CN110277914A - 一种适用于Boost变换器的反流比较器 - Google Patents

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Abstract

一种适用于Boost变换器的反流比较器，包括反流信号产生模块和反流信号锁存模块，反流信号产生模块用于在同步整流管开启时比较开关功率管与同步整流管的共漏端电压和Boost变换器的输出电压并产生反流信号；反流信号锁存模块中，将Boost变换器的时钟信号一方面经过延时单元后连接第二与门的第一输入端，另一方面连接第二与门的第二输入端；第一NMOS管的栅极连接第二与门的输出端，漏极连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的栅极，源极连接第二NMOS管的源极并接地；第二NMOS管的栅极连接反流信号，漏极连接第一PMOS管的栅极和第二PMOS管的漏极并通过第二反相器后连接反流比较器的输出端；第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接电源电压。本发明具有高效、稳定、成本低、功耗低的优点。

Description

一种适用于Boost变换器的反流比较器
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，涉及一种适用于Boost变换器的反流比较器。
背景技术
在升压Boost变换器中，为了尽量减少芯片外围元器件数量会采用同步整流的拓扑，为了防止电感电流反流，需要加入判断电感电流是否发生反流的模块，在发生反流时关闭同步整流管MP，中断反流过程。同时，反流比较器的输出与功率管之间存在延时，通常会引入失调使反流比较器提前给出标志信号，在经过一定的延时以后能够在电感电流下降为零时关闭功率管，然而为了满足工艺偏差，通常会将关断点提前。
当同步整流升压Boost变换器的输入输出压差较低时，反流发生以后同步整流管MP会立刻关闭，而受限于同步整流管MP关闭的时间不一定与电感电流为零的时刻一致，电感中的电能会对Boost变换器中开关功率管MN和同步整流管MP的共漏极LX点的寄生电容充电，引起开关功率管MN和同步整流管MP的共漏极LX点电压升高，反流比较器的标志位会发生变化，导致同步整流管MP频繁的开启和关断，一方面增加了系统的动态功耗，另一方面引入了更高频的干扰，降低系统稳定性。
发明内容
针对上述传统反流比较器中同步整流管MP频繁开启和关断的问题，本发明提出一种适用于Boost变换器的反流比较器，尤其适用于Boost变换器输入输出压差较低的情况，通过在Boost变换器的每个时钟周期内锁存反流信号，使得同步整流管MP不会频繁开启和关断；提出一种更简单有效的锁存结构，具有高效、稳定、成本低的优点。
本发明的技术方案为：
一种适用于Boost变换器的反流比较器，所述Boost变换器包括开关功率管和同步整流管，所述反流比较器包括反流信号产生模块，所述反流信号产生模块用于在所述同步整流管开启时比较所述开关功率管与同步整流管的共漏端电压和所述Boost变换器的输出电压，并根据比较结果产生反流信号；
所述反流比较器还包括反流信号锁存模块，所述反流信号锁存模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第二与门、第二反相器和奇数个第三反相器，所述奇数个第三反相器级联构成延时单元；所述Boost变换器的时钟信号一方面经过所述延时单元后连接第二与门的第一输入端，另一方面连接第二与门的第二输入端；第一NMOS管的栅极连接第二与门的输出端，其漏极连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的栅极，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；第二NMOS管的栅极连接所述反流信号，其漏极连接第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极和第二反相器的输入端；第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接电源电压；第二反相器的输出端作为所述反流比较器的输出端。
具体的，所述反流信号产生模块包括第一比较器、第一反相器和第一与门，第一比较器的同相输入端连接所述Boost变换器的输出电压，其反相输入端连接所述开关功率管和同步整流管的共漏端电压，其输出端连接第一与门的第一输入端；第一反相器的输入端连接所述同步整流管的栅极电压，其输出端连接第一与门的第二输入端；第一与门的输出端输出所述反流信号。
具体的，所述反流信号锁存模块中，第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比相同，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比相同且远大于第一PMOS管的宽长比。
本发明的有益效果为：利用反流信号锁存模块将反流信号在每个时钟周期进行锁存，避免Boost变换器中同步整流管MP频繁的开启和关断，降低系统的功耗，尤其适用于Boost变换器输入输出压差较低的情况；提出一种更简单有效的锁存结构，具有高效、稳定、成本低、功耗低的优点。
附图说明
图1为本发明提出的一种适用于Boost变换器的反流比较器的应用框图。
图2为本发明提出的一种适用于Boost变换器的反流比较器中反流信号产生模块的结构图。
图3为本发明提出的一种适用于Boost变换器的反流比较器中反流信号锁存模块的结构图。
图4为本发明提出的一种适用于Boost变换器的反流比较器的工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。
如图1所示是本发明提出的一种适用于Boost变换器的反流比较器的应用框图，其中虚线框中为本发明提出的反流比较器，其余为Boost变换器架构，Boost变换器中包括上功率管即同步整流管MP，和下功率管即开关功率管MN，功率驱动及逻辑模块用于产生同步整流管MP的栅驱动电压TG和开关功率管MN的栅驱动电压BG。
本发明提出的反流比较器包括反流信号产生模块和反流信号锁存模块，其中，反流信号产生模块用于产生反流信号REV，该模块共有三个输入端，第一输入端接开关功率管MN和同步整流管MP的共漏极LX，第二输入端作为使能端连接Boost变换器电路中的同步整流管MP的栅极驱动信号TG，第三输入端接Boost变换器电路的输出电压VOUT；反流信号产生模块有一个输出端，用于输出反流信号REV到反流信号锁存模块的输入端。
如图2所示给出了反流信号锁存模块的一种实现形式，包括第一比较器COMP1、第一反相器INV1和第一与门AND1，第一比较器COMP1的同相输入端连接Boost变换器的输出电压VOUT，其反相输入端连接开关功率管MN和同步整流管MP的共漏端LX的电压，其输出端连接第一与门AND1的第一输入端；第一反相器INV1的输入端连接同步整流管MP的栅极电压TG，其输出端连接第一与门AND1的第二输入端；第一与门AND1的输出端输出反流信号REV。第一比较器COMP1中通常会引入失调电压VOS。
本实施例中的反流信号产生模块用于在功率管续流阶段实时比较Boost变换器的输出电压VOUT和Boost变换器中开关功率管MN和同步整流管MP的共漏极LX的电压，并产生反流信号REV，即在同步整流管MP开启阶段检测Boost变换器电路的输出电压VOUT和Boost变换器中开关功率管MN与同步整流管MP的共漏极LX处电压，输出VOUT和LX电压相比较的结果。在Boost变换器电路中，MOSFET并不具有单向导电性，所以需要在同步整流管MP开启阶段对功率管两侧的电压(VOUT和LX)进行比较，若VOUT>LX，则认定为反流发生。图2中的第一比较器COMP1用于比较VOUT和LX两点的电压，未发生反流时，LX电压大于VOUT电压，第一比较器COMP1输出低电平，若VOUT电压大于LX电压，则第一比较器COMP1输出高电平；由于同步整流管MP关闭阶段VOUT一定大于LX，此时不能认定为发生反流，因此引入第一反相器INV1和第一与门AND1用于屏蔽同步整流管MP关闭阶段反流信号的输出。
反流信号锁存模块用于将反流信号产生模块输出的反流信号REV在每个周期内进行锁存，该模块共有两个输入端，第一输入端接反流信号产生模块的输出信号REV，第二输入端接Boost变换器电路中的系统时钟信号CLK，其输出端作为本发明提出的反流比较器的输出端连接到Boost变换器电路中的功率驱动及逻辑模块的输入端，用于在检测到反流发生时关闭同步整流管MP。
如图3所示是反流信号锁存模块的结构示意图，包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第二与门AND2、第二反相器INV2和奇数个第三反相器INV3，奇数个第三反相器INV3级联构成延时单元，优选为3-15个第三反相器INV3级联；Boost变换器的时钟信号CLK一方面经过延时单元后连接第二与门AND2的第一输入端，另一方面连接第二与门AND2的第二输入端；第一NMOS管MN1的栅极连接第二与门AND2的输出端，其漏极连接第一PMOS管MP1的漏极和第二PMOS管MP2的栅极，其源极连接第二NMOS管MN2的源极并接输入电源地；第二NMOS管MN2的栅极连接反流信号REV，其漏极连接第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的漏极和第二反相器INV2的输入端；第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极连接电源电压VDD；第二反相器INV2的输出端作为反流比较器的输出端输出反流比较器的输出信号REV_OUT。其中第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比相同，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比相同且大于第一PMOS管的宽长比，优选地，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比远大于第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比。
反流信号锁存模块用于在每个Boost变换器系统时钟信号周期内将反流信号产生模块的输出信号REV锁存到REV_OUT，一旦同步整流管MP开启阶段反流比较器的输出信号REV_OUT翻转为高电平，则关闭同步整流管MP，避免电感电流反向。
由于在同步整流管MP开启阶段反流信号产生模块输出的反流信号REV完全由VOUT和LX之间的电压关系决定，通常VOUT在一个周期内比较稳定，但LX点的电压会受到电感的影响而出现振铃，一旦LX点的电压高于VOUT点的电压，反流信号REV就会出现非预期的翻转。利用奇数个第三反相器INV3级联，然后将Boost变换器原本的时钟信号CLK和时钟信号CLK经过延时后的反相信号接到第二与门AND2上产生具有一定宽度的高电平脉冲CLKP。由于反流信号REV仅存在于同步整流管MP的开启阶段，而窄脉冲仅存在于同步整流管MP关闭的一个阶段，反流发生以后，反流信号REV会由低到高，第二NMOS管MN2会开启，将B点即第二NMOS管MN2的漏端电位拉低，反流比较器的输出信号REV_OUT为高，由于CLKP信号保持不变，此后反流信号REV的变化并不会影响A点和B点的电位。上述这种状态会一直持续，直到临近下一个时钟周期，Boost变换器中电感上储存的能量已经释放，LX点的电压不会再上升到VOUT，反流信号产生模块输出的反流信号REV会维持低电平，所以在每个时钟信号CLK周期来临的上升沿，即窄脉冲的上升沿，第一NMOS管MN1会打开，将A点即第一NMOS管MN1的漏端电位拉低，B点电位升高，反流比较器的输出信号REV_OUT则输出低电平。所以，反流比较器的输出信号REV_OUT的上升由反流信号REV的上升决定，而反流比较器的输出信号REV_OUT的下降则由时钟信号CLK边沿控制，从而实现了对反流信号REV的锁存。
图4为本发明提出的反流比较器的工作波形图，所示TG为同步整流管MP的栅极驱动信号，同步整流管MP开启以后，随着电感中能量的持续释放，LX的电位逐渐下降，当下降到与VOUT+VOS相同时(图中将VOUT与LX相交时的波形进行局部放大，VOS为人为引入的失调)，同步整流管MP关闭，此时由于电感上的能量还会继续释放，导致LX点的电位会上升，引起反流信号REV从高到低的翻转。然而，这类信号是不能够直接送到驱动逻辑模块对功率管进行开关切换的，会给系统增加额外的动态功耗。本发明通过在反流信号产生模块后加入反流信号锁存模块，利用反流信号锁存模块将反流信号REV进行锁存，直到下一个时钟周期来临才会将反流比较器的输出信号REV_OUT置零，这样就能够避免反流信号REV频繁的翻转而引起同步整流管MP频繁的导通和关断，即实现了将图4中t1，t2时间段内的信号屏蔽。本发明避免了电感电流未下降为零时导致LX点电压上升而引起同步整流管MP频繁的关闭和开启，使反流标志位被触发以后在当前周期内保持稳定。电路与传统反流比较器相比，避免了LX点电压变化而引起的反流信号多次翻转，从而减小因反流信号多次翻转而导致上功率管进行开关动作引起的动态功耗，有效提高Boost变换器的效率。
综上所述，本发明提出一种反流比较器，适用于Boost变换器，利用反流信号产生模块在同步整流管MP开启阶段对Boost变换器电路的输出电压VOUT和Boost变换器中开关功率管MN与同步整流管MP的共漏极LX处电压进行比较，根据比较结果产生反流信号REV；利用反流信号锁存模块将反流信号REV在每个Boost变换器系统时钟信号周期内锁存到REV_OUT，当Boost变换器的输入输出压差较低时，LX点的电压可能会再次高于VOUT，导致REV信号出现多次翻转，而反流信号锁存模块可以将第一次翻转的REV信号锁存到REV_OUT，在下一个时钟周期的上升沿将REV_OUT复位，从而得到理想的反流信号。由于Boost变换器的输入输出压差较低时共漏极LX点电压会反复变化，反流信号REV也会随之发生变化，导致同步整流管MP频繁的开启和关断，降低系统功耗，因此本发明提出的反流比较器尤其适用于低压差Boost变换器。本发明提出的反流信号锁存模块采用新的锁存技术进行锁存，与传统的SR锁存技术等相比结构更简单，使用MOS管更少，具有高效、稳定、成本低的特点。
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 (3)

1.一种适用于Boost变换器的反流比较器，所述Boost变换器包括开关功率管和同步整流管，所述反流比较器包括反流信号产生模块，所述反流信号产生模块用于在所述同步整流管开启时比较所述开关功率管与同步整流管的共漏端电压和所述Boost变换器的输出电压，并根据比较结果产生反流信号；
其特征在于，所述反流比较器还包括反流信号锁存模块，所述反流信号锁存模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第二与门、第二反相器和奇数个第三反相器，所述奇数个第三反相器级联构成延时单元；所述Boost变换器的时钟信号一方面经过所述延时单元后连接第二与门的第一输入端，另一方面连接第二与门的第二输入端；第一NMOS管的栅极连接第二与门的输出端，其漏极连接第一PMOS管的漏极和第二PMOS管的栅极，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；第二NMOS管的栅极连接所述反流信号，其漏极连接第一PMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极和第二反相器的输入端；第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接电源电压；第二反相器的输出端作为所述反流比较器的输出端。
2.根据权利要求1所述的适用于Boost变换器的反流比较器，其特征在于，所述反流信号产生模块包括第一比较器、第一反相器和第一与门，第一比较器的同相输入端连接所述Boost变换器的输出电压，其反相输入端连接所述开关功率管和同步整流管的共漏端电压，其输出端连接第一与门的第一输入端；第一反相器的输入端连接所述同步整流管的栅极电压，其输出端连接第一与门的第二输入端；第一与门的输出端输出所述反流信号。
3.根据权利要求1或2所述的适用于Boost变换器的反流比较器，其特征在于，所述反流信号锁存模块中，第一PMOS管和第二PMOS管的宽长比相同，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比相同且远大于第一PMOS管的宽长比。
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