CN100463345C - 开关稳压器的控制电路、使用其的电源装置以及电子设备 - Google Patents

Abstract

提供一种根据被搭载的装置而能够切换为最佳的控制方式的开关稳压器。作为降压型DC/DC转换器的电源装置(100)由控制电路(10)和开关稳压器(30)的两个块构成。开关稳压器(30)包含开关晶体管(32)、整流二极管(34)、电感器(L1)、电容器(C1)。控制电路(10)生成控制开关晶体管(32)的导通/截止的驱动信号(Vdrv)。控制电路(10)包含频率固定型控制信号生成部分(12)、导通时间固定型控制信号生成部分(14)、驱动电路(16)、反相器(20)。导通时间固定型控制信号生成部分(14)和频率固定型控制信号生成部分(12)根据从外部对选择端子(44)输入的选择信号(Vsel)而其中一个工作，另一个被停止。

Description

开关稳压器的控制电路、使用其的电源装置以及电子设备

技术领域

本发明涉及电源装置，特别涉及开关稳压器。

背景技术

在各种电子设备中，为了对内部使用的电子电路提供适当的电压，而广泛使用开关稳压器等升压型、降压型的DC/DC(直流-直流)转换器。这样的开关稳压器具有控制电路，生成用于控制开关元件的导通/截止的开关控制信号。

作为该开关控制信号，广泛使用频率一定且根据其脉冲宽度使开关元件导通/截止的PWM(Pulse-Width Modulation脉宽调制)方式，已知如下的两种方式。第一种方式是监视输出电压，通过输出电压与基准电压的比较来决定开关控制信号的导通、截止的期间的方式。第二种方式是同时监视输出电压和输出电流，通过基准电压和输出电压的比较来决定开关控制信号的导通、截止期间，进而将输出电流的变化反映到该导通、截止期间的方式(以下称作电流模式控制)。关于这些技术例如记载于专利文献1、2。以下，将这样的通过频率一定的开关信号的控制方式称作频率固定方式。

但是，在这样的频率固定方式中，一旦开关元件导通之后，直到下一次导通为止的期间被固定为由开关频率的倒数所提供的周期时间，因此存在不能追随比开关频率高速的负载变动或输入电压的变动，输出变得不稳定的课题。

因此，为了应对要求高速的负载响应的应用，而考虑将开关控制信号的脉冲宽度、即导通期间Ton固定，并改变成为高电平的频度的方式(以下称作导通时间固定方式)。根据该导通时间固定方式，与频率固定方式相比，能够高速地响应负载变动或输入电压变动。

专利文献1：特开2003-219638号公报

专利文献2：特开2003-319643号公报

发明内容

另外，从这样的开关稳压器中发生电磁波，在安装到装置中时，需要满足EMI(ElectroMagnetic Interference，电磁干扰)的规格。这里，对上述频率固定方式和导通时间固定方式进行研究，在频率固定方式中，以一定的频率生成开关控制信号，而在导通时间固定方式中，频率随负载变动或输入电压变动而变化，因此需要注意到更宽频带来进行EMI对策。

使用开关稳压器的用户、即装置制造商等在多数情况下如果要满足EMI的规格，则希望使用具有高速的响应性的导通时间固定方式的开关稳压器。但是，EMI存在如果不将各部件安装到装置中并实际地使其工作来进行测定就不知道是否满足规格的问题。从而，为导通时间固定方式的开关稳压器用而进行电路板设计并进行了EMI测定的结果，在不满足规格的情况下，需要再次实施屏蔽等进行高成本的对策，或再次进行电路板设计以置换为频率固定方式的开关稳压器，存在妨碍装置的设计效率的问题。

除了这样的EMI之外，从电力变换效率等观点出发，如果能够切换开关控制方式则有助于方便用户。

本发明鉴于这样的课题而完成，其目的在于提供一种能够相应于被搭载的装置而切换到最佳的控制方式的开关稳压器。

本发明的某一方式涉及一种具有开关元件的开关稳压器的控制电路。该控制电路包括：开关端子，与开关元件相连接；反馈端子，被反馈开关稳压器的输出电压；第一控制信号生成部分，基于被反馈到反馈端子的输出电压，生成第一开关控制信号；第二控制信号生成部分，基于被反馈到反馈端子的输出电压，以不同于第一控制信号生成部分的控制方式生成第二开关控制信号；驱动电路，被输入第一、第二开关控制信号的任一者，经由开关端子将驱动信号提供给开关元件；选择端子，从外部接收用于选择将第一、第二控制信号生成部分的哪一者的开关控制电压输入到驱动电路的信号，该信号被输入到第一、第二控制信号生成部分。

根据该方式，可以根据开关稳压器要求的特性或搭载了开关稳压器的电子设备的状态来将开关稳压器的控制方式切换为合适的模式。此外，通过由第一、第二控制信号生成部分共用由面积大的晶体管构成的驱动电路，能够节省控制电路的面积。通过从选择端子所搭载的电子设备侧选择控制电路的开关控制方式，能够根据电子设备要求的特性来良好地选择控制方式。

第一、第二控制信号生成部分和驱动电路也可以一体化。通过将这些电路块集成化，可以将各电路块内部使用的基准电压源等电路和输入输出引脚共用，并且可以进一步节省面积。

第一控制信号生成部分生成频率被固定、且开关元件的导通/截止期间的占空比变化的开关控制信号，第二控制信号生成部分生成导通期间固定而频率变化的开关控制信号也可以。

通过将由第一控制信号生成部分生成的开关控制信号设为EMI对策的比较容易的信号，并将由第二控制信号生成部分生成的开关控制信号设为负载响应性好的信号，可以对每个搭载的电子设备良好地满足开关稳压器要求的特性。

控制电路还包括将输入选择端子的选择信号固定的锁存电路，在开关元件的开关动作停止之前的期间，固定使用第一或第二控制信号生成部分的其中一个也可以。通过锁存电路在开关动作中固定选择状态，从而即使选择信号变动的情况下也能够实现稳定的开关动作。

本发明的其它的方式是电源装置。该装置包括：开关稳压器，包含开关元件，将输入电压变换为希望的输出电压；以及上述的控制电路，对开关元件进行开关动作的控制。通过使得能够选择控制电路的开关阻止的控制方式，能够得到适于搭载的电子设备的特性。

另外，以上的构成要素的任意组合，或将本发明的构成要素或表现在方法、装置、系统等之间互相置换的结果，作为本发明的方式也有效。

根据本发明的控制电路以及电源装置，能够提供一种可根据被搭载的装置来切换为最佳的控制方式的开关稳压器。

附图说明

图1是表示实施方式的电源装置的结构的图。

图2是表示频率固定型控制信号生成部分的结构的电路图。

图3是表示频率固定型控制信号生成部分的电压、电流的时间波形的图。

图4是表示导通时间固定型控制信号生成部分的结构的电路图。

图5是表示导通时间固定型控制信号生成部分的电压的时间波形的图。

图6是表示安装了电源装置的电子计算机的结构的图。

符号说明

L1 电感器，C1 电容器，10 控制电路，12 频率固定型控制信号生成部分，14 导通时间固定型控制信号生成部分，16 驱动电路，20 反相器，30 开关稳压器，32 开关晶体管，34 整流二极管，40 开关端子，42 反馈端子，44 选择端子，100 电源装置，102 输入端子，104 输出端子，Vin 输入电压，Vout 输出电压，Vsw 开关控制信号，Vdrv 驱动信号，Vsel 选择信号。

具体实施方式

图1是表示实施方式的电源装置100的结构的图。在以后的图中，对同一构成元件赋予同一符号并适当省略说明。

本实施方式的电源装置100是由控制电路10、开关稳压器30的两个块构成的DC/DC转换器。该电源装置100具有输入端子102、输出端子104，将在各个端子施加或呈现的电压分别称作输入电压Vin、输出电压Vout。电源装置100将在输入端子102输入的输入电压Vin降压后将输出电压Vout输出到输出端子104。

开关稳压器30包含开关晶体管32、整流二极管34、电感器L1、电容器C1。

开关晶体管32是N型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，作为通过在栅极端子施加的电压而被导通、截止的开关元件起作用。该开关晶体管32的漏极端子被连接到输入端子102，通过导通/截止动作，从开关晶体管32或整流二极管34对电感器L1提供电流，输入电压Vin被降压。此外，电感器L1以及电容器C1构成低通滤波器，输出电压Vout被平滑。

控制电路10对开关晶体管32的栅极端子输出用于控制其开关动作的驱动信号Vdrv。驱动信号Vdrv是交替重复高电平和低电平的信号，根据高电平的期间和低电平的期间，开关晶体管32的导通、截止的时间被控制，从而开关稳压器30被驱动。

控制电路10包含频率固定型控制信号生成部分12、导通时间固定型控制信号生成部分14、驱动电路16、反相器20。此外，控制电路10具有开关端子40、反馈端子42、选择端子44。

开关稳压器30的输出电压Vout被反馈到控制电路10的反馈端子42。被反馈的输出电压Vout分别被输入频率固定型控制信号生成部分12、导通时间固定型控制信号生成部分14。

频率固定型控制信号生成部分12和导通时间固定型控制信号生成部分14分别具有启动端子EN，各控制信号生成部分在被输入高电平时输出开关控制信号Vsw，在被输入低电平时停止输出开关控制信号Vsw。选择信号Vsel由反相器20反相后输入频率固定型控制信号生成部分12的启动端子。因此根据被输入选择端子44的选择信号Vsel，从频率固定型控制信号生成部分12和导通时间固定型控制信号生成部分14的其中一个输出开关控制信号Vsw。

频率固定型控制信号生成部分12生成高电平的期间即导通期间Ton变化且周期时间Tp即开关频率fsw为一定的开关控制信号Vsw。使用导通期间Ton和截止时间Toff，通过Tp＝Ton+Toff来提供该开关控制信号Vsw的周期时间Tp。在频率固定型中，开关控制信号Vsw的开关频率fsw＝1/Tp被保持为一定。

另一方面，导通时间固定型控制信号生成部分14生成高电平的期间即导通期间Ton一定且开关频率1/Tp变化的开关控制信号Vsw。后述的图3以及图5分别表示频率固定型的开关控制信号、导通时间固定型的开关控制信号的时间波形。为了容易理解，这些时间波形被在时间轴、电压/电流轴上都与实际值不同地被表示。

图3所示的频率固定型的开关控制信号Vsw例如由图2所示的包含电压比较器50、锯齿波振荡器52、误差放大器54、基准电压源56的频率固定型控制信号生成部分12生成。

误差放大器54将输出电压Vout和由基准电压源56生成的基准电压Vref进行比较，将其误差放大后输出误差信号Verr。另外，在误差放大器54中，在对输出电压Vout进行电阻分割而进行电平调整后与基准电压Vref进行比较也可以。

锯齿波振荡器52生成一定的开关频率fw＝1/Tp的锯齿波状的电压Vsaw。电压比较器50对锯齿波状的电压Vsaw和从误差放大器54输出的误差信号Verr进行比较，在Verr>Vsaw时输出高电平，在Verr<Vsaw时输出低电平。其结果，如图3所示，电压比较器50的输出，即频率固定型控制信号生成部分12的开关控制信号Vsw在一定的周期时间Tp中成为导通期间Ton变化的被脉宽调制了的信号。

另外，对电压比较器50输入来自启动端子EN的信号，在该信号为高电平时输出开关控制信号Vsw，在低电平时停止输出开关控制信号Vsw。

这样，从频率固定型控制信号生成部分12生成开关频率被固定为锯齿波振荡器52的振荡频率fsw、导通期间Ton变化的信号。由于该开关控制信号Vsw的导通期间Ton被反馈，以使作为误差放大器54的输出的误差信号Verr接近于0，因此输出电压Vout被调节并稳定化以接近于基准电压Vref。

此外，也可以通过使用触发器的PWM信号生成电路等构成频率固定型控制信号生成部分12。此外，该频率固定型控制信号生成部分12也可以监视电源装置100的输出电流并进行电流模式控制。此外，可以通过设置开关等各种方法进行被输入启动端子EN的信号的开关控制信号的输出停止。

图4表示导通时间固定型控制信号生成部分14的结构。此外，图5表示该导通时间固定型控制信号生成部分14的各部分的电压、电流波形。

导通时间固定型控制信号生成部分14包含触发器60、第一电压比较器62、恒流源64、第二电压比较器66、基准电压源68、阈值电压源70、电容器C2、放电晶体管M1、开关SW。另外，通过将频率固定型控制信号生成部分12的基准电压源56和一个带隙电路(bandgap circuit)的输出进行电阻分割而变更为希望的电平，从而共用基准电压源68、阈值电压源70也可以。

开关SW在从启动端子EN输入的信号为高电平时导通，在低电平时截止，从而从导通时间固定型控制信号生成部分14输出开关控制信号Vsw或停止输出。

第一电压比较器62对输出电压Vout和基准电压Vref进行比较，将其比较结果作为设置信号VS提供给触发器60的设置端子。

恒流源64、电容器C2、阈值电压源70、第二电压比较器66构成定时电路。在放电晶体管M1的栅极端子连接有触发器60的反相输出，由于在该反相输出为高电平的期间，恒流源64的电流Ic在放电晶体管M1中流过，因此电容器C2不被充电。当前，触发器60的反相输出成为低电平，放电晶体管M1截止时，电容器C2由恒流源64充电，电容器C2的电压Vc上升。电压Vc达到由阈值电压源70生成的阈值电压Vth时，第二电压比较器66的输出成为高电平。即，该定时电路从触发器的反相输出成为低电平的时刻起，对由Ton＝C2/Ic×Vref提供的导通期间Ton进行计数。另外，在该导通期间Ton，使用电源装置100的输入电压Vin和与规定的输出电压相当的Vref调整C2、Ic、Vref的值，以使Vin/Vout＝Ton/(Ton+Toff)成立。

基于图5说明该导通时间固定型控制信号生成部分14的动作。在图5的时刻T0以前，由于作为触发器60的输出的开关控制信号Vsw为低电平，因此定时电路不工作，电容器C2的电压Vc＝0V。在此期间，由于开关控制信号Vsw为低电平，因此电源装置100的开关晶体管32截止，输出电压Vout缓慢减小。

在时刻T0，Vout<Vref时，对设置端子输入高电平，触发器60的输出Vsw成为高电平。其结果，在电源装置100中，开关晶体管32导通，输出电压Vout开始上升。在时刻T0，触发器的反相输出成为低电平，定时电路从时刻T0开始时间测定。

在从时刻T0经过了固定导通期间Ton的时刻T1，定时电路使触发器60复位，开关控制信号Vsw降低至低电平。开关晶体管32再次截止时，输出电压Vout开始下降，在时刻T3再次成为Vout<Vref，触发器60的设置信号VS成为高电平。

通过反复这样的动作，导通时间固定型控制信号生成部分14生成反复导通/截止的开关信号。

在输出电流IL一定的情况下，开关频率取一定值，但如时刻T4这样，输出电流IL增加，输出电压Vout降低时，接着直到Vout<Vref的时刻T5为止的周期时间Tp缩短，因此在导通期间Ton被固定的状态下，开关频率变化。

如以上这样生成的导通时间固定型控制信号生成部分14的开关控制信号Vsw成为导通期间Ton一定且周期时间Tp根据输出电压Vout而变化的信号。因此，由于负载电流的变动，输出电压Vout降低时，可以不用等待周期时间Tp而立即将开关晶体管32导通，因此成为负载响应好的开关控制信号。

由频率固定型控制信号生成部分12以及导通时间固定型控制信号生成部分14生成的开关控制信号Vsw被输入驱动电路16。驱动电路16基于其中一个的开关控制信号Vsw生成用于驱动开关晶体管32的驱动信号Vdrv。

根据该电源装置100，能够通过一个控制电路切换使用负载响应好的开关控制方式和EMI对策容易的开关控制信号的两组控制。

另外，选择端子44上连接锁存电路，从电源装置100的开关动作开始到停止的期间，由锁存电路将输入选择端子44的选择信号Vsel固定的结构也可以。通过设置锁存电路，即使在开关动作中选择信号Vsel变动的情况下，也不会在中途切换控制方式，因此可以使电源装置100稳定化。

接着，说明良好地应用这样构成的电源装置100的情况。图6表示安装了电源装置100的电子设备的电子计算机200的结构。电子计算机200包含电源单元202、输入输出接口204、中央运算装置CPU206。

电源装置100在输入端子102被施加从装置供给的20V的电压，其输出端子104连接到CPU206。CPU206等运算处理电路根据该电子计算机200的处理内容而改变其动作电流。例如，在执行文字处理的应用时和执行需要很多计算量的游戏软件时，CPU206的消耗电流变化很大。对该CPU206提供电压的电源装置100在CPU206的消耗电流、即负载电流急剧地变化的情况下，其输出也必须稳定。在这样的情况下，作为电源装置100，希望应用负载响应性好的导通时间固定型的开关控制。

但是，在进行导通时间固定型的开关控制的情况下，在作为电子计算机200的EMI不满足规格时，作为EMI对策，需要在电源装置100的周围设置屏蔽等。如前所述，在进行导通时间固定型的开关控制的情况下，由于根据负载电流来变化开关频率，因此这样的EMI对策并不容易，有时该对策费用花费高。而且也有时不能在输入输出接口204的周边设有电源装置100，物理地设置屏蔽。

在这样的情况下，即使不变更电子计算机200的电路板设计，由输入选择端子44的选择信号Vsel将开关控制方式切换为频率固定型，从而开关频率被固定，所以EMI对策变得容易。通过追加开关稳压器30的电容器C1的电容能够某种程度改善该情况下的输出电压Vout的稳定性。

即，根据本实施方式的电源装置100，在设计装置时，以负载响应性好的导通时间固定方式为前提进行设计，只要不特别产生问题，就可以原样使用。此外，在装置的试运行时的试验中，在产生了EMI等的问题的情况下，通过切换为频率固定方式从而能够不用再设计装置电路板而仅通过切换选择信号Vsel来处理EMI的问题。

这样，通过一体集成可用不同的开关控制方式驱动开关稳压器的控制电路，可以将输入输出端子共用，因此不必如以往这样，在变更开关控制方式时变更印刷电路板的区域(footprint)。

此外，由于在任何的开关控制方式中，作为中心的开关频率都大致相等，因此电感器L1或电容器C1的外置部件能够共用。此外，在控制电路10中，通过由频率固定型控制信号生成部分12和导通时间固定型控制信号生成部分14共有占大面积的驱动电路或基准电压源，可以使电路面积成为与以往这样仅有一个控制信号生成部分的控制电路或电源装置相差不大的大小。此外，由于输出电压Vout的反馈端子等也可以共有，因此引脚数的增加也仅是选择端子44。

此外，由于在产品开发的阶段，能够实现类似产品的设计结构的共有化，因此能够实现开发期间的缩短、开发成本的降低。

实施方式为例示，本领域人员应当理解这些各构成元件和处理过程的组合可以有各种变形例，而且这样的变形例也属于本发明的范围。

在本实施方式中，构成电源装置100的元件可以都被一体集成，也可以其一部分由分立部件构成。也有控制电路10作为一个IC电路形成、开关晶体管32由分立部件构成的情况，或控制部件10和开关晶体管32被一体构成的情况，根据成本或占有面积等决定将哪部分何种程度集成化即可。

此外，控制电路10中内置的通过不同的控制信号生成部分的开关信号的方式也可以是电流模式等实施方式中说明的以外的方式。不同的控制方式最好是互补地具有互相折衷这样的特性的控制方式。即，在本实施方式中，EMI和负载响应性处于折衷的关系，此外，也可以是电力变换效率和负载响应性等。

在实施方式中，作为搭载电源装置100的电子设备，以电子计算机为例进行了说明，但本发明的范围不限定于此，可以广泛应用于携带电话终端或PDA、CD播放机等使用开关稳压器的电子设备。

产业上的可利用性

根据本发明的开关稳压器的控制电路以及电源装置，可以提供一种根据能够被搭载的装置而切换为最佳的控制方式的开关稳压器。

Claims (6)

1.一种具有开关元件的开关稳压器的控制电路，其特征在于，包括：

开关端子，与所述开关元件相连接；

反馈端子，被反馈所述开关稳压器的输出电压；

第一控制信号生成部分，基于被反馈到所述反馈端子的输出电压，生成第一开关控制信号；

第二控制信号生成部分，基于被反馈到所述反馈端子的输出电压，以不同于所述第一控制信号生成部分的控制方式生成第二开关控制信号；

驱动电路，被输入所述第一、第二开关控制信号的任一者，经由所述开关端子将驱动信号提供给所述开关元件；以及

选择端子，从外部接收用于选择将所述第一、第二控制信号生成部分的哪一者的开关控制电压输入到所述驱动电路的信号，该信号被输入到所述第一、第二控制信号生成部分。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一、第二控制信号生成部分和所述驱动电路被一体集成。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制信号生成部分生成频率被固定、且所述开关元件的导通/截止期间的占空比变化的开关控制信号，所述第二控制信号生成部分生成导通期间固定而频率变化的开关控制信号。

4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括将输入所述选择端子的选择信号固定的锁存电路，在所述开关元件的开关动作停止之前的期间，固定使用第一或第二控制信号生成部分的其中一个。

5.一种电源装置，其特征在于，包括：

开关稳压器，包含开关元件，将输入电压变换为希望的输出电压；以及

如权利要求1至4的任何一项所述的控制电路，对所述开关元件进行控制。

6.一种电子设备，包括如权利要求5所述的电源装置。

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