《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于同步整流開(kāi)關(guān)電源的過(guò)零檢測(cè)電路
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第8期
嚴(yán)爾梅1，韋遠(yuǎn)武1，虢 韜1，楊 軍2
1.貴州電網(wǎng)公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴州 貴陽(yáng)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(kāi)關(guān)電源的過(guò)零檢測(cè)電路。該電路通過(guò)將同步整流管的漏端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，并將該電流與偏置電流進(jìn)行比較，從而確定同步整流管續(xù)流過(guò)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(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)化，從而消除了傳統(tǒng)過(guò)零檢測(cè)電路中整流管電阻隨溫度和工藝變化對(duì)過(guò)零檢測(cè)精度的影響。基于0.6 μm CD工藝，對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該電路在給定的工藝和溫度波動(dòng)范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的過(guò)零檢測(cè)，具有較強(qiáng)的魯棒性，并且該電路功耗僅為6 μA。
中文分類號(hào)： TN431
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 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(kāi)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(jì)了一種適用于同步整流模式開(kāi)關(guān)電源的過(guò)零檢測(cè)電路。對(duì)于同步整流的DC-DC變換器而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)較重的負(fù)載并工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時(shí)，由于同步整流管的低導(dǎo)通阻抗，使得在續(xù)流過(guò)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(shí)，如果沒(méi)有過(guò)零檢測(cè)電路，在同步整流管續(xù)流過(guò)程中，當(dāng)電感電流降為零時(shí)，同步整流管不會(huì)被關(guān)斷，這時(shí)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(biāo)，導(dǎo)致整個(gè)電路的效率降低。并且上述倒灌電流在下一周期會(huì)對(duì)供電電源造成沖擊，影響整體系統(tǒng)的可靠性。過(guò)零檢測(cè)電路的功能在于，變換器工作于輕載模式時(shí)，過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)同步整流管的電流變化，在同步整流管續(xù)流電流為零時(shí)，過(guò)零檢測(cè)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(lái)提高開(kāi)關(guān)電源在輕載下的工作效率和可靠性[1-2]。
1 過(guò)零檢測(cè)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(duì)于異步整流模式BUCK型DC-DC轉(zhuǎn)換器，由于采用二極管進(jìn)行續(xù)流，會(huì)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(guò)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(dāng)工作于輕載狀態(tài)時(shí)，如果同步整流管續(xù)流電流為零時(shí)不能被及時(shí)關(guān)閉，則系統(tǒng)效率會(huì)極大地降低，而且可能會(huì)使系統(tǒng)受損。因此，針對(duì)同步整流BUCK轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)一款高精度、低功耗的過(guò)零檢測(cè)電路是非常有必要的。
    以圖1所示BUCK型轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)零檢測(cè)電路的工作原理進(jìn)行敘述。其中M1為主開(kāi)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(fù)載電阻。正常工作時(shí)，M1和M2的柵極電壓相位相反。當(dāng)M1開(kāi)啟時(shí)，M2關(guān)閉；M1關(guān)閉時(shí)，M2開(kāi)啟進(jìn)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(wèn)題。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電感電流整個(gè)周期內(nèi)都不會(huì)為零，因此M1和M2交替開(kāi)啟和關(guān)閉，不會(huì)存在問(wèn)題。但當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，M1開(kāi)啟一段時(shí)間后關(guān)閉，M2隨后開(kāi)啟進(jìn)行續(xù)流，由于負(fù)載電流較小，電感電流會(huì)逐漸減小為零，此時(shí)如果不能及時(shí)關(guān)斷同步整流管M2，輸出電容Cout將通過(guò)電感L1和M2進(jìn)行到地的放電，造成不必要的功耗，所以此時(shí)必須使用過(guò)零檢測(cè)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(jì)得非常小，只有幾十到幾百毫歐姆，因此SW端電壓最高可達(dá)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(dá)幾十伏特，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮過(guò)零檢測(cè)電路的高壓保護(hù)功能，防止對(duì)檢測(cè)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(cè)電感電流時(shí)，過(guò)零檢測(cè)電路并不是在電感續(xù)流電流恰好為零時(shí)才產(chǎn)生將同步整流管關(guān)閉的信號(hào)，而是在電感電流稍大于零時(shí)即產(chǎn)生將同步整流管關(guān)閉的信號(hào)，這樣通過(guò)一定延遲后，能夠在電感電流為零時(shí)關(guān)閉同步整流管，從而提高了效率，并且不會(huì)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(cè)到電感續(xù)流電流為50 mA左右時(shí)發(fā)出關(guān)閉同步整流管的信號(hào)。而過(guò)零檢測(cè)電路是通過(guò)采樣SW端電壓進(jìn)行檢測(cè)續(xù)流電流，因此同步整流管的等效電阻對(duì)檢測(cè)精度有較大的影響，RON1、RON2電阻值可以寫(xiě)成下面形式：

 


    (1)過(guò)零檢測(cè)狀態(tài)：當(dāng)上端功率管M1關(guān)閉時(shí)，同步整流管M2開(kāi)啟，此時(shí)VC2為高電平，VC1為低電平，過(guò)零檢測(cè)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(dāng)SW電壓高于某一值時(shí)，MP5電流將大于MN7電流，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)。設(shè)流過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(jì)為一個(gè)幾乎不隨溫度變化的量，因此該過(guò)零檢測(cè)電路具有非常高的精度與穩(wěn)定性。
    (2)高壓保護(hù)狀態(tài)：整流管M2關(guān)閉、主開(kāi)關(guān)功率管M1開(kāi)啟時(shí)，SW端電壓近似等于電源電壓VIN。為了保護(hù)過(guò)零檢測(cè)電路，此時(shí)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(shí)現(xiàn)了SW端的高電壓與過(guò)零檢測(cè)電路低壓管的隔離，從而保護(hù)了內(nèi)部器件不會(huì)受到損壞；并且M6管的開(kāi)啟使MN2的源端電位低于MN1的源端電位，因此流過(guò)MN3的電流為0，過(guò)零檢測(cè)電路的輸出不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)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(duì)圖2所示電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)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(duì)同步整流功率管的漏電流在不同工藝角的一個(gè)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(shí)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(diǎn)只有1.21 mA的差異，而相對(duì)偏離誤差最大為1.26%，由此也證明了所設(shè)計(jì)電路檢測(cè)電流時(shí)隨工藝偏差極小。
    本文設(shè)計(jì)了一種適用于同步整流模式開(kāi)關(guān)電源的高精度、低功耗過(guò)零檢測(cè)電路。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該過(guò)零檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)零檢測(cè)電路的特性受工藝和溫度的影響極小。
參考文獻(xiàn)
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[2] 王輝，王松林，來(lái)新泉，等.同步整流降壓型DC-DC過(guò)零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)進(jìn)展，2010，30(2)：276-280.
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