摘 要： 提出了一种适用于同步整流模式开关电源的过零检测电路。该电路通过将同步整流管的漏端电压信号转化成电流信号，并将该电流与偏置电流进行比较，从而确定同步整流管续流过程中电流是否为零。由于使用与整流管同类型的晶体管做线性化电阻进行电压到电流的转化，从而消除了传统过零检测电路中整流管电阻随温度和工艺变化对过零检测精度的影响。基于0.6 μm CD工艺，对所设计电路进行了仿真验证。仿真结果表明，该电路在给定的工艺和温度波动范围内都能够实现高精度的过零检测，具有较强的鲁棒性，并且该电路功耗仅为6μA。
关键词： 过零检测；同步整流；开关电源

随着便携式电子产品的快速发展，开关电源逐步向高效、低功耗等方向发展，控制模式方面也出现了许多创新，同步整流控制模式以更低的导通损耗而得到广泛的应用。
本文基于同步整流控制模式的BUCK变换器，设计了一种适用于同步整流模式开关电源的过零检测电路。对于同步整流的DC-DC变换器而言，当驱动较重的负载并工作在连续导通模式（CCM）时，由于同步整流管的低导通阻抗，使得在续流过程中导通损耗降低，从而使变换器的效率大幅度提高。但处于轻载模式时，如果没有过零检测电路，在同步整流管续流过程中，当电感电流降为零时，同步整流管不会被关断，这时必然导致输出电容上的电荷从电感与同步整流管流向地，电流发生倒灌，从而影响系统的整体性能指标，导致整个电路的效率降低。并且上述倒灌电流在下一周期会对供电电源造成冲击，影响整体系统的可靠性。过零检测电路的功能在于，变换器工作于轻载模式时，过零检测电路检测同步整流管的电流变化，在同步整流管续流电流为零时，过零检测电路输出相应的控制逻辑，关断同步整流管，使得变换器工作在不连续导通模式（DCM）下，以此来提高开关电源在轻载下的工作效率和可靠性[1-2]。
1 过零检测电路的必要性
在BUCK型DC-DC转换器中，根据整流方式的不同，可分为同步整流模式和异步整流模式。对于异步整流模式BUCK型DC-DC转换器，由于采用二极管进行续流，会产生较大的导通损耗，降低系统的效率。而同步整流模式在续流过程中，同步整流管工作于深线性区，导通损耗极低，所以能够极大地提高系统效率。但当工作于轻载状态时，如果同步整流管续流电流为零时不能被及时关闭，则系统效率会极大地降低，而且可能会使系统受损。因此，针对同步整流BUCK转换器，设计一款高精度、低功耗的过零检测电路是非常有必要的。
以图1所示BUCK型转换器拓扑结构对过零检测电路的工作原理进行叙述。其中M1为主开关功率管，M2为同步整流管，L1为电感, Cout为输出电容, Rload为负载电阻。正常工作时，M1和M2的栅极电压相位相反。当M1开启时，M2关闭；M1关闭时，M2开启进行续流，从而解决了传统异步整流中导通损耗大的问题。当负载电流较大时，电感电流整个周期内都不会为零，因此M1和M2交替开启和关闭，不会存在问题。但当负载电流较小时，M1开启一段时间后关闭，M2随后开启进行续流，由于负载电流较小，电感电流会逐渐减小为零，此时如果不能及时关断同步整流管M2，输出电容Cout将通过电感L1和M2进行到地的放电，造成不必要的功耗，所以此时必须使用过零检测电路将M2关闭，提高系统性能和可靠性[3]。

为了降低导通损耗，一般RON1、RON2两电阻设计得非常小，只有几十到几百毫欧姆，因此SW端电压最高可达近似VIN电压，而一般BUCK转换器的输入电压范围较宽，最高可达几十伏特，因此在设计过程中必须考虑过零检测电路的高压保护功能，防止对检测电路中的器件造成损坏。
另外，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，在检测电感电流时，过零检测电路并不是在电感续流电流恰好为零时才产生将同步整流管关闭的信号，而是在电感电流稍大于零时即产生将同步整流管关闭的信号，这样通过一定延迟后，能够在电感电流为零时关闭同步整流管，从而提高了效率，并且不会出现电流倒灌的现象[4]。例如本电路所应用的BUCK转换器在检测到电感续流电流为50 mA左右时发出关闭同步整流管的信号。而过零检测电路是通过采样SW端电压进行检测续流电流，因此同步整流管的等效电阻对检测精度有较大的影响。