一种基于自适应可调电容延迟补偿的有源整流电路

本发明属于电力电子和集成电路领域，具体提供一种基于自适应可调电容延迟补偿的有源整流电路。

背景技术：

1、伴随科学技术的不断发展，电子产品在人们生活中提供了不可替代的便利，而电源作为确保电子产品正常工作中的重要部分，在如今越来越广的应用场景下也需要做出多方面的适应与提升。例如在生物医学领域中，部分人体植入式芯片就需要采用集成式隔离电源避免外界电气干扰，保证人体及设备的安全；在该类电源中，输入源为交流电源，输出提供芯片内其他部件工作需要的直流电源，而进行交流电转换直流电功能的结构被称为整流电路。

2、整流电路在模拟、射频等电路领域中有着广泛使用。例如，在集成式隔离电源或无线功率传输系统的设计中，交流电通过变压器的磁耦合，将能量从原边绕组传递到副边绕组，此时副边绕组得到的能量仍然为交流形式，因此通常会在其后连接整流电路将交流电能转化成直流电能，以此向其他部件提供直流电压。为了满足不同应用场景的需求，目前集成式隔离电源向小型化、高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展。在效率及功率密度的优化上，需要对系统各部分进行针对性的设计考量，整流电路作为系统结构的重要一环，对输出功率和系统效率的影响不可忽视。

3、目前，整流技术主要可分为有源与无源两类。无源整流技术基于二极管实现整流，其优点是结构简单，其缺点是二极管导通存在开启电压，在低压应用中对无源整流的输出功率和转换效率有很大影响；现有无源整流技术为提升效率常会采用具有更低开启电压的肖特基二极管，但其工艺要求较高会增大工艺成本，温度特性也较差。有源整流技术采用有源器件例如mos管取代二极管，并根据整流的功能需求来控制mos管的导通和截止；由于mos管导通状态下漏极和源极之间的导通电压很低，可以很好地解决二极管开启电压带来的问题。传统有源整流技术如图1所示，比较器对mos管的漏极电压和源极电压进行比较产生栅极驱动电压控制mos管的导通和截止；由于电压比较和栅极驱动的过程中存在延迟，传统有源技术中的mos管不能及时地根据漏源电压导通或截止，使得mos管工作时存在寄生二极管导通状态和反向导通状态，导致系统效率和输出功率降低，特别是随着芯片工作频率越来越高，该延迟在工作周期的占比也越来越大，其负面影响也越来越大。因此，解决延迟问题成为实施有源整流技术的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于自适应可调电容延迟补偿的有源整流电路，该电路在每个工作周期mos管在导通状态和截止状态之间切换时间进行漏极电压和源极电压的比较，并根据比较结果调整延迟线中可调电容的大小来改变可调电容充电时间，使得下一个工作周期mos管从截止状态切换到导通状态的开启时间以及从导通状态切换到截止状态的关断时间提前或延后一个单位电容充电时间步长，经过多个工作周期的迭代最终使得稳定工作状态下的延迟小于单位电容充电时间步长。本发明可以在不同的交流输入电压下实现精确的延迟补偿，进而实现更低的功率损耗和更大的输出功率，提升整流电路的整体性能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于自适应可调电容延迟补偿的有源整流电路，包括：mos管、边沿检测电路、第一可调延时单元、第二可调延时单元、第一sr锁存器与驱动电路；其中：

4、所述边沿检测电路的第一输入端口耦合到mos管的漏极，边沿检测电路的第二输入端口耦合到mos管的源极；边沿检测电路的第一输出端口耦合到所述第一可调延时单元的输入端口，所述边沿检测电路的第二输出端口耦合到所述第二可调延时单元的输入端口；所述第一可调延时单元的输出端口耦合到所述第一sr锁存器的置位端(s)，所述第二可调延时单元的输出端口耦合到所述第一sr锁存器的复位端(r)；所述第一sr锁存器的正相输出端耦合到所述驱动电路的输入端；所述驱动电路的输出端耦合到所述mos管的栅极；所述边沿检测电路的第一输出端口提供第一时钟信号，所述边沿检测电路的第二输出端口提供第二时钟信号，所述驱动电路的输出端提供所述mos管的栅极控制信号ctrl；

5、所述第一可调延时单元包括：第一自适应可调电容单元、第一开关、第一电流源、第一参考电压、第一比较器与第一上升沿检测电路，所述第一开关和所述第一自适应可调电容单元并联，所述第一开关通过第一时钟信号控制导通或关断；所述电流源的一端耦合到有源整流电路的直流输出电压、另一端耦合到所述第一自适应可调电容单元的正电压端，所述第一自适应可调电容单元的负电压端耦合到所述有源整流电路的接地端，所述第一自适应可调电容单元的正电压端耦合到所述第一比较器的正向输入端，所述第一参考电压耦合到所述第一比较器的反向输入端，所述第一比较器的输出端耦合到所述第一上升沿检测电路的输入端，所述第一上升沿检测电路的输出端耦合到所述第一可调延时单元的输出端；

6、所述第一自适应可调电容单元包括：第三比较器、第二sr锁存器、第一计数单元、第一开关电容组与第一或门，所述第三比较器为离散时间比较器，所述第三比较器的时钟端耦合到所述mos管栅极，所述第三比较器的正向输入端耦合到所述mos管的漏极，所述第三比较器的反向输入端耦合到所述mos管的源极，所述第三比较器的正向输出端耦合到所述第二sr锁存器的置位端，所述第三比较器的反向输出端和所述第一时钟信号分别输入至所述第一或门，所述第一或门输出端耦合到所述第二sr锁存器的复位端；所述第一开关电容组由n1个第一开关电容单元并联组成，每个第一开关电容单元由一个可控开关s1i和一个电容c1i串联构成(i＝1,2,...,n1)，可控开关s1i的一端耦合到所述第一自适应可调电容单元的正电压端、另一端耦合到电容c1i，电容c1i的另一端耦合到所述第一自适应可调电容单元的负电压端；所述第一计数单元的计数方向信号端耦合到所述第二sr锁存器的正相输出端，所述第一计数单元的时钟端耦合到所述mos管的栅极；所述第三比较器与第一计数单元同时工作，第一计数单元根据计数值n(1≤n≤n1)产生多路输出信号以控制第一开关电容组中对应n个可控开关导通，实现第一开关电容组有效电容值的自适应调节；

7、所述第二可调延时单元包括：第二自适应可调电容单元、第二开关、第二电流源、第二参考电压、第二比较器与第二上升沿检测电路，所述第二开关和所述第二自适应可调电容单元并联，所述第二开关通过第二时钟信号控制导通或关断；所述电流源的一端耦合到有源整流电路的直流输出电压、另一端耦合到所述第二自适应可调电容单元的正电压端，所述第二自适应可调电容单元的负电压端耦合到所述有源整流电路的接地端，所述第二自适应可调电容单元的正电压端耦合到所述第二比较器的正向输入端，所述第二参考电压耦合到所述第二比较器的反向输入端，所述第二比较器的输出端耦合到所述第二上升沿检测电路的输入端，所述第二上升沿检测电路的输出端耦合到所述第二可调延时单元的输出端；

8、所述第二自适应可调电容单元包括：第四比较器、第三sr锁存器、第二计数单元、第二开关电容组与第二或门，所述第四比较器为离散时间比较器，所述第四比较器的时钟端耦合到所述mos管栅极，所述第四比较器的正向输入端耦合到所述mos管的源极，所述第四比较器的反向输入端耦合到所述mos管的漏极，所述第四比较器的正向输出端耦合到所述第三sr锁存器的置位端，所述第四比较器的反向输出端和所述第一时钟信号分别输入至所述第二或门，所述第二或门输出端耦合到所述第三sr锁存器的复位端，所述第二开关电容组由n2个第二开关电容单元并联组成，每个第二开关电容单元由一个可控开关s2i和一个电容c2i串联构成(i＝1,2,...,n2)，可控开关s2i的一端耦合到所述第二自适应可调电容单元的正电压端、另一端耦合到电容c2i，电容c2i的另一端耦合到所述第二自适应可调电容单元的负电压端；所述第二计数单元的计数方向信号端耦合到所述第三sr锁存器的正相输出端，所述第二计数单元的时钟端耦合到所述mos管的栅极；所述第四比较器与第二计数单元同时工作，第二计数单元根据计数值m(1≤m≤n2)产生多路输出信号以控制第二开关电容组中对应m个可控开关导通，实现第二开关电容组有效电容值的自适应调节；

9、所述边沿检测电路包括：第五比较器、第三上升沿检测电路与第一下降沿检测电路，具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口；所述第五比较器的正向输入端耦合到所述边沿检测电路的第一输入端口，所述第五比较器的反向输入端耦合到所述边沿检测电路的和第二输入端口，所述第五比较器的单端输出端耦合到所述第三上升沿检测电路和第一下降沿检测电路的输入端，当mos管为pmos型时，所述第三上升沿检测电路的输出端耦合到所述边沿检测电路的第一输出端口，所述第一下降沿检测电路的输出端耦合到所述边沿检测电路的第二输出端口；当mos管为nmos型时，所述第一下降沿检测电路的输出端耦合到所述边沿检测电路的第一输出端口，所述第三上升沿检测电路的输出端耦合到所述边沿检测电路的第二输出端口。

10、进一步的，所述mos管为nmos型时，第三比较器和第一计数单元为时钟下降沿触发，第四比较器和第二计数单元为时钟上升沿触发；

11、所述mos管为pmos型时，第三比较器和第一计数单元为时钟上升沿触发，第四比较器和第二计数单元为时钟下降沿触发。

12、进一步的，第一可调延时单元中：

13、

14、其中，c1表示第一开关电容组中电容的容值(每个电容c1i的容值相同)，i1表示第一电流源的电流值，tmax表示有源整流电路的交流输入电压的最大周期，tmin表示有源整流电路的交流输入电压的最小周期；

15、第二可调延时单元中：

16、

17、其中，c2表示第二开关电容组中电容的容值(每个电容c2i的容值相同)，i2表示第二电流源的电流值。

18、进一步的，所述第一计数单元和第二计数单元分别包括可逆计数器和译码器，时钟信号端和计数方向信号端分别输入至可逆计数器，可逆计数器的输出经过译码器生成多路控制自适应可调电容单元中可控开关的信号。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明提供一种基于自适应可调电容延迟补偿的有源整流电路，能够实现对mos管的开启时间和关断时间的自适应调整，使得在稳定工作状态下，mos管的开启时间与漏源电压vds的下降沿过零时间(当mos管为nmos管时)或上升沿过零时间之间(当mos管为pmos管时)的延迟小于等于单组开关电容单元的电容充电时间，mos管的关断时间与漏源电压vds的上升沿过零时间(当mos管为nmos管时)或下降沿过零时间之间(当mos管为pmos管时)的延迟小于等于单组开关电容单元的电容充电时间，实现精准的延迟补偿，消除因mos管开启不及时导致的寄生二极管导通损耗以及因mos管关断不及时导致的反向电流，从而提升整流效率和输出功率。本发明对mos管的开启时间和关断时间的自适应调整方法使得本发明可以适用于各种不同的交流输入电压和不同的温度工况，用以实现更低的功率损耗和更高的转换效率。