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CN111162658B - 电压变换器的零电流检测器 - Google Patents

电压变换器的零电流检测器 Download PDF

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Abstract

检测电压变换器的零电流的方法包括：在电压变换器的功率开关闭合的第一阶段重置比较器输出；以及误差消除电路从比较器接收取样信号。该方法还使用取样信号确定比较器误差。响应于电压变换器的输出电压小于阈值电压，比较器输出在功率开关打开的第二阶段被重置。比较器将来自电压变换器的第一信号与代表地电压的第二信号进行比较，在产生表示第一和第二信号的比较的ZCD信号。随后，产生表示所确定的比较器误差的误差消除信号，以消除比较器误差。

Description

电压变换器的零电流检测器
技术领域
本发明涉及电压变换器。具体地，本发明涉及同步降压变换器的零电流检测器(Zero-Current Detector，ZCD)。
背景技术
开关模式电源供应器(Switching Mode Power Supply，SMPS)通常地用来向负载提供经调节的电源，例如经调节的电压或经调节的电流。
图1所示的是一种电压变换器100的电路示意图。该电压变换器100包括功率电路102和控制电路104。功率电路102包括功率开关S1、同步开关S2、电感器L、电容器C、以及输出电阻器R。功率开关S1由P型晶体管实现，同步开关S2由N型晶体管实现。对于功率开关S1，其源极端耦接到输入电压Vin，其漏极端耦接到同步开关S2的漏极端以及电感器L的一端，而其栅极端耦接到控制电路104。功率开关S1由控制电路104控制。类似地，对于同步开关S2，其源极端耦接到地，其栅极端耦接到控制电路104从而同步开关S2亦由控制电路104控制。电感器L的一端耦接到功率开关S1和同步开关S2的漏极，而电感器L的另一端耦接到输出端而提供输出电压Vout。输出电阻器R和电容器C并联地连接在输出端和地之间。
控制电路104包括串联地连接在输出端和地之间的第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2。第一、第二反馈电阻R1、R2之间的节点提供反馈电压VFB。控制电路104还包括电流感测电路106、补偿电路108、以及PWM/PFM控制电路110。电流感测电路106用来感测在功率开关S1和同步开关S2之间的节点上的电流，由图1中的虚线箭头线之一所指。PWM/PFM控制电路110自电流感测电路106接收所感测的电流，并产生用在对于开关S1、S2的控制中的补偿信号。补偿电路108接收反馈电压VFB并产生用在对开关S1、S2的控制中的电压补偿信号。
在运行时，功率开关S1在“导通状态”下被控制为导通，从而输入电压Vin经过电感器L而被提供到输出电压Vout。在随后的“关断状态”下，功率开关S1被控制为关断，而同步开关S2被控制为导通。电感器L放电，并作用为电压源，从而输出电压Vout持续被提供。功率开关S1和同步开关S2交替地导通以对电感器L充电和放电，并且不会同时导通，以免使输入电压Vin与地之间被短路。
在“关断状态”下，流经电感器L的电流下降。当电感器L中储存的能量通过输出电压Vout被提供时，电流下降为零，甚至变为负。PWM/PFM控制电路110确定是否切断同步开关S2以允许负电流被提供为输出。从而，控制电路104进一步包括零电流检测器(zero-current detector，ZCD)112，其检测电流是否变为零，并向PWM/PFM控制电路110提供表示检测结果的ZCD信号，以使开关S1、S2得到如前所述的控制。另一方面，ZCD 112的输出较为脆弱，其易受到硅制程差异以及各种误差的影响。不正确的ZCD输出能够导致开关S1、S2错误地切换，这可能使电压变换器崩溃。
因此，有必要提供一种具有可靠的ZCD的电压变换器。
发明内容
本发明内容被提供以介绍以下具体实施方式部分详述的概念中经选择的简化部分。本发明内容并不意欲确定权利要求中内容的关键或必要特征，亦不意欲使其限制权利要求的范围。
根据一种实施方式，提供一种电压变换器的零电流检测器，其包括：
具有第一输入端、第二输入端、以及输出端的比较器，第一输入端自电压变换器接收第一信号，第二输入端接收表示地电压的第二信号，输出端提供响应于第一信号和第二信号的比较的ZCD信号，其中ZCD信号是零电流检测器的输出；
耦接到比较器的误差消除电路，误差消除电路响应于电压变换器的功率开关被闭合而启用，误差消除电路自比较器接收取样信号，并响应于取样信号而确定比较器的误差，误差消除电路向比较器提供表示所确定的误差的误差消除信号，以消除响应于第一信号、第二信号的比较而产生的比较器误差；以及
延时电路，耦接到误差消除电路，其中在功率开关断开后，响应于电压变换器的输出电压小于阈值电压，延时电路将误差消除电路在第一预定时间内启用。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括：
控制电路，响应于误差消除电路的启用而重置比较器的输出端上的ZCD信号。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括：
耦接到比较器的重置电路，响应于误差消除电路的不启用而在第二预定时间内重置比较器。
根据一种实施方式，第二预定时间等于或小于30纳秒。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括：
耦接在比较器的第一输入端、第二输入端之间的自动零开关，在误差消除电路启用时，自动零开关闭合。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括：
耦接到比较器的第一输入端的LX使能开关，其中在误差消除电路不启用时，LX使能开关闭合，以使来自电压变换器的第一信号提供给比较器。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括：
控制电路，将应用到电压变换器的功率开关上的开关信号的占空比与阈值比率相比较，以确定电压变换器的输出电压小于阈值电压。
根据一种实施方式，一种检测电压变换器的零电流的方法包括：
在电压变换器的功率开关闭合的第一阶段，重置比较器的输出；
误差消除电路从比较器接收取样信号，并基于取样信号而确定比较器误差；
响应于电压变换器的输出电压低于阈值电压，在电压变换器的功率开关断开的第二阶段，重置比较器的输出；
比较器将来自电压变换器的第一信号与代表地电压的第二信号进行比较，以产生表示第一信号和第二信号的比较的ZCD信号；以及
向比较器提供表示所确定的误差的误差消除信号，以消除比较器误差。
根据一种实施方式，该方法进一步包括：
在第一阶段和第二阶段启用误差消除电路以从比较器接收取样信号，在第二阶段后，误差消除电路停止接收来自比较器的取样信号和确定误差。
根据一种实施方式，该方法进一步包括：
响应于误差消除电路的不启用而在第三阶段重置ZCD信号。
根据一种实施方式，第三阶段等于或小于30纳秒。
根据一种实施方式，该方法进一步包括，在第一阶段和第二阶段：
使第一信号不提供给比较器；以及
将比较器的第一输入端和第二输入端短路，其中第一输入端和第二输入端分别配置为接收第一信号和第二信号。
根据一种实施方式，该方法进一步包括：
将应用到电压变换器的功率开关上的开关信号的占空比与阈值比率相比较，以确定电压变换器的输出电压小于阈值电压。
根据一种实施方式，一种同步降压变换器包括：
功率级，包括功率开关和同步开关，功率开关和同步开关交替地闭合以对电感器充电和放电，电感器具有第一端和第二端，电感器的第一端耦接到功率开关和同步开关，电感器的第二端提供输出信号作为同步降压变换器的输出；
控制功率开关和同步开关的控制级；以及
耦接到功率级和控制级的零电流检测器，其中零电流检测器包括：
耦接到电感器的第一端和地的比较器，比较器将来自电感器的第一端的第一信号和表示地电压的第二信号进行比较，并产生表示电感器的电流为零的ZCD信号；以及
耦接到比较器的误差消除电路，配置为：
响应于功率开关的闭合，接收来自比较器的取样信号，并确定比较器的误差；
响应于同步降压变换器的输出电压低于阈值电压，在功率级的功率开关打开后的第一阶段继续接收来自比较器的取样信号；以及
产生表示所确定的比较器误差的误差消除信号，以消除比较器误差。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括耦接在比较器的第一输入端和第二输入端之间的自动零开关，其中在功率开关闭合的阶段和第一阶段内自动零开关闭合。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括耦接在电感器的第一端和比较器之间的LX使能开关，其中在功率级的功率开关闭合的阶段和第一阶段内LX使能开关打开，以使来自电压变换器的第一信号停止向比较器提供。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括重置电路，重置电路响应于第一阶段结束而在第二阶段内重置ZCD信号。
根据一种实施方式，误差消除电路在第二阶段接收取样信号。
根据一种实施方式，第二阶段等于或小于30纳秒。
根据一种实施方式，零电流检测器进一步包括控制电路，控制电路将应用到功率开关上的开关信号的占空比与阈值比率相比较，以确定电压变换器的输出电压何时小于阈值电压。
附图说明
以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述，其中：
图1是一种既有的电压变换器的示意图；
图2是根据本发明示例的实施方式的电压变换器的示意图；
图3是图2中的电压变换器在提供中等的输出电压Vout时各节点的信号时序图；以及
图4是图2中的电压变换器在提供低输出电压Vout时各节点的信号时序图。
具体实施方式
现在参考图2，其示出了根据本发明示例的实施方式的同步降压变换器200的示意图。该降压变换器200包括功率级202、控制级204、以及零电流检测器(zero-currentdetector，ZCD)206。功率级202类似于图1中所示的功率级102，控制级204类似于图1中所示的控制级104(即R1、R2、VFB、以及PWM/PFM控制电路等，但未示出补偿电路)，因而在此不再描述。
电感器L具有耦接到功率开关S1和同步开关S2的漏极端之间的节点的第一端、以及提供输出信号Vout以作为降压变换器200的输出的第二端。零电流检测器(ZCD)206耦接到功率级202和控制级204。ZCD 206从电感器L的第一端和开关S1、S2之间的节点LX处接收第一信号、以及从地接收第二信号。ZCD 206包括比较器208，其接收第一、第二信号，并比较第一、第二信号，以基于该比较而产生ZCD信号。ZCD信号表示电感器L的自节点LX到输出端Vout的电流何时为零。ZCD 206将ZCD信号提供给控制级204的PWM/PFM控制电路。
ZCD 206进一步包括连接在比较器208的第一、第二输入端之间的自动零开关SW1、连接在节点LX和比较器208的第一输入端之间的LX使能开关SW2、误差消除电路210、控制电路212、延迟电路214、以及重置电路216。自动零开关SW1由控制电路212所控制，在功率开关S1导通的第一阶段中被闭合。在第一阶段中，由比较器208所产生的ZCD信号被控制电路212强制为低，表明未检测到零电流。在第一阶段中，LX使能开关SW2由控制电路212打开，从而来自节点LX的信号不进入比较器208。
误差消除电路210与比较器208和控制电路212相耦接。误差消除电路210由控制电路212控制，以在第一阶段自比较器208接收取样信号。取样信号可以是比较器208内部的或外部的信号，其表示比较器208的误差。如前所述的，由于耦接在比较器208的输入端之间的自动零开关SW1不是理想开关，自动零开关SW1的固有电阻将计入比较器208的误差中。此外，可以理解的是，比较器208以及耦接到比较器208的周围电路的硅制程差异引起噪声，亦计入比较器208的误差。误差消除电路210自比较器208接收取样信号，并计算比较器208的误差。作为响应，在比较器208运行时，误差消除电路210向比较器208提供误差消除信号，以消除误差。
在比较器208实现为多级比较器的实施方式中，误差消除电路210包括相应于多个比较器级的多个子电路。误差消除电路210的每个子电路接收相应的比较器级的输出信号，并使用例如RC缓冲电路来存储当前比较器级与绝对地电压之间的差。在比较器208的随后的比较运行中，所存储的差被作为误差消除信号而提供回到当前比较器级的输入，以减小和消除误差。
误差消除电路210需要一个建立时间方能检测、确定、存储误差。例如，对于前述的用于存储误差的RC缓冲电路而言，建立时间至少是比较器级产生输出、RC缓冲电路的电容器结束充电的时间。然而，如前所述地，误差消除电路210由控制电路212所控制而在功率开关S1导通的第一阶段中被启用。如果同步降压变换器200被配置为提供低输出电压Vout，该第一阶段，即功率开关S1的导通时间，相对较短。误差消除电路210在该相对短的第一阶段中可能不能够确定并存储该误差。从而，在本实施方式中，控制电路212将降压变换器200的输出电压Vout与阈值电压相比较，以确定第一阶段是否足以使误差消除电路210建立，并当输出电压Vout为低、功率开关S1的导通时间短时，引入由延迟电路214提供的第二阶段，以建立误差消除电路210。在可选的实施方式中，控制电路212将第一阶段与足以使误差消除电路210建立的阈值时间进行比较，并在需要时使用该第二阶段。在可选的实施方式中，控制电路212将控制级204的PWM/PFM控制电路施加在功率开关S1上的开关信号的占空比与阈值比率进行比较，并据以确定是否使用第二阶段。阈值比率是误差消除电路210的最低建立时间比开关信号的周期。延迟电路214可以使用动态的第二阶段或固定的第二阶段。动态的第二阶段是第一阶段与误差消除电路210的建立时间之差。
在第二阶段，控制电路212保持自动零开关SW1导通以重置ZCD信号，以及启用误差消除电路212。尽管功率开关S1关断、同步开关S2导通，控制电路212使LX使能开关SW2保持为关断，以阻止来自节点LX的信号被提供给比较器208。
在第二阶段后，自动零开关SW1关断，LX使能开关SW2导通以允许比较器208在第一输入端上接收LX节点的电压、在第二输入端上接收地电压。误差消除电路210停止从比较器208接收信号。相反地，误差消除电路210向比较器208提供误差消除信号，以消除比较器208进行比较时的误差。
在切换功率开关S1、同步开关S2、自动零开关SW1、以及LX使能开关SW2时，提供给比较器208的电压信号可能具有毛刺(glitch)，其导致不正确的ZCD信号输出。响应于误差消除电路210不被启用，重置电路216在第三阶段内重置比较器208，以避免这些毛刺影响比较器208。在当前优选的实施方式中，第三阶段等于或小于30纳秒(30ns)。
图3是在提供高输出电压Vout或中等输出电压Vout的应用中，图2的同步降压变换器200的信号的时序图。图3中的信号含义为：
hs_on：控制级204的PWM/PFM控制电路施加在功率开关S1上的开关信号；
AZ_en：控制电路212施加在误差消除电路210上的使能信号；
ngate：控制级204的PWM/PFM控制电路施加在同步开关S2上的开关信号；
Ibias_on：施加在比较器208上的偏置电流信号；
LX_en：控制电路施加到LX使能开关SW2上的开关信号；
消空(blanking)：重置电路216施加到比较器208的重置信号。
在提供高输出电压Vout或者中等输出电压Vout的应用时，功率开关S1必须在较长的第一阶段中导通，自t31自t32，该第一阶段长于误差消除电路210的阈值建立时间，即自t31至t33。误差消除电路被启用以自比较器208接收取样信号，以用于在功率开关S1闭合的时候建立、并确定误差。在自时刻t31至t32的时间段内，同步开关S2打开，LX使能开关SW2断开以阻止比较器208的第一输入端接收来自节点LX的信号，偏置电流Ibias被施加在比较器208上以用于其正常运行。
在时间t32，即第一阶段的末尾，控制级204的PWM/PFM控制电路将功率开关S1打开。控制级204的PWM/PFM控制电路同步于时间t32或者稍后地将同步开关S2闭合。ZCD 206的控制电路212确定在当前实施方式中的第一阶段长于误差消除电路210所需的阈值建立时间，并确定不需要进行第二阶段控制。作为响应，控制电路212停止启用误差消除电路210、打开自动零开关SW1、以及闭合LX使能开关SW2。控制电路212启用重置电路216，以在第三阶段内将比较器208的ZCD信号重置。在时间t34，控制级204的PWM/PFM控制电路打开同步开关S2，所有的信号均被重置。在ngate的下降沿至hs_on的上升沿之间，偏置电流Ibias被停止供应，以节省电能。
图4是当提供较低的输出电压Vout时，图2中的同步降压变换器200的信号的时序图。图4中的信号与图3中的具有相同的解释。
在提供低输出电压Vout的应用中，功率开关S1必须在从时间t41至时间t42的较短的第一阶段内导通，第一阶段短于误差消除电路210的阈值建立时间，如从时间t41至时间t43。误差消除电路210被启用以自比较器208接收取样信号，以在功率开关S1闭合的期间建立并确定误差。在自时间t41至时间t42的该第一阶段，同步开关S2断开，LX使能开关SW2断开以阻止比较器208的第一输入端自节点LX接收信号，偏置电流Ibias施加到比较器208以供其正常运行。
在第一阶段末尾的时间t42，控制级204的PWM/PFM控制电路断开功率开关S1，并大体上同步于时间t42或稍后地闭合同步开关S2。控制电路212确定第一阶段短于误差消除电路210所需的阈值建立时间，并应用第二阶段以进一步地启用误差消除电路210，直至至少达到阈值建立时间。在第二阶段，控制电路212保持自动零开关SW1闭合、LX使能开关SW2断开，并强制比较器208提供的ZCD信号处于低位。因此，由于功率开关S1和同步开关S2的切换而导致的毛刺不会进入比较器208或导致不正确的ZCD输出。在第二阶段末尾的时间t43，误差消除电路210结束建立，控制电路212不再启用误差消除电路210、打开自动零开关SW1、并闭合LX使能开关SW2。控制电路212启用重置电路216，以在第三阶段内重置比较器208的ZCD信号。在时间t44，控制级204的PWM/PFM控制电路断开同步开关S2，所有的信号被重置。
由此可知，所描述的实施方式提供了同步降压变换器的零电流检测器。ZCD包括误差消除电路，其消除比较器误差。ZCD为误差消除电路引入延迟阶段，以使其充分检测和确定误差。在开关的切换中，引入了消空期，以防止由于电压毛刺而引发不正确的ZCD检测翻转。ZCD消除了比较器的误差，并避免了毛刺。
在此参考了特定的所示的例子对于各种示例的实施方式进行了描述。所述示例的例子被选择为辅助本领域的技术人员来形成对于各实施方式的清晰理解并得实施。然而，可以构建为包括一个或多个实施方式的系统、结构和器件的范围，以及根据一个或多个实施方式实施的方法的范围，并不为所展示的示例性例子所限制。相反地，所属技术领域的技术人员基于本说明书可以理解：可以根据各实施方式来实施出很多其他的配置、结构和方法。
应当理解的是，就于本发明在前描述中所使用的各种位置指示来说，例如顶、底、上、下，彼等指示仅是参考了相应的附图而给出，并且当器件的朝向在制造或工作中发生变化时，可以代替地具有其他位置关系。如上所述，那些位置关系只是为清楚起见而描述，并非限制。
本说明的前述描述是参考特定的实施方式和特定的附图，但本发明不应当限制于此，而应当由权利要求书所给出。所描述的各附图都是示例性的而非限制性的。在附图中，为示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能没有绘制为特定的比例尺。本说明也应当包括各元件、工作方式在容限和属性上的不连续的变换。还应当包括本发明的各种弱化实施。
本说明及权利要求书中所使用的词汇“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别指出，在使用单数形式如“一”、“一个”指代确定或不确定的元件时，应当包括该元件的复数。从而，词汇“包括”不应当被理解为限于在其后所列出的条目，不应当理解为不包括其他元件或步骤；描述“器件包括项目A和B”的范围不应当限制为只包括元件A和B的器件。该描述表示，就于本说明而言，只有器件的元件A和B是相关的。“连接”、“耦接”、“耦合”均表示在相耦接或相连接的元件之间存在电学的联系，且不意味着其间没有中间元件。
对于所属领域的技术人员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可以作出多种具体变化。

Claims (10)

1.一种电压变换器的零电流检测器，其特征在于，包括：
具有第一输入端、第二输入端、以及输出端的比较器，第一输入端自电压变换器接收第一信号，第二输入端接收表示地电压的第二信号，输出端提供响应于第一信号和第二信号的比较的ZCD信号，其中ZCD信号是零电流检测器的输出；
耦接到比较器的误差消除电路，误差消除电路响应于电压变换器的功率开关被闭合而启用，误差消除电路自比较器接收取样信号，并响应于取样信号而确定比较器的误差，误差消除电路向比较器提供表示所确定的误差的误差消除信号，以消除响应于第一信号、第二信号的比较而产生的比较器误差；以及
延时电路，耦接到误差消除电路，其中在功率开关断开后，响应于电压变换器的输出电压小于阈值电压，延时电路将误差消除电路在第一预定时间内启用。
2.根据权利要求1的零电流检测器，其特征在于，进一步包括：
控制电路，响应于误差消除电路的启用而重置比较器的输出端上的ZCD信号。
3.根据权利要求1的零电流检测器，其特征在于，进一步包括：
耦接到比较器的重置电路，响应于误差消除电路的不启用而在第二预定时间内重置比较器。
4.根据权利要求1所述的零电流检测器，其特征在于，进一步包括：
耦接在比较器的第一输入端、第二输入端之间的自动零开关，在误差消除电路启用时，自动零开关闭合。
5.一种检测电压变换器的零电流的方法，其特征在于，包括：
在电压变换器的功率开关闭合的第一阶段，重置比较器的输出；
误差消除电路从比较器接收取样信号，并基于取样信号而确定比较器误差；
响应于电压变换器的输出电压低于阈值电压，在电压变换器的功率开关断开的第二阶段，重置比较器的输出；
比较器将来自电压变换器的第一信号与代表地电压的第二信号进行比较，以产生表示第一信号和第二信号的比较的ZCD信号；以及
向比较器提供表示所确定的误差的误差消除信号，以消除比较器误差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
响应于误差消除电路的不启用而在第三阶段重置ZCD信号。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括，在第一阶段和第二阶段：
使第一信号不提供给比较器；以及
将比较器的第一输入端和第二输入端短路，其中第一输入端和第二输入端分别配置为接收第一信号和第二信号。
8.一种同步降压变换器，其特征在于，包括：
功率级，包括功率开关和同步开关，功率开关和同步开关交替地闭合以对电感器充电和放电，电感器具有第一端和第二端，电感器的第一端耦接到功率开关和同步开关，电感器的第二端提供输出信号作为同步降压变换器的输出；
控制功率开关和同步开关的控制级；以及
耦接到功率级和控制级的零电流检测器，其中零电流检测器包括：
耦接到电感器的第一端和地的比较器，比较器将来自电感器的第一端的第一信号和表示地电压的第二信号进行比较，并产生表示电感器的电流为零的ZCD信号；以及
耦接到比较器的误差消除电路，配置为：
响应于功率开关的闭合，接收来自比较器的取样信号，并确定比较器的误差；
响应于同步降压变换器的输出电压低于阈值电压，在功率级的功率开关打开后的第一阶段继续接收来自比较器的取样信号；以及
产生表示所确定的比较器误差的误差消除信号，以消除比较器误差。
9.根据权利要求8所述的同步降压变换器，其特征在于：零电流检测器进一步包括耦接在比较器的第一输入端和第二输入端之间的自动零开关，其中在功率开关闭合的阶段和第一阶段内自动零开关闭合。
10.根据权利要求8所述的同步降压变换器，其特征在于，零电流检测器进一步包括重置电路，重置电路响应于第一阶段结束而在第二阶段内重置ZCD信号。
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