電流方向檢測電路以及具有該電路的開關調節器的製作方法
2023-06-07 16:49:01 2
專利名稱：電流方向檢測電路以及具有該電路的開關調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在接地側輸出電晶體中流有反向電流的情況下，能夠將其檢測出來的電流方向檢測電路以及具有該電流方向檢測電路的開關調節器(switching regulator)。
背景技術：
開關調節器，在輸入電源的端子與連接負載、輸出給定的DC電壓的端子之間，設置作為主開關元件的電源側輸出電晶體，通過對該電源側輸出電晶體進行導通截止(導通/不導通)，維持給定的DC電壓。由於其較為小型並且能夠實現高功率效率，因此廣泛應用，但作為進一步提高功率效率者，近年來正在使用設有作為同步整流用開關元件的接地側輸出電晶體的同步整流型開關調節器(例如專利文獻1)。
圖3中示出了以前的同步整流型開關調節器的結構。該開關調節器101具有串聯設置在輸入電源VCC與接地電位之間的採用P型MOS電晶體的電源側輸出電晶體111以及採用N型MOS電晶體的接地側輸出電晶體112；輸入端連接在兩電晶體111、112之間，輸出端與輸出端子OUT相連接的平滑用電路113；將輸出端子OUT的電壓反饋輸入並應當維持給定的DC電壓，輸出對電源側輸出電晶體111與接地側輸出電晶體112進行導通截止控制的控制信號A以及控制信號B的調節器控制電路115；在接地側輸出電晶體112中流通反向電流時將其檢測出來，輸出控制信號F的電流方向檢測電路116；以及根據控制信號B與控制信號F輸出用來控制接地側輸出電晶體112的輸出信號C的接地側輸出電晶體控制電路117。這裡，輸出端子OUT在外部與負載114相連接。另外平滑用電路113，由一端與電源側輸出電晶體111與接地側輸出電晶體112的接點(節點D)相連接、另一端與輸出端子OUT相連接的平滑用線圈140，與一端與輸出端子OUT相連接、另一端接地的平滑用電容器141構成。另外，調節器控制電路115，所輸出的控制信號A與控制信號B幾乎為同一波形。
電流方向檢測電路116，由反相輸入端子被輸入節點D的電壓，同相輸入端子被輸入接地電位並進行比較的比較器120構成。另外，接地側輸出電晶體控制電路117，由輸入調節器控制電路115的控制信號B與電流方向檢測電路116的控制信號F的AND電路130，與提高其電流能力並輸出的緩衝器131構成。
接下來，根據圖4對開關調節器101的動作進行說明。圖中，VB為調節器控制電路115的控制信號B的電壓，VC為接地側輸出電晶體控制電路117的輸出信號C的電壓，IO為接地側輸出電晶體112中流通的電流，VD為節點D的電壓。另外，該圖為負載114較輕的情況下的波形，省略了負載114較重的情況。
在控制信號B為低電平的期間中，輸出信號C為低電平，接地側輸出電晶體112截止。另外，由於控制信號A也為低電平，因此電源側輸出電晶體111導通。因此，接地側輸出電晶體112中流通的電流IO為零，並且節點D的電壓VD變為高電平。
如果控制信號B變為高電平，則控制信號A也變為高電平，因此電源側輸出電晶體111截止。之後，如果節點D的電壓VD下降，變得比接地電位低，控制信號F就變為高電平，接地側輸出電晶體112導通。通過這樣，首先從接地電位向節點D流通正向的電流IO。此時，節點D的電壓VD，比接地電位低該電流IO乘以接地側輸出電晶體12的導通電阻所得到的電壓部分。
之後，電流IO慢慢直線減少，相應的節點D的負電壓VD也慢慢直線上升。這裡，在負載114較大的情況下，在電流IO開始減少之前的初始電流值較大，因此直到其變為反向電流之前，經過高電平的期間，控制信號B恢復為低電平(未圖示)。與此相對，在負載114較小的情況下，電流IO變為反向電流，直到經過控制信號B的高電平的期間為止。由於該反向電流是向著接地電位流出的電流，因此變為功率損耗，開關電晶體101的功率效率降低該量。因此，如果變為反向電流，電流方向檢測電路116便將其檢測出來，輸出低電平的控制信號F。其結果是，輸出信號C的電壓VC變為低電平，通過這樣，接地側輸出電晶體112強制截止，抑制了反向電流流通。
專利文獻1特開2000-92824號公報這樣，在負載較小的情況下，一旦電流IO變為反向電流，便將接地側輸出電晶體112強制截止，通過這樣，能夠提高功率效率。本發明人對進一步提高功率效率進行研究的結果是，發現從電流方向檢測電路116檢測接地側輸出電晶體112的反向電流到將其截止，存在一定的延遲(圖4中的期間t0)，該延遲使得反向電流短時間流通，因此引起功率損耗。另外，節點D的電壓VD，具有從電源電壓到接地電位以下的大變動幅度。因此，將這樣的變動幅度較大的電壓作為輸入電壓的電流方向檢測電路116的比較器120，與將變動幅度較小的電壓作為輸入電壓的通常的比較器相比，電路規模較大。
另外，這樣的開關電晶體101中，如圖4所示，如果接地側輸出電晶體112強制截止之後所產生的漸次衰減的電壓的擺動，也即振鈴(ringing)，使得節點D的電壓VD變為接地電壓以下，電流方向檢測電路116便會瞬間動作，有可能消耗無效的功率，產生噪聲。
發明內容
本發明鑑於以上事由，目的在於提供一種用於開關調節器等中，能夠進一步抑制其功率損耗，並且電路規模較小的電流方向檢測電路，以及通過具有該電路，來抑制功率損耗，並且在反向電流檢測後，電流方向檢測電路不會再次動作的開關調節器。
為了解決上述問題，本發明的理想實施方式的相關電流方向檢測電路，是一種在從接地的輸入端向輸出端流通電流的接地側輸出電晶體中，流通反向電流時，將其檢測出來的電流方向檢測電路，具有控制端與輸出端分別與接地側輸出電晶體的控制端與輸出端相連接的監視用電晶體；一端與監視用電晶體的輸入端相連接，另一端接地的阻抗元件；第1與第2恆流源；介插在第1恆流源與接地電位之間的二極體連接的參考用電晶體；以及介插在第2恆流源與阻抗元件之間，控制端與參考用電晶體的控制端相連接的傳感用電晶體，將第2恆流源與傳感用電晶體之間的電壓作為控制信號輸出，控制接地側輸出電晶體與監視用電晶體。
本發明的理想實施方式的相關開關調節器，在這種具有串聯設置在輸入電源與接地電位之間的電源側輸出電晶體以及接地側輸出電晶體；輸入端連接在電源側輸出電晶體與接地側輸出電晶體之間，輸出端與輸出給定的DC電壓的輸出端子相連接的平滑用電路；以及對將輸出端子的電壓反饋輸入並應當維持給定的DC電壓的電源側輸出電晶體、接地側輸出電晶體進行導通截止控制的調節器控制電路的開關調節器中，還具有上述電流方向檢測電路；以及接地側輸出電晶體控制電路，其控制接地側輸出電晶體，使得通過調節器控制電路的控制信號使該接地側輸出電晶體導通後，一旦電流方向檢測電路的控制信號上升，便繼續截止。
發明效果本發明的理想實施方式的相關電流方向檢測電路，如上所述，具有監視用電晶體、阻抗元件、第1與第2恆流源、參考用電晶體、以及傳感用電晶體，通過這樣，檢測出接地側輸出電晶體中流通的電流剛剛變為反向之前的狀態，輸出控制信號，在開關調節器等中使用，能夠進一步抑制其功率損耗，並且還能夠讓電路規模變小。另外，本發明的理想實施方式的相關開關調節器，在檢測到反向電流之後，電流方向檢測電路不會再次工作，因此能夠抑制振鈴所引起的無效功率消耗與噪聲的產生。
圖1為本發明的實施方式的相關電流方向檢測電路以及具有它的開關調節器的電路圖。
圖2為上述電路的工作波形圖。
圖3為背景技術中的開關調節器的電路圖。
圖4為上述電路的工作波形圖。
圖中1-開關調節器，11-電源側輸出電晶體，12-接地側輸出電晶體，13-平滑用電路，14-負載，15-調節器控制電路，16-電流方向檢測電路，17-接地側輸出電晶體控制電路，20-監視用電晶體，21-阻抗元件，22-第1恆流源，23-第2恆流源，24-參考用電晶體，25-傳感用電晶體，VCC-輸入電源，OUT-輸出端子。
具體實施例方式
下面對照附圖，對本發明的理想實施方式進行說明。圖1為本發明的實施方式的相關電流方向檢測電路以及具有它的開關調節器的電路圖。該開關調節器1具有串聯設置在輸入電源VCC與接地電位之間的採用P型MOS電晶體的電源側輸出電晶體11以及採用N型MOS電晶體的接地側輸出電晶體12；輸入端連接在兩電晶體11、12之間，輸出端與輸出端子OUT相連接的平滑用電路13；將輸出端子OUT的電壓反饋輸入並應當維持給定的DC電壓，輸出對電源側輸出電晶體11與接地側輸出電晶體12進行導通截止控制的控制信號A以及控制信號B的調節器控制電路15；在接地側輸出電晶體12中流通反向電流時將其檢測出來，輸出控制信號F的電流方向檢測電路16；以及根據控制信號B與控制信號F輸出用來控制接地側輸出電晶體12的輸出信號C的接地側輸出電晶體控制電路17。這裡，輸出端子OUT在外部與負載14相連接。另外平滑用電路13，由一端與電源側輸出電晶體11與接地側輸出電晶體12的接點(節點D)相連接、另一端與輸出端子OUT相連接的平滑用線圈40，與一端與輸出端子OUT相連接、另一端接地的平滑用電容器41構成。另外，調節器控制電路15，所輸出的控制信號A與控制信號B幾乎為同一波形。
電流方向檢測電路16具有柵極(控制端)以及漏極(輸出端)分別與接地側輸出電晶體12的柵極(控制端)以及漏極(輸出端)相連接的採用N型MOS電晶體的監視用電晶體20；一端與監視用電晶體20的源極(輸入端)相連接，另一端接地的阻抗元件21；均由P型MOS電晶體所構成的第1及第2恆流源22、23；介插在第1恆流源22與接地電位之間的採用二極體連接，也即漏極與柵極連接在一起的採用N型MOS電晶體的參考用電晶體24；介插在第2恆流源23與阻抗元件21之間，並且柵極(控制端)與參考用電晶體的柵極(控制端)相連接的採用N型MOS電晶體的傳感用電晶體25。另外，電流方向檢測電路16，還具有第1及第2恆流源22、23、構成電流反射鏡電路並設定其電流值的P型MOS電晶體26、以及生成其中所流通的電流的恆流源27。這樣，電流方向檢測電路16，將第2恆流源23與傳感用電晶體25間(節點F)的電壓作為控制信號輸出，經接地側輸出電晶體控制電路17控制接地側輸出電晶體12與監視用電晶體20。
這裡，監視用電晶體20，為了流通與接地側輸出電晶體12的電流值成比例的較少的電流，而設為接地側輸出電晶體12的給定值(N)分之一的大小。阻抗元件21是對應於流通的電流而生成電壓的元件，例如使用電阻元件或導通電阻較高的N型MOS電晶體等。第1恆流源22與第2恆流源23具有流通相等的恆流IREF(例如1μA)的能力。另外，設定參考用電晶體24的大小，使得第1恆流源22與參考用電晶體24的接點變為高電平。並且，參考用電晶體24與傳感用電晶體25的大小相等，如果節點E的電壓VE幾乎為接地電位以上，則節點F也即電流方向檢測電路16所輸出的控制信號的電壓VF變為高電平。與此相對，如果節點E的電壓VE幾乎降低到接地電位以下，則傳感用電晶體25的導通電阻下降，節點F的電壓VF變為低電平。
節點E的電壓為接地電位以上的情況，具體地來說為監視用電晶體20截止的情況，與監視用電晶體20導通並且節點D的電壓VD為接地電位以上的情況。在監視用電晶體20截止的情況下，為了從第2恆流源23向阻抗元件21(例如1KΩ)流通電流，將節點E的電壓從接地電位稍稍上升。另外，在監視用電晶體20導通並且節點D的電壓VD為接地電位以上的情況下，為了從節點D通過監視用電晶體20與阻抗元件21流通電流，而讓節點E的電壓VE為通過監視用電晶體20的導通電阻與阻抗元件21的電阻分割節點D的電壓VD所得到的值。另外，節點E的電壓VE比接地電位低的情況，具體是指監視用電晶體20導通並且節點D的電壓VD為接地電位以下的電壓，也即負電壓的情況。這種情況下，為了從接地電位通過阻抗元件21與監視用電晶體20流通電流，而讓節點E的電壓VE為通過阻抗元件21的電阻與監視用電晶體20的導通電阻分割節點D的負電壓VD所得到的值。
更嚴格地說，即使在監視用電晶體20導通並且節點D變為負電壓的情況下，如果該負電壓值較小，則節點E的電壓VE有可能為接地電位以上。也即，例如如果將監視用電晶體20的導通電阻值與阻抗元件21的電阻值均設為R，則節點E的電壓VE為
VE＝(VD+IREF×R)/2IREF如前所述，是第2恆流源23的恆流值。由於在VD＝-IREF×R時，VE變為零，因此即使節點D的電壓VD為負，但如果小於(IREF×R)，節點E的電壓VE也為接地電位以上。這樣，節點D的電壓VD具有從接地電位向負方向的偏置量(offset)，由電流檢測電路16檢測出來。該偏置值，能夠通過IREF或阻抗元件21的電阻值來調整。利用這一點，在接地側輸出電晶體12中稍稍流通反向電流之前，就能夠檢測到，詳細情況將在後面說明。
接下來，對接地側輸出電晶體控制電路17進行說明。接地側輸出電晶體控制電路17由下述部分構成由輸入調節器控制電路15的控制信號B的反相信號與電流方向檢測電路16的控制信號F的OR電路30；置位輸入端子S被輸入控制信號B，復位輸入端子R被輸入OR電路30的輸出，並從同相輸出端子Q輸出的邊緣檢測電路31；以及提高邊緣檢測電路31的電流能力並輸出的緩衝器32。邊緣檢測電路31，通過置位輸入端子S的輸入信號的上升沿，從同相輸出端子Q輸出高電平，並維持該狀態，通過復位輸入端子R的輸入信號的上升沿，從同相輸出端子Q輸出低電平，並維持該狀態。
接下來，根據圖2以電流方向檢測電路16的動作為中心，對開關調節器1的動作進行說明。圖中，VB為調節器控制電路15的控制信號B的電壓，VC為接地側輸出電晶體控制電路17的輸出信號C的電壓，IO為接地側輸出電晶體12中流通的電流，VD為節點D的電壓，VE為節點E的電壓，VF為電流方向檢測電路16的控制信號F的電壓。另外，放大圖中VE的高度而進行顯示。另外，該圖為負載14較小的情況下的波形，省略了負載14較大的情況。
在控制信號B為低電平的期間中，輸出信號C為低電平，使得接地側輸出電晶體12與監視用電晶體20截止。另外，控制信號A也為低電平，電源側輸出電晶體11導通。因此，接地側輸出電晶體12中流通的電流IO為零，節點D的電壓VD變為高電平。另外，由於監視用電晶體20截止，因此如前所述，節點E的電壓VE從接地電位稍稍上升，節點F的電壓VF變為高電平。
如果控制信號B變為高電平，由於控制信號A也為高電平，因此電源側輸出電晶體11截止。這樣，接地側輸出電晶體控制電路17，接收控制信號B的上升沿，輸出高電平，接地側輸出電晶體12與監視用電晶體20均導通。通過接地側輸出電晶體12的導通，首先從接地電位向節點D流通正向的電流IO。此時，節點D的電壓VD，比接地電位降低該電流IO與接地側輸出電晶體12的導通電阻相乘所得到的電壓量。另外節點E的電壓VE也為負電壓，節點F的電壓VF變為低電平。
之後，電流IO慢慢直線減少，相應地，節點D的負電壓VD以及節點E的電壓VE也慢慢直線上升。這裡，在負載14較大的情況下，由於電流IO開始減少之前的初始電流值較大，因此到其變為反向電流之前，要經過高電平的期間後，控制信號B恢復到低電平(未圖示)。這種情況下，接地側輸出電晶體控制電路17，接收所輸入的控制信號B的下降沿，輸出低電平，使接地側輸出電晶體12與監視用電晶體20截止(未圖示)。
與此相對，在負載14較輕的情況下，在控制信號B的高電平的期間經過之前，接地側輸出電晶體12中流通的電流IO變為反向電流，節點D的電壓VD變為正電壓。但是，如前所述，節點D的電壓VD具有從接地電位向負方向的偏置量，被電流方向檢測電路16檢測出來。也即，電流方向檢測電路16，檢測出電流IO剛剛變為反向前的狀態，給節點F輸出高電平的控制信號。並且，接地側輸出電晶體控制電路17，接收所輸入的電流方向檢測電路16的控制信號F的上升沿，輸出低電平，將接地側電晶體12強制截止。也即，接地側輸出電晶體控制電路17，控制接地側輸出電晶體12，使得通過調節器控制電路15的控制信號B使該輸出電晶體導通後，一旦電流方向檢測電路16的控制信號F上升，便繼續截止。
這樣，電流方向檢測電路16，在接地側輸出電晶體12中剛剛流通反向電流之前，便將其檢測出來，通過這樣，對電流方向檢測電路16以及接地側輸出電晶體控制電路17所引起的電路延遲進行補償，抑制功率損耗，據此能夠提高功率效率。另外，電流方向檢測電路16，與背景技術中的開關調節器101中所使用的將變動幅度較大的電壓作為輸入電壓的電流方向檢測電路116相比，輸入電壓的變動幅度較小，電路結構簡單，因此電路規模較小。
另外，如果接地側輸出電晶體12被強制截止，節點D的電壓VD便經過振鈴，集中到輸出端子OUT的電壓電平並穩定，但此時，由於接地側輸出電晶體控制電路17，控制接地側輸出電晶體12，使得一旦電流方向檢測電路16的控制信號F上升，便繼續截止，因此不會像背景技術中的開關調節器101那樣，因振鈴而有可能使得電流方向檢測電路16再次工作。
另外，本發明的實施方式的電流方向檢測電路，雖然是為了開關調節器而提出的，但還可以用於具有向線圈輸出電流的接地側輸出電晶體的其他裝置(例如電動機驅動裝置等)。
另外，本發明並不僅限於上述實施方式，還可以在權利要求所記載的事項的範圍內進行各種各樣的設計變更。
權利要求
1.一種電流方向檢測電路，在從接地的輸入端向輸出端流通電流的接地側輸出電晶體中，流通反向電流時，將其檢測出來，其特徵在於，具有監視用電晶體，其控制端與輸出端分別與接地側輸出電晶體的控制端與輸出端相連接；阻抗元件，其一端與監視用電晶體的輸入端相連接，另一端接地；第1與第2恆流源；參考用電晶體，其被介插在第1恆流源與接地電位之間並二極體連接；以及傳感用電晶體，其被介插在第2恆流源與阻抗元件之間，控制端與參考用電晶體的控制端相連接，將第2恆流源與傳感用電晶體之間的電壓作為控制信號輸出，控制接地側輸出電晶體與監視用電晶體。
2.一種開關調節器，具有串聯設置在輸入電源與接地電位之間的電源側輸出電晶體以及接地側輸出電晶體；輸入端連接在電源側輸出電晶體與接地側輸出電晶體之間，輸出端與輸出給定的DC電壓的輸出端子相連接的平滑用電路；以及對將輸出端子的電壓反饋輸入並應當維持給定的DC電壓的電源側輸出電晶體和接地側輸出電晶體進行導通截止控制的調節器控制電路，其特徵在於，還具有如權利要求1所述的電流方向檢測電路；以及接地側輸出電晶體控制電路，其控制接地側輸出電晶體，使得通過調節器控制電路的控制信號使該接地側輸出電晶體導通後，一旦電流方向檢測電路的控制信號上升，便繼續截止。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種能夠抑制開關調節器的功率損耗並且電路規模較小的電流方向檢測電路。該電流方向檢測電路(16)具有控制端與輸出端分別與接地側輸出電晶體(12)的控制端與輸出端相連接的監視用電晶體(20)；一端與監視用電晶體(20)的輸入端相連接，另一端接地的阻抗元件(21)；第1與第2恆流源(22、23)；介插在第1恆流源(22)與接地電位之間的二極體連接的參考用電晶體(24)；以及介插在第2恆流源(23)與阻抗元件(21)之間，並且控制端與參考用電晶體(24)的控制端相連接的傳感用電晶體(25)。
文檔編號H02M7/48GK1922778SQ20058000534
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月15日 優先權日2004年2月19日
發明者北條喜之 申請人:羅姆股份有限公司