升壓型開關調節器及其控制電路、使用了它的電子設備的製作方法
2023-07-23 06:10:21
專利名稱：升壓型開關調節器及其控制電路、使用了它的電子設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關調節器，特別涉及升壓型開關調節器的起動時的控制 方式。
背景技術：
在近年的可攜式電話、PDA ( Personal Digital Assistant:個人數字助 理)、筆記本式個人計算機等各種電子設備中，安裝有作為液晶的背光燈 而設的發光二極體(以下稱LED)、微處理器、或者其他模擬、數字電路 等很多在不同的電源電壓下工作的器件。
另一方面，在這樣的電子設備中，作為電源，安裝有鋰離子電池等電
件，使用將電池電壓升壓或降壓的開關調節器等DC/DC轉換器。
升壓型或降壓型的開關調節器有使用整流用二極體的方式(以下稱二 極管整流方式)、取代二極體而使用同步整流用電晶體的方式(以下稱同 步整流方式)。前者具有在負載所流過的負載電流較小時能得到高效率的 優點，但在控制電路外部除電感、電容外還需要二極體，所以電路面積變 大。後者在提供給負載的電流較小時的效率方面不如前者，但由於使用晶 體管來取代二極體，所以能夠集成在LSI內部，能夠使包括外圍部件在內 的電路面積小型化。
這裡，二極體整流方式或同步整流方式的升壓型開關調節器中，在從
出端子之間，串聯連接同步整流用電晶體和電感。在使用P溝道MOSFET 作為同步整流用電晶體，並且使其背柵極與源極(或者漏極)相連接的情 況下，存在如下問題即使在使同步整流用電晶體截止、停止升壓動作的 狀態下，也會經由背柵極與漏極(或者源極)間的體二極體(寄生二極體) 和電感而向負載流過電 流o
專利文獻l:特開2004 - 32875號公才艮
專利文獻2:特開2002 - 252971號公報
發明內容
〔發明所要解決的課題〕
為了防止在升壓動作停止時經由同步整流用電晶體和電感向負載流 過的電流，考慮在該電流路徑上設置直流防止用電晶體作為開關元件的方 法。但是，該方法存在若急速地使該直流防止用電晶體導通，則會流過沖 擊電流的問題。
本發明是鑑於這樣的課題而設計的，其目的在於提供一種抑制了起動 時的沖擊電流的升壓型開關調節器。 〔用於解決課題的手段〕
本發明的一個方案涉及一種升壓型開關調節器的控制電路。該控制電 路包括 一端接地的開關電晶體；第l端子，與開關電晶體的另一端相連； 第2端子，與一端應連接於第1端子的電感的另一端相連接；第3端子， 被施加輸入電壓；輔助電晶體，被設置在第2端子與第3端子之間；第l 軟起動電路，生成隨時間而增大的第1軟起動電壓；第2軟起動電路，生 成相對於第1軟起動電壓延遲地增大的第2軟起動電壓；誤差放大器，基 於升壓型開關調節器的輸出電壓與第l軟起動電壓的誤差電壓，控制輔助 電晶體的控制端子的電壓；脈衝寬度調製器，被輸入升壓型開關調節器的 輸出電壓和使第2軟起動電壓移位了預定電壓量後的電壓，生成脈沖寬度 調製信號，並控制該脈衝寬度調製信號的佔空比，使得所輸入的兩個電壓 相接近；驅動電路，基於脈衝寬度調製信號驅動上述開關電晶體。
將輔助電晶體用作升壓停止時的直流防止用開關，並與控制其控制端 子的電壓的誤差放大器一起構成線性調節器。這裡，所謂控制端子，是指 相當於MOSET的柵極、雙極型電晶體的基極的端子。根據該方案，能夠 在升壓型開關電晶體起動時基於第l軟起動電壓，由線性調節器使輸出電 壓緩緩上升，然後基於第2軟起動電壓使升壓後的輸出電壓緩緩上升，能 夠抑制沖擊電流的產生。
第2軟起動電路可以包括電平移位電路，使從第l軟起動電路輸出的 第1軟起動電壓向低電壓側移位預定電平。
為生成軟起動電壓，需要使用了電容的時間常數電路、D/A轉換器等，
所以通過使用一個軟起動電路來生成第l軟起動電壓和第2軟起動電壓， 能夠減小電路面積。
開關電晶體可以是N溝道MOSFET( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導體場效應電晶體)，輔助電晶體可以是P 溝道MOSFET。
控制電路可以被一體集成在一個半導體襯底上。這裡的所謂集成，包 括電路的所有結構要件都形成在半導體襯底上的情況，和電路的主要結構 要件被一體集成的情況，也可以為調節電路常數而將一部分電阻、電容等 設置在半導體襯底的外部。
本發明的另一方案是升壓型開關調節器。該升壓型開關調節器包括 上述的控制電路；電感，設置在控制電路的第1端子和第2端子之間；整 流二極體，其陽極與第l端子相連接；輸出電容，被連接在整流二極體的 陰極與接地之間；其中，將整流二極體的陰極與輸出電容的連接點的電壓 作為輸出電壓輸出。
根據該方案，通過輔助電晶體能夠隔斷經由電感和整流二極體流過的 電流。另外，能夠防止在起動時衝擊電流流入輸出電容。
本發明的再一個方案是電子設備。該電子設備包括電池；上述的升 壓型開關調節器，對電池的電壓進行升壓；由升壓型開關調節器驅動的發 光元件。
另外，將以上結構要件的任意組合、本發明的結構要件以及表達方式 在方法、裝置、系統等之間相互置換的方案，作為本發明的實施方式也是 有效的。
圖1是表示實施方式的升壓型開關調節器的結構的電路圖。
圖2的(a) ~ (c)是表示圖1的升壓型開關調節器起動時的時序圖。
圖3是表示安裝有圖1的升壓型開關調節器的電子設備的結構的框圖。
〔標號說明〕
100控制電路，102第1端子，104第2端子，106第3端子，108電 壓反饋端子，110接地端子，112待機端子，200升壓型開關調節器，202 輸入端子，204輸出端子，300電子設備，310電池，320發光元件， Ml開關電晶體，M2輔助電晶體，Rl第1電阻，R2第2電阻，10驅 動電路，12脈衝寬度調製器，14 PWM比較器，16振蕩器，18誤差放 大器，20軟起動電路，22誤差放大器，24電平移位電路，Ll電感， Dl整流二極體，Co輸出電容，Vssl第1軟起動電壓，Vss2第2軟起 動電壓。
具體實施例方式
以下，基於優選的實施方式，參照
本發明。對於各附圖中所 示的相同或等同的結構要件、部件、處理標註相同的標號，並適當省略重 復的說明。另外，實施方式只是例示，並非限定本發明，實施方式中所記 述的所有特徵及其組合，不一定就是本發明的本質特徵。
圖1是表示實施方式的升壓型開關調節器200的結構的電路圖。升壓 型開關調節器200是包括控制電路100、電感L1、輸出電容Co、整流二 極管D1、第1電阻R1、第2電阻R2的二極體整流方式的開關調節器。
本實施方式的升壓型開關調節器200以預定的升壓率對輸入電壓Vin 升壓，從輸出端子204輸出輸出電壓Vout。
首先說明控制電路100的結構。控制電路100作為輸入輸出端子，具 有第1端子102、第2端子104、第3端子106、電壓反饋端子108、接地 端子110、待機(standby)端子112。另外，其內部包括開關電晶體Ml 、 輔助電晶體M2、驅動電路10、脈衝寬度調製器12、軟起動電路20、誤 差放大器22、電平移位電路24。
接地端子110與外部的接地電位相連接。開關電晶體Ml是N溝道 MOSFET，其源極通過接地端子110接地。第1端子102與開關電晶體 Ml的漏極相連。該第1端子102在外部與電感Ll的一端相連。第2端子 104與一端應連接於第1端子102的電感Ll的另一端相連。第3端子106 #皮/人外部施加輸入電壓Vin。
輔助電晶體M2的漏極與第2端子104相連，源極與第3端子106相 連。由第1電阻Rl和第2電阻R2將升壓型開關調節器200的輸出電壓 Vout分壓後的反饋電壓Vout，被反饋到電壓反饋端子108。反饋電壓Vout， 由Vout， = Vout x Rl/ ( Rl + R2 )給出。反饋電壓Vout，被輸入到誤差放大
器22和脈衝寬度調製器12。
軟起動電路20生成隨時間而增大的第l軟起動電壓Vssl。該軟起動 電路20通過待機端子112被輸入待機信號STB,在待機信號STB從低電 平變為高電平時，使第1軟起動電壓Vss 1從0 V緩緩上升到預定的最大電 壓Vmax。
誤差放大器22的反相輸入端子被輸入第l軟起動電壓Vssl，非反相 輸入端子被輸入反饋電壓Vout，。誤差放大器22將對第1軟起動電壓Vssl 與反饋電壓Vout，的誤差放大後的誤差電壓Verrl輸出到輔助電晶體M2的 輔助電晶體M2的作為控制端子的柵極。該誤差放大器22和輔助電晶體 M2構成線性調節器，所以進行反饋使得反饋電壓Vout，接近第l軟起動電 壓Vssl ，輸出電壓Vout以Vssl x ( Rl + R2 ) /Rl為目標值被穩定化。
電平移位電路24生成使從軟起動電路20輸出的第1軟起動電壓Vss 1 向低電壓側移位預定電平AV量後的第2軟起動電壓Vss2。第2軟起動電 壓Vss2被輸入到脈衝寬度調製器12。該第2軟起動電壓Vss2相對於第1 軟起動電壓Vssl時間上延遲地增大。
脈衝寬度調製器12被輸入反饋電壓Vout，、第2軟起動電壓Vss2。誤 差放大器18的反相輸入端子被輸入反饋電壓Vout，，非反相輸入端子被輸 入第2軟起動電壓Vss2。誤差放大器18對反饋電壓Vout，與第2軟起動電 壓Vss2的誤差進行放大，將誤差電壓Verr2輸出到PWM比較器14的非 反相輸入端子。振蕩器16生成三角波或鋸齒波狀的周期電壓Vosc,輸出 到PWM比較器14的反相輸入端子。PWM比較器14對誤差電壓Verr2和 周期電壓Vosc進行比較，輸出在Vosc〉Verr2時為低電平、Vosc〈Verr2時 為高電平的脈衝寬度調製信號(以下稱PWM信號)Vpwm。調節該PWM 信號Vpwm的佔空比，使得反饋電壓Vout，接近第2軟起動電壓Vss2。
驅動電路10基於從脈衝寬度調製器12輸出的PWM信號Vpwm驅動 開關電晶體Ml。開關電晶體Ml的導通時間由PWM信號Vpwm的佔空 比控制。
這樣構成的控制電路100如下那樣與電感Ll、整流二極體D1、輸出 電容Co相連接。電感Ll設置在控制電路100的第1端子102和第2端子 104之間。整流二極體Dl的陽極與第1端子102相連接。輸出電容Co連 接在整流二極體Dl的陰極與接地之間。整流二極體Dl的陰極與輸出電
容Co的連接點的電壓被作為升壓型開關調節器200的輸出電壓Vout提供
給負載。
下面說明如上這樣構成的升壓型開關調節器200的動作。圖2的(a)~ (c)是圖1的升壓型開關調節器200的起動時的時序圖。該圖中為說明 簡潔而對縱軸和橫軸進行了適當放大或縮小。圖2的(a)表示從外部輸 入到控制電路100的待機信號STB。圖2的(b)表示第1軟起動電壓Vssl、 第2軟起動電壓Vss2。圖2的(c)表示升壓型開關調節器200的輸出電 壓Vout。
在時刻TO至時刻Tl期間，待機信號STB是低電平，升壓型開關調 節器200成為暫停狀態。在此期間，第1軟起動電壓Vssl是0V，第2軟 起動電壓Vss2也是0V。第1軟起動電壓Vssl為0V時，從誤差放大器 22輸出的誤差電壓Verrl、即輔助電晶體M2的柵極電壓上升到電源電壓 附近，所以輔助電晶體M2成為全截止狀態。輔助電晶體M2全截止，從 而從第3端子106經由輔助電晶體M2、電感L1、整流二極體D1至輸出 端子204的電流^各徑糹皮隔斷。
另外，在時刻TO至Tl期間，第2軟起動電壓Vss2也是0V,所以 PWM調製信號Vpwm的佔空比成為0。/。，開關電晶體M1的開關動作停止。
在時刻Tl待機信號STB成為高電平後，軟起動電路20使第1軟起 動電壓Vssl從OV起緩緩地隨時間而上升。結果，輔助電晶體M2從全截 止的狀態漸漸嚮導通的狀態變化，輸出電壓Vout隨著第1軟起動電壓Vss 1 的上升，滿足Vout=Vsslx (Rl + R2) /Rl關係地上升。在時刻T2，輔 助電晶體M2成為全導通的狀態，輸出電壓Vout上升至被輸入到第3端子 106的輸入電壓Vin附近時，輸出電壓Vout不再繼續上升。
另夕卜，如上所述第2軟起動電壓Vss2是將第l軟起動電壓Vssl向低 電壓側電平移位AV量後的電壓，所以在從時刻Tl起經過預定的延遲時 間T後的時刻Tl，開始上升。升壓型開關調節器200的脈衝寬度調製器12 調節PWM信號Vpwm的佔空比，使得反饋電壓Vout，變得等於第2軟起 動電壓Vss2。但在時刻Tl，至時刻T2期間，按Vss2 x ( Rl + R2 ) /Rl所 給出的升壓型開關調節器的輸出電壓的目標值比輸入電壓Vin低，所以不 進行升壓動作。
在時刻T3,由第2軟起動電壓Vss2規定的升壓型開關調節器的輸出電壓的目標值超過輸入電壓Vin時，從脈衝寬度調製器12輸出的PWM信 號Vpwm的佔空比隨時間而增大，由驅動電路IO驅動開關電晶體Ml，控 制升壓動作使得輸出電壓Vout接近以Vss2 x ( Rl + R2 ) /Rl給出的目標 電壓。結果，隨著第2軟起動電壓Vss2的上升，輸出電壓Vout漸漸上升。 當在時刻T4第2軟起動電壓Vss2達到Vref - Vmax - △ V所給出的目標 基準電壓時，軟起動動作結束，輸出電壓Vout被穩定化。
以上說明了本實施方式的升壓型開關調節器200的結構和動作。通過 本實施方式的升壓型開關調節器200,在升壓動作開始前使用輔助電晶體 M2作為直流防止用開關，A^而能夠防止經由電感Ll和整流二才及管Dl向 負載流過電流、或者輸出端子204呈現輸入電壓Vin的情況。
進而，在升壓型開關調節器200的起動過程中，通過使該輔助電晶體 M2和誤差放大器22作為線性調節器來發揮作用，能夠在輸出電壓Vout 上升到輸入電壓Vin附近之前的期間內使輸出電壓Vout緩緩上升。即，在 以往的升壓型開關調節器中，在賦予輸入電壓Vin的時刻輸出電壓Vout 會上升到輸入電壓Vin,而通過本實施方式的升壓型開關調節器200，能 夠使輸出電壓Vout從OV起緩緩上升。
進而，在輸出電壓Vout上升到輸入電壓Vin附近時輔助電晶體M2 成為全導通的狀態，第2端子104呈現接近輸入電壓Vin的電壓。之後， 雖然由升壓型開關調節器200使第2端子104所呈現的輸入電壓Vin升壓， 但由於此時輸入到誤差放大器18的第2軟起動電壓Vss2隨時間而上升， 所以能夠使輸出電壓Vout也隨時間緩緩上升。這樣，通過使輸出電壓Vout 從OV起緩緩上升到預定的目標電壓，能夠抑制起動時的衝擊電流。
圖3是表示安裝了圖1的升壓型開關調節器200的電子設備300的結 構的框圖。電子設備300是可攜式電話終端、數字靜態照相機、CD播放 器等電池驅動型的小型信息設備，包括電池310、發光元件320、升壓型 開關調節器200。電池310例如是鋰離子電池，輸出3V 4V程度的電池 電壓Vbat。電池電壓Vbat被輸入到升壓型開關調節器200的輸入端子202。 該輸入端子202對應於圖1的第3端子106，電池電壓Vbat對應於圖1的 輸入電壓Vin。升壓型開關調節器200以電池電壓Vbat作為輸入電壓Vin發光元件320例如是作為液晶的背光燈、照相機的閃光燈、或者照明
用而設的LED，陽極連接於升壓型開關調節器200的輸出端子204。陰極 與用於控制發光元件320的發光亮度的恆電流電路330相連接。發光元件 320通過恆電流電路330所生成的恆電流來控制發光亮度。圖1的升壓型 開關調節器200能夠很好地在這樣的電子設備300中使用。
上述實施方式是個例示，可以對其各結構要件和各處理過程的組合進 行各種變形，本領域技術人員能夠理解這些變形例也包含在本發明的範圍 內。
在實施方式中，是由軟起動電路20和電平移位電路24生成第l軟起 動電壓Vssl、第2軟起動電壓Vss2的，但不限於此，也可以使用兩個軟 起動電路來生成第1軟起動電壓Vssl和第2軟起動電壓Vss2。此時，能 夠獨立地控制第1軟起動電壓Vssl和第2軟起動電壓Vss2,所以能夠進
行更靈活的軟起動。
在實施方式中說明了控制電路IOO被一體集成在一個LSI中的情況， 但不限於此，也可以是一部分結構要件作為分立元件或晶片部件設置在 LSI的外部，或者由多個LSI構成。
另外，在本實施方式中高電平、低電平的邏輯值的設定僅是一例，可 以通過反相器等使其適當反轉而自由改變。
基於實施方式對本發明進行了說明，但顯然實施方式僅是表示本發明 的原理、應用，在不脫離權利要求書所規定的本發明的思想的範圍內，實 施方式可以有很多變形例和配置的變更。 〔工業可利用性〕
通過本發明的升壓型開關調節器的控制電路，能夠不設置直流防止用 電晶體地隔斷在升降壓動作停止時所流過的電流。
權利要求
1.一種升壓型開關調節器的控制電路，其特徵在於，包括一端接地的開關電晶體；第1端子，與上述開關電晶體的另一端相連；第2端子，與一端應連接於上述第1端子的電感的另一端相連接；第3端子，被施加輸入電壓；輔助電晶體，被設置在上述第2端子與上述第3端子之間；第1軟起動電路，生成隨時間而增大的第1軟起動電壓；第2軟起動電路，生成相對於上述第1軟起動電壓延遲地增大的第2軟起動電壓；誤差放大器，基於上述升壓型開關調節器的輸出電壓與上述第1軟起動電壓的誤差電壓，控制上述輔助電晶體的控制端子的電壓；脈衝寬度調製器，被輸入上述升壓型開關調節器的輸出電壓和使上述第2軟起動電壓移位了預定電壓量後的電壓，生成脈衝寬度調製信號，並控制該脈衝寬度調製信號的佔空比，使得所輸入的兩個電壓相接近；以及驅動電路，基於上述脈衝寬度調製信號驅動上述開關電晶體。
2. 根據權利要求1所述的控制電路，其特徵在於上述第2軟起動電路包括電平移位電路，使從上述第l軟起動電路輸 出的上述第1軟起動電壓向低電壓側移位預定電平量。
3. 根據權利要求1或2所述的控制電路，其特徵在於上述開關電晶體是N溝道MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導體場效應電晶體)，上述輔助電晶體是P 溝道MOSFET 。
4. 根據權利要求1或2所述的控制電路，其特徵在於 被一體集成在一個半導體襯底上。
5. —種升壓型開關調節器，其特徵在於，包括 權利要求1或2所述的控制電路；電感，設置在上述控制電路的上述第1端子和上述第2端子之間； 整流二極體，其陽極與上述第1端子相連接；以及 輸出電容，被連接在上述整流二極體的陰極與接地之間； 其中，將上述整流二極體的陰極與上述輸出電容的連接點的電壓作為 輸出電壓l命出。
6.—種電子設備，其特徵在於，包括 電池；權利要求5所述的升壓型開關調節器，對上述電池的電壓進行升壓；以及由上述升壓型開關調節器驅動的發光元件。
全文摘要
提供一種抑制了起動時的衝擊電流的升壓型開關調節器。開關電晶體(M1)的源極接地，漏極與第1端子(102)相連接。第2端子(104)與一端應連接於第1端子(102)的電感(L1)的另一端相連接。第3端子(106)被施加輸入電壓(Vin)。輔助電晶體(M2)被設置在第2端子(104)與第3端子(106)之間。第1軟起動電路(20)生成隨時間而增大的第1軟起動電壓(Vss1)，第2軟起動電路(20、24)生成相對於第1軟起動電壓(Vss1)延遲地增大的第2軟起動電壓(Vss2)。誤差放大器(22)基於輸出電壓(Vout)與第1軟起動電壓(Vss1)的誤差電壓(Verr1)，控制輔助電晶體(M2)的柵極電壓。
文檔編號H02M3/155GK101199106SQ20068002160
公開日2008年6月11日 申請日期2006年7月12日 優先權日2005年7月15日
發明者大山英太郎, 宮原寬, 柄澤伸也 申請人:羅姆股份有限公司