开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法与流程

1.本发明属于电源电路设计的技术领域，涉及一种过零点检测电路的校准方法，特别是涉及一种开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法。


背景技术：

2.开关电源电路为片上系统及数字信号处理电路等提供低压电源，其较高的电源转换效率具有无可替代的优势。其工作主要分为两个阶段，一是电源充电阶段，为负载提供电流同时为电感提供能量，二是电感续流阶段，电感利用前一阶段蓄留的能量，在电源断开的情况下，继续为负载提供电流。
3.续流阶段电感为负载提供电流，其电流逐渐接近为零，并最终反向从负载抽取电流。因此在电流过零点时，需要将续流通路关闭，以减少电源损失，提高电源转换效率。通常判断电流过零点是通过模拟比较器来实现，由于电路设计功耗限制以及工艺器件匹配的限制，比较器的带宽以及固有误差都会导致过零点检测具有较大误差，尤其是在负载电流较小时，由此导致的电源转换效率下降非常明显，限制了电路的性能。
4.电流过零点检测比较器的比较误差在不同芯片之间，不同电源电压、不同温度、不同工艺角、不同负载之间都会有所偏差，导致其芯片一致性和误差范围会非常大，严重影响芯片性能及其一致性。
5.因此，如何提供一种开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法，以解决现有技术无法实时校准过零点检测电路的判决误差等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法，用于解决现有技术无法实时校准过零点检测电路的判决误差的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种开关电源过零点检测电路的自动校准装置，其特征在于，所述开关电源过零点检测电路的自动校准装置包括：开关电源输出级电路，用于向负载供电，包括储能电感；过零点比较器，与所述储能电感的一端连接，用于比较所述储能电感的一端的电压是否达到预设值，并输出比较信号；所述过零点比较器包括偏置电阻；动态比较器，与所述过零点比较器连接，并与所述储能电感的两端连接，用于根据所述比较信号，比较所述储能电感两端的电压，并将比较结果输出给偏置电阻调节电路；所述偏置电阻调节电路分别与所述偏置电阻、所述动态比较器连接，用于根据所述比较结果调整所述过零点比较器的偏置电阻，以使所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机。
8.于本发明的一实施例中，所述过零点比较器包括比较器输入端、比较器输出端、电流镜电路和所述偏置电阻；所述比较器输入端与所述储能电感的一端连接，用于比较所述
储能电感的一端的电压是否达到预设值；所述比较器输出端用于输出所述比较信号；所述电流镜电路和所述偏置电阻构成针对所述储能电感的一端的电压采集和比较电路。
9.于本发明的一实施例中，所述电流镜电路包括第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜和输入mos管；所述第一电流镜用于向所述偏置电阻提供电流，所述第二电流镜用于将所述第三电流镜的电流镜像为输入mos管所在支路的电流。
10.于本发明的一实施例中，所述动态比较器包括过零点比较信号输入端、正向输入端、负向输入端、正向输出端、负向输出端、正向mos管电路和负向mos管电路；所述过零点比较信号输入端用于接收所述比较信号；所述正向输入端与所述储能电感的一端连接，所述负向输入端与所述储能电感的另一端连接，以使所述动态比较器对所述储能电感两端的电压进行比较。
11.于本发明的一实施例中，所述正向mos管电路与所述负向mos管电路连接，共同对所述储能电感的两端电压进行动态比较，以在所述正向输入端的电压大于所述负向输入端的电压时，使所述正向输出端的输出为1，所述负向输出端的输出为0；在所述正向输入端的电压小于所述负向输入端的电压时，使所述正向输出端的输出为0，所述负向输出端的输出为1。
12.于本发明的一实施例中，所述开关电源输出级电路包括第一开关单元、第二开关单元、输出电容和所述储能电感；所述第一开关单元与所述储能电感连接，用于在导通时使所述储能电感与电源之间形成电流通路，进入储能状态；所述第二开关单元与所述储能电感连接，用于在导通时使所述储能电感与地之间形成电流通路，进入续流状态；所述输出电容用于与所述储能电感构成低通滤波器，并根据所述储能电感的不同状态进行充、放电。
13.于本发明的一实施例中，所述第一开关单元包括第一缓冲器和第一开关管，所述第二开关单元包括第二缓冲器和第二开关管；所述第一缓冲器与所述第一开关管的栅极连接，所述第一开关管用于在导通时使所述储能电感与电源之间形成电流通路，进入储能状态；所述第二缓冲器与所述第二开关管的栅极连接，所述第二开关管用于在导通时使所述储能电感与地之间形成电流通路，进入续流状态。
14.于本发明的一实施例中，所述过零点比较器与所述开关电源输出级电路中的数字逻辑电路连接，用于通过数字逻辑电路调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机。
15.本发明另一方面提供一种开关电源过零点检测电路的自动校准方法，所述开关电源过零点检测电路的自动校准方法包括：检测开关电源输出级电路中储能电感的一端的电压，并输出比较信号；根据所述比较信号，比较所述储能电感两端的电压，并将比较结果输出给偏置电阻调节电路；根据所述比较结果调整过零点比较器中偏置电阻的阻值，以使所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机。
16.于本发明的一实施例中，设置一迭代周期，在所述迭代周期内对所述过零点比较器中偏置电阻的阻值进行迭代调整，以使所述过零点比较器的判决误差收敛至预设范围内最小值。
17.如上所述，本发明所述的开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法，具有以下有益效果：
18.本发明采用具有高速低功耗特点的动态比较器，通过将过零点比较器的输出信号
作为时钟信号，并结合储能电感两端的电压使所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机，以此实时校准过零点检测电路的判决误差。本发明具有无静态功耗、低功耗、高精度、应用范围广及鲁棒性强的特点，以极小的电路规模和较少的功耗提高过零点检测的精度，从而提高开关电源输出级电路的电源转换效率，尤其是明显提高负载功耗较低时的电源转换效率，并且提高了芯片的稳定性和片间一致性。
附图说明
19.图1显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的电路结构图。
20.图2显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的过零点比较器电路图。
21.图3显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的动态比较器电路图。
22.图4显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准方法于一实施例中的原理流程图。
23.图5显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准方法于一实施例中的检测信号示意图。
24.元件标号说明
25.11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关电源输出级电路
26.12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过零点比较器
27.13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
动态比较器
28.14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
偏置电阻调节电路
29.s41～s43
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
32.本发明所述的开关电源过零点检测电路的自动校准方法通过采用具有高速低功耗特点的动态比较器，后台实时校准过零点检测电路的判决误差。可以提高过零点检测的精度，提高开关电源的效率，尤其是低电流负载时的电源转换效率。同时也保证了不同芯片、不同电源电压、不同温度、不同工艺角、不同负载的情况下，芯片都能处于比较稳定且优良的工作状态。
33.以下将结合图1至图5详细阐述本实施例的一种开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法。
34.请参阅图1，显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的电路结构图。如图1所示，所述开关电源过零点检测电路的自动校准装置包括：开关电源输出级电路11、过零点比较器12、动态比较器13和偏置电阻调节电路14。
35.所述开关电源输出级电路11用于向负载r供电，所述开关电源输出级电路11包括储能电感l。于实际应用中，所述开关电源输出级电路为buck降压电路，向负载r提供降压后的输出电压。
36.在本实施例中，所述开关电源输出级电路包括第一开关单元、第二开关单元、输出电容c和所述储能电感l。
37.所述第一开关单元与所述储能电感l连接，用于在导通时使所述储能电感l进入储能状态。
38.所述第二开关单元与所述储能电感l连接，用于在导通时使所述储能电感l进入续流状态。
39.所述输出电容c用于与所述储能电感l构成低通滤波器，并根据所述储能电感l的不同状态进行充、放电。
40.在本实施例中，所述第一开关单元包括第一缓冲器u1和第一开关管q1，所述第二开关单元包括第二缓冲器u2和第二开关管q2。
41.所述第一缓冲器u1与所述第一开关管q1的栅极连接，所述第一开关管q1用于在导通时使所述储能电感l与电源之间形成电流通路，进入储能状态。
42.所述第二缓冲器u2与所述第二开关管q2的栅极连接，所述第二开关管q2用于在导通时使所述储能电感l与地之间形成电流通路，进入续流状态。
43.所述过零点比较器12与所述储能电感的一端连接，用于比较所述储能电感的一端的电压是否达到预设值，并输出比较号；所述过零点比较器12包括偏置电阻。
44.请参阅图2，显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的过零点比较器电路图。如图2所示，所述过零点比较器包括比较器输入端vin、比较器输出端vout、电流镜电路(cm1、cm2、cm3)和所述偏置电阻r。
45.所述比较器输入端vin与所述储能电感l的一端连接，用于检测所述储能电感l的一端的电压。
46.所述比较器输出端vout用于输出所述比较信号。
47.所述电流镜电路(cm1、cm2、cm3)和所述偏置电阻r构成针对所述储能电感的一端的电压采集和比较电路。
48.在本实施例中，所述电流镜电路包括第一电流镜cm1、第二电流镜cm2、第三电流镜cm3和输入mos管q3。
49.所述第一电流镜cm1用于向所述偏置电阻r提供电流，所述第二电流镜cm2用于将所述第三电流镜cm3的电流镜像为输入mos管q3所在支路的电流。
50.所述动态比较器13与所述过零点比较器12连接，并与所述储能电感的两端连接，用于根据所述比较信号，比较所述储能电感两端的电压，并将比较结果输出给偏置电阻调
节电路。
51.请参阅图3，显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准装置于一实施例中的动态比较器电路图。如图3所示，所述动态比较器包括过零点比较信号输入端clk、正向输入端inp、负向输入端inn、正向输出端vop、负向输出端von、正向mos管电路和负向mos管电路。
52.所述过零点比较信号输入端clk用于接收所述比较信号。
53.所述正向输入端inp与所述储能电感的一端连接，所述负向输入端inn与所述储能电感的另一端连接，以使所述动态比较器对所述储能电感两端的电压进行比较。
54.在本实施例中，所述正向mos管电路与所述负向mos管电路连接，共同对所述储能电感l的两端电压进行动态比较，以在所述正向输入端inp的电压大于所述负向输入端inn的电压时，使所述正向输出端vop的输出为1，所述负向输出端von的输出为0；在所述正向输入端inp的电压小于所述负向输入端inn的电压时，使所述正向输出端vop的输出为0，所述负向输出端von的输出为1。图3中，电路为左右对称结构，将左侧晶体管组成的电路称为负向mos管电路，将右侧晶体管组成的电路称为正向mos管电路。
55.如图3所示，在clk为低电平时，，动态比较器电路处于不工作状态且功耗为零，vop von输出都为零电位。此时差分对输入管q2_n、q2_p的尾电流管q3为截止状态。q1_n管与q1_p管导通其漏极输出为电源电压，使q4_n管与q4_p管截止，q5_n管与q5_p管导通，q7_n管与q7_p管导通。q4_n管q4_p管的截止，关断了动态比较器下半部分的供电。q5_n管、q5_p管的导通，使q6_n管、q6_p管的源极为零电位。q7_n管与q7_p管的导通，使von、vop等于零电位。
56.如图3所示，当clk为高电平时，q3管导通，在所述正向输入端inp的电压大于所述负向输入端inn的电压时，q2_p管比q2_n管导通电阻小，使q2_p管的漏极比q2_n管的漏极更快地从电源电压下降到零电位。进而使q4_p管比q4_n管先导通，同时q5_p管、q7_p管截止，使得q6_p管漏极电压比q6_n管漏极电压先提高，此时von处于上一个状态为零电位，从而使q6_p开始导通并且漏极vop电压随着q6_p管源极电压上升，随着vop上升，使得q8_n管导通，同时q5_n管、q7_n管截止，从而von保持地电位。因此所述正向输出端vop的输出为1，所述负向输出端von保持原始状态，输出为0。
57.如图3所示，当clk为高电平时，q3管导通，在所述正向输入端inp的电压小于所述负向输入端inn的电压时，q2_n管比q2_p管导通电阻小，使q2_n管的漏极比q2_p管的漏极更快地从电源电压下降到零电位。进而使q4_n管比q4_p管先导通，同时q5_n管、q7_n管截止，使得q6_n管漏极电压比q6_p管漏极电压先提高，此时vop处于上一个状态为零电位，从而使q6_n开始导通并且漏极von电压随着q6_n管源极电压上升，随着von上升，使得q8_p管导通，同时q5_p管、q7_p管截止，从而vop保持地电位。因此所述负向输出端von的输出为1，所述正向输出端vop保持原始状态，输出为0。
58.需要说明的是，图2和图3中是所有标识号位于电路连接线上，所以，类似-vout-实为vout，类似-clk-实为clk。
59.所述偏置电阻调节电路14分别与所述偏置电阻、所述动态比较器13连接，用于根据所述比较结果调整所述过零点比较器的偏置电阻，以使所述过零点比较器12通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路11中nmos管(图1中q2管)的关断时机。
60.其中，所述偏置电阻调节电路可以是利用计数器、逻辑门搭建的简易数字逻辑电
路，也可以是用于发送控制信号的单片机等集成控制芯片。
61.在本实施例中，所述过零点比较器与所述开关电源输出级电路中的数字逻辑电路连接，用于通过数字逻辑电路调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机，所述数字逻辑电路如图1中的数字逻辑control logic所示。
62.所述开关电源过零点检测电路的自动校准装置的校准过程如下：
63.(1)过零点比较器在每次sw电压超过一定阈值之后输出高电平。
64.(2)过零点比较器输出上升边沿信号给动态比较器做时钟clk输入，触发动态比较器做出判决。
65.(3)动态比较器检测过零点比较器输出是否提前或者延后。
66.(4)动态比较器将是否提前或者延后的判断结果输出给偏置电阻调节电路，使偏置电阻调节电路发出控制信号，调整过零点比较器的偏置电阻阻值，然后，所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机，以调整其判决点。所述偏置电阻的实现形式是通过mos开关控制串联电阻中某些电阻是否短路来调节电阻值。
67.(5)以上步骤(1-4)每周期迭代，使得过零点比较器判决误差收敛到一个比较小的范围以提高电源转换效率。
68.请参阅图4，显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准方法于一实施例中的原理流程图。如图4所示，本发明所述的开关电源过零点检测电路的自动校准方法具体包括以下步骤：
69.s41，检测开关电源输出级电路中储能电感的一端的电压，并输出比较信号。
70.s42，根据所述比较信号，比较所述储能电感两端的电压，并将比较结果输出给偏置电阻调节电路。
71.s43，根据所述比较结果调整过零点比较器中偏置电阻的阻值，以使所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机。
72.在本实施例中，设置一迭代周期，在所述迭代周期内对所述过零点比较器中偏置电阻的阻值进行迭代调整，以使所述过零点比较器的判决误差收敛至预设范围内最小值。
73.请参阅图5，显示为本发明的开关电源过零点检测电路的自动校准方法于一实施例中的检测信号示意图。如图5所示，v_sw为开关电源输出级电路中储能电感l左端电压，即sw点的电压变化。图5中的圆圈位置表示过零点位置，clk的上升沿由过零点比较器在每次比较之后输出的高电平产生，由图5中可看出，clk的高电平时间段与v_sw的台阶电压持续时间保持一致。由clk的第1个和第3个高电平可以看出v_sw出现过冲现象，过冲电压使得动态比较器输出vop为高，过冲是由于过零点比较器对于过零点的检测出现滞后，虚线与圆圈位置并不一致，续流mos管在过零之后才断开，导致sw上电压突然上升。因此，通过动态比较器的检测以及偏置电阻调节电路对偏置电阻的调整，可以调整过零点比较器的判决误差，使得虚线与圆圈位置趋于一致，表示通过本发明所述的开关电源过零点检测电路的自动校准方法，判决误差具有明显缩小趋势。
74.本发明所述的开关电源过零点检测电路的自动校准方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
75.综上所述，本发明所述开关电源过零点检测电路的自动校准装置及校准方法采用具有高速低功耗特点的动态比较器，通过将过零点比较器的输出信号作为时钟信号，并结合储能电感两端的电压使所述过零点比较器通过数字逻辑调整所述开关电源输出级电路中续流mos管的关断时机，以此实时校准过零点检测电路的判决误差。本发明具有无静态功耗、低功耗、高精度、应用范围广及鲁棒性强的特点，以极小的电路规模和较少的功耗提高过零点检测的精度，从而提高开关电源输出级电路的电源转换效率，尤其是明显提高负载功耗较低时的电源转换效率，并且提高了芯片的稳定性和片间一致性。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
76.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。