CN108717158A - 一种适用于死区时间控制的负压检测电路 - Google Patents

一种适用于死区时间控制的负压检测电路 Download PDF

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Abstract

一种适用于死区时间控制的负压检测电路，属于电子电路技术领域。包括比较器、电阻器和电流产生模块，电流产生模块产生第一偏置电流、第二偏置电流和第三偏置电流，电阻器包括第一电阻和第六NMOS管，第一电阻一端作为负压检测电路的输入端，另一端连接第六NMOS管的源极；第六NMOS管的栅极连接第二偏置电流，漏极连接第三偏置电流和比较器的第二输入端；比较器包括第四NMOS管、第五NMOS管和反相器，第四NMOS管栅漏短接并连接第五NMOS管的栅极和第一偏置电流，源极作为比较器的第一输入端接地；第五NMOS管的源极作为比较器的第二输入端，漏极连接反相器的输入端和第六NMOS管的栅极；反相器的输出端作为负压检测电路的输出端。本发明能够同时保证可靠性和检测性能。

Description

一种适用于死区时间控制的负压检测电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及一种适用于死区时间控制的负压检测电路。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，芯片效率的提升在芯片设计中成为至关重要的一个环节。其中，在采用同步整流技术的降压式开关电源(BUCK)芯片设计中，死区时间设置是否合理，直接影响到其系统转换效率的高低。
为了实现死区时间最优化，有效提高芯片转换效率，目前国内外已提出多种不同方案的死区时间调整技术。这些技术主要可以分为两大类：自适应死区时间调整技术以及预控制死区时间调整技术。然而，不论是自适应死区时间调整技术还是预控制死区时间调整技术，大部分采用这两种技术的具体实现方式中，用于判断死区时间设置是否合理的负压检测电路都必不可缺。
传统的负压检测电路，通常采用源端输入比较器的结构，这种负压检测电路，其负压检测点不能随着工艺角、电源供电电压以及芯片温度(PVT，P表示工艺角，V表示电源供电电压，T表示芯片温度)的变化而变化。而BUCK芯片中，由于功率管导通电阻与PVT直接相关，为防止下功率管导通期间误触发负压检测电路，需要将负压检测点设置在低于所有PVT情况下的下功率管导通期间开关节点(SW)电压最低值。然而，这种保证电路可靠性的设计，严重影响了电路的检测性能，为此需要一种适应PVT变化的负压检测电路，实现同时保证电路的可靠性及检测性能。
发明内容
本发明针对传统采用源端输入比较器结构的负压检测电路存在的不能同时保证可靠性和检测性能的问题，提出了一种适用于死区时间的负压检测电路，能够拟合驱动转换级功率管导通电阻的PVT变化，在保证负压检测电路可靠性的同时，有效提升了其检测性能。
本发明的技术方案为：
一种适用于死区时间控制的负压检测电路，包括比较器、电阻器和电流产生模块，
所述电流产生模块用于产生第一偏置电流I1、第二偏置电流I2和第三偏置电流I3，其中所述第三偏置电流I3的电流值大于所述第一偏置电流I1和第二偏置电流I2的电流值；
所述电阻器包括第一电阻R1和第六NMOS管MNR，第一电阻R1的一端作为所述负压检测电路的输入端，其另一端连接第六NMOS管MNR的源极；第六NMOS管MNR的栅极连接所述第二偏置电流I2，其漏极连接所述第三偏置电流I3并作为所述电阻器的输出端；
所述比较器包括第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和反相器INV1，
第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第五NMOS管MN5的栅极和所述第一偏置电流I1，其源极作为所述比较器的第一输入端接地GND；
第五NMOS管MN5的源极作为所述比较器的第二输入端连接所述电阻器的输出端，其漏极连接反相器INV1的输入端和第六NMOS管MNR的栅极；
反相器INV1的输出端作为所述负压检测电路的输出端。
具体的，所述电流产生模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9，
第一NMOS管MN1的栅漏短接并连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极以及输入电流Iin，其源极连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极并接地GND；
第一PMOS管MP1的栅漏短接并连接第三PMOS管MP3、第五PMOS管MP5、第七PMOS管MP7和第九PMOS管MP9的栅极以及第二NMOS管MN2的漏极，其源极连接第二PMOS管MP2、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的源极并连接电源电压VCC；
第二PMOS管MP2的栅极连接第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的栅极以及第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极，其漏极连接第三PMOS管MP3源极；
第五PMOS管MP5的源极连接第四PMOS管MP4的漏极，其漏极输出所述第一偏置电流I1；
第七PMOS管MP7的源极连接第六PMOS管MP6的漏极，其漏极输出所述第二偏置电流I2；
第九PMOS管MP9的源极连接第八PMOS管MP8的漏极，其漏极输出所述第三偏置电流I3。
本发明的有益效果为：本发明通过电阻器的PVT特性拟合BUCK功率管导通电阻的PVT特性，使得本发明提出的负压检测电路的负压检测点可以自适应BUCK功率管导通电阻PVT的变化，从而与功率管导通电阻的PVT特性相匹配，在保证负压检测电路可靠性的同时提高了负压检测电路的检测性能，另外，通过形成负反馈环路使得本发明的比较器在BUCK下功率管导通时更加稳定可靠，避免了因BUCK开关节点SW处振铃造成的误触发问题。
附图说明
图1为本发明提出的一种适用于死区时间控制的负压检测电路的原理等效图。
图2为本发明提出的一种适用于死区时间控制的负压检测电路在实施例中的一种电路实现结构图。
图3为本发明提出的一种适用于死区时间控制的负压检测电路中负反馈环路的原理等效图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的负压检测电路，适用于死区时间控制BUCK降压式开关电源，通过将BUCK降压式开关电源的开关节点SW处的电压与设定值进行比较从而对BUCK降压式开关电源的开关节点SW处的电压进行负压检测，如图1所示是本发明的原理等效图，通过电阻器R拟合BUCK降压式开关电源的功率管导通电阻的PVT特性，并将电阻器R输出电压与地电压GND进行比较得到负压检测电路的输出信号。
如图2所示，本发明中电阻器采用MOS电阻及普通电阻组合的形式来拟合功率管导通电阻的PVT特性，电阻器包括第一电阻R1和第六NMOS管MNR，第一电阻R1的一端作为负压检测电路的输入端，其另一端连接第六NMOS管MNR的源极；第六NMOS管MNR的栅极连接第二偏置电流I2，其漏极连接第三偏置电流I3并作为电阻器的输出端。
比较器采用源端输入比较器结构提高响应速度，如图2所示，包括第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和反相器INV1，第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第五NMOS管MN5的栅极和第一偏置电流I1，其源极作为比较器的第一输入端接地GND；第五NMOS管MN5的源极作为比较器的第二输入端连接电阻器的输出端，其漏极连接反相器INV1的输入端和第六NMOS管MNR的栅极；反相器INV1的输出端作为负压检测电路的输出端。
第一偏置电流I1、第二偏置电流I2和第三偏置电流I3由电流产生模块产生，其中第三偏置电流I3的电流值大于第一偏置电流I1和第二偏置电流I2的电流值；如图2所示给出了电流产生模块的一种电路实现形式，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9，第一NMOS管MN1的栅漏短接并连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的栅极以及输入电流Iin，其源极连接第二NMOS管MN2和第三NMOS管MN3的源极并接地GND；第一PMOS管MP1的栅漏短接并连接第三PMOS管MP3、第五PMOS管MP5、第七PMOS管MP7和第九PMOS管MP9的栅极以及第二NMOS管MN2的漏极，其源极连接第二PMOS管MP2、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的源极并连接电源电压VCC；第二PMOS管MP2的栅极连接第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8的栅极以及第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3的漏极，其漏极连接第三PMOS管MP3源极；第五PMOS管MP5的源极连接第四PMOS管MP4的漏极，其漏极输出第一偏置电流I1；第七PMOS管MP7的源极连接第六PMOS管MP6的漏极，其漏极输出第二偏置电流I2；第九PMOS管MP9的源极连接第八PMOS管MP8的漏极，其漏极输出第三偏置电流I3。
电流产生模块将输入电流Iin转换成共源共栅结构电流镜输出，提高了电流的线性调整度。共源共栅电流镜中第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7以及第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9的电流镜之比为1：n，则流过第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的第二偏置电流I2为Iin，流过第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9的第三偏置电流I3为nIin，本发明提出的负压检测电路的负压检测点由第二偏置电流I2和第三偏置电流I3及MOS电阻第六NMOS管MNR和第一电阻R1共同决定。
BUCK的开关节点SW处电压在翻转电压VT以上时，第六NMOS管MNR处在线性区，其导通电阻为：
其中μ是迁移率，COX是单位面积栅电容，是第六NMOS管MNR的宽长比，VNP是第六NMOS管MNR的栅源电压，VTH为第六NMOS管MNR的阈值电压。当第五NMOS管MN5的源端电压(即比较器第二输入端的电压)低于地电压GND(即比较器第一输入端的电压)时，第五NMOS管MN5将N点(即第五NMOS管MN5的漏端)电位拉低，经过反相器INV1整形后，比较器翻转，从而可以得到翻转电压VT为：
VT＝-Iin(1+n)[RMNR+R1]
而BUCK芯片下功率管导通时开关节点SW处电压为：
VSW-＝-IoRds_on
其中Io为BUCK的负载电流，Rds_on为BUCK下功率管导通电阻。通过第六NMOS管MNR的导通电阻RMNR与第一电阻R1的PVT特性，可以有效的拟合BUCK下功率管导通电阻Rds_on的温度特性，从而保证了检测电路的可靠性与性能。
本发明中，将电阻器R上的偏置电流拆分成第二偏置电流I2与第三偏置电流I3两部分，在保证电阻器R阻值不变的前提下，减小了第五NMOS管MN5上电流的大小，从而有效缩小了第五NMOS管MN5的尺寸，减小了寄生电容的大小，进一步提高了比较器的响应速度。
本发明通过电阻器中的第六NMOS管MNR和第一电阻R1与比较器中的第五NMOS管形成负反馈环路，如图3所示是负反馈环路的原理等效图，其中R2与R3分别为共源共栅电流镜中第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7及第八PMOS管MP8和第九PMOS管MP9的输出电阻：
R2≈R3≈gm7ro7ro6
其中，gm7为第七PMOS管MP7的跨导，ro7为第七PMOS管MP7的输出电阻，ro6为第六PMOS管MP6的输出电阻。由于R2与R3的值相对较大，计算环路增益时可忽略。在反向输入端断环，可以得到负反馈环路的等效跨导GM1与输出电阻ROUT：
ROUT＝gm5ro5RE+ro5+RE
RE＝gmRR1roR
进而得到环路增益为：
|LG|＝GM1ROUT＝gmRroR(gm5ro5+1)
其中，gmR为第六NMOS管MNR的跨导，roR为第六NMOS管MNR的输出电阻，gm5为第五NMOS管MN5的跨导，ro5为第五NMOS管MN5的输出电阻。
计算从正向输入端得到的开环增益，同样得到等效跨导GM2：
由于开环增益的输出电阻与计算负反馈环路增益时的输出电阻相同，所以得到开环增益AOL为：
AOL＝GM2ROUT＝(gmRroR+1)(gm5ro5+1)
从而得到图3中，从BUCK开关节点SW到第五NMOS管MN5漏端N点的闭环增益为：
当BUCK开关节点SW处电压高于负压检测点(即翻转电压VT)及处于检测点附近时，第六NMOS管MNR处于线性区，且第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的电流镜处于线性区，环路增益很小，闭环增益较大；当BUCK开关节点SW处电压低于负压检测点时，第六NMOS管MNR进入饱和区，环路增益增大。由于闭环增益小于开环增益，且在当BUCK开关节点SW处电压低于负压检测点时衰减更加明显，从而限制了比较器对开关节点SW处振铃信号的放大作用，避免因振铃而误触发比较器错误的发生。
综上所述，本发明利用MOS电阻及普通电阻组合成电阻器，拟合功率管导通电阻的PVT特性，同时保证了负压检测电路的可靠性及检测性能，同时利用负反馈环路有效限制了BUCK开关节点SW处振铃信号的误触发风险。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于死区时间控制的负压检测电路，其特征在于，包括比较器、电阻器和电流产生模块，
所述电流产生模块用于产生第一偏置电流(I1)、第二偏置电流(I2)和第三偏置电流(I3)，其中所述第三偏置电流(I3)的电流值大于所述第一偏置电流(I1)和第二偏置电流(I2)的电流值；
所述电阻器包括第一电阻(R1)和第六NMOS管(MNR)，第一电阻(R1)的一端作为所述负压检测电路的输入端，其另一端连接第六NMOS管(MNR)的源极；第六NMOS管(MNR)的栅极连接所述第二偏置电流(I2)，其漏极连接所述第三偏置电流(I3)并作为所述电阻器的输出端；
所述比较器包括第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)和反相器(INV1)，
第四NMOS管(MN4)的栅漏短接并连接第五NMOS管(MN5)的栅极和所述第一偏置电流(I1)，其源极作为所述比较器的第一输入端接地(GND)；
第五NMOS管(MN5)的源极作为所述比较器的第二输入端连接所述电阻器的输出端，其漏极连接反相器(INV1)的输入端和第六NMOS管(MNR)的栅极；
反相器(INV1)的输出端作为所述负压检测电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的适用于死区时间控制的负压检测电路，其特征在于，所述电流产生模块包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)、第八PMOS管(MP8)和第九PMOS管(MP9)，
第一NMOS管(MN1)的栅漏短接并连接第二NMOS管(MN2)和第三NMOS管(MN3)的栅极以及输入电流(Iin)，其源极连接第二NMOS管(MN2)和第三NMOS管(MN3)的源极并接地(GND)；
第一PMOS管(MP1)的栅漏短接并连接第三PMOS管(MP3)、第五PMOS管(MP5)、第七PMOS管(MP7)和第九PMOS管(MP9)的栅极以及第二NMOS管(MN2)的漏极，其源极连接第二PMOS管(MP2)、第四PMOS管(MP4)、第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的源极并连接电源电压(VCC)；
第二PMOS管(MP2)的栅极连接第四PMOS管(MP4)、第六PMOS管(MP6)和第八PMOS管(MP8)的栅极以及第三PMOS管(MP3)和第三NMOS管(MN3)的漏极，其漏极连接第三PMOS管(MP3)源极；
第五PMOS管(MP5)的源极连接第四PMOS管(MP4)的漏极，其漏极输出所述第一偏置电流(I1)；
第七PMOS管(MP7)的源极连接第六PMOS管(MP6)的漏极，其漏极输出所述第二偏置电流(I2)；
第九PMOS管(MP9)的源极连接第八PMOS管(MP8)的漏极，其漏极输出所述第三偏置电流(I3)。
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