CN117783648A - 一种基于斜率补偿的过零检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于斜率补偿的过零检测电路，包括采样单元、参考电压单元、电压比较单元、逻辑驱动模块以及输出单元；采样单元的采样电压输出端与电压比较单元的正向输入端连接；电压比较单元的信号输出端与逻辑驱动模块连接，逻辑驱动模块与输出单元连接；采样单元包括采样管、电流镜以及检测电阻；电流镜分别通过采样管和检测电阻接地，电流镜和检测电阻的串接节点处与电压比较单元的正向输入端连接；参考电压单元包括镜像管和比较电阻；镜像管与电流镜并联连接，且经比较电阻接地；输出单元包括上功率管、下功率管、输出电感以及输出电容。本发明实现了参考电压的动态化，避免了电路延迟对轻载效率的影响，同时避免了续流电流反向。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种基于斜率补偿的过零检测电路。
背景技术
BULK结构开关电源芯片，在轻载时，往往工作于DCM模式（断续模式）。DCM模式中，在下功率管导通时间内，续流电流会下降到零；这时，如不关闭下功率管，则续流电流会继续下降，即反向。因此，为了提高效率，当续流电流降为零时，需要关闭下功率管；而这就需要对续流电流进行过零检测(ZCD)，过零检测指的是在交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，系统作出的检测。可作开关电路或者频率检测。
如图4所示，为现有的过零检测电路，其中，HS和LS分别是上功率管和下功率管，L1是输出电感，COUT是输出电容；N1是LS的采样管，其电流与LS成比例（图4中省略采样电路）；P1和P2构成电流镜，RCS为检测电阻，P2的镜像电流与RCS相乘，即可得到采样电压VCS；COMP是比较器，VCS与固定电压VREF通过COMP进行比较，当VCS<VREF时，比较器翻转，产生过零信号ZCD_L；LOGIC+DR是芯片控制逻辑及驱动模块，LOGIC+DR接收到过零信号ZCD_L后，关闭LS，避免续流电流继续下降。在实际中，电路都存在延时，记COMP和LOGIC+DR的总延时为TD。因为总延时TD的存在，所以需要在续流电流降低到零以前，就检测到ZCD信号，即需要设置VREF>0。
如图5所示，VCS1和VCS2分别是不同续流电流斜率下对应的采样电压；T1和T2是比较器翻转到VCS1和VCS2分别降低到零的延时。从图5中可知，由于使用固定的参考电压VREF，VCS1斜率大于VCS2，则延时T1<T2。
由此可知，基于现有的过零检测电路结构，在电路设计中，如果设定TD<T1，则下功率管关闭时，在两种斜率下，续流电流都还没有降低到零，且对于较小斜率(VCS2)下的下功率管，续流电流仍然较大，影响轻载效率；如果设定TD>T2，则下功率管关闭时，两种斜率下，续流电流都已经过零，且对于较大斜率(VCS1)下的下功率管，其反向电流会较大，影响轻载效率；如果设定T1<TD<T2，则下功率管关闭时，较大斜率(VCS1)下的下功率管，续流电流已经过零，而较小斜率(VCS2)下的下功率管，续流电流没有过零。
根据现有的过零检测电路，不同的VOUT及L1取值，对应的下功率管的续流电流斜率不同，且变化范围较大，而采样电压VCS斜率跟随续流电流变化。由于斜率范围较大，在最大和最小斜率下，都会对轻载效率有较大影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于斜率补偿的过零检测电路，具体技术方案如下：
电路包括采样单元、参考电压单元、电压比较单元、逻辑驱动模块以及输出单元；
所述采样单元的采样电压输出端与所述电压比较单元的正向输入端连接；所述电压比较单元的信号输出端与所述逻辑驱动模块连接，所述逻辑驱动模块与所述输出单元连接；
所述采样单元包括采样管、电流镜以及检测电阻；所述电流镜分别通过采样管和检测电阻接地，所述电流镜和所述检测电阻的串接节点处与所述电压比较单元的正向输入端连接；
所述参考电压单元包括镜像管和比较电阻；所述镜像管与所述电流镜并联连接，且经所述比较电阻接地；
所述输出单元包括上功率管、下功率管、输出电感以及输出电容，所述下功率管与所述逻辑驱动模块的输出连接，所述上功率管和下功率管串接，串接的节点处接所述输出电感的一端，另一端经所述输出电容接地，并作为输出端。
进一步的，所述上功率管和所述下功率管采用MOS管。
进一步的，所述上功率管的源极与所述下功率管的漏极连接，所述下功率管的栅极与所述逻辑驱动模块的输出端连接，所述下功率管的源极接地，所述上功率管的漏极接正电压端。
进一步的，所述电流镜由两个MOS管构成，所述采样管采用MOS管。
进一步的，构成所述电流镜的两个MOS管的栅极、源极和漏极互接，且两个MOS管的栅极与所述采样管的漏极连接，所述采样管的源极接地。
进一步的，所述镜像管采用MOS管。
进一步的，所述镜像管的栅极与所述电流镜的两个MOS管的栅极连接，所述镜像管的源极与所述电流镜的两个MOS管的源极连接；
所述镜像管的漏极与所述比较电阻连接。
进一步的，所述参考电压单元还包括串接的滤波电阻和滤波电容，所述滤波电阻接在所述镜像管的漏极和所述电压比较单元的反向输入端之间，所述电压比较单元的反向输入端通过所述滤波电容接地。
进一步的，所述参考电压单元还包括恒流源，所述恒流源与所述镜像管并联。
进一步的，所述恒流源的输入端与所述镜像管的源极连接，所述恒流源的输出端与所述镜像管的漏极连接。
本发明的有益效果如下：
本发明通过在过零检测电路中设置镜像管和/或恒流源，对参考电压的斜率补偿，使得参考电压动态化，能够在不同续流电流斜率下，实现比较器的翻转延时与续流电流降为零的时间相近，同时通过设置基础偏置VB，设定了ZCD检测的最小阈值，保证续流电流不会出现反向，避免了对轻载效率的影响。
附图说明
图1是完全斜率补偿的过零检测电路示意图。
图2是带斜率补偿的过零检测电路示意图。
图3是基于斜率补偿的过零检测电路在不同续流电流斜率下的延时示意图。
图4是现有的过零检测电路示意图。
图5是现有的过零检测电路在不同续流电流斜率下的延时示意图。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明的实施例1公开了一种基于斜率补偿的过零检测电路，如图1所示，所述基于斜率补偿的过零检测电路，为完全斜率补偿的过零检测电路。
电路包括采样单元、参考电压单元、电压比较单元、逻辑驱动模块以及输出单元；
所述采样单元包括采样管、电流镜以及检测电阻RCS；
在本实施例中，所述电流镜由两个MOS管构成，分别记为第一MOS管P1和第二MOS管P2；
具体的，构成所述电流镜的两个MOS管的栅极、源极和漏极互接。
所述采样管采用MOS管，记为N1；
构成所述电流镜的两个MOS管的栅极与所述采样管N1的漏极连接，所述采样管N1的源极接地；
所述第一MOS管P1的栅极和漏极连接；所述第二MOS管P2的漏极与所述检测电阻RCS连接，所述检测电阻RCS接地。
所述采样单元的采样电压输出端与所述电压比较单元的正向输入端连接；所述采样单元的采样电压输出端，即第二MOS管P2与检测电阻之间的连接节点。
所述参考电压单元包括镜像管和比较电阻RREF；所述镜像管与所述电流镜并联连接，且经所述比较电阻RREF接地；
本实施例中，所述镜像管采用MOS管，记为P3。
具体的，所述镜像管P3的栅极与所述电流镜的两个MOS管的栅极连接，所述镜像管P3的源极与所述电流镜的两个MOS管的源极连接；
所述镜像管P3的漏极与所述比较电阻RREF连接。
本实施例中，所述参考电压单元还包括串接的滤波电阻R1和滤波电容C1；
所述滤波电阻R1接在所述镜像管P3的漏极和所述电压比较单元的反向输入端之间，所述电压比较单元的反向输入端通过所述滤波电容C1接地。
所述电压比较单元的信号输出端与所述逻辑驱动模块连接，所述逻辑驱动模块与所述输出单元连接。
所述输出单元包括上功率管HS、下功率管LS、输出电感L1以及输出电容COUT；
所述下功率管LS与所述逻辑驱动模块的输出连接，所述上功率管HS和下功率管LS串接，串接的节点处接所述输出电感L1的一端，另一端经所述输出电容COUT接地，并作为输出端。
本实施例中，所述上功率管HS和所述下功率管LS采用MOS管。
具体的，本实施例中，所述上功率管HS的源极与所述下功率管LS的漏极连接，所述下功率管LS的栅极与所述逻辑驱动模块的输出端连接，所述下功率管LS的源极接地，所述上功率管HS的漏极接正电压端。
基于上述本实施例的完全斜率补偿的过零检测电路结构；
参考电压VREF不使用固定值，而是动态产生。
镜像管P3的电流与RREF相乘，即得到电压VR1，设计VR1<VCS，则VR1的斜率小于VCS；由R1和C1组成的滤波网络对VR1滤波，即得到VREF。
如图3所示，由于RC网络的作用，VREF曲线头尾较平缓，中部斜率相对固定（约为VR1的斜率）且小于VCS。
当续流电流斜率较大时，如VCS1与VREF交点电压较高；
反之，如VCS2与VREF交点电压较低，从而使得不同斜率下的延时（T1/T2）接近一致。
可针对续流电流斜率的实际范围，合理选取VR1/R1/C1的值，使得在整个续流电流斜率范围内，得到一致性较好的延时T；
设计T略大于TD，即可在续流电流略大于零时关闭下管，从而在全电流斜率范围内，得到更好的轻载效率。
实施例2
本发明的实施例2公开了一种基于斜率补偿的过零检测电路，如图2所示，所述基于斜率补偿的过零检测电路，为带斜率补偿的过零检测电路。
电路包括采样单元、参考电压单元、电压比较单元、逻辑驱动模块以及输出单元；
所述采样单元包括采样管、电流镜以及检测电阻RCS；
在本实施例中，所述电流镜由两个MOS管构成，分别记为第一MOS管P1和第二MOS管P2；
具体的，构成所述电流镜的两个MOS管的栅极、源极和漏极互接。
所述采样管采用MOS管，记为N1；
构成所述电流镜的两个MOS管的栅极与所述采样管N1的漏极连接，所述采样管N1的源极接地；
所述第一MOS管P1的栅极和漏极连接；所述第二MOS管P2的漏极与所述检测电阻RCS连接，所述检测电阻RCS接地。
所述采样单元的采样电压输出端与所述电压比较单元的正向输入端连接；所述采样单元的采样电压输出端，即第二MOS管P2与检测电阻之间的连接节点。
所述参考电压单元包括镜像管和比较电阻RREF；所述镜像管与所述电流镜并联连接，且经所述比较电阻RREF接地；
本实施例中，所述镜像管采用MOS管，记为P3。
具体的，所述镜像管P3的栅极与所述电流镜的两个MOS管的栅极连接，所述镜像管P3的源极与所述电流镜的两个MOS管的源极连接；
所述镜像管P3的漏极与所述比较电阻RREF连接。
本实施例中，所述参考电压单元还包括串接的滤波电阻R1和滤波电容C1；
所述滤波电阻R1接在所述镜像管P3的漏极和所述电压比较单元的反向输入端之间，所述电压比较单元的反向输入端通过所述滤波电容C1接地。
本实施例中，所述参考电压单元还包括恒流源IB，所述恒流源IB与所述镜像管并联。
具体的，所述恒流源IB的输入端与所述镜像管P3的源极连接，所述恒流源IB的输出端与所述镜像管P3的漏极连接。
所述电压比较单元的信号输出端与所述逻辑驱动模块连接，所述逻辑驱动模块与所述输出单元连接。
所述输出单元包括上功率管HS、下功率管LS、输出电感L1以及输出电容COUT；
所述下功率管LS与所述逻辑驱动模块的输出连接，所述上功率管HS和下功率管LS串接，串接的节点处接所述输出电感L1的一端，另一端经所述输出电容COUT接地，并作为输出端。
本实施例中，所述上功率管HS和所述下功率管LS采用MOS管。
具体的，本实施例中，所述上功率管HS的源极与所述下功率管LS的漏极连接，所述下功率管LS的栅极与所述逻辑驱动模块的输出端连接，所述下功率管LS的源极接地，所述上功率管HS的漏极接正电压端。
基于上述本实施例的带斜率补偿的过零检测电路结构；
参考电压VREF由基础偏置加斜率补偿产生。
其中，IB为恒流源，通过IB乘以RREF，即可得到基础偏置电压VB，VB的取值很小；通过将镜像管P3的电流与RREF相乘，杰可得到补偿电压V3，VB+V3=VR1。
设计V3<VCS（即VR1的斜率小于VCS）；VR1的最大值也小于VCS；通过R1/C1组成的网络对VR1滤波，即可得到VREF。
如图3所示，由于RC网络的作用，VREF曲线头尾较平缓，中部斜率相对固定（约为VR1的斜率）且小于VCS。
当续流电流斜率较大时，如VCS1，与VREF交点电压较高；
反之，如VCS2，与VREF交点电压较低。从而使得不同续流电流斜率下的延时（T1/T2）接近一致。
如果没有基础偏置VB，当续流电流斜率很小时，VCS与VREF的交点会非常接近零，由于TD的影响，续流电流仍有可能反向。本实施例中，设置基础偏置VB的目的，在于设定了ZCD检测的最小阈值，从而使续流电流不会出现反向。
针对续流电流斜率的实际范围，合理选取VR1/R1/C1的值，可使得在整个续流电流斜率范围内，得到一致性较好的延时T；
设计T略大于TD，即可在续流电流略大于零时关闭下管，从而在全电流斜率范围内，得到更好的轻载效率。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，电路包括采样单元、参考电压单元、电压比较单元、逻辑驱动模块以及输出单元；
所述采样单元的采样电压输出端与所述电压比较单元的正向输入端连接；所述电压比较单元的信号输出端与所述逻辑驱动模块连接，所述逻辑驱动模块与所述输出单元连接；
所述采样单元包括采样管、电流镜以及检测电阻；所述电流镜分别通过采样管和检测电阻接地，所述电流镜和所述检测电阻的串接节点处与所述电压比较单元的正向输入端连接；
所述参考电压单元包括镜像管和比较电阻；所述镜像管与所述电流镜并联连接，且经所述比较电阻接地；
所述输出单元包括上功率管、下功率管、输出电感以及输出电容，所述下功率管与所述逻辑驱动模块的输出连接，所述上功率管和下功率管串接，串接的节点处接所述输出电感的一端，另一端经所述输出电容接地，并作为输出端。
2.根据权利要求1所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述上功率管和所述下功率管采用MOS管。
3.根据权利要求2所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述上功率管的源极与所述下功率管的漏极连接，所述下功率管的栅极与所述逻辑驱动模块的输出端连接，所述下功率管的源极接地，所述上功率管的漏极接正电压端。
4.根据权利要求1所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述电流镜由两个MOS管构成，所述采样管采用MOS管。
5.根据权利要求4所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，构成所述电流镜的两个MOS管的栅极、源极和漏极互接，且两个MOS管的栅极与所述采样管的漏极连接，所述采样管的源极接地。
6.根据权利要求1所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述镜像管采用MOS管。
7.根据权利要求6所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，镜像管的栅极与电流镜的两个MOS管的栅极连接，镜像管的源极与电流镜的两个MOS管的源极连接；
镜像管的漏极与所述比较电阻连接。
8.根据权利要求1所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述参考电压单元还包括串接的滤波电阻和滤波电容，所述滤波电阻接在镜像管的漏极和所述电压比较单元的反向输入端之间，所述电压比较单元的反向输入端通过所述滤波电容接地。
9.根据权利要求1-8任一所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述参考电压单元还包括恒流源，所述恒流源与所述镜像管并联。
10.根据权利要求9所述的基于斜率补偿的过零检测电路，其特征在于，所述恒流源的输入端与镜像管的源极连接，所述恒流源的输出端与镜像管的漏极连接。
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