一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路设计*

周朝阳，冯全源

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都611756）

一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路设计*

周朝阳，冯全源

（西南交通大学 微电子研究所，四川 成都611756）

同步BUCK芯片在轻载模式下会产生因电感电流倒灌而产生的额外功耗。针对这一问题，设计了一款过零检测电路。该电路采用两个不同电压门限采集技术，并对门限进行温度补偿，有效限制了电感电流的倒灌；同时设计了边沿隐匿电路，避免电路切换时引起的误触发。该过零检测电路基于0.25滋m BCD工艺设计，利用HSPICE仿真验证。当系统温度在-40℃～120℃变化时，负阈值电压容差仅为0.2 mV，实现了高精度的过零检测，且静态功耗极低。

BUCK变换器；轻载模式；过零检测；不连续导通模式

0 引言

近年来，同步 BUCK型开关电源因高效率、低功耗的优势被广泛用作各种电子设备的电源，其采用同步整流MOSFET代替传统的续流二极管，是目前比较常用的一类开关电源拓扑。同步BUCK变换器在满负载情况时工作于连续电流模式（CCM）；但在轻负载情况下，当负载电流降低至低于电感电流时，会出现电感电流倒灌现象，此时变换器需要工作在非连续电流模式（DCM）下以降低损耗。通常，同步变换器实现DCM模式是比较困难的，尤其是在高频应用中，这时往往需要一个高速、高精度的电感电流过零检测电路[1-3]，在轻载时能及时关断同步续流管，降低变换器轻载模式下功耗。

本文提出了一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路，采用双电压门限技术及门限温度补偿电路，有效限制了电感电流的倒灌。详细介绍了同步BUCK变换器DCM工作模式及过零检测机制，通过仿真验证了该过零检测电路工作性能良好。

图1 同步BUCK变换器拓扑结构

1 同步BUCK变换器DCM工作模式及过零检测机制

1.1 同步BUCK变换器DCM工作模式

同步BUCK型变换器的拓扑结构如图1所示，其采用同步整流 MOSFET代替传统异步变换器的续流二极管，从而极大提高电源转换效率。其中，M1为高端开关管，M2为同步整流MOSFET，Driver信号是带有死区时间控制的脉宽调制方波，驱动M1及M2的导通和关断。L为储能电感，R为负载电阻，C为输出端电容。当Driver驱动信号为高电平时开关管M1导通，输入电压对电感L充电；当 Driver信号为低电平时续流管 M2导通，电感放电到负载R。

假设图1中的开关管M1、续流管M2的导通阻抗分别为 RON1、RON2，则在开关管 M1导通时 SW 端的电压 VSW1可表示为：

同步续流管M2导通时SW端的电压：

假设 RON1、RON2为定值，根据式(1)、式(2)可知，SW 端的电压变化量与电感电流的变化量成线性比例关系，因此可以利用SW 端电压作为电感电流的采样信号[4，5]。

轻载情况下，同步BUCK变换器通常工作于两种模式：强迫连续导通模式(FCCM)或非连续导通模式(DCM)，图 2(a)、图 2(b)所示分别为 FCCM和 DCM模式下的电感电流波形。可以看出，FCCM模式中每个周期电感电流都回到零并有反向电流流通时间，而DCM模式下电流回到零后没有反向电流流过，保持零电流至周期结束。

图2 FCCM/DCM模式下电感电流波形

1.2 同步BUCK变换器过零检测机制

图3所示为本文提出的同步BUCK变换器过零检测电路原理图。文中的过零检测电路包括三部分：过零检测使能电路、边沿隐匿电路和负阈值电压比较器。过零检测电路使能信号如图 3中ZC_en信号所示，当变换器高端开关管驱动信号 HS_dr为高电平，通过使能电路反相作用，使能信号ZC_en为低电平，整个过零检测电路关断；当 HS_dr为低电平，ZC_en拉高，从而使能过零检测电路开始工作。通过该使能电路，只有在高端管关闭，低端续流管开启阶段，电感电流可能会出现倒灌现象时，过零检测电路才启动工作，从而极大降低了系统的功耗[6]。边沿隐匿电路如图 3中虚线框中所示，能有效屏蔽低端续流管导通瞬间SW端电位扰动对过零检测电路造成的误触发。负阈值电压比较器如图3中ZC比较器所示，由1.1中分析可知，电感电流降低到零时，VSW也降为零，但由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和一些寄生参数的影响，致使 VSW=0时，控制电路不能及时关断同步续流管，仍会导致电感电流的倒灌。因此实际应用中，通常选取略低于0 V的SW电压作为过零比较器的翻转门限。负电压阈值比较器检测SW端电压，一旦SW电位达到负电压阈值，比较器输出保护信号，系统将关断低端续流管，防止电感电流倒灌[7]。

图3 过零检测电路原理

2 过零检测电路的设计

过零检测电路主要包含两部分：双门限电压采集电路和负阈值电压比较器电路，分别如图4、图5所示。双门限电压采集电路实现对VSW和 PGND的电压采样，采样结果提供负阈值电压比较器进行比较；负阈值电压比较器比较IN+与IN-，比较结果 VOUT通过Driver模块控制低端整流管的导通或关断。

图4 双门限电压采集电路

图5 负阈值电压比较器电路

2.1 双门限电压采集电路

图4所示为双门限电压采集电路，当 Ctr1电平为高、Ctr2为低时，MN1导通，MN2截止，VSW0≈VSW； 当 Ctr1电平为低、Ctr2为高时，MN1截止，MN2导通，VSW0≈R2/(R1+R2)× VSW，从而实现对 VSW双门限采集。

2.2 负阈值电压比较器电路

图5所示为负阈值电压比较器实际电路，比较器采用两级放大电路，分别为第二级NPN放大电路和第三级NMOS放大电路，其中第二级为电阻负载的NPN放大电路，以保证宽带宽和低延时；第三级为CMOS放大电路，以提高增益，同时对波形进行整形；最后一级为输出级，将比较输出电压转化成全摆幅信号。第一级采用PNP跟随电路，将两个输入信号抬高以达到第二级 NPN放大电路的共模输入电平下限值。

BJT放大电路与 CMOS电路相比转换速度更快，也具有更好的带宽，因此第二级采用NPN放大电路。但BJT在集电极电流相对稳定时受温度变化影响较大，故需要正温度系数电流，以稳定 NPN差分对的增益[8]。前两级电流源I1为带隙基准源提供的正温度系数电流，后两级电流源I2为负温度系数电流，以降低增益和延时的温度特性。

图5中电流源I1可以表示为(其中K、N、R均为常值)：

因NPN的跨导gm为：

则NPN放大级的输出增益可以表示为：

由式(5)可以看出，NPN放大级的增益和温度无关，但第三级和输出级是CMOS电路，受温度影响较小。

3 仿真结果及分析

将上述过零检测电路应用于一款同步BUCK电源芯片中，基于0.25 μm BCD工艺设计，利用HSPICE进行仿真。输入电压4.5 V～18 V，开关频率 700 kHz，储能电感1.5 μH，输出电容 44 μF，RON1=100 mΩ，RON2=70 mΩ。

图6所示为负阈值电压比较器直流仿真结果。当PGND设置为 0时，比较器的负阈值门限约为-12 mV，其阈值门限失调容差约为0.1 mV。当温度从-40℃变化到120℃时，其负阈值门限容差约为0.2 mV，阈值电压容差极小。温度仿真结果显示，当图5中所示I1、I2分别为正温度系数和负温度系数电流源时，MP4的栅极电压 Vg1温度系数接近于零，MP5的栅极电压 Vg2变化容差约为54 mV，比较器性能稳定。

图6 负阈值电压比较器直流仿真结果

图7 和图8所示分别为一款同步BUCK电源芯片加载和去除论文中过零检测电路后轻载时仿真结果。可以看出：当系统中加载了过零检测电路时，电感电流每个开关周期都要回到零，且保持零直到周期结束，开始另一个充放电周期，没有反向电流出现，故系统工作于DCM模式；当系统中没有过零检测电路时，电感电流每个开关周期都有一段反向电流，故系统工作于FCCM模式。论文提出的过零检测电路能在系统轻载时及时关断低端续流管，极大降低了功耗，达到设计要求。

图7 带过零检测同步芯片仿真结果

图8 不带过零检测同步芯片仿真结果

4 结论

本文设计了一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路，该电路采用两个不同电压门限采集技术，并对门限进行温度补偿，有效限制了电感电流的倒灌；同时设计了边沿隐匿电路，避免电路切换时引起的误触发。该过零检测电路已应用于一款同步BUCK电源芯片中，基于0.25 μm BCD工艺进行设计及仿真验证，当系统温度在-40～120℃变化时，负阈值电压门限容差为0.2 mV，实现高精度的过零检测，且静态功耗极低。

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Design of a zero-crossing detection circuit for low-power synchronous BUCK converter

Zhou Chaoyang，Feng Quanyuan
(Institute of Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China)

The synchronous BUCK converter will generate additional power loss caused by the reverse inductor current in the light load mode.A zero-crossing detection circuit was designed for this problem.By using two different thresholds acquisition technology, with the temperature compensation for the threshold,the current backward flowing is avoided;Edge occult circuit is also designed to avoid false triggering at switching moment.The zero-crossing detection circuit is designed based on 0.25滋m BCD process,and carried on HSPICE.The simulation result shows that the negative threshold tolerance is only 0.2 mV when the system temperature various from-40℃ to 120℃，and the static power consumeption is very low.

BUCK converter；light load mode；zero-cross detection；DCM

TP212

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.033

周朝阳，冯全源.一种低功耗同步BUCK芯片的过零检测电路设计 [J].电子技术应用，2015，41 (11)：118-120，131.

英文引用格式：Zhou Chaoyang，Feng Quanyuan.Design of a zero-crossing detection circuit for low-power synchronous BUCK converter[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：118-120，131.

2015-07-01)

周朝阳 (1988-)，男，硕士，主要研究方向：模拟集成电路。

冯全源(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：数字、模拟、射频与混合信号集成电路设计等。detecting current zero of synchronous DC-DC buck converter[J].Isocc Conference，2012：487-490.

国家自然科学基金项目（61271090）；四川省科技支撑计划项目（2015GZ0103）