低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路*

杨俊成,李淑霞

(河南工业职业技术学院电子信息工程系,河南 南阳 473000)

低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路*

杨俊成*,李淑霞

(河南工业职业技术学院电子信息工程系,河南 南阳 473000)

在轻载模式下,传统过零检测电路会现“电流倒灌”现象,为了获得性能更优的开关电源变换器,设计了一种性能优异的低功耗同步BUCK芯片过零检测电路。首先通过电压门限采集和温度补偿提高放大电路的稳定性,大幅度降低“电流倒灌”现象出现的概率,然后采用边沿隐匿电路避免出现电路切换误触发操作,最后采用仿真实验对其性能进行测试与分析。结果表明,当温度处于-40 ℃～120 ℃间时,负阈值门限=0.1 mV,提高了系统的检测精度,而且系统功耗非常低,具有较高的实际应用价值。

轻载模式;BUCK芯片;检测电路;温度补偿

为了提高开关电源的工作效率,本文设计了一种新型的BUCK芯片过零检测电路,采用双电压门限方法与温度补偿方法确定是否提前关断同步整流管,有效避免出现“电流倒灌”现象,最后进行仿真测试验证,结果表明,该电路提高了BUCK转换器的效率,功率损耗相当低,可以保证开关电源工作的稳定性。

1 DCM工作模式和过零检测

1.1 DCM工作模式

变换器在开关电源中发挥着重要作用,其中BUCK变换器的应用最广。BUCK变换器基本结构如图1所示[10]。为了克服传统续流二极管的缺陷,BUCK变换器采用同步整流MOSFET作为续流管,提高了变换器的工作效率,在图1中,M1和M2分别代表开关管和续流管,Driver表示带有死区时间的脉宽调制方波,R,L,C分别代表电阻、电感和电容,在高电平条件下,M1通路,L产生充电操作,反之,不然M2通路,R产生放电操作[11]。

图1 BUCK变换器的基本结构

设M1和M2导通阻抗分别为Ron1和Ron2,如果M1导通,SW端电压VSW1的计算公式为

VSM1=VIN-ILRON1

(1)

如果M2导通,SW端电压VSW2的计算公式为

VSW2=0-ILRON2

(2)

如果导通阻抗Ron1和Ron2R固定不变,综合式(1)和式(2)可以得到,电压和电流之间是一种线性比例变化关系,那么就可以将端电压作为采样信号[12]。

图2 两种式模式的电流波形变化曲线

当系统处于轻负载条件下,BUK变换器通常处于两个工作模式下,即FCCM和DCM,两者的电感电流波形变化如图2所示,对图2进行分析可以发现,在FCMM工作模下,电感电流回归到零,同时存在反向电流流通;在DCM工作模下,电感电流回归到零后,不会发生电流反向现象,零电流会持续至周期完成。

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1.2 过零检测机制

开关电源BUCK变换器的过零检测的工作机制如图3所示。

图3 过零检测电路的框架

从图3可知,过零检测机制由3部分组成,它们分别为:

(1)使能电路。ZC_en和HS_dr分别表示电路使能信号和开关管驱动信号,当HS_dr为高电平时,过零检测能电路的作用恰恰相反,ZC_en变为低电平,那么此时就要关闭过零检测使能电路;当HS_dr为低电平时,ZC_en变为低电平,过零检测能电路处于工作状态。当M1关闭、M2开启条件下,该时间内可能出现“电流倒灌”现象,此时过零检测能电路起作用,大幅度降低系统功耗,从而提高系统性能[13]。

(2)边沿隐匿电路,其用于防止低端持流管的导SW端电位扰动,出现误触发现象。

(3)电压比较器,当电感电流减小到0时,Vsw也一样减小到0,由于受到内部逻辑延迟等因素的影响,Vsw=0,控制电路不能够快速关闭同步续流管,会出现“电流倒灌”现象,在实际应用中,一般采用一个小于0 V的SW电压作为翻转门限。如果SW的电位低于预先设置的翻转门限时,将关闭低端持流管,对输出信号进行保护,防止出现“电流倒灌”现象。

2 过零检测电路的设计

BUCK变换器的过零检测电路大致包括两个模块:电压采集电路和电压比较器电路,前者主要用于采样Vsw与PGND的电压,并将采样结果传输给后者进行处理;后者主要用于比较IN+和IN-的值,得到结果Vout,Driver根据Vout控制低端整流管的工作状态。

2.1 电压采集电路

电压采集电路的基本结构如图4所示。在图4中,如果Ctr1为高电平、Ctr2为低电平的情况下,导通MN1,同时关闭MN2,VSW0≈VSW;如果Ctr1为低电平、Ctr2为高电平的情况下,关闭MN1,并且导通MN2,完成VSW双门限采集,则有:

VSW0≈R2/(R1+R2)×VSW

(3)

图4 电压采集电路的基本结构

2.2 电压比较器电路

电压比较器电路的基本结构如图5所示,该电路包括:NPN放大电路和NMOS放大电路,其中NPN放大电路用于控制带宽与延时;CMOS放大电路用于控制增益、整理波形;输出级用于控制输出电压,使其变为全摆幅信号。

图5 电压比较器电路的基本结构

相对于CMOS放大电路,BJT的优势十分明显,不仅具有转换速度快,同时具有好的带宽,所以第2级选择NPN放大电路。然而BJT放大电路对温度十分敏感,当温度发生变化时,BJT放大电路的作用就比较明显,可以采用正温度系数电流来控制NPN的差分对增益。前2级电流源I1属于正温度系数的电流,后2级I2却相反,I1的计算公式为

(4)

式中:K、N、R为常数。

跨导Gm的计算公式为

(5)

输出增益的计算公式为

(6)

对式(6)进行分析可以发现,输出增益与温度无关,输出级与第3级与温度有一定的联系。

3 结果与分析

为了分析本文设计BUCK芯片过零检测电路的性能,采用HSPICE软件进行仿真测试,其参数如表1所示。

表1 仿真测试电路的参数

电压比较器直流的测试结果如图6所示,从图6可以清楚看出,当PGND=0时,负阈值门限=-12 mV,相应的调容差为0.1 mV,当温度处于-40 ℃～120 ℃之间时,负阈值门限=0.1 mV,当I1、I2为正、负温度系数电流时,Vg1温度系数=0,Vg2变化容差大约为54 mV,系统工作比较稳定。

图6 电压比较器直流的测试结果

图7 含过零检测同步芯片的测试结果

图8 不含过零检测同步芯片的测试结果

含和不含过零检测同步芯片的测试结果分别如图7和图8所示。

对图7和图8进行分析可以发现,系统由于采用本文设计的BUCK芯片过零检测电路,所有周期的电感电流都回至零,并且没有发生“电流倒灌”现象,系统一直处于DCM的工作模式;如果系统没有采用本文设计的BUCK芯片过零检测电路,所有周期电感电流有可能出现“电流倒灌”现象,系统一直处于FCCM工作模式,如果负载比较轻,本文设计的BUCK芯片过零检测电路会马上关闭低端续流管,使功耗急剧下降,使系统性能表现优异。

4 结束语

为了获得性能更优的开关电源变换器,设计了一种性能优异的BUCK芯片过零检测电路,首先采用新型的电压门限采集技术,并对温度进行补偿保证放大电路的稳定性,防止出现“电流倒灌”现象,然后采用边沿隐匿电路避免再现误触发操作,仿真实验结果表明,当温度变化处于一定范围内时,系统

可以得到较高的检测精度,降低了系统的功耗,能够保证系统工作的稳定性。

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A Zero-Crossing Detection Circuit for BUCK Chip*

YANGJuncheng*,LIShuxia

(Department of Electronics and Information Engineering,Henan Polytechnic Institute,Nanyang He’nan 473000,China)

Under the light load mode,traditional zero crossing detection circuit will produce“current backflow”phenomenon,in order to obtain better performance of switching power supply converter,a zero crossing detection circuit of low power synchronous buck chip is design. Firstly,threshold voltage acquisition and temperature compensation are used to improve amplification circuit stability,and greatly reduce probability of“current backflow”phenomenon,and secondly,edge occult circuit is used to avoid false triggering operation of switching circuit,lastly,the simulation experiments is carried out to test and analyze the performance. The results show that when the temperature is set between -40 ℃～120 ℃,the negative threshold is 0.1 mV,the proposed zero crossing detection circuit can improve the detection accuracy of system,and the system power consumption is very low,it has high practical value.

light load mode;BUCK chip;detection circuit;temperature compensation

项目来源:河南省科技攻关计划项目(142102210557)

2016-02-25 修改日期:2016-05-01

C:7210

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.021

TP212

A

1005-9490(2017)02-0366-04