文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.033
中文引用格式: 周朝阳,冯全源. 一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路设计[J].电子技术应用,2015,41(11):118-120,131.
英文引用格式: Zhou Chaoyang,Feng Quanyuan. Design of a zero-crossing detection circuit for low-power synchronous BUCK converter[J].Application of Electronic Technique,2015,41(11):118-120,131.
0 引言
近年来,同步BUCK型开关电源因高效率、低功耗的优势被广泛用作各种电子设备的电源,其采用同步整流MOSFET代替传统的续流二极管,是目前比较常用的一类开关电源拓扑。同步BUCK变换器在满负载情况时工作于连续电流模式(CCM);但在轻负载情况下,当负载电流降低至低于电感电流时,会出现电感电流倒灌现象,此时变换器需要工作在非连续电流模式(DCM)下以降低损耗。通常,同步变换器实现DCM模式是比较困难的,尤其是在高频应用中,这时往往需要一个高速、高精度的电感电流过零检测电路[1-3],在轻载时能及时关断同步续流管,降低变换器轻载模式下功耗。
本文提出了一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路,采用双电压门限技术及门限温度补偿电路,有效限制了电感电流的倒灌。详细介绍了同步BUCK变换器DCM工作模式及过零检测机制,通过仿真验证了该过零检测电路工作性能良好。
1 同步BUCK变换器DCM工作模式及过零检测机制
1.1 同步BUCK变换器DCM工作模式
同步BUCK型变换器的拓扑结构如图1所示,其采用同步整流MOSFET代替传统异步变换器的续流二极管,从而极大提高电源转换效率。其中,M1为高端开关管,M2为同步整流MOSFET,Driver信号是带有死区时间控制的脉宽调制方波,驱动M1及M2的导通和关断。L为储能电感,R为负载电阻,C为输出端电容。当Driver驱动信号为高电平时开关管M1导通,输入电压对电感L充电;当Driver信号为低电平时续流管M2导通,电感放电到负载R。
假设图1中的开关管M1、续流管M2的导通阻抗分别为RON1、RON2,则在开关管M1导通时SW端的电压VSW1可表示为:
VSW1=VIN-IL·RON1(1)
同步续流管M2导通时SW端的电压:
VSW2=0-IL·RON2(2)
假设RON1、RON2为定值,根据式(1)、式(2)可知,SW端的电压变化量与电感电流的变化量成线性比例关系,因此可以利用SW端电压作为电感电流的采样信号[4,5]。
轻载情况下,同步BUCK变换器通常工作于两种模式:强迫连续导通模式(FCCM)或非连续导通模式(DCM),图2(a)、图2(b)所示分别为FCCM和DCM模式下的电感电流波形。可以看出,FCCM模式中每个周期电感电流都回到零并有反向电流流通时间,而DCM模式下电流回到零后没有反向电流流过,保持零电流至周期结束。
1.2 同步BUCK变换器过零检测机制
图3所示为本文提出的同步BUCK变换器过零检测电路原理图。文中的过零检测电路包括三部分:过零检测使能电路、边沿隐匿电路和负阈值电压比较器。过零检测电路使能信号如图3中ZC_en信号所示,当变换器高端开关管驱动信号HS_dr为高电平,通过使能电路反相作用,使能信号ZC_en为低电平,整个过零检测电路关断;当HS_dr为低电平,ZC_en拉高,从而使能过零检测电路开始工作。通过该使能电路,只有在高端管关闭,低端续流管开启阶段,电感电流可能会出现倒灌现象时,过零检测电路才启动工作,从而极大降低了系统的功耗[6]。边沿隐匿电路如图3中虚线框中所示,能有效屏蔽低端续流管导通瞬间SW端电位扰动对过零检测电路造成的误触发。负阈值电压比较器如图3中ZC比较器所示,由1.1中分析可知,电感电流降低到零时,VSW也降为零,但由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和一些寄生参数的影响,致使VSW=0时,控制电路不能及时关断同步续流管,仍会导致电感电流的倒灌。因此实际应用中,通常选取略低于0 V的SW电压作为过零比较器的翻转门限。负电压阈值比较器检测SW端电压,一旦SW电位达到负电压阈值,比较器输出保护信号,系统将关断低端续流管,防止电感电流倒灌[7]。
2 过零检测电路的设计
过零检测电路主要包含两部分:双门限电压采集电路和负阈值电压比较器电路,分别如图4、图5所示。双门限电压采集电路实现对VSW和PGND的电压采样,采样结果提供负阈值电压比较器进行比较;负阈值电压比较器比较IN+与IN-,比较结果VOUT通过Driver模块控制低端整流管的导通或关断。
2.1 双门限电压采集电路
图4所示为双门限电压采集电路,当Ctr1电平为高、Ctr2为低时,MN1导通,MN2截止,VSW0≈VSW;当Ctr1电平为低、Ctr2为高时,MN1截止,MN2导通,VSW0≈R2/(R1+R2)×VSW,从而实现对VSW双门限采集。
2.2 负阈值电压比较器电路
图5所示为负阈值电压比较器实际电路,比较器采用两级放大电路,分别为第二级NPN放大电路和第三级NMOS放大电路,其中第二级为电阻负载的NPN放大电路,以保证宽带宽和低延时;第三级为CMOS放大电路,以提高增益,同时对波形进行整形;最后一级为输出级,将比较输出电压转化成全摆幅信号。第一级采用PNP跟随电路,将两个输入信号抬高以达到第二级NPN放大电路的共模输入电平下限值。
BJT放大电路与CMOS电路相比转换速度更快,也具有更好的带宽,因此第二级采用NPN放大电路。但BJT在集电极电流相对稳定时受温度变化影响较大,故需要正温度系数电流,以稳定NPN差分对的增益[8]。前两级电流源I1为带隙基准源提供的正温度系数电流,后两级电流源I2为负温度系数电流,以降低增益和延时的温度特性。
图5中电流源I1可以表示为(其中K、N、R均为常值):
由式(5)可以看出,NPN放大级的增益和温度无关,但第三级和输出级是CMOS电路,受温度影响较小。
3 仿真结果及分析
将上述过零检测电路应用于一款同步BUCK电源芯片中,基于0.25 ?滋m BCD工艺设计,利用HSPICE进行仿真。输入电压4.5 V~18 V,开关频率700 kHz,储能电感1.5 ?滋H,输出电容44 ?滋F,RON1=100 m,RON2=70 m。
图6所示为负阈值电压比较器直流仿真结果。当PGND设置为0时,比较器的负阈值门限约为-12 mV,其阈值门限失调容差约为0.1 mV。当温度从-40 ℃变化到120 ℃时,其负阈值门限容差约为0.2 mV,阈值电压容差极小。温度仿真结果显示,当图5中所示I1、I2分别为正温度系数和负温度系数电流源时,MP4的栅极电压Vg1温度系数接近于零,MP5的栅极电压Vg2变化容差约为54 mV,比较器性能稳定。
图7和图8所示分别为一款同步BUCK电源芯片加载和去除论文中过零检测电路后轻载时仿真结果。可以看出:当系统中加载了过零检测电路时,电感电流每个开关周期都要回到零,且保持零直到周期结束,开始另一个充放电周期,没有反向电流出现,故系统工作于DCM模式;当系统中没有过零检测电路时,电感电流每个开关周期都有一段反向电流,故系统工作于FCCM模式。论文提出的过零检测电路能在系统轻载时及时关断低端续流管,极大降低了功耗,达到设计要求。
4 结论
本文设计了一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路,该电路采用两个不同电压门限采集技术,并对门限进行温度补偿,有效限制了电感电流的倒灌;同时设计了边沿隐匿电路,避免电路切换时引起的误触发。该过零检测电路已应用于一款同步BUCK电源芯片中,基于0.25 ?滋m BCD工艺进行设计及仿真验证,当系统温度在-40~120 ℃变化时,负阈值电压门限容差为0.2 mV,实现高精度的过零检测,且静态功耗极低。
参考文献
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