CN204168135U - 一种过零检测模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种过零检测模块，包括过零比较器模块、工作模式判断模块、防止误关断模块、防止反流模块和折中运算模块；本实用新型通过控制开光管的关断与开启，来控制电感电流，在电感电流为零时进行检测，包括对LX节点电压进行检测，判断Buck电路的工作模式，是非连续导通模式还是连续导通模式，防止因为LX节点电容过大而导致的LX电压放电过慢可能导致误关断，过零检测的外围逻辑可以防止电感电流产生反流现象。
Description
技术领域
本实用新型涉及电路结构技术领域，具体涉及一种过零检测模块。
背景技术
在日益更新的便携电子产品中，随着飞速发展和不断创新的集成电路技术、电子技术和通信技术，数量巨多的便携设备渗入我们的生活，如智能手机、移动播放器(MP3)、数码相机、数码摄像机、便携式笔记本电脑等等。先进便携的设备大大的提高了我们的生活质量，方便了我的现在的生活。它们大都采用电池供电，有限的电池容量和产品功能的迅速扩展给电源管理的效率提出越来越高的要求，而集成同步BUCK型DC-DC变换器在很宽的输入电压范围内都可以保持很高的效率，使得它在很多场合成为首选的电源管理器件。但是当DC-DC变换器工作在电感电流不连续导通模式(DCM)时，由于变换器内部的逻辑延迟，线延迟和寄生等因素的影响，致使同步管续流至零时，其还没有关断或还没完全关断，这时必然导致电流的倒灌，从而影响整个电路的性能指标。特别是这种现象会使整个系统处于一种超过放状态，从而导致整个电路的效率大幅度的降低，且这种状态在很大程度上影响和限制了DC-DC的应用范围和场合。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种过零检测模块，该过零检测模块通过控制开关管的关断与开启，来控制电感电流，解决了电感电流产生反流的问题。
本实用新型通过以下技术方案得以实现。
本实用新型提供的一种过零检测模块，包括过零比较器模块、工作模式判断模块、防止误关断模块、防止反流模块和折中运算模块；所述过零比较器模块的信号输入端分别与LX端、模拟地端VSSS连接，所述过零比较器模块的信号输出端分别与工作模式判断模块和防止误关断模块的信号输入端连接，所述防止反流模块的信号输入端与防止误关断模块的信号输出端连接，所述防止误关断模块和防止反流模块的信号输出端与折中运算模块的信号输入端连接，所述折中运算模块输出控制信号。
所述过零比较器模块包括开关管M0～M15、电阻R和反相器G1，所述开关管M12和M13的栅极均与使能信号en端连接，源级均与电源连接，所述开关管M5、M4和M9的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M5的栅极还与开关管M4的栅极、开关管M9的栅极、开关管M12的漏极连接，所述M5的漏极与开关管M11的漏极连接；所述开关管M11的栅极与开关管M10的栅极连接，所述开关管M10的栅极与漏极连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M10、M11的源级均与电源地vssa端连接；所述开关管M4的漏极分别与开关管M0、M1、M2、M3的源级连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与开关管M1的漏极连接，所述开关管M1的漏极还与开关管M0的栅极、开关管M6的漏极连接；所述开关管M6的漏极与栅极相连后还与开关管M7的栅极连接，所述开关管M6的源级与模拟地端VSSS连接；所述开关管M2的栅极与漏极相连后与开关管M0的漏极连接，所述开关管M0的漏极还与开关管M1的栅极、开关管M7的漏极连接，所述开关管M7的源级经电阻R与开关管M15的漏极连接，所述开关管M15的栅极与开关管M14的栅极连接后与gn端连接，所述开关管M15的源级与开关管M14的漏极连接，所述开关管M14的源级与LX端连接；所述开关管M7的漏极还与开关管M8的栅极连接，所述开关管M8的源级与电源地vssa端连接，所述开关管M8的漏极与开关管M9的漏极、开关管M13的漏极连接后经反相器G1输出比较信号。
所述工作模式判断模块包括第一D触发器dff1、第二D触发器dff2和Count模块，所述第一D触发器dff1的d端和第二D触发器dff2的en端连接后与电源连接，所述第一D触发器dff1的clk端与gpfb信号端连接，en端与nzcc-out信号端连接，qn端与第二D触发器dff2的d端连接；所述第二D触发器dff2的clk端与gpfb信号端连接，qn端与Count模块的信号输入端连接，所述Count模块的另一信号输入端与gpfb信号端连接，所述Count模块输出判断信号。
所述防止误关断模块包括第三D触发器dff3、与非门N1和反相器G2，所述第三D触发器dff3的d端与电源连接，clk端与nzcc-out信号端连接，en端与gp信号端连接，qn端与与非门N1的信号输入端连接，所述与非门N1的另一信号输入端与gn信号端连接，所述与非门N1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接。
所述防止反流模块包括反相器G3～G5，开关管M16～M18和与非门N2，所述反相器G5的信号输入端与gn端连接，信号输出端分别与开关管M16、M17的栅极连接，所述开关管M16、M17的漏极相连后与开关管M18的栅极连接，所述开关管M16的源级与电源连接，所述开关管M17的源级、开关管M18的源级和漏极均接地，所述开关管M18的栅极依次通过反相器G3、G4与与非门N2的信号输入端连接，所述与非门N2的另一信号输入端与zcc-out信号端连接。
所述折中运算模块包括反相器G6和与非门N3，所述与非门N3的信号输入端与防止误关断模块和防止反流模块的信号输出端连接，所述与非门N3的信号输出端与反相器G6的信号输入端连接，所述反相器G6输出检测信号。
本实用新型的有益效果在于：通过控制开光管的关断与开启，来控制电感电流，在电感电流为零时进行检测，并产生相应的动作，包括对LX节点电压进行检测，判断Buck电路的工作模式，是非连续导通模式还是连续导通模式，防止因为LX节点电容过大而导致的LX电压放电过慢可能导致误关断，当Buck电路处于轻载的情况下，电感电流很小，流过开光管的导通电阻后产生的电压可能很小，由于在这个设计中过零比较器会有较大的失调，可能导致比较器输出一直处于高电平状态，过零检测的外围逻辑可以防止电感电流产生反流现象。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理框图；
图2是本实用新型的电路图；
图3是图2中过零比较器模块的电路图；
图4是图3中比较器的DC特性仿真波形图；
图5是图3中比较器的AC特性仿真波形图；
图6、图7是图3中比较器的TRAN特性仿真波形图；
图中：1-过零比较器模块，2-工作模式判断模块，3-防止误关断模块，4-防止反流模块，5-折中运算模块。
具体实施方式
下面进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1～图3所示的一种过零检测模块，包括过零比较器模块1、工作模式判断模块2、防止误关断模块3、防止反流模块4和折中运算模块5；所述过零比较器模块1的信号输入端分别与LX端、模拟地端VSSS连接，所述过零比较器模块1的信号输出端分别与工作模式判断模块2和防止误关断模块3的信号输入端连接，所述防止反流模块4的信号输入端与防止误关断模块3的信号输出端连接，所述防止误关断模块3和防止反流模块4的信号输出端与折中运算模块5的信号输入端连接，所述折中运算模块5输出控制信号。其中LX端是电压检测端。
所述过零比较器模块1包括开关管M0～M15、电阻R和反相器G1，所述开关管M12和M13的栅极均与使能信号en端连接，源级均与电源连接，所述开关管M5、M4和M9的源级均与模拟电源vdda端连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M5的栅极还与开关管M4的栅极、开关管M9的栅极、开关管M12的漏极连接，所述M5的漏极与开关管M11的漏极连接；所述开关管M11的栅极与开关管M10的栅极连接，所述开关管M10的栅极与漏极连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M10、M11的源级均与电源地vssa端连接；所述开关管M4的漏极分别与开关管M0、M1、M2、M3的源级连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与开关管M1的漏极连接，所述开关管M1的漏极还与开关管M0的栅极、开关管M6的漏极连接；所述开关管M6的漏极与栅极相连后还与开关管M7的栅极连接，所述开关管M6的源级与模拟地端VSSS连接；所述开关管M2的栅极与漏极相连后与开关管M0的漏极连接，所述开关管M0的漏极还与开关管M1的栅极、开关管M7的漏极连接，所述开关管M7的源级经电阻R与开关管M15的漏极连接，所述开关管M15的栅极与开关管M14的栅极连接后与gn端连接，所述开关管M15的源级与开关管M14的漏极连接，所述开关管M14的源级与LX端连接；所述开关管M7的漏极还与开关管M8的栅极连接，所述开关管M8的源级与电源地vssa端连接，所述开关管M8的漏极与开关管M9的漏极、开关管M13的漏极连接后经反相器G1输出比较信号。
过零比较器使用两级放大，第一级放大是低增益，高带宽，以减小延迟时间，延迟时间电阻和节点电容决定。第二级放大相对来说需要提高增益，所以提供较小的偏置电流，一般来说第二级的极点并不会成为延迟时间限制的主要因素。
所述工作模式判断模块2包括第一D触发器dff1、第二D触发器dff2和Count模块，所述第一D触发器dff1的d端和第二D触发器dff2的en端连接后与电源连接，所述第一D触发器dff1的clk端与gpfb信号端连接，en端与nzcc-out信号端连接，qn端与第二D触发器dff2的d端连接；所述第二D触发器dff2的clk端与gpfb信号端连接，qn端与Count模块的信号输入端连接，所述Count模块的另一信号输入端与gpfb信号端连接，所述Count模块输出判断信号。gpfb信号端是pmos-gate的控制的反馈信号。
当BUCK电路处于非连续导通模式(DCM)下，电感电流不连续，LX电压会出现过零的情况，比较器的输出会产生从高电平到低电平再到高电平的跳变。而在连续导通模式(CCM)下，电感电流连续，LX电压一直都会处于较负的情况，比较器的输出不会产生从高电平到低电平再到高电平的跳变。这样就可以使用D触发器来检查上升沿或下降沿，在这里我们检测的是下降沿。
第一触发器dff1的en端接的是比较器输出信号通过一个反相器的信号，当gp信号为高电平时，也就是PMOS管关断，电感电流进行续流的时候，第一触发器dff1开启。在DCM模式时，比较器的输出在电感电流为0的时候，会产生下降沿，于是第一触发器dff1的输出为0，当gp信号从高电平向低电平跳变的时候，则对模式进行输出。当gp信号为低电平时，第一触发器dff1同时清零，这样就可以不受上个周期的影响，进而对下个周期进行判断。Count模块为计数模块，其功能是在CCM/DCM模式判断信号连续八周期相等时才改变输出，可以防止在系统中的误触发信号使模式判断失误。
所述防止误关断模块3包括第三D触发器dff3、与非门N1和反相器G2，所述第三D触发器dff3的d端与电源连接，clk端与nzcc-out信号端连接，en端与gp信号端连接，qn端与与非门N1的信号输入端连接，所述与非门N1的另一信号输入端与gn信号端连接，所述与非门N1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接。
过零检测的第二个功能就是防止因为LX节点电容过大而产生放电缓慢导致的误关断。如果不对比较器输出信号的边沿进行检测，而只是使用信号的高低电平直接进行判断，那么在LX节点电容过大而产生放电缓慢，这样在gp信号为高电平期间，会存在两段比较器输出为高电平的时期，不使用边沿检测无法识别。
第三D触发器dff3的CLK端接的是比较器输出信号通过一个反相器的信号，nzcc-out信号即为比较器输出信号通过一个反相器的信号。在gp信号为高电平时，只有在比较器输出上升沿的时候，传输到与非门的b输入端的信号为0，于是输出信号对NMOS管进行关闭，当比较器输出未出现跳变的时候，第三D触发器dff3输出将保持高电平，这样对NMOS管的控制信号就取决于gn信号。
即使LX电容过大，放电缓慢，但是由于比较器输出未产生从低电平到高电平的跳变，所以不会产生误关断。
所述防止反流模块4包括反相器G3～G5，开关管M16～M18和与非门N2，所述反相器G5的信号输入端与gn端连接，信号输出端分别与开关管M16、M17的栅极连接，所述开关管M16、M17的漏极相连后与开关管M18的栅极连接，所述开关管M16的源级与电源连接，所述开关管M17的源级、开关管M18的源级和漏极均接地，所述开关管M18的栅极依次通过反相器G3、G4与与非门N2的信号输入端连接，所述与非门N2的另一信号输入端与zcc-out信号端连接。zcc-out信号即为比较器输出信号。
所述折中运算模块5包括反相器G6和与非门N3，所述与非门N3的信号输入端与防止误关断模块3和防止反流模块4的信号输出端连接，所述与非门N3的信号输出端与反相器G6的信号输入端连接，所述反相器G6输出检测信号。gn信号通过一段延迟单元，与比较器输出进行与非运算，如果这两个信号均为高电平，则输出为低电平，关闭NMOS管。
反流现象的产生原因是由于当电感电流处于正向流动时，如果电流值很小，那么在LX点产生的电压也会很小，导致比较器的输出一直都是高电平，但是由于Buck电路的工作模式是DCM模式，如果这个时候仍然不关断NMOS管，就会产生电流反流。解决方法就是在一定时间内检查比较器输出，如果在这个时间结束时，仍然是高电平，就关断NMOS管。需要注意的是，解决反流现象的方法与解决误关断问题的方法是需要折中的，因为当LX节点电容过大时，如果在这个方法中的这个时间段仍然未放电完成，那么就会误关断，所以这里需要对这个时间段的长短进行折中。
将本实用新型进行仿真：
(1)DC特性仿真：波形图局部放大后如图4所示，过零比较器的失调仿真条件：在-40℃、0℃、25℃、50℃、80℃、120℃温度下，固定比较器一端的电压为0V，直流扫描另一端的电压，比较器均在-7.2mv左右翻转，则系统失调电压为-7.2mV，满足设计要求。
(2)AC特性仿真：比较器的AC特性主要仿真比较器的开环增益，如图5所示，在三种温度(-40℃、25℃、120℃)下比较器的低频增益都为68db左右，满足设计要求。
(3)TRAN特性仿真：比较器的瞬态特性仿真主要仿真比较器的延时特性，如图6所示，在2.4V、2.7V、3V、3.3V、3.6V电源电压下，比较器的延迟时间都在16ns左右。如图7所示，比较器在-40℃、25℃、120℃三种不同温度下的延迟时间基本保持不变。
Claims (6)
1.一种过零检测模块，包括过零比较器模块(1)、工作模式判断模块(2)、防止误关断模块(3)、防止反流模块(4)和折中运算模块(5)，其特征在于：所述过零比较器模块(1)的信号输入端分别与LX端、模拟地端VSSS连接，所述过零比较器模块(1)的信号输出端分别与工作模式判断模块(2)和防止误关断模块(3)的信号输入端连接，所述防止反流模块(4)的信号输入端与防止误关断模块(3)的信号输出端连接，所述防止误关断模块(3)和防止反流模块(4)的信号输出端与折中运算模块(5)的信号输入端连接，所述折中运算模块(5)输出控制信号。
2.如权利要求1所述的过零检测模块，其特征在于：所述过零比较器模块(1)包括开关管M0～M15、电阻R和反相器G1，所述开关管M12和M13的栅极均与使能信号en端连接，源级均与电源VDD端连接，所述开关管M5、M4和M9的源级均与模拟电源端vdda连接，所述开关管M5的栅极与漏极相连，所述开关管M5的栅极还与开关管M4的栅极、开关管M9的栅极、开关管M12的漏极连接，所述M5的漏极与开关管M11的漏极连接；所述开关管M11的栅极与开关管M10的栅极连接，所述开关管M10的栅极与漏极连接后与偏置电流ibias端连接，所述开关管M10、M11的源级均与电源地vssa端连接；所述开关管M4的漏极分别与开关管M0、M1、M2、M3的源级连接，所述开关管M3的栅极与漏极相连后与开关管M1的漏极连接，所述开关管M1的漏极还与开关管M0的栅极、开关管M6的漏极连接；所述开关管M6的漏极与栅极相连后还与开关管M7的栅极连接，所述开关管M6的源级与模拟地端VSSS连接；所述开关管M2的栅极与漏极相连后与开关管M0的漏极连接，所述开关管M0的漏极还与开关管M1的栅极、开关管M7的漏极连接，所述开关管M7的源级经电阻R与开关管M15的漏极连接，所述开关管M15的栅极与开关管M14的栅极连接后与gn端连接，所述开关管M15的源级与开关管M14的漏极连接，所述开关管M14的源级与LX端连接；所述开关管M7的漏极还与开关管M8的栅极连接，所述开关管M8的源级与电源地vssa端连接，所述开关管M8的漏极与开关管M9的漏极、开关管M13的漏极连接后经反相器G1输出比较信号。
3.如权利要求1所述的过零检测模块，其特征在于：所述工作模式判断模块(2)包括第一D触发器dff1、第二D触发器dff2和Count模块，所述第一D触发器dff1的d端和第二D触发器dff2的en端连接后与电源连接，所述第一D触发器dff1的时钟信号端clk与gpfb信号连接，使能信号端en与nzcc-out信号连接，qn端与第二D触发器dff2的d端连接；所述第二D触发器dff2的时钟信号端clk与gpfb连接，qn端与Count模块的信号输入端连接，所述Count模块的另一信号输入端与gpfb连接，所述Count模块输出判断信号。
4.如权利要求1所述的过零检测模块，其特征在于：所述防止误关断模块(3)包括第三D触发器dff3、与非门N1和反相器G2，所述第三D触发器dff3的d端与电源连接，clk端与nzcc-out信号端连接，使能信号端en与gp信号端连接，qn端与与非门N1的信号输入端连接，所述与非门N1的另一信号输入端与gn信号端连接，所述与非门N1的信号输出端与反相器G2的信号输入端连接。
5.如权利要求1所述的过零检测模块，其特征在于：所述防止反流模块(4)包括反相器G3～G5，开关管M16～M18和与非门N2，所述反相器G5的信号输入端与gn端连接，信号输出端分别与开关管M16、M17的栅极连接，所述开关管M16、M17的漏极相连后与开关管M18的栅极连接，所述开关管M16的源级与电源连接，所述开关管M17的源级、开关管M18的源级和漏极均接地，所述开关管M18的栅极依次通过反相器G3、G4与与非门N2的信号输入端连接，所述与非门N2的另一信号输入端与zcc-out信号端连接。
6.如权利要求1所述的过零检测模块，其特征在于：所述折中运算模块(5)包括反相器G6和与非门N3，所述与非门N3的信号输入端与防止误关断模块(3)和防止反流模块(4)的信号输出端连接，所述与非门N3的信号输出端与反相器G6的信号输入端连接，所述反相器G6输出检测信号。
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