低端功率管固定死区信号(FDTL)；
电阻(R)和电容(C)串联，其串联点连接第一或门(OR1)的第二输入端，电阻(R)的另一端连接所述固定死区产生电路的输入端，电容(C)的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于体二极管导通检测的开关变换器自适应死区产生电路，其特征在于，所述电压比较器的失调电压设置为所述体二极管导通压降的二分之一，所述电压比较器的第一输入端的电压值大于第二输入端的电压值与其失调电压值之和时，所述电压比较器输出高电平；所述电压比较器的第一输入端的电压值小于第二输入端的电压值与其失调电压值之和时，所述电压比较器输出低电平。
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