杨 帆

(中国船舶重工集团公司 第723研究所，江苏 扬州 225009)

PSR型AC-DC变换器高精度过零检测技术

杨 帆

(中国船舶重工集团公司 第723研究所，江苏 扬州 225009)

提出了一种用于原边反馈型AC-DC变换器的高精度过零检测电路架构。该检测机制基于系统谐振纹波，通过对纹波的放大以及与基准电压的比较确定反激变换器系统二次侧电流过零点。其与传统通过反馈电压采样检测方式相比，克服了制程偏移对检测结果的影响，从而实现大幅提升了检测精度。该检测电路架构通过某0.35 μm CMOS工艺实现，经实测验证，检测误差<1.5%。

PSR；AC-DC；高精度；过零检测

原边反馈型(Primary Side Regulation，PSR)反激变换器由于具有体积小、结构简单、成本低等优点，在便携式消费电子产品、适配器、LED照明等领域得到广泛应用[1-2]，并且也成为电源管理领域研究的热点。过零检测作为反激变换器工作过程中的重要环节，决定着变换器系统的工作模式、谐振及恒流控制。因此，研究如何高精度地检测反激变换器系统二次侧电流过零点具有重要意义。目前主流的过零检测技术是通过直接检测反馈电压的电压值来判定二次侧电流是否过零[3-15]，该方式具有采样简单，易于判定的优点。但检测精度较低，且容易受到输出功率变化和制程波动的影响，导致检测偏差较大。本文通过分析系统正常工作时的谐振过程，给出了二次侧电流大小与谐振电压幅值之间的关系，从而量化了过零比较阈值，实现高精度过零检测。

1 谐振原理分析

图1给出了原边反馈型反激变换器系统架构图。

图1 原边反馈型反激式AC-DC变换器系统架构图

图1中，VAC为交流输入电压，RSTR为启动电阻，RCS为初级侧采样电阻，L1、C1和C2组成输入滤波器，R1、C3和D1组成RCD吸收电路，用于吸收功率开关管M1关断瞬间在其漏极形成的尖峰毛刺。DS和DA分别为二次侧和辅助侧整流二极管，COUT和CSTR分别为二次侧及辅助侧的输出电容，RLOAD为负载电阻，VOUT为系统输出电压。RA1和RA2构成辅助侧分压电阻网络，VSENSE为反馈信号。以工作于电流断续模式(DCM)下的变换器系统为例，其正常工作时的主要信号波形图，如图2所示。

图2 DCM模式下系统主要信号波形图

当功率开关管M1的栅极驱动信号DRV为高时，M1开启。由于反激变压器的同名端极性相同，所以整流二极管DS处于反向截止状态。在这一过程中，初级侧电流IP缓慢上升，当电阻RCS上的采样电压达到内部设定阈值后，系统内部逻辑控制DRV信号翻转为低，关断M1，对应图中t2时刻。由于该时刻变压器的同名端极性反向，引起整流二极管DS正向导通，二次侧电流IS开始从峰值缓慢下降，并在t3时刻二次侧电流减小到零。由图2可知，在功率开关管关断后的t2和t3时刻，系统出现两次明显的谐振现象。其中，t2时刻的谐振是变压器漏感与初级侧杂散电容和COSS形成的衰减振荡，t3时刻的谐振是二次侧电流减小到零后引发漏感LLEAK，初级侧电感LP与漏源结电容COSS发生谐振。这两个阶段的谐振简化原理图，如图3所示。

图3 反激变换器在一个开关周期内的谐振原理示意图

结合图2可知，当二次侧电流IS逐渐减小的过程中，t2～t3时刻的谐振电压幅度逐渐降低。由文献[15]可知，该时间内，谐振频率fLEAK为

(1)

谐振峰峰值VPP_LEAK大小为

(2)

式(2)中，iSEC(t)为二次侧电流IS的瞬时值。NP，NS，NA分别为反激变压器的初级侧、二次侧和辅助侧绕组匝数。根据实际负载情况，设置适当小的iSEC(t)值为二次侧电流过零检测标准，通过实时检测谐振纹波的大小，当纹波峰峰值小于设定检测值时标志二次侧电流过零。

2 过零检测电路设计

2.1 纹波放大电路

由于谐振阶段的纹波峰峰值较小，难以直接比较。因此，需要对采样得到的纹波进行放大。图4中，信号VS_sample为反馈信号VSENSE经过缓冲器后的输出信号，目的是为了滤除采样信号中可能存在的尖峰毛刺，保证了后级对纯净高频谐振信号的可靠放大。该电路由两级开关电容放大器组成，第一级放大器由电阻R1，电容C1和C3构成；第二级由电阻R2，电容C2和C4组成。在第一级开关电容放大器结构中，电容C1为高通电容，只允许VS_sample中的高频成分通过并存储其电压信息。R1为高阻直流反馈电阻，作用为设置运放的直流工作点VDC。电容C3为交流电流通路，作用在于将电容C1保存的高频交流信号进行放大，第二级的对应器件作用同第一级。该纹波放大器电路的传输方程如式(3)所示。

图4 纹波放大电路

(3)

图5为纹波放大器的工作波形示意图。

图5 纹波放大器工作波形示意图

图5中，Control信号为纹波放大控制信号，在初级侧功率开关管关断后翻转为高并持续一段时间。A-B时间段中纹波放大器建立直流偏置工作点，并通过该段时间过滤掉VS_sample中的电压过冲。随着Control信号翻转为低，纹波放大器对B-C段的VS_sample信号进行放大，第一级的放大倍数k1的值为式(4)

(4)

同理，可得纹波放大器总的放大倍数k2的值为

(5)

2.2 过零点检测电路

经过纹波放大后的B-C段VSENSE波形的电压峰峰值幅度已经达到几百毫伏的量级，此时适合用常规比较器进行条件判定。判定电路架构，如图6所示。

图6 零点检测电路架构

图6中CMP1和CMP2为两个比较器，Sense_ctl为过零信号。VRIP_th1和VRIP_th2为两个阈值电压，其值的确定与VRIP电压有关。首先，根据实际负载状况设置如30 mA为过零判定条件，将30 mA代入式(2)中的iSEC(t)，得到一个对应的VPP_LEAK。其次，将VPP_LEAK乘以式(5)确定的放大倍数得到VRIP。根据计算出的VRIP值，设置上述两个阈值电压。同时，根据式(1)所示的谐振频率设置一个迟滞时间，当VRIP处入两个阈值电压之间且延迟一定时间后，认为二次侧电流已降为零并输出脉冲指示信号Sense_ctl。

3 仿真分析

图7所示为纹波放大器的Hspice仿真波形。

图7 纹波放大器仿真波形

如图7所示，原谐振纹波最大峰峰值约为90 mV。经过纹波放大器后，纹波峰峰值被放大约5.2倍，放大后幅值适宜设置阈值并进行后续比较。

图8给出了过零检测仿真结果。

图8 过零检测仿真波形

如图8所示，二次侧电流下降过程中的谐振纹波经过开关电容电路放大后与VRIP_th1和VRIP_th2进行比较。当其处于两个阈值之间的时间达到300 ns后，Sense_ctl信号输出一个高脉冲，预示着在该时刻二次侧电流过零。至此，二次侧电流过零时刻得到精确采样。且由图8还可看出，二次侧电流实际过零点与检测过零时刻相差约为0.24 μs，相比于开关周期15.3 μs，检测精度高达1.5%。

4 结束语

本文给出了一种基于纹波放大-检测机制的，反激式AC-DC变换器高精度过零检测电路。通过分析变换器系统在二次侧导通阶段的谐振原理，得到了谐振纹波峰峰值大小与二次侧电流之间的函数关系，进而为依据二次侧电流大小而设置过零检测比较阈值提供了有力的数学支持，从而实现了检测精度的大幅提升。该检测机制同样可以应用于其他架构形式的反激式变换器系统，具有良好的应用前景。

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High Precision Zero-Crossing Detection Strategy for PSR AC-DC Converter

YANG Fan

(723rd Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Yangzhou 225009, China)

A high precision zero crossing detection circuit applied in PSR AC-DC converter is put forward in this paper, the detection method is based on the resonance ripple of the converter system, by amplifying the ripple voltage and comparing the amplified signal with reference voltages, the moment of secondary current decreases to zero can be precisely determined. Compared with traditional detection approach that by sensing the feedback voltage, the method proposed in this paper overcomes the influence of the variation of process to the detection result, hence, the detection accuracy is greatly improved. The circuit mentioned in this paper has been realized in a 0.35 μm CMOS process, experimental results verify that the detection accuracy can reach a level less than 1.5%.

PSR; AC-DC; high precision; zero-crossing

2017- 06- 07

杨帆(1990-)，男，工程师。研究方向：电子科学与技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.006

TN402

A

1007-7820(2017)12-021-04