一種線(xiàn)性可調(diào)的死區(qū)產(chǎn)生電路

作者 王科竣 電子科技大學(xué)(四川 成都 610054)

摘要：提出了一種新型的可調(diào)死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路。該死區(qū)產(chǎn)生電路是通過(guò)改變電壓斜坡的斜率來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間，并且對(duì)死區(qū)時(shí)間與控制電壓的非線(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償，提高了死區(qū)時(shí)間線(xiàn)性度和精度。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可調(diào)范圍廣、精度高，適用于各種半橋驅(qū)動(dòng)電路中。采用華虹0.5 μm的BCD工藝仿真驗(yàn)證了該電路，結(jié)果表明，當(dāng)外接電阻阻值為20 K～140 K范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的線(xiàn)性高精度可調(diào)，可調(diào)死區(qū)時(shí)間范圍為50 ns～250 ns。

0 引言

　　死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生功能廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)電路中，如在半橋電路^[1]或同步整流變換器^[2]中，為了防止電路中兩個(gè)功率MOS管同時(shí)導(dǎo)通燒毀，在高壓側(cè)(續(xù)流管)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和低壓側(cè)(主)驅(qū)動(dòng)信號(hào)有死區(qū)時(shí)間要求。此外在有源鉗位正激變換器中，為了實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要滿(mǎn)足一定的死區(qū)時(shí)間要求以使得功率功率MOS管的輸出電容和變壓器繞組的電感諧振^[3]。死區(qū)時(shí)間在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可能并不相同，這與電路中要驅(qū)動(dòng)的功率管特性相關(guān)，需要根據(jù)情況調(diào)整。因此可調(diào)的死區(qū)時(shí)間可以擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電路的適用范圍。相對(duì)于文獻(xiàn)[4][5]傳統(tǒng)的死區(qū)產(chǎn)生電路，本文提出的可調(diào)的死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻產(chǎn)生固定的死區(qū)時(shí)間，具有更好的適用性。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

　　本文提出的死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路是由Vin1的上升沿延時(shí)電路和Vin2的下降沿延時(shí)電路組成的。這兩種功能的切換由Vsel端控制。圖1中的DSC(delay stage C )為延時(shí)斜坡產(chǎn)生電路，CSA(controller stage A)和CSB(controller stage B)是曲率校正電路并且把死區(qū)時(shí)間由電壓控制(Vc1,Vc2)調(diào)整為電阻控制。當(dāng)Vsel為高電平時(shí)，M3c處于導(dǎo)通狀態(tài)，M4c處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)CSA和DSC左半部分的正常工作。相反，當(dāng)Vsel為低電平時(shí)，M3c處于關(guān)閉狀態(tài)，M4c處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)CSB和DSC右半部分的正常工作。

　　DSC產(chǎn)生的斜坡需要經(jīng)過(guò)比較器重新還原成矩形波。圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路只能產(chǎn)生矩形波單側(cè)死區(qū)時(shí)間，而完整的死區(qū)功能需要由兩個(gè)相同的如圖1所示的結(jié)構(gòu)組成。兩個(gè)死區(qū)產(chǎn)生電路的DSC中相同端口連在一起，輸入矩形波經(jīng)過(guò)反相器把原輸入信號(hào)和經(jīng)過(guò)反相的輸入信號(hào)分別輸入Vin1和Vin2端口，經(jīng)過(guò)處理的輸入矩形波就產(chǎn)生帶有死區(qū)時(shí)間的反相的驅(qū)動(dòng)型號(hào)。

　　以圖1中DSC斜坡產(chǎn)生電路左邊部分為例， 圖1中DSC的Vin1和Vin2是輸入需要延時(shí)的矩形波信號(hào)，Vc1和Vc2是死區(qū)時(shí)間控制端，通過(guò)控制充放電電流來(lái)控制延時(shí)。由于晶體管M1c的寬長(zhǎng)較大，所以當(dāng)Vin1下降沿時(shí)輸出電壓Vo1幾乎瞬間上升到電源電壓VDD幾乎沒(méi)有延時(shí)，但放電電流受到Vc1控制，放電電流受限，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓斜坡。由于輸出點(diǎn)Vo的寄生電容是多個(gè)MOS管寄生電容的和，其值等于

C_T=C_ds1c+C_gd1c+C_ds3c+C_gd3c+C_ds4c+C_gd4c+C_ds6c+C_gd6c，其中還包括比較器的輸入電容，但由于其電容值較低，因此忽略。而且由于晶體管M1c、M3c、M4c、M6c的尺寸較大，因此其寄生電容的值也比較大，可調(diào)的死區(qū)時(shí)間范圍二百多納秒。當(dāng)Vsel為高電平左側(cè)部分正常工作時(shí)， Vc1控制寄生電容C_T的放電電流，產(chǎn)生電壓斜坡的斜坡在放電初始階段的斜率是固定的，其斜率為(I為初始放電電流)。將該斜坡電壓與一個(gè)固定電壓相比較就產(chǎn)生使矩形波單側(cè)延時(shí)時(shí)間，如圖2所示。輸入矩形波Vin1的下降沿到輸出矩形波Vo2的下降沿之間的時(shí)間間隔就是延時(shí)時(shí)間Td，也就是死區(qū)時(shí)間。同理，斜坡產(chǎn)生電路右邊部分電路可以使下降沿延時(shí)，如圖3所示。

　　1.1 電路的性能分析

　　為了計(jì)算死區(qū)時(shí)間，即延時(shí)時(shí)間Td。本文以下降沿延時(shí)電路為例。設(shè)比較器的參考電壓為Vref ，當(dāng)輸入矩形波Vin1下降沿時(shí)，寄生電容CT被迅速充電到電源電壓VDD，即Vo1迅速上升到VDD，輸入矩形波Vin1下降沿與Vo2上升沿時(shí)間間隔太短可以忽略。當(dāng)輸入矩形波Vin1上升沿時(shí)，給寄生電容CT充電的M1c晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，但是由于放電晶體管M5c受控制電壓Vc1控制打開(kāi)，寄生電容C上的電荷被緩慢釋放。

　　Q=C(VDD-Vref )=IT_d (1)

　　其中，I為M5c的漏級(jí)放電電流，M5c的工作狀態(tài)隨著輸出電壓Vo1的變化而變化。假設(shè)輸出電壓Vo1的初始電壓為VDD，M5c的控制電壓為Vc1，此時(shí)M5c工作在飽和區(qū)，M5c開(kāi)始給寄生電容CT放電。若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，放電電流I為固定電流。當(dāng)輸出電壓Vo1-Vds3c﹤Vc1-VT時(shí)，M5c進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，此時(shí)的放電電流并不是一個(gè)固定值，而是隨著輸出電壓Vo1變化。但是在圖1的死區(qū)產(chǎn)生電路中延時(shí)電壓Td與比較器參考電壓相關(guān)，延時(shí)過(guò)程中M5c的工作狀態(tài)也與比較器的參考電壓相關(guān)。當(dāng)比較器參考電壓時(shí)Vref-Vds3c ≥Vc1-V_T，那么寄生電容CT的放電電流是一個(gè)僅受控制電壓Vc1控制的值。當(dāng)Vref-Vds3c<vc1-v_t時(shí)，寄生電容ct的放電電流同時(shí)受到控制電壓vc1控制和vo1電壓影響。這里計(jì)算設(shè)比較器參考電壓vref-vds3c p="" ≥vc1-vt，那么m5c的放電電流只受vc1控制，mos管電流和電壓滿(mǎn)足平方律關(guān)系：

(2)

　　其中，μn為NMOS管的遷移率， C_ox為NMOS管的柵氧化層電容，W為NMOS管的柵極寬度，L為NMOS管柵長(zhǎng)，VT為NMOS管閾值。

　　即： (3)

　　其中，為常數(shù)，從上述公式可以看出，延時(shí)時(shí)間T_d與控制電壓Vc1是負(fù)冪指數(shù)關(guān)系并不是線(xiàn)性關(guān)系。非線(xiàn)性關(guān)系會(huì)對(duì)死區(qū)時(shí)間控制產(chǎn)生負(fù)面影響，如在某些電壓范圍內(nèi)，死區(qū)時(shí)間隨控制電壓劇烈波動(dòng)，無(wú)法得到要求的參數(shù)。為了校正死區(qū)時(shí)間 T_d與控制電壓Vc1的非線(xiàn)性，圖1中的死區(qū)產(chǎn)生電路增加了CSA和CSB部分。以CSA為例，該部分電路由電阻R1a和MOS管M1a組成。此時(shí)的死區(qū)時(shí)間為：

(4)

　　其中， R' 為二極管連接的M1a的輸出電阻。該電阻值并非定值，但是由于其值較小，波動(dòng)幅度小，可以視為定值。從式(4)可知，MOS管M1a和M5c組成的電流鏡結(jié)構(gòu)把控制端由電壓轉(zhuǎn)換成了電流，同時(shí)把死區(qū)時(shí)間Td與控制電壓Vc1的負(fù)二次冪關(guān)系轉(zhuǎn)換成了死區(qū)時(shí)間T_d與控制電流的負(fù)一次冪關(guān)系。此時(shí)只要使M1a的電流I與某個(gè)量成反比例關(guān)系，就能把死區(qū)時(shí)間與該變量轉(zhuǎn)化成線(xiàn)性關(guān)系。而歐姆定律恰好滿(mǎn)足反比例關(guān)系，因此得到(4)。從(4)中可以知道死區(qū)時(shí)間Td與外接電阻R1a成線(xiàn)性關(guān)系，但是該曲線(xiàn)不經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，因此它有最小的死區(qū)時(shí)間為，即當(dāng)R1a為零的時(shí)候。當(dāng)Vsel為低電平時(shí)，下降沿延時(shí)電路和DSC正常工作，其結(jié)果類(lèi)似于上升沿延時(shí)電路。

2 仿真結(jié)果

　　基于0.5 μm的BCD工藝，對(duì)提出的死區(qū)產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)采用的供電電壓為5 V，輸入的方波占空比為50%，工作頻率為500 kHz。為了比較電阻控制死區(qū)產(chǎn)生電路和電壓控制死區(qū)產(chǎn)生電路，對(duì)電壓控制的死區(qū)產(chǎn)生電路也進(jìn)行了仿真。這里比較器參考電壓為2.6 V。

　　通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，掃描不同控制電壓下，不同電阻下的死區(qū)時(shí)間分別得到死區(qū)時(shí)間Td隨控制電壓和電阻的關(guān)系曲線(xiàn)，同時(shí)還掃描在0 ℃、25 ℃、50 ℃下的特性曲線(xiàn)。圖4所示為不同溫度下的上升沿死區(qū)時(shí)間T_d與控制的電壓Vc1的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖4中可知，上升沿死區(qū)時(shí)間Td與控制的電壓Vc1的關(guān)系曲線(xiàn)正如公式(3)分析的那樣，死區(qū)時(shí)間T_d與控制電壓Vc1是負(fù)二次冪關(guān)系，隨著Vc1的增加，死區(qū)時(shí)間的斜率絕對(duì)值逐漸減小。在控制電壓Vc1逐漸增大時(shí)，延時(shí)時(shí)間T_d逐漸減小，因?yàn)殡S著控制電壓Vc1增大，寄生電容CT的放電電流增大，電壓下降更快，延時(shí)時(shí)間T_d減小。此外，溫度對(duì)延時(shí)時(shí)間T_d有影響，隨著溫度的升高，延時(shí)時(shí)間T_d減小。而且，在放電電流較小時(shí)溫度對(duì)放電電流會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間的精確度下降。圖5是不同溫度下的上升沿延時(shí)時(shí)間Td與電阻R1a的關(guān)系曲線(xiàn)， 與圖4相比，上升沿死區(qū)時(shí)間T_d與外接電阻是呈線(xiàn)性變化的，25 ℃條件上升沿延時(shí)時(shí)間Td與電阻R1a的關(guān)系式為 T_d=1.8R1a+6，死區(qū)時(shí)間 T_d在0～50 ℃相對(duì)誤差3%以?xún)?nèi)。而且從圖5中可知，三條溫度曲線(xiàn)重合程度非常高，這可以說(shuō)明溫度對(duì)死區(qū)時(shí)間的影響較小。

　　同理，當(dāng)Vsel輸入低電平時(shí)，下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路正常工作。下降沿延時(shí)時(shí)間T_d與控制電壓Vc2和外接電阻R1b的關(guān)系如圖6和圖7所示。下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路的工作原理與上升沿死區(qū)產(chǎn)生電路類(lèi)似，但是下降沿死區(qū)產(chǎn)生電路相對(duì)于上升沿死區(qū)產(chǎn)生電路對(duì)溫度更敏感，這可能是由于NMOS管對(duì)溫度更敏感造成的。 25 ℃條件下延時(shí)時(shí)間Td與電阻R1b的關(guān)系式為T(mén)_d=1.8R1b+1，延時(shí)時(shí)間T_d在0-50℃相對(duì)誤差在6%以?xún)?nèi)。相對(duì)于上升沿延時(shí)，下降沿延時(shí)精確度更低一些。

　　相較與典型的死區(qū)產(chǎn)生電路[5]，本文提出的死區(qū)產(chǎn)生電路改變死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生方式，電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、緊湊，而且死區(qū)產(chǎn)生電路包含了典型死區(qū)產(chǎn)生電路中的驅(qū)動(dòng)電路。此外，把原本固定不可調(diào)死區(qū)產(chǎn)生電路調(diào)整為死區(qū)時(shí)間線(xiàn)性可調(diào)，極大地增強(qiáng)了電路的性能。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的線(xiàn)性可調(diào)死區(qū)電路，該電路通過(guò)改變電壓斜坡的斜率來(lái)來(lái)調(diào)整死區(qū)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的固定死區(qū)產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，通過(guò)修正電壓對(duì)死區(qū)時(shí)間的非線(xiàn)性，最終獲得了高精度線(xiàn)性可調(diào)的死區(qū)時(shí)間，相比典型的死區(qū)產(chǎn)生電路具有更廣泛應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] Romain Grezaud,Francois Ayel , Nicolas Rouger,et al. A Gate Driver With Integrated Dead-time Controller[J]. IEEE TRANSSACTIONS ON POWER ELECERONICS, VOL. 31, NO. 12, DECEMBER 2016, pp.8409-8421.

　　[2] Vahid Yousefzadeh, Dragan Maksimovic . Sensorless optimization of dead times in DC-DC convertors With synchronous rectifiers, IEEE Trans Power Electron., vol.21, no. 4,pp.994-1002,Jul. 2006.

　　[3]劉飛云.有源鉗位正激變換器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2004.

　　[4] CHRISTOPHE P. BASSO, SWITCH-MODE POWER SUPPLIES [M]. MCGRAWHILL PRESS, 2008.

　　[5] SeongWha Hong, Hong-Jin Kim and Kang-Yoon Lee, et al. A Novel Dead-time Generation Method of Clock generator for Resonant Power Transfer System [C] // SOC Design Conference (ISOCC), 2010 International, South Korea. 2010: 51-54.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第9期第71頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。