CN110336461A - 一种高效率buck同步整流控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种高效率BUCK同步整流控制电路，包括利用检测SW电位的状态来感知高位开关的开启闭合状态，以及利用检测低位开关的门极电位来感知低位开关的开启闭合状态。避免了不同电源域之间信号传输的延时和干扰问题，做到Buck同步整流的实时检测和反应，在确保系统安全的前提下，把高位和低位开关同时关闭的死区时间降至理论最小值，实现稳定，可靠，高效率的Buck同步整流线路。

Description

一种高效率BUCK同步整流控制电路
技术领域
本发明涉及降压型DC-DC电路领域，具体涉及一种高效率BUCK同步整流控制电路。
背景技术
BUCK是DC-DC的基本拓扑之一，主要实现直流到直流的降压转换，通常需要PWM逻辑电路控制两个MOS管的轮流导通来实现电压转换，PWM逻辑电路的占空比调节直流输出电，功能框图如图1所示，当上面的高位开关导通时，输入端电源通过高位开关及电感L对负载、电感L充电储能，电感L相当于一个恒流源，起到传递能量的作用，电容相当于恒压源，在电路里面起到平滑滤波的作用；当上面的高位开关关断、下面的低位开关导通时，电感L通过负载和低位开关形成电流回路释放能量，继续为负载供电。
电路正常工作时以较高的频率持续输出PWM信号，通常频率范围为30KHZ到4MHz，其输出端电压有微小的纹波和较大的直流分量组成，从宏观上看其输出电压是恒定的。电路稳态时PWM的占空比(用D表示，含义为上高位开关导通时间与周期的比例)、输入电压(VIN)、和输出电压(VOUT)的关系为：VOUT＝VIN*D；实际电路中从高位开关开启、低位开关关断到高位开关关断、到低位开关开启的判断侦测方法不同，其切换的中间状态即死区时间各有不同。
传统方式一：PWM以固定的开关频率工作，高位开关关断后加固定的延时时间T1再开启低位开关，低位开关关断后加固定的延时时间T2再开启高位开关，来确保不会产生上下MOS管同时导通的可能，但这种结构中延时时间必须设置有一定余量，这个余量需要考虑生产工艺波动，MOS管的结电容分布，驱动电流大小波动等多种因素，所有延时时间设置相对较长。在高位开关关断，低位开关没有开启之前，以及低位开关关断，高位开关没有开启之前，回路电流通过低位开关的寄生二极管形成电流回路，此时电感的峰值电流最大，低位开关的寄生二极管上产生的正向压降也最大，典型值为0.6V到1V之间，系统产生的损耗很大，导致整体转换效率降低。由于PWM开关信号一直工作，输出空载下开关损耗有10mA以上，不符合新一代绿色能源的需求，高位开关和低位开关的驱动波形如图2所示。
传统方式二：是在传统方式一的基础上改进优化，通过检测高位开关的门极信号，当检测到高位开关的门极信号由开启变为关断后，将高位开关关断的信号通知给同步整流逻辑控制电路，之后再产生低位开关的开启信号，同理，当检测到低位开关的门极信号由开启变为关断后，将低位开关关断的信号通知给同步整流逻辑线路模块，之后再产生高位开关的开启信号。这种相对于传统方式一对死区时间的控制更为精确些，但仍存在一定的不足，对于高压的Buck线路，高位开关的驱动和门极检测线路是在独立电源域，因此检测高位开关关断后需要通过level-shift线路将高位开关已关断的信号通知给同步整流控制逻辑，同步整流控制逻辑线路再产生低位开关开启的信号，但是level-shift信号传输本身是有延时的，而且延时的时长会受到输入电压，温度，噪声等很多不确定因素的影响，甚至在个别极端情况下level-shift信号传输可能会发生错误。因此此种方式虽然一定程度改善的高低位开关的死区时间控制，但并不作为高压Buck的优选，一方面会因为level-shift传输增加死区时间，另一方面level-shift一旦发生信号传输错误的话，可能会直接导致高低位开关同时开启，进而导致系统烧毁，其实现的原理图如图3所示。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种高效率BUCK同步整流控制电路，能有效提升系统转换效率，可以有效检测高位开关和低位开关的关断信号，最大程度减小死区延时，同时又避免高位开关和低位开关同时导通的风险。
本发明的目的与解决其技术问题可采用以下技术方案来实现。
依据本发明提出的一种高效率BUCK同步整流控制电路，包括整流电感、高位开关、低位开关、Buck整流逻辑线路模块、高位开关驱动线路模块、低位开关驱动线路模块、SW电位检测线路模块、下管Gate电位检测线路模块、BUCK环路控制线路模块、第一分压电阻、第二分压电阻和输出电容；所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端、所述SW电位检测线路模块的输入端以及所述整流电感连接于一点，所述高位开关的输入端与所述高位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关的输入端与所述低位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关驱动线路模块和所述高位开关驱动线路模块分别连接所述Buck整流逻辑线路模块的两个输出端，所述SW电位检测线路模块的输出端和所述下管Gate电位检测线路模块的输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的两个输入端，所述BUCK环路控制线路模块的两个输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的另外两个输入端，所述整流电感的输入端分别连接所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端，所述整流电感的输出端连接输出正极；所述第一分压电阻与所述第二分压电阻串联并连接在所述输出正极和所述输出负极之间，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的连接点为电压反馈信号，所述电压反馈信号连接至所述BUCK环路控制线路模块的输入端，所述输出电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间。
其中，所述SW电位检测线路模块检测SW电位，SW电位为所述高位开关、所述低位开关和所述整流电感之间的连接点的电位，当所述SW电位低于第一预设的门限值时，所述SW电位检测线路模块给出SW低电位指示信号。
其中，所述BUCK环路控制线路模块根据监测到的所述电压反馈信号，动态调整所述高位开关和所述低位开关的开启、关闭时刻，分别给出高位开关开启/关闭指示信号和低位开关开启/关闭指示信号。
其中，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述BUCK环路控制线路模块发出的所述低位开关开启指示信号，同时接收所述SW电位检测线路模块发出的所述SW低电位指示信号，及输出控制信号到所述低位开关驱动线路模块控制所述低位开关开启。
其中，所述下管Gate电位检测线路模块检测所述低位开关的门极电位，所述低位开关的门极电位为所述低位开关驱动线路模块与所述低位开关之间的连接点的电位，当所述低位开关的门极电位低于第二预设的门限值时，所述下管Gate电位检测线路模块给出下管Gate拉低指示信号。
其中，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述BUCK环路控制线路模块发出的所述高位开关开启指示信号，同时接收所述下管Gate电位检测线路模块发出的所述下管Gate拉低指示信号，及输出指示信号到所述高位开关驱动线路模块控制所述高位开关开启。
本发明为一种高效率BUCK电路同步整流控制电路，利用SW电位检测线路模块输出的SW低电压指示信号作为判断高位开关关闭的依据，直接输入到Buck整流逻辑线路模块，不需要监测高位开关驱动线路模块的关闭信号，同时也避免信号传输延时造成死区时间的增加，信号处理简单，信号也稳定可靠。用SW低电压指示信号可以将死区时间优化至理论极限位置。
附图说明
图1为范例性的一种BUCK电路同步整流控制电路的结构示意图。
图2为范例性的一种BUCK电路同步整流控制电路中MOS管的驱动波形时序图。
图3为范例性的另一种BUCK电路同步整流控制电路的结构示意图。
图4为本发明提出的一种高效率BUCK同步整流控制电路的结构示意图。
图5为本发明提出的一种高效率BUCK同步整流控制电路的高位开关、低位开关时序图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明一种高效率BUCK同步整流控制电路的为达成预定发明目的所采取的技术手段及其达成的功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的高效率BUCK同步整流控制电路之具体实施方式、结构、特征及其功效，做一详细说明。
请参照图1至图3，其为范例性的高效率BUCK同步整流控制电路的结构示意图及MOS管的驱动波形时序图。
在图1中，当上面的MOS管M1导通时，输入端电源通过MOS管M1及电感L对负载、电感L充电储能，电感L相当于一个恒流源，起到传递能量的作用，电容相当于恒压源，在电路里面起到平滑滤波的作用；当上面的MOS管M1关断、下面的MOS管M2导通时，电感L通过负载和MOS管M2形成电流回路释放能量，继续为负载供电。电路正常工作时以较高的频率持续输出PWM信号，通常频率范围为30KHZ到2.5MHz，其输出端电压有微小的纹波和较大的直流分量组成，从宏观上看其输出电压是恒定的。电路稳态时PWM的占空比(用D表示，含义为上MOS管M1导通时间与周期的比例)、输入电压(VIN)、和输出电压(VOUT)的关系为：VOUT＝VIN*D；实际电路中从MOS管M1开启、MOS管M2关断到MOS管M1关断、到MOS管M2开启的判断侦测方法不同，其切换的中间状态即死区时间各有不同。
在图2中，PWM以固定的开关频率工作，MOS管M1关断后加固定的延时时间T1再开启MOS管M2，MOS管M2关断后加固定的延时时间T2再开启MOS管M1，来确保不会产生上下MOS管同时导通的可能，但这种结构中延时时间必须设置有一定余量，这个余量需要考虑生产工艺波动，MOS管的结电容分布，驱动电流大小波动等多种因素，所有延时时间设置相对较长。在MOS管M1关断，MOS管M2没有开启之前，回路电流通过MOS管M2的寄生二极管形成电流回路，此时电感的峰值电流最大，MOS管M2的寄生二极管上产生的正向压降也最大，典型值为0.6V到1V之间，系统产生的损耗很大，导致整体转换效率降低。由于PWM开关信号一直工作，输出空载下开关损耗有10mA以上，不符合新一代绿色能源的需求，MOS管M1和MOS管M2的驱动波形图如图2所示。
在图3中，图3的电路结构是在图1的电路结构基础上进一步的改进，通过检测高位开关的门极信号，当检测到高位开关的门极信号由开启变为关断后，将高位开关关断的信号通知给同步整流逻辑控制电路，之后再产生低位开关的开启信号，同理，当检测到低位开关的门极信号由开启变为关断后，将低位开关关断的信号通知给同步整流逻辑控制电路，之后再产生高位开关的开启信号。这种相对于传统方式一对死区时间的控制更为精确些，但仍存在一定的不足，对于高压的Buck线路，高位开关的驱动和门极检测线路是在独立电源域，因此检测高位开关关断后需要通过level-shift线路将高位开关已关断的信号通知给同步整流控制逻辑，同步整流控制逻辑线路再产生低位开关开启的信号，但是level-shift信号传输本身是有延时的，而且延时的时长会受到输入电压，温度，噪声等很多不确定因素的影响，甚至在个别极端情况下level-shift信号传输可能会发生错误。因此此种方式虽然一定程度改善的高低位开关的死区时间控制，但并不作为高压Buck的优选，一方面会因为level-shift传输增加死区时间，另一方面level-shift一旦发生信号传输错误的话，可能会直接导致高低位开关同时开启，进而导致系统烧毁。
在图4中，图4为本发明提出的一种高效率BUCK同步整流控制电路的结构示意图。
在图4中，本发明的高效率BUCK同步整流控制电路，包括整流电感、高位开关、低位开关、Buck整流逻辑线路模块、高位开关驱动线路模块、低位开关驱动线路模块、SW电位检测线路模块、下管Gate电位检测线路模块、Buck环路控制线路模块、第一分压电阻、第二分压电阻和输出电容；所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端、所述SW电位检测线路模块的输入端以及所述整流电感连接于一点，所述高位开关的输入端与所述高位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关的输入端与所述低位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关驱动线路模块和所述高位开关驱动线路模块分别连接所述Buck整流逻辑线路模块的两个输出端，所述SW电位检测线路模块的输出端和所述下管Gate电位检测线路模块的输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的两个输入端，所述Buck环路控制线路模块的两个输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的另外两个输入端，所述整流电感的输入端分别连接所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端，所述整流电感的输出端连接输出正极；所述第一分压电阻与所述第二分压电阻串联并连接在所述输出正极和所述输出负极之间，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的连接点为电压反馈信号，所述电压反馈信号连接至所述Buck环路控制线路模块的输入端，所述输出电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间。另外，图4中的上管指的是高位开关，下管指的是低位开关。
其中，所述SW电位检测线路模块检测SW电位，SW电位为所述高位开关、所述低位开关和所述整流电感之间的连接点的电位，当所述SW电位低于第一预设的门限值时，所述SW电位检测线路模块给出SW低电位指示信号。
其中，所述Buck环路控制线路模块根据监测到的所述电压反馈信号，动态调整所述高位开关和所述低位开关的开启、关闭时刻，分别给出高位开关开启/关闭指示信号和低位开关开启/关闭指示信号。
其中，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述Buck环路控制线路模块发出的所述低位开关开启指示信号，同时接收所述SW电位检测线路模块发出的所述SW低电位指示信号，及输出控制信号到所述低位开关驱动线路模块控制所述低位开关开启。
其中，所述下管Gate电位检测线路模块检测所述低位开关的门极电位，所述低位开关的门极电位为所述低位开关驱动线路模块与所述低位开关之间的连接点的电位，当所述低位开关的门极电位低于第二预设的门限值时，所述下管Gate电位检测线路模块给出下管Gate拉低指示信号。
其中，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述Buck环路控制线路模块发出的所述高位开关开启指示信号，同时接收所述下管Gate电位检测线路模块发出的所述下管Gate拉低指示信号，及输出指示信号到所述高位开关驱动线路模块控制所述高位开关开启。
当上面的高位开关导通时，整流电感与高位开关以及低位开关之间连接点的SW端的电位就等于输入电压VIN，由于输入电压VIN高于输出电压VOUT，此时整流电感上两端的压降使得整流电感上的电流上升，其中比负载所需高出的电流部分，在这段时间内以电荷的方式存储于输出电容内。当到达环路内部调整的PWM关断时刻，高位开关关断，此时由于电感电流不能突变的原因，整流电感从SW端抽取电流，导致SW端电位急剧下降，当SW电位下降至预设的电位检测阈值时，就可以判断高位开关已经完整关断，此时预设的电位检测阈值远低于输出正极与输出负极之间的压差，比如下降到100mV以下，以免整流电感上没有电流时产生判断错误。并且整流电感上还有从SW端到VOUT端的延续的电流，依此作为低位开关导通的条件。此判断方式不受高位开关驱动延时的影响，确保判断时刻为高位开关完全关断的瞬间，同时此检测判断线路在低位电源域，不需要通过Level-shift线路来进行信号传输，也就不存在Level-shift的传输延时，确保判断信号以最快的方式传输至低位开关的管理逻辑线路当中，此方式兼具可靠性和及时性的优势，可以将高位开关关断到低位开关导通之间的死区时间在安全可靠的前提下压缩至理论极限。
当低位开关导通时，整流电感从SW端到VOUT端的压降就为-VOUT，电感电流开始下降，此过程内整流电感上低于负载所需电流的部分，就通过输出电容来补足。当到达下一个周期起始时刻，BUCK环路控制线路模块控制低位开关关断，此时通过检测低位开关门极的电位，当低位开关门极电位降至接近0电位时，可以判断低位开关已经完全关断，结合时钟周期的起始信号，依此作为高位开关可以导通的条件。由于此判断线路也是在低位电源域，同样不需要经过Level-shift，同样具备可靠性和及时型的优势，可以将低位开关关断到高位开关导通之间的死区时间压缩至近乎理论极限。
在死区时间内，整流电感上的电流通过低位开关的寄生二极管续流，一般来说续流二极管的导通压降在800mV左右，而低位开关的通道压降仅为整流电感的电流IL乘以低位开关内阻RLS’IL×RLS一般只有20～150mV，这样在死区时间内，低位开关上的压降就多出800mV-IL×RLS。
如图5所示，每周期起始时刻为t0，高位开关导通时刻为t1，高位开关关断时刻为t2，低位开关导通时刻为t3，低位开关关断时刻为t4，下一周期高位开关导通时刻为t5，每个周期出现的两段死区时间分别为t3-t2，以及t5-t4。
相对于高位开关和低位开关到导通时间完全衔接的理想情况，两段死区时间内多损失的能量分别为以及由此可见，死区时间的长短会直接影响BUCK线路在能量转换过程当中的能量损失，因此要尽可能压缩死区时间，以此来提升BUCK线路在能量转换过程中转换效率。而本发明的同步整流线路，可以在安全可靠的前提下，将BUCK线路的死区时间压缩至近乎理论极限。实现安全、可靠、高效的降压转换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改与等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，包括整流电感、高位开关、低位开关、Buck整流逻辑线路模块、高位开关驱动线路模块、低位开关驱动线路模块、SW电位检测线路模块、下管Gate电位检测线路模块、BUCK环路控制线路模块、第一分压电阻、第二分压电阻和输出电容；所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端、所述SW电位检测线路模块的输入端以及所述整流电感连接于一点，所述高位开关的输入端与所述高位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关的输入端与所述低位开关驱动线路模块的输出端连接，所述低位开关驱动线路模块和所述高位开关驱动线路模块分别连接所述Buck整流逻辑线路模块的两个输出端，所述SW电位检测线路模块的输出端和所述下管Gate电位检测线路模块的输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的两个输入端，所述BUCK环路控制线路模块的两个输出端分别连接到所述Buck整流逻辑线路模块的另外两个输入端，所述整流电感的输入端分别连接所述高位开关的下输出端、所述低位开关的上输出端，所述整流电感的输出端连接输出正极；所述第一分压电阻与所述第二分压电阻串联并连接在所述输出正极和所述输出负极之间，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的连接点为电压反馈信号，所述电压反馈信号连接至所述BUCK环路控制线路模块的输入端，所述输出电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间。
2.根据权利要求1所述的高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，所述SW电位检测线路模块检测SW电位，SW电位为所述高位开关、所述低位开关和所述整流电感之间的连接点的电位，当所述SW电位低于第一预设的门限值时，所述SW电位检测线路模块给出SW低电位指示信号。
3.根据权利要求2所述的高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，所述BUCK环路控制线路模块根据监测到的所述电压反馈信号，动态调整所述高位开关和所述低位开关的开启、关闭时刻，分别给出高位开关开启/关闭指示信号和低位开关开启/关闭指示信号。
4.根据权利要求3所述的高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述BUCK环路控制线路模块发出的所述低位开关开启指示信号，同时接收所述SW电位检测线路模块发出的所述SW低电位指示信号，及输出控制信号到所述低位开关驱动线路模块控制所述低位开关开启。
5.根据权利要求3所述的高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，所述下管Gate电位检测线路模块检测所述低位开关的门极电位，所述低位开关的门极电位为所述低位开关驱动线路模块与所述低位开关之间的连接点的电位，当所述低位开关的门极电位低于第二预设的门限值时，所述下管Gate电位检测线路模块给出下管Gate拉低指示信号。
6.根据权利要求5所述的高效率BUCK同步整流控制电路，其特征在于，所述Buck整流逻辑线路模块接收所述BUCK环路控制线路模块发出的所述高位开关开启指示信号，同时接收所述下管Gate电位检测线路模块发出的所述下管Gate拉低指示信号，及输出指示信号到所述高位开关驱动线路模块控制所述高位开关开启。
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