低功耗同步BUCK芯片的過零檢測電路*

楊俊成,李淑霞

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,河南 南陽 473000)

低功耗同步BUCK芯片的過零檢測電路*

楊俊成*,李淑霞

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,河南 南陽 473000)

在輕載模式下,傳統(tǒng)過零檢測電路會(huì)現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,為了獲得性能更優(yōu)的開關(guān)電源變換器,設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)異的低功耗同步BUCK芯片過零檢測電路。首先通過電壓門限采集和溫度補(bǔ)償提高放大電路的穩(wěn)定性,大幅度降低“電流倒灌”現(xiàn)象出現(xiàn)的概率,然后采用邊沿隱匿電路避免出現(xiàn)電路切換誤觸發(fā)操作,最后采用仿真實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行測試與分析。結(jié)果表明,當(dāng)溫度處于-40 ℃～120 ℃間時(shí),負(fù)閾值門限=0.1 mV,提高了系統(tǒng)的檢測精度,而且系統(tǒng)功耗非常低,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

輕載模式;BUCK芯片;檢測電路;溫度補(bǔ)償

為了提高開關(guān)電源的工作效率,本文設(shè)計(jì)了一種新型的BUCK芯片過零檢測電路,采用雙電壓門限方法與溫度補(bǔ)償方法確定是否提前關(guān)斷同步整流管,有效避免出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,最后進(jìn)行仿真測試驗(yàn)證,結(jié)果表明,該電路提高了BUCK轉(zhuǎn)換器的效率,功率損耗相當(dāng)?shù)?可以保證開關(guān)電源工作的穩(wěn)定性。

1 DCM工作模式和過零檢測

1.1 DCM工作模式

變換器在開關(guān)電源中發(fā)揮著重要作用,其中BUCK變換器的應(yīng)用最廣。BUCK變換器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[10]。為了克服傳統(tǒng)續(xù)流二極管的缺陷,BUCK變換器采用同步整流MOSFET作為續(xù)流管,提高了變換器的工作效率,在圖1中,M1和M2分別代表開關(guān)管和續(xù)流管,Driver表示帶有死區(qū)時(shí)間的脈寬調(diào)制方波,R,L,C分別代表電阻、電感和電容,在高電平條件下,M1通路,L產(chǎn)生充電操作,反之,不然M2通路,R產(chǎn)生放電操作[11]。

圖1 BUCK變換器的基本結(jié)構(gòu)

設(shè)M1和M2導(dǎo)通阻抗分別為Ron1和Ron2,如果M1導(dǎo)通,SW端電壓VSW1的計(jì)算公式為

VSM1=VIN-ILRON1

(1)

如果M2導(dǎo)通,SW端電壓VSW2的計(jì)算公式為

VSW2=0-ILRON2

(2)

如果導(dǎo)通阻抗Ron1和Ron2R固定不變,綜合式(1)和式(2)可以得到,電壓和電流之間是一種線性比例變化關(guān)系,那么就可以將端電壓作為采樣信號[12]。

圖2 兩種式模式的電流波形變化曲線

當(dāng)系統(tǒng)處于輕負(fù)載條件下,BUK變換器通常處于兩個(gè)工作模式下,即FCCM和DCM,兩者的電感電流波形變化如圖2所示,對圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),在FCMM工作模下,電感電流回歸到零,同時(shí)存在反向電流流通;在DCM工作模下,電感電流回歸到零后,不會(huì)發(fā)生電流反向現(xiàn)象,零電流會(huì)持續(xù)至周期完成。

在生態(tài)城市建設(shè)中，首要目標(biāo)是為人們提供良好的生活和旅游環(huán)境。相關(guān)部門要建設(shè)公共環(huán)境，有目的地策劃各區(qū)的旅游景點(diǎn)，讓大家能夠在休閑時(shí)光里充分放松，緩解平時(shí)工作和生活帶來的工作壓力，使大家保持愉悅的心情[1]。

1.2 過零檢測機(jī)制

開關(guān)電源BUCK變換器的過零檢測的工作機(jī)制如圖3所示。

圖3 過零檢測電路的框架

從圖3可知,過零檢測機(jī)制由3部分組成,它們分別為:

(1)使能電路。ZC_en和HS_dr分別表示電路使能信號和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號,當(dāng)HS_dr為高電平時(shí),過零檢測能電路的作用恰恰相反,ZC_en變?yōu)榈碗娖?那么此時(shí)就要關(guān)閉過零檢測使能電路;當(dāng)HS_dr為低電平時(shí),ZC_en變?yōu)榈碗娖?過零檢測能電路處于工作狀態(tài)。當(dāng)M1關(guān)閉、M2開啟條件下,該時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,此時(shí)過零檢測能電路起作用,大幅度降低系統(tǒng)功耗,從而提高系統(tǒng)性能[13]。

(2)邊沿隱匿電路,其用于防止低端持流管的導(dǎo)SW端電位擾動(dòng),出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象。

(3)電壓比較器,當(dāng)電感電流減小到0時(shí),Vsw也一樣減小到0,由于受到內(nèi)部邏輯延遲等因素的影響,Vsw=0,控制電路不能夠快速關(guān)閉同步續(xù)流管,會(huì)出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,在實(shí)際應(yīng)用中,一般采用一個(gè)小于0 V的SW電壓作為翻轉(zhuǎn)門限。如果SW的電位低于預(yù)先設(shè)置的翻轉(zhuǎn)門限時(shí),將關(guān)閉低端持流管,對輸出信號進(jìn)行保護(hù),防止出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象。

2 過零檢測電路的設(shè)計(jì)

BUCK變換器的過零檢測電路大致包括兩個(gè)模塊:電壓采集電路和電壓比較器電路,前者主要用于采樣Vsw與PGND的電壓,并將采樣結(jié)果傳輸給后者進(jìn)行處理;后者主要用于比較IN+和IN-的值,得到結(jié)果Vout,Driver根據(jù)Vout控制低端整流管的工作狀態(tài)。

2.1 電壓采集電路

電壓采集電路的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在圖4中,如果Ctr1為高電平、Ctr2為低電平的情況下,導(dǎo)通MN1,同時(shí)關(guān)閉MN2,VSW0≈VSW;如果Ctr1為低電平、Ctr2為高電平的情況下,關(guān)閉MN1,并且導(dǎo)通MN2,完成VSW雙門限采集,則有:

VSW0≈R2/(R1+R2)×VSW

(3)

圖4 電壓采集電路的基本結(jié)構(gòu)

2.2 電壓比較器電路

電壓比較器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示,該電路包括:NPN放大電路和NMOS放大電路,其中NPN放大電路用于控制帶寬與延時(shí);CMOS放大電路用于控制增益、整理波形;輸出級用于控制輸出電壓,使其變?yōu)槿珨[幅信號。

圖5 電壓比較器電路的基本結(jié)構(gòu)

相對于CMOS放大電路,BJT的優(yōu)勢十分明顯,不僅具有轉(zhuǎn)換速度快,同時(shí)具有好的帶寬,所以第2級選擇NPN放大電路。然而BJT放大電路對溫度十分敏感,當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),BJT放大電路的作用就比較明顯,可以采用正溫度系數(shù)電流來控制NPN的差分對增益。前2級電流源I1屬于正溫度系數(shù)的電流,后2級I2卻相反,I1的計(jì)算公式為

(4)

式中:K、N、R為常數(shù)。

跨導(dǎo)Gm的計(jì)算公式為

(5)

輸出增益的計(jì)算公式為

(6)

對式(6)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),輸出增益與溫度無關(guān),輸出級與第3級與溫度有一定的聯(lián)系。

3 結(jié)果與分析

為了分析本文設(shè)計(jì)BUCK芯片過零檢測電路的性能,采用HSPICE軟件進(jìn)行仿真測試,其參數(shù)如表1所示。

表1 仿真測試電路的參數(shù)

電壓比較器直流的測試結(jié)果如圖6所示,從圖6可以清楚看出,當(dāng)PGND=0時(shí),負(fù)閾值門限=-12 mV,相應(yīng)的調(diào)容差為0.1 mV,當(dāng)溫度處于-40 ℃～120 ℃之間時(shí),負(fù)閾值門限=0.1 mV,當(dāng)I1、I2為正、負(fù)溫度系數(shù)電流時(shí),Vg1溫度系數(shù)=0,Vg2變化容差大約為54 mV,系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定。

圖6 電壓比較器直流的測試結(jié)果

圖7 含過零檢測同步芯片的測試結(jié)果

圖8 不含過零檢測同步芯片的測試結(jié)果

含和不含過零檢測同步芯片的測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

對圖7和圖8進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)由于采用本文設(shè)計(jì)的BUCK芯片過零檢測電路,所有周期的電感電流都回至零,并且沒有發(fā)生“電流倒灌”現(xiàn)象,系統(tǒng)一直處于DCM的工作模式;如果系統(tǒng)沒有采用本文設(shè)計(jì)的BUCK芯片過零檢測電路,所有周期電感電流有可能出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,系統(tǒng)一直處于FCCM工作模式,如果負(fù)載比較輕,本文設(shè)計(jì)的BUCK芯片過零檢測電路會(huì)馬上關(guān)閉低端續(xù)流管,使功耗急劇下降,使系統(tǒng)性能表現(xiàn)優(yōu)異。

4 結(jié)束語

為了獲得性能更優(yōu)的開關(guān)電源變換器,設(shè)計(jì)了一種性能優(yōu)異的BUCK芯片過零檢測電路,首先采用新型的電壓門限采集技術(shù),并對溫度進(jìn)行補(bǔ)償保證放大電路的穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)“電流倒灌”現(xiàn)象,然后采用邊沿隱匿電路避免再現(xiàn)誤觸發(fā)操作,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溫度變化處于一定范圍內(nèi)時(shí),系統(tǒng)

可以得到較高的檢測精度,降低了系統(tǒng)的功耗,能夠保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

[1] Lee H,Ryu S R. An Efficiency-Enhanced DCM Buck Regulator with Improved Switching Timing of Power Transistors[J]. IEEE Transaction on Circuits and Systems Ⅱ Express Briefs,2010,57(3):238-242.

[2] 鄒一照,常昌遠(yuǎn),譚春玲. 一種DT-DC變換器的過流保護(hù)電路[J]. 電子器件,2006,29(2):354-356.

[3] 嚴(yán)爾梅,韋遠(yuǎn)武,虢韜,等. 一種適用于同步整流開關(guān)電源的過零檢測電路[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2013,10(8):47-49,53.

[4] 張乾,王衛(wèi)國. 新型同步整流驅(qū)動(dòng)方式在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù),2009,43(2):97-99.

[5] Jin Yanyan,Xu Jianping,Zhou Guohua. Constant on-Time Digital Peak Voltage Control for Buck Converter[J]. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,2010,22(7):89-94.

[6] 王輝,王松林,來新泉,等. 同步整流降壓型DC-DC過零檢測電路的設(shè)計(jì)[J]. 固體電子學(xué)研究與發(fā)展,2010,30(2):276-280.

[7] 謝海武,石躍,周澤坤,等. 一種適用于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的過零檢測電路[J]. 中國集成電路,2012,162(33):33-38.

[8] 孫毛毛,馮全源. 同步整流器電流控制比較器的研究與設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(9):295-297.

[9] 程曉潔,馮全源. 一種低功耗高可靠性的CMOS過流保護(hù)電路[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2006,23(11):52-54.

[10] 鄒雪城,王瀟,劉三清,等. 一款新穎飛適用于BUCK型芯片的反轉(zhuǎn)保護(hù)電路[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2007,35(10):163-165,192.

[11] 劉穎杰,馮全源. 用于Buck型電源芯片的電流檢測電路[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2009,5(4):76-78.

[12] 黃蘇平,馮全源. 一種新穎的同步BUCK芯片過零檢測電路的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2014,37(3):408-411.

[13] 朱寧莉,張威. 用于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的新穎過零檢測電路[J]. 微電子學(xué),2014,44(2):149-152.

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

項(xiàng)目來源:河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)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