Dc/dc轉換器的製作方法

2023-05-02 00:03:16

專利名稱：Dc/dc轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及DC/DC轉換器，用於將要輸入的電源電壓轉換為預定的DC電壓，更具體地，涉及一種具有軟啟動功能的DC/DC轉換器。
背景技術：
一種DC/DC轉換方法將開關元件安裝在用於輸入電源功率的接線端和與負載相連並輸出預定DC電壓的接線端之間，並通過開關此開關元件保持預定的DC電壓。因為能夠以緊湊的尺寸獲得高效率，這種方法已經得到廣泛的應用(如日本專利申請未審公開No.H9-121535)。並且，這種方法使得能夠根據開關元件周圍的電路結構，構造多種DC/DC轉換器，如升壓型、降壓型和升壓/降壓型。在這些DC/DC轉換器中，通常安裝有軟啟動電路，用於控制啟動電源時流入開關元件的衝流。
圖5是傳統DC/DC轉換器的電路圖。這種DC/DC轉換器101是升壓型的，而且它包括NMOS電晶體114，作為開關元件；以及線圈115，用於在其漏極和電源(VCC)之間存儲升壓能量。在這些連接點與負載一側的輸出端(OUT)之間，連接反向阻斷二極體116和平滑濾波電容器117。這種電路結構通過使用反饋電路控制NMOS電晶體114的「ON」時間，對負載側輸出端(OUT)的電壓進行調整，接下來將對反饋電路進行描述。
反饋電路包括輸出電源檢測電路106、誤差信號放大器111、三角波發生器(TRI)112、具有兩個同相輸入端的比較器110以及輸出緩衝器113。換句話說，輸出電壓檢測電路106檢測負載側輸出端(OUT)的電壓，誤差信號放大器111接收其輸出電壓，對其進行放大，並將其輸出到同相輸入端之一，比較器110將此輸出電壓與三角波發生器(TRI)112所產生的三角波電壓進行比較，並通過輸出緩衝器113，將此比較結果的輸出值輸入到NMOS電晶體114的柵極，從而對NMOS電晶體114的「ON」時間進行控制。
還安裝軟啟動電路105，用以控制啟動電源(VCC)時流入NMOS電晶體114的衝流。這一電路包括恆流源122和電容器123，並產生逐步升高的電壓。將此電源輸出到比較器110的另一個同相輸入端。並且，在啟動電源(VCC)時，比較器110對軟啟動電路105的輸出電壓和上述三角波電壓進行比較。

發明內容
如上所述，用於產生逐步啟動電壓的軟啟動電路105從恆流源122向電容器123提供微電流，並在電容器123中產生逐步啟動的電壓。不能將此電容器123包括在半導體集成器件102中，而是作為外部組件進行安裝。這是因為電容器123需要較大的電容，由於從電源的啟動開始，需要1毫秒到10毫秒的時間，作為軟啟動操作時間段，以便控制流過NMOS電晶體114的衝流。比如，若在軟啟動電路105的輸出電壓線性上升並於5毫秒之後變為大約1V的條件下，恆流源122的電流是10μA，則電容器需要大約0.05μF的大電容。實際上，難以在半導體襯底上形成這種大電容電容器，因為它將佔用過多的面積。
如果降低恆流源122的電流，比如降低到20nA，並且軟啟動電路105的輸出電壓在5毫秒之後變為大約1V，則電容器的電容變為100pF。如果使用具有這種電容的電容器，則能夠將其包括在半導體集成器件中。但是，如果恆流源122的電流是100nA或更小的微電流，則在高溫環境下，比如，在構成恆流源122之電晶體的PN結處所產生的漏電流就會達到不能被忽略的程度，並且軟啟動電路105可能會有多種操作的問題。因此，降低恆流源122的電流存在限制，對於實際應用，應當為大約10μA。
如果可以將構成軟啟動電流的外部電容器包含在半導體集成電路中，可以減少外部電容器佔用印刷電路板的面積，並且也會因外部電容器的接線端不再是必要的而減小半導體封裝，從而，作為結果，可以實現DC/DC轉換器的小型化。
考慮到前述問題，本發明的目的在於提供一種DC/DC轉換器，可以將構成軟啟動電路的電容器包含在半導體集成器件中。
為了解決上述問題，本發明的一種DC/DC轉換器包括開關元件，通過開關，從電源向負載側的輸出端供電，並使負載側輸出端保持在輸出設定的電壓；誤差信號放大器，用於放大來自負載側輸出端的電壓與誤差比較基準電壓之間的誤差；差分電路，用於對來自負載側輸出端的電壓進行差分；軟啟動電路，包括恆流源和電容器，二者均與差分電路的輸出端相連，用於在啟動電源時，產生逐步上升的電壓；三角波發生器，用於產生三角波；以及比較器，用於在啟動電源時，將三角波電壓與來自軟啟動電路的電壓進行比較，在啟動電源之後，將三角波電壓與誤差信號放大器正常操作期間的輸出電壓進行比較，並根據它的比較輸出，控制開關元件的開關。
在本發明的DC/DC轉換器中，差分電路所起的作用在於在啟動電源時，根據負載側輸出端的輸出電壓的上升速率，從軟啟動電路引出電流，從而在控制開關元件的衝流的同時，可以經過所需的時間，直到負載側輸出端的輸出電壓變為設定電壓為止。因此，能夠減小構成軟啟動電路之電容器的電容，從而將其包含於半導體集成器件中，可以減小半導體集成器件所佔印刷電路板上的面積，並可以減小半導體封裝尺寸。


圖1是本發明一種實施例DC/DC轉換器的電路圖；圖2是上述DC/DC轉換器的差分電路的電路圖；圖3是啟動上述DC/DC轉換器的電源時的波形圖；圖4是本發明另一實施例DC/DC轉換器的電路圖；以及圖5是現有技術DC/DC轉換器的電路圖。
具體實施例方式
以下參照附圖描述本發明的實施例。圖1是本發明一種實施例的DC/DC轉換器1的電路圖。
DC/DC轉換器1包括NMOS電晶體14，它作為開關元件，通過開關，從電源(VCC)向負載側輸出端(OUT)供電，並使負載側輸出端(OUT)保持在輸出設定的電壓；誤差信號放大器11，用於放大來自負載側輸出端(OUT)的電壓與誤差比較基準電源20(誤差比較基準電壓)之間的誤差；差分電路25，用於對來自負載側輸出端(OUT)的電壓進行差分；軟啟動電路5，包括串聯的恆流源22和電容器23，將差分電路25的輸出端與恆流源22和電容器23之間的輸出端(SS)相連；三角波發生器(TRI)12，用於產生三角波；以及比較器10，包括兩個同相輸入端，其中分別將三角波電壓輸入反相輸入端，將誤差信號放大器11的輸出電壓輸入同相輸入端之一，以及將軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)輸入另一同相輸入端，用於將比較結果輸出到NMOS電晶體14。比較器10將輸入兩個同相輸入端的電壓中較低的一個與輸入反向輸入端的電壓進行比較。換句話說，比較器10在啟動電源(VCC)時，將軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)與三角波電壓進行比較，在啟動電源(VCC)之後，在正常操作期間，將誤差信號放大器11的輸出電壓與三角波電壓進行比較，從而控制NMOS電晶體14的開關。這裡，將構成軟啟動電路5的電容器23與恆流源22一起包含於半導體集成器件2中，因為它的電容小到大約100pF。
具體地說，用於存儲升壓能量的線圈15連接在NMOS電晶體14的漏極(輸出端)與電源(VCC)之間。並且，用於阻斷反向電流的二極體16和用於平滑電壓的平滑濾波電容器17連接在NMOS電晶體14的漏極與負載側輸出端(OUT)之間。用於檢測負載側輸出端(OUT)電壓的輸出電壓檢測電路6與負載側輸出端(OUT)相連。輸出電壓檢測電路6包括串聯在負載側輸出端(OUT)與地之間的兩個電阻器，並且兩個電阻器的連接點分別與誤差信號放大器11的反相輸入端相連，以及通過輸入緩衝器24與差分電路25相連。如上所述，差分電路25的輸出端與軟啟動電路5的輸出端(SS)相連，並與比較器10的另一個同相輸入端相連。將誤差比較基準電壓輸入誤差信號比較器11的同相輸入端，並將其輸出端與比較器10的同相輸入端之一相連。將來自三角波發生器12的三角波電壓輸入比較器10的反相輸入端，並通過輸出緩衝器13，將其輸出端與作為控制輸入端的NMOS電晶體14的柵極相連。
按照這種方式，輸出電壓檢測電路6、誤差信號放大器11、比較器10和輸出緩衝器13構成一個反饋電路(第一反饋電路)，而輸出電壓檢測電路6、輸入緩衝器24、差分電路25、軟啟動電路5、比較器10和輸出緩衝器13構成另一反饋電路(第二反饋電路)。通過要輸入到比較器10的兩個同相輸入端的電壓中較低的一個來確定第一反饋電路進行操作還是第二反饋電路進行操作。在啟動電源(VCC)之後的正常操作期間，第一反饋電路進行操作，而在啟動電源(VCC)時，第二反饋電路進行操作。
現在，將描述啟動電源(VCC)之後的正常工作情況。
在所述DC/DC轉換器1中，如果負載側輸出端(OUT)的輸出電源(VOUT)稍微偏移設定的電壓，則誤差信號放大器11放大這一電壓偏移，並輸入比較器10。於是，比較器10的輸出脈衝寬度改變，並通過輸出緩衝器13控制NMOS電晶體14的開關，從而起到使負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)返回設定電壓的作用。這是第一反饋電路進行操作的方式。
現在，將參照圖3描述啟動電源(VCC)時的工作情況。
在啟動電源時，軟啟動電路5產生並輸出逐步上升的電壓(VSS)。在啟動電壓之後，電壓(VSS)立即從時間點t1開始，從0V上升，並在時間點t2，達到三角波的底電壓，而在這段時間內，NMOS電晶體14並未導通，並且負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)保持恆定，其數值在從電源(VCC)中減去二極體16的正向偏壓(Vf)的電壓值處。因此，差分電路25的輸入電壓並不波動，也為恆定值。對恆定值進行差分的結果為0，所以差分電路25並不影響軟啟動電路13的輸出電壓(VSS)。因此，在這段時間內，由恆流源22的電流值和電容器23的電容值惟一地確定軟啟動電路13輸出電壓(VSS)的上升程度(上升速率)。如前所述，電容器23具有較小的電容值，並且其上升速率相對較高(傾角較大)。
當軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)進一步上升，並達到輸出電壓(VSS)超過三角波的底電壓的時間點t2時，從比較器10輸出脈衝，NMOS電晶體14導通。由此，將能量存儲在線圈15中，並且通過線圈15中產生的反電動勢，使二極體16的陽極電壓變得高於電源(VCC)。結果，電流流經二極體16，並且平滑濾波電容器17的已存儲電荷量增加，也增加了負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)。
當負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)開始上升時，通過輸入緩衝器24，將輸出電壓檢測電路6的輸出電壓輸入差分電路25，並且其電壓也上升，從而差分電路25開始根據其上升速率，從軟啟動電路5的輸出端(SS)引出電流。這裡，如果差分電路25的輸入電壓的上升速率較高，則差分電路25所引出的電流值較高，而如果上升速率較低，則所引出的電流值也較低。因此，激活了負反饋，從而使負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)並不突然上升，結果，對NMOS電晶體14的「ON」時間加以限制，並對其衝流進行控制。
利用這種負反饋的功能，差分電路25引出由軟啟動電路5中的恆流源22所提供的大部分電流，並且軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)實際上變為恆定值。在此時間期間，負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)繼續上升，直到其在時間點t3，變為設定值。比如，即使將恆流源22的電流值設定為10μA，其仍為差分電路25所引出，從而即使電容器具有大約100pF的小電容值，負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)變為設定電壓，仍然需要所需的時間。
當在時間點t3，負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)達到設定電壓時，誤差信號放大器11的輸出電壓下降，於是，上述第一反饋電路啟動，並將負載側輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)保持在設定的電壓。結果，差分電路25不再從軟啟動電路13的輸出端(SS)引出電流，並且其電壓(VSS)再次開始上升。此後，操作與上述正常操作相同，其中第二反饋電路，包括軟啟動電路5，並不影響DC/DC轉換器1的工作。
現在，描述差分電路25的結構。圖2是差分電路25的電路圖。此差分電路25包括與它的輸入端並聯的電阻器34和35；與電阻器34的另一端相連的接地電容器33和偏置電壓源32；放大器31，偏置電壓源32的陽極與其反相輸入端相連，並且，電阻器35的另一端與其同相輸入端相連；NMOS電晶體36，其柵極與放大器31的輸出相連，其漏極與差分電路25的輸出端相連，用於引出軟啟動電路5的電流，並且其源極接地；以及電容器37，連接在NMOS電晶體36的漏極與柵極之間，用於停止第二反饋電路的振蕩，即用於相位補償。這裡，差分電路25的輸入端與輸入緩衝器24的輸出端相連，並且差分電路25的輸出端與軟啟動電路5的輸出端相連。此差分電路25隻從其輸出端引出軟啟動電路5的電流，並不向軟啟動電路5提供電流。因此，其輸出格式是漏極開路型。可以用集電極開路型NPN電晶體代替作為輸出電晶體的NMOS電晶體36。
如果差分電路25輸入端的電壓為恆定電壓，放大器31的反相輸入端的輸入電壓比同相輸入端的輸入電壓高出偏置電壓的數值。將偏置電壓設定為微電壓，在這種情況下，將偏置電壓設定為利用其放大器31可以輸出地電壓的電平。如果放大器31按照這種方式輸出地電壓，NMOS電晶體36並不從差分電路25的輸出端引出電流。
當差分電路25輸入端的電壓上升並且時間過去時，放大器31中同相輸入端電壓與反相輸入端電壓的差大約為ACR-E，其中A是上升速率，C是電容器33的電容，R是電阻器34的電阻值，而E是偏置電壓。放大器31在放大此差值的同時，將電壓輸出到NMOS電晶體36的柵極，並根據此電壓，NMOS電晶體36從差分電路25的輸出端引出電流。具體地說，如果上升速率較高，NMOS電晶體36要引出的電流值較高，而如果上述速率較低，要引出的電流值較低。
按照這種方式，差分電路25根據其輸入端的電壓的上升速率，通過NMOS電晶體36，從差分電路25的輸出端引出電流。通過啟動此差分電路25，可以增加軟啟動操作時間段，具體地說，通過設定電容器33的電容值C和電阻器34的電阻值R，軟啟動操作時間段可以為大約5毫秒。
第一和第二反饋電路共用DC/DC轉換器1中的輸出電壓檢測電路6，但當然也可以分別安裝。
圖4示出本發明另一實施例的DC/DC轉換器。上述實施例是升壓型的，而此實施例是降壓型的。與上述升壓型的一樣，此DC/DC轉換器51在啟動電源時和啟動之後的正常操作期間進行工作。在電源(VCC)和負載側輸出端(OUT)之間，連接作為開關元件的NMOS電晶體54和包括二極體、線圈和電容器在內的平滑濾波電路55。從NMOS電晶體54的負載側輸出端(OUT)到輸入的第一和第二反饋電路的結構實質上與上述實施例相同。在此DC/DC轉換器51中，也可以通過使用差分電路25，將構成了軟啟動電路5的電容器23包含在半導體集成電路2中。
本發明並不局限於上述實施例，在權利要求中具體陳述的範圍內，可以按照多種方式，對設計進行修改。
權利要求
1.一種DC/DC轉換器，包括開關元件，通過開關，從電源向負載側輸出端供電，並使負載側輸出端保持在輸出設定的電壓；誤差信號放大器，用於放大來自負載側輸出端的電壓與誤差比較基準電壓之間的誤差；差分電路，用於對來自負載側輸出端的電壓進行差分；軟啟動電路，包括恆流源和電容器，二者均與差分電路的輸出端相連，用於在啟動電源時，產生逐步上升的電壓；三角波發生器，用於產生三角波；以及比較器，用於在啟動電源時，將三角波電壓與來自軟啟動電路的電壓進行比較，在啟動電源之後，將三角波電壓與誤差信號放大器正常操作期間的輸出電壓進行比較，並根據其比較的輸出，控制開關元件的開關。
2.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，用於執行所述差分電路的輸出的電晶體是漏極開路或集電極開路的。
3.根據權利要求1或2所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述恆流源和所述電容器被包含於同一半導體集成器件中。
全文摘要
一種DC/DC轉換器，包括構成半導體集成器件中之軟啟動電路的電容器。所述DC/DC轉換器包括開關元件，通過開關，從電源(V
文檔編號H02M3/155GK1581660SQ20041007135
公開日2005年2月16日 申請日期2004年7月20日 優先權日2003年7月31日
發明者中田健一 申請人:羅姆股份有限公司