CN112564480B - 一种零电流检测电路及宽负载范围的ky变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零电流检测电路及宽负载范围的KY变换器，电源与共栅放大器相连接，共栅放大器的输入端与电流信号输入端相连接，共栅放大器的第一个输出端与瞬态增强晶体管的漏极、D触发器的D引脚与D触发器的VDD引脚相连接，共栅放大器的第二个输出端经缓冲器与D触发器的CLK引脚相连接，第一控制信号输入端与反相器的输入端及与门电路的输入端相连接，反相器的输出端与D触发器的RESEST引脚相连接，D触发器的
Figure DDA0002795948360000011
引脚与与门电路的输入端相连接，与门电路的输出端与信号输出端相连接，该零电流检测电路及KY变换器能够精准检测轻负载情况下KY变换器中反向电流的过零点，完全消除反向电流，提升其轻负载时的能量转换效率。

Description

一种零电流检测电路及宽负载范围的KY变换器
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，涉及一种零电流检测电路及宽负载范围的KY变换器。
背景技术
电源管理模块是集成电路应用中必不可少的部分，在传统的电源管理模块中，boost变换器经常被用于实现输出电压的升压转换功能。然而，由于boost变换器的电感电流不连续，其输出电压纹波较大。在boost 变换器的基础上使用额外的耦合电感可以有效降低输出纹波，但是需要复杂的补偿网络。KY结构是近年来新提出的升压变换器结构，其主功率级电路没有右半平面的零点，补偿难度较低。并且相比于boost结构， KY结构有更好的瞬态响应和更小的输出纹波。因此，近年来的研究主要集中于改进型的KY结构变换器上。但是当变换器的负载电流较小时，由于KY结构中存在多条反向电流路径和RLC串联谐振回路，其反向电流难以完全消除。尤其是在宽负载范围的应用中，由于大尺寸的功率开关管导通压降很小，反向电流的检测难度进一步增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种零电流检测电路及宽负载范围的KY变换器，该零电流检测电路及KY变换器能够精准检测轻负载情况下KY变换器中反向电流的过零点，完全消除反向电流，提升其轻负载时的能量转换效率。
为达到上述目的，本发明所述的零电流检测电路包括电源、电流信号输入端、第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、信号输出端、共栅放大器、瞬态增强晶体管、D触发器、反相器、与门电路及缓冲器，其中，电源与共栅放大器相连接，共栅放大器的输入端与电流信号输入端相连接，共栅放大器的第一个输出端与瞬态增强晶体管的漏极、D触发器的D引脚与D触发器的VDD引脚相连接，共栅放大器的第二个输出端经缓冲器与D触发器的CLK引脚相连接，第一控制信号输入端与反相器的输入端及与门电路的输入端相连接，反相器的输出端与D触发器的RESEST引脚相连接，D触发器的
Figure DEST_PATH_BDA0002795948340000021
引脚与与门电路的输入端相连接，与门电路的输出端与信号输出端相连接。
一种宽负载范围的KY变换器包括主功率开关管、驱动与死区控制系统、逻辑控制电路及零电流检测电路，主功率开关管经逻辑控制电路与驱动与死区控制系统相连接，零电流检测电路中的信号输入端与主功率开关管相连接，零电流检测电路中的信号输出端与驱动与死区控制系统的输入端相连接，驱动与死区控制系统的输出端与主功率开关管的控制端及零电流检测电路中第一控制信号输入端及第二控制信号输入端相连接。
所述主功率开关管包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一电容及第二电容，其中，信号输入端与第二开关管的一端及第三开关管的一端相连接，第二开关管的另一端与第一开关管的一端、第四开关管的一端、第二电容的一端及零电流检测电路中电流信号输入端相连接，第一开关管的另一端接地，第四开关管的另一端与第一电容的一端及第五开关管的一端相连接，第五开关管的另一端与第二电容的另一端及第六开关管的一端相连接，第六开关管的另一端与第一电容的另一端、第三开关管的另一端及逻辑控制电路的输入端相连接，驱动与死区控制系统的第一个输出端与第一开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第二个输出端与第二开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第三个输出端与第三开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第四个输出端与第四开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第五个输出端与第五开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第六个输出端与第六开关管的控制端相连接，驱动与死区控制系统的第一个输出端与零电流检测电路中第一控制信号输入端相连接，驱动与死区控制系统的第三个输出端与零电流检测电路中第二控制信号输入端相连接。
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管均为功率MOS开关管。
还包括自适应衬底选择电路，其中，所述自适应衬底选择电路包括第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管及限流电阻，其中，信号输入端与第一PMOS晶体管的漏极及第二PMOS晶体管的栅极相连接，零电流检测电路中的电流信号输入端与第一PMOS晶体管的栅极及第二PMOS 晶体管的源极相连接，第一PMOS晶体管的源极及第二PMOS晶体管的漏极与限流电阻的一端相连接，限流电阻的另一端与第二开关管的衬底相连接。
还包括电感、第三电容、第一电阻、第二电阻及第三电阻，其中，主功率开关管的输出端与电感的一端相连接，电感的另一端与第三电容的一端、第三电阻的一端及第一电阻的一端相连接，第三电容的另一端、第三电阻的另一端及第二电阻的一端均接地，第一电阻的另一端及第二电阻的另一端与逻辑控制电路的输入端相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的零电流检测电路及宽负载范围的KY变换器在具体工作时，在150mA-2A的负载电流下，KY变换器工作在连续导通模式 (CCM)，在150mA以下的负载电流下，通过零电流检测电路能够精准检测电感电流的过零点，使得KY变换器工作在不连续导通模式，消除反向电流，提升其轻负载时的能量转换效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中主功率开关管1的结构示意图；
图3为自适应衬底选择电路的结构示意图；
图4为零电流检测电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图4，本发明所述的零电流检测电路包括电源Ibias、电流信号输入端、第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、信号输出端、共栅放大器、瞬态增强晶体管MP7、D触发器、反相器、与门电路及缓冲器，其中，电源Ibias与共栅放大器相连接，共栅放大器的输入端与电流信号输入端相连接，共栅放大器的第一个输出端与瞬态增强晶体管MP7的漏极、D触发器的D引脚与D触发器的VDD引脚相连接，共栅放大器的第二个输出端经缓冲器与D触发器的CLK引脚相连接，第一控制信号输入端与反相器的输入端及与门电路的输入端相连接，反相器的输出端与D触发器的RESEST引脚相连接，D触发器的
Figure 556713DEST_PATH_BDA0002795948340000021
引脚与与门电路的输入端相连接，与门电路的输出端与信号输出端相连接。
参考图1，本发明所述的宽负载范围的KY变换器包括主功率开关管1、驱动与死区控制系统2、逻辑控制电路3及所述的零电流检测电路，主功率开关管1经逻辑控制电路3与驱动与死区控制系统2相连接，零电流检测电路中的信号输入端与主功率开关管1相连接，零电流检测电路中的信号输出端与驱动与死区控制系统2的输入端相连接，驱动与死区控制系统2的输出端与主功率开关管1的控制端及零电流检测电路中第一控制信号输入端及第二控制信号输入端相连接。
参考图1及图2，所述主功率开关管1包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管 S6、第一电容C1及第二电容C2，其中，信号输入端与第二开关管S2的一端及第三开关管S3的一端相连接，第二开关管S2的另一端与第一开关管S1的一端、第四开关管S4的一端、第二电容C2的一端及零电流检测电路中电流信号输入端相连接，第一开关管S1的另一端接地，第四开关管S4的另一端与第一电容C1的一端及第五开关管S5的一端相连接，第五开关管S5的另一端与第二电容C2的另一端及第六开关管S6的一端相连接，第六开关管S6的另一端与第一电容C1的另一端、第三开关管 S3的另一端及逻辑控制电路3的输入端相连接，驱动与死区控制系统2 的第一个输出端与第一开关管S1的控制端相连接，驱动与死区控制系统 2的第二个输出端与第二开关管S2的控制端相连接，驱动与死区控制系统2的第三个输出端与第三开关管S3的控制端相连接，驱动与死区控制系统2的第四个输出端与第四开关管S4的控制端相连接，驱动与死区控制系统2的第五个输出端与第五开关管S5的控制端相连接，驱动与死区控制系统2的第六个输出端与第六开关管S6的控制端相连接，驱动与死区控制系统2的第一个输出端与零电流检测电路中第一控制信号输入端相连接，驱动与死区控制系统2的第三个输出端与零电流检测电路中第二控制信号输入端相连接。
本发明所述驱动与死区控制系统2用于产生控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5及第六开关管S6的控制信号，在连续导通模式下，控制信号的占空比由PWM控制环路决定。但是在不连续导通模式下，控制信号占空比会同时受到零电流检测电路的调控。
为了解决KY变换器在轻负载下能量转换效率较低的问题，参考图 2，本发明对主功率开关管1进行重新设计，在轻负载条件下存在两条反向电流路径，这给电流检测带来了困难。本发明所述的零电流检测电路通过在提前关断第三开关管S3的条件下检测第一开关管S1两端的电压，以确定反向电流的过零点。
由于受到功率开关管体二极管的影响，即使在全部开关管关断的条件下，输入输出通路上依然存在由RLC串联谐振回路导致的反向电流。因此，本发明设计有自适应衬底选择电路，上述自适应衬底选择电路能够切断RLC串联谐振回路，完全消除反向电流。
当第三开关管S3导通后，共栅放大器的输出被重置为高电平。共栅放大器的输出端经过缓冲器与D触发器的CLK引脚相连，D触发器的 D引脚与VDD引脚相连，所述零电流检测电路使得KY变换器在100 mA-2A的负载范围内维持90％以上的能量转换效率，且能量转换效率在25mA的负载电流下有高达16.3％的提升。
所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管 S4、第五开关管S5及第六开关管S6均为功率MOS开关管。
参考图3，本发明还包括自适应衬底选择电路，其中，所述自适应衬底选择电路包括第一PMOS晶体管MP8、第二PMOS晶体管MP9及限流电阻，其中，信号输入端与第一PMOS晶体管MP8的漏极及第二 PMOS晶体管MP9的栅极相连接，零电流检测电路中的电流信号输入端与第一PMOS晶体管MP8的栅极及第二PMOS晶体管MP9的源极相连接，第一PMOS晶体管MP8的源极及第二PMOS晶体管MP9的漏极与限流电阻的一端相连接，限流电阻的另一端与第二开关管S2的衬底相连接。
本发明还包括电感L、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻RL，其中，主功率开关管1的输出端与电感L的一端相连接，电感L的另一端与第三电容C3的一端、第三电阻RL的一端及第一电阻 R1的一端相连接，第三电容C3的另一端、第三电阻RL的另一端及第二电阻R2的一端均接地，第一电阻R1的另一端及第二电阻R2的另一端与逻辑控制电路3的输入端相连接。
在本发明中，通过控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管 S3、第四开关管S4、第五开关管S5及第六开关管S6的导通及关断，实现最高(1+2D)倍的升压比例，在轻负载情况下，本发明所述的KY变换器工作在不连续导通模式，其每周期分为三个工作阶段。
阶段一：第一开关管S1及第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第六开关管S6关断。电感L由输入电压与飞电容共同充电。
阶段二：第一开关管S1及第五开关管S5断开，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4及第六开关管S6导通，飞电容由输入电压充电，电感L放电。
阶段三：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5及第六开关管S6关断，KY变换器工作在不连续导通模式，完全消除了反向电流。
其中，在150mA-2A的负载电流下，KY变换器工作在连续导通模式(CCM)，在150mA以下的负载电流下，KY变换器工作在不连续导通模式(DCM)。

Claims (6)

1.一种零电流检测电路，其特征在于，包括电源（Ibias）、电流信号输入端、第一控制信号输入端、第二控制信号输入端、信号输出端、共栅放大器、瞬态增强晶体管（MP7）、D触发器、反相器、与门电路及缓冲器，其中，电源（Ibias）与共栅放大器相连接，共栅放大器的输入端与电流信号输入端相连接，共栅放大器的第一个输出端与瞬态增强晶体管（MP7）的源极、D触发器的D引脚与D触发器的VDD引脚相连接，共栅放大器的第二个输出端与瞬态增强晶体管（MP7）的漏极相连接，并经缓冲器与D触发器的CLK引脚相连接，瞬态增强晶体管（MP7）的栅极连接第二控制信号输入端，第一控制信号输入端与反相器的输入端及与门电路的输入端相连接，反相器的输出端与D触发器的RESET引脚相连接，D触发器的
Figure 319760DEST_PATH_IMAGE002
引脚与与门电路的另一输入端相连接，与门电路的输出端与信号输出端相连接；
第一控制信号输入端与驱动与死区控制系统（2）的第一个输出端和第一开关管（S1）的控制端相连接，第二控制信号输入端与驱动与死区控制系统（2）的第三个输出端和第三开关管（S3）的控制端相连接。
2.一种宽负载范围的KY变换器，其特征在于，包括主功率开关管（1）、驱动与死区控制系统（2）、逻辑控制电路（3）及权利要求1所述的零电流检测电路，主功率开关管（1）经逻辑控制电路（3）与驱动与死区控制系统（2）相连接，零电流检测电路中的各信号输入端与主功率开关管（1）相连接，零电流检测电路中的信号输出端与驱动与死区控制系统（2）的输入端相连接，驱动与死区控制系统（2）的输出端与主功率开关管（1）的控制端及零电流检测电路中第一控制信号输入端及第二控制信号输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的宽负载范围的KY变换器，其特征在于，所述主功率开关管（1）包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）、第五开关管（S5）、第六开关管（S6）、第一电容（C1）及第二电容（C2），其中，KY变换器的信号输入端与第二开关管（S2）的一端及第三开关管（S3）的一端相连接，第二开关管（S2）的另一端与第一开关管（S1）的一端、第四开关管（S4）的一端、第二电容（C2）的一端及零电流检测电路中电流信号输入端相连接，第一开关管（S1）的另一端接地，第四开关管（S4）的另一端与第一电容（C1）的一端及第五开关管（S5）的一端相连接，第五开关管（S5）的另一端与第二电容（C2）的另一端及第六开关管（S6）的一端相连接，第六开关管（S6）的另一端与第一电容（C1）的另一端、第三开关管（S3）的另一端及逻辑控制电路（3）的输入端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第一个输出端与第一开关管（S1）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第二个输出端与第二开关管（S2）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第三个输出端与第三开关管（S3）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第四个输出端与第四开关管（S4）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第五个输出端与第五开关管（S5）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第六个输出端与第六开关管（S6）的控制端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第一个输出端与零电流检测电路中第一控制信号输入端相连接，驱动与死区控制系统（2）的第三个输出端与零电流检测电路中第二控制信号输入端相连接。
4.根据权利要求3所述的宽负载范围的KY变换器，其特征在于，所述第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）、第五开关管（S5）及第六开关管（S6）均为功率MOS开关管。
5.根据权利要求2所述的宽负载范围的KY变换器，其特征在于，还包括自适应衬底选择电路，其中，所述自适应衬底选择电路包括第一PMOS晶体管（MP8）、第二PMOS晶体管（MP9）及限流电阻，其中，KY变换器的信号输入端与第一PMOS晶体管（MP8）的漏极及第二PMOS晶体管（MP9）的栅极相连接，零电流检测电路中的电流信号输入端与第一PMOS晶体管（MP8）的栅极及第二PMOS晶体管（MP9）的漏极相连接，第一PMOS晶体管（MP8）的源极及第二PMOS晶体管（MP9）的源极与限流电阻的一端相连接，限流电阻的另一端与第二开关管（S2）的衬底相连接。
6.根据权利要求2所述的宽负载范围的KY变换器，其特征在于，还包括电感（L）、第三电容（C3）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）及第三电阻（RL），其中，主功率开关管（1）的输出端与电感（L）的一端相连接，电感（L）的另一端与第三电容（C3）的一端、第三电阻（RL）的一端及第一电阻（R1）的一端相连接，第三电容（C3）的另一端、第三电阻（RL）的另一端及第二电阻（R2）的一端均接地，第一电阻（R1）的另一端及第二电阻（R2）的另一端与逻辑控制电路（3）的输入端相连接。
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