一種線性可調(diào)的死區(qū)產(chǎn)生電路

王科竣

摘要：提出了一種新型的可調(diào)死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路。該死區(qū)產(chǎn)生電路是通過(guò)改變電壓斜坡的斜率來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，并且對(duì)死區(qū)時(shí)間與控制電壓的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，提高了死區(qū)時(shí)間線性度和精度。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可調(diào)范圍廣、精度高，適用于各種半橋驅(qū)動(dòng)電路中。采用華虹0.5 μm的BCD工藝仿真驗(yàn)證了該電路，結(jié)果表明，當(dāng)外接電阻阻值為20 K～140 K范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的線性高精度可調(diào)，可調(diào)死區(qū)時(shí)間范圍為50 ns～250 ns。

關(guān)鍵詞：死區(qū)時(shí)間；延時(shí)電路；線性可調(diào)；高精度

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.017

O 引言

死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生功能廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)電路中，如在半橋電路[1]或同步整流變換器[2]中，為了防止電路中兩個(gè)功率MOS管同時(shí)導(dǎo)通燒毀，在高壓側(cè)（續(xù)流管）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和低壓側(cè)（主）驅(qū)動(dòng)信號(hào)有死區(qū)時(shí)間要求。此外在有源鉗位正激變換器中，為了實(shí)現(xiàn)ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要滿(mǎn)足一定的死區(qū)時(shí)間要求以使得功率功率MOS管的輸出電容和變壓器繞組的電感諧振[3]。死區(qū)時(shí)間在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可能并不相同，這與電路中要驅(qū)動(dòng)的功率管特性相關(guān)，需要根據(jù)情況調(diào)整。因此可調(diào)的死區(qū)時(shí)間可以擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電路的適用范圍。相對(duì)于文獻(xiàn)[4][5]傳統(tǒng)的死區(qū)產(chǎn)生電路，本文提出的可調(diào)的死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻產(chǎn)生固定的死區(qū)時(shí)間，具有更好的適用性。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本文提出的死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路是由Vinl的上升沿延時(shí)電路和Vin2的下降沿延時(shí)電路組成的。這兩種功能的切換由Vsel端控制。圖1中的DSC （delay stage C）為延時(shí)斜坡產(chǎn)生電路，CSA （controller stage A）和CSB（controller stage B）是曲率校正電路并且把死區(qū)時(shí)間由電壓控制（Vcl，Vc2）調(diào)整為電阻控制。當(dāng)Vsel為高電平時(shí)，M3c處于導(dǎo)通狀態(tài)，M4c處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)CSA和DSC左半部分的正常工作。相反，當(dāng)Vsel為低電平時(shí)，M3c處于關(guān)閉狀態(tài)，M4c處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)CSB和DSC右半部分的正常工作。

DSC產(chǎn)生的斜坡需要經(jīng)過(guò)比較器重新還原成矩形波。圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路只能產(chǎn)生矩形波單側(cè)死區(qū)時(shí)間，而完整的死區(qū)功能需要由兩個(gè)相同的如圖1所示的結(jié)構(gòu)組成。兩個(gè)死區(qū)產(chǎn)生電路的DSC中相同端口連在一起，輸入矩形波經(jīng)過(guò)反相器把原輸入信號(hào)和經(jīng)過(guò)反相的輸入信號(hào)分別輸入Vinl和Vin2端口，經(jīng)過(guò)處理的輸入矩形波就產(chǎn)生帶有死區(qū)時(shí)間的反相的驅(qū)動(dòng)型號(hào)。

以圖1中DSC斜坡產(chǎn)生電路左邊部分為例，圖1中DSC的Vinl和Vin2是輸入需要延時(shí)的矩形波信號(hào)，Vcl和Vc2是死區(qū)時(shí)間控制端，通過(guò)控制充放電電流來(lái)控制延時(shí)。由于晶體管Mlc的寬長(zhǎng)較大，所以當(dāng)Vinl下降沿時(shí)輸出電壓Vol幾乎瞬間上升到電源電壓VDD幾乎沒(méi)有延時(shí)，但放電電流受到Vcl控制，放電電流受限，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓斜坡。由于輸出點(diǎn)Vo的寄生電容是多個(gè)MOS管寄生電容的和，其值等于C^T=Cds1c+Cgdlc+Cds3c+Cgd3c+Cds4c+Cgd4c+Cds6c+Cgd6c，其中還包括比較器的輸入電容，但由于其電容值較低，因此忽略。而且由于晶體管Mlc、M3c、M4c、M6c的尺寸較大，因此其寄生電容的值也比較大，可調(diào)的死區(qū)時(shí)間范圍二百多納秒。當(dāng)Vsel為高電平左側(cè)部分正常工作時(shí)，Vcl控制寄生電容C_T的放電電流，產(chǎn)生電壓斜坡的斜坡在放電初始階段的斜率是固定的，其斜率為一（ ）（l為初始放電電流）。將該斜坡電壓與一個(gè)固定電壓相比較就產(chǎn)生使矩形波單側(cè)延時(shí)時(shí)間，如圖2所示。輸入矩形波Vinl的下降沿到輸出矩形波V02的下降沿之間的時(shí)間間隔就是延時(shí)時(shí)間Td，也就是死區(qū)時(shí)間。同理，斜坡產(chǎn)生電路右邊部分電路可以使下降沿延時(shí)，如圖3所示。

1.1 電路的性能分析

為了計(jì)算死區(qū)時(shí)間，即延時(shí)時(shí)間Td。本文以下降沿延時(shí)電路為例。設(shè)比較器的參考電壓為Vref，當(dāng)輸入矩形波Vinl下降沿時(shí)，寄生電容CT被迅速充電到電源電壓VDD，即Vol迅速上升到VDD，輸入矩形波Vinl下降沿與V02上升沿時(shí)間間隔太短可以忽略。當(dāng)輸入矩形波Vin1上升沿時(shí)，給奇生電谷CT冗電的Mlc晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，但是由于放電晶體管M5c受控制電壓Vcl控制打開(kāi)，寄生電容C上的電荷被緩慢釋放。

Q=C （VDD-V ref）=lTd （1）

其中，l為M5c的漏級(jí)放電電流，M5c的工作狀態(tài)隨著輸出電壓Vol的變化而變化。假設(shè)輸出電壓Vol的初始電壓為VDD，M5c的控制電壓為Vcl，此時(shí)M5c工作在飽和區(qū)，M5c開(kāi)始給寄生電容CT放電。若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，放電電流l為固定電流。當(dāng)輸出電壓Vol-Vds3c< Vcl-VT時(shí)，M5c進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)的放電電流并不是一個(gè)固定值，而是隨著輸出電壓Vol變化。但是在圖1的死區(qū)產(chǎn)生電路中延時(shí)電壓Td與比較器參考電壓相關(guān)，延時(shí)過(guò)程中M5c的工作狀態(tài)也與比較器的參考電壓相關(guān)。當(dāng)比較器參考電壓時(shí)Vref-Vds3c >Vcl-VT，那么寄生電容CT的放電電流是一個(gè)僅受控制電壓Vcl控制的值。當(dāng)Vref-Vds3cVcl-VT，那么M5c的放電電流只受Vcl控制，MOS管電流和電壓滿(mǎn)足平方律關(guān)系：

其中，μn為NMOS管的遷移率，C ox為NMOS管的柵氧化層電容，W為NMOS管的柵極寬度，L為NMOS管柵長(zhǎng)，VT為NMOS管閾值。

其中，K（）為常數(shù)，從上述公式可以看出，延時(shí)時(shí)間Td與控制電壓Vcl是負(fù)冪指數(shù)關(guān)系并不是線性關(guān)系。非線性關(guān)系會(huì)對(duì)死區(qū)時(shí)間控制產(chǎn)生負(fù)面影響，如在某些電壓范圍內(nèi)，死區(qū)時(shí)間隨控制電壓劇烈波動(dòng)，無(wú)法得到要求的參數(shù)。為了校正死區(qū)時(shí)間Td與控制電壓Vcl的非線性，圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路增加了CSA和CSB部分。以CSA為例，該部分電路由電阻Rla和MOS管Mla組成。此時(shí)的死區(qū)時(shí)間為：

其中，R'為二極管連接的Mla的輸出電阻。該電阻值并非定值，但是由于其值較小，波動(dòng)幅度小，可以視為定值。從式（4）可知，MOS管Mla和M5c組成的電流鏡結(jié)構(gòu)把控制端由電壓轉(zhuǎn)換成了電流，同時(shí)把死區(qū)時(shí)間Td與控制電壓Vcl的負(fù)二次冪關(guān)系轉(zhuǎn)換成了死區(qū)時(shí)間Td與控制電流的負(fù)一次冪關(guān)系。此時(shí)只要使Mla的電流l與某個(gè)量成反比例關(guān)系，就能把死區(qū)時(shí)間與該變量轉(zhuǎn)化成線性關(guān)系。而歐姆定律恰好滿(mǎn)足反比例關(guān)系，因此得到（4）。從（4）中可以知道死區(qū)時(shí)間Td與外接電阻Rla成線性關(guān)系，但是該曲線不經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，因此它有最小的死區(qū)時(shí)間為 （），即當(dāng)Rla為零的時(shí)候。當(dāng)Vsel為低電平時(shí)，下降沿延時(shí)電路和DSC正常工作，其結(jié)果類(lèi)似于上升沿延時(shí)電路。

2 仿真結(jié)果

基于0.5 μm的BCD工藝，對(duì)提出的死區(qū)產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)采用的供電電壓為5V，輸入的方波占空比為50%，工作頻率為500 kHz。為了比較電阻控制死區(qū)產(chǎn)生電路和電壓控制死區(qū)產(chǎn)生電路，對(duì)電壓控制的死區(qū)產(chǎn)生電路也進(jìn)行了仿真。這里比較器參考電壓為2.6 V。

通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，掃描不同控制電壓下，不同電阻下的死區(qū)時(shí)間分別得到死區(qū)時(shí)間Td隨控制電壓和電阻的關(guān)系曲線，同時(shí)還掃描在0 ℃、 25℃、 50℃下的特性曲線。圖4所示為不同溫度下的上升沿死區(qū)時(shí)間Td與控制的電壓Vcl的關(guān)系曲線，從圖4中可知，上升沿死區(qū)時(shí)間Td與控制的電壓Vcl的關(guān)系曲線正如公式（3）分析的那樣，死區(qū)時(shí)間Td與控制電壓Vcl是負(fù)二次冪關(guān)系，隨著Vcl的增加，死區(qū)時(shí)間的斜率絕對(duì)值逐漸減小。在控制電壓Vcl逐漸增大時(shí)，延時(shí)時(shí)間Td逐漸減小，因?yàn)殡S著控制電壓Vcl增大，寄生電容CT的放電電流增大，電壓下降更快，延時(shí)時(shí)間Td減小。此外，溫度對(duì)延時(shí)時(shí)間Td有影響，隨著溫度的升高，延時(shí)時(shí)間Td減小。而且，在放電電流較小時(shí)溫度對(duì)放電電流會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間的精確度下降。圖5是不同溫度下的上升沿延時(shí)時(shí)間Td與電阻Rla的關(guān)系曲線，與圖4相比，上升沿死區(qū)時(shí)間Td與外接電阻是呈線性變化的，25 0C條件上升沿延時(shí)時(shí)間Td與電阻Rla的關(guān)系式為T(mén)d=1.8Rla+6，死區(qū)時(shí)間Td在0～50 0C相對(duì)誤差3%以?xún)?nèi)。而且從圖5中可知，三條溫度曲線重合程度非常高，這可以說(shuō)明溫度對(duì)死區(qū)時(shí)間的影響較小。

同理，當(dāng)Vsel輸入低電平時(shí)，下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路正常工作。下降沿延時(shí)時(shí)間Td與控制電壓Vc2和外接電阻Rlb的關(guān)系如圖6和圖7所示。下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路的工作原理與上升沿死區(qū)產(chǎn)生電路類(lèi)似，但是下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路相對(duì)于上升沿死區(qū)產(chǎn)生電路對(duì)溫度更敏感，這可能是由于NMOS管對(duì)溫度更敏感造成的。25℃條件下延時(shí)時(shí)間Td與電阻Rlb的關(guān)系式為T(mén)d=1.8Rl b+l，延時(shí)時(shí)間Td在0 -500C相對(duì)誤差在6%以?xún)?nèi)。相對(duì)于上升沿延時(shí)，下降沿延時(shí)精確度更低一些。

相較與典型的死區(qū)產(chǎn)生電路[5]，本文提出的死區(qū)產(chǎn)生電路改變死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生方式，電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、緊湊，而且死區(qū)產(chǎn)生電路包含了典型死區(qū)產(chǎn)生電路中的驅(qū)動(dòng)電路。此外，把原本固定不可調(diào)死區(qū)產(chǎn)生電路調(diào)整為死區(qū)時(shí)間線性可調(diào)，極大地增強(qiáng)了電路的性能。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的線性可調(diào)死區(qū)電路，該電路通過(guò)改變電壓斜坡的斜率來(lái)來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的固定死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，通過(guò)修正電壓對(duì)死區(qū)時(shí)間的非線性，最終獲得了高精度線性可調(diào)的死區(qū)時(shí)間，相比典型的死區(qū)產(chǎn)生電路具有更廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Romain Grezaud，F(xiàn)rancois Ayel ， Nicolas Rouger，et al. A Gate Driver With Integrated Dead-time Controller[J]. IEEE TRANSSACTIONS ON POWER ELECERONICS， VOL. 31， NO. 12，DECEMBER 2016， pp.8409-8421.

[2] Vahid Yousefzadeh， Dragan Maksimovic . Sensorless optimization of dead times in DC-DC convertors With synchronous rectifiers， IEEE Trans Power Electron.， v01.21， no. 4，pp.994-1002，Jul. 2006.

[3]劉飛云.有源鉗正激變換器的研究[Dl.武漢科技大學(xué)，2004.

[4] CHRISTOPHE P. BASSO， SWITCH-MODE POWER SUPPLIES [M]. MCGRAWHILLPRESS， 2008.

[5] SeongWha Hong， Hong-Jin Kim and Kang-Yoon Lee， et al. A Novel Dead-time GenerationMethod of Clock generator for Resonant Power Transfer System [C] // SOC Design Conference（ISOCC）， 2010 International， South Korea. 2010： 51-54.