一种用于开关电源的低功耗自适应零电流检测电路

本发明涉及集成电路领域。具体地，本发明涉及一种用于开关电源的低功耗自适应零电流检测电路。

背景技术：

1、开关电源通常根据负载电流的大小采取不同的控制方式实现全负载范围内高效工作：对于较大负载电流，开关电源工作在连续导通模式(continuous conduction mode)，采用脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)控制；对于较小负载电流，开关电源工作在断续导通模式(discontinuous conduction mode，dcm)，采用脉冲频率调制(pulsefrequency modulation，pfm)控制。

2、工作效率是衡量开关电源优劣程度的重要指标，而零电流检测电路(zerocrossing detector，zcd)对开关电源在dcm模式下的工作效率有显著影响。零电流检测电路作为同步整流开关电源的重要构建模块，通过比较同步整流管两端电压，在电感电流过零时输出使能信号关闭同步整流管，从而防止轻载下电感电流反向流经同步整流管而造成不必要的功率损耗。

3、半导体器件的失配、工艺偏差、电源电压、工作温度等因素将在零电流检测电路的输入端引入随机的输入失调电压；同时，比较器自身也存在固有的传播延时。受限于失调电压和传播延时的影响，零电流检测电路从检测到电感电流反向到输出使能信号关闭同步整流管的时刻存在一定不确定性，过早或过晚关闭同步整流管都会降低开关电源系统的工作效率：若在电感电流为正的情况下过早关闭同步整流管，将导致同步整流管的寄生体二极管导通续流，造成较大的二极管导通损耗；若在电感电流反向后过晚关闭同步整流管，则会造成不必要的整流管导通损耗。同时，受键合线寄生的影响，过早或过晚关闭同步整流管都将导致开关节点处产生较大的振铃，增加功率管、电感电压应力和功率管损耗，引入电磁干扰问题。因此，零电流检测电路需要在电感电流为零时精确关闭同步整流管，以减小器件应力、电磁干扰，提升开关电源系统的工作效率。

4、对于集成电路设计领域的技术人员来说，电路复杂度、面积是衡量一个电路模块优劣的评判标准之一：电路复杂度越高，发生故障的风险越大，可靠性也就越低；而模块面积越大，集成电路的生产成本就越高。现有技术提出的几种零电流检测电路，以牺牲功耗、电路复杂度和面积为代价，实现了失调电压的自适应调节。比如公开号cn109660109a提出的有权专利，利用d触发器、加减计数器、数模转换器、失调电压调节模块以及额外的时钟控制信号udclk、hold来动态调节过零比较器的失调电压，数模转换器电路需要额外的基准电压、运算放大器、电阻阵列来实现，且电路复杂度、面积、功耗随数模转换器分辨率、转换速率的增加而增加，而额外的时钟控制信号udclk、hold则需外额外的电路模块来产生，进一步增加了设计难度和面积开销。再比如公开号cn111786661a提出的有权专利，利用基准电压vref、第一比较模块、逻辑模块和补偿模块来调节第二比较模块的失调电压，基准电压vref需要额外的带隙基准电路产生，高精度、低温漂的带隙基准电路需要复杂的高阶曲率补偿来实现，增加了设计成本、面积开销，且功耗较高；此外，第一比较器模块、补偿模块需要消耗额外的偏置电流来维持正常工作，这增加了零电流检测电路的整体功耗。

5、现代移动智慧物联网设备普遍采用微小型移动电池供电，且要求在很长时间内避免电池更换或充电操作，此类应用往往要求开关电源系统具有较低的静态功耗，且能在微安级轻载电流下高效工作。因此，应用于此类开关电源场景的零电流检测电路的功耗将受到极大限制。然而，由于功耗与速度的折中关系，作为零电流检测电路中主要耗电模块的静态比较器，其精度与速度会受到严重制约。综上所述，现有技术所实现的零电流检测电路无法在保持低功耗的前提下实现电感电流过零点的精确检测。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种用于开关电源的低功耗自适应零电流检测电路，可以弥补现有技术的不足，其中，开关电源为同步整流开关电源，进一步可以为降压型、升压型或升降压型同步整流开关电源。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种用于开关电源的低功耗自适应零电流检测电路，所述低功耗自适应零电流检测电路包括主比较器和判决电路，其中：

4、所述主比较器具有两个输入端、一个失调电压控制端和输出端，其第一输入端连接开关电源的同步整流管的正端电压信号，第二输入端连接所述同步整流管的负端电压信号，失调电压控制端连接所述判决电路的输出端，主比较器输出端输出零电流检测信号用于控制所述同步整流管的工作状态；

5、所述判决电路具有三个输入端和一个输出端，其中第一输入端连接所述同步整流管的正端电压信号，第二输入端连接所述同步整流管的负端电压信号，第三输入端连接所述同步整流管的驱动信号，输出端连接所述主比较器的失调电压控制端用于控制所述主比较器的失调电压。

6、作为本发明的优选方案，所述主比较器为低功耗静态比较器，用于检测开关电源的电感电流过零点，当电感电流过零时，所述主比较器输出使能信号，关闭同步整流管。

7、作为本发明的优选方案，所述主比较器仅在同步整流管开启时正常工作，在同步整流管关闭时处于休眠状态。

8、作为本发明的优选方案，所述判决电路在同步整流管关闭后输出失调电压控制信号自适应地调节所述主比较器的失调电压。

9、作为本发明的优选方案，所述开关电源采用降压型拓扑，包括高侧功率管、低侧功率管、电感、电容和控制环路，其中，高侧功率管为所述开关电源的功率管，其漏极连接到输入电压信号，源极连接到低侧功率管的漏极，栅极连接高侧功率管驱动信号；低侧功率管为所述开关电源的同步整流管，其源极连接到地信号，栅极连接低侧功率管驱动信号；电感的一端连接到开关节点，即高侧功率管和低侧功率管的公共端，另一端连接到电容的上极板，并为负载供电；电容的下极板接地；所述开关电源通过控制环路调节功率管和同步整流管的开启和关闭状态；所述主比较器的同相输入端连接开关节点电压信号，反相输入端连接地信号，失调电压控制端连接所述判决电路的输出端，输出零电流检测信号；所述主比较器用于检测开关节点电压信号和地信号，当电感电流过零时，开关节点电压信号将高于地信号，输出高电平的零电流检测信号，关闭低侧功率管；当电感电流为正时，开关节点电压信号低于地信号，输出低电平的零电流检测信号，不影响开关电源的正常工作；所述判决电路的第一输入端连接开关节点电压信号，第二输入端连接地信号，第三输入端连接低侧功率管驱动信号，输出2n位控制信号控制所述主比较器的失调电压，补偿所述主比较器传输延时带来的影响，提高比较精度，从而在电感电流过零时使低侧功率管准确关闭。

10、作为本发明的优选方案，所述判决电路自适应控制所述主比较器的失调电压，当低侧功率管关闭时，若电感电流为负，即电感电流反向流过低侧功率管到地，则开关节点电压信号大于地信号，说明低侧功率管关闭过晚，所述判决电路将增大所述主比较器的失调电压，使低侧功率管在下一开关周期提前关闭；当低侧功率管关闭时，若电感电流为正，即电感电流正向流经负载到地，则开关节点电压信号小于地信号，说明低侧功率管关闭过早，所述判决电路将减小所述主比较器失调电压，使低侧功率管在下一开关周期延后关闭。

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

12、本发明所提出的零电流检测电路在低功耗的前提下实现主比较器失调电压的自适应调节，补偿主比较器自身延时，提高比较精度，在电感电流为零时精确关闭同步整流管，减小开关节点振铃、器件应力和电磁干扰问题。另一方面，本发明所提出的零电流检测电路结构简单，电路整体复杂度低，且控制信号均来自开关电源的功率管驱动信号，无需由额外的电路模块产生，进而减小面积成本开销和设计成本开销。因此，本发明所提出的低功耗自适应零电流比较器可以克服现有技术的缺陷，有效提升开关电源整体工作效率。