CN115051537A - 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器 - Google Patents

一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN115051537A
CN115051537A CN202210499183.0A CN202210499183A CN115051537A CN 115051537 A CN115051537 A CN 115051537A CN 202210499183 A CN202210499183 A CN 202210499183A CN 115051537 A CN115051537 A CN 115051537A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tube
terminal
pmos
nmos
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210499183.0A
Other languages
English (en)
Inventor
孙大鹰
陈颖涛
王冲
周义其
顾文华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202210499183.0A priority Critical patent/CN115051537A/zh
Publication of CN115051537A publication Critical patent/CN115051537A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本申请提供一种零电流检测电路及Buck型DC‑DC变换器，零电流检测电路包括偏置电流源，多个PMOS管，多个反相器以及电阻等。本申请提供的零电流检测电路引用于Buck型DC‑DC变换器。Buck型DC‑DC变换器通过元器件之间的连接配合，内部动态调节零电流检测电路的工作状态，解决现有技术中存在的功耗问题，同时使得零电流检测电路提前检测电感电流，提前关断续流管，解决现有的电流倒灌问题。

Description

一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器
技术领域
本申请涉及电子电路技术技术领域，特别涉及一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器。
背景技术
随着物联网、5G等技术的快速发展，对低功耗系统的要求在不断地提高，因而低功耗的电源管理芯片逐渐受到广泛地关注，尤其是针对轻载或超轻载以及空载下的功耗问题。作为在电源管理芯片中得到普遍运用的Buck型DC-DC变换器普遍采用的是同步整流技术，但是这一技术也存在一些问题，最显著的就是如果系统所带负载为轻载，续流阶段的电感电流很容易出现电流倒灌的现象，造成轻载下的功耗损失，进而影响系统整体在轻载下的转换效率，倒灌电流过大还会造成芯片的损坏。所以为了避免这些负面影响，在应用同步整流技术的时候，往往需要在系统内部加入一个零电流检测模块来采样实时电感电流是否存在反向，通过及时采取措施关断续流管，解决电流倒灌的问题。
现有技术中的零电流检测电路结构一般采用的是多级运算放大器结构，而且在DC-DC变换器正常工作时，没有根据系统工作阶段进行动态调节电路的工作状态，零电流检测电路在系统工作全周期内始终处于工作状态，使得零电流检测电路本身消耗了极大的静态电流，大大增加了DC-DC变换器的静态功耗。此外，在现有技术中，零电流检测电路往往是将采样信号与零电位进行比较，但是由于Buck型DC-DC变换器在工作时，系统内部存在线延迟和逻辑延迟等影响，这样就会造成变换器中续流管不能及时被关断，系统仍然存在部分倒灌电流。因此，本申请针对上述问题采取了改进措施，使得DC-DC变换器在正常工作时，内部动态调节零电流检测电路的工作状态，解决现有技术中存在的功耗问题，同时使得零电流检测电路提前检测电感电流，提前关断续流管，解决现有的电流倒灌问题。
发明内容
本申请提供了一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器，可用于解决零电流检测电路低静态功耗及DC-DC变换器在轻载或空载情况下功耗降低的技术问题。
第一方面，本申请提供一种零电流检测电路，所述电路包括：偏置电流源IBIAS、第一NMOS管Mn1、第一PMOS管Mp1、第一反相器INV1、第二NMOS管Mn2、第三NMOS管Mn3、第四NMOS管Mn4、第五NMOS管Mn5、第六NMOS管Mn6、第二PMOS管Mp2、第三PMOS管Mp3、第四PMOS管Mp4、第五PMOS管Mp5、第二反相器INV2、第七NMOS管Mn7、第一电阻R1、第二电阻R2、第八NMOS管Mn8、第六PMOS管Mp6、第七PMOS管Mp7、第八PMOS管Mp8、第九PMOS管Mp9、第十NMOS管Mn10、第十一NMOS管Mn11、第十PMOS管Mp10、第十一PMOS管Mp11、第十二NMOS管Mn12、第一与非门NAND1、第三反相器INV3；
偏置电流源IBIAS一端连接输入电源信号VIN，另一端连接第一NMOS管Mn1漏端和第一PMOS管Mp1源端，第一NMOS管Mn1栅端连接第一反相器INV1的输入端和输入信号LS，第一PMOS管Mp1栅端连接第一反相器INV1输出端，第一NMOS管Mn1源端和第一PMOS管Mp1漏端连接第二NMOS管Mn2漏端和栅端，第二NMOS管Mn2源端连接第三NMOS管Mn3漏端和栅端，第三NMOS管Mn3源端连接地，第四NMOS管Mn4栅端连接第二NMOS管Mn2栅端，第四NMOS管Mn4源端连接第五NMOS管Mn5漏端，第五NMOS管Mn5栅端连接第三NMOS管Mn3栅端，第五NMOS管Mn5源端连接地；第六NMOS管Mn6源端连接第四NMOS管Mn4漏端，第六NMOS管Mn6栅端连接输入信号LS和第二反相器INV2输入端，第六NMOS管Mn6漏端连接第三PMOS管Mp3漏端和栅端，第三PMOS管Mp3源端连接第二PMOS管Mp2漏端和栅端，第二PMOS管Mp2源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4栅端连接第二PMOS管Mp2栅端，第四PMOS管Mp4漏端连接第五PMOS管Mp5源端，第五PMOS管Mp5栅端连接第三PMOS管Mp3栅端，第五PMOS管Mp5漏端连接第七NMOS管Mn7漏端和栅端；第一电阻R1一端连接第七NMOS管Mn7源端，另一端连接地；第二电阻R2一端连接输入信号SW，另一端连接第八NMOS管Mn8源端；第八NMOS管Mn8栅端连接第七NMOS管Mn7栅端和第九NMOS管Mn9漏端，第八NMOS管Mn8漏端连接第七PMOS管Mp7漏端和第十NMOS管Mn10漏端以及第十一NMOS管Mn11栅端；第九NMOS管Mn9栅端连接第二反相器INV2输出端，第九NMOS管Mn9源端接地；第七PMOS管Mp7栅端连接第五PMOS管Mp5栅端，第七PMOS管Mp7源端连接第六PMOS管Mp6漏端，第六PMOS管Mp6栅端连接第四PMOS管Mp4栅端，第六PMOS管Mp6源端连接输入电源信号VIN，第八PMOS管Mp8栅端连接第六PMOS管Mp6栅端，第八PMOS管Mp8漏端连接第九PMOS管Mp9源端，第九PMOS管Mp9栅端连接第七PMOS管Mp7栅端，第九PMOS管Mp9漏端连接第十一NMOS管Mn11漏端、第十PMOS管Mp10漏端、第十一PMOS管Mp11栅端以及第十二NMOS管Mn12栅端，第十一NMOS管Mn11源端连接地；第十PMOS管Mp10源端连接输入电源信号VIN，第十PMOS管Mp10栅端连接输入信号LS和第一与非门NAND1的一个输入端，第十一PMOS管Mp11源端连接输入电源信号VIN，第十一PMOS管Mp11漏端连接第十二NMOS管Mn12漏端和第一与非门NAND1另一个输入端，第一与非门NAND1的输出端连接第三反相器INV3的输入端，第三反相器的输出端连接输出信号VZCD。
第二方面，本申请提供一种Buck型DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括权利要求1所述的零电流检测电路。
可选的，所述变换器包括：输入电源信号VIN、上功率管MP、下功率管MN、开关节点信号SW、电感L、等效串联电阻Resr、输出电容Cout、第一反馈电阻Rfb1、第二反馈电阻Rfb2、反馈电压VFB、负载电阻Rload、逻辑处理Logic、零电流检测电路ZCD、驱动模块Drive、上功率管MP栅端控制信号HS、下功率管MN栅端控制信号LS；
上功率管MP源端连接输入电源信号VIN，上功率管MP漏端连接下功率管MN漏端和电感L的一端，下功率管MN源端连接地；等效串联电阻Resr一端连接电感L的另一端，等效串联电阻Resr另一端连接输出电容Cout一端，输出电容Cout另一端连接地；第一反馈电阻Rfb1一端连接电感L的另一端，第一反馈电阻Rfb1另一端连接第二反馈电阻Rfb2一端，并将反馈电压VFB送入逻辑处理Logic中，第二反馈电阻Rfb2另一端接地；负载电阻Rload一端连接电感L的另一端，负载电阻Rload另一端连接地；逻辑处理Logic输出送到驱动模块Drive中，驱动模块Drive输出信号分别连接到上功率管MP的栅端和下功率管MN的栅端，并返回去送到零电流检测电路ZCD中。
可选的，当输入信号LS为高电平，电路正常工作，开关节点信号SW信号与所设定的提前阈值进行比较，当开关节点信号SW信号超过预设阈值时，输出信号VZCD翻转为高电平；当输入信号LS为低电平，电路整体关断。
可选的，零电流检测电路ZCD检测开关节点SW处信号，经过判断处理，产生相应输出信号送入到逻辑处理模块Logic进行处理，并经驱动模块Drive产生上功率管MP栅端控制信号HS和下功率管MN栅端控制信号LS，同时下功率管MN栅端控制信号LS控制零电流检测电路ZCD、正常工作与关断。
本申请提供的零电流检测电路不仅能够实现在系统中提前翻转从而提前关断下功率管的作用，而且由于该电路在系统正常工作时其工作方式是间断性的，只在需要工作时进行工作，其余时间段内该电路始终处于关闭状态，尤其是当系统所带负载为轻载或超轻载时，其工作周期长即系统工作频率很小，本身电路所产生的功耗非常低。
附图说明
图1为本申请实施例提供的中的零电流检测电路的电路原理图；
图2为本申请实施例提供的零电流检测电路在Buck变换器中工作方式架构；
图3(a)为本申请实施例提供的变换器系统轻载下在无零电流检测电路时的工作波形图；
图3(b)为本申请实施例提供的变换器系统轻载下在有零电流检测电路时的工作波形图；
图4为本申请实施例提供的变换器工作在DCM模式下该电路相关的仿真波形图；
图5为本申请实施例提供的变换器工作在CCM模式下该电路相关的仿真波形图；
图6为本申请实施例提供的零电流检测电路在系统中正常工作时的静态电流仿真结果。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
下面首先结合附图对本申请实施例进行介绍。
本申请提供一种零电流检测电路，包括：偏置电流源IBIAS、第一NMOS管Mn1、第一PMOS管Mp1、第一反相器INV1、第二NMOS管Mn2、第三NMOS管Mn3、第四NMOS管Mn4、第五NMOS管Mn5、第六NMOS管Mn6、第二PMOS管Mp2、第三PMOS管Mp3、第四PMOS管Mp4、第五PMOS管Mp5、第二反相器INV2、第七NMOS管Mn7、第一电阻R1、第二电阻R2、第八NMOS管Mn8、第六PMOS管Mp6、第七PMOS管Mp7、第八PMOS管Mp8、第九PMOS管Mp9、第十NMOS管Mn10、第十一NMOS管Mn11、第十PMOS管Mp10、第十一PMOS管Mp11、第十二NMOS管Mn12、第一与非门NAND1、第三反相器INV3；
偏置电流源IBIAS一端连接输入电源信号VIN，另一端连接第一NMOS管Mn1漏端和第一PMOS管Mp1源端，第一NMOS管Mn1栅端连接第一反相器INV1的输入端和输入信号LS，第一PMOS管Mp1栅端连接第一反相器INV1输出端，第一NMOS管Mn1源端和第一PMOS管Mp1漏端连接第二NMOS管Mn2漏端和栅端，第二NMOS管Mn2源端连接第三NMOS管Mn3漏端和栅端，第三NMOS管Mn3源端连接地，第四NMOS管Mn4栅端连接第二NMOS管Mn2栅端，第四NMOS管Mn4源端连接第五NMOS管Mn5漏端，第五NMOS管Mn5栅端连接第三NMOS管Mn3栅端，第五NMOS管Mn5源端连接地；第六NMOS管Mn6源端连接第四NMOS管Mn4漏端，第六NMOS管Mn6栅端连接输入信号LS和第二反相器INV2输入端，第六NMOS管Mn6漏端连接第三PMOS管Mp3漏端和栅端，第三PMOS管Mp3源端连接第二PMOS管Mp2漏端和栅端，第二PMOS管Mp2源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4栅端连接第二PMOS管Mp2栅端，第四PMOS管Mp4漏端连接第五PMOS管Mp5源端，第五PMOS管Mp5栅端连接第三PMOS管Mp3栅端，第五PMOS管Mp5漏端连接第七NMOS管Mn7漏端和栅端；第一电阻R1一端连接第七NMOS管Mn7源端，另一端连接地；第二电阻R2一端连接输入信号SW，另一端连接第八NMOS管Mn8源端；第八NMOS管Mn8栅端连接第七NMOS管Mn7栅端和第九NMOS管Mn9漏端，第八NMOS管Mn8漏端连接第七PMOS管Mp7漏端和第十NMOS管Mn10漏端以及第十一NMOS管Mn11栅端；第九NMOS管Mn9栅端连接第二反相器INV2输出端，第九NMOS管Mn9源端接地；第七PMOS管Mp7栅端连接第五PMOS管Mp5栅端，第七PMOS管Mp7源端连接第六PMOS管Mp6漏端，第六PMOS管Mp6栅端连接第四PMOS管Mp4栅端，第六PMOS管Mp6源端连接输入电源信号VIN，第八PMOS管Mp8栅端连接第六PMOS管Mp6栅端，第八PMOS管Mp8漏端连接第九PMOS管Mp9源端，第九PMOS管Mp9栅端连接第七PMOS管Mp7栅端，第九PMOS管Mp9漏端连接第十一NMOS管Mn11漏端、第十PMOS管Mp10漏端、第十一PMOS管Mp11栅端以及第十二NMOS管Mn12栅端，第十一NMOS管Mn11源端连接地；第十PMOS管Mp10源端连接输入电源信号VIN，第十PMOS管Mp10栅端连接输入信号LS和第一与非门NAND1的一个输入端，第十一PMOS管Mp11源端连接输入电源信号VIN，第十一PMOS管Mp11漏端连接第十二NMOS管Mn12漏端和第一与非门NAND1另一个输入端，第一与非门NAND1的输出端连接第三反相器INV3的输入端，第三反相器的输出端连接输出信号VZCD。
如图1所示，零电流检测电路由偏置电路、输入级、输出级以及门电路等组成。其中，偏置电路通过NMOS共源共栅电流镜构成，偏置电流IBIAS经过传输门传输并经过该电流镜镜像，从而为整个电路提供正常工作所需的电流，传输门控制由信号LS控制，只有当LS信号为高电平时，偏置电流IBIAS才能进行传输，否则不为电路提供电流，电路无法进行正常工作。
输入级为电路核心部分，输入级部分采用了电流比较器而非传统的电压比较，直接采样电感电流并进行比较，由于本身零电流检测电路的作用就是为了检测Buck变换器电感电流是否出现电流倒灌，从而使得变换器在轻载下以DCM的工作模式进行工作，避免在轻载下产生过多的功耗，从而对系统效率产生影响，所以相较于电压比较器来说，电流比较器可以直接采样开关节点处，直接进行电流的比较，在一定程度上可以提高比较的速度。由Mp4～Mp7、Mn7、Mn8以及电阻R1、R2共同组成，其中Mn7和Mn8为电流比较器的输入管，其宽长比设置的较小，增大了其导通电阻，从而增加了其耐压能力，电流比较器的两个输入端没有直接与相应的电位进行连接，而是通过分别接入两个电阻R1和R2，然后送入输入管的源端输入，这样不仅可以在一定程度上增加比较器输入管的耐压能力，而且，通过设置电阻R1和R2两个电阻的电阻值，可以实现零电流检测电路在工作时具有一个提前量，使得变换器的下功率管能够在电感电流降到零之前提前被关断，这在一定程度上可以减小变换器系统内部逻辑和驱动延时所造成的关断下功率管不及时，从而造成电感电流倒灌问题。电流比较器两支路上的电流由PMOS共源共栅电流镜镜像得到即：
I1＝aIBIAS (1)
I2＝bIBIAS (2)
其中I1和I2分别为电流比较器输入端两支路上的电流值大小，a和b为电流放大倍数，IBIAS为偏置电路提供的偏置电流。输出级则是由共源级结构、反相器以及与非门构成，当输入级的比较器输出相应的比较信号，经过输出级的整形，输出相应的脉冲信号，控制变换器中下功率管的关断。
电路中信号LS为整个电路正常工作和关断的使能控制信号，由Buck变换器系统内部下功率管栅端控制信号得到。SW则是该零电流检测电路的输入信号端，接在Buck变换器开关节点SW处，采样电感电流变化信号，通过比较从而判断电感电流是否过零。VIN则是为电路工作提供电源电压，即Buck变换器的输入电压，VZCD为该电路输出的脉冲信号。
零电流检测电路的基本原理为：当LS信号为高电平时，传输门进行传输偏置电流IBIAS，电路内部比较器进行比较工作，理论上Buck变换器是在电感电流刚好降到零时，零电流检测电路进行作用，使续流管关断，但在实际应用中，由于考虑到在轻载的情况下系统的转换效率，需要保证电感电流在下降到零电流之前，零电流检测电路提前作用，关断续流管，所以需要在电路中设置提前量，所以当SW低于所设定的提前量时，电路输出信号VZCD输出为低电平，当SW高于所设定的提前量时，Mn11管的漏端电位会被拉低，经过反相器和与非门电路的处理之后，电路输出信号VZCD输出为高电平。当LS信号为高电平时，整个电路被关断，电路输出信号VZCD被拉为低电平。
该零电流检测电路在Buck变换器系统中正常工作时，其内部所有的MOS管均工作在亚阈值区即MOS管的栅源电压VGS小于等于其阈值电压VTH，此时MOS管形成弱反型层，在该工作区下的MOS管的栅源电压VGS与漏电流ID呈指数级关系即：
Figure BDA0003634677320000061
其中ID0为特征电流，W为MOS管的宽，L为MOS管的长，η为非理想因子，一般取大于1，VT为热电压，特征电流ID0与工艺相关。所以与工作在饱和区的MOS管相比，其上流过的电流非常小，即工作在亚阈值区的MOS管的亚阈电流非常低，而且MOS管依旧能够很好地受栅端电压的控制，有利于低功耗以及低电压的应用。
根据MOS管电流表达式可知电路中A点的电压VA满足下式关系：
Figure BDA0003634677320000062
Figure BDA0003634677320000063
其中R1和R2分别为电流比较器输入端串联的两个电阻的阻值，I1和I2分别表示Mn7和Mn8管所在支路上的电流，由电流镜镜像得到，这里假设使I2＝nI1，其中n为电流放大的倍数，且设计使Mn7和Mn8管的宽长比尺寸一致即：
Figure BDA0003634677320000064
则根据(4)式和(5)式可以计算得到该零电流检测电路输出提前翻转点的阈值电压VSW为：
VSW≈ηVTln(n)+I1(R1-nR2) (7)
根据(7)式可以看出零电流检测电路翻转的阈值点VSW与R1和R2的电阻值及支路电流I1有关，所以可以通过设置R1和R2的电阻差值来设定零电流检测电路在系统中提前翻转的阈值点，在电感电流下降为零之前，电路中输出信号VZCD就提前翻转为高电平，关断续流管，R1与R2差值越大，提前翻转越早，需要根据实际应用设置合适的阈值。如果电流比较器两支路电流相同即n取值为1时，那么提前翻转点VSW表达式为：
VSW≈I1(R1-R2) (8)
该电路不仅在变换器系统中可以实现提前关断下功率管，防止电感电流倒灌，而且本身电路的静态功耗非常低，能够有效降低Buck变换器整体的静态功耗，其中Mn6、Mn9、Mn10、Mp10为使能控制部分，LS为控制信号，该电路是利用变换器下功率管栅端的驱动信号控制其正常工作与关断，只有当下功率管驱动信号跳为高电平即下功率管导通时间段内，该零电流检测电路才开启正常工作，检测变换器电感电流是否降到零一下，并在设置的提前量处翻转输出信号，继而通过系统逻辑运算关断下功率管，同时产生新的下功率管栅端驱动信号将零电流检测电路关断，几乎不消耗过多的静态电流，静态电流极低，从而有利于降低整个Buck变换器的静态功耗，有利于提高系统的转换效率。
本申请还提供一种Buck型DC-DC变换器，DC-DC变换器包括权利要求1所述的零电流检测电路。
可选的，变换器包括：输入电源信号VIN、上功率管MP、下功率管MN、开关节点信号SW、电感L、等效串联电阻Resr、输出电容Cout、第一反馈电阻Rfb1、第二反馈电阻Rfb2、反馈电压VFB、负载电阻Rload、逻辑处理Logic、零电流检测电路ZCD、驱动模块Drive、上功率管MP栅端控制信号HS、下功率管MN栅端控制信号LS；
上功率管MP源端连接输入电源信号VIN，上功率管MP漏端连接下功率管MN漏端和电感L的一端，下功率管MN源端连接地；等效串联电阻Resr一端连接电感L的另一端，等效串联电阻Resr另一端连接输出电容Cout一端，输出电容Cout另一端连接地；第一反馈电阻Rfb1一端连接电感L的另一端，第一反馈电阻Rfb1另一端连接第二反馈电阻Rfb2一端，并将反馈电压VFB送入逻辑处理Logic中，第二反馈电阻Rfb2另一端接地；负载电阻Rload一端连接电感L的另一端，负载电阻Rload另一端连接地；逻辑处理Logic输出送到驱动模块Drive中，驱动模块Drive输出信号分别连接到上功率管MP的栅端和下功率管MN的栅端，并返回去送到零电流检测电路ZCD中。
可选的，当输入信号LS为高电平，电路正常工作，开关节点信号SW与所设定的提前阈值进行比较，当开关节点信号SW超过预设阈值时，输出信号VZCD翻转为高电平；当输入信号LS为低电平，电路整体关断。
可选的，零电流检测电路ZCD检测开关节点SW处信号，经过判断处理，产生相应输出信号送入到逻辑处理模块Logic进行处理，并经驱动模块Drive产生上功率管MP栅端控制信号HS和下功率管MN栅端控制信号LS，同时下功率管MN栅端控制信号LS控制零电流检测电路ZCD、正常工作与关断。
如图2所示，其基本工作方式为：当Buck变换器经过一系列逻辑运算使得其下功率管开启，LS信号跳为高电平，零电流检测电路开始处于正常工作状态，此时的变换器工作处于续流阶段，电感电流呈下降的变化趋势，变换器开关节点处信号SW送入到零电流检测电路，与零进行比较，当该处信号小于零即电感电流大于零时，电路输出信号为低电平。当电感电流持续下降到即将为零时，电路输出信号在所设置的提前翻转点进行翻转为高电平，经过Buck变换器内部逻辑运算，使得下功率管栅端控制信号翻转，从而提前关断下功率管，即LS信号翻转为低电平，与此同时，LS信号控制零电流检测电路关断，该电路不在进行工作，直到下一个下功率管开启时间段到来时，零电流检测电路再次开启并进行正常工作，以此循环。
附图3所示为Buck变换器系统在轻载下有无零电流检测电路时其工作波形图，其中IL为系统电感电流波形，SW为开关节点处信号波形，LS为系统下功率管的栅端驱动信号。
当系统处于轻载下，且系统内部没有零电流检测电路存在时，如附图3(a)所示，可以看出，当LS信号为高电平，即下功率管导通，电感电流持续下降，由于此时系统所带负载很轻，电感电流将为零之后，下功率管仍然没有关闭，那么输出电容上存储的能量会向电感以及负载进行释放，电感电流就会出现反向的现象也就是电感电流倒灌问题，这种现象非常影响系统在轻负载下的功耗和效率问题。所以往往会在Buck变换器系统内增加一个零电流检测电路，使得系统在轻载下，电感电流下降到零时能够及时关断下功率管，阻止电感电流倒灌，从而一定程度上能够有效提高轻载下的效率，即附图3(b)所示，当电感电流下降到零时，及时关断下功率管即LS跳转为低电平，电感电流会保持一段时间的零电流状态。
附图4所示为Buck变换器工作在DCM模式下的仿真波形图，其中VCMP为系统内部环路比较器的输出波形，VTON为系统内导通时间产生模块的输出信号，VZCD为本设计的零电流检测电路的输出波形，HS和LS分别为变换器上功率管和下功率管的栅端驱动信号，SW为开关节点处信号波形，IL为变换器的电感电流波形图。由于系统在轻负载下存在零电流检测模块的作用，所以电感电流变换并不是连续的，而是断续的即断续导通模式(DCM)。该零电流检测电路在系统中所设提前翻转点VSW约为-9.626mV，可以实现在电感电流将为零之前提前关断系统的下功率管，使得系统避免了电感电流倒灌的问题。
附图5所示为Buck变换器工作在CCM模式下的仿真波形图，在该模式下，本设计的零电流检测电路输出信号始终保持低电平，不影响系统的正常工作。
本申请提供的零电流检测电路不仅能够实现在系统中提前翻转从而提前关断下功率管的作用，而且由于该电路在系统正常工作时其工作方式是间断性的，只在需要工作时进行工作，其余时间段内该电路始终处于关闭状态，尤其是当系统所带负载为轻载或超轻载时，其工作周期长即系统工作频率很小，本身电路所产生的功耗非常低，如附图6所示为Buck变换器系统所有模块的静态电流以及变换器系统总静态电流波形IQ_ALL，其中IZCD为本设计零电流检测电路所消耗的静态电流，该零电流检测电路的静态电流仅为159.418pA，所消耗的静态电流非常低，该电路整体功耗明显降低。几乎消耗极小的静态电流，能够有效地降低系统的静态功耗，从而有效降低系统整体功耗。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (5)

1.一种零电流检测电路，其特征在于，所述电路包括：偏置电流源IBIAS、第一NMOS管Mn1、第一PMOS管Mp1、第一反相器INV1、第二NMOS管Mn2、第三NMOS管Mn3、第四NMOS管Mn4、第五NMOS管Mn5、第六NMOS管Mn6、第二PMOS管Mp2、第三PMOS管Mp3、第四PMOS管Mp4、第五PMOS管Mp5、第二反相器INV2、第七NMOS管Mn7、第一电阻R1、第二电阻R2、第八NMOS管Mn8、第六PMOS管Mp6、第七PMOS管Mp7、第八PMOS管Mp8、第九PMOS管Mp9、第十NMOS管Mn10、第十一NMOS管Mn11、第十PMOS管Mp10、第十一PMOS管Mp11、第十二NMOS管Mn12、第一与非门NAND1、第三反相器INV3；
偏置电流源IBIAS一端连接输入电源信号VIN，另一端连接第一NMOS管Mn1漏端和第一PMOS管Mp1源端，第一NMOS管Mn1栅端连接第一反相器INV1的输入端和输入信号LS，第一PMOS管Mp1栅端连接第一反相器INV1输出端，第一NMOS管Mn1源端和第一PMOS管Mp1漏端连接第二NMOS管Mn2漏端和栅端，第二NMOS管Mn2源端连接第三NMOS管Mn3漏端和栅端，第三NMOS管Mn3源端连接地，第四NMOS管Mn4栅端连接第二NMOS管Mn2栅端，第四NMOS管Mn4源端连接第五NMOS管Mn5漏端，第五NMOS管Mn5栅端连接第三NMOS管Mn3栅端，第五NMOS管Mn5源端连接地；第六NMOS管Mn6源端连接第四NMOS管Mn4漏端，第六NMOS管Mn6栅端连接输入信号LS和第二反相器INV2输入端，第六NMOS管Mn6漏端连接第三PMOS管Mp3漏端和栅端，第三PMOS管Mp3源端连接第二PMOS管Mp2漏端和栅端，第二PMOS管Mp2源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4源端连接输入电源信号VIN，第四PMOS管Mp4栅端连接第二PMOS管Mp2栅端，第四PMOS管Mp4漏端连接第五PMOS管Mp5源端，第五PMOS管Mp5栅端连接第三PMOS管Mp3栅端，第五PMOS管Mp5漏端连接第七NMOS管Mn7漏端和栅端；第一电阻R1一端连接第七NMOS管Mn7源端，另一端连接地；第二电阻R2一端连接输入信号SW，另一端连接第八NMOS管Mn8源端；第八NMOS管Mn8栅端连接第七NMOS管Mn7栅端和第九NMOS管Mn9漏端，第八NMOS管Mn8漏端连接第七PMOS管Mp7漏端和第十NMOS管Mn10漏端以及第十一NMOS管Mn11栅端；第九NMOS管Mn9栅端连接第二反相器INV2输出端，第九NMOS管Mn9源端接地；第七PMOS管Mp7栅端连接第五PMOS管Mp5栅端，第七PMOS管Mp7源端连接第六PMOS管Mp6漏端，第六PMOS管Mp6栅端连接第四PMOS管Mp4栅端，第六PMOS管Mp6源端连接输入电源信号VIN，第八PMOS管Mp8栅端连接第六PMOS管Mp6栅端，第八PMOS管Mp8漏端连接第九PMOS管Mp9源端，第九PMOS管Mp9栅端连接第七PMOS管Mp7栅端，第九PMOS管Mp9漏端连接第十一NMOS管Mn11漏端、第十PMOS管Mp10漏端、第十一PMOS管Mp11栅端以及第十二NMOS管Mn12栅端，第十一NMOS管Mn11源端连接地；第十PMOS管Mp10源端连接输入电源信号VIN，第十PMOS管Mp10栅端连接输入信号LS和第一与非门NAND1的一个输入端，第十一PMOS管Mp11源端连接输入电源信号VIN，第十一PMOS管Mp11漏端连接第十二NMOS管Mn12漏端和第一与非门NAND1另一个输入端，第一与非门NAND1的输出端连接第三反相器INV3的输入端，第三反相器的输出端连接输出信号VZCD。
2.一种Buck型DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器包括权利要求1所述的零电流检测电路。
3.根据权利要求2所述的Buck型DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器包括：输入电源信号VIN、上功率管MP、下功率管MN、开关节点信号SW、电感L、等效串联电阻Resr、输出电容Cout、第一反馈电阻Rfb1、第二反馈电阻Rfb2、反馈电压VFB、负载电阻Rload、逻辑处理Logic、零电流检测电路ZCD、驱动模块Drive、上功率管MP栅端控制信号HS、下功率管MN栅端控制信号LS；
上功率管MP源端连接输入电源信号VIN，上功率管MP漏端连接下功率管MN漏端和电感L的一端，下功率管MN源端连接地；等效串联电阻Resr一端连接电感L的另一端，等效串联电阻Resr另一端连接输出电容Cout一端，输出电容Cout另一端连接地；第一反馈电阻Rfb1一端连接电感L的另一端，第一反馈电阻Rfb1另一端连接第二反馈电阻Rfb2一端，并将反馈电压VFB送入逻辑处理Logic中，第二反馈电阻Rfb2另一端接地；负载电阻Rload一端连接电感L的另一端，负载电阻Rload另一端连接地；逻辑处理Logic输出送到驱动模块Drive中，驱动模块Drive输出信号分别连接到上功率管MP的栅端和下功率管MN的栅端，并返回去送到零电流检测电路ZCD中。
4.根据权利要求2所述的Buck型DC-DC变换器，其特征在于，当输入信号LS为高电平，电路正常工作，开关节点信号SW与所设定的提前阈值进行比较，当开关节点信号SW信号超过预设阈值时，输出信号VZCD翻转为高电平；当输入信号LS为低电平，电路整体关断。
5.根据权利要求2所述的Buck型DC-DC变换器，其特征在于，零电流检测电路ZCD检测开关节点SW处信号，经过判断处理，产生相应输出信号送入到逻辑处理模块Logic进行处理，并经驱动模块Drive产生上功率管MP栅端控制信号HS和下功率管MN栅端控制信号LS，同时下功率管MN栅端控制信号LS控制零电流检测电路ZCD、正常工作与关断。
CN202210499183.0A 2022-05-09 2022-05-09 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器 Pending CN115051537A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210499183.0A CN115051537A (zh) 2022-05-09 2022-05-09 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210499183.0A CN115051537A (zh) 2022-05-09 2022-05-09 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115051537A true CN115051537A (zh) 2022-09-13

Family

ID=83158447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210499183.0A Pending CN115051537A (zh) 2022-05-09 2022-05-09 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115051537A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116736925A (zh) * 2022-12-21 2023-09-12 无锡迈尔斯通集成电路有限公司 零电流高精度使能电路

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116736925A (zh) * 2022-12-21 2023-09-12 无锡迈尔斯通集成电路有限公司 零电流高精度使能电路
CN116736925B (zh) * 2022-12-21 2024-03-12 无锡迈尔斯通集成电路有限公司 零电流高精度使能电路

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3614156B2 (ja) 電源回路
JP4899624B2 (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ及びｄｃ−ｄｃコンバータの制御回路
US8354831B2 (en) Reverse current comparator circuit and method for switching regulators
JP4855793B2 (ja) スイッチングレギュレータ
US11018582B2 (en) Adaptive synchronous rectification in a voltage converter
CN104158392A (zh) 一种用于dc-dc变换器的纹波补偿控制电路
KR20120129876A (ko) 고전압 스위칭 레귤레이터들을 위한 효율적인 전류 센싱
CN109660109B (zh) 一种适用于开关电源的自适应过零检测电路
CN102801288A (zh) 控制电路、开关模式变换器及控制方法
CN211296573U (zh) 一种输出电压动态检测电路及应用其的开关电源
CN111435819A (zh) 降压型迟滞式开关变换器及其控制方法
CN110868204A (zh) 防倒灌电路、双向电平转换器及集成电路
JP2004056983A (ja) 電源回路
CN115051537A (zh) 一种零电流检测电路及Buck型DC-DC变换器
CN116742920A (zh) 一种nmos功率开关管驱动电路及其控制方法
CN114679036A (zh) 一种用于功率ldmos的高速栅极驱动电路
Ha et al. A fast response integrated current-sensing circuit for peak-current-mode buck regulator
CN108462388B (zh) 自举电源的实现电路
US11171565B2 (en) Switched-mode power converter
CN114257066A (zh) 开关变换器及其控制电路
CN112816767B (zh) 一种电感电流过零检测电路和方法
CN114675073A (zh) 一种适用于boost型开关电源的闭环自适应过零检测电路
US8416591B2 (en) DC-DC converter with soft start circuit
CN210986074U (zh) 防倒灌电路、双向电平转换器及集成电路
CN113672017B (zh) 自适应模式切换电荷泵

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination