一种同步降压转换器的自适应死区时间控制制造技术

开关模式电源(SMPS)在启动过程中逐渐增加占空比，同时将初始死区时间减少到正常运行的最终最佳死区时间。较大的初始死区时间提高了可靠性，在启动过程早期的低电压条件下减少了开关晶体管的振铃。当电压接近工作水平时，通过减少最佳死区时间，效率得到提高。初始死区时间是作为输入电压和初始占空比的函数预先计算的。最佳死区时间是作为输出电压和输出电流的函数预先计算的。最佳死区时间在第二循环的每次迭代中被调整，该第二循环也增加占空比，直到达到目标工作输出电压。预先计算的死区时间是基于SMPS电路中开关晶体管的寄生漏极

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种同步降压转换器的自适应死区时间控制


[0001]本专利技术涉及电源转换器，特别是涉及一种防止开关模式电源(Switched
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Mode Power Supply，SMPS)出现振铃(ringing)的启动过程。

技术介绍

[0002]电源转换器如DC
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DC转换器得到了广泛的使用。开关模式电源(SMPS)对晶体管快速开启和关闭，以将输出电容器充电到所需的输出电压。控制这种开关以高效地获得所需的输出电压，特别是在给转换器充电时，可能会非常困难。
[0003]图1显示了现有技术的一个开关模式电源(SMPS)。输入电源电压VIN+将被转换为输出电源电压VOUT+。输入和输出都使用一个公共接地GND，但有些系统有单独的接地。
[0004]VIN+和GND之间的输入电容器320对上拉晶体管302、306的漏极的输入进行滤波，而地连接到下拉晶体管304、308的源极。上拉晶体管302的源极和下拉晶体管304的漏极连接在一起，以通过电感器312驱动VOUT+，对输出电容器330进行充电。
[0005]上拉晶体管302的栅极G1被驱动至高电平，以开启晶体管302一段时间，从而对输出电容器330进行充电。一旦G1被驱动至低电平，下拉晶体管304的栅极被驱动为高电平，从而对输出电容器330进行放电。G1、G2的信号通常是kHz频率范围内的时钟信号，为特定的输入电压VIN+，调整占空比以获得期望输出电压VOUT+。例如，通过增加G1相对于G2的高电平时间(占空比)，可以获得更高的VOUT+。
[0006]同样，上拉晶体管306的源极和下拉晶体管308的漏极连接在一起，通过电感器314驱动VOUT+，以对输出电容器330进行充电。施加到晶体管306、308的栅极的开关信号可以与驱动晶体管302、304的栅极的开关信号异相180度，以减小输出纹波。
[0007]晶体管302、304、306、308可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但最近正在使用氮化镓(GaN)晶体管，因为它们可以为特定的物理晶体管尺寸提供更高的电流。GaN晶体管允许更高密度的电源转换器模块，因为在一定尺寸下，使用GaN器件可以提供更高的功率电流。与MOS晶体管相比，GaN晶体管的输入电容较小，提供了更快的开关响应时间，可以实现更高的频率应用。更低的开关损耗能够带来更好的效率。
[0008]图2显示图1的SMPS的运行波形。晶体管302的栅极电压G1脉冲至高电平，对输出电容330进行充电，然后晶体管304的栅极电压G2脉冲至高电平，对输出电容330进行放电。G3和G4的波形与G1、G2的波形相比，有180度的相位延迟。
[0009]为了防止两个晶体管302、304同时被开启，在G2上升之前和G1上升之前添加了死区时间TDEAD。尽管这些死区时间可能不同，但通常它们被设置为相同的值。如果两个晶体管302、304同时开启，这个死区时间可以防止出现电源到地的电流路径。如果不添加死区时间或死区时间太短，可能会出现高电流尖峰，可能会出现晶体管302、304的加热以及损坏。死区时间太长也是不可取的，因为它减少了任何给定开关频率下可用的脉冲高电平时间；因此随着死区时间的增加，效率会降低。
[0010]图3是图1的SMPS启动的波形。启动SMPS的操作可能很棘手。当电源在时间T0被接
通时，电压和电流最初为零。由系统电源产生的输入电压VIN上升，直到在时间T1达到一个足够高的值，例如在目标稳态输入电压的5％范围内。然后在时间T2开启SMPS之前，提供一个冷却(Cool
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Down，CD)延迟。G1
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G4开始切换开与关，但占空比很低，但逐渐增加，直到时间TN。随着这个占空比的增加，输出电压VOUT和输出电流IOUT都会增加。最后在时间TN，占空比基本保持不变，而VOUT已经达到了目标输出电压。现在在时间TN之后可以进行正常运行。
[0011]图4显示在SMPS中使用GaN晶体管时在启动期间可能出现振铃问题的波形。在SMPS中简单地用GaN晶体管替换MOS晶体管会导致问题。专利技术人注意到，当使用GaN晶体管时，在启动SMPS期间会出现振铃问题。
[0012]当G1下降，关闭晶体管302时，由于电感312抵制电流的突然变化，电流在这第一死区时间内继续流动。储存在电感器312周围磁场中的能量被释放回电路中。电感器312上的电压现在与“开启”期间的电感器312上的电压呈反极性，电流被迫在短时间内通过晶体管304的体二极管。然后，晶体管304将被接通，继续为负载提供电流。
[0013]当G1为高电平，晶体管302开启，且G2为低电平，晶体管304关闭时，上拉晶体管302两端的电压VDS(Q1)接近于零。当G1变为低电平时，VDS(Q1)开始上升，关闭晶体管302。当G2为低电平时，下拉晶体管304两端的电压VDS(Q2)很大，关闭晶体管304。G1变高开启晶体管304，但当G1变为低时VDS(Q2)开始下降，关闭晶体管302。电流被电感312从晶体管302、304之间的中间节点VM拉出。
[0014]该电流在第一死区时间内对晶体管302(VDS Q1)中的寄生漏极
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至
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源极电容器进行充电，并对晶体管304(VDS Q2)中的寄生漏极
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至
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源极电容器进行放电。
[0015]当G2进入高电平并开启下拉晶体管304时，第一死区时间结束，VDS(Q2)迅速下降到零。中间节点VM电压下降到零，导致上拉晶体管302的寄生电容被充电，VDS Q1上升到高值。
[0016]VDS Q1和VDS Q2的实际波形更为复杂。专利技术人注意到，如果晶体管304的VDS没有下降到零，或晶体管302的VDS在死区时间内没有上升到Vin，那么当G2进入高电平且下拉晶体管304开启时，模拟中会出现振铃。中间节点VM和晶体管302、304的漏极
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至
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源极电压的这种振铃被认为是由电感312的谐振电路以及晶体管302、304的寄生电容和电感引起的。
[0017]这种振铃是不可取的，因为高振铃电流会出现尖峰并可能损坏GaN晶体管和其他元件。高振铃可能导致栅源电压(VGS)的两侧也出现振铃，并可能错误地触发另一侧GaN晶体管的开启。由于出现这种振铃，SMPS的可靠性可能会降低。这种振铃是出了名的难以检测和观察，使得这种可靠性问题更加难以解决。
[0018]本专利技术人注意到，这种振铃发生在较短数值的死区时间中。较长数值的死区时间能够减少或消除振铃。然而，较长的死区时间会降低SMPS的效率。因此，选择较大的死区时间来防止振铃是不可取的。
[0019]期望有一种用于SMPS的启动过程。期望有一种启动过程，能随着启动期间条件的变化而动态地调整死区时间。期望有一种启动过程，当SMPS通电到较高的输出电压时，能减少GaN晶体管的振铃。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种启动开关模式电源(SMPS)的方法，包括：在上电时等待，直到输入电压达到第一目标电压；将占空比设定为初始占空比；从所述输入电压和所述初始占空比产生一个初始死区时间；(a)产生具有固定频率的第一开关信号和第二开关信号，并且产生具有所述占空比的所述第一开关信号，产生具有所述初始死区时间的所述第一开关信号和所述第二开关信号，所述初始死区时间位于所述第一开关信号的关断边缘和所述第二开关信号的开通边缘之间，其中所述第一开关信号和所述第二开关信号由于所述初始死区时间而互补且不重叠；将所述第一开关信号施加到上拉晶体管的栅极，所述上拉晶体管在所述输入电压和中间节点之间传导电流，通过电感器驱动输出电容器以产生输出电压；将所述第二开关信号施加到下拉晶体管的栅极，所述下拉晶体管在地和所述中间节点之间传导电流，通过所述电感器驱动所述输出电容以产生所述输出电压；将所述输出电压与第一设定值进行比较，增加所述占空比，当所述输出电压低于所述第一设定值时，从(a)开始重复；当所述输出电压不再低于所述第一设定值时：(b)测量所述输出电压和输出电流；利用所述输出电压和所述输出电流，获得最佳死区时间；增加所述占空比；产生具有所述固定频率的所述第一开关信号和所述第二开关信号，产生具有所述占空比的所述第一开关信号，产生具有所述最佳死区时间的所述第一开关信号和所述第二开关信号，其中所述最佳死区时间位于所述第一开关信号的关断边缘和所述第二开关信号的开通边缘之间，其中所述第一开关信号和所述第二开关信号由于所述最佳死区时间而互补且不重叠；将所述第一开关信号施加到所述上拉晶体管的所述栅极；将所述第二开关信号施加到所述下拉晶体管的所述栅极；将所述输出电压与第二设定值进行比较，当所述输出电压低于所述第二设定值时，从(b)开始重复；当所述输出电压不再低于所述第二设定值时，使用所述占空比和所述最佳死区时间在正常工作模式下运行所述SMPS，以产生所述第一开关信号和所述第二开关信号。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述最佳死区时间小于所述初始死区时间。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二设定值是所述SMPS的所述正常工作模式的目标输出电压。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述初始死区时间足以使所述下拉晶体管中的寄生漏极
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至
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源极电容放电。5.根据权利要求2所述的方法，其中所述初始死区时间足以消除所述下拉晶体管的振铃；其中所述最佳死区时间比所述初始死区时间短，而且所述最佳死区时间短到足以使所述下拉晶体管在所述输入电压、占空比和输出电压的初始条件下发生振铃；
从而避免在初始条件下发生振铃，同时在所述正常工作模式下仍使用所述最佳死区时间来提高效率。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述占空比在一段时期内线性增加。7.根据权利要求5所述的方法，其中当所述最佳死区时间减少时，所述最佳死区时间在从(b)开始的第二循环的连续迭代中线性地减少；其中，所述最佳死区时间被连续地线性减少。8.根据权利要求2所述的方法，其中在所述正常工作模式期间的所述最佳死区时间小于所述初始死区时间的四分之一。9.根据权利要求2所述的方法，还包括：产生第三开关信号，其与所述第一开关信号相位延迟180度；产生第四开关信号，其与所述第二开关信号相位延迟180度；将所述第三开关信号施加到第二上拉晶体管的栅极，所述第二上拉晶体管在所述输入电压和第二中间节点之间传导电流，通过第二电感器驱动所述输出电容器以进一步产生所述输出电压；将所述第四开关信号施加到第二下拉晶体管的栅极，所述第二下拉晶体管在所述地和所述第二中间节点之间传导电流。10.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述输入电压达到所述第一目标电压后等待一个额外延迟，然后(a)产生所述第一开关信号和所述第二开关信号。11.根据权利要求2所述的方法，其中使用所述输出电压和所述输出电流获得最佳死区时间还包括：读取由所述输出电压和所述输出电流索引的第二查询表，所述第二查询表返回所述最佳死区时间作为存储结果。12.根据权利要求11所述的方法，其中存储在所述第二查询表中的所述最佳死区时间被预先计算为对所述下拉晶体管中的寄生漏极
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【专利技术属性】
技术研发人员：沈德诺，胡小勇，程雨榭，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：