CN109039066A - 自适应零电压开关控制方法 - Google Patents

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Abstract

自适应零电压开关控制方法，属于集成电路技术领域。本发明通过在每个开关周期内根据双向计数器量化该开关周期中功率管开启时刻与功率管漏端电压最低值产生时刻的差值，将量化结果通过双向计数器的最终计数结果传递到下一个开关周期中作为减计数器的初始计数值，从而调整功率管的开启时刻，使得经过调整后的功率管能够在功率管漏端电压最低时导通，减小开关损耗。本发明能够自适应的在功率管漏端电压达到最低时开启功率管，从而实现零电压开关，降低了开关电源的功耗，适用范围广。

Description

自适应零电压开关控制方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种自适应的在功率管漏端电压达到最低时开启功率管从而实现零电压开关的控制方法。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，各类电子产品成为人们生活中的必须品。电源是电子设备的部件之一，DC-DC变换器是开关电源的重要部分，转换器的功耗是衡量电源性能好坏的重要指标之一。在开关周期的不同时刻开启开关电源的功率管，开关电源的开关损耗不同，而在功率管漏端电压最低时开启功率管产生的开关损耗最小。
在Buck的拓扑结构中，当功率管关断，电感L的电流降为0的时候，电感L和功率管漏端的寄生电容Cp会发生LC谐振。同样的，在谐振的不同时刻开启功率管，转换器的开关损耗是不同的，其中，功率管漏端谐振到达谷值的时候功率管漏端电压最低，此时开启功率管开关损耗最低。传统的控制方法中，谷值信号Valley和栅驱动电路的使能信号C是同一个信号，从栅驱动电路的使能信号C产生到功率管真正导通存在一定的延迟，使得功率管在谷值点之后导通，造成较大的系统功耗。此外，外部LC谐振频率会随着应用条件的不同而发生变化，且栅驱动电路延时也会受到外部功率管型号和温度等变化的影响，因此传统的设计方案存在不同的应用下会让系统的功耗不一致，无法适用于较宽的应用范围。
发明内容
针对传统开关电源中不能在功率管漏端电压最低时开启功率管造成的功耗较大，以及传统控制方法无法适用于较宽的应用范围等问题，本发明提出了一种适用于开关电源的控制方法，能够自适应的在功率管漏端电压达到最低时开启功率管从而实现零电压开关，降低了开关电源的功耗。
本发明的技术方案为：
自适应零电压开关控制方法，所述控制方法通过在每个开关周期内调整开关电源中功率管的开启时间，使得所述功率管在其漏端电压最低时开启，所述功率管由栅驱动电路控制开启或关断；
在第N个开关周期内，所述调整开关电源中功率管开启时间的方法包括如下步骤，N为大于1的正整数：
步骤一、所述功率管关断后，利用相同的时钟信号控制双向计数器和减计数器开始计数，所述双向计数器从零开始递增计数，所述减计数器从第N-1个开关周期中得到的双向计数器的最终计数结果开始递减计数；
步骤二、当所述减计数器计数到零时，所述减计数器停止计数，所述双向计数器暂停计数，使能所述栅驱动电路；
步骤三、检测所述功率管漏端电压是否达到最低值，同时检测所述栅驱动电路的输出电压是否翻转，当先检测到所述功率管漏端电压达到最低值时，利用所述时钟信号控制所述双向计数器递减计数直到检测到所述栅驱动电路的输出电压翻转时停止计数；当先检测到所述栅驱动电路的输出电压翻转时，将所述双向计数器递增计数一位后停止计数；
步骤四、存储步骤三得到的所述双向计数器的最终计数结果并将其作为第N+1个开关周期内步骤一中所述减计数器开始计数时的初始值，随后将所述双向计数器清零；
第一个开关周期内，所述功率管关断后利用所述时钟信号控制双向计数器从零开始递增计数，随后检测所述功率管漏端电压是否达到最低值，当检测到所述功率管漏端电压达到最低值时，使能所述栅驱动电路，同时所述双向计数器停止计数并将第一个开关周期内所述双向计数器的最终计数结果作为第二个开关周期内所述减计数器开始计数时的初始值。
具体的，所述功率管漏端发生谐振时，步骤一中在所述功率管关断后首先检测所述功率管漏端是否发生谐振，当检测到谐振发生时利用振荡器产生所述时钟信号控制所述双向计数器和减计数器开始计数。
本发明的有益效果为：本发明能够自适应的在功率管漏端电压达到最低时开启功率管，从而实现零电压开关，降低了开关电源的功耗，适用范围广。
附图说明
图1为一种实现本发明提出的自适应零电压开关控制方法的控制电路拓扑图。
图2为实施例中将本发明提出的自适应零电压开关控制方法适用于功率管漏端发生谐振时的流程图。
图3为本发明提出的自适应零电压开关控制方法在实施例中的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明根据适用于开关电源，用于根据前一个开关周期采集的功率管导通时刻与功率管漏端电压最低值产生时刻的差异，改变后一个开关周期中功率管的开启时间。从功率管刚开启的时刻开始，直到功率管关断后再开启的时刻为止作为一个完整的开关周期，在每个开关周期内功率管关断之后，通过同样的时钟信号控制双向计数器和减计数器，使得减计数器从上一个开关周期中得到的双向计数器的最终计数结果开始递减计数到0时，双向计数器能够计数上一个开关周期中得到的双向计数器的最终计数结果，此时栅驱动电路使能，减计数器停止计数，双向计数器暂停计数；由于栅驱动电路使能后到功率管导通还有一端延迟时间，本发明中根据双向计数器量化该开关周期中功率管开启时刻与功率管漏端电压最低值产生时刻的差值，将量化结果通过双向计数器的最终计数结果传递到下一个开关周期中调整功率管的开启时刻，使得经过调整后功率管能够在功率管漏端电压最低时导通，减小开关损耗。
一些开关电源中，电感和功率管漏端的寄生电容会发生LC谐振，下面以功率管漏端发生谐振为例详细描述本发明的工作过程和工作原理。
如图1所示是一种实现本发明提出的自适应零电压开关控制方法的控制电路拓扑图，包括100MHz振荡器、第一控制模块Control_1、6bit双向计数器、6bit寄存器、第二控制模块Control_2和6bit减计数器，本实施例中开关电源中功率管为NMOS管，功率管由栅驱动电路控制，当栅驱动电路的输出信号G由低翻高时功率管被开启，栅驱动电路由减计数器的输出信号C使能；本实施例中通过一个谷值检测电路检测功率管漏端是否发生谐振以及谐振的谷值点，谷值检测电路产生的谐振产生信号Resonance翻高时表示谐振发生，谷值检测电路产生的谷值信号Valley翻高时表示检测到谷值最低点。
如图2所示是本实施例中的工作流程图，在第N个开关周期包括如下步骤：
a、在第N个开关周期，功率管关断，电感电流开始下降，当电感电流降为0时，功率管漏端开始谐振，谷值检测电路检测到谐振，把谐振产生信号Resonance翻高，利用谐振产生信号Resonance使能100MHz振荡器，100MHz振荡器产生100MHz的方波信号连接第一控制模块Control_1和第二控制模块Control_2，第一控制模块Control_1将100MHz的方波信号输出作为双向计数器的时钟信号控制双向计数器从零开始递增计数，同时第二控制模块Control_2也将100MHz的方波信号输出作为减计数器的时钟信号控制减计数器从第N-1个开关周期中得到的双向计数器的最终计数结果TN-1开始递减计数。
b、当减计数器减为0时，减计数器停止工作，减计数器输出的栅驱动电路的使能信号C翻高。栅驱动电路的使能信号C翻高有两个作用：一个是使能栅驱动电路，让栅驱动电路开启功率管，另一个是反馈给第一控制模块Control_1，第一控制模块Control_1接收到高电平的栅驱动电路的使能信号C后立即让双向计数器暂停工作，进入等待状态。
c、在双向计数器等待的过程中，利用谷值检测电路检测功率管漏端谐振是否到达谷值点，到达谷值点时将谷值信号Valley翻高，同时检测栅驱动电路的输出信号G是否翻高开启了功率管，将谷值信号Valley和栅驱动电路的输出信号G反馈给第一控制模块Control_1。
当第一控制模块Control_1检测到谷值信号Valley优先于栅驱动电路的输出信号G翻高，说明第N个开关周期内，功率管的导通落后于谐振的谷值点，在第N+1个周期，需要再提前一段时间导通功率管，这段时间即栅驱动电路的输出信号G上升沿和谷值信号Valley上升沿间隔的时间。此时将双向计数器由等待状态进入减计数状态，直到栅驱动电路的输出信号G翻高被第一控制模块Control_1检测到才停止计数。因此这段时间间隔被量化出来以双向计数器在第N个开关周期得到的最终计数结果TN表示。
当第一控制模块Control_1检测到栅驱动电路的输出信号G优先于谷值信号Valley翻高，说明第N个开关周期内，功率管的导通优先于谐振谷值点，在第N+1个周期，需要再延时一段时间导通功率管，这段时间同样是栅驱动电路的输出信号G上升沿和谷值信号Valley上升沿间隔的时间。然而，由于功率管导通，功率管的漏端电位立刻被拉低，谷值检测电路无法正确的检测谐振的谷值点，因此，无法准确量化出需要延迟的时间。为了实现延迟，本实施例中利用第一控制模块Control_1控制双向计数器从暂停状态进入加计数状态，正向计数1位，然后立即停止计数得到第N个开关周期内双向计数器的最终计数结果TN。虽然无法准确量化需要延迟的时间，但是通过多个开关周期的调整，最终也可以实现在谷值点开启功率管。
d、利用寄存器存储步骤c得到的双向计数器的最终计数结果TN，然后将双向计数器清零，将寄存器存储的双向计数器的最终计数结果TN赋值给减计数器，作为减计数器在第N+1个开关周期的步骤a中开始计数的初始值，在第N+1个开关周期中减计数器利用TN调整栅驱动电路的使能信号C翻高的时间，使得功率管能在谷值点处开启。
第一个开关周期内，在谐振产生信号Resonance翻高使能振荡器产生100MHz的方波信号后，第一控制模块Control_1控制双向计数器正向计数，而第二控制模块Control_2不输出CLK_2，减计数器不计数；当谷值信号Valley翻高时将栅驱动电路的使能信号C翻高，同时双向计数器停止计数并将第一个开关周期内双向计数器的最终计数结果T1作为第二个开关周期内减计数器开始计数时的初始值。
综上本实施例中根据第N个开关周期功率管导通时刻和谐振谷值点时刻的差异，由双向计数器用数字的方式量化出理论的使能信号C产生时刻，再把结果存储到寄存器中，第N+1个周期赋值给减计数器，由减计数器产生第N+1个周期的使能信号C，实现功率管在谐振的谷值点开启。本实施例利用双向测量的方法量化谐振周期和驱动延迟时间，从而完成在同一时刻下，谐振谷值点与功率管开启的重合，自适应地实现零电压开关，提升系统效率，并摆脱传统方案效率低下，应用范围狭窄的缺点。
如图3所示是本实施例中控制过程的时序图，在图3(a)表示第N个开关周期中，谷值信号Valley优先于栅驱动电路的输出信号G翻高的情况，当谐振产生信号Resonance翻高时，第一控制模块Control_1和第二控制模块Control_2输出振荡器产生的100MHz方波信号CLK_1和CLK_2作为双向计数器和减计数器的时钟信号，计数第N-1个开关周期得到的双向计数器的最终计数结果TN-1后，第一控制模块Control_1暂停输出CLK_1，第二控制模块Control_2不再输出CLK_2，当检测到谷值信号Valley翻高时，第一控制模块Control_1才继续输出CLK_1，直到检测到栅驱动电路的输出信号G翻高时停止输出CLK_1，双向计数器停止计数得到最终计数结果TN；图3(b)表示第N个开关周期中，栅驱动电路的输出信号G优先于谷值信号Valley翻高的情况，与图3(a)不同的是，图3(b)先检测到栅驱动电路的输出信号G翻高，第一控制模块Control_1输出CLK_1的一个时钟周期，使得双向计数器只正向计数一位；图3(c)表示经过N个开关周期调整后，理想状态下，在第N+1个开关周期功率管在谷值点开启的波形图。
本发明可以实现在功率管漏端电压为最低值时开启功率管，减小开关损耗，且不受应用条件影响可以自适应的进行调整，值得说明的是，基于本发明还可以调整任意两个信号实现同一时刻变化而不限于本发明中用于调整开关电压中的功率管开启，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.自适应零电压开关控制方法，其特征在于，所述控制方法通过在每个开关周期内调整开关电源中功率管的开启时间，使得所述功率管在其漏端电压最低时开启，所述功率管由栅驱动电路控制开启或关断；
在第N个开关周期内，所述调整开关电源中功率管开启时间的方法包括如下步骤，N为大于1的正整数：
步骤一、所述功率管关断后，利用相同的时钟信号控制双向计数器和减计数器开始计数，所述双向计数器从零开始递增计数，所述减计数器从第N-1个开关周期中得到的双向计数器的最终计数结果开始递减计数；
步骤二、当所述减计数器计数到零时，所述减计数器停止计数，所述双向计数器暂停计数，使能所述栅驱动电路；
步骤三、检测所述功率管漏端电压是否达到最低值，同时检测所述栅驱动电路的输出电压是否翻转，当先检测到所述功率管漏端电压达到最低值时，利用所述时钟信号控制所述双向计数器递减计数直到检测到所述栅驱动电路的输出电压翻转时停止计数；当先检测到所述栅驱动电路的输出电压翻转时，将所述双向计数器递增计数一位后停止计数；
步骤四、存储步骤三得到的所述双向计数器的最终计数结果并将其作为第N+1个开关周期内步骤一中所述减计数器开始计数时的初始值，随后将所述双向计数器清零；
第一个开关周期内，所述功率管关断后利用所述时钟信号控制双向计数器从零开始递增计数，随后检测所述功率管漏端电压是否达到最低值，当检测到所述功率管漏端电压达到最低值时，使能所述栅驱动电路，同时所述双向计数器停止计数并将第一个开关周期内所述双向计数器的最终计数结果作为第二个开关周期内所述减计数器开始计数时的初始值。
2.根据权利要求1所述的自适应零电压开关控制方法，其特征在于，所述功率管漏端发生谐振时，步骤一中在所述功率管关断后首先检测所述功率管漏端是否发生谐振，当检测到谐振发生时利用振荡器产生所述时钟信号控制所述双向计数器和减计数器开始计数。
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