CN114825960A - 一种实时自适应前沿消隐电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种实时自适应前沿消隐电路。本发明包括固定前沿消隐模块、自适应前沿消隐模块和电流采样模块：固定前沿消隐模块用于产生固定消隐时间；自适应前沿消隐模块根据反映原边侧电流信息的V_CS电压的上升下降沿的情况，自适应地输出重置信号V_RESET来重置固定消隐时间，从而实现实时型自适应功能；电流采样模块根据上述两模块决定的前沿消隐信号V_LEB开启时间范围内，对原边侧电压V_CS进行采样。本发明所述的实时自适应前沿消隐电路用于含变压器的隔离型开关变换器中，可避免电流尖峰造成的过流误判断问题。所述自适应前沿消隐电路适合于多样的应用环境，电路结构简单易实现、反应速度提升、电路版图面积小。

Description

一种实时自适应前沿消隐电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种实时自适应前沿消隐电路。

背景技术

对于开关变换器，为防止功率管一直流过大电流而烧毁，需要设计过流保护模块，而过流保护模块最重要的部分就是电流采样。在含有变压器的隔离型开关变换器中，一般采用原边侧串联电阻或者使用耦合电感方式采样功率管上的电流，将之转换为电压信号送入控制器，而后判断系统是否过流，因此准确地采样流过功率管的电流极为重要。

然而，在实际应用中，由于变压器漏感的影响，在功率管开启阶段会产生电流尖峰。如果直接将含电流尖峰的信号送入控制器进行处理，容易发生误判断，输出错误的过流信号。对于这种问题，一般的解决方法是对采样的电流信号进行滤波处理，但如此的话将额外增加系统体积与成本，并且采样的信号也存在一定程度上的失真，不能反映最真实的电流变化。另外一种方法是设定固定前沿消隐时间，这种方法可以避免使用外部电容元件并保证采样电流信号的完整性，但无法应对不同漏感、主副功率管死区时间以及负载电流大小的情况，在消隐时间不够的情况下甚至会出现系统无法启动的严重问题。

实际上，所需的消隐时间不仅会受变压器漏感与主副功率管死区时间影响，还与功率管的栅源电容有关，致使消隐时间具有随机性，自适应前沿消隐方式因此而出现。在目前已有的自适应前沿消隐方法中，会使用比较器对电流采样信号V_CS进行处理，而实际上，在几百千赫兹(kHz)频率的开关变换器中，电流尖峰的频率已经可达百兆赫兹(MHz)级别，周期为几纳秒(ns)，使用比较器对这种高频信号处理显然不合理且无法大规模应用。

发明内容

本发明针对已有前沿消隐电路的不足，提出了一种实时自适应前沿消隐电路，可确保在不同应用条件以及电路工作状态下自适应地调节前沿消隐时间，保证开关变换器不会发生过流误开启动作，同时保证采样电流信号的完整性。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种实时自适应前沿消隐电路，用于开关变换器，其特征在于，所述实时自适应前沿消隐电路接收开关变换器中功率管的栅极驱动信号以及将开关变换器的原边电流转换为电压后的采样电压信号，实时自适应前沿消隐电路的输出连接开关变换器中比较器的同相输入端，比较器的反相输入端接COMP电压，比较器的输出通过脉宽调制后获得功率管的栅极驱动信号；

所述实时自适应前沿消隐电路包括固定前沿消隐模块、自适应前沿消隐模块和电流采样模块；所述固定前沿消隐模块包括固定消隐单元和重置单元，固定消隐单元的一个输入端接功率管的栅极驱动信号，另一个输入端接重置单元的输出端，固定消隐单元的输出端输出前沿消隐信号；所述固定消隐单元用于根据功率管的栅极驱动信号，经过固定消隐时间后，输出前沿消隐信号，并且固定消隐单元根据重置单元输出的重置信号进行重置，重置后将重新计算固定消隐时间；所述重置单元的输入为自适应前沿消隐模块的输出；

所述自适应前沿消隐模块包括阈值翻转单元和检测逻辑单元，阈值翻转单元的输入为将开关变换器的原边电流转换为电压后的采样电压信号V_CS，定义阈值翻转单元中的内置预设阈值电压为V_LIM，阈值翻转单元用于对V_CS电压进行检测，当V_CS高于阈值V_LIM时输出高，实现将V_CS电压越过V_LIM的上升沿与低于V_LIM的下降沿转换为电源与地电位间的翻转信号的功能；定义阈值翻转单元的输出为V_C，所述检测逻辑单元用于检测V_C的上升沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的上升沿则再检测V_C的下降沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的下降沿则输出脉冲重置信号给重置单元，并且重新开始对V_C上升沿进行检测，直到功率管关闭阶段停止；

所述电流采样模块用于在前沿消隐信号结束时，将电压V_CS采样进芯片内形成去除电流尖峰振荡信号的输出信号。

本发明的有益效果为，相较于现有技术的前沿消隐电路，本发明的实时自适应前沿消隐电路适合于不同变压器漏感、主副功率管死区时间、负载电流大小以及功率管开启时间的情况下，能够自适应地调节前沿消隐时间；相较于只考虑前沿消隐时间与单一参数的关系，本发明应用范围更广、考虑情况更加全面；每次前沿消隐时间的调整都是在本周期内实现，实现了实时型控制；使用了简单的阈值翻转单元，相对一般消隐电路结构简单易实现、反应速度提升、电路版图面积小。

附图说明

图1为本发明电路在正激开关变换器中的应用示意图；

图2为实时自适应前沿消隐电路实现框图；

图3为固定前沿消隐模块实现框图；

图4为自适应前沿消隐模块实现框图；

图5为本发明实施例固定前沿消隐模块及电流采样模块电路原理示意图；

图6为本发明实施例自适应前沿消隐模块电路原理示意图；

图7为依照本发明实施例的示例信号曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细描述：

本发明提出的实时自适应前沿消隐电路，其应用示意图如图1所示，用于将采样电压信号V_CS转换为去除电流尖峰振荡信号的输出信号V_{CS_IN}，电路需要用到功率管的栅极驱动信号V_OUTA；

如图2所示，本发明提出的实时自适应前沿消隐电路，包括固定前沿消隐模块、自适应前沿消隐模块和电流采样模块；

如图3所示，所述固定前沿消隐模块输入端接主功率管MN_POWER的栅极控制信号V_OUTA和自适应前沿消隐模块输出的脉冲重置信号V_RESET；主功率管MN_POWER的栅极控制信号V_OUTA需要与栅极驱动信号相区别，两者电源轨不同；主功率管MN_POWER的栅极控制信号V_OUTA输入固定消隐模块中的固定消隐单元，经过固定消隐时间T_LEB后，输出前沿消隐信号V_LEB；V_LEB信号提供给电流采样模块对CS端电位进行合理采样；

上述固定消隐单元，从V_OUTA上升沿或重置单元结束重置操作时，产生一固定消隐时间T_LEB；

上述重置单元，在所述自适应前沿消隐模块输出V_RESET脉冲重置信号时，开启重置操作，重置斜坡信号V_Delay，从而重置固定消隐单元，使其重新计算固定消隐时间T_LEB；

上述斜坡信号V_Delay，在到达预设翻转值之前，由固定消隐单元决定从零电压开始上升的时刻，由重置单元决定重置为零的时刻；

上述前沿消隐信号V_LEB，相比于V_OUTA信号，减去了由固定消隐单元以及重置单元决定的消隐时间，控制电流采样模块在功率管开启且消隐结束的时间段内对电流信号进行采样；

上述电流采样模块，在V_LEB决定的开启时间范围内，通过在原边侧主功率管下串联一采样电阻R_CS或通过电感耦合方式将原边电流信息转换为电压信息进行采样；

如图4所示，所述自适应前沿消隐模块输入端接反映原边侧电流信息的电压V_CS和前沿消隐信号V_LEB，输出V_RESET脉冲重置信号端接上述重置单元，控制重置操作；自适应前沿消隐模块逻辑为：输入V_CS电压经过V_LIM阈值翻转单元输出一具备V_CS上升下降沿信息的V_C信号；在功率管开启阶段，检测V_C的上升沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的上升沿则再检测其下降沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的下降沿则输出一V_RESET脉冲重置信号给上述重置单元，并且重新开始对V_C上升沿进行检测，直到功率管关闭阶段停止；

上述V_LIM阈值翻转单元，使用V_LIM阈值翻转单元对V_CS电压进行检测，当V_CS高于预设阈值V_LIM时输出高，实现将V_CS电压越过V_LIM的上升沿与低于V_LIM的下降沿转换为电源与地电位间的翻转信号的功能；由于电流尖峰振荡频率可达百MHz级别，因而V_LIM阈值翻转单元需有ns级别的反应能力，传统的比较器无法满足此要求，需使用简单逻辑器件完成此功能，比如迟滞比较器或特殊处理的缓冲器等，并合理配合电平移位电路实现。

所述电流采样模块输入端接反映原边侧电流信息的电压V_CS和前沿消隐信号V_LEB，输出所需的去除电流尖峰振荡的V_{CS_IN}信号；电流采样模块功能为：在消隐信号V_LEB结束时，将反映原边侧电流信息的V_CS电压采样进芯片内形成去除电流尖峰振荡的V_{CS_IN}信号。

实施例

如图5所示，本实施例提供的固定前沿消隐模块包括：固定消隐单元和重置单元；其输入端接主功率管MN_POWER的栅极控制信号V_OUTA，需要与主功率管MN_POWER的栅极驱动信号相区别，两者电源轨不同，另一输入端接脉冲重置信号V_RESET；输出为前沿消隐信号V_LEB。

在本实施例中，固定消隐单元输入端接主功率管MN_POWER的栅极控制信号V_OUTA以及斜坡信号V_Delay，输出前沿消隐信号V_LEB；固定消隐单元产生T_LEB的延时；

其中，将功率管栅极控制信号V_OUTA的上升沿阶跃变为上升斜坡V_Delay信号；信号V_Delay将受重置单元控制，在V_Delay到达设定值后输出V_LEB信号翻转；

在本实施例中，固定前沿消隐模块的重置单元，在输入的脉冲重置信号V_RESET为高时，将输出斜坡信号V_Delay拉低；

如图5所示，本实施例提供的电流采样模块包括：交叠时间产生单元U₂和开关管M₁、M₂；其输入端接前沿消隐信号V_LEB和反映原边侧电流信息的V_CS信号，输出去除电流尖峰振荡的V_{CS_IN}信号。

在本实施例中，包括交叠时间产生单元；交叠时间产生单元U₂将输入的前沿消隐信号V_LEB转换为具有交叠特征的栅极控制信号V_C1和V_C2；

在本实施例中，由固定前沿消隐模块以及自适应前沿消隐模块决定的交叠时间信号V_C1和V_C2控制着开关管M₁和M₂的开通与关断，将V_CS信号引入形成去除尖峰振荡的V_{CS_IN}信号。

其中，保证在开关管M₁要开通时，V_{CS_IN}有对地低阻通路，防止V_{CS_IN}节点电容充电导致出现电压尖峰；在开关管M₁要关断时同样如此，因而栅极控制信号V_C1和V_C2具有交叠特征。

如图6所示，本实施例提供的自适应前沿消隐模块输入端接V_CS信号以及前沿消隐信号V_LEB，输出重置信号V_RESET提供给上述实施例固定前沿消隐模块。

在本实施例中，自适应前沿消隐模块，包括V_LIM阈值翻转单元、上升沿检测单元U₃、下降沿检测单元U₄和U₅、或门U₆、SR锁存器U₇和与门U₈；V_LIM阈值翻转单元输入端接V_CS信号，输出同时接入上升沿检测单元U₃和下降沿检测单元U₄的输入端；上升沿检测单元U₃输出端接SR锁存器U₇的S端；下降沿检测单元U₄的输出端接或门U₆的输入端以及与门U₈的输入端；下降沿检测单元U₅输入端接前沿消隐信号V_LEB，输出端接或门U₆的另一输入端；或门U₆的输出端接SR锁存器U₇的R端；SR锁存器U₇的输出端接与门U₈的另一输入端；与门U₈的输出为重置信号V_RESET；

其中，V_LIM阈值翻转单元用缓冲器以及电平移位器实现，以保证电路响应速度达到所需要求，设计缓冲器上升翻转阈值到V_LIM，并且V_LIM电位被设置为开关变换器的过流限电平；

在本实施例中，在V_LEB信号未翻低时，同时检测V_CS信号的上升下降沿对，只有当同时出现上升沿与下降沿时发出重置V_RESET信号，否则持续检测，直到V_LEB信号翻低，自适应前沿消隐模块停止工作。

具体工作过程如下：如图7所示，在V_OUTA发出上升沿信号后，V_Delay信号开始上升，同时自适应前沿消隐模块开始工作；在当前周期内检测到V_CS信号两次相对于预设V_LIM值的上升下降沿，从而发出两次V_RESET重置信号脉冲，V_Delay信号被两次重置；而后，V_Delay信号持续上升到预设翻转值，V_LEB翻低，V_LEB的翻低使得自适应前沿消隐模块中的RS锁存器U₇被复位，自适应前沿消隐模块停止运行；利用V_LEB信号经过交叠时间产生单元U₂输出交叠信号V_C1和V_C2，对V_CS信号进行采样，得到V_{CS_IN}信号。

Claims (1)

1.一种实时自适应前沿消隐电路，用于开关变换器，其特征在于，所述实时自适应前沿消隐电路接收开关变换器中功率管的栅极驱动信号以及将开关变换器的原边电流转换为电压后的采样电压信号，实时自适应前沿消隐电路的输出连接开关变换器中比较器的同相输入端，比较器的反相输入端接COMP电压，比较器的输出通过脉宽调制后获得功率管的栅极驱动信号；

所述实时自适应前沿消隐电路包括固定前沿消隐模块、自适应前沿消隐模块和电流采样模块；所述固定前沿消隐模块包括固定消隐单元和重置单元，固定消隐单元的一个输入端接功率管的栅极驱动信号，另一个输入端接重置单元的输出端，固定消隐单元的输出端输出前沿消隐信号；所述固定消隐单元用于根据功率管的栅极驱动信号，经过固定消隐时间后，输出前沿消隐信号，并且固定消隐单元根据重置单元输出的重置信号进行重置，重置后将重新计算固定消隐时间；所述重置单元的输入为自适应前沿消隐模块的输出；

所述自适应前沿消隐模块包括阈值翻转单元和检测逻辑单元，阈值翻转单元的输入为将开关变换器的原边电流转换为电压后的采样电压信号V_CS，定义阈值翻转单元中的内置预设阈值电压为V_LIM，阈值翻转单元用于对V_CS电压进行检测，当V_CS高于阈值V_LIM时输出高，实现将V_CS电压越过V_LIM的上升沿与低于V_LIM的下降沿转换为电源与地电位间的翻转信号的功能；定义阈值翻转单元的输出为V_C，所述检测逻辑单元用于检测V_C的上升沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的上升沿则再检测V_C的下降沿，如果没有则继续检测，如果检测到了V_C的下降沿则输出脉冲重置信号给重置单元，并且重新开始对V_C上升沿进行检测，直到功率管关闭阶段停止；

所述电流采样模块用于在前沿消隐信号结束时，将电压V_CS采样进芯片内形成去除电流尖峰振荡信号的输出信号。

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