Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ 一种适用于同步整流开关电源的过零检测电路 严尔梅 ，韦远武 ，虢韬 ，杨军 （１．贵州Ｉ电网公司输电运行检修分公司，贵州贵阳５５０００２； ２．成都厚明科技有限公司，四川成都６１００５１） 摘要：提出了一种适用于同步整流模式开关电源的过零检测电路。该电路通过将同步整流管的 漏端电压信号转化成电流信号，并将该电流与偏置电流进行比较，从而确定同步整流管续流过程中电 流是否为零。由于使用与整流管同类型的晶体管做线性化电阻进行电压到电流的转化，从而消除了传 统过零检测电路中整流管电阻随温度和工艺变化对过零检测精度的影响。基于０．６ ｍ ＣＤ工艺，对 所设计电路进行了仿真验证。仿真结果表明，该电路在给定的工艺和温度波动范围内都能够实现高精 度的过零检测，具有较强的鲁棒性，并且该电路功耗仅为６ Ａ。 关键词：过零检测；同步整流；开关电源 中文分类号：ＴＮ４３ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８—７９９８（２０１３）０８—００４７—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｚｅｒｏ——ｄｅｔｅｃｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ Ｙａｎ Ｅｒｍｅｉ ，Ｗｅｉ Ｙｕａｎｗｕ ，Ｇｕｏ Ｔａｏ。，Ｙａｎｇ Ｊｕｎ （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 ｒｅｃｔｉｉｅｒｆ 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 Ｉｘｍ ＣＤ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｏｎｌｙ ６ ｔＬＡ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｚｅｒｏ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｉｃａｔｉｆｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ 随着便携式电子产品的快速发展，开关电源逐步向高 效、低功耗等方向发展，控制模式方面也出现了许多创新， 同步整流控制模式以更低的导通损耗而得到广泛的应用。 本文基于同步整流控制模式的ＢＵＣＫ变换器，设计 了一种适用于同步整流模式开关电源的过零检测电路。 出电容上的电荷从电感与同步整流管流向地，电流发生 倒灌，从而影响系统的整体性能指标，导致整个电路的 效率降低。并且上述倒灌电流在下一周期会对供电电源 造成冲击，影响整体系统的可靠性。过零检测电路的功 能在于，变换器工作于轻载模式时，过零检测电路检测 同步整流管的电流变化，在同步整流管续流电流为零 时，过零检测电路输出相应的控制逻辑，关断同步整流 管，使得变换器工作在不连续导通模式（ＤＣＭ）下，以此 来提高开关电源在轻载下的工作效率和可靠性［１－２１。 对于同步整流的ＤＣ—ＤＣ变换器而言，当驱动较重的负 载并工作在连续导通模式（ＣＣＭ）时，由于同步整流管的 低导通阻抗，使得在续流过程中导通损耗降低，从而使 变换器的效率大幅度提高。但处于轻载模式时，如果没 有过零检测电路，在同步整流管续流过程中，当电感电 １过零检测电路的必要性 在ＢＵＣＫ型ＤＣ—ＤＣ转换器中，根据整流方式的不 ４７ 流降为零时，同步整流管不会被关断，这时必然导致输 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第８期 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉ ｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ 同，可分为同步整流模式和异步整流模式。对于异步整 流模式ＢＵＣＫ型ＤＣ—ＤＣ转换器，由于采用二极管进行 续流，会产生较大的导通损耗，降低系统的效率。而同步 整流模式在续流过程中，同步整流管工作于深线性区， 导通损耗极低，所以能够极大地提高系统效率。但当工 作于轻载状态时，如果同步整流管续流电流为零时不能 被及时关闭，则系统效率会极大地降低，而且可能会使 系统受损。因此，针对同步整流ＢＵＣＫ转换器，设计一款 高精度、低功耗的过零检测电路是非常有必要的。 以图１所示ＢＵＣＫ型转换器拓扑结构对过零检测电 路的工作原理进行叙述。其中Ｍ１为主开关功率管，Ｍ２ 为同步整流管，￡１为电感，Ｃ 为输出电容， 。 为负载 电阻。正常工作时，Ｍ１和Ｍ２的栅极电压相位相反。当 Ｍ１开启时，Ｍ２关闭；Ｍ１关闭时，Ｍ２开启进行续流，从 而解决了传统异步整流中导通损耗大的问题。当负载电 流较大时，电感电流整个周期内都不会为零，因此Ｍｔ 和Ｍ２交替开启和关闭，不会存在问题。但当负载电流 较小时，Ｍ１开启一段时间后关闭，Ｍ２随后开启进行续 流，由于负载电流较小，电感电流会逐渐减小为零，此时 如果不能及时关断同步整流管Ｍ２，输出电容 将通过 电感 ｌ和Ｍ２进行到地的放电，造成不必要的功耗，所 以此时必须使用过零检测电路将Ｍ２关闭，提高系统性 能和可靠性［３１。 Ｒ 图１ ＢＵＣＫ型ｌ司步整流模式转换器拓扑结构不意图 ２过零检测电路设计 ２．１电路设计重点 为了便于分析，以图１为例，该同步整流ＢＵＣＫ变 换器的电源电压为 输出电压为 。。首先设Ｍ１、Ｍ２ 的导通阻抗分别为Ｒ０Ｎ 、 ，则在主开关管Ｍ１导通、 Ｍ２关断时，ＳＷ端的电压 刚 为： Ｖｓｗｌ＝ＶＩＮ一＾ ０Ｎ１ （１） 而同步整流管Ｍ２导通、Ｍ１关断时，ＳＷ端电压Ｖｓｗ２ 为： ＝一，１月ｃ （２） 为了降低导通损耗，一般ＲｏＮ。、尺 两电阻设计得非 常小，只有几十到几百毫欧姆，因此ＳＷ端电压最高可 达近似 电压，而一般ＢＵＣＫ转换器的输入电压范围 较宽，最高可达几十伏特，因此在设计过程中必须考虑 过零检测电路的高压保护功能，防止对检测电路中的器 件造成损坏。 ４８ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｒｎ 另外，由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和一 寄生参数的影响，在检测电感电流时，过零检测电路并 不是在电感续流电流恰好为零时才产生将同步整流管 关闭的信号，而是在电感电流稍大于零时即产生将同步 整流管关闭的信号，这样通过一定延迟后，能够在电感 电流为零时关闭同步整流管，从而提高了效率，并且不 会出现电流倒灌的现象［４１。例如本电路所应用的ＢＵＣＫ 转换器在检测到电感续流电流为５０ ｍＡ左右时发出关 闭同步整流管的信号。而过零检测电路是通过采样ＳＷ 端电压进行检测续流电流，因此同步整流管的等效电阻 对检测精度有较大的影响，Ｒ 。、尺 电阻值可以写成下 面形式： ＲＯＮ＝—而｛——一 ／ｘＣｏｘＩ专一ｌ（３） Ｌ Ｌ Ｊ （Ｉ／岱一 ） 其中， 为沟道载流子迁移率，Ｃ似为单位面积的栅氧化 层电容， 为ＭＯＳＦＥＴ的阈值电压。根据式（３）可知，ＭＯＳ 管工作在深线性区的导通阻抗易受肛、Ｃ 、 ＴＨ等工艺参 数以及环境温度的影响，因此设计过程中必须考虑如何 降低工艺和环境温度对电路检测精度的影响１ ５ Ｊ。 ２．２具体电路的实现 本文所设计的过零检测电路的实际电路图如图２ 所示。其中ＭＰ１～ＭＰ４、ＭＮ１～ＭＮ５以及ＬＤＭＯＳ管ＮＬＤｌ～ ＮＬＤ２组成电流检测电路，将同步整流管漏端电 转换 成电流；ＭＰ５、ＭＮ７组成电流比较器，检测电感续流电流 是否将要发生过零现象。为了便于对电路原理的叙述， 需要对以下几个电路参数进行说明：ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３管 流过的电流均为，；ＭＮ１、ＭＮ２、ＭＮ３的宽长比相同， ＭＮ５、ＭＮ６的宽长比也相同；ＶＣ１、ＶＣ２为控制逻辑信 号，用于控制过零检测电路为过零检测状态或者为高压 保护状态，且ＶＣ１与ＶＣ２相位相反；ＮＬＤ１、ＮＬＤ２为与同 步整流管相同类型的耐压管，并且两管的沉底均连接到 各自的源极；该模块的电源电压为ＶＤＤ，也即是同步整流 管的栅端高电平电压。下面针对过零检测电路的两种状 态进行原理分析。 图２过零检测电路实际电路图 （１）过零检测状态：当上端功率管Ｍ１关闭时，同步 整流管Ｍ２开启，此时ＶＣ２为高电平，ＶＣ１为低电平，过 零检测电路的等效电路如图３所示，其中ＲｏＮ Ｒ ｃ ｔｍ 分别为ＮＬＤ１管和ＮＬＤ２管的导通阻抗。当ＳＷ电压高 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第８期 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ 图３过零检测状态等效电路图 于某一值时，ＭＰ５电流将大于ＭＮ７电流，输出发生翻 转。设流过ＭＮ３的电流为， ，则由ＫＶＬ定理可分别得到 ＭＮ１、ＭＮ２的栅极电压 ㈣１、 ２。 ＧＭ ２＝，１月ＯＮ２－Ｉ－ＩＲＯＮ ＮＬＤ２＂＋ 磷ＭＮ２ （４） ｃ １：（Ｉ＋Ｉ１）Ｒ刚ＭＤＩ＋ Ｇ洲１ （５） 因为 Ｇ １： Ｇ ，且流过ＭＮ２和ＭＮ１的电流相同， 因此 Ｇ洲１＝Ｖ岱 。另外由电流比较器可知，当输出发生 翻转时， ＝，，则可以得到翻转点对应的电感电流，Ｌ为： ，Ｉ．： （６） ＯＮ２ 其中， 为同步整流管的导通阻抗。ＮＬＤ１和ＮＬＤ２的 栅源电压和整流管开启时的栅源电压相等，利用式（３）， 可将翻转点对应的电感电流简化为： ，Ｌ：一 【，『 （ ／ ） 一 （ ／ ） ，Ｊ］ （７） 从式ｆ７）可以看出，输出发生翻转时电感电流，Ｉ＿不再 与工艺和温度有关，只与ＮＬＤ１、ＮＬＤ２、Ｍ２管的宽长比 以及偏置电流有关，而在该系统中偏置电流被设计为一 个几乎不随温度变化的量，因此该过零检测电路具有非 常高的精度与稳定性。 （２）高压保护状态：整流管Ｍ２关闭、主开关功率管 Ｍ１开启时，ＳＷ端电压近似等于电源电压 。为了保护 过零检测电路，此时ＶＣ１为高电平，ＶＣ２为低电平，等 效电路如图４所示，其中Ｄ—ＮＬＤ２为ＮＬＤ２管的寄生体 二极管。由于该二极管的存在，实现了ＳＷ端的高电压 与过零检测电路低压管的隔离，从而保护了内部器件不 会受到损坏；并且Ｍ６管的开启使ＭＮ２的源端电位低于 图４高压保护状态等效电路图 《电子技术应用》２０１３年第３９卷第８期 ＭＮ１的源端电位，因此流过ＭＮ３的电流为０，过零检测 电路的输出不会发生误动作。 ３仿真结果及其分析 本文采用０．６ Ｉｘｍ ＣＤ工艺，使用Ｈｓｐｉｃｅ对图２所示 电路进行了仿真验证，仿真结果如图５、图６所示。 ＩＬ／ｍＡ 图５不同温度下输出翻转时续流电流仿真曲线 ＩＬｌｍＡ 图６不同工艺角下输出翻转时续流电流仿真曲线 图５为在ＶＤＤ＝５ Ｖ、ＶＣ２为高电平、ＶＣ１为低电平、 ＇ＩＴ ｃｏｒｎｅｒ下，在４个温度点（一４０℃、２５℃、８５℃、１２５℃１ 对同步整流功率管的漏电流进行ＤＣ扫描的仿真波形 图。由图可知， 信号在同步整流管电流约为５０ ｍＡ时 发生了翻转，表１给出４个温度下的电流翻转点。由表１ 可以看出，不同温度下电流翻转点仅相差０．６５ ｍＡ，而 相对偏离误差最大为０．６８％，由此也证明了前面分析中 所述翻转电流不随温度发生变化的特性。 表１不同温度下的电流翻转点及相对偏离误差 图６是在Ｖ叻＝５ Ｖ、ＶＣ２为高电平、ＶＣ１为低电平、 室温２５℃下，对同步整流功率管的漏电流在不同工艺角 （下转第５３页） ４９