CN117543977A - 一种自适应过零检测电路和buck型的开关电源 - Google Patents

一种自适应过零检测电路和buck型的开关电源 Download PDF

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CN117543977A CN202311498548.9A CN202311498548A CN117543977A CN 117543977 A CN117543977 A CN 117543977A CN 202311498548 A CN202311498548 A CN 202311498548A CN 117543977 A CN117543977 A CN 117543977A
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Abstract

本发明公开一种自适应过零检测电路和BUCK型的开关电源，涉及集成电路技术领域。所述自适应过零检测电路应用于BUCK型的开关电源中，包括依次电连接的电压电流转换模块、偏移电压生成模块以及比较模块。电压电流转换模块用于基于开关电源的输出电压，向偏移电压生成模块提供对应的偏置电流。偏移电压生成模块用于基于偏置电流确定比较模块的目标偏移电压。比较模块用于基于目标偏移电压，结合开关电源的开关节点电压与零电压，输出对应的过零信号，可以在开关节点电压过零时及时产生信号关断同步整流管，从而有效提高开关电源在轻载条件下的转换效率。

Description

一种自适应过零检测电路和BUCK型的开关电源
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种自适应过零检测电路和BUCK型的开关电源。
背景技术
随着模拟集成电路的发展，各项应用对开关电源的低电压、大电流、高效率等提出了更高的要求。相比于异步整流结构，同步整流型开关电源可以降低由续流二极管带来的功耗，继而提高系统的效率。
在传统的同步型BUCK开关电源转换器的应用中，当转换器在轻负载的情况下工作于非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)时，电感电流会降低到零，要求同步整流管能够及时关断，阻挡反向电流，防止电流倒灌的现象出现，导致消耗原本提供给负载的能量，使得转换器的效率降低。因此，在不连续导通模式中，需要精确的过零检测。
现有的过零检测中，可以通过提高过零检测比较器的响应速度来减小过零检测的输出延时，该方法虽然会减小反向电流，但仍无法消除反向电流；或者根据提前确定好的延时，通过固定偏移量的过零比较器提早对同步整流管进行关断，但该方法只适合特定的电路情况，当电路状况发生改变时，仍旧无法及时关断同步整流管。
基于此，过零检测电路如何在电感电流降低到零时及时产生信号关断同步整流管，就成为了亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应过零检测电路和BUCK型的开关电源，用于在电感电流降低到零时及时产生信号关断同步整流管，从而有效提高开关电源在轻载条件下的转换效率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种自适应过零检测电路，应用于BUCK型的开关电源中，自适应过零检测电路包括依次电连接的电压电流转换模块、偏移电压生成模块以及比较模块，其中：
电压电流转换模块用于基于开关电源的输出电压，向偏移电压生成模块提供对应的偏置电流。偏移电压生成模块用于基于偏置电流确定比较模块的目标偏移电压。比较模块用于基于目标偏移电压，结合开关电源的开关节点电压与零电压，输出对应的过零信号。
与现有技术相比，本发明提供的自适应过零检测电路中，电压电流转换模块可以基于开关电源的输出电压生成对应的偏置电流，偏移电压生成模块能够根据接收到的偏置电流确定比较模块的目标偏移电压，比较模块可以基于目标偏移电压，对接收到的开关电源的开关节点电压与零电压进行比较，当确定开关节点电压大于等于零电压和目标偏移电压之间的差值时，比较模块输出对应的过零信号，关断BUCK型开关电源中的同步整流管。基于此，本发明提供的自适应过零检测电路可以根据输出电压变化趋势相应的调整目标偏移量的大小，当输出电压增大时，确定的目标偏移量较大，当输出电压减小时，确定的目标偏移量较小，从而使得比较模块可以根据目标偏移量的大小，在开关节点电压过零时及时产生过零信号，阻止反向电流，有效提高开关电源在轻载条件下的转换效率。
第二方面，本发明还提供一种BUCK型的开关电源，包括依次电连接的逻辑驱动电路、功率级电路以及上述第一方面技术方案所述的自适应过零检测电路，自适应过零检测电路还与逻辑驱动电路电连接，其中：
自适应过零检测电路用于基于开关电源的输出电压，确定目标偏移电压；还用于基于目标偏移电压，结合开关电源的开关节点电压与零电压，输出对应的过零信号。
逻辑驱动电路用于结合过零信号和脉宽调制信号，生成相应的驱动信号，关断功率级电路中的同步整流管。
与现有技术相比，本发明提供的BUCK型的开关电源的有益效果与上述技术方案所述的自适应过零检测电路的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中同步型BUCK开关电源的结构示意图；
图2(a)为图1中同步整流管及时关断的开关节点电压与电感电流的波形示意图；
图2(b)为图1中同步整流管不及时关断的开关节点电压与电感电流的波形示意图；
图3为本发明实施例提供的一种自适应过零检测电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电压电流转换模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的偏移电压生成模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的比较模块的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种BUCK开关电源的电路结构示意图。
附图标记：
1-自适应过零检测电路， 2-逻辑驱动电路，
3-功率级电路， 11-电压电流转换模块，
12-偏移电压生成模块， 13-比较模块，
111-转换子模块， 112-第一电流镜子模块，
113-偏置电流输出子模块， 114-分压子模块，
1121-第一电流镜单元， 1122-第二电流镜单元，
1123-理想电流源单元， 121-偏置电流输入子模块，
122-第二电流镜子模块， 123-偏置电压生成子模块，
1221-第三电流镜单元， 1222-第四电流镜单元，
1223-第五电流镜单元， 1231-第一偏置电压生成单元，
1232-第二偏置电压生成单元， 131-比较子模块，
132-输出子模块， 133-源极电压调整子模块。
具体实施方式
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
图1示例出了一种现有的同步型BUCK开关电源的结构示意图。其中，Driver信号是控制开关管MP’和同步整流管MN’的方波信号，L’为电感，C’为输出电容，R’为负载电阻，VOUT’是开关电源的输出信号，SW’为开关电源的开关节点。当Driver信号是低电平时，开关管MP’打开，同步整流管MN’关闭，输入电压VIN’对电感L’充电；当Driver信号是高电平时，开关管MP’关闭，同步整流管MN’打开，电感L’放电。
当转换器系统工作于非连续导通模式时，由于开关电源内部的延迟，会使得同步整流管MN’无法及时关断，出现电流倒灌的现象，极大地消耗了原本应该提供给负载的能量，从而导致转换器的效率降低。图2(a)示例出了图1中同步整流管MN’及时关断下开关节点电压VSW’和电感电流IL’的波形示意图，在非连续导通模式下，当电感电流IL’达到零时，同步整流管MN’被及时关断，能够阻挡反向电流。图2(b)示例出了图1中同步整流管不及时关断的开关节点电压与电感电流的波形示意图，由图2(b)可知，当同步整流管MN’关断较晚时，反向电流会使输出电容C’放电，并且由于同步整流管MN’导通电阻上的压降，开关节点电压VSW’会由负变正，从而产生反向电流，造成能量损耗。因此，在不连续导通模式中，需要精确的过零检测比较器输出过零信号ZCD’关断同步整流管MN’。
为了能够及时关断同步整流管MN’，一方面可以通过提高过零比较器的响应速度来减小过零信号的延迟。过零检测比较器的门限设置为电感电流IL’恰好等于0，经过比较器的输出延时记为τ1，过零检测比较器输出的过零信号ZCD’上升到高电平，关断同步整流管MN’。在这个过程中，还包含了驱动逻辑链的延时和同步整流管MN’的栅电压下降延时(二者延时之和记为τ2)，将从IL’到0开始，直至IL’不再下降(倒灌)的时间计为τ，τ＝τ1+τ2，其中τ2相对不变，通过提高过零比较器的响应速度，从而降低比较器的输出延时τ1，可以在一定程度上减小反向电流。但此种方案只能减小τ1，无法减小τ2，还是不能消除反向电流。
另一方面，由于转换器内部的逻辑和线性延迟等影响，在过零检测比较器检测到电感电流IL’为零时，电感电流IL’实际上已经发生了倒灌现象，因此需要对过零检测比较器设置更早的翻转点，从而在电感电流IL’接近为零时提前对同步整流管MN发出关断的过零信号ZCD’，能够在经过一定延迟的情况下，当电感电流IL’为零时及时地关断同步整流管MN’，继而提高电路的工作效率。但此种方案也只能够适用特定的电路情况，当电路状况发生改变时，仍旧无法准确产生关断同步整流管MN’的过零信号ZCD’。
鉴于此，如图3所示，本发明实施例提供一种自适应过零检测电路，应用于BUCK型的开关电源中，自适应过零检测电路包括依次电连接的电压电流转换模块11、偏移电压生成模块12以及比较模块13。电压电流转换模块11用于基于开关电源的输出电压VOUT，向偏移电压生成模块12提供对应的偏置电流Ibias。偏移电压生成模块12用于基于偏置电流Ibias确定比较模块13的目标偏移电压Vos。比较模块13用于基于目标偏移电压Vos，结合开关电源的开关节点电压VSW与零电压Vss，生成对应的过零信号。
应理解，对于BUCK开关电源而言，电感电流IL下降阶段的斜率S＝VOUT/L，其中VOUT为开关电源的输出电压，L为电感值，在电感大小固定的情况下，当输出电压VOUT比较大时，斜率S也会比较大，也即电感电流IL下降更快，当输出电压VOUT比较小时，斜率S会比较小，电感电流IL下降速度也会更慢。
通过自适应过零检测电路的结构可知，电压电流转换模块11可以基于开关电源的输出电压VOUT生成对应的偏置电流Ibias，偏移电压生成模块12能够根据接收到的偏置电流Ibias确定比较模块13的目标偏移电压Vos，比较模块13可以基于目标偏移电压Vos，对接收到的开关电源的开关节点电压与零电压进行比较，当确定开关节点电压VSW大于等于零电压和目标偏移电压Vos之间的差值时，比较模块13输出对应的过零信号ZCD，关断BUCK型开关电源中的同步整流管。基于此，本发明实施例提供的自适应过零检测电路可以根据输出电压VOUT的变化趋势相应的调整目标偏移量的大小，当输出电压VOUT增大时，确定的目标偏移量较大，当输出电压VOUT减小时，确定的目标偏移量较小，从而使得比较模块13可以根据目标偏移量的大小，在开关节点电压VSW过零时及时产生过零信号ZCD，阻止反向电流，有效提高开关电源在轻载条件下的转换效率。
在一种可能的实现方式中，如图4所示，电压电流转换模块11包括依次电连接的转换子模块111、第一电流镜子模块112以及偏置电流输出子模块113。转换子模块111的输入端与开关电源的输出端电连接，偏置电流输出子模块113的输出端与偏移电压生成模块12的输入端电连接。转换子模块111用于将开关电源的输出电压VOUT转换为相应的第一子目标电流。第一电流镜子模块112用于基于第一子目标电流，向偏移电压生成模块12提供第一目标电流。偏置电流输出子模块113用于基于第一目标电流，向偏移电压生成模块12提供对应的偏置电流Ibias。
在一种可选方式中，如图4所示，第一电流镜子模块112包括相互连接的第一电流镜单元1121、第二电流镜单元1122和理想电流源单元1123。第一电流镜单元1121的第一端、第二电流镜单元1122的第一端以及理想电流源单元1123的第一端均与电源电压端电连接，第一电流镜单元1121的第二端与转换子模块111电连接，第二电流镜单元1122的第二端以及理想电流源单元1123的第二端均与偏置电流输出子模块113电连接。其中，经过第一电流镜单元1121的电流与经过第二电流镜单元1122的电流大小相等。
具体的，转换子模块111包括第一N型晶体管MN1和第一电阻R1，第一电流镜单元1121包括第二P型晶体管MP2和第四P型晶体管MP4，第二电流镜单元1122包括第一P型晶体管MP1和第三P型晶体管MP3，偏置电流输出子模块113包括第二N型晶体管MN2和第三N型晶体管MN3。
第一N型晶体管MN1的栅极用与接收输出电压VOUT，第一N型晶体管MN1的源极和第一电阻R1的第一端电连接，第一电阻R1的第二端接地，第一N型晶体管MN1的漏极分别与第四P型晶体管MP4的栅极和漏极以及第三P型晶体管MP3的栅极电连接。第四P型晶体管MP4的源极分别与第二P型晶体管MP2的栅极和漏极以及第一P型晶体管MP1的栅极电连接。第二P型晶体管MP2的源极和第一P型晶体管MP1的源极均与电源电压端电连接，用于接收供电电压VCC，第一P型晶体管MP1的漏极和第三P型晶体管MP3的源极电连接，同时理想电流源I0的第一端也与电源电压端电连接，理想电流源I0的第二端以及第三P型晶体管MP3的漏极均与第二N型晶体管MN2的栅极和漏极以及第三N型晶体管MN3的栅极电连接，第二N型晶体管MN2的源极和第三N型晶体管MN3的源极均接地，第三N型晶体管MN3的漏极与偏移电压生成模块12的输入端电连接。
在实际中，第一P型晶体管MP1和第二P型晶体管MP2的宽长比相等，第三P型晶体管MP3和第四P型晶体管MP4的宽长比相等，第二N型晶体管MN2和第三N型晶体管MN3宽长比相等。基于此，第一电流镜单元1121可以将转换子模块111输出的第一子目标电流1:1复制到第二电流镜单元1122中，从而向第二N型晶体管MN2提供包括理想电流源I0在内的第一目标电流，第三N型晶体管MN3可以将接收到的第一目标电流1:1复制后，输出偏置电流Ibias。
在一种可选方式中，如图4所示，电压电流转换模块11还包括分压子模块114。分压子模块114第一端与开关电源的输出端电连接，分压子模块114的第二端接地，分压子模块114的输出端与转换子模块111的控制端电连接。
具体的，分压子模块114包括第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2的第一端与开关电源的输出端电连接，第二电阻R2的第二端分别与第一N型晶体管MN1的栅极以及第三电阻R3的第一端电连接，第三电阻R3的第二端接地。基于此，第二电阻R2和第三电阻R3可以对接收到的输出电压VOUT进行分压，从而避免第一N型晶体管MN1的栅源电压过大，影响电路的稳定性。
在实际应用中，BUCK型开关电源的输出电压VOUT范围可以表示为VOUT,min～VOUT,max，为了进一步降低功耗，可以设置当输出电压VOUT＝VOUT,min时，无需增加偏置电流Ibias，第一N型晶体管MN1恰好截止；当输出电压VOUT＞VOUT,min时，第一N型晶体管MN1导通，偏置电流Ibias增加。基于此，当输出电压VOUT＝VOUT,min时，第二电阻R2和第三电阻R3的比例关系应该满足：
其中，VT为第一N型晶体管MN1的阈值电压。
下面将结合附图4，详细说明电压电流转换模块11将输出电压VOUT转化为偏置电流Ibias的工作过程。
具体地，输出电压VOUT经过第二电阻R2和第三电阻R3分压之后，提供给第一N型晶体管MN1的栅极，计算得到第一N型晶体管MN1的漏极电流Id1与输出电压VOUT的关系为：
其中，Id1为第一N型晶体管MN1的漏极电流，VGS1为第一N型晶体管MN1的栅源电压。
由于第一P型晶体管MP1和第二P型晶体管MP2的宽长比相等，第三P型晶体管MP3和第四P型晶体管MP4的宽长比相等，可以将第一N型晶体管MN1的漏极电流Id1以1：1复制到第三P型晶体管MP3所在的支路，得到第二N型晶体管MN2的漏源电流为：
Ids2＝Id1+I0 (3)，
其中，I0为理想电流源的电流。
又由于设置第二N型晶体管MN2和第三N型晶体管MN3的宽长比相等，将第二N型晶体管MN2的漏源电流以1：1复制到第三N型晶体管MN3上，从而确定电压电流转换模块11输出的偏置电流Ibias为：
在一种可能的实现方式中，如图5所示，偏移电压生成模块12包括依次电连接的偏置电流输入子模块121、第二电流镜子模块122以及偏置电压生成子模块123。偏置电流输入子模块121的输入端电压电流转换模块11的输出端电连接，偏置电压生成子模块123的输出端与比较模块13电连接。偏置电流输入子模块121用于基于偏置电流Ibias向第二电流镜子模块122提供第二子目标电流。第二电流镜子模块122用于基于第二子目标电流，向偏置电压生成子模块123提供第二目标电流，其中，第二目标电流的大小是第二子目标电流的大小的k倍，k为正数。偏置电压生成子模块123基于第二目标电流，确定比较模块13的目标偏移电压Vos。
基于此，偏移电压生成模块12可以根据偏置电流Ibias确定比较模块13的偏移量，从而获得开关节点电压VSW的早期翻转点，继而消除由传播延迟引起的电感电流IL的反向现象。
在一种可选方式中，如图5所示，第二电流镜子模块122包括第三电流镜单元1221、第四电流镜单元1222和第五电流镜单元1223。第三电流镜单元1221的输入端与偏置电流输入子模块121电连接，第四电流镜单元1222的第一端以及第五电流镜单元1223的第一端与电源电压端电连接，第四电流镜单元1222的第二端以及第五电流镜单元1223的第二端均与第三电流镜单元1221的输出端电连接；其中，第五电流镜单元1223中晶体管的宽长比是第四电流镜单元1222中晶体管的宽长比的k倍。
在一种可选方式中，如图5所示，偏置电压生成子模块123包括第一偏置电压生成单元1231、第二偏置电压生成单元1232以及比较电阻R0。第一偏置电压生成单元1231的控制端、第一偏置电压生成单元1231的第一端、第二偏置电压生成单元1232的控制端以及第二偏置电压生成单元1232的第一端均与第二电流镜子模块122电连接，第一偏置电压生成单元1231的第一端还通过比较电阻R0与第二偏置电压生成单元1232的第一端电连接，第一偏置电压生成单元1231的第二端和第二偏置电压生成单元1232的第二端均接地。
如图5所示，偏置电流输入子模块121包括第十P型晶体管MP10和第九P型晶体管MP9，第三电流镜单元1221包括第四N型晶体管MN4和第六N型晶体管MN6，第四电流镜单元1222包括第五P型晶体管MP5和第七P型晶体管MP7，第五电流镜单元1223包括第六P型晶体管MP6和第八P型晶体管MP8，第一偏置电压生成单元1231包括第七N型晶体管MN7和第四电阻R4，第二偏置电压生成单元1232包括第五N型晶体管MN5。
具体的，第十P型晶体管MP10的栅极和漏极以及第九P型晶体管MP9的栅极均用于接收偏置电流Ibias，第九P型晶体管MP9的漏极分别与第四N型晶体管MN4的栅极和漏极、第五N型晶体管MN5的栅极以及第六N型晶体管MN6的栅极电连接，第十P型晶体管MP10的源极和第九P型晶体管MP9源极均与电源电压端电连接，用于接收供电电压VCC。第四N型晶体管MN4的源极、第五N型晶体管MN5的源极以及第六N型晶体管MN6的源极均接地。第五P型晶体管MP5的源极和第六P型晶体管MP6的源极均与电源电压端电连接，用于接收供电电压VCC，第五P型晶体管MP5的栅极和漏极以及第六P型晶体管MP6的栅极均与第七P型晶体管MP7的源极电连接，第七P型晶体管MP7的栅极和漏极以及第八P型晶体管MP8的栅极均与第六N型晶体管MP6的漏极电连接，第六P型晶体管MP6的漏极和第八P型晶体管MP8的源极电连接，第八P型晶体管MP8的漏极分别与第七N型晶体管MN7的栅极和漏极以及比较电阻R0的第一端电连接，第七N型晶体管MN7的源极通过第四电阻R4接地，比较电阻R0的第二端与第五N型晶体管MN5的漏极电连接。
在实际中，第十P型晶体管MP10和第九P型晶体管MP9的宽长比相等，第四N型晶体管MN4和第六N型晶体管MN6的宽长比相等，第五P型晶体管MP5和第六P型晶体管MP6的宽长比为1：k，第七P型晶体管MP7和第八P型晶体管MP8的宽长比也为1：k。基于此，偏置电流输入子模块121可以将偏置电流IbiasIbias1:1复制后向第三电流镜单元1221输出第二子目标电流，第三电流镜单元1221将第二子目标电流1:1复制后输出至第四电流镜单元1222中，第四电流镜单元1222以1:k将第二子目标电流复制到第五电流镜单元1223中，从而向偏置电压生成子模块123提供第二目标电流，偏置电压生成子模块123基于第二目标电流，确定比较模块13的目标偏移电压Vos。
下面将以图5为例，详细说明偏移电压生成模块12确定目标偏移电压Vos的工作过程。
由于第十P型晶体管MP10和第九P型晶体管MP9的宽长比相同，第四N型晶体管MN4和第六N型晶体管MN6的宽长比相同，第五P型晶体管MP5和第六P型晶体管MP6的宽长比为1：k，第七P型晶体管MP7和第八P型晶体管MP8的宽长比也为1：k，得到流经第六P型晶体管MP6所在支路的电流IB为：
IB＝k*Ibias (5)，
其中，k为第五P型晶体管MP5和第六P型晶体管MP6的宽长比比值，Ibias为电压电流转换模块11提供的偏置电流Ibias。
第七N型晶体管MN7和第四电阻R4为第一偏置电压VB1设置模块，通过设置合理的第七N型晶体管MN7的宽长比以及第四电阻R4的阻值可以得到合适的第一偏置电压VB1。比较电阻R0上的电流IR0≈IB，目标偏移电压Vos为：
VOS＝VB1-VB2＝IR0*R0≈k*Ibias*R0 (6)，
其中，Vos为目标偏移电压Vos，第一偏置电压VB1和第二偏置电压VB2为比较电阻R0两端的端电压。
在一种可能的实现方式中，如图6所示，比较模块13包括电连接的比较子模块131和输出子模块132。比较子模块131的控制端与偏移电压生成模块12的输出端对应电连接，比较子模块131的第一输入端与零电压端电连接，比较子模块131的第二输入端与开关电源的开关节点电压端电连接。输出子模块132的第一端与电源电压端电连接，输出子模块132的第二端与比较子模块131的输出端电连接。
具体的，比较子模块131包括第八N型晶体管MN8和第九N型晶体管MN9，输出子模块132包括第十一P型晶体管MP11和第十二P型晶体管MP12。第八N型晶体管MN8的栅极用于接收第一偏置电压VB1，第八N型晶体管的源极与零电压端电连接，第八N型晶体管的MN8的漏极分别与第十一P型晶体管MP11的漏极和栅极以及第十二P型晶体管MP12的栅极电连接，第九N型晶体管的漏极和第十二P型晶体管MP12的漏极电连接，第十一P型晶体管MP11的源极与第十二P型晶体管MP12的源极均与电源电压端电连接。
在实际中，可以设置第十一P型晶体管MP11和第十二P型晶体管MP12的宽长比相同，第八N型晶体管MN8和第九N型晶体管MN9的宽长比相同。比较子模块131用于第一偏置电压VB1和第二偏置电压VB2的作用下，将源极接收到零电压Vss和开关节点电压VSW进行比较，根据比较结果，输出对应的过零信号ZCD。
在一种可选方式中，如图6所示，比较模块13包括源极电压调整子模块133，源极电压调整子模块133的第一端分别与零电压端和开关节点电压端电连接，源极电压调整子模块133的第二端与比较子模块131的输入端对应电连接。
具体的，源极电压调整子模块133包括第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5的第一端与开关节点电压端电连接，用于接收开关节点电压VSW，第五电阻的第二端与第九N型晶体管MN9的源端电连接，第六电阻R6的第一端与零电压端电连接，用于接收零电压Vss，第六电阻R6的第二端与第八N型晶体管MN8的源端电链接。通过设置第五电阻R5和第六电阻R6的阻值，可以分别设置第九N型晶体管MN9和第八N型晶体管MN8的源极电压，从而避免由于较高的栅源电压导致漏极电流过大，进一步提高电路的稳定性。
下面将以图6为例，详细说明过零信号ZCD的产生过程。
应理解，当NMOS管工作在饱和区时，对应的漏源电流IDS＝β(VGS-VTH)2，其中，β为与宽长比成比例的系数，VGS表示NMOS管的栅源电压，VTH表示NMOS管的阈值电压。
通过设置前述第一偏置电压生成单元1231中第七N型晶体管MN7的尺寸和第四电阻R4的电阻值，向第八N型晶体管MN8的栅极输出第一偏置电压VB1，使得第八N型晶体管可以MN8工作在饱和区，同样的，通过设置前述第二偏置电压生成单元1232中第五N型晶体管的尺寸，向第九N型晶体管MN9的栅极输出第二偏置电压VB2，使得第九N型晶体管MN9同样可以工作在饱和区，得到第八N型晶体管MN8电流IN8和第九N型晶体管MN9的电流IN9分别为：
IN8＝βN8(VB1-IN8R6-Vss-VTH)2 (7)，
IN9＝βN9(VB2-IN9R5-VSW-VTH)2 (8)，
其中，βN8和βN9分别为与第八N型晶体管MN8和第九N型晶体管MN9宽长比成比例的系数，Vss为零电压，VSW为开关节点电压，VTH为第八N型晶体管MN8和第九N型晶体管MN9的阈值电压。
第九N型晶体管MN9的漏极电压Vo为：
VO＝VCC-IN9*R0n,P12 (9)，
其中，VCC为电源电压，R0n,P12为第十二P型晶体管MP12的导通电阻。由于第十一P型晶体管MP11和第十二P型晶体管MP12的宽长比相同，第八N型晶体管MN8和第九N型晶体管MN9的宽长比相同。因此，当VSW≥Vss-Vos时，漏极电压Vo会翻转，漏极电压Vo在经过信号整形后即可作为过零信号ZCD。
此外，在本发明实施例中，将比较端设置在NMOS对管的源端一侧，也即第八N型晶体管MN8的源端和第九N型晶体管MN9的源端，不仅可以对非负电压进行检测，还可以对负电压进行检测，能够涵盖开关节点电压VSW全部的变化范围，相较于现有技术中仅能检测非负电压的过零检测比较器，本发明实施例提供的自适应过零检测电路能够检测的电压范围更广，适用性更强。
图7示例出了本发明实施例提供的一种BUCK开关电源的电路结构示意图，所述BUCK型的开关电源包括依次电连接的逻辑驱动电路2、功率级电路3以及上述实施例中所述的自适应过零检测电路1，自适应过零检测电路1还与逻辑驱动电路2电连接。自适应过零检测电路1用于基于开关电源的输出电压VOUT，结合开关电源的开关节点电压VSW与零电压Vss，输出对应的过零信号。逻辑驱动电路2用于结合过零信号和脉宽调制信号，生成相应的驱动信号，关断功率级电路3中的同步整流管MN。
具体的，自适应过零检测电路1引入了输出电压VOUT进行干预，当输出电压VOUT变大时，提前翻转的目标偏移量变大，当输出电压VOUT变小时，提前翻转的偏移量变小，采用自适应技术，根据输出电压VOUT的变化进行调整，以在当开关节点电压VSW过零时及时向逻辑驱动电路2输出对应的过零信号ZCD，逻辑驱动电路2根据接收到的过零信号ZCD和脉宽调制信号PWM生成相应的驱动信号，关断功率级电路3中的同步整流管MN，避免反向的电感电流IL产生，从而提高整体电路的工作效率。
与现有技术相比，本发明实施例提供的BUCK型的开关电源的有益效果与上述实施例中所述的自适应过零检测电路的有益效果相同，此处不做赘述。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种自适应过零检测电路，其特征在于，应用于BUCK型的开关电源中，所述自适应过零检测电路包括依次电连接的电压电流转换模块、偏移电压生成模块以及比较模块；
所述电压电流转换模块用于基于开关电源的输出电压，向偏移电压生成模块提供对应的偏置电流；
所述偏移电压生成模块用于基于所述偏置电流确定所述比较模块的目标偏移电压；
所述比较模块用于基于所述目标偏移电压，结合所述开关电源的开关节点电压与零电压，生成对应的过零信号。
2.根据权利要求1所述自适应过零检测电路，其特征在于，所述电压电流转换模块包括依次电连接的转换子模块、第一电流镜子模块以及偏置电流输出子模块，其中：所述转换子模块的输入端与所述开关电源的输出端电连接，所述偏置电流输出子模块的输出端与所述偏移电压生成模块的输入端电连接；
所述转换子模块用于将所述开关电源的输出电压转换为相应的第一子目标电流；
所述第一电流镜子模块用于基于所述第一子目标电流，向所述偏移电压生成模块提供第一目标电流；
所述偏置电流输出子模块用于基于所述第一目标电流，向所述偏移电压生成模块提供对应的所述偏置电流。
3.根据权利要求2所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述第一电流镜子模块包括相互连接的第一电流镜单元、第二电流镜单元和理想电流源单元，其中：
所述第一电流镜单元的第一端、所述第二电流镜单元的第一端以及所述理想电流源单元的第一端均与电源电压端电连接，所述第一电流镜单元的第二端与所述转换子模块电连接，所述第二电流镜单元的第二端以及所述理想电流源单元的第二端均与所述偏置电流输出子模块电连接；
其中，经过所述第一电流镜单元的电流与经过所述第二电流镜单元的电流大小相等。
4.根据权利要求2所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述电压电流转换模块还包括分压子模块，其中：
所述分压子模块第一端与所述开关电源的输出端电连接，所述分压子模块的第二端接地，所述分压子模块的输出端与所述转换子模块的控制端电连接。
5.根据权利要求1所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述偏移电压生成模块包括依次电连接的偏置电流输入子模块、第二电流镜子模块以及偏置电压生成子模块，其中：所述偏置电流输入子模块的输入端所述电压电流转换模块的输出端电连接，所述偏置电压生成子模块的输出端与所述比较模块电连接；
所述偏置电流输入子模块用于基于所述偏置电流向所述第二电流镜子模块提供第二子目标电流；
所述第二电流镜子模块用于基于所述第二子目标电流，向所述偏置电压生成子模块提供第二目标电流，其中，所述第二目标电流的大小是所述第二子目标电流的大小的k倍，k为正数；
所述偏置电压生成子模块用于基于所述第二目标电流，确定所述比较模块的目标偏移电压。
6.根据权利要求5所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述第二电流镜子模块包括第三电流镜单元、第四电流镜单元和第五电流镜单元，其中：
所述第三电流镜单元的输入端与所述偏置电流输入子模块电连接，所述第四电流镜单元的第一端以及所述第五电流镜单元的第一端与电源电压端电连接，所述第四电流镜单元的第二端以及所述第五电流镜单元的第二端均与所述第三电流镜单元的输出端电连接；其中，所述第五电流镜单元中晶体管的宽长比是所述第四电流镜单元中晶体管的宽长比的k倍。
7.根据权利要求5所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述偏置电压生成子模块包括第一偏置电压生成单元、第二偏置电压生成单元以及比较电阻，其中：
所述第一偏置电压生成单元的控制端、所述第一偏置电压生成单元的第一端、所述第二偏置电压生成单元的控制端以及所述第二偏置电压生成单元的第一端均与所述第二电流镜子模块电连接，所述第一偏置电压生成单元的第一端还通过所述比较电阻与所述第二偏置电压生成单元的第一端电连接，所述第一偏置电压生成单元的第二端和所述第二偏置电压生成单元的第二端均接地。
8.根据权利要求1所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述比较模块包括电连接的比较子模块和输出子模块，其中：
所述比较子模块的控制端与所述偏移电压生成模块的输出端对应电连接，所述比较子模块的第一输入端与所述零电压端电连接，所述比较子模块的第二输入端与所述开关电源的开关节点电压端电连接；
所述输出子模块的第一端与电源电压端电连接，所述输出子模块的第二端与所述比较子模块的输出端电连接。
9.根据权利要求8所述的自适应过零检测电路，其特征在于，所述比较模块包括源极电压调整子模块，所述源极电压调整子模块的第一端分别与所述零电压端和所述开关节点电压端电连接，所述源极电压调整子模块的第二端与所述比较子模块的输入端对应电连接。
10.一种BUCK型的开关电源，其特征在于，包括依次电连接的逻辑驱动电路、功率级电路以及权利要求1～9任一项所述的自适应过零检测电路，所述自适应过零检测电路还与所述逻辑驱动电路电连接，其中：
所述自适应过零检测电路用于基于所述开关电源的输出电压，确定目标偏移电压；还用于基于所述目标偏移电压，结合所述开关电源的开关节点电压与零电压，输出对应的过零信号；
所述逻辑驱动电路用于结合所述过零信号和脉宽调制信号，生成相应的驱动信号，关断所述功率级电路中的同步整流管。
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