CN100405720C - Dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种DC/DC转换器，包括构成半导体集成器件中之软启动电路的电容器。所述DC/DC转换器包括：开关元件，通过开关，从电源(VCC)向负载侧输出端(OUT)供电；误差信号放大器，用于放大来自负载侧输出端(OUT)的电压；差分电路，对来自负载侧输出端(OUT)的电压进行差分，并根据其数值，调整输出电流；软启动电路，它包括恒流源和电容器，二者均与差分电路的输出端相连；以及比较器，用于将来自三角波发生器(TRI)的三角波电压与来自软启动电路的电压或误差信号放大器的输出电压进行比较，并根据比较的输出，控制开关元件的开关。

Description

DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及DC/DC转换器，用于将要输入的电源电压转换为预定的DC电压，更具体地，涉及一种具有软启动功能的DC/DC转换器。
背景技术
一种DC/DC转换方法将开关元件安装在用于输入电源功率的接线端和与负载相连并输出预定DC电压的接线端之间，并通过开关此开关元件保持预定的DC电压。因为能够以紧凑的尺寸获得高效率，这种方法已经得到广泛的应用如日本专利申请未审公开No.H9-121535。并且，这种方法使得能够根据开关元件周围的电路结构，构造多种DC/DC转换器，如升压型、降压型和升压/降压型。在这些DC/DC转换器中，通常安装有软启动电路，用于控制启动电源时流入开关元件的冲流。
图5是传统DC/DC转换器的电路图。这种DC/DC转换器101是升压型的，而且它包括：NMOS晶体管114，作为开关元件；以及线圈115，用于在其漏极和电源VCC之间存储升压能量。在这些连接点与负载一侧的输出端OUT之间，连接反向阻断二极管116和平滑滤波电容器117。这种电路结构通过使用反馈电路控制NMOS晶体管114的“ON”时间，对负载侧输出端OUT的电压进行调整，接下来将对反馈电路进行描述。
反馈电路包括输出电源检测电路106、误差信号放大器111、三角波发生器TRI112、具有两个同相输入端的比较器110以及输出缓冲器113。换句话说，输出电压检测电路106检测负载侧输出端OUT的电压，误差信号放大器111接收其输出电压，对其进行放大，并将其输出到同相输入端之一，比较器110将此输出电压与三角波发生器TRI112所产生的三角波电压进行比较，并通过输出缓冲器113，将此比较结果的输出值输入到NMOS晶体管114的栅极，从而对NMOS晶体管114的“ON”时间进行控制。
还安装软启动电路105，用以控制启动电源VCC时流入NMOS晶体管114的冲流。这一电路包括恒流源122和电容器123，并产生逐步升高的电压。将此电源输出到比较器110的另一个同相输入端。并且，在启动电源VCC时，比较器110对软启动电路105的输出电压和上述三角波电压进行比较。
发明内容
如上所述，用于产生逐步启动电压的软启动电路105从恒流源122向电容器123提供微电流，并在电容器123中产生逐步启动的电压。不能将此电容器123包括在半导体集成器件102中，而是作为外部组件进行安装。这是因为电容器123需要较大的电容，由于从电源的启动开始，需要1毫秒到10毫秒的时间，作为软启动操作时间段，以便控制流过NMOS晶体管114的冲流。比如，若在软启动电路105的输出电压线性上升并于5毫秒之后变为大约1V的条件下，恒流源122的电流是10μA，则电容器需要大约0.05μF的大电容。实际上，难以在半导体衬底上形成这种大电容电容器，因为它将占用过多的面积。
如果降低恒流源122的电流，比如降低到20nA，并且软启动电路105的输出电压在5毫秒之后变为大约1V，则电容器的电容变为100pF。如果使用具有这种电容的电容器，则能够将其包括在半导体集成器件中。但是，如果恒流源122的电流是100nA或更小的微电流，则在高温环境下，比如，在构成恒流源122之晶体管的PN结处所产生的漏电流就会达到不能被忽略的程度，并且软启动电路105可能会有多种操作的问题。因此，降低恒流源122的电流存在限制，对于实际应用，应当为大约10μA。
如果可以将构成软启动电流的外部电容器包含在半导体集成电路中，可以减少外部电容器占用印刷电路板的面积，并且也会因外部电容器的接线端不再是必要的而减小半导体封装，从而，作为结果，可以实现DC/DC转换器的小型化。
考虑到前述问题，本发明的目的在于提供一种DC/DC转换器，可以将构成软启动电路的电容器包含在半导体集成器件中。
为了解决上述问题，本发明的一种DC/DC转换器包括：开关元件，通过开关，从电源向负载侧的输出端供电，并使负载侧输出端保持在输出设定的电压；误差信号放大器，用于放大来自负载侧输出端的电压与误差比较基准电压之间的误差；差分电路，用于对来自负载侧输出端的电压进行差分；软启动电路，包括恒流源和电容器，二者均与差分电路的输出端相连，用于在启动电源时，产生逐步上升的电压；三角波发生器，用于产生三角波；以及比较器，用于在启动电源时，将三角波电压与来自软启动电路的电压进行比较，在启动电源之后，将三角波电压与误差信号放大器正常操作期间的输出电压进行比较，并根据它的比较输出，控制开关元件的开关。
在本发明的DC/DC转换器中，差分电路所起的作用在于：在启动电源时，根据负载侧输出端的输出电压的上升速率，从软启动电路引出电流，从而在控制开关元件的冲流的同时，可以经过所需的时间，直到负载侧输出端的输出电压变为设定电压为止。因此，能够减小构成软启动电路之电容器的电容，从而将其包含于半导体集成器件中，可以减小半导体集成器件所占印刷电路板上的面积，并可以减小半导体封装尺寸。
附图说明
图1是本发明一种实施例DC/DC转换器的电路图；
图2是上述DC/DC转换器的差分电路的电路图；
图3是启动上述DC/DC转换器的电源时的波形图；
图4是本发明另一实施例DC/DC转换器的电路图；以及
图5是现有技术DC/DC转换器的电路图。
具体实施方式
以下参照附图描述本发明的实施例。图1是本发明一种实施例的DC/DC转换器1的电路图。
DC/DC转换器1包括：NMOS晶体管14，它作为开关元件，通过开关，从电源VCC向负载侧输出端OUT供电，并使负载侧输出端OUT保持在输出设定的电压；误差信号放大器11，用于放大来自负载侧输出端OUT的电压与误差比较基准电源20(误差比较基准电压)之间的误差；差分电路25，用于对来自负载侧输出端OUT的电压进行差分；软启动电路5，包括串联的恒流源22和电容器23，将差分电路25的输出端与恒流源22和电容器23之间的输出端SS相连；三角波发生器TRI12，用于产生三角波；以及比较器10，包括两个同相输入端，其中分别将三角波电压输入反相输入端，将误差信号放大器11的输出电压输入同相输入端之一，以及将软启动电路5的输出电压VSS输入另一同相输入端，用于将比较结果输出到NMOS晶体管14。比较器10将输入两个同相输入端的电压中较低的一个与输入反向输入端的电压进行比较。换句话说，比较器10在启动电源VCC时，将软启动电路5的输出电压VSS与三角波电压进行比较，在启动电源VCC之后，在正常操作期间，将误差信号放大器11的输出电压与三角波电压进行比较，从而控制NMOS晶体管14的开关。这里，将构成软启动电路5的电容器23与恒流源22一起包含于半导体集成器件2中，因为它的电容小到大约100pF。
具体地说，用于存储升压能量的线圈15连接在NMOS晶体管14的漏极(输出端)与电源VCC之间。并且，用于阻断反向电流的二极管16和用于平滑电压的平滑滤波电容器17连接在NMOS晶体管14的漏极与负载侧输出端OUT之间。用于检测负载侧输出端OUT电压的输出电压检测电路6与负载侧输出端OUT相连。输出电压检测电路6包括串联在负载侧输出端OUT与地之间的两个电阻器，并且两个电阻器的连接点分别与误差信号放大器11的反相输入端相连，以及通过输入缓冲器24与差分电路25相连。如上所述，差分电路25的输出端与软启动电路5的输出端SS相连，并与比较器10的另一个同相输入端相连。将误差比较基准电压输入误差信号比较器11的同相输入端，并将其输出端与比较器10的同相输入端之一相连。将来自三角波发生器12的三角波电压输入比较器10的反相输入端，并通过输出缓冲器13，将其输出端与作为控制输入端的NMOS晶体管14的栅极相连。
按照这种方式，输出电压检测电路6、误差信号放大器11、比较器10和输出缓冲器13构成一个反馈电路(第一反馈电路)，而输出电压检测电路6、输入缓冲器24、差分电路25、软启动电路5、比较器10和输出缓冲器13构成另一反馈电路(第二反馈电路)。通过要输入到比较器10的两个同相输入端的电压中较低的一个来确定第一反馈电路进行操作还是第二反馈电路进行操作。在启动电源VCC之后的正常操作期间，第一反馈电路进行操作，而在启动电源VCC时，第二反馈电路进行操作。
现在，将描述启动电源VCC之后的正常工作情况。
在所述DC/DC转换器1中，如果负载侧输出端OUT的输出电源VOUT稍微偏移设定的电压，则误差信号放大器11放大这一电压偏移，并输入比较器10。于是，比较器10的输出脉冲宽度改变，并通过输出缓冲器13控制NMOS晶体管14的开关，从而起到使负载侧输出端OUT的输出电压VOUT返回设定电压的作用。这是第一反馈电路进行操作的方式。
现在，将参照图3描述启动电源VCC时的工作情况。
在启动电源时，软启动电路5产生并输出逐步上升的电压VSS。在启动电压之后，电压VSS立即从时间点t1开始，从0V上升，并在时间点t2，达到三角波的底电压，而在这段时间内，NMOS晶体管14并未导通，并且负载侧输出端OUT的输出电压VOUT保持恒定，其数值在从电源VCC中减去二极管16的正向偏压Vf的电压值处。因此，差分电路25的输入电压并不波动，也为恒定值。对恒定值进行差分的结果为0，所以差分电路25并不影响软启动电路13的输出电压VSS。因此，在这段时间内，由恒流源22的电流值和电容器23的电容值惟一地确定软启动电路13输出电压VSS的上升程度(上升速率)。如前所述，电容器23具有较小的电容值，并且其上升速率相对较高(倾角较大)。
当软启动电路5的输出电压VSS进一步上升，并达到输出电压VSS超过三角波的底电压的时间点t2时，从比较器10输出脉冲，NMOS晶体管14导通。由此，将能量存储在线圈15中，并且通过线圈15中产生的反电动势，使二极管16的阳极电压变得高于电源VCC。结果，电流流经二极管16，并且平滑滤波电容器17的已存储电荷量增加，也增加了负载侧输出端OUT的输出电压VOUT。
当负载侧输出端OUT的输出电压VOUT开始上升时，通过输入缓冲器24，将输出电压检测电路6的输出电压输入差分电路25，并且其电压也上升，从而差分电路25开始根据其上升速率，从软启动电路5的输出端SS引出电流。这里，如果差分电路25的输入电压的上升速率较高，则差分电路25所引出的电流值较高，而如果上升速率较低，则所引出的电流值也较低。因此，激活了负反馈，从而使负载侧输出端OUT的输出电压VOUT并不突然上升，结果，对NMOS晶体管14的“ON”时间加以限制，并对其冲流进行控制。
利用这种负反馈的功能，差分电路25引出由软启动电路5中的恒流源22所提供的大部分电流，并且软启动电路5的输出电压VSS实际上变为恒定值。在此时间期间，负载侧输出端OUT的输出电压VOUT继续上升，直到其在时间点t3，变为设定值。比如，即使将恒流源22的电流值设定为10μA，其仍为差分电路25所引出，从而即使电容器具有大约100pF的小电容值，负载侧输出端OUT的输出电压VOUT变为设定电压，仍然需要所需的时间。
当在时间点t3，负载侧输出端OUT的输出电压VOUT达到设定电压时，误差信号放大器11的输出电压下降，于是，上述第一反馈电路启动，并将负载侧输出端OUT的输出电压VOUT保持在设定的电压。结果，差分电路25不再从软启动电路13的输出端SS引出电流，并且其电压VSS再次开始上升。此后，操作与上述正常操作相同，其中第二反馈电路，包括软启动电路5，并不影响DC/DC转换器1的工作。
现在，描述差分电路25的结构。图2是差分电路25的电路图。此差分电路25包括：与它的输入端并联的电阻器34和35；与电阻器34的另一端相连的接地电容器33和偏置电压源32；放大器31，偏置电压源32的阳极与其反相输入端相连，并且，电阻器35的另一端与其同相输入端相连；NMOS晶体管36，其栅极与放大器31的输出相连，其漏极与差分电路25的输出端相连，用于引出软启动电路5的电流，并且其源极接地；以及电容器37，连接在NMOS晶体管36的漏极与栅极之间，用于停止第二反馈电路的振荡，即用于相位补偿。这里，差分电路25的输入端与输入缓冲器24的输出端相连，并且差分电路25的输出端与软启动电路5的输出端相连。此差分电路25只从其输出端引出软启动电路5的电流，并不向软启动电路5提供电流。因此，其输出格式是漏极开路型。可以用集电极开路型NPN晶体管代替作为输出晶体管的NMOS晶体管36。
如果差分电路25输入端的电压为恒定电压，放大器31的反相输入端的输入电压比同相输入端的输入电压高出偏置电压的数值。将偏置电压设定为微电压，在这种情况下，将偏置电压设定为利用其放大器31可以输出地电压的电平。如果放大器31按照这种方式输出地电压，NMOS晶体管36并不从差分电路25的输出端引出电流。
当差分电路25输入端的电压上升并且时间过去时，放大器31中同相输入端电压与反相输入端电压的差大约为ACR-E，其中A是上升速率，C是电容器33的电容，R是电阻器34的电阻值，而E是偏置电压。放大器31在放大此差值的同时，将电压输出到NMOS晶体管36的栅极，并根据此电压，NMOS晶体管36从差分电路25的输出端引出电流。具体地说，如果上升速率较高，NMOS晶体管36要引出的电流值较高，而如果上述速率较低，要引出的电流值较低。
按照这种方式，差分电路25根据其输入端的电压的上升速率，通过NMOS晶体管36，从差分电路25的输出端引出电流。通过启动此差分电路25，可以增加软启动操作时间段，具体地说，通过设定电容器33的电容值C和电阻器34的电阻值R，软启动操作时间段可以为大约5毫秒。
第一和第二反馈电路共用DC/DC转换器1中的输出电压检测电路6，但当然也可以分别安装。
图4示出本发明另一实施例的DC/DC转换器。上述实施例是升压型的，而此实施例是降压型的。与上述升压型的一样，此DC/DC转换器51在启动电源时和启动之后的正常操作期间进行工作。在电源VCC和负载侧输出端OUT之间，连接作为开关元件的NMOS晶体管54和包括二极管、线圈和电容器在内的平滑滤波电路55。从NMOS晶体管54的负载侧输出端OUT到输入的第一和第二反馈电路的结构实质上与上述实施例相同。在此DC/DC转换器51中，也可以通过使用差分电路25，将构成了软启动电路5的电容器23包含在半导体集成电路2中。
本发明并不局限于上述实施例，在权利要求中具体陈述的范围内，可以按照多种方式，对设计进行修改。

Claims (3)

1.一种DC/DC转换器，包括：
开关元件，通过开关，从电源向负载侧输出端供电，并使负载侧输出端保持在输出设定的电压；
误差信号放大器，用于放大来自负载侧输出端的电压与误差比较基准电压之间的误差；
差分电路，用于对来自负载侧输出端的电压进行差分；
软启动电路，包括恒流源和电容器，二者均与差分电路的输出端相连，用于在启动电源时，产生逐步上升的电压；
三角波发生器，用于产生三角波电压；以及
比较器，用于在启动电源时，将三角波电压与来自软启动电路的电压进行比较，在启动电源之后，将三角波电压与误差信号放大器正常操作期间的输出电压进行比较，并根据其比较的输出，控制开关元件的开关。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，用于执行所述差分电路的输出的晶体管是漏极开路或集电极开路的。
3.根据权利要求1或2所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述恒流源和所述电容器被包含于同一半导体集成器件中。
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