一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其方法，可W 有效减少带有同步整流的开关电源变换器中因死区时间不合适造成的损耗，提高电源转换 效率。
【背景技术】
[0002] 相对于控制简单的非同步整流开关电源变换器而言，同步整流结构虽然控制信号 较为复杂，但可W显著提高转换效率，减小功率损耗，在越来越多效率要求较高的地方得到 了广泛应用。然而在同步整流结构开关电源变换器中，由于高端同步整流管与低端同步整 流管栅极控制信号的死区时间不匹配造成的能量损耗限制了其效率的提高。
[0003] 图1所示为典型的同步整流结构开关电源降压变换器。高端PM0S管Ml源端接输 入电压，低端同步整流NM0S管M2源端接地，Ml与M2漏极相连记为LX节点，并与电感L的 一端连接。电感L另一端与电容C一端相连，电容C的另一端接地，组成LC滤波网络。电 感L与电容C连接点为输出Vwt。PWM_P与PWM_N信号经死区控制电路和驱动级电路处理 后得到Ml栅极控制信号PG、M2栅极控制信号NG。
[0004] 为了避免PG和NG信号在上升和下降过程中出现功率管Ml、M2同时导通，从而产 生较大的能量损失，Ml和M2在切换导通的过程中需要有一定的死区时间。如图2所示，即 当Ml管关闭后经过T1时间M2管再开启，M2管关闭后经过T2时间Ml管再开启，避免Ml和 M2同时导通造成的输入到地的电流通路。上升死区时间T1定义为PG信号上升到电源电压 的50%到NG信号上升到电源电压的50%之间的延迟时间，下降死区时间T2定义为NG信 号下降到电源电压的50 %到PG信号下降到电源电压的50 %之间的延迟时间。
[0005] 死区时间过长或过短都会降低变换器的电源转换效率，WT1为例。如图3所示， 在Ml管和M2管同时关断时，电感电流经开关管的体二极管从地流入电感，导致LX点的电 压下降到负电平。如果死区时间过长，NM0S管M2的体二极管在T_dio期间开启，在体二极 管上一直存在电流和电压，造成能量的损耗，。特别是在重载时，能量损耗更大。如图4所 示，死区时间T1太小使得LX点电压未下降到零时低端NM0S管M2已经开启，LX点电压通 过M2快速放电，使得M2产生较大的正向导通电流；过短的死区时间甚至会造成Ml和M2同 时的不完全关闭，形成尖峰电流。
[0006] 定义最佳死区时间T为使LX点电压刚好放电至零时N管开启的死区时间。由于 最佳死区时间T将会随功率管尺寸和负载电流的变化而变化，为使变换器获得更高的转换 效率，死区时间应当随负载电流或者功率管尺寸的变化而变化。采用本发明自适应控制死 区时间，使得在任意功率管尺寸和负载情况下均可获得最佳死区时间，从而提高变换器的 转换效率。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种开关电源功率管驱动的死区时间自适应控制电路及其 方法，当负载、功率管尺寸、输出电压等因素发生变化时，可W自适应地对死区时间进行自 动调整，获得最佳死区时间，提高开关电源转换效率。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案；一种开关电源功率管驱动的死区时 间自适应控制电路，包括高端同步整流PM0S管Ml、低端同步整流NM0S管M2和LC滤波网 络，PM0S管Ml的源极连接输入电压Vi。，PM0S管Ml的漏极与NM0S管M2的漏极W及电感L 的输入端连接在一起，连接点定义为LX点，电感L的输出端连接电容C的一端并作为开关 电源的输出端Vwt，电容C的另一端连接NM0S管M2的源极并接地，定义高端PM0S管的脉宽 调制信号为PWM_P，低端NM0S管的脉宽调制信号为PWM_N，PWM_P与PWM_N信号经死区电路 和驱动电路后，分别产生高端PM0S管Ml的栅极的控制信号PGW及低端NM0S管M2的栅极 的控制信号NG;其特征在于；
[0009] 死区时间自适应控制电路包括两路控制电路，PWM_P信号经过死区固定电路和反 相器链驱动电路后输出控制信号PG，PWM_N信号与经过对LX点电压进行采样的检测及采样 保持电路、误差比较电路、控制电流产生电路后的输出信号共同输入至死区产生及驱动电 路后输出控制信号NG;其中：
[0010] 死区固定电路包括两个反相器inv6和inv7、两输入或非口nor2、两输入与非口 nand2,NG信号经过反相器inv6输出,.VG信号再经反相器inv7后输出信号为NG2，NG2与 来自死区产生及驱动电路中反相器invl的输出信号NG1作为两输入或非口nor2的输入， 两输入或非口nor2的输出信号为PC，PC信号与PWM_P信号作为两输入与非口nand2的输 入，两输入与非口nand2输出PG0信号；
[0011] 反相器链驱动电路包括六个反相器inv8~invl3,它们的宽长比W自然底数e 为倍数逐级增加，反相器inv8的输入连接死区固定电路的输出信号PG0,依次经过反相器 inv8至invl3组成的反相器链，反相器invl3输出具有大驱动能力的栅极控制信号PG，其 中反相器inv8的输出为PG1信号，反相器inv9的输出为PG2信号；
[0012] 检测与采样保持电路包括采样NM0S管M4、充电开关PM0S管M3、两个采样开关 PM0S管M5 和M6W及S个采样电容C_sampleO、C_samplel和C_sample2,NM0S管M4 的源极 连接LX点，NM0S管M4的栅极接地，NM0S管M4的漏极与PM0S管M3的漏极、M5、M6的源极 W及采样电容C_sample0的一端连接在一起，PM0S管M3的源极连接充电电流源I_charge 的输出端，充电电流源Lcharge的输入端连接Vdd，PM0S管M3的栅极连接充电控制信号 Vthaw，PM0S管M5的漏极连接采样电容C_samplel的一端并作为检测与采样保持电路的 一个输出端输出电压信号V_decl;PM0S管M5的栅极连接采样控制信号V_samplel，PM0S 管M6的漏极连接采样电容C_sample2的一端并作为检测与采样保持电路的另一个输出端 输出电压信号V_dec2 ;PM0S管M6的栅极连接采样控制信号V_sample2 ;采样控制信号V_ samplel由低端同步整流NM0S管M2的栅极控制信号NG经延迟反相后和NG相与非后得到， 采样控制信号V_sample2由高端同步整流PM0S管Ml的栅控制信号PG经延迟后和PG信号 的反相信号经过与非口后得到，充电控制信号Vthaw则直接由采样控制信号V_samplel延 迟获得；
[0013] 误差比较电路采用典型的双输入单输出单级差分放大结构，包括NM0S管M7、M8、 M1UM12,PM0S管M9、M10和偏置电流源Is,NM0S管M7、M8作为差分输入管，NM0S管M7的 栅极为同相端连接检测与采样保持电路的电压输出信号V_dec2,NMOS管M8的栅极为反相 端连接检测与采样保持电路的电压输出信号V_decl，PM0S管M9的漏、栅极短接并与NM0S 管M7的漏极和PM0S管M10的栅极连接在一起，PM0S管M9的源极与PM0S管M10的源极W 及偏置电流源Is的输入端连接在一起并连接Vdd，PM0S管M10的漏极与NM0S管M8的漏极 连接并作为误差比较电路的输出端，输出控制电压Vcontrol;NM0S管M7的源极、NM0S管M8 的源极W及NM0S管M12的漏极连接在一起，NM0S管M12的源极接地，NM0S管M12的栅极连 接NM0S管Mil的漏、栅极化及偏置电流源Is的输出端，NM0S管Mil和M12的源极均接地；
[0014] 控制电流产生电路包括PM0S管M14、M15和NM0S管M13、M16、M17,NM0S管M13的 栅极连接误差比较电路输出的控制电压Vcontrol,NM0S管M13的漏极连接PM0S管M14的 栅、漏极，PM0S管M14的源极连接PM0S管M15的源极并连接Vdd，NM0S管M13的源极与NM0S 管M16、M17的源极连接在一起并接地，NM0S管M16的栅、漏极短接并连接PM0S管M15的漏 极和NM0S管M