一种类比运放功率级的自适应死区产生和过零检测复用电路

本发明属于开关电源及其自适应过零检测和死区时间自适应控制，具体涉及一种类比运放功率级的自适应死区产生和过零检测复用电路。

背景技术：

1、电源管理芯片属于模拟芯片，是电子设备的电能供应心脏，负责电子设备所需的电能变换、分配、检测等功能。其性能的优劣对电子产品的性能和可靠性有着直接影响，广泛应用于各类电子产品中，是模拟芯片最大的细分市场之一。

2、开关电源电路又是电源管理芯片中的主要组成部分。长久以来，提高效率一直是开关电源的主要发展方向之一，其中自适应死区控制技术和自适应过零检测技术是重要的两项技术，在工业界与学术界都提出了许多不同的设计方案。但是在之前的所有方案设计中自适应过零检测与自适应死区控制技术是完全独立的两个电路设计，减低了电路效率和增大了芯片面积。

3、说明书附图1为cot型buck开关电源的基本框架。为了提升电路效率，在架构中采用了目前常用的同步整流技术。在同步整流技术中，为了防止上下功率管（hs和ls）同时导通造成的电路短路现象需要采用死区时间控制电路。但是过大的死区会使ls的体二极管导通从而降低电路的效率，所以在电路设计时需要在防止上下管同时导通的基础上尽量的减小死区时间。说明书附图2为死区时间最优和死区时间过大时的波形，根据上管的工作状态分为开启死区和关断死区。在当死区时间过长时通过图2（b）可以看出由于ls体二极管的导通使sw节点的电压达到了-0.7v，而图2（a）中由于体二极管未导通因此sw电压小于-0.7，利用该特点可以判断死区是否处于最优状态。

4、同样的，过零检测电路也是同步整流技术中必要的电路，当过零检测电路未工作在最优状态时也会导致电源效率的降低。说明书附图3为过零检测在三种状态下各关键节点的波形。最理想的情况是当电感电流il下降至0时刻时下功率管ls立即关闭。但是如果采用普通的过零检测结构由于pvt和信号传输延时的影响，电路通常很难达到该状态。因此为了实现精确的过零，电路设计中通常采用自适应结构，自适应结构能根据电路的工作情况调整过零的阈值以实现最优的过零时间。

5、经过检索，目前已经公示的现有技术中关于过零检测电路与死区时间控制电路均为独立的电路设计，未发现采用同一检测电路实现两种功能的现有设计。以下给出目前检索出分别与本发明中过零检测电路和死区时间控制电路原理较为相似的方案进行对比。

6、申请号201510297612.6的专利为死区时间控制比较接近的方案，提出了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。在该方案中基于检测上下功率管的节点电压lx(sw)，通过上下功率管的开启信号产生采样控制信号vsample_1和vsample_2。利用当死区时间过长时由于lx下降到-0.7v电容c_sample0会向lx放电导致电压下降，通过对比两次采样电压vdec_1和vdec_2的电压值，判断是否需要减小死区时间，当系统稳定时vdec_1应当等于vdec_2。原理如说明书附图4、5所示。

7、但该方案存在着以下的几个问题：

8、该方案中只对两个的死区其中一个进行负反馈控制，另外一个死区为固定时间死区。因此无法实现死区最优状态；

9、该方案中的i_charge电流是调节死区时间的关键，如果要实现控制死区的最优状态，那么i_charge的充电电荷要与固定时间死区形成的放电电荷一致。但是i_charge是一个pvt变化的量，实际上无法做到真正的死区的自适应。

10、申请号202210303480.3的专利为与现有自适应过零检测的方案，提出了一种适用于boost型开关电源的闭环自适应过零检测电路。在该方案包括状态检测器、状态编码器、加减计数器、数模转换器以及比较器。其中检测电路通过检测sw的状态输出状态信号swdet。将同步整流管m2的栅极信号ug的上升沿分别延迟tdelay1、tdelay2(tdelay2>tdelay1)，得到脉冲信号clk1、clk2。在clk1、clk2的作用下对swdet的信号采样两次形成编码[q1:q2:q3]，编码信号会控制加减计数器。dac将加减计数器产生的8位编码转换成比较器的参考电压从而调节过零比较时间。

11、但是该方案的电路中包含大量的数字电路导致过零检测电路的反应速度慢，在大电流或者开关速度较大的应用中导致负反馈不稳定。

技术实现思路

1、相比于现有技术，本发明考虑：如死区时间控制技术中一致，sw点实际上也展现了过零点是否处于最优状态。从说明书附图3中可以看出，当ls过早关断时，由于ls体二极管导通sw会出现-0.7v电压。而当ls过晚关断时，hs的体二极管导通，sw节点会大于vin电压0.7v。因此同样也可以通过检测sw节点来判断过零检测电路的工作情况。

2、因此针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明针对性设计了一种新型的自适应过零检测电路和自适应死区控制电路，并且利用开关电源开关节点（说明书附图1中的sw）同时包含了过零信息与死区时间信息这一特点，将两个电路中的检测电路相结合的电路，在具有良好自适应过零检测与自适应死区时间控制的基础上实现了更小的电路面积与功耗。

3、本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

4、一种类比运放功率级的自适应死区产生和过零检测复用电路，利用开关电源开关节点sw同时包含过零信息与死区时间信息的特点，将自适应过零检测电路与死区时间自适应控制电路中的检测电路相结合，以构成复用电路。

5、进一步地，将过零检测与死区时间调制的检测与提取电路复用；并采用电荷泵电路产生控制过零检测与死区时间调制的控制信号。

6、进一步地，包括顺次连接的：检测复用电路、状态提取电路、控制电路、失调可控比较器和死区调制电路；其中通过检测复用电路、状态提取电路、控制电路、失调可控比较器构成过零检测提取电路；通过检测复用电路、状态提取电路、控制电路、死区调制电路构成死区时间控制电路。

7、进一步地，所述检测复用电路由多个晶体管构成上下两部分检测电路，接入开关电源开关节点sw的电压信号，分别实现两种检测：其中上半部分用于检测下管是否过早开启，下半部分用于检测下管是否过晚开启；vsw电压小于0时，由于晶体管m6的放电电流大于晶体管m5提供的电流，晶体管m11的栅极电压拉低，使得vearly输出高电平；电阻r与晶体管m4中间连接点的输出为晶体管m8提供一个基准电压，当vsw高于vin时，晶体管m8提供的电流大于晶体管m7的吸收电流，使得晶体管m9、m10的栅极电压为高电平，vlate输出高电平。

8、进一步地，所述状态提取电路中，通过复用，对于过零检测提取，通过下开关管控制信号vls对检测复用电路输出的vearly与vlate进行采样，并通过脉冲信号产生电路确保电路只会在下管开启后的一小段时间内进行采样；对于死区时间状态提取，由于存在两个死区，因此分别通过上下功率管的控制信号vls、vhs对vlate与vearly进行采样。

9、进一步地，所述控制电路采用电荷泵电路；对于过零检测，利用状态提取电路中输出的vdn、vup控制过零检测电荷泵，当下功率管ls过早开启时dn输出高电平，过零检测控制信号vctr电压降低；当up输出低电平，则vctr电压升高；对于死区控制，只需要控制死区时间减小的信号，当vup_dead_on和vup_dead_off为低电平时，说明对应的死区的死区时间过大，两个信号通过控制电荷泵输出vctr_dead_on与vctr_dead_on上升以控制死区减小。

10、进一步地，为防止死区裕量过小，在两个死区时间控制电路中分别设置电流源is1和is2,对vctr_dead_on与vctr_dead_on进行固定地放电。

11、进一步地，控制电路输出的vctr信号输入到所述失调可控比较器中，所述失调可控比较器通过多个晶体管构建，其中，nmos 管 m28 、m29 的栅极通过工作在线性区的晶体管 pmos 管 m30 连接，使m30作为可变电阻；该可变电阻通过改变在nmos 管 m28 和 m29管的栅源电压之差引入电压偏移量，补偿尺寸失配，以及补偿低侧功率开关管在关断期间控制环路中的时间延迟。

12、进一步地，所述死区调制电路采用交叉耦合的结构；并在交叉耦合的基础上加入死区时间控制延时单元dlay_dead，其延时分成两部分，第一部分是由电阻r2和电容c3构成的固定延迟td1；第二部分则是控制电路电荷泵中输出的控制电压偏置电流，与固定延时并联的方式减小延时。

13、进一步地，在电路刚开始工作时，所述死区调制电路以最大的固定延时进行输出，在检测到死区时间过大后，则控制电路中m1的栅极电压增大，使得并联支路的电流增大，从而减小延时。

14、相比于现有技术，本发明及其优选方案实现将过零检测与死区时间调制的检测与提取复用；实现采用电荷泵电路产生控制过零检测与死区时间调制的控制信号vup、vdn、vctr_dead_on与vctr_dead_on；以及通过最大延时与控制延时并联的方式实现时延的优化；

15、其主要特点和优势至少包括：

16、①将过零检测与死区时间调制的检测与提取电路进行复用，降低了系统功耗，减小了芯片面积。

17、②电路简单，具有快速的电路调节速度。