低功耗同步BUCK芯片的過零檢測電路*

楊俊成,李淑霞

(河南工業職業技術學院電子信息工程系,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

(河南工業職業技術學院電子信息工程系,河南 南陽 473000)

在輕載模式下,傳統過零檢測電路會現“電流倒灌”現象,為了獲得性能更優的開關電源變換器,設計了一種性能優異的低功耗同步BUCK芯片過零檢測電路。首先通過電壓門限采集和溫度補償提高放大電路的穩定性,大幅度降低“電流倒灌”現象出現的概率,然后采用邊沿隱匿電路避免出現電路切換誤觸發操作,最后采用仿真實驗對其性能進行測試與分析。結果表明,當溫度處于-40 ℃～120 ℃間時,負閾值門限=0.1 mV,提高了系統的檢測精度,而且系統功耗非常低,具有較高的實際應用價值。

輕載模式;BUCK芯片;檢測電路;溫度補償

為了提高開關電源的工作效率,本文設計了一種新型的BUCK芯片過零檢測電路,采用雙電壓門限方法與溫度補償方法確定是否提前關斷同步整流管,有效避免出現“電流倒灌”現象,最后進行仿真測試驗證,結果表明,該電路提高了BUCK轉換器的效率,功率損耗相當低,可以保證開關電源工作的穩定性。

1 DCM工作模式和過零檢測

1.1 DCM工作模式

變換器在開關電源中發揮著重要作用,其中BUCK變換器的應用最廣。BUCK變換器基本結構如圖1所示[10]。為了克服傳統續流二極管的缺陷,BUCK變換器采用同步整流MOSFET作為續流管,提高了變換器的工作效率,在圖1中,M1和M2分別代表開關管和續流管,Driver表示帶有死區時間的脈寬調制方波,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產生充電操作,反之,不然M2通路,R產生放電操作[11]。

圖1 BUCK變換器的基本結構

設M1和M2導通阻抗分別為Ron1和Ron2,如果M1導通,SW端電壓VSW1的計算公式為

VSM1=VIN-ILRON1

(1)

如果M2導通,SW端電壓VSW2的計算公式為

VSW2=0-ILRON2

(2)

如果導通阻抗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

當系統處于輕負載條件下,BUK變換器通常處于兩個工作模式下,即FCCM和DCM,兩者的電感電流波形變化如圖2所示,對圖2進行分析可以發現,在FCMM工作模下,電感電流回歸到零,同時存在反向電流流通;在DCM工作模下,電感電流回歸到零后,不會發生電流反向現象,零電流會持續至周期完成。

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1.2 過零檢測機制

開關電源BUCK變換器的過零檢測的工作機制如圖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管驅動信號,當HS_dr為高電平時,過零檢測能電路的作用恰恰相反,ZC_en變為低電平,那么此時就要關閉過零檢測使能電路;當HS_dr為低電平時,ZC_en變為低電平,過零檢測能電路處于工作狀態。當M1關閉、M2開啟條件下,該時間內可能出現“電流倒灌”現象,此時過零檢測能電路起作用,大幅度降低系統功耗,從而提高系統性能[13]。

(2)邊沿隱匿電路,其用于防止低端持流管的導SW端電位擾動,出現誤觸發現象。

(3)電壓比較器,當電感電流減小到0時,Vsw也一樣減小到0,由于受到內部邏輯延遲等因素的影響,Vsw=0,控制電路不能夠快速關閉同步續流管,會出現“電流倒灌”現象,在實際應用中,一般采用一個小于0 V的SW電壓作為翻轉門限。如果SW的電位低于預先設置的翻轉門限時,將關閉低端持流管,對輸出信號進行保護,防止出現“電流倒灌”現象。

2 過零檢測電路的設計

BUCK變換器的過零檢測電路大致包括兩個模塊: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,并將采樣結果傳輸給后者進行處理;后者主要用于比較IN+和IN-的值,得到結果Vout,Driver根據Vout控制低端整流管的工作狀態。

2.1 電壓采集電路

電壓采集電路的基本結構如圖4所示。在圖4中,如果Ctr1為高電平、Ctr2為低電平的情況下,導通MN1,同時關閉MN2,VSW0≈VSW;如果Ctr1為低電平、Ctr2為高電平的情況下,關閉MN1,并且導通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構

2.2 電壓比較器電路

電壓比較器電路的基本結構如圖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;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,使其變為全擺幅信號。

圖5 電壓比較器電路的基本結構

相對于CMOS放大電路,BJT的優勢十分明顯,不僅具有轉換速度快,同時具有好的帶寬,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,當溫度發生變化時,BJT放大電路的作用就比較明顯,可以采用正溫度系數電流來控制NPN的差分對增益。前2級電流源I1屬于正溫度系數的電流,后2級I2卻相反,I1的計算公式為

(4)

式中:K、N、R為常數。

跨導Gm的計算公式為

(5)

輸出增益的計算公式為

(6)

對式(6)進行分析可以發現,輸出增益與溫度無關,輸出級與第3級與溫度有一定的聯系。

3 結果與分析

為了分析本文設計BUCK芯片過零檢測電路的性能,采用HSPICE軟件進行仿真測試,其參數如表1所示。

表1 仿真測試電路的參數

電壓比較器直流的測試結果如圖6所示,從圖6可以清楚看出,當PGND=0時,負閾值門限=-12 mV,相應的調容差為0.1 mV,當溫度處于-40 ℃～120 ℃之間時,負閾值門限=0.1 mV,當I1、I2為正、負溫度系數電流時,Vg1溫度系數=0,Vg2變化容差大約為54 mV,系統工作比較穩定。

圖6 電壓比較器直流的測試結果

圖7 含過零檢測同步芯片的測試結果

圖8 不含過零檢測同步芯片的測試結果

含和不含過零檢測同步芯片的測試結果分別如圖7和圖8所示。

對圖7和圖8進行分析可以發現,系統由于采用本文設計的BUCK芯片過零檢測電路,所有周期的電感電流都回至零,并且沒有發生“電流倒灌”現象,系統一直處于DCM的工作模式;如果系統沒有采用本文設計的BUCK芯片過零檢測電路,所有周期電感電流有可能出現“電流倒灌”現象,系統一直處于FCCM工作模式,如果負載比較輕,本文設計的BUCK芯片過零檢測電路會馬上關閉低端續流管,使功耗急劇下降,使系統性能表現優異。

4 結束語

為了獲得性能更優的開關電源變換器,設計了一種性能優異的BUCK芯片過零檢測電路,首先采用新型的電壓門限采集技術,并對溫度進行補償保證放大電路的穩定性,防止出現“電流倒灌”現象,然后采用邊沿隱匿電路避免再現誤觸發操作,仿真實驗結果表明,當溫度變化處于一定范圍內時,系統

可以得到較高的檢測精度,降低了系統的功耗,能夠保證系統工作的穩定性。

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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

項目來源:河南省科技攻關計劃項目(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