開關控制電路、電源電路的製作方法
2023-04-24 05:07:01
專利名稱：開關控制電路、電源電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關控制電路、電源電路。
背景技術：
作為從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓的開關電源電路已知一種紋波變換器 (ripple converter)(例如參照專利文獻1)。圖6是表示普通的導通時間固定式的紋波變換器100的一例的圖。當與輸出電壓Vout相應的反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，控制電路110使NMOS電晶體120導通規定時間。其結果，輸出電壓Vout上升。然後，當因負載150的影響而導致輸出電壓Vout下降，從而反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，控制電路110再次使NMOS電晶體120導通規定時間。通過反覆進行這種動作來生成目標電平的輸出電壓Vout。專利文獻1 日本特開2006-14559號公報
發明內容
發明要解決的問題但是，負載150的負載電流越小，紋波變換器100的輸出電壓Vout下降越緩慢，因此NMOS電晶體120的開關周期變長。也就是說，當負載電流變小時，紋波變換器100的開關頻率降低。因而，當負載電流減小而開關頻率降低至例如聽覺頻域時，有時會從紋波變換器100產生噪音。因此，例如要對控制電路110進行設計以避免開關頻率小於等於規定頻率，其中該規定頻率高於聽覺頻域。如果使用這種控制電路110時，則開關頻率不會小於等於上述規定頻率，因此例如能夠抑制噪音的產生。然而，即使在輸出電壓Vout幾乎不下降的情況下，控制電路110 有時也會使NMOS電晶體120導通，因此會產生輸出電壓Vout的電平高於目標電平的問題。本發明是鑑於上述課題而完成的，目的在於提供一種開關控制電路、電源電路，即使在進行限制以避免開關周期超過規定周期的情況下，也能夠抑制輸出電壓上升。用於解決問題的方案為了達成上述目的，本發明的一個方面所涉及的開關控制電路為了從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓，其輸入電極被施加上述輸入電壓，並且在輸出電極處進行使連接於電感和二極體的第一電晶體導通規定時間的開關動作，上述開關控制電路的特徵在於， 具備比較電路，其將對應於上述輸出電壓的反饋電壓與基準電壓進行比較；檢測電路，其檢測上述第一電晶體的開關周期是否比規定周期長；以及驅動電路，當上述反饋電壓低於上述基準電壓時，該驅動電路使與上述二極體並聯連接的第二電晶體截止並且使上述第一電晶體導通上述規定時間，之後使上述第一電晶體和上述第二電晶體截止，而當上述開關周期比上述規定周期長時，該驅動電路使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導
ο一種開關電源電路，為了從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓，其輸入電極被施加上述輸入電壓，並且在輸出電極處進行使連接於電感的第一電晶體導通規定時間的開關動作，上述開關電源電路的特徵在於，具備二極體，其連接於上述輸出電極；第二電晶體， 其與上述二極體並聯連接；比較電路，其將對應於上述輸出電壓的反饋電壓與基準電壓進行比較；檢測電路，其檢測上述第一電晶體的開關周期是否比規定周期長；以及驅動電路， 當上述反饋電壓低於上述基準電壓時，該驅動電路使上述第二電晶體截止並且使上述第一電晶體導通上述規定時間，之後使上述第一電晶體和上述第二電晶體截止，而當上述開關周期比上述規定周期長時，該驅動電路使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導
ο發明的效果能夠提供一種開關控制電路、電源電路，即使在進行限制以避免開關周期比規定周期長的情況下，也可以抑制輸出電壓上升。
圖1是表示作為本發明的一個實施方式的紋波變換器10的結構的圖。圖2是表示驅動電路44的結構的圖。圖3是表示重負載時的紋波變換器10的主要波形的圖。圖4是表示輕負載時的紋波變換器10的主要波形的圖。圖5是表示接近無負載情況下的紋波變換器10的主要波形的圖。圖6是表示普通的紋波變換器10的結構的圖。附圖標記說明10 紋波變換器；15 負載；20 控制IC ；21,22 =NMOS電晶體；23 二極體；24 電感；25 電容器；26、27 :電阻；40 比較器；41 =OR電路(或電路)；42 脈衝信號生成電路； 43 脈衝周期檢測電路；44 驅動電路；50 計數器；51 檢測電路；60,74 開關電路；61 低端驅動器；70 反相器；71 =RS觸發器；72 =OR電路(或電路)；73 =AND電路(與電路)
具體實施例方式根據本說明書以及所附附圖的記載，至少可明確以下事項。圖1是表示作為本發明的一個實施方式的紋波變換器10的結構的圖。紋波變換器10例如是從輸入電壓Vin生成目標電平的輸出電壓Vout的電路，構成為包括控制 IC (Integrated Circuit 集成電路)20、匪OS電晶體21、22、二極體23、電感24、電容器25、 以及電阻26、27。另外，紋波變換器10根據來自微型計算機(未圖示)的指示，作為同步整流方式或二極體整流方式的電源電路而進行動作。此外，控制IC 20、NM0S電晶體22、以及二極體23相當於電源電路。負載15例如是CPU (Central Processing Unit 中央處理單元)等集成電路，以輸出電壓Vout作為電源電壓來進行動作。此外，在本實施方式中，將流經負載15的電流作為負載電流。控制IC 20(開關控制電路)是如下一種集成電路根據利用電阻沈、27對輸出電壓Vout進行分壓而得到的反饋電壓Vfb來使NMOS電晶體21、22導通/截止。控制IC 20 具備端子 FB、SW、0UT1、0UT2。
對端子FB施加反饋電壓Vfb，例如從微型計算機(未圖示)對端子SW輸入切換信號Vsw，該切換信號Vsw用於使紋波變換器10作為同步整流方式或二極體整流方式的電源電路而進行動作。端子OUTl與NMOS電晶體21的柵電極相連接，端子0UT2與NMOS電晶體22的柵電極相連接。另外，控制IC 20構成為包括比較器40、0R電路(或電路)41、脈衝信號生成電路 42、脈衝周期檢測電路43以及驅動電路44。此外，或電路41、脈衝信號生成電路42、以及驅動電路44相當於驅動電路。比較器40 (比較電路)將反饋電壓Vfb與規定的基準電壓Vref進行比較，並輸出表示比較結果的比較電壓Vc。當反饋電壓Vfb高於基準電壓Vref時，比較器40輸出低電平(以下稱為「L」電平)的比較電壓Vc，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，比較器40 輸出高電平(以下稱為「H」電平)的比較電壓Vc。或電路41計算比較電壓Vc與從脈衝周期檢測電路43輸出的電壓Vd的邏輯或。脈衝信號生成電路42是所謂的單觸發電路，當或電路41的輸出為「H」電平時，該脈衝信號生成電路42生成僅規定時間Tl為「H」電平的脈衝信號Vp。脈衝周期檢測電路43(檢測電路)檢測要生成脈衝信號Vp的脈衝周期(開關周期)是否比規定周期TA長，當脈衝周期比規定周期TA長時，使脈衝信號生成電路42生成脈衝信號Vp。脈衝周期檢測電路43構成為包括計數器50和檢測電路51。計數器50是使計數值CNT與所輸入的時鐘信號Vck同步地遞增的加計數器。另外，當脈衝信號Vp變為「H」電平時，計數值CNT被復位。此外，在本實施方式中，將輸入到計數器50的時鐘信號Vck的周期設為充分小於規定周期TA。當計數值CNT為表示規定周期TA的規定值時，也就是當脈衝周期比規定周期TA 長時，檢測電路51輸出「H」電平的電壓Vd。此外，當計數值CNT小於規定值時，檢測電路51 輸出「L」電平的電壓Vd。也就是說，當檢測電路51檢測到脈衝周期比規定周期TA長時，使脈衝信號生成電路42生成脈衝信號Vp。因此，在本實施方式中，即使當比較電壓Vc為「L」 電平時，也能夠大致按每個規定周期TA生成脈衝信號Vp。當被輸入脈衝信號Vp時，驅動電路44根據切換信號Vsw、比較電壓Vc以及電壓 Vd來驅動NMOS電晶體21、22。具體地說，例如在切換信號Vsw為「H」電平的情況下，驅動電路44根據脈衝信號Vp使NMOS電晶體21、22互補地導通/截止。也就是說，在切換信號 Vsw為「H」電平的情況下，驅動電路44使NMOS電晶體21、22作為同步整流電路而進行動作。另一方面，例如在切換信號Vsw為「L」電平的情況下比較電壓Vc變為「H」電平時， 驅動電路44使NMOS電晶體21、22作為同步整流電路而進行動作。另外，在切換信號Vsw 為「L」電平的情況下電壓Vd變為「H」電平時，驅動電路44使NMOS電晶體21、22以及二極體23作為二極體整流電路而進行動作。此外，後面會對驅動電路44作詳細說明。NMOS電晶體21 (第一電晶體)是高端(high side)的功率電晶體，其漏電極(輸入電極)被施加輸入電壓Vin，源電極(輸出電極)與NMOS電晶體22的漏電極相連接。NMOS電晶體22 (第二電晶體)是低端(low side)的功率電晶體，其源電極接地， 漏電極連接有電感M。
二極體23是NMOS電晶體22的體二極體(body diode)。電感M和電容器25是使NMOS電晶體21與NMOS電晶體22的連接節點的電壓平滑化的LC濾波器。驅動電路44的詳細說明在此，參照圖2來說明驅動電路44的具體結構。驅動電路44構成為包括相當於所謂的高端驅動器(high side driver)的開關電路60以及低端驅動器(low side driver)61 ο 開關電路60根據脈衝信號Vp來驅動NMOS電晶體21。具體地說，開關電路60在脈衝信號Vp為「H」電平的期間輸出「H」電平的驅動信號Vdrl，從而使NMOS電晶體21導通。 另一方面，開關電路60在脈衝信號Vp為「L」電平的期間輸出「L」電平的驅動信號Vdrl，從而使NMOS電晶體21截止。此外，在本實施方式中，例如將來自使輸入電壓Vin升高的自舉電路(bootstrapped circuit)(未圖示)的電壓提供給開關電路60，使得開關電路60能夠使NMOS電晶體21導通/截止。低端驅動器61構成為包括反相器70、RS觸發器71、或電路72、與電路73、以及開關電路74。反相器70將脈衝信號Vp的邏輯電平反轉後進行輸出。當輸入到RS觸發器71的 S輸入端的電壓Vd為「H」電平時，RS觸發器71的Q輸出為「H」電平，而當輸入到RS觸發器71的R輸入端的比較電壓Vc為「H」電平時，RS觸發器71的Q輸出為「L」電平。或電路72計算RS觸發器71的Q輸出與切換信號Vsw的邏輯或並進行輸出。與電路73計算反相器70的輸出與或電路72的輸出的邏輯與並進行輸出。開關電路74在與電路73的輸出為「H」電平的期間輸出「H」電平的驅動信號Vdr2， 從而使NMOS電晶體22導通。另一方面，開關電路74在與電路73的輸出為「L」電平的期間輸出「L」電平的驅動信號Vdr2，從而使NMOS電晶體22截止。切換信號Vsw為「H」電平情況下的驅動電路44的動作在此，對切換信號Vsw為「H」電平的情況下的驅動電路44的動作進行說明。當切換信號Vsw為「H」電平時，或電路72的輸出變為「H」電平，因此與電路73的輸出與反相器 70的輸出同樣地發生變化。因而，開關電路74在脈衝信號Vp為「H」電平的期間使NMOS電晶體22截止，而在脈衝信號Vp為「L」電平的期間使NMOS電晶體22導通。另一方面，如上所述，開關電路60在脈衝信號Vp為「H」電平的期間使NMOS電晶體21導通，而在脈衝信號Vp為「L」電平的期間使NMOS電晶體21截止。因而，驅動電路44 使NMOS電晶體21、22互補地導通/截止，因此使紋波變換器10作為同步整流方式的電源而進行動作。切換信號Vsw為「L」電平情況下的驅動電路44的動作當切換信號Vsw為「L」電平的情況下，或電路72的輸出根據RS觸發器71的Q輸出的邏輯電平的變化而發生變化。當比較電壓Vc為「H」電平的情況下，RS觸發器71的Q輸出變為「L」電平，因此與電路73的輸出也變為「L」電平。因而，在這種情況下，開關電路74繼續使NMOS電晶體22 截止。但是，如果在繼續使NMOS電晶體22截止的情況下使NMOS電晶體21導通/截止，則例如流經電感M的電流經由二極體23而流動。因此，在切換信號Vsw為「L」電平且比較電壓Vc為「H」電平的情況下，驅動電路44使紋波變換器10作為二極體整流方式的電源而進行動作。當電壓Vd為「H」電平時，RS觸發器71的Q輸出變為「H」電平，因此或電路72的輸出也變為「H」電平。因此，在電壓Vd為「H」電平的情況下，與上述控制信號Vsw為「H」 電平的情況同樣地，驅動電路44使紋波變換器10作為同步整流方式的電源而進行動作。這樣，基本上當驅動電路44被輸入「H」電平的切換信號Vsw時，使紋波變換器10 作為同步整流方式的電源進行動作，而當驅動電路44被輸入「L」電平的切換信號Vsw時， 使紋波變換器10作為二極體整流方式的電源進行動作。其中，即使驅動電路44被輸入了 「L」電平的切換信號Vsw，當檢測到脈衝周期比規定周期TA長而電壓Vd變為「H」電平時， 也使紋波變換器10作為同步整流方式的電源而進行動作。紋波變換器10的動作在此，例如對重負載(例如負載電流為ImA以上)的情況、輕負載(例如負載電流為ΙΟΟμΑ ImA)的情況以及接近無負載的情況(例如負載電流不到100 μ Α)這三種情況下的紋波變換器10的動作進行說明。此外，例如由微型計算機(未圖示)檢測負載電流來判斷負載15的狀態是重負載還是輕負載。並且，當微型計算機判斷負載15的狀態為重負載時，輸出「H」電平的切換信號Vsw，而當判斷負載15的狀態為輕負載時，輸出「L」電平的切換信號Vsw。另外，負載15的狀態越接近無負載的狀態則紋波變換器10的脈衝周期即開關周期越長。在本實施方式中，例如當負載15的狀態接近無負載時，脈衝周期檢測電路43檢測為脈衝周期超過規定周期TA，從而使脈衝信號生成電路產生脈衝信號Vp。負載15的狀態為重負載的情況首先，參照圖1和圖3來說明負載15的狀態為重負載的情況下的紋波變換器10 的動作。當為重負載時，切換信號Vsw為「H」電平，因此紋波變換器10作為同步整流方式的電源進行動作。例如，在時刻tlO，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，生成「H」電平為規定時間Tl的脈衝信號Vp，因此使NMOS電晶體21在規定時間Tl的期間內導通，從而輸出電壓 Vout上升。然後，當從時刻tlO起經過了規定時間Tl而到達時刻til時，NMOS電晶體21 截止而NMOS電晶體22導通，因此輸出電壓Vout下降。然後在時刻tl2，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，NMOS電晶體21再次導通規定時間Tl。此外，在時刻112之後也重複從時刻tlO至時刻tl2的動作，因此生成目標電平的輸出電壓Vout。負載15的狀態為輕負載的情況首先，參照圖4來說明負載15的狀態為輕負載的情況下的紋波變換器10的動作。 如上所述，輕負載時的開關周期比規定周期TA短，因此電壓Vd不會變為「H」電平。因此， 在輕負載時，紋波變換器10作為二極體整流方式的電源進行動作。例如，在時刻t20，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，生成「H」電平為規定時間Tl的脈衝信號Vp，因此使NMOS電晶體21在規定時間Tl的期間內導通，從而輸出電壓 Vout上升。然後，當從時刻t20起經過了規定時間Tl而到達時刻t21時，NMOS電晶體21、 22截止。因此電感對的電流經由二極體23進行流動，輸出電壓Vout下降。然後在時刻 t22，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，NMOS電晶體21再次導通規定時間Tl。此外， 在時刻t22之後也重複時刻t20至時刻t22的動作，因此生成目標電平的輸出電壓Vout。
負載15的狀傑為接沂無負載的情況參照圖5來說明負載15的狀態為接近無負載時的紋波變換器10的動作。如上所述，接近無負載時的開關周期比規定周期TA長，因此檢測到脈衝周期比規定周期TA長而電壓Vd變為「H」電平。因此，在接近無負載的情況下，當電壓Vd變為「H」電平時，紋波變換器10作為同步整流方式的電源進行動作，而當比較電壓Vc變為「H」電平時，紋波變換器10 作為二極體整流方式的電源進行動作。例如，在時刻t30，當檢測到脈衝周期超過了規定周期TA而電壓Vd變為「H」電平時，紋波變換器10作為同步整流方式的電源進行動作。因此，在時刻t30，使NMOS電晶體 21在規定時間Tl的期間內導通，從而輸出電壓Vout上升。然後，當從時刻t30起經過了規定時間Tl而到達時刻t31時，NMOS電晶體21截止而NMOS電晶體22導通，從而輸出電壓 Vout下降。之後，在時刻t32，當反饋電壓Vfb低於基準電壓Vref時，比較電壓Vc變為「H」 電平，因此紋波變換器10作為二極體整流方式的電源進行動作。具體地說，在時刻t32，使 NMOS電晶體21在規定時間Tl的期間內導通，當從時刻t32起經過了規定時間Tl而到達時刻t33時，NMOS電晶體21、22截止。因而，與時刻t31 t32的輸出電壓Vout的下降相比，時刻t33 t34的輸出電壓Vout的下降變得緩慢。然後，當從時刻t33起經過規定周期TA而到達時刻t34時，檢測到脈衝周期比規定周期TA長，因此電壓Vd變為「H」電平，NMOS電晶體21導通。也就是說，在時刻t34，紋波變換器10作為同步整流方式的電源進行動作。另外，在時刻t34之後，重複時刻t30至時刻t34的動作，因此生成目標電平的輸出電壓Vout。以上，對作為本發明的一個實施方式的紋波變換器10進行了說明。在進行限制以避免開關周期比規定周期長的普通的紋波變換器中，輸出電壓有時會上升。然而，在本實施方式中，當檢測到脈衝周期比規定周期TA長時，例如圖5的時刻 t31 t32所示那樣，低端的NMOS電晶體22導通。因而，在本實施方式中，即使進行限制以避免開關周期比規定周期長的情況下，也能夠抑制輸出電壓Vout上升。另外，例如即使是使用了恆流源、電容器等的普通的計時電路也能夠檢測開關周期是否比規定周期TA長。一般地，由於恆流源的電流值、電容器的容量值有時會存在較大偏差，因此在使用了這種計時電路的情況下，有時會存在開關周期的檢測精度惡化的問題。 而在本實施方式中，在檢測開關周期時使用計數器50，而不使用電容器等偏差大的元件。因此，在本實施方式中，能夠高精度地檢測開關周期是否比規定周期TA長。—般地，當負載15為重負載時，與使紋波變換器10作為二極體整流方式的電源而進行動作的情況相比，使紋波變換器10作為同步整流方式的電源而進行動作更能夠提高紋波變換器10的效率。在本實施方式中，當切換信號Vsw為「H」電平時，紋波變換器10作為同步整流方式的電源進行動作。因此，例如在重負載時，能夠使紋波變換器10的效率提尚ο另外，例如也可以將作為功率電晶體的NMOS電晶體21、22集成在控制IC 20上。 即使是這種包含功率電晶體的開關電源電路也能夠獲得與本實施方式相同的效果。另外，二極體23是NMOS電晶體22的體二極體。因此，例如與另外設置二極體23 的情況相比，本實施方式能夠削減部件的數量。
此外，上述實施例是用於容易地理解本發明的內容，而不是限定地解釋本發明的內容。本發明在不脫離其宗旨的情況下能夠進行變更、改良，並且本發明中還包含其等價物。規定周期TA例如可以是紋波變換器10的開關頻率未進入聽覺頻域的周期。另外，規定周期TA也可以是如下周期安裝了紋波變換器10的電子設備不會進行誤操作等的周期或是*艮據 EMI (Electro Magnetic Interference 電磁幹擾)、EMC (Electro Magnetic Compatibility 電磁兼容性)等噪聲規格而決定的周期。
權利要求
1.一種開關控制電路，為了從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓，其輸入電極被施加上述輸入電壓，並且在輸出電極處進行使連接於電感和二極體的第一電晶體導通規定時間的開關動作，上述開關控制電路的特徵在於，具備比較電路，其將對應於上述輸出電壓的反饋電壓與基準電壓進行比較； 檢測電路，其檢測上述第一電晶體的開關周期是否比規定周期長；以及驅動電路，當上述反饋電壓低於上述基準電壓時，該驅動電路使與上述二極體並聯連接的第二電晶體截止並且使上述第一電晶體導通上述規定時間，之後使上述第一電晶體和上述第二電晶體截止，而當上述開關周期比上述規定周期長時，該驅動電路使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導通。
2.根據權利要求1所述的開關控制電路，其特徵在於，上述檢測電路包括計數器，該計數器使計數值與時鐘信號同步地發生變化，並在上述第一電晶體導通時復位，在上述計數值變為表示上述規定周期的規定值時，上述驅動電路使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導通。
3.根據權利要求1或2所述的開關控制電路，其特徵在於，在輸入用於使上述第一電晶體和上述第二電晶體互補地導通/截止的信號的情況下， 當上述反饋電壓低於上述基準電壓時，上述驅動電路使上述第二電晶體截止並且使上述第一電晶體導通上述規定時間，之後使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導通。
4.一種開關電源電路，為了從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓，其輸入電極被施加上述輸入電壓，並且在輸出電極處進行使連接於電感的第一電晶體導通規定時間的開關動作，上述開關電源電路的特徵在於，具備二極體，其連接於上述輸出電極； 第二電晶體，其與上述二極體並聯連接；比較電路，其將對應於上述輸出電壓的反饋電壓與基準電壓進行比較； 檢測電路，其檢測上述第一電晶體的開關周期是否比規定周期長；以及驅動電路，當上述反饋電壓低於上述基準電壓時，該驅動電路使上述第二電晶體截止並且使上述第一電晶體導通上述規定時間，之後使上述第一電晶體和上述第二電晶體截止，而當上述開關周期比上述規定周期長時，該驅動電路使上述第一電晶體截止並且使上述第二電晶體導通。
5.根據權利要求4所述的開關電源電路，其特徵在於， 上述第二電晶體是MOS電晶體，上述二極體是上述MOS電晶體的體二極體。
全文摘要
提供一種開關控制電路、電源電路，即使在進行限制以避免開關周期比規定周期長的情況下，也能夠抑制輸出電壓上升。為了從輸入電壓生成目標電平的輸出電壓，輸入電極被施加輸入電壓，並且在輸出電極處進行使連接於電感和二極體的第一電晶體導通規定時間開關動作，該開關控制電路具備比較電路，其將相應於輸出電壓的反饋電壓與基準電壓進行比較；檢測電路，其檢測第一電晶體的開關周期是否比規定周期長；以及驅動電路，當反饋電壓低於基準電壓時，該驅動電路使與二極體並聯連接的第二電晶體截止並且使第一電晶體導通規定時間，之後使第一電晶體和第二電晶體截止，而當開關周期比規定周期長時，該驅動電路使第一電晶體截止並且使第二電晶體導通。
文檔編號H02M3/155GK102299624SQ20111017576
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優先權日2010年6月25日
發明者關雅夫 申請人:安森美半導體貿易公司