CN116683737A - 一种过零比较电路和开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过零比较电路和开关电源，该过零比较电路包括电压采样电路、第一比较电路以及第二比较电路，其中，电压采样电路采样开关电源的输出电压，并生成与输出电压正相关的失调电流，该失调电流引起第一比较电路的第一或第二比较输出端产生与输出电压正相关的失调电压，第一比较电路根据开关节点的电压与地的比较结果生成差分信号，第二比较电路再根据差分信号以及失调电压输出比较信号。因此，该过零比较电路在输出比较信号时，通过失调电压补偿过零比较电路中的延迟，相对于固定的失调电压补偿，该失调电压与输出电压正相关，其根据不同的输出电压而自动跟随，适应更宽的输出电压范围，进而能够更加精准控制下管关闭，减小能量损失。

Description

一种过零比较电路和开关电源
技术领域
本发明涉及过零比较领域，特别是涉及一种过零比较电路和开关电源。
背景技术
在BUCK开关电源工作中，下管电感电流会存在从电感到地的方向，造成能量损失，因此需要采用过零检测电路来比较开关节点的电压和地，以判断电感电流方向，当电感电流为零时，则通过驱动电路控制下管关闭，以防止能量损失。
过零比较电路通过两级运放来比较开关节点的电压和地，两级运放输出比较信号，当电感电流为零时，比较信号为高电平信号，但由于两级运放输出会有寄生电容而导致延迟，使得比较信号会延迟一段时间才输出高电平信号。而为了消除延迟，可在过零比较电路的输入端加入固定失调电压以补偿延迟，但当开关电源输出电压范围比较宽时，固定失调电压仍然无法完全消除延迟，导致滞后输出比较结果，进而无法精准控制下管关闭，造成能量损失。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种过零比较电路和开关电源，其能够适应更宽的输出电压范围，使得失调电压跟随输出电压的改变而改变，以消除比较器延迟，进而精准控制下管关闭，减小能量损失。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
在第一方面，本发明实施例提供一种过零比较电路，应用于开关电源，所述开关电源包括上位管、下位管以及电感，所述上位管、所述下位管以及所述电感的共同连接点为开关节点，所述过零比较电路包括：电压采样电路、第一比较电路以及第二比较电路；
所述电压采样电路包括用于接入所述开关电源的输出电压的第一采样端、连接至所述第一比较电路的负载端的第二采样端，所述电压采样电路用于采样所述输出电压，并在所述第二采样端生成与所述输出电压正相关的失调电流；
所述第一比较电路包括用于接入所述开关节点的电压的第一比较输入端及接地的第二比较输入端，还包括分别与所述第二比较电路的第一输入端及第二输入端连接的第一比较输出端及第二比较输出端；所述失调电流引起所述第一或第二比较输出端产生与所述输出电压正相关的失调电压，所述第一比较电路用于根据所述开关节点的电压与地的比较结果生成差分信号并从所述第一、第二比较输出端输出；
所述第二比较电路用于根据所述差分信号以及所述失调电压生成比较信号，以在所述第二比较电路的输出端输出所述比较信号。
在一些实施例中，所述电压采样电路包括电流生成模块以及镜像模块；
所述电流生成模块包括所述第一采样端以及连接至所述镜像模块的输入端的控制输出端，所述电流生成模块用于生成与所述输出电压正相关的反馈电流；
所述镜像模块还包括用于接入所述开关电源的控制信号的控制端及所述第二采样端，所述镜像模块用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，并在所述控制信号的控制下输出所述失调电流。
在一些实施例中，所述电流生成模块包括第一比较器、第一MOS管与第一电阻；
所述第一MOS管与所述第一电阻串接在一个电压源与地之间，所述第一MOS管与所述第一电阻的共同连接点为钳位端；
所述第一比较器的反相输入端为所述第一采样端，同相输入端连接至所述钳位端，输出端为所述控制输出端并连接至所述第一MOS管的栅极，所述第一比较器用于将所述钳位端的电压钳位至所述输出电压。
在一些实施例中，所述镜像模块包括按顺序串接在电压源与所述第二采样端之间的第二MOS管与第三MOS管；所述第二MOS管的栅极为所述镜像模块的控制端，所述第三MOS管的栅极为所述镜像模块的输入端；
所述第三MOS管用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，所述第二MOS管用于控制所述失调电流的输出与否。
在一些实施例中，所述镜像模块包括按顺序串接在所述第二采样端与地之间的第二MOS管与第三MOS管；所述第二MOS管的栅极为所述镜像模块的控制端，所述第三MOS管的栅极为所述镜像模块的输入端；
所述第三MOS管用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，所述第二MOS管用于控制所述失调电流的输出与否。
在一些实施例中，所述第一比较电路包括第一开关模块、比较模块以及负载模块；
所述第一开关模块包括所述第一比较输入端、与所述比较模块的第一输入端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端，所述第一开关模块用于切换所述比较模块的第一输入端与所述开关节点的电压连接或与地连接；
所述比较模块包括所述第二比较输入端、所述第一比较输出端以及所述第二比较输出端，所述比较模块用于根据所述开关节点的电压与地的比较结果生成所述差分信号并从所述第一比较输出端、第二比较输出端输出；
所述负载模块包括失调电阻，所述负载端连接至所述失调电阻，所述负载模块用于根据所述失调电流,基于所述失调电阻生成所述失调电压，以将所述失调电压加载于所述比较模块的第一比较输出端或其第二比较输出端。
在一些实施例中，所述第一比较电路还包括第二开关模块；
所述第二开关模块包括与所述第一比较输出端连接的第一端、与所述第二比较输出端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端，所述第二开关模块用于控制所述比较模块的第一比较输出端以及其第二比较输出端的连接状态。
在一些实施例中，所述第一开关模块包括第四MOS管与第五MOS管；
所述第四MOS管的源极为所述第一比较输入端，所述第四MOS管的栅极与所述第五MOS管的栅极的共同连接点为所述第一开关模块的控制端，所述第四MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极的共同连接点为所述第一开关模块的第二端。
在一些实施例中，所述比较模块包括第一三极管、第二三极管以及第一电流源；
所述第一电流源的一端用于接入所述直流电源，所述第一电流源的另一端分别与所述第一三极管的发射极以及所述第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极作为所述比较模块的第一输入端，所述第一三极管的集电极为所述第一比较输出端；
所述第二三极管的基极为所述第二比较输入端，所述第二三极管的集电极为所述第二比较输出端。
在一些实施例中，所述第二开关模块包括第六MOS管；
所述第六MOS管的栅极为所述第二开关模块的控制端，所述第六MOS管的源极为所述第二开关模块的第一端，所述第六MOS管的漏极为所述第二开关模块的第二端。
在一些实施例中，所述失调电流自所述第二采样端流向所述负载端，所述负载端通过所述失调电阻接地，所述负载端还连接至所述第二比较输出端；所述负载模块还包括连接在所述第一比较输出端与地之间的平衡电阻。
在一些实施例中，所述失调电流自所述负载端流向所述第二采样端，所述负载端通过所述失调电阻连接至所述第一比较输出端，所述负载端还接地；所述负载模块还包括连接在所述第二比较输出端与地之间的平衡电阻。
在一些实施例中，所述第二比较电路包括第二比较器与第七MOS管；
所述第二比较器的同相输入端为所述第一输入端，所述第二比较器的反相输入端作为所述第二输入端，所述第二比较器的输出端与所述第七MOS管的漏极连接，所述第二比较器的输出端用于输出所述比较信号；
所述第七MOS管的栅极用于接入所述开关电源的控制信号，所述第七MOS管的源极接地。
在第二方面，本发明实施例提供一种开关电源，所述开关电源包括电感、上位管、下位管以及如上所述的过零比较电路。
在本发明各个实施例中，该过零比较电路包括电压采样电路、第一比较电路以及第二比较电路，其中，电压采样电路采样开关电源的输出电压，并在其第二采样端生成与输出电压正相关的失调电流，该失调电流引起第一比较电路的第一或第二比较输出端产生与输出电压正相关的失调电压，第一比较电路还用于根据开关节点的电压与地的比较结果生成差分信号并从第一、第二比较输出端输出，第二比较电路再根据差分信号以及失调电压生成比较信号，并在其输出端输出所述比较信号。因此，该过零比较电路在输出比较信号时，通过失调电压补偿过零比较电路中的延迟，同时，相对于固定的失调电压补偿，该失调电压与输出电压正相关，其根据不同的输出电压而自动跟随，适应更宽的输出电压范围，进而能够更加精准控制下管关闭，减小能量损失。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的其中一种开关电源的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的其中一种节点LX的电压与比较信号的时序图；
图3是本发明实施例提供的其中一种过零比较电路的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的其中一种过零比较电路的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的其中一种过零比较电路的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的其中一种过零比较电路的电路结构示意图；
图7是本发明实施例提供的其中一种开关节点的电压与比较信号的时序图；
图8是本发明实施例提供的其中一种过零比较电路的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种开关电源的结构示意图。该开关电源属于直流变换器中的同步降压型变换器，该开关电源包括电感L、上位管MH、下位管ML，上位管MH为功率管，下位管ML为同步管。该开关电源还包括信号控制单元，信号控制单元用于输出控制信号，该控制信号为PWM信号，信号控制单元的两个输出端分别连接上位管MH的控制端和下位管ML的控制端，信号控制单元通过控制信号分别控制上位管MH和下位管ML的导通或截止。
上位管MH的输入端接输入电压VIN，上位管MH和下位管ML的共同连接点为开关节点LX，相应的负载回路包括电感L以及电容Cout，电感L与电容Cout的共同连接点用于输出输出电压VOUT，电容Cout负端与下位管ML的下端共地。
该开关电源具有两种工作模式：连接导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)。在不连续导通模式下，需要采用过零比较电路来检测电感L电流是否过零，当检测到电感L电流为零时，则关断下位管ML，从而减少功耗以提高效率。
一般通过过零比较电路比较开关节点LX电压和地PGND来实现判断电感L电流方向，过零比较电路的正相输入端连接开关节点LX，反相端接地，输出端连接信号控制单元的输入端。具体地，在开关电源下管工作周期中，如果开关节点LX电压高于PGND，则代表电感L电流方向发生反相，电流从开关节点LX流到PGND，造成能量损失。
因此，当过零比较电路检测到开关节点LX的电压过零时，表征电感L电流方向发生反相，则信号控制单元根据过零比较电路输出的比较结果控制下位管ML关闭，以防止能量损失。
过零检测电路包括第一级高速运放ZCD_comparator1和第二级高增益运放ZCD_comparator2组成，当开关节点LX的电压高于PGND时，第二级高增益运放ZCD_comparator2输出的比较信号ZCD_OUT为高电平信号，但由于两级运放输出会有寄生电容导致延迟，比较信号ZCD_OUT会延迟Tdelay才输出高电平信号，具体时序图如图2所示，其中，实线L1表示开关节点LX的电压，此时输出电压为VOUT，当开关节点LX的电压过零时，比较信号ZCD_OUT延迟Tdelay才输出高电平信号。
为了消除延时，现有技术一般在过零比较电路的输入端加入固定失调电压以补偿延迟（如图1中所示），在第一级高速运放ZCD_comparator1的正向输入端加入固定失调电压Vos',此时，当开关节点LX的电压大于Vos'时，比较信号ZCD_OUT再经过一个Tdelay就能输出高电平信号。但当开关电源输出电压范围比较宽时，例如如图2中的虚线L2所示，若开关电源的输出电压为2*VOUT，而失调电压Vos'为固定电压，此时电感L电流变化斜率比较大，导致开关节点LX的电压斜率翻倍（如图2中虚线L2所示），快速抬升比PGND高，现有方案无法仍然无法消除比较器延迟，导致滞后输出ZCD_OUT信号。如图2所示，虚线L2为两倍VOUT对应产生的开关节点LX的电压波形，当开关节点LX的电压大于Vos'时候，经过一个Tdelay，开关节点LX的电压仍然会高于PGND，需延迟一段时间，比较信号ZCD_OUT才会输出高电平信号。
因此，本发明实施例提供一种过零比较电路，其能够适应更宽的输出电压范围，使得失调电压跟随输出电压的改变而改变，以消除比较器延迟，进而精准控制下管关闭，减小能量损失。
具体地，如图3所示，本发明实施例提供一种过零比较电路的结构示意图，如图3所示，该过零比较电路100包括电压采样电路10、第一比较电路20以及第二比较电路30，其中，电压采样电路10包括用于接入所述开关电源的输出电压VOUT的第一采样端、连接至所述第一比较电路20的负载端的第二采样端。所述第一比较电路20包括用于接入所述开关节点的电压VLX的第一比较输入端及接地PGND的第二比较输入端，还包括分别与所述第二比较电路30的第一输入端及第二输入端连接的第一比较输出端及第二比较输出端。
电压采样电路10可采样输出电压VOUT，并在第二采样端生成与输出电压VOUT正相关的失调电流。该失调电流作用于第一比较电路20的负载端，引起第一比较电路20的第一或第二比较输出端产生与输出电压VOUT正相关的失调电压，该失调电压加载于第二比较电路30的第一或第二输入端，例如：若失调电流引起第一比较输出端产生与输出电压VOUT正相关的失调电压，则该失调电压作用于第二比较电路30的第一输入端，若失调电流引起第二比较输出端产生与输出电压VOUT正相关的失调电压，则该失调电压作用于第二比较电路30的第二输入端。
第一比较电路20还对开关节点的电压VLX与地PGND进行比较，根据比较结果生成差分信号并从第一、第二比较输出端输出。差分信号表征开关节点的电压VLX与地PGND的大小。
第二比较电路30再根据差分信号以及失调电压生成比较信号ZCD_OUT，并在第二比较电路30的输出端输出该比较信号ZCD_OUT。当开关节点的电压VLX大于失调电压时，第二比较电路30的第一或第二输入端为高电平，另一输入端为低电平，经过延迟之后，输出比较信号ZCD_OUT，其为高电平，此时开关节点的电压VLX刚好为零。
信号控制单元根据该比较信号ZCD_OUT控制下位管ML的关闭，当比较信号ZCD_OUT为高电平信号时，信号控制单元控制下位管ML关闭。同时，失调电压已对第一比较电路20与第二比较电路30进行了延时补偿，且相对于固定的失调电压补偿，该失调电压与输出电压VOUT正相关，其跟随输出电压VOUT的改变而改变，适应更宽的输出电压VOUT范围，使得比较结果能够在电感L电流为零时，精准输出高电平信号，完全消除延时，进而使得信号控制单元能够精准控制下位管ML关闭，减小能量损失。
在本实施例中，失调电压加载于第二比较电路30的第一或第二输入端，可以理解的是，失调电压还可以加载于第一比较电路20的第一或第二比较输入端，只需将失调电压进行相关的关系转换即可。例如：若加载于第二比较电路30的第一或第二输入端的失调电压为第一失调电压Vos，与之对应的，加载于第一比较电路20的正相输入端的失调电压为第二失调电压Vos'，则第一失调电压Vos与第二失调电压Vos'之间的关系为：Vos'=Vos/(gm_Q*R)，其中，gm_Q为第一比较电路20的第一或第二比较输入端中运放输入管的跨导，R为第一比较电路20的第一或第二比较输出端与地之间的电阻。
综上所述，该过零比较电路在输出比较信号时，通过失调电压补偿过零比较电路中的延迟，同时，相对于固定的失调电压补偿，该失调电压与输出电压正相关，其根据不同的输出电压而自动跟随，适应更宽的输出电压范围，进而能够更加精准控制下管关闭，减小能量损失。
请参阅图4，图4是本发明实施例提供的一种过零比较电路的结构示意图，如图4所示，该电压采样电路10包括电流生成模块11以及镜像模块12。其中，所述电流生成模块11包括所述第一采样端以及连接至所述镜像模块12的输入端的控制输出端，所述镜像模块12还包括用于接入所述开关电源的控制信号的控制端及所述第二采样端。
电流生成模块11采样输出电压VOUT，且生成与输出电压VOUT正相关的反馈电流，然后镜像模块12镜像所述反馈电流以生成失调电流，并在控制信号的控制下输出该失调电流。
其中，反馈电流与失调电流成比例关系，其根据镜像模块12的镜像比例而确定，例如，镜像比例为1:1，则反馈电流与失调电流的比例也为1:1，若镜像比例为1:2，则反馈电流与失调电流的比例也为1:2。
控制信号为信号控制单元输出的用于控制下位管ML工作状态的PWM波，当PWM波的占空比表征下位管ML的导通时间，同时，当PWM波为高电平信号时，镜像模块12输出失调电流，使其作用于负载端。
通过上述方式，可生成与输出电压VOUT正相关的反馈电流，并采用镜像电路可以根据需要实现反馈电流的比例变化，以生成失调电流。
在一些实施例中，如图4所示，所述第一比较电路20包括第一开关模块21、比较模块22以及负载模块23，其中，所述第一开关模块21包括所述第一比较输入端、与所述比较模块22的第一输入端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端，所述比较模块22包括所述第二比较输入端、所述第一比较输出端以及所述第二比较输出端。
第一比较输入端用于接入开关节点的电压VLX，第一开关模块21还包括接地端，当控制信号控制第一开关模块21处于第一状态时，比较模块22的第一输入端与开关节点的电压VLX连接，当控制信号控制第一开关模块21处于第二状态时，比较模块22的第一输入端与地PGND连接。
当比较模块22的第一输入端与开关节点的电压VLX连接时，比较模块22对开关节点的电压VLX与其第二输入端的地PGND进行比较，以根据比较结果生成差分信号，该差分信号从第一比较输出端、第二比较输出端输出，并作用于第二比较电路30的第一、第二输入端。
具体地，当比较模块22的第一输入端与开关节点的电压VLX连接时，若开关节点的电压VLX小于零（地电压），则比较模块22的第一比较输出端输出高电平信号，第二比较输出端也输出高电平信号，若开关节点的电压VLX大于零，则比较模块22的第一比较输出端输出低电平信号，第二比较输出端输出高电平信号，第一比较输出端输出的信号与第二比较输出端输出的信号形成差分信号，分别作用于第二比较电路30的第一、第二输入端。
负载模块23包括失调电阻，负载端连接至失调电阻，失调电流通过负载端作用于该失调电阻，在负载端生成失调电压，通过失调电阻与失调电流的乘积获得失调电压的数值，该失调电压还加载于比较模块22的第一比较输出端或其第二比较输出端，失调电压与差分信号共同作用于第二比较电路30的第一、第二输入端。
可以理解的是，失调电阻的个数可以根据需要而设置，若失调电阻为多个，则多个失调电阻的和与失调电流的乘积获得失调电压的数值。
失调电压可加载于第一或第二比较输出端，具体地，在一些实施例中，如图4所示，失调电流IVOUT自第二采样端流向负载端，且负载端通过失调电阻接地PGND，负载端处生成失调电压，负载端还连接至第二比较输出端，该失调电压加载于第二比较输出端。负载模块23还包括连接在第一比较输出端与地之间的平衡电阻，该平衡电阻用于平衡失调电阻，平衡电阻与失调电阻的阻值相等，其个数可以根据需要而设置。
在一些实施例中，如图5所示，失调电流IVOUT自负载端流向第二采样端，负载端通过失调电阻连接至第一比较输出端，且负载端接地PGND，该失调电压加载于第一比较输出端，且其为负值。负载模块23还包括连接在第二比较输出端与地之间的平衡电阻，同样地，该平衡电阻用于平衡失调电阻，平衡电阻与失调电阻的阻值相等，其个数可以根据需要而设置。
在一些实施例中，如图4所示，第一比较电路20还包括第二开关模块24，所述第二开关模块24包括与所述第一比较输出端连接的第一端、与所述第二比较输出端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端。
开关电源的控制信号控制第二开关模块24的工作状态，当第二开关模块24处于导通状态时，第一比较输出端与第二比较输出端连接，两者处于同一电平，为开关节点的电压VLX与地PGND的比较做初始化准备。当第二开关模块24处于截止状态时，第一比较电路20可以直接进行比较工作，不需要经历初始化过程，提高工作效率。
请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种过零比较电路的电路结构示意图，如图6所示，所述电流生成模块11包括第一比较器OP1、第一MOS管M1与第一电阻R1，其中，所述第一MOS管M1与所述第一电阻R1串接在一个电压源VDD与地之间，所述第一MOS管M1与所述第一电阻R1的共同连接点为钳位端，所述第一比较器OP1的反相输入端为所述第一采样端，同相输入端连接至所述钳位端，输出端为所述控制输出端并连接至所述第一MOS管M1的栅极。
第一比较器OP1的反相输入端接入输出电压VOUT，其反相输入端的电压为钳位端电压VFB，其将输出电压VOUT与钳位端电压VFB的差值进行放大，输出端的电压连接第一MOS管M1的栅极，调整第一MOS管M1的阻抗，最终将钳位端的电压钳位至输出电压VOUT，即第一比较器OP1将钳位端的电压钳位至所述输出电压VOUT。
此时，流过第一MOS管M1的电流为VFB/R1=VOUT/R1，即反馈电流为VOUT/R1。
所述镜像模块12包括按顺序串接在电压源VDD与所述第二采样端之间的第二MOS管M2与第三MOS管M3；所述第二MOS管M2的栅极为所述镜像模块12的控制端，所述第三MOS管M3的栅极为所述镜像模块12的输入端。
第二MOS管M2的栅极用于接入开关电源的控制信号，其为PWM信号，该PWM信号控制第二MOS管M2的导通与截止，当PWM为1时，第二MOS管M2处于截止状态，当PWM为0时，第二MOS管M2为导通状态。
当第二MOS管M2导通时，第三MOS管M3的栅极与第一MOS管M1的栅极电压相等，镜像反馈电流以生成失调电流，第三MOS管M3通过第二采样端输出失调电流，且失调电流Ivout经过第二采样端流入负载端。
在本发明实施例中，失调电流与反馈电流相等，在其他实施例中，失调电流还可与反馈电流成比例关系。
请继续参阅图6，所述第一开关模块21包括第四MOS管M4与第五MOS管M5，所述第四MOS管M4的源极为所述第一比较输入端，所述第四MOS管M4的栅极与所述第五MOS管M5的栅极的共同连接点为所述第一开关模块21的控制端，所述第四MOS管M4的漏极与所述第五MOS管M5的漏极的共同连接点为所述第一开关模块21的第二端。
第四MOS管M4与第五MOS管M5的栅极共同接入开关电源的控制信号，其为PWM信号，当PWM为1时，第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通，比较模块22的第一输入端接地，当PWM为0时，第四MOS管M4导通，第五MOS管M5截止，比较模块22的第一输入端接开关节点的电压VLX。
所述比较模块22包括第一三极管Q1、第二三极管Q2以及第一电流源Ib1。所述第一电流源Ib1的一端用于接入所述直流电源VDD，所述第一电流源Ib1的另一端分别与所述第一三极管Q1的发射极以及所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第一三极管Q1的基极作为所述比较模块22的第一输入端，所述第一三极管Q1的集电极为所述第一比较输出端，所述第二三极管Q2的基极为所述第二比较输入端，所述第二三极管Q2的集电极为所述第二比较输出端。
若第一三极管Q1的基极接入开关节点的电压VLX，则第一三极管Q1截止，第二三极管Q2的基极接地PGND，第二三极管Q2导通，第二比较输出端输出高电平信号，第一比较输出端输出低电平信号。若第一三极管Q1的基极接入地PGND，则第一三极管Q1导通，第二三极管Q2的基极接地PGND，第二三极管Q2导通，第一比较输出端输出高电平信号，第二比较输出端输出高电平信号。
所述第二开关模块24包括第六MOS管M6。所述第六MOS管M6的栅极为所述第二开关模块24的控制端，所述第六MOS管M6的源极为所述第二开关模块24的第一端，所述第六MOS管M6的漏极为所述第二开关模块24的第二端。
第六MOS管M6的栅极接入开关电源的控制信号，其为PWM信号，当PWM为1时，第六MOS管M6导通，第一比较输出端与第二比较输出端连接，两者电平一致，当PWM为0时，第六MOS管M6截止，第一比较输出端与第二比较输出端正常输出差分信号。
所述第二比较电路30包括第二比较器COMP1与第七MOS管M7。所述第二比较器COMP1的同相输入端为所述第一输入端，所述第二比较器COMP1的反相输入端作为所述第二输入端，所述第二比较器COMP1的输出端与所述第七MOS管M7的漏极连接，所述第二比较器COMP1的输出端用于输出所述比较信号ZCD_OUT，所述第七MOS管M7的栅极用于接入所述开关电源的控制信号，所述第七MOS管M7的源极接地。
当开关电源的控制信号为1时，第七MOS管M7导通，第二比较器COMP1的输出端可靠接地，第二比较器COMP1的第一、第二输入端电平相等，第二比较器COMP1初始化，当开关电源的控制信号为0时，第七MOS管M7截止，第二比较器COMP1对差分信号、失调电压进行比较，正常输出比较信号ZCD_OUT。
在本发明实施例中，负载模块23包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第五电阻R5。其中，第二电阻R2与第三电阻R3串联连接，第二电阻R2与第三电阻R3为平衡电阻，第四电阻R4与第五电阻R5串联连接，第五电阻R5为失调电阻，且所述第四电阻R4与所述第五电阻R5的共同连接点为所述负载端。
结合图6，该过零比较电路100的工作原理可以描述如下：
第一阶段：当PWM信号为1时，也就是开关电源的下位管ML不工作阶段，第一比较器OP1的反相输入端采样输出电压VOUT，同相输入端将钳位端的电压钳位至输出电压VOUT，流过第一MOS管M1的电流为反馈电流，其为VOUT/R1。此时，第二MOS管M2截止，则流过第三MOS管M3的电流为0。
第四MOS管M4截止，第五MOS管M5导通，第一三极管Q1的基极接地，第六MOS管M6导通，第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极连接，即第一比较输出端与第二比较输出端连接，且第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极的电压均被钳位至Vclamp=Ib1*（R1+R3）/2。
第二比较器COMP1的第一、第二输入端的电压相等，输出电压VOUT为0，且第七MOS管M7导通，第二比较器COMP1的输出电压VOUT可靠为0。此状态保证了第一三极管Q1与第二三极管Q2都处于导通状态，且默认态也为0，只要PWM=0就能马上工作，不需要经历关闭到导通过程，实现初始化。
第二阶段：当PWM信号为0时，流过第一MOS管M1的反馈电流仍然为VOUT/R1，第二MOS管M2导通，第三MOS管M3的第二采样端输出失调电流Ivout=VOUT/R1，该失调电流从第二采样端流向负载端，在第五电阻R5上产生失调电压Vos=R5*VOUT/R1，该失调电压加载于第二比较输出端，即作用于第二比较器COMP1的同相输入端。
该失调电压加载于第一比较电路20的第二比较输出端，其相当于在第一比较电路20的第一比较输入端产生失调电压Vos'=(R5*VOUT/R1）/(gm_Q2*(R4+R5)），其中，gm_Q2为第二三极管Q2的跨导。该失调电压与输出电压VOUT成正比，如果输出VOUT电压比较大，在电感L电流斜率比较大的情况下能够提供一个动态的失调电压，保证能抵销第一比较电路20与第二比较电路30延迟带来的比较误差。
若知道第一比较器OP1和第二比较器COMP1总共的延迟时间Tdelay，外部电感L值为L和开关电源的下位管ML导通阻抗Rfet，即可计算该Vos'中的(R5/R1)/(gm_Q2*(R4+R5))取值。
具体地，由于Tdelay产生滞后电压为：(VOUT/L)*Tdelay*Rfet，因此Vos'=(VOUT/L)*Tdelay*Rfet。由于Vos'=(R5*VOUT/R1）/(gm_Q2*(R4+R5)），所以有(R5/R1)/(gm_Q2*(R4+R5))=Tdelay*Rfet/L。当开关节点LX电压大于-Vos'后，经过Tdelay后输出比较信号ZCD_OUT为高电平，此时开关节点的电压VLX刚好为0，对应没有产生任何负向电流。
开关节点的电压VLX波形、比较信号ZCD_OUT的波形如图7所示，实线L3为输出电压VOUT为VOUT时的开关节点的电压VLX波形，其对应的失调电压为Vos1，当开关节点的电压VLX大于-Vos1后，Tdelay后输出比较信号ZCD_OUT为高电平，此时开关节点的电压VLX刚好为0。虚线L4为输出电压VOUT为2*VOUT时的开关节点的电压VLX，其对应的失调电压为Vos2，当开关节点的电压VLX大于-Vos2后，Tdelay后输出比较信号ZCD_OUT为高电平，此时开关节点的电压VLX刚好为0。
因此，无论输出电压VOUT如何变化，失调电压都跟随输出电压VOUT的变化而变化，对比较电路进行补偿，且能够完全消除延迟，进而能够精准控制下位管ML，避免能量损失。
请参阅图8，图8是本发明实施例提供的另一过零比较电路的电路结构示意图，图8的实施例与图6的实施例的唯一区别在于第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3的连接方式，以及失调电流的电流方向与失调电压加载端。
具体地，流过第一MOS管M1的反馈电流仍然为VOUT/R1，第二MOS管M2与第三MOS管M3串联连接于第二采样端与地之间，其中，第三MOS管M3的源极接地，第二MOS管M2的源极为第二采样端。当第二MOS管M2导通时，第三MOS管M3镜像反馈电流并生成失调电流Ivout，该失调电流Ivout与反馈电流相同，也为VOUT/R1。
该失调电流从负载端流向第二采样端，该负载端为第二电阻R2与第三电阻R3的共同连接点，其通过失调电阻接地，第三电阻R3为失调电阻，该负载端还连接至第一比较输出端，第四电阻R4与第五电阻R5为平衡电阻。
失调电流的方向为从负载端到第二采样端，相当于从第二电阻R2抽走Ivout，此时，在负载端产生的失调电压Vos=-(R2*VOUT/R1），该失调电压Vos加载于第一比较输出端，相当于在第二比较输入端（负向输入端）产生失调电压Vos'=-(R2*VOUT/R1）/(gm_Q2*（R2+R3))，同样可以产生一个和输出电压VOUT成正比的失调电压Vos'，以消除延迟。
综上所述，该过零比较电路在输出比较信号时，通过失调电压补偿过零比较电路中的延迟，同时，相对于固定的失调电压补偿，该失调电压与输出电压正相关，其根据不同的输出电压而自动跟随，适应更宽的输出电压范围，进而能够更加精准控制下管关闭，减小能量损失。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种过零比较电路，应用于开关电源，其特征在于，所述开关电源包括上位管、下位管以及电感，所述上位管、所述下位管以及所述电感的共同连接点为开关节点，所述过零比较电路包括：电压采样电路、第一比较电路以及第二比较电路；
所述电压采样电路包括用于接入所述开关电源的输出电压的第一采样端、连接至所述第一比较电路的负载端的第二采样端，所述电压采样电路用于采样所述输出电压，并在所述第二采样端生成与所述输出电压正相关的失调电流；
所述第一比较电路包括用于接入所述开关节点的电压的第一比较输入端及接地的第二比较输入端，还包括分别与所述第二比较电路的第一输入端及第二输入端连接的第一比较输出端及第二比较输出端；所述失调电流引起所述第一或第二比较输出端产生与所述输出电压正相关的失调电压，所述第一比较电路用于根据所述开关节点的电压与地的比较结果生成差分信号并从所述第一、第二比较输出端输出；
所述第二比较电路用于根据所述差分信号以及所述失调电压生成比较信号，以在所述第二比较电路的输出端输出所述比较信号。
2.根据权利要求1所述的过零比较电路，其特征在于，所述电压采样电路包括电流生成模块以及镜像模块；
所述电流生成模块包括所述第一采样端以及连接至所述镜像模块的输入端的控制输出端，所述电流生成模块用于生成与所述输出电压正相关的反馈电流；
所述镜像模块还包括用于接入所述开关电源的控制信号的控制端及所述第二采样端，所述镜像模块用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，并在所述控制信号的控制下输出所述失调电流。
3.根据权利要求2所述的过零比较电路，其特征在于，所述电流生成模块包括第一比较器、第一MOS管与第一电阻；
所述第一MOS管与所述第一电阻串接在一个电压源与地之间，所述第一MOS管与所述第一电阻的共同连接点为钳位端；
所述第一比较器的反相输入端为所述第一采样端，同相输入端连接至所述钳位端，输出端为所述控制输出端并连接至所述第一MOS管的栅极，所述第一比较器用于将所述钳位端的电压钳位至所述输出电压。
4.根据权利要求2所述的过零比较电路，其特征在于，所述镜像模块包括按顺序串接在电压源与所述第二采样端之间的第二MOS管与第三MOS管；所述第二MOS管的栅极为所述镜像模块的控制端，所述第三MOS管的栅极为所述镜像模块的输入端；
所述第三MOS管用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，所述第二MOS管用于控制所述失调电流的输出与否。
5.根据权利要求2所述的过零比较电路，其特征在于，所述镜像模块包括按顺序串接在所述第二采样端与地之间的第二MOS管与第三MOS管；所述第二MOS管的栅极为所述镜像模块的控制端，所述第三MOS管的栅极为所述镜像模块的输入端；
所述第三MOS管用于镜像所述反馈电流以生成所述失调电流，所述第二MOS管用于控制所述失调电流的输出与否。
6.根据权利要求1所述的过零比较电路，其特征在于，所述第一比较电路包括第一开关模块、比较模块以及负载模块；
所述第一开关模块包括所述第一比较输入端、与所述比较模块的第一输入端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端，所述第一开关模块用于切换所述比较模块的第一输入端与所述开关节点的电压连接或与地连接；
所述比较模块包括所述第二比较输入端、所述第一比较输出端以及所述第二比较输出端，所述比较模块用于根据所述开关节点的电压与地的比较结果生成所述差分信号并从所述第一比较输出端、第二比较输出端输出；
所述负载模块包括失调电阻，所述负载端连接至所述失调电阻，所述负载模块用于根据所述失调电流,基于所述失调电阻生成所述失调电压，以将所述失调电压加载于所述比较模块的第一比较输出端或其第二比较输出端。
7.根据权利要求6所述的过零比较电路，其特征在于，所述第一比较电路还包括第二开关模块；
所述第二开关模块包括与所述第一比较输出端连接的第一端、与所述第二比较输出端连接的第二端以及用于接入所述开关电源的控制信号的控制端，所述第二开关模块用于控制所述比较模块的第一比较输出端以及其第二比较输出端的连接状态。
8.根据权利要求6所述的过零比较电路，其特征在于，所述第一开关模块包括第四MOS管与第五MOS管；
所述第四MOS管的源极为所述第一比较输入端，所述第四MOS管的栅极与所述第五MOS管的栅极的共同连接点为所述第一开关模块的控制端，所述第四MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极的共同连接点为所述第一开关模块的第二端。
9.根据权利要求6所述的过零比较电路，其特征在于，所述比较模块包括第一三极管、第二三极管以及第一电流源；
所述第一电流源的一端用于接入直流电源，所述第一电流源的另一端分别与所述第一三极管的发射极以及所述第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极作为所述比较模块的第一输入端，所述第一三极管的集电极为所述第一比较输出端；
所述第二三极管的基极为所述第二比较输入端，所述第二三极管的集电极为所述第二比较输出端。
10.根据权利要求7所述的过零比较电路，其特征在于，所述第二开关模块包括第六MOS管；
所述第六MOS管的栅极为所述第二开关模块的控制端，所述第六MOS管的源极为所述第二开关模块的第一端，所述第六MOS管的漏极为所述第二开关模块的第二端。
11.根据权利要求6所述的过零比较电路，其特征在于，所述失调电流自所述第二采样端流向所述负载端，所述负载端通过所述失调电阻接地，所述负载端还连接至所述第二比较输出端；所述负载模块还包括连接在所述第一比较输出端与地之间的平衡电阻。
12.根据权利要求6所述的过零比较电路，其特征在于，所述失调电流自所述负载端流向所述第二采样端，所述负载端通过所述失调电阻连接至所述第一比较输出端，所述负载端还接地；所述负载模块还包括连接在所述第二比较输出端与地之间的平衡电阻。
13.根据权利要求1-12任一项所述的过零比较电路，其特征在于，所述第二比较电路包括第二比较器与第七MOS管；
所述第二比较器的同相输入端为所述第一输入端，所述第二比较器的反相输入端作为所述第二输入端，所述第二比较器的输出端与所述第七MOS管的漏极连接，所述第二比较器的输出端用于输出所述比较信号；
所述第七MOS管的栅极用于接入所述开关电源的控制信号，所述第七MOS管的源极接地。
14.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括电感、上位管、下位管以及如权利要求1-13任一项所述的过零比较电路。
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