一种新颖的基于同步BUCK芯片而设计的过零检测电路

同步BUCK变换器的拓扑如图1所示，其中Driver信号是带有死区时间控制的PWM方波，M1为主开关管，M2为同步整流管，L为储能电感，C为输出电容，RL 为负载电阻。当Driver信号为高电平时开关管M1导通，输入电压对电感充电;当Driver信号为低电平时M2导通，电感放电。首先假设图1中的功率管M1、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：

同步整流管M2导通时SW端的电压VSW2为：

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。

过零检测电路的设计

由上节知道，电感电流降低到零时，SW=0。但由于变换器内部的延迟，致使同步管续流至零时，系统不能马上将同步管关断，这必然导致电流的倒灌。因此在实际应用中，通常选取略低于0V的SW电压值作为过零比较器的翻转点。另外系统在充放电之间切换初期，SW电压不稳定，因此需要屏蔽掉这段时间，检测结果才够精准。基于以上分析，本文中的过零检测电路包括以下两部分：边沿隐匿电路和负阈值电压比较器。边沿隐匿电路能有效屏蔽整流管导通瞬间SW端电位扰动对过零检测电路造成的误触发;负电压阈值比较器监测SW 端电位，一旦SW电位达到负电压阈值，比较器输出保护信号，系统将关断整流管,防止倒灌。

1、边沿隐匿电路的设计

过零检测电路如图2所示，其中虚线框中的数字逻辑电路即为边沿隐匿电路。控制信号HS_dr是与BUCK变换器开关管M1栅极驱动信号同频同相的信号，即当HS_dr=1时，电感充电;当HS_dr=0 时，电感放电。整个电路的输出信号ZC_OUT在SW=SW_TH时翻转为高电平，系统将整流管M2关闭。

(1)电感充电时段，开关管M1导通，整流管M2截止，此时不需要过零检测电路。

控制信号HS_dr=1，经过或非门，强制将ZC_OUT拉到地。且MN1导通，将A点拉到地，经过施密特触发器后，B点为高电平，使得过零比较器的输出允许信号CTR =1，将比较器的输出OUT强制到高电平。因此整个充电过程，过零检测的输出为低电平。

(2)电感放电时段，开关管M1 截止，整流管M2导通，需要过零检测电路。

此时控制信号HS_dr =0，不影响输出信号ZC_OUT。MN1截止，A点将由恒定电流I对电容C0充电，当A点充电到施密特触发器的下门限VT-时，B点将翻转为低电平，经过两级反向器后使得信号CTR=0，允许过零比较器正常工作。因此在放电初期，当A没有充到施密特门限值时，将使ZC_OUT= 0，此后ZC_OUT将随SW变化。充电时间由下式确定：

2、负阈值电压比较器的设计

1)输入级与高增益级的设计

负阈值电压比较器的整体电路如图3所示。其中VDD为电源，VSS为地信号;I_bias为直流电流偏置;EN为比较器的使能控制信号，低电平有效;CTR为边沿隐匿电路产生的比较器输出允许信号，低电平时输出允许。Vn为比较器的负端输入，Vp为比较器的正端输入，其中MOS管N1为高压管，R1 =R2。

由于输入电压要求到0V，因此采用电阻负载P管放大的差分电路作为输入级，这样能增大共模输输入范围(ICMR)。忽略开关管的压降，其共模输入范围可表示为：

由式(4)可以看出ICMR最小能到达负值。输入级电路的功能是将输入的差分电压进行放大，其电压增益可表示为：

第2级为高增益级，采用电流镜做负载P管放大的双端变单端结构，其电压增益表示为：

2)负电压阈值的设计

由于比较器的核心电路采用的是完全对称的结构，因此输入失调电压约为0V。图3中的NMOS管N1与N2工作在开关状态，其导通电阻为：

因此比较器的正负端电压Vp与Vn可表示为：

当Vn=Vp时，比较器输出发生反转，因此由式(8)可推出，SW的负电压阈值为：

由式(9)可知，调节N1与N2的宽长比或调节电流I1与I0都可改变SW的门限值，使其满足设计的负阈值要求。

仿真结果

将上述过零检测电路应用于一款同步BUCK 电路中，基于0.5μm BCD工艺和HSPICE软件进行仿真。输入电压4V~16V，开关频率400kHz，储能电感4.7μH，输出电容44μF，RON1=250mΩ、RON2=200mΩ，设SW的负阈值电压为-45mV，其仿真验证结果如下：

图4为系统温度在0~85℃变化时，比较器的输出信号随着SW端电压变化曲线。从图上可看出其负阈值电压从-40mV变化到-50mV，变化范围为10mV。阈值电压容差较小，比较器性能较为稳定。

图5为整个电路仿真波形。从图上可看出SW电压在切换时，先经过1μs时间的边沿隐匿，CTR变为低电平，此后才允许比较器的输出OUT随着SW电压变化，且OUT在SW=-44.7mV左右时提前翻转为低电平，经过数字逻辑后使ZC_OUT翻转为高电平。

系统中有无过零检测电路的仿真结果如图6所示。由图可知：系统轻载时，当没有过零检测电路，系统将工作于FCCM模式，电感电流发生了严重的倒灌现象;而有过零检测电路时，当电感电流减小到零后，系统将进入DCM模式，防止电流倒灌，达到设计要求。

文章小结

本文介绍了一种新颖的、可应用于同步Buck芯片的过零检测电路，该电路利用MOS管工作在线性区时的沟道电阻来抵消同步管关断延迟，从而有效地限制了电流的倒灌。且设计了边沿隐匿电路，避免电路切换时引起的误触发。该电路已应用于一款DC-DC设计中，并在0.5μmBCD工艺上进行了系统验证，结果证明所设计电路的工作状态良好，可以广泛应用于有类似要求的同步BUCK芯片中。