《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于同步整流開關(guān)電源的過零檢測電路
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
嚴爾梅1,，韋遠武1，虢 韜1,，楊 軍2
1.貴州電網(wǎng)公司輸電運行檢修分公司，貴州 貴陽550002,； 2.成都厚明科技有限公司,，四川 成都610051
摘要： 提出了一種適用于同步整流模式開關(guān)電源的過零檢測電路。該電路通過將同步整流管的漏端電壓信號轉(zhuǎn)化成電流信號,，并將該電流與偏置電流進行比較,，從而確定同步整流管續(xù)流過程中電流是否為零。由于使用與整流管同類型的晶體管做線性化電阻進行電壓到電流的轉(zhuǎn)化,，從而消除了傳統(tǒng)過零檢測電路中整流管電阻隨溫度和工藝變化對過零檢測精度的影響,。基于0.6 μm CD工藝,，對所設(shè)計電路進行了仿真驗證,。仿真結(jié)果表明，該電路在給定的工藝和溫度波動范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的過零檢測,，具有較強的魯棒性,，并且該電路功耗僅為6 μA。
中文分類號： TN431
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)08-0047-03
Design of a zero-detect circuit for synchronous rectification mode switching power supply
Yan Ermei1,，Wei Yuanwu1,，Guo Tao1，Yang Jun2
1.Transmission and Maintenance Branch of Guizhou Power Grid, Guiyang 550002,，China,； 2.Chengdu Houming Technology, Chengdu 610051,，China
Abstract： A kind of zero-detect circuit applicable to synchronous rectifier mode switching power supply is proposed in this paper. This circuit converts the drain-source voltage of low-side power transistor to current signal, and then conforms whether or not the current of low-side power transistor is zero through comparing the current signal and the bias current. Due to the use of the same type transistor with low-side power transistor as a linearization resistor, the drawbacks of the variations of power transistor′s on-resistance with process and temperature can be eliminated. The zero-detect circuit is simulated with a standard 0.6 μm CD process. The results indicate that the circuit can realize accurate zero crossing detection within process corners and temperature range, and the consumption of the circuit is only 6 μA.
Key words : zero detection；synchronous rectification,；switching power supply

    隨著便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展,，開關(guān)電源逐步向高效、低功耗等方向發(fā)展,，控制模式方面也出現(xiàn)了許多創(chuàng)新,，同步整流控制模式以更低的導(dǎo)通損耗而得到廣泛的應(yīng)用。

    本文基于同步整流控制模式的BUCK變換器,，設(shè)計了一種適用于同步整流模式開關(guān)電源的過零檢測電路,。對于同步整流的DC-DC變換器而言，當驅(qū)動較重的負載并工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時,，由于同步整流管的低導(dǎo)通阻抗,，使得在續(xù)流過程中導(dǎo)通損耗降低，從而使變換器的效率大幅度提高,。但處于輕載模式時,，如果沒有過零檢測電路，在同步整流管續(xù)流過程中,，當電感電流降為零時,，同步整流管不會被關(guān)斷，這時必然導(dǎo)致輸出電容上的電荷從電感與同步整流管流向地,，電流發(fā)生倒灌,，從而影響系統(tǒng)的整體性能指標，導(dǎo)致整個電路的效率降低,。并且上述倒灌電流在下一周期會對供電電源造成沖擊,，影響整體系統(tǒng)的可靠性。過零檢測電路的功能在于,，變換器工作于輕載模式時,，過零檢測電路檢測同步整流管的電流變化，在同步整流管續(xù)流電流為零時,，過零檢測電路輸出相應(yīng)的控制邏輯,，關(guān)斷同步整流管，使得變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下,，以此來提高開關(guān)電源在輕載下的工作效率和可靠性[1-2],。
1 過零檢測電路的必要性
    在BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，根據(jù)整流方式的不同,，可分為同步整流模式和異步整流模式,。對于異步整流模式BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器，由于采用二極管進行續(xù)流,，會產(chǎn)生較大的導(dǎo)通損耗,，降低系統(tǒng)的效率,。而同步整流模式在續(xù)流過程中，同步整流管工作于深線性區(qū),，導(dǎo)通損耗極低,，所以能夠極大地提高系統(tǒng)效率。但當工作于輕載狀態(tài)時,，如果同步整流管續(xù)流電流為零時不能被及時關(guān)閉,，則系統(tǒng)效率會極大地降低，而且可能會使系統(tǒng)受損,。因此,，針對同步整流BUCK轉(zhuǎn)換器，設(shè)計一款高精度,、低功耗的過零檢測電路是非常有必要的,。
    以圖1所示BUCK型轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)對過零檢測電路的工作原理進行敘述。其中M1為主開關(guān)功率管,，M2為同步整流管,，L1為電感, Cout為輸出電容, Rload為負載電阻。正常工作時,，M1和M2的柵極電壓相位相反,。當M1開啟時，M2關(guān)閉,；M1關(guān)閉時,，M2開啟進行續(xù)流，從而解決了傳統(tǒng)異步整流中導(dǎo)通損耗大的問題,。當負載電流較大時,，電感電流整個周期內(nèi)都不會為零,，因此M1和M2交替開啟和關(guān)閉,，不會存在問題。但當負載電流較小時,，M1開啟一段時間后關(guān)閉,，M2隨后開啟進行續(xù)流，由于負載電流較小,，電感電流會逐漸減小為零,，此時如果不能及時關(guān)斷同步整流管M2，輸出電容Cout將通過電感L1和M2進行到地的放電,，造成不必要的功耗,，所以此時必須使用過零檢測電路將M2關(guān)閉，提高系統(tǒng)性能和可靠性[3],。

    為了降低導(dǎo)通損耗,，一般RON1,、RON2兩電阻設(shè)計得非常小，只有幾十到幾百毫歐姆,，因此SW端電壓最高可達近似VIN電壓,，而一般BUCK轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍較寬，最高可達幾十伏特,，因此在設(shè)計過程中必須考慮過零檢測電路的高壓保護功能,，防止對檢測電路中的器件造成損壞。
    另外,，由于變換器內(nèi)部的邏輯延遲,、線延遲和一些寄生參數(shù)的影響，在檢測電感電流時,，過零檢測電路并不是在電感續(xù)流電流恰好為零時才產(chǎn)生將同步整流管關(guān)閉的信號,，而是在電感電流稍大于零時即產(chǎn)生將同步整流管關(guān)閉的信號，這樣通過一定延遲后,，能夠在電感電流為零時關(guān)閉同步整流管,，從而提高了效率，并且不會出現(xiàn)電流倒灌的現(xiàn)象[4],。例如本電路所應(yīng)用的BUCK轉(zhuǎn)換器在檢測到電感續(xù)流電流為50 mA左右時發(fā)出關(guān)閉同步整流管的信號,。而過零檢測電路是通過采樣SW端電壓進行檢測續(xù)流電流，因此同步整流管的等效電阻對檢測精度有較大的影響,，RON1,、RON2電阻值可以寫成下面形式：

 


    (1)過零檢測狀態(tài)：當上端功率管M1關(guān)閉時，同步整流管M2開啟,，此時VC2為高電平,，VC1為低電平，過零檢測電路的等效電路如圖3所示,，其中RON_NLD1,、RON_NLD2分別為NLD1管和NLD2管的導(dǎo)通阻抗。當SW電壓高于某一值時,，MP5電流將大于MN7電流,，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。設(shè)流過MN3的電流為I1,，則由KVL定理可分別得到MN1,、MN2的柵極電壓VGMN1、VGMN2,。

   
    從式(7)可以看出,，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)時電感電流IL不再與工藝和溫度有關(guān)，只與NLD1、NLD2,、M2管的寬長比以及偏置電流有關(guān),，而在該系統(tǒng)中偏置電流被設(shè)計為一個幾乎不隨溫度變化的量，因此該過零檢測電路具有非常高的精度與穩(wěn)定性,。
    (2)高壓保護狀態(tài)：整流管M2關(guān)閉,、主開關(guān)功率管M1開啟時，SW端電壓近似等于電源電壓VIN,。為了保護過零檢測電路,，此時VC1為高電平，VC2為低電平,，等效電路如圖4所示,，其中D_NLD2為NLD2管的寄生體二極管。由于該二極管的存在,，實現(xiàn)了SW端的高電壓與過零檢測電路低壓管的隔離,，從而保護了內(nèi)部器件不會受到損壞；并且M6管的開啟使MN2的源端電位低于MN1的源端電位,，因此流過MN3的電流為0,，過零檢測電路的輸出不會發(fā)生誤動作。

3 仿真結(jié)果及其分析
    本文采用0.6 μm CD工藝,，使用Hspice對圖2所示電路進行了仿真驗證,，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示,。
  

    圖6是在VDD=5 V,、VC2為高電平、VC1為低電平,、室溫25 ℃下,，對同步整流功率管的漏電流在不同工藝角的一個DC掃描。由圖可知,，在不同工藝角下,，Vout在同步整流功率管電流約為50 mA時發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。由表2可以看出,，不同工藝角下電流翻轉(zhuǎn)點只有1.21 mA的差異,，而相對偏離誤差最大為1.26%,，由此也證明了所設(shè)計電路檢測電流時隨工藝偏差極小,。
    本文設(shè)計了一種適用于同步整流模式開關(guān)電源的高精度、低功耗過零檢測電路,。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,，該過零檢測電路結(jié)構(gòu)簡單且精度高，而且由于該架構(gòu)只使用了少量的MOS，極大地節(jié)省了版圖面積,。此外,，該過零檢測電路的特性受工藝和溫度的影響極小。
參考文獻
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[2] 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[J].固體電子學(xué)進展,，2010，30(2)：276-280.
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[4] 陳海.現(xiàn)代集成DC-DC變換器的高效率控制技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2009.
[5] 唐圣蘭.一種高效率同步整流升壓DC-DC變換器設(shè)計研究[D].成都：電子科技大學(xué),，2007．

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