[发明专利]DC-DC同步管的控制方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及节能环保电子产品，具体涉及一种直流-直流（DC-DC）同步管的控制方法和装置。

背景技术

同步整流是指采用导通电阻极低的功率场效应管（MOSFET），即：同步管，来取代整流电路中的整流二极管以降低整流损耗的一项新技术，但是整流电路中的功率管只能使用MOSFET而不能使用二极管。它能大大提高DC-DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

目前，在低压输出的DC-DC开关电源中广泛采用同步整流技术。采用同步整流技术的好处是：一、可以提高电源的转换效率，从而节约能源。二、当同步管集成到集成电路（IC）里面以后，减少了外围元器件，从而节省了应用成本。三、当同步管集成到IC里面以后，减小了电源的体积。

下面以降压式变换电路（BUCK） 结构的同步整流DC-DC为例来介绍传统的同步管控制电路。

图1所示为传统的BUCK 同步整流DC-DC 的电路拓扑图。其中示出了用于同步管控制的比较器（ICMP）。图2和图3分别给出了电路工作在连续模式和非连续模式的电感电流、功率管、同步管的工作电信号波形。

如图2、3所示，同步管在电感电流充电阶段应关闭，在电感电流放电阶段导通（电感电流IL上升时是充电阶段，IL下降时是放电阶段）。

如图3所示，当电路工作于非连续模式时，电感电流会下降到零，此时应该将同步管关断，以防止电感电流倒流。

传统的同步管控制方法是：采用一个比较器（ICMP）来检测同步管两端的电压，其输出用来控制同步管的关断。参看图1和图3，在电感电流放电阶段，电感电流未下降到零时，SW端电压为负，低于GND电压，比较器输出X为低电平，允许同步管打开。当电感电流下降到零并出现倒流时，SW端电压为正，高于GND电压，比较器输出X为高电平，关闭同步管。

由于实际的比较器具有一定的传输延时，当SW端电压过零时比较器并不立即翻转，而是延迟一段时间后再翻转到高电平，此时SW端电压已经为正，即电感电流已经出现倒流。所以通常给比较器设置一个固定的输入失调，以使得比较器提前动作，理想的情形时当电感电流刚好过零时，比较器翻转并关闭同步管。

下面说明基于传统的同步管控制方法所遇到的困难：

一、在集成电路工艺中，尤其是互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，由于比较器具有较大的随机输入失调，所以比较器的实际翻转时间点会表现出随机的偏差。例如假设比较器的随机输入失调（VOS）最大为+/-15mv，则同步管关断时的电感电流误差为：

I=VOS/RDSON

例如假设同步管的导通电阻为0.2Ohm, 则在同步管关断时刻的电感电流误差为+/-75mA。假设在VOS=0时同步管刚好在电感电流过零点关断，则当VOS=15mv时同步管关断时刻电感电流为75mA, 当VOS=-15mv时同步管关断时刻电感电流为-75mA(出现倒流)。

二、在不同的输出电压VO和电感L下，电感电流的变化速率有明显的差异，所以对于固定的比较器延时电感电流的变化也会比较大。电感电流的变化量由下面公式给出：

例如L=2.2uH, 比较器延时DELAY=50ns，VO=0.6V和VO=3.3V时，电感电流差异为61.4mA。

如果进一步提高DC-DC的开关频率，即采用更小的电感值时，由于电感电流的变化速率更大，所以在相同的延时内电流变化也更大。例如假设开关频率提高到4~6MHz，允许采用0.47uH的电感时，相同条件下的电感电流差异将会由61.4mA增大到287mA。

从以上两点困难可以看出：在IC量产中传统的同步管控制方法在非连续模式下无法做到电感电流刚好在过零时同步管关闭，而是有较大的随机的或确定的控制误差，同步管或者提前关断，或者滞后关断。

下面分两种情形来计算由于同步管的关断时间误差导致的效率损失：

假设同步管提前关断。

设提前关断时刻电感的电流为IL, 设同步管的寄生体二极管的导通电压为VD, DC-DC的开关频率为f，输出电压为VO,输出电流为IO。

一个周期内输出能量:

一个周期内由于同步管提前关断，损失在体二极管上的能量为：

效率损失百分比为：