过零检测电路的研究

过零检测电路的研究

目录

摘要 ...................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 引言 ...................................................................... 1 1.过零检测电路设计的必要性 ................................................ 2 2.DC-DC电路的原理 ........................................................ 3

2.1 DC-DC变换器的前景 ................................................ 3 2.2 降压型DC-DC变换器 ................................................ 3 2.3 同步BUCK型DC-DC的工作原理 ....................................... 4 3.CCM和DCM状态下的电感电流 .............................................. 5 4.电路模块简要分析 ........................................................ 6 4.1电流镜的原理 ...................................................... 6 4.2差动放大电路的分析 ................................................ 7 5.过零检测电路的分析 ...................................................... 8 5.1 设计思路 .......................................................... 8 5.2 失调电阻的引入 .................................................... 8 5.3 电路设计及深入分析 ................................................ 9 6实验仿真结果 ........................................................... 11 结论 ..................................................................... 12 致谢 ..................................................................... 13 参考文献 ................................................................. 14

摘要

DC-DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC-DC转换器分为三类：升压型 DC-DC 转换器、降压型 DC-DC 转换器以及升降压型 DC-DC转换器。根据需求可采用三类控制。目前 DC-DC 转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。同步整流降压型DC-DC工作在不连续电感电流模式(DCM) 下会出现的电感电流倒灌现象，这种情况会使得整个系统处于一种超过放状态，从而使系统的效率大幅度地下降。对电感电流进行过零检测，根据负载的大小，系统工作在连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)。在日益普及的便携电子产品中，大都采用电池供电，有限的电池容量和产品功能的迅速扩展给电源管理的效率提出越来越高的要求，而集成同步BUCK型DC-DC变换器在很宽的输入输出电压范围内都可以保持很高的效率，使得它在很多场合成为首选的电源管理器件。针对这一问题，设计实现了一款电感电流过零检测电路达到快速关断同步管的目的，有效降低电流倒灌。 该电路利用失调电阻抵消同步管关断延迟，达到了快速关断同步管的目的，有效地降低了电流倒灌。且该电路正常工作时的静态电流为5μA其面积仅有0.1005mm 。 ，关键词：同步；DC-DC转换器；降压型；过零检测

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I

ABSTRACT

DC-DC converter to change after the input voltage output voltage of the effective

fixed voltage converter. DC-DC converter is divided into three categories: boost type DC/DC converter, step-down type DC-DC converter and lift pressure type DC-DC converter. According to the need for can be used three kinds of control. At present DC-DC converter are widely used in mobile phones, MP3, several yards cameras, portable media players and other products. The phenomenon that inductor current flows backward appears when synchronous rectification buck DC-DC working in over-amplified status,thus reducing the efficiency of the whole system greatly.According to this problem a novel zero-detect circuit is designed.By using imbalance resistance to offset the synchronization transistors turning off delay the circuit can realize fast turn-off function and avoid the happening of current backward flowing..The current consumption of this circuit for normal working is only 5μ A and the area is only 0.1005 mm . A DC-DC converter with this anti-ringing circuit is implemented in Hynix 0.15μ m CMOS process, and the testing result proves that the zero detect circuit works well and effectively.

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Key words: synchronous; DC-DC converter; buck; zero- detect circuit

II

引言

在日益更新的便携电子产品中，随着飞速发展和不断创新的集成电路技术、电子技术和通信技术，数量巨多的便携设备渗入我们的生活，如智能手机、移动播放器（mp3）、数码相机、数码摄像机、便携式笔记本电脑等等。先进便携的设备大大的提高了我们的生活质量，方便了我的现在的生活。它们大都采用电池供电，有限的电池容量和产品功能的迅速扩展给电源管理的效率提出越来越高的要求，而集成同步BUCK型DC-DC变换器[1]在很宽的输入电压范围内都可以保持很高的效率，使得它在很多场合成为首选的电源管理器件。但是当DC-DC变换器工作在电感电流不连续导通模式（DCM）时，由于变换器内部的逻辑延迟，线延迟和寄生等因素的影响，致使同步管续流至零时，其还没有关断或还没完全关断，这时必然导致电流的倒灌，从而影响整个电路的性能指标。特别是这种现象会使整个系统处于一种超过放状态，从而导致整个电路的效率大幅度的降低，且这种状态在很大程度上影响和限制了DC-DC得应用范围和场合。因此有必要采用专门的过零检测电路来防止电流倒灌。文中简要分析了电流倒灌产生的机理，论述了在同步Buck型DC-DC中设计过零检测电路的必要性，进而提出一种可用于继承Buck型DC-DC的过零检测电路，应用该电路的一款DC-DC已经能够在韩国Hynix公司的CMOS工艺线投片，测试结果证明过零检测电路工作效果良好。用 MOSFET 替换 BJT 晶体管作为外围电路的开关部件对效率的影响。 效率会相应提高。因为 BJT 管需要对其基极提供驱动电流，这增加了电路的电流消耗，而 MOSFET 是电压驱动，无需对其栅极提供电流，也就不会增加电路的电流消耗。但是，实际应用时请考虑 MOSFET 是否对周边元器件产生影响。

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过零检测电路设计的必要性

1.过零检测电路设计的必要性

转变输入电压，然后再有效的输出固定电压的电压转换器称之为DC-DC转换器[2]。DC-DC转换器分为三类：

（1）升压型 DC-DC 转换器 （2）降压型 DC-DC 转换器 （3）升降压型 DC-DC转换器

这三类控制可根据需求可采用。这类转换器目前被广泛应用于手机、MP3、数码相机等产品中。

在 降压型 DC-DC 转换器中, 有两种，即 异步和同步[3]。谈到异步降压型 DC-DC 转换器， 因为采用的是二极管整流，所以当处于DCM工作模式下时不会产生电感电流倒灌的现象；但在特殊情况下，即低电压大电流输出， 整流二极管具有较高的导通压降, 输出整流管的损耗特别严重，即便使用低压降的肖特基二极管仍然会产生0.16V的压降，结果使整流损耗大为增加，极大地降低了电源转换效率。

可是，如果我们采用同步整流技术就能够改善这一问题，但如果是处在DCM工作模式下的同步整流降压型DC-DC，就会产生电流电感的倒灌，一样会降低电源的转换效率，而且当同步整流降压型DC-DC处于超过放状态下，整个系统还是会在很大程度上受损。这就突出了过零检测电路的设计的重要性。

针对这一类问题，我们设计出一款具有优良性能，并且结构简单、低功耗占用小的芯片面积的过零检测电路是十分必要的，也是大势所趋的。

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DC-DC电路的原理

2.DC-DC电路的原理

2.1 DC-DC变换器的前景

直流-直流变换器(DC-DC)变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备，工业仪器仪表，军事, 航天等领域，涉及到国民经济的各行各业[4]。按额定功率的大小来划分，DC-DC 可分为750W以上，750W～1W 和1W 以下3大类。进入20世纪90年代，DC-DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25W的DC-DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备，计算机显示系统，计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC-DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以 251W～750W 的DC-DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备，工业控制 设备，远程通讯设备，多路通信及发送设备，DC-DC 变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。DC-DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳，快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20%～30%的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC-DC变换器现已商品化，模块采用高频 PWM 技术，开关频率在 500kHz 左右，功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。

2.2 降压型DC-DC变换器

降压电路[5]是一种基本的DC-DC变换器[4]。随着IPM驱动和MCU供电、LED照明驱动、继电器和交流开关供电等小功率、直接从母线电压供电的应用场合越来越多，而目前大部分DC-DC变换器输入电压一般在50V以内，对于Buck电路的优缺点，我们需要和另一种电路LDO（Low dropout regulater）低压差线性稳压器极性比较，LDO是低压降的意思，优点是：成本低、噪音低、静态电路小。但其缺点是：效率不高。这样我们就可以得到Buck电路的优点：效率高、可以输出大电流，静态电流小。缺点是：输出脉动和开关噪音大、成本相对较高。考虑到降压电路的构成简单、成本较低，因此这种变换器具有良好的市场前景。

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DC-DC电路的原理

2.3 同步BUCK型DC-DC的工作原理

随着供电电源电压的降低，传统的二极管整流引起的整流管上0.7V的导通压降，成为DC-DC转换器提高转换效率的瓶颈，目前新一代的DC-DC转换器都是采用MOS管做整流管，理想情况下其导通压降为零，在低电压大电流的应用场合，可以极大提高转换效率。

图6是同步整流Buck型DC-DC转换器的拓扑结构，其中M1为主开关管，M2为同步开关管，L为换能电感，C0为输出电容，R0为负载电阻[4]。主开关管M1在每个周期开始时接通，电感电流通过M1而上升，输入端Vin的电能转换为磁能储存在电感磁场中达到一定占空比时M1关断电感电流通过同步管M2进行续流而逐渐下降，磁能转换为电能释放到输出端Vout，完成一个周期的转换。

正是有和磁能之间的相互转换通过控制磁能释放的路径和时间，实现了电压高地和极性的变换尽管电感上的电流是随着开关周期在作周期性的变化，但在Buck型DC-DC正常工作时，其负载电流[5]是等于电感电流的平均值。

图 2-1 同步整流Buck型DC-DC转换器的拓扑结构

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CCM和DCM状态下的电感电流

3.CCM和DCM状态下的电感电流

在开关电源工作过程中[6]，Buck型DC-DC转换器由于其负载电流的变化，使得转换器具有两种工作模式，即连续导通模式CCM以及非连续导通模式DCM 。在每个开关周期中，电感电流由零开始增大，然后会达到一个峰值，而后再较小到零。

连续导通模式(CCM)的特点：当处于稳定工作时，在整个开关周期内，电流在电感中连续的流动。在主开关导通期间，电感中的电流上升达到峰值；在主开关截止期间，电感电流下降至零，没有间断。

非连续导通模式（DCM）的特点：在开关周期的一部分时间内，电感电流为零。在主开关导通期间，电感中的电流上升至峰值；在主开关截止期间电感电流下降至零，并继续保持这个状态（“零”状态）到下一个周期。

最为理想的情况就是在所有预期的工作状态下，开关电源都只处于一种工作模式，因为若处于这两种工作模式下，开关电源的频率响应将变得特别显著。

当负载较大 (R0较小) 时电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连续导通模式CCM；但当负载电流持续下降且低到某一个临界值时，两个功率开关管在一个周期内甚至几个周期内同时关闭，此时电感电流的工作模式称为不连续导通模式DCM，在此期间电感上的电流为零。在DCM模式下，由于如门延、线延、逻辑及寄生等的影响，当负载电流继续下降（R0变大）到临界值，M2并没有关断或者没有完全关断，姿势就会发生电流倒灌，使输出电压发生极大波动。图3-1示出了两种工作模式下的电感电流波形。

图3-1 CCM与DCM的电感电流波形: (a)CCM电流波形; (b)DCM电流波形

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电路模块简要分析

4.电路模块简要分析

4.1电流镜的原理

电流镜是CMOS集成电路中的基本的单元电路之一[7]，它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其它支路得以重现或复制的电路。由于电流镜的电流复制能力，它常常被用来构成模拟集成电路和器件中得直流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最广泛的电路技术之一。目前，在差分运放电路及各种数据转换和信号处理电路中都广泛地应用到了电流镜技术。

根据采用的集成工艺，电流镜可分为双极型和MOS型电流镜由于MOS型在工艺方面比双极型具有更高的集成度，且更易实现，所以MOS电流镜一直占有主导地位。 理想的电流源[8]能在很大范围内产生或抽取一个固定的电流，其输出电阻应该无限大。但是在实际的电路设计输出阻抗并不能做到无限大，而且为了使各个MOS管能工作于饱和区，其输出摆幅也有一定限制，这些都会影响电流源的最终性能。电流镜的作用在于复制电流信号，如图所示是一个基本的电流镜[9]，当M1和M2管都工作于饱和区， 由于 VGS1=VGS2 ，理想情况下M1和M2的漏电流满足一定的比例关系，即

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图4-1

ID1ID21212nCox(WLWL)M1(VGS1VTH)2 （4-1）

nCox()M2(VGS2VTH)2 （4-2）

因为

VGS1=VGS2 (4-3) 所以

ID2(W/L)M2(W/L)M1 ID1 (4-4)

通过调整M1管和M2管得宽长比的比值，可以得到期望的输出电流值。电路的关键特性是可以精确的复制电流而不随工艺和温度的影响。因此被广泛的用作恒流源和多

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电路模块简要分析

输出复制电路等多种模拟电路中[10] 。

4.2差动放大电路的分析

差动放大电路又叫差分电路[11]，它不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放电路，它常被用作多级放大器的前置级。

将两条相同的单端信号路径结合起来，分别处理两个差动相位信号，从电路结构上说，差动放大电路由两个完全对称的放大电路组成[12]。信号的输入和输出均有双端和单端两种方式[2][3][10]。该电路中晶体管结构相同、特性相同输入信号电压由两管的栅极输入，输出电压从两管的漏极之间提取（即双端输出）。

图4-2差动放大电路

放大电路的两个输入为VIN1、VIN2，故差动输入为 △VIN=VIN1-VIN2，当△VIN超过某一限定值时，所有的ISS电流就流经一个晶体管，而另一晶体管截止。而带电流源负载的差动对，将差动输入转换成了单端输出，以实现输出的高低电平。

在本论文中，主要利用带有带电流源负载的差动对来比较两个电压信号，并利用△VIN的限定值实现单端输出高电平或低电平，然后使用两个反相器进行整形从而达到过零检测的目的[12]。

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过零检测电路的分析

5.过零检测电路的分析

5.1 设计思路

为了分析方便，以图4-1所示，电源电压为V IN ，DC-DC的输出电压为V OUT。首先设 M1 、M 2的导通阻抗分别为RON1、RON2则在主开关管 M1导通时S W端的电压V SW1为：

V SW1 = V IN -ILR ON1 (5-1)

同步管 M2导通时S W端的电压V SW2为：

V SW2 = 0 -IL RON2 = - ILR ON2 (5-2)

假设R ON1 、R ON2为定值，根据公式(8-1)、(8-2)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 。其次在实际中， 考虑到 MOS管工作在深线性区的导通阻抗可以表示为：

Ron1 。 MOSFET的阈值电压

COXWL(VGSVTH) (5-3)

其中：μ 为沟道载流子迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，VTH 为

MOS管工作在深线性区的导通阻抗易受 μ 、COX、V TH等工艺参数以及环境温度的影响，会严重影响电感电流的采样精度 。但考虑到电感电流过零检测只要检测到电感电流为零即可输出关断信号关断同步管 。又由式(8-2)可知, 只要电感电流 IL 为零时，无论 R ON2为任何值，SW端电压均为零 [13]。综合上述分析可以得出，利用SW端电压作为电感电流的检测采样信号是一个很好的选择。

5.2 失调电阻的引入

根据上述分析，让和电感电流变化近乎同步的 S W端电压作为过零检测电路的检测信号，但是受到变换器内部的线延迟，寄生和逻辑延迟等因素的影响，导致当同步管续流至零时候，其还没有关断或还没完全关断，这时也就必然引起了电流倒灌，此时，引入一个失调电阻R用来为过零电路提供一个翻转的提前量，目的是在电感电

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过零检测电路的分析

流为零的一瞬间，同时能够关断同步管，以达到在电感电流为零的一时间可以同步关断同步管 。

5.3 电路设计及深入分析

图为所设计的过零检测电路的实际电路图，其中，MB1～ MB5作为偏置电路，精确地复制了电流I0，从而为比较电路提供电流源， M0～ M9作为比较器电路，比较VGND与VIR的电压（即比较SW端与地的电压），由于SW端的电压与电感电流近乎同步，其作为过零检测电路的检测信号，使得此电路可以实现过零检测的功能。R 为失调电阻 。整体电路分析如下 。

图5-1 过零检测实际电路图

图中MB3和MB2构成一个电流镜，MB4和M8构成一个电流镜，使得M8为差动电路提供了电流，相当于一个电流源，利用电流镜形成一个电流源，而这个电流源“M8”与M0、M1、M3和M4构成了带电流源负载的差动对，将差动输入（V IR与VGND 的比较）转换成了单端输出[14]。

图中MOS管均为理想MOS管[11，]理想情况下其导通压降为零，比较器用来完成 SW 采样信号V IR与VGND 的比较，且信号 V IR 为 V I R = VSW + I 1R 。当 VGND ≥ V IR比较器输出VOUT为低电平，直接关断同步管 。 当 VGND < V IR 比较器输出高电平，该信号对同步管的工作状态不起作用。

希望比较器共模输入时 (均为 GND ) 即可输出低电平信号来关断同步管，因此在比较器的一条支路上加入了NMOS管 M9 。且有M2、M3、M4、M5尺寸宽长比（M/L）相同

图5-2 双反相器

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过零检测电路的分析

通过设计较低的反向器的阈值电压即可实现当比较器共模输入时( 均 为GND )过零检测电路输出低电平的目的，两个反相器起整流作用（图5-2），更加稳定的输出高地电平。

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实验仿真结果

6实验仿真结果

仿真采用的是Hspice仿真软件，基于CMOS工艺模型，对所设计的电路模型进行仿真。 图6-1为所设计过零检测电路的Hspice仿真结果，由图可得，在过零检测电路上确实产生了提前翻转的效果。

图6-2为不使用过零检测电路，工作在DCM模式下的Buck型DC-DC的Hspice电路仿真，可以看出，电感电流出现了明显的倒灌现象。

图6-3为加入了过零检测电路的Buck型DC-DC的Hspice电路仿真，可以看出，电感电流没有明显的倒灌现象，这说明，过零检测电路确实组织了电路电感电流的倒灌。

图6-1含过零检测电路的Hspice仿真结果图 6-2无过零检测电路Buck型DC-DC仿真

图6-3含过零检测电路Buck型DC- DC仿真

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结论

结论

本篇论文在深入的剖析了过零检测电路的基本构成、原理和特点后，针对目前常用的同步Buck型DC-DC电路，提出了一种新型的、可用于同步Buck型DC-DC的电感电流过零检测电路，该电路利用失调电阻抵消同步管关断延迟，从而达到快速关断同步管的目的。测试结果表明，该过零检测电路具有功耗低、占用芯片体积小、关断及时等优点，而且该电路工作状态良好，可广泛应用于有类似要求的模拟集成电路设计中。该电路优点突出，适合使用于现有得同步Buck型DC-DC电路，但仍需采用MOS管做整流管，其导通压降为近乎为零，但不完全为零，另外，过零检测电路中对器件尺寸仍有严格要求。

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致谢

致谢

本学位论文是在我的指导老师老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，值得一提的是，老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在她的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求” ，希望借此机会向老师表示最衷心的感谢！

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参考文献

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