一种开关电源PWM波死区时间自适应调整电路和方法与流程

一种开关电源pwm波死区时间自适应调整电路和方法
技术领域
1.本发明涉及一种开关电源pwm波死区时间自适应调整电路和方法，属于电路设计领域。


背景技术：

2.目前，开关电源是电力电子设备中最常用的模块，它可以通过电容、电感、高频mos管将输入直流电缩小或者扩大。尤其对于数字电源，通常将程序下载到mcu中，利用pwm的占空比、频率等去控制mos管。
3.图1为一个常用的buck型开关电源电路，其要求mos管q1和q2不可以同时导通。但是，因为mos管的栅极和源极之间是存在电容的，故而mos管的开通和关闭之间存在一个很短的过度时间，而这个过渡时间很容易造成mos管q1和q2同时开通，进而造成元件的损坏。
4.现有技术中，为避免mos管q1和q2同时导通，通过软件设置死区时间，即mos管q1和q2之间的时间差。死区时间的长短是影响buck开关电源电路的重要参数。经典的同步buck开关电源电路的死区时间通常是预先设定的，例如，以固定的时延作为死区时间。但是，实际操作过程中，若死区时间设置偏大，则开关电源的功率低，若死区时间设置偏小，则mos管q1和q2很容易同时导通。
5.故而如何根据开关电源的实际工作情况，设置合适的死区时间是一个有待研究的问题。


技术实现要素：

6.针对上述现存的技术问题，本发明提供一种开关电源pwm波死区时间自适应调整电路和方法，可以自适应的更改死区时间，以设置出合适的死区时间。
7.为实现上述目的，本发明提供一种开关电源pwm波死区时间自适应调整方法，包括pwm驱动模块，微控制器mcu，mos管q1和q2，以及检测模块；
8.所述的微控制器mcu的pwm1引脚和pwm2引脚分别连接pwm驱动模块的in1引脚和in2引脚；
9.所述的pwm驱动模块的l-引脚接地，l 引脚连接mos管q1的栅极，h 引脚和h-引脚分别连接mos管q2的栅极和源极；
10.所述的mos管q2的漏极连接开关电源的电压输入端，源极连接mos管q1的漏极；所述的mos管q1的源极接地；
11.所述的检测模块包括比较器u1和u2，以及电阻r3-r6；mos管q2的栅极经电阻r5、r6接地，电阻r5、r6的公共端连接比较器u2的正相输入端，mos管q2的源极连接比较器u2的反相输入端，比较器u2的输出端连接微控制器mcu的gpio1引脚；开关电压的vcc端经电阻r3、r4接地，电阻r3、r4的公共端连接比较器u1的反相输入端，mos管q1的栅极连接比较器u1的正相输入端，比较器u1的输出端连接微控制器mcu的gpio2引脚。
12.进一步，所述的pwm驱动模块采用ucc27211或者其余半桥栅级驱动芯片。
13.更进一步，所述的微控制器mcu采用具有定时器和中断功能的单片机。
14.更进一步，所述的mos管q1和q2均为n沟道mos管。
15.本发明还提供一种利用上述电路的开关电源pwm波死区时间自适应调整方法，包括如下具体步骤：
16.s1、系统初始化时，微控制器mcu中设定有初始死区时间；
17.s2、微控制器mcu内部的定时器分别测量mos管q1和q2的驱动下降时间t1和t2；
18.s3、选择计时数值t1和t2之中的最大值，设置为合适当前的死区时间。
19.进一步，所述的测量t1的方法包括如下具体步骤：
20.a-1、判断pwm2引脚是否从高电平变为低电平；
21.a-2、若pwm2引脚未从高电平变为低电平，则返回上一步；若pwm2引脚从高电平变为低电平，则进入下一步；
22.a-3、定时器1开始计时；
23.a-4、判断gpio2引脚是否收到下降沿信号；
24.a-5、若gpio2引脚未收到下降沿信号，则返回上一步；若gpio2引脚收到下降沿信号，则进入下一步；
25.a-6、定时器1停止计时，得计时数值t1。
26.更进一步，所述的测量t2的方法包括如下具体步骤：
27.b-1、判断pwm1引脚是否从高电平变为低电平；
28.b-2、若pwm1引脚未从高电平变为低电平，则返回上一步；若pwm1引脚从高电平变为低电平，则进入下一步；
29.b-3、定时器2开始计时；
30.b-4、判断gpio1引脚是否收到下降沿信号；
31.b-5、若gpio1引脚未收到下降沿信号，则返回上一步；若gpio1引脚收到下降沿信号，则进入下一步；
32.b-6、定时器2停止计时，得计时数值t2。
33.上述测量方法的基本原理在于：当pwm1、pwm2引脚从高电平向低电平开始转换时，微控制器mcu内部的定时器1和2分别开始计时，检测模块检测到mos管q1和q2的驱动信号变成低电平时，定时器1和2分别停止计时，mos管q1和q2的驱动下降时间即为t1和t2。接着，选取t1和t2之中较大值作为合适当前的死区时间。
34.综上，本发明在开关电源中增加死区时间调整电路，以调节电路中的死区时间，避免电路中两个mos管因共同导通而烧毁的情况，相比现有技术，具有如下有益效果：
35.1、解决了mos管q1和q2很容易同时导通的技术问题。
36.2、提高了mos管的使用寿命，使得电源工作更稳定。
37.3、能够对电源电路提供保护，避免了器件被烧坏。
38.4、能够满足保证电路安全的基础上最大限度提高效率。
附图说明
39.图1为现有技术中一种buck型开关电源的电路原理图；
40.图2为本发明的电路原理框图；
41.图3为本发明开关电源pwm波死区时间自适应调整电路图；
42.图4为本发明开关电源pwm波死区时间自适应调整方法的流程图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.如图2所示，本发明开关电源pwm波死区时间自适应调整电路包括微控制器mcu，pwm驱动模块，mos管q1和q2，以及检测模块。
46.如图3所示，本发明实施例的电路连接关系如下：
47.微控制器mcu的pwm1引脚、pwm2引脚分别连接pwm驱动模块的in1引脚、in2引脚，pwm驱动模块的l-引脚接地。
48.mos管q2的漏极连接开关电源的电压输入端，mos管q2的栅极和源极分别连接pwm驱动模块的h 引脚和h-引脚。
49.mos管q1的漏极连接mos管q2的源极，mos管q1的栅极连接pwm驱动模块的l 引脚，mos管q1的源极接地。
50.检测模块包括比较器u1和u2，以及电阻r3-r6。mos管q2的栅极经电阻r5、r6接地，电阻r5、r6的公共端连接比较器u2的正相输入端，mos管q2的源极连接比较器u2的反相输入端，比较器u2的输出端连接微控制器mcu的gpio1引脚。开关电压的vcc端经电阻r3、r4接地，电阻r3、r4的公共端连接比较器u1的反相输入端，mos管q1的栅极连接比较器u1的正相输入端，比较器u1的输出端连接微控制器mcu的gpio2引脚。
51.上述电路中各模块和元件的功能如下：mos管q1和q2实施时优选n沟道mos管。
52.微控制器mcu实施时可采用具有定时器和中断功能的单片机，如dsp28035，dsp28335等。
53.pwm驱动模块用于驱动mos管q1和q2，实施可以采用ucc27211或者其余半桥栅级驱动芯片。
54.检测模块中，比较器u1和u2主要负责检测mos管q1和q2栅极的电压。电阻r5和r6，电阻r3和r4主要用于分压，以调整比较器u1和u2的电压值，即设置当mos管q1和q2栅极电压到达设定值时，比较器u1和u2输出切换状态。并且，由于mos管q1和q2的开启电压不同，可以根据实际情况调整电阻r5和r6、电阻r3和r4的电阻值。
55.例如，若mos管q1和q2的开启电压为3v，开关电压vcc端的电压为5v(由开关电源的辅助电源提供)，则电阻r3/r4为2/3，那么电阻r3可以为20k，电阻r4可以为30k；同理，电阻
r5和r6应满足以下关系式：
[0056][0057]
因此，若v
h-为10v时，电阻r6为10k，电阻r5为3k。
[0058]
上述电路中，由于死区时间都是在pwm信号从高电平向低电平变化时开始计测量的，当微控制器mcu的pwm1、2引脚的波信号从高电平到低电平开始转换时，微控制器mcu内部的定时器1、2开始计时，检测模块检测到mos管q1和q2的驱动信号变成低电平时，微控制器mcu内部的定时器1、2停止计时，此时的计数值t1和t2为mos管q1和q2的驱动下降时间。接着比较t1和t2数值的大小，将其中较大的一个数值设置为当前合适的死区时间。
[0059]
如图4所示，实施时，利用本发明电路进行死区时间测量方法的具体步骤如下：
[0060]
s1、系统初始化时，设定一个较大的初始死区时间；
[0061]
s2、微控制器mcu内部的定时器分别测量mos管q1和q2的驱动下降时间t1和t2；
[0062]
所述的测量t1的方法包括如下具体步骤：
[0063]
a-1、判断pwm2引脚是否从高电平变为低电平；
[0064]
a-2、若pwm2引脚未从高电平变为低电平，则返回上一步；若pwm2引脚从高电平变为低电平，则进入下一步；
[0065]
a-3、定时器1开始计时；
[0066]
a-4、判断gpio2引脚是否收到下降沿信号；
[0067]
a-5、若gpio2引脚未收到下降沿信号，则返回上一步；若gpio2引脚收到下降沿信号，则进入下一步；
[0068]
a-6、定时器1停止计时，得计时数值t1。
[0069]
并且，所述的测量t2的方法包括如下具体步骤：
[0070]
b-1、判断pwm1引脚是否从高电平变为低电平；
[0071]
b-2、若pwm1引脚未从高电平变为低电平，则返回上一步；若pwm1引脚从高电平变为低电平，则进入下一步；
[0072]
b-3、定时器2开始计时；
[0073]
b-4、判断gpio1引脚是否收到下降沿信号；
[0074]
b-5、若gpio1引脚未收到下降沿信号，则返回上一步；若gpio1引脚收到下降沿信号，则进入下一步；
[0075]
b-6、定时器2停止计时，得计时数值t2；
[0076]
s3、选择计时数值t1和t2之中的最大值，设置为合适当前的死区时间。
[0077]
上述本发明方法测量步骤的具体电路原理如下：
[0078]
a、测量mos管q1驱动下降时间t1的原理：
[0079]
mos管q1的初始状态为：mos管q1为导通状态，比较器u1输出高电平，此时微控制器mcu的gpio2引脚为高电平，pwm2引脚为pwm的高电平，l 引脚为高电平。
[0080]
当pwm2引脚开始变为低电平状态，微控制器mcu的内部计时器开始工作，l 引脚也会开始变成低电平，但是由于mos管q1栅极电容和其他影响的存在，l 引脚的高电平状态会有一个减少过程。
[0081]
当mos管q1的栅极电压减少到设定值，比较器u1输出反向，微控制器mcu内部的计
时器停止计时。此时读取计时器的计时值，即可作为计时数值t1。
[0082]
b、测量mos管q2驱动下降时间t2的原理：
[0083]
mos管q2的初始状态为：mos管q2为导通状态，比较器u2输出高电平，此时微控制器mcu的gpio1引脚为高电平，pwm1引脚为pwm的高电平，h 引脚为高电平。
[0084]
当pwm1引脚开始变为低电平状态，微控制器mcu内部的计时器开始工作，h 引脚也会开始变成低电平，但是由于mos管q2栅极电容和其他影响的存在，h 引脚的高电平状态会有一个减少过程。
[0085]
当mos管q2的栅极电压减少到设定值，比较器u2输出反向，微控制器mcu内部的计时器停止计时。此时读取计时器的计时值，即可作为计时数值t2。
[0086]
接着，选择计时数值t1和t2中的最大值设置为pwm波的死区时间。
[0087]
由可知，本发明实际使用时可适用性的设置死区时间的大小，从而有效地消电路中两个mos管共同导通的情况，确保开关电源电路安全、可靠地工作。这样在保证电路正常工作的基础上，实现了开关电源最大的效率。
[0088]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0089]
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。