TWI550280B - 零電流偵測電路及直流轉換器 - Google Patents

零電流偵測電路及直流轉換器 Download PDF

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Description

零電流偵測電路及直流轉換器
本發明涉及一種零電流偵測電路及使用該零電流偵測電路的直流轉換器。
具有上下橋開關的直流轉換器通常用於為中央處理器、記憶體等供電。當直流轉換器工作於非連續工作模式(Discontinuous ConductIBn Mode,DCM)下時，由於電感作用會有反向電流產生，反向電流無法對輸出電流作貢獻且消耗電能。
有鑑於此，有必要提供一種利用零電流偵測電路偵測並抑制反向電流的直流轉換器。
一種零電流偵測電路，包括：一偏壓電流源；一電流鏡，包括輸入端、第一輸出端、第二輸出端及第三輸出端，其中該輸入端耦合至該偏壓電流源；一第一電晶體，與該第一輸出端耦合並經第一電阻接地；一第二電晶體，與該第二輸出端耦合並經第二電阻與一偵測節點連接； 一第一比較器包括正輸入端與負輸入端，該正輸入端耦合至該第二輸出端，該負輸入端耦合至該第一輸出端；溫度補償電壓鉗制單元，用於隨溫度變化將該第一比較器正輸入端與負輸入端的電壓準位之差控制一預定範圍內；其中，當該第一比較器的正輸入端的電壓準位等於該第一比較器負輸入端的電壓準位時，該第一比較器輸出一預定訊號指示該偵測節點零電流的出現。
一種直流轉換器，包括：一上橋開關連接一電源供應器；一下橋開關耦合至該上橋開關與接地端之間，該上橋開關與該下橋開關之間形成一偵測節點；一驅動器用於控制該上下、橋開關的導通與關斷；一電感器，耦合至偵測節點與電源輸出端之間；一零電流偵測電路耦合於該驅動器與該偵測節點之間，包括：一偏壓電流源；一電流鏡，包括輸入端、第一輸出端、第二輸出端及第三輸出端，其中該輸入端耦合至該偏壓電流源；一第一電晶體，與該第一輸出端耦合並經第一電阻接地；一第二電晶體，與該第二輸出端耦合並經第二電阻與一偵測節點連接；一第一比較器包括正輸入端與負輸入端，該正輸入端耦合至該第 二輸出端，該負輸入端耦合至該第一輸出端；溫度補償電壓鉗制單元，用於隨溫度變化將該第一比較器正輸入端與負輸入端的電壓準位之差控制一預定範圍內；其中，當該第一比較器正輸入端的電壓準位等於該第一比較器負輸入端的電壓準位時，該第一比較器輸出一預定訊號指示該偵測節點零電流的出現，該驅動器根據該預定訊號控制該下橋開關關斷。
相較於先前技術，本發明的直流轉換器包括一零電流偵測電路，當該直流轉換器處於非連續工作模式下時，該零電流偵測電路偵測該上、下橋之間節點的反向電流，當有反向電流出現時，該零電流偵測電路輸出一預定電流並使該下橋開關關斷以節省能耗。
10‧‧‧直流轉換器
102‧‧‧驅動器
104‧‧‧上橋開關
106‧‧‧下橋開關
108‧‧‧電感
110‧‧‧電容
VDD‧‧‧電壓源
VOUT‧‧‧輸出端
RL‧‧‧負載
LX‧‧‧偵測節點
120‧‧‧零電流偵測電路
122‧‧‧偏壓電流源
124‧‧‧電流鏡
126‧‧‧零電流偵測單元
128‧‧‧溫度補償電壓鉗制單元
VIN‧‧‧輸入端
M1‧‧‧第一PMOS電晶體
M2‧‧‧第二PMOS電晶體
M3‧‧‧第三PMOS電晶體
M4‧‧‧第四PMOS電晶體
V1‧‧‧第一輸出端
V2‧‧‧第二輸出端
V3‧‧‧第三輸出端
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
CM1‧‧‧第一比較器
V+‧‧‧正輸入端
V-‧‧‧負輸入端
Cout1‧‧‧第一比較輸出端
Cout2‧‧‧第二比較輸出端
CM2‧‧‧第二比較器
ME1‧‧‧第一NMOS電晶體
圖1是本發明的直流轉換器一實施方式電路結構示意圖。
圖2是圖1所示的直流轉換器的零電流偵測電路示意圖。
圖3是圖1所示的直流轉換器工作於非連續導通模式時的電感電流及偵測節點電壓變化示意圖。
請參閱圖1，圖1是本發明的直流轉換器10一實施方式電路結構示意圖。該直流轉換器10包括驅動器102、上橋開關104、下橋開關106、電感108、電容110、負載RL及輸出端VOUT。該驅動器102用於控制該上、下橋開關104、106的導通與關斷。該在本實施方式中，該上橋開關104為一PMOS(P-Metal Oxide Semiconductor)電晶體，該下橋開關106為一NMOS(N-Metal Oxide Semiconductor)電晶體。該上橋開關104的源極與一電壓源VDD連接，該上橋開關104的汲極與該下橋開關106的汲極連接，該下橋開關106的源極接地。該上、下橋開關104、106的閘極與該驅動器102相連。該上橋開關104汲極與該下橋開關106的汲極之間的節點為偵測節點LX。該偵測節點LX經該電感108、該輸出端VOUT與負載RL相連。該電容110串接於該輸出端VOUT與該地之間。該直流轉換器10還包括連接於該偵測節點LX與該驅動器102之間的零電流偵測電路120。該直流轉換器10在非連續導通模式下，零電流偵測電路120用於偵測該偵測節點LX的零電流，即偵測該上橋開關104關斷，該下橋開關106導通時的該偵測節點LX處的反向電流Ir(如圖1中所示)且當該偵測節點LX出現零電流時，該零電流偵測電路120輸出一指示零電流的預定訊號至該驅動器102，該驅動器102根據該預定訊號將該下橋開關106關斷。
請參閱圖2，其為圖1所示的零電流偵測電路120示意圖。該零電流偵測電路120包括一偏壓電流源122、一電流鏡124、一零電流偵測單元126及一溫度補償電壓鉗制單元128。該偏壓電流源122輸出電流值為IB的電流。該電流鏡124包括輸入端VIN、第一PMOS電晶體M1、第二PMOS電晶體M2、第三PMOS電晶體M3、第四PMOS電晶體M4、第一輸出端V1、第二輸出端V2及第三輸出端V3。該輸入端VIN與該偏壓電流源122相連。該第一、第二、第三、第四PMOS電晶體M1、M2、M3、M4的閘極均與該輸入端VIN電連接。該第一PMOS電晶體M1的汲極與該輸入端VIN相連。該第一、第二、第三、第四PMOS電晶體M1、M2、M3、M4的源極均連接至電壓源VDD的節點。該第二PMOS電晶體M2的汲極為第一輸出端V1，該第三PMOS電晶體M3的汲極為第二輸出端V2，該第四PMOS電晶體M4的汲極為 第三輸出端V3。本實施方式中，該第一、第二及第三輸出端V1、V2及V3的輸出電流值亦為IB。該偵測節點LX的電壓計為VLX。
該零電流偵測單元126包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第一電阻R1、第二電阻R2及第一比較器CM1。該第一電晶體Q1與該第一電阻R1串接於該第一輸出端V1與地之間。該第二電晶體Q2與該第二電阻R2串接於該第二輸出端V2與偵測節點LX之間。該第一比較器CM1包括負輸入端V-、正負輸入端V+及第一比較輸出端Cout1，該負輸入端V-與該第一輸出端V1相連，該正輸入端V+與該第二輸出端V2相連，該第一比較輸出端Cout1與該驅動器102電連接。
在本實施方式中，該第一、第二電晶體Q1、Q2為NPN型電晶體。該第一比較器CM1為具有高速且低輸入偏移電壓(High Speed & Low Input Offset)。該第一電晶體Q1的基極、集極均與該第一輸出端V1相連，該第一電晶體Q1的射極經該第一電阻R1接地。該第二電晶體Q2的基極、集極均與該第二輸出端V2相連，該第二電晶體Q2的射極經該第二電阻R2與偵測節點LX相連。在其他實施方式中，該第一、第二電晶體Q1、Q2為二極體，其中二極體的陽極與該第一、第二輸出端V1、V2連接，二極體的陰極與該第一、第二電阻R1、R2連接。
該第一比較器CM1的負輸入端V-電壓準位為IB*R10+VBEQ1，其中R10表示電阻R1的阻值，VBEQ1表示第一電晶體Q1的順向導通電壓。該第一比較器CM1的正輸入端V+的電壓準位為IB*R20+VBEQ2+VLX，其中R20表示電阻R2的阻值，VBEQ2表示第二電晶體Q2的順向導通電壓。
該溫度補償電壓鉗制單元128包括第一NMOS電晶體ME1、第二比較 器CM2、第三電晶體Q3。該第一NMOS電晶體ME1的汲極與該第二輸出端V2相連接，該第一NMOS電晶體ME1的源極接地。該第二比較器CM2包括正輸入端V+、負輸入端V-及第二比較輸出端Cout2。該第二比較器CM2的正輸入端V+與第二輸出端V2相連接，該第二比較器CM2的負輸入端V-與該第三電晶體Q3的基極連接。該第三電晶體Q3的基極與集極與該第三輸出端V3連接，該第三電晶體Q3的集極經第三電阻R3接地。在本實施方式中，該第二比較器CM2負輸入端V-的電壓輸入準位Vref=IB*R30+VBEQ3，其中R30表示電阻R3的阻值，VBEQ3表示第一電晶體Q3的順向導通電壓。
當該直流轉換器10工作於非連續導通模式下，即輕負載時。請一併參閱圖3，圖3為本發明的直流轉換器10工作於非連續導通模式時，該流經電感108的電流IL及偵測節點電壓VLX變化示意圖。在第一時間段T1，該驅動器102控制該上橋開關104導通、該下橋開關106關斷，該電感108處於充電狀態，且經該輸出端VOUT為該負載RL供電，該偵測節點LX處的電壓VLX為正電壓。則該第一比較器CM1負輸入端V-的輸入電壓準位低於該正輸入端V+的電壓準位，該第一比較器CM1的第一比較輸出端Cout1輸出控制訊號至該驅動器102，該驅動器102不受該控制訊號影響正常控制該上橋開關104導通、該下橋開關106關斷，即該零電流偵測電路120不工作。
在第二時間段T2，該驅動器102控制該上橋開關104關斷、該下橋開關106導通，該電感處於放電狀態經並經該輸出端VOUT為該負載RL供電，該偵測節點LX處的電壓VLX為負電壓，則該第一比較器CM1負輸入端V-的輸入電壓準位高於該正輸入端V+的電壓準位 ，該第一比較器CM1的第一比較輸出端Cout1輸出第一控制訊號至該驅動器102，該驅動器102在該第一控制訊號下正常工作。
在第三時間段T3，該偵測節點LX出現零電流，同時該偵測節點LX的電壓VLX為零時，該第一比較器CM1的正輸入端V+的輸入電壓準位等於該負輸入端V-的電壓準位，該第一比較器CM1輸出第二控制訊號至該驅動器102，該驅動器102根據該第二控制訊號強制關斷該下橋開關106，即該上橋開關104與該下橋開關106同時關斷。從而，抑制反向電流Ir的出現提高直流轉換器10處於非連續導通模式的轉換效率。在本實施方式中，通過改變該第一電阻R1、第二電阻R2的阻值可實現偵測反向電流準位的改變。該第一電阻R1、第二電阻R2為高阻值電阻，從而當偵測節點LX有靜電發生時，可有效保護該零電流偵測電路120不受靜電損壞。
當該直流轉換器10由連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)切換至非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)，即為重載(heavy load)模式切換至輕載(light load)模式時，該偵測節點LX的電壓VLX有升高趨勢，從而該第一比較器CM1正輸入端V+電壓準位升高，使該第一比較器CM1轉換輸出第二控制訊號的反應速度降低。
進一步，在本實施方式中，該第一、第二及第三電晶體Q1、Q2及Q3為具有相同材質、相同溫度係數之NPN電晶體。該第一、第二及第三電阻R1、R2及R3為具有相同材質、相同溫度係數之電阻。由於NPN電晶體接面電壓準位為負溫度係數(Negative Temperature Coefficient)，在工作過程中，當溫度升高時，該第一電晶體Q1的導通電壓VBEQ1減小使該第一比較器CM1的負輸入 端V-的輸入電壓準位降低，而使該第一比較器CM1的正輸入端V+與該負輸入端V-電壓準位之差增大，使該第一比較器CM1轉換輸出第二控制訊號的反應速度降低。
當該第一比較器CM1的正輸入端V+的電壓準位高於該參考電壓Vref時，該第二比較器CM2輸出一控制訊號使該第一NMOS電晶體ME1導通，該第一比較器CM1的正輸入端V+經導通的第一NMOS電晶體ME1將第一比較器CM1正輸入端V+鉗制在參考電壓Vref電壓準位，從而可通過調整參考電壓Vref電壓準位將該第一比較器CM1正輸入端V+的輸入電壓限制於一預定範圍內。當該第一比較器CM1的負輸入端V-與第一比較器CM1的正輸入端V+的差值控制在一預定範圍內，以增加該第一比較器CM1的反應速度。且該參考電壓Vref可隨溫度變化自動調整，具體地，當該第一比較器CM1負輸入端V-的輸入電壓準位隨溫度升高而降低時，該參考電壓Vref亦隨之降低；當該第一比較器CM1負輸入端V-的輸入電壓準位隨溫度降低而升高時，該參考電壓Vref亦隨之升高，從而可避免由於溫度變化對第一比較器CM1反應速度的影響。該在本實施方式中，該控制訊號為高準位訊號。
進一步，當直流轉換器10工作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)時，通過調整該參考電壓Vref的電壓準位即調整該第三電阻R3的阻值，使得該第一比較器CM1正輸入端V+的電壓準位不會隨偵測節點LX電壓的變化而變化，以使該直流轉換器10工作於連續導通模式時不受該零電流偵測電路120的影響。
前述的直流轉換器10包括偵測反向電流的零電流偵測電路120， 且當反向電流出現時，即偵測節點LX出現零電流，同時該偵測節點LX的電壓VLX為零時，該零電流偵測電路輸出一控制信號使該驅動器關斷該下橋開關，從而避免反向電流的出現，進而提高直流轉換器10的工作效率。進一步，當直流轉換器10由連續導通模式切換至非連續導通模式時，通過調整參考電壓Vref將第一比較器CM1正輸入端V+的輸入電壓限制於一預定範圍內以加快該第一比較器CM1的反應速度，且該參考電壓Vref隨溫度變化而自動調整，從而可避免由於溫度變化對第一比較器CM1反應速度的影響。
雖然本發明以優選實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做各種的變化，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求的保護範圍之內。
LX‧‧‧偵測節點
102‧‧‧驅動器
122‧‧‧偏壓電流源
124‧‧‧電流鏡
126‧‧‧零電流偵測單元
128‧‧‧溫度補償電壓鉗制單元
VIN‧‧‧輸入端
M1‧‧‧第一PMOS電晶體
M2‧‧‧第二PMOS電晶體
M3‧‧‧第三PMOS電晶體
M4‧‧‧第四PMOS電晶體
V1‧‧‧第一輸出端
V2‧‧‧第二輸出端
V3‧‧‧第三輸出端
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
CM1‧‧‧第一比較器
V+‧‧‧正輸入端
V-‧‧‧負輸入端
Cout1‧‧‧第一比較輸出端
Cout2‧‧‧第二比較輸出端
CM2‧‧‧第二比較器
VDD‧‧‧電壓源
ME1‧‧‧第一NMOS電晶體

Claims (17)

  1. 一種零電流偵測電路，包括：一偏壓電流源；一電流鏡，包括輸入端、第一輸出端、第二輸出端及第三輸出端，其中該輸入端耦合至該偏壓電流源；一第一電晶體，與該第一輸出端耦合並經第一電阻接地；一第二電晶體，與該第二輸出端耦合並經第二電阻與一偵測節點連接；一第一比較器包括正輸入端與負輸入端，該正輸入端耦合至該第二輸出端，該負輸入端耦合至該第一輸出端；溫度補償電壓鉗制單元，用於隨溫度變化將該第一比較器正輸入端與負輸入端的電壓準位之差控制一預定範圍內；其中，當該第一比較器的正輸入端的電壓準位等於該第一比較器負輸入端的電壓準位時，該第一比較器輸出一預定訊號指示該偵測節點零電流的出現；該第一電晶體在第一輸出端的電壓大於導通電壓時導通以形成由第一輸出端至第一電阻之電流路徑，且該第二電晶體在第二輸出端的電壓與偵測節點的電壓差大於導通電壓時導通以形成由第二輸出端至第二電阻之電流路徑；當第一比較器的正輸入端電壓高於參考電壓時，該溫度補償電壓鉗制單元將第一比較器的正輸入端電壓鉗制於參考電壓。
  2. 如請求項1所述之零電流偵測電路，其中，改變該第一電阻、第二電阻的阻值實現偵測反向電流準位的改變。
  3. 如請求項1所述之零電流偵測電路，其中，該第一比較器包括負輸入端、正負輸入端及第一比較輸出端，該負輸入端與該第一輸出端相連，該正輸入端與該第二輸出端相連，該第一比較輸出端用於輸出指示訊號。
  4. 如請求項1所述之零電流偵測電路，其中，該第一、第二電晶體為NPN型電晶體，該第一電晶體的基極、集極均與該第一輸出端相連，該第一電晶體的射極經該第一電阻接地；該第二電晶體的基極、集極均與該第二輸出端相連，該第二電晶體的射極經該第二電阻與偵測節點相連。
  5. 如請求項1所述之零電流偵測電路，其中，該第一、第二電晶體為二極體，且二極體的陽極與該第一、第二輸出端連接，二極體的陰極與該第一、第二電阻連接。
  6. 如請求項1所述之零電流偵測電路，其中，該電壓鉗制單元包括第一NMOS電晶體、第二比較器及第三電晶體；該第一NMOS電晶體的汲極與該第二輸出端相連接，該第一NMOS電晶體的源極接地；該第二比較器包括正輸入端、負輸入端及第二比較輸出端；該第二比較器的正輸入端與第二輸出端相連接，該第二比較器的負輸入端與該第三輸出端相連，該第二比較輸出端與該第一NMOS電晶體的閘極電連接，該第三電晶體的基極及集極與該第三輸出端相連，該第三電晶體的射極經一第三電阻接地。
  7. 如請求項6所述之零電流偵測電路，其中，通過調整參考電壓電壓準位將該第一比較器正輸入端的輸入電壓限制於一預定範圍內；當該第一比較器負輸入端與正輸入端的差值越小時，該第一比較器的反應速度越快。
  8. 如請求項6所述之零電流偵測電路，其中，該參考電壓隨溫度變化自動調整，當該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位隨溫度升高而降低時，該參考電壓亦隨之降低；當該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位隨溫度降低而升高時，該參考電壓亦隨之升高，從而可避免由於溫度變化對第一比較器反應速度的影響。
  9. 一種直流轉換器，包括：一上橋開關連接一電壓源；一下橋開關耦合至該上橋開關與接地端之間，該上橋開關與該下橋開關 之間形成一偵測節點；一驅動器用於控制該上下、橋開關的導通與關斷；一電感器，耦合至偵測節點與電源輸出端之間；一零電流偵測電路耦合於該驅動器與該偵測節點之間，包括：一偏壓電流源；一電流鏡，包括輸入端、第一輸出端及第二輸出端，其中該輸入端耦合至該偏壓電流源；一第一電晶體，與該第一輸出端耦合並經第一電阻接地；一第二電晶體，與該第二輸出端耦合並經第二電阻與一偵測節點連接；一第一比較器包括正輸入端與負輸入端，該正輸入端耦合至該第二輸出端，該負輸入端耦合至該第一輸出端；溫度補償電壓鉗制單元，用於隨溫度變化將該第一比較器正輸入端與負輸入端的電壓準位之差控制一預定範圍內；其中，當該第一比較器正輸入端的電壓準位等於該第一比較器負輸入端的電壓準位時，該第一比較器輸出一預定訊號指示該偵測節點零電流的出現，該驅動器根據該預定訊號控制該下橋開關關斷；該第一電晶體在第一輸出端的電壓大於導通電壓時導通以形成由第一輸出端至第一電阻之電流路徑，且該第二電晶體在第二輸出端的電壓與偵測節點的電壓差大於導通電壓時導通以形成由第二輸出端至第二電阻之電流路徑；當第一比較器的正輸入端電壓高於參考電壓時，該溫度補償電壓鉗制單元將第一比較器的正輸入端電壓鉗制於參考電壓。
  10. 如請求項9所述之直流轉換器，其中，在第一時間段，該驅動器控制該上橋開關導通、該下橋開關關斷，該電感處於充電狀態，且經該輸出端為負載供電，該偵測節點處的電壓為正電壓，則該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位低於該正輸入端的電壓準位，該第一比較器的第一比較輸 出端輸出控制訊號至該驅動器，該驅動器不受該控制訊號影響正常控制該上橋開關導通、下橋開關關斷。
  11. 如請求項10所述之直流轉換器，其中，在第二時間段，該驅動器控制該上橋開關關斷、該下橋開關導通，該電感處於放電狀態經並經該輸出端為該負載供電，該偵測節點處電壓為負電壓，則該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位高於該正輸入端的電壓準位，該第一比較器的輸出端輸入第一控制訊號至該驅動器，該驅動器在該第一控制訊號下正常工作。
  12. 如請求項9所述之直流轉換器，其中，在第三時間段，該偵測節點出現零電流時，該第一比較器的正輸入端的輸入電壓準位等於該負輸入端的電壓準位，該第一比較器輸出第二控制訊號至該驅動器，該驅動器根據該第二控制訊號強制關斷該下橋開關以抑制反向電流。
  13. 如請求項9所述之直流轉換器，其中，該電壓鉗制單元包括第一NMOS電晶體、第二比較器及第三電晶體；該第一NMOS電晶體的汲極與該第二輸出端相連接，該第一NMOS電晶體的源極接地；該第二比較器包括正輸入端、負輸入端及第二比較輸出端；該第二比較器的正輸入端與第二輸出端相連接，該第二比較器的負輸入端與該第三輸出端相連，該第二比較輸出端與該第一NMOS電晶體的閘極電連接，該第三電晶體的基極及集極與該第三輸出端相連，該第三電晶體的射極經一第三電阻接地。
  14. 如請求項13所述之直流轉換器，其中，當直流轉換器由連續導通模式切換至非連續導通模式時，該第一比較器的正輸入端的電壓準位高於該參考電壓時，該第二比較器輸出一控制訊號使該第一NMOS電晶體導通，該第一比較器的正輸入端經導通的第一NMOS電晶體將第一比較器正輸入端鉗制在參考電壓準位，從而可通過調整參考電壓電壓準位將該第一比較器正輸入端的輸入電壓限制於一預定範圍內以加快該第一比較器的反應速度。
  15. 如請求項13所述之直流轉換器，其中，該參考電壓隨溫度變化自動調整，當該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位隨溫度升高而降低時，該參考電壓亦隨之降低；當該第一比較器負輸入端的輸入電壓準位隨溫度降低而升高時，該參考電壓亦隨之升高，從而可避免由於溫度變化對第一比較器反應速度的影響。
  16. 如請求項13所述之直流轉換器，其中，當直流轉換器工作於連續導通模式時，通過調整該參考電壓的電壓準位，使得該第一比較器正輸入端的電壓準位不會隨偵測節點電壓的變化而變化。
  17. 如請求項9所述之直流轉換器，其中，通過改變該第一電阻、第二電阻的阻值實現偵測反向電流準位的改變。
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