CN100588096C - 升压型dc/dc转换器以及具备该转换器的电子设备 - Google Patents

升压型dc/dc转换器以及具备该转换器的电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种升压型DC/DC转换器，作为输出晶体管和同步整流晶体管均使用了N沟道型场效应晶体管，且该转换器具有：第一驱动器，其在接地电压与输入电压之间，对输出晶体管的栅极电压进行脉冲驱动；和第二驱动器，其在开关电压和将该开关电压至少提高了同步整流晶体管的导通阈值电压量后的自举电压之间，对同步整流晶体管的栅极电压进行脉冲驱动。通过采用这样的构成，可改善电力效率，且即使当输入输出电压差小时，也会无障碍地进行其同步整流动作。

Description

升压型DC/DC转换器以及具备该转换器的电子设备
技术领域
本发明涉及同步整流方式的升压型DC/DC转换器以及具备该转换器的电子设备。
背景技术
以往，作为热损耗少且输入输出较差大时效率比较好的稳定化电源机构之一，通过输出晶体管的开关控制(占空比控制)来驱动贮能元件(电容器或电感器等)，从而从输入电压生成所希望的输出电压的升压型DC/DC转换器(所谓的开关调节器)被广泛应用。
尤其是对于被要求高转换效率的开关调节器而言，为了尽量降低整流元件的导通电阻，如图4A所示，采用如下结构：作为整流元件使用同步整流晶体管P1，并相对于输出晶体管N1互补地对其进行开关控制。
而且，作为与上述相关的现有技术(开关时的电力损耗降低技术)，在特开2005-160198号公报中如图4B所示，公开提出了如下所述的升压型DC/DC转换器：在接地电压GND与输入电压Vin之间开关切换输出晶体管N1的栅极电压，另一方面，在输入电压Vin与输出电压Vout之间开关切换同步整流晶体管P1的栅极电压。
的确，若根据图4A所示的同步整流方式的升压型DC/DC转换器，则可尽量降低整流元件的导通电阻，从而提高其转换效率。
但是，图4A所示的升压型DC/DC转换器，采用了P沟道型场效应晶体管作为同步整流晶体管P1，并且，用于驱动同步整流晶体管P1的第二驱动器DRV2被施加输出电压Vout作为其正电源，在接地电压GND与输出电压Vout之间，对同步整流晶体管P1的栅极电压进行脉冲驱动。因此，在图4A所示的升压型DC/DC转换器中，存在着与将输入电压Vin作为正电源的第一驱动器DRV1相比，将输出电压Vout作为正电源的第二驱动器DRV2的电力损失(延伸为升压型DC/DC转换器整体的电力损失)大的课题。
另一方面，如果是图4B所示的升压型DC/DC转换器，则由于会成为驱动器DRV2的驱动电流回流至输入端的形式，因此能解决上述的课题。
但是，在图4B所示的升压型DC/DC转换器中，存在如下课题：因输入电压Vin的降低或变动(电池的消耗等)，若输入电压Vin与输出电压Vout的电位差低于同步整流晶体管P1的导通阈值电压，则无法使同步整流晶体管P1导通。
发明内容
本发明鉴于上述课题而提出，其目的在于提供一种可改善其电力效率且即使当输入输出电压差小时也可无障碍地进行其同步整流动作的升压型DC/DC转换器、以及具备该转换器的电子设备。
为了实现上述目的，本发明所涉及的升压型DC/DC转换器包括：N沟道场效应型的输出晶体管；N沟道场效应型的同步整流晶体管；贮能元件，其一端与所述输出晶体管以及所述同步整流晶体管连接，另一端与输入电压的施加端连接；自举电压的生成机构，其将出现于所述贮能元件的与所述输出晶体管及所述同步整流晶体管连接的一端的开关电压提高了所述同步整流晶体管的导通阈值电压量后，作为自举电压来输出；第一驱动器，其输出在接地电压与所述输入电压之间变化的第一脉冲信号，对所述输出晶体管的栅极进行脉冲驱动；第二驱动器，其获得所述自举电压，输出在所述开关电压与所述自举电压之间变化的第二脉冲信号，对所述同步整流晶体管的栅极进行脉冲驱动；输出平滑部，其对通过所述同步整流晶体管输出的所述开关电压进行平滑，生成所希望的输出电压；和控制电路，其基于所述输出电压，进行所述输出晶体管及所述同步整流晶体管的互补的开关控制。
本发明的其他特征、原理、步骤、优点以及特性，可通过参照附图对优选实施方式的详细说明而明确。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的移动电话终端的一个实施方式的框图；
图2是表示升压型DC/DC转换器20的一个构成例的电路图；
图3是表示开关电压V1、自举(bootstrap)电压V2、栅极电压G1～G2、以及晶体管N1～N2的导通/截止状态的时序图；
图4A、图4B是表示升压型DC/DC转换器的一个现有例的电路图。
具体实施方式
下面，以在搭载于移动电话终端、对电池的输出电压进行变换来生成终端各部(例如TFT[Thin Film Transistor]液晶面板)的驱动电压的升压型DC/DC转换器中应用了本发明的情况为例进行说明。
图1是表示本发明所涉及的移动电话终端的一个实施方式的框图(尤其是TFT液晶面板的电源系统部分)。如该图所示，本实施方式的移动电话终端具有：作为装置电源的电池10、作为电池10的输出变换机构的升压型DC/DC转换器20、和作为移动电话终端的显示机构的TFT液晶面板30。另外，在该图中虽未明示，但本实施方式的移动电话终端除了上述构成要素之外，作为实现其本质功能(通信功能等)的机构，当然具有收发电路部、扬声器部、话筒部、显示部、操作部、存储器部等。
DC/DC转换器20根据从电池10被施加的输入电压Vin生成一定的输出电压Vout，并将该输出电压Vout供给到TFT液晶面板30。
图2是表示DC/DC转换器20的一个构成例的电路图(一部分中包括模块)。
如该图所示，本实施方式的DC/DC转换器20具有：输入端T1、输出端T2、输入平滑电容器C1、输出平滑电容器C2、电感器L1、N沟道场效应型晶体管N1～N2、电容器C3、二极管D1、第一～第二驱动器DRV1～DRV2、和控制电路CTRL。
输入端T1是从作为装置电源的电池10(在该图中未图示)被施加输入电压Vin的端子。输出端T2是作为负载的TFT液晶面板30(在该图中未图示)的输出电压Vout被引出的端子。
输入平滑电容器C1是输入电压Vin的平滑机构，一端与输入端T1连接，另一端与接地端连接。输出平滑电容器C2是输出电压Vout的平滑机构，一端与输出端T2连接，另一端与接地端连接。
电感器L1是贮能元件，一端分别与晶体管N1的漏极和晶体管N2的源极连接。另一方面，电感器L1的另一端与输入端T1连接。
如上所述，晶体管N1的漏极与电感器L1的一端连接。晶体管N1的源极与接地端连接。晶体管N1的栅极与第一驱动器DRV1的输出端连接。即，晶体管N1作为根据从第一驱动器DRV1被施加的栅极电压G1进行开关控制的输出晶体管而发挥功能。
如上所述，晶体管N2的源极与电感器L1的一端连接。晶体管N2的漏极与输出端T2连接。晶体管N2的栅极与第二驱动器DRV2的输出端连接。即，晶体管N2作为根据从第二驱动器DRV2被施加的栅极电压G2进行开关控制的同步整流晶体管而发挥功能。
电容器C3的一端与电感器L1的一端连接。二极管D1的阳极与输入端T1连接。二极管D1的阴极与电容器C3的另一端连接。另外，这些元件作为将在后面详细说明的自举电压V2的生成机构而发挥功能。
第一驱动器DRV1的正电源端与输入端T1连接。第一驱动器DRV1的负电源端与接地端连接。第一驱动器DRV1的输出端如上所述，与晶体管N1的栅极连接。即，第一驱动器DRV1作为在接地电压GND与输入电压Vin之间，对输出晶体管N1的栅极电压G1进行脉冲驱动的第一驱动机构而发挥功能。
第二驱动器DRV2的正电源端与二极管D1的阴极连接。第二驱动器DRV2的负电源端与电感器L1的另一端连接。第二驱动器DRV2的输出端如上所述，与晶体管N2的栅极连接。即，第二驱动器DRV2通过与上述的电容器C3以及二极管D1联动，作为在出现于电感器L1的一端的开关电压V1和后面将详细说明的自举电压V2之间，对同步整流晶体管N2的栅极电压G2进行脉冲驱动的第二驱动机构而发挥功能。
控制电路CTRL是如下所述的机构：在使输入电压Vin升压而获得输出电压Vout时，监视输出电压Vout，按照使其达到所希望的值的方式，通过第一～第二驱动器DRV1～DRV2，进行输出晶体管N1以及同步整流晶体管N2的互补的开关控制。
另外，对于控制电路CTRL的内部构成而言，由于只要应用公知的技术即可，因此省略详细的说明，例如采用如下的构成即可：通过对输出电压Vout(一般为其分压电压)与规定的参照电压(相当子输出电压Vout的目标值)的差分所对应的误差电压和规定的斜坡(slope)电压(斜波或三角波)进行比较，生成PWM[Pulse Width Modulation]信号，利用该PWM信号，驱动第一～第二驱动器DRV1～DRV2。
而且，在本说明书中使用的“互补”一词，除了输出晶体管N1和同步整流晶体管N2的导通/截止状态完全相反的情况之外，从防止贯通电流的观点出发，还包括按照使两晶体管N1、N2不会同时处于导通状态的方式，对其相互的导通/截止迁移时刻施加规定延迟的情况。
接着，参照上述的图2和图3，对上述构成的DC/DC转换器20的直流/直流变换动作进行详细说明。
图3是表示开关电压V1、自举电压V2、栅极电压G1～G2、以及晶体管N1～N2的导通/截止状态的时序图。另外，图3例示了输入电压Vin为3.3[V]、输出电压Vout为5[V]的情况。
首先，如果通过第一驱动器DRV1使得栅极电压G1被设置为高电平(即，输入电压Vin)，输出晶体管N1为导通状态，则在电感器L1中流动经由输出晶体管N1流向接地端的电流，该电能被蓄积。另外，此时出现在电感器L1的一端的开关电压V1，通过输出晶体管N1而大致成为接地电压GND(0[V])。
而且，若输出晶体管N1为导通状态，则不仅在电感器L1中，而且在二极管D1和电容器C3中也流动经由输出晶体管N1流向接地端的电流。结果，电荷被蓄积在电容器C3中，其两端之间产生了从输入电压Vin(3.3[V])减去二极管D1的正向压降Vf(0.7[V])的电位差(2.6[V])。即，施加到第二驱动器DRV2的正电源端的自举电压V2成为将开关电压V1提高了电容器C3的充电电压量(2.6[V])的电压值。
另外，当在输出晶体管N1的导通期间，已经在输出平滑电容器C2中蓄积了电荷时，在作为负载的TFT液晶面板30(在该图中未图示)中会流动来自输出平滑电容器C2的电流。而且，由于在输出晶体管N1的导通期间内，通过第二驱动器DRV2使得栅极电压G2被设为低电平(即，开关电压V1)，同步整流晶体管N2相对于输出晶体管N1的导通状态而互补地变为截止状态，因此不会从输出平滑电容器C2向输出晶体管N1流入电流。
然后，如果通过第一驱动器DRV1使得栅极电压G1迁移为低电平(即，接地电压GND)，输出晶体管N1变为截止状态，则通过电感器L1中产生的反向感应电压，其中蓄积的电能被释放。因此，出现在电感器L1的一端的开关电压V1升高至比输入电压Vin高的电位电平(这里是输出电压Vout(5[V]))。
另一方面，当输出晶体管N1迁移至截止状态之后，若经过规定的两个截止期间，则通过第二驱动器DRV2使得栅极电压G2迁移至高电平(即，自举电压V2)。此时，由于在电容器C3的两端之间，保持着由之前的充电而产生的电位差，因此自举电压V2成为将开关电压V1(5[V])提高了电容器C3的充电电压量(2.6[V])的电压值(7.6[V])。
因此，在同步整流晶体管N2的栅极一源极之间，成为被赋予超过其导通阈值电压的电位差的形式，同步整流晶体管N2相对于输出晶体管N1的截止状态而互补地变为导通状态。结果，从输入端T1经由同步整流晶体管N2而流动的电流流入作为负载的TFT液晶面板30中，而且还经由输出平滑电容器C2流入接地端，对该输出平滑电容器C2进行充电。
通过反复进行上述的动作，可对作为负载的TFT液晶面板30供给由平滑电容器C2平滑后的直流输出。
如上所述，本实施方式的升压型DC/DC转换器20，通过基于输出晶体管N1和同步整流晶体管N2的互补的开关控制，对电感器L1的一端进行驱动，从而由输入电压Vin生成所希望的输出电压Vout，作为输出晶体管N1和同步整流晶体管N2均使用了N沟道型场效应晶体管，且该转换器具有：第一驱动机构(第一驱动器DRV1)，其在接地电压GND与输入电压Vin之间，对输出晶体管N1的栅极电压G1进行脉冲驱动；和第二驱动机构(第二驱动器DRV2)，其在出现于电感器L1的一端的开关电压V1和将该开关电压V1至少提高了同步整流晶体管N2的导通阈值电压量的自举电压V2之间，对同步整流晶体管N2的栅极电压G2进行脉冲驱动；和电容器C3以及二级管D1。
若进一步详细描述，则在本实施方式的升压型DC/DC转换器20中，作为同步整流晶体管不使用现有的P沟道场效应型晶体管，而使用N沟道型场效应晶体管，并且，作为第二驱动器DRV2的正电源，不使用输出电压Vout，而使用通过电容器C3和二极管D1由输入电压Vin生成的自举电压V2，从而，对输出晶体管N1和同步整流晶体管N2的控制主体、即第一～第二驱动器DRV1～DRV2以及控制电路CTRL均不接收输出电压Vout的供给。
通过采用这样的构成，例如，在假定输入电压Vin为5[V]、输出电压Vout为12[V]、第二驱动器DRV2的驱动电流为10[mA]时，若从输出侧消耗第二驱动器DRV2的驱动电流，则会产生12[V]×10[mA]＝120[mW]的电力损失，相对于此，若应用本发明从输入侧消耗第二驱动器DRV2的驱动电流，则只产生5[V]×10[mA]＝50[mW]的电力损失。即，可减少70[mW]的电力损失。
而且，若是本实施方式的升压型DC/DC转换器20，则通过维持电容器C3的充电电压，会成为对同步整流晶体管N2的栅极一源极之间赋予超过其导通阈值电压的电位差，而不依赖于输入电压Vin与输出电压Vout的电位差的形式。因此，根据本实施方式的升压型DC/DC转换器20，即使当输入电压Vin与输出电压Vout的电位差变小时，也会无障碍地进行其同步整流动作。
另外，在上述实施方式中，以在搭载于移动电话终端、被用作电池的输出变换机构的升压型DC/DC转换器中应用了本发明的情况为例进行了说明，但本发明的应用对象并不限定于此，本发明还可广泛应用于搭载到其他电子设备的升压型DC/DC转换器中。例如，作为对由AC/DC转换器获得的直流电压进行升压的机构，也可使用本发明涉及的DC/DC转换器。
并且，本发明的构成除了上述实施方式之外，在不脱离发明宗旨的范围内可施加各种变更。
例如，在上述实施方式中，以利用电容器C3和二极管D1直接从输入电压Vin生成自举电压V2的构成为例进行了说明，但本发明的构成并不限定于此，除了上述构成之外，还可以采用如下构成：在输入端T1与二极管D1的阳极之间，插入对输入电压Vin进行降压来生成所希望的恒定电压的调节器，根据由该调节器获得的恒定电压生成自举电压V2。
作为上述构成恰当的应用例，例如，可以假定输入电压Vin为12[V]、相对于此第二驱动器DRV2的设计耐压为5[V]的情况。在这样的情况下，如果通过插入上述的调节器，从输入电压Vin生成适当的恒定电压(例如5[V])，并根据该恒定电压生成自举电压V2，则无需提高第二驱动器DRV2的设计耐压，因此可避免装置规模的不必要增大。
并且，在上述实施方式中，以对控制电路CTRL仅反馈输入输出电压Vout的构成为例进行了说明，但本发明的构成并不限定于此，也可采用根据开关电流或输出电流的监视结果，来进行输出晶体管N1和同步整流晶体管N2的开关控制的方式(所谓的电流模(current mode)方式)。
而且，在DC/DC转换器20中，除了上述的电路要素之外，可适当组入其它的保护电路模块(低输入误动作防止电路或温度保护电路等)。
另外，若归纳本发明的效果，则本发明所涉及的升压型DC/DC转换器以及具备该转换器的电子设备可改善其电力效率，且即使当输入输出电压差小时，也会无障碍地进行其同步整流动作。
并且，若描述工业上的可利用性，则本发明在实现同步整流型开关调节器的电力损耗降低方面是有用的技术，适宜用于所有的电子设备(例如，液晶电视与液晶面板、或电池规格的移动电话终端)中。
结合上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此，本领域技术人员可以明确能对本发明的实施方式施加各种变更。因此，本发明的精神以及范围只能由附加的技术方案来限定。

Claims (6)

1.一种升压型DC/DC转换器，包括：
N沟道场效应型的输出晶体管；
N沟道场效应型的同步整流晶体管；
贮能元件，其一端与所述输出晶体管以及所述同步整流晶体管连接，另一端与输入电压的施加端连接；
自举电压的生成机构，其将出现于所述贮能元件的与所述输出晶体管及所述同步整流晶体管连接的一端的开关电压提高了所述同步整流晶体管的导通阈值电压量后，作为自举电压来输出；
第一驱动器，其输出在接地电压与所述输入电压之间变化的第一脉冲信号，对所述输出晶体管的栅极进行脉冲驱动；
第二驱动器，其获得所述自举电压，输出在所述开关电压与所述自举电压之间变化的第二脉冲信号，对所述同步整流晶体管的栅极进行脉冲驱动；
输出平滑部，对通过所述同步整流晶体管输出的所述开关电压进行平滑，生成所希望的输出电压；和
控制电路，其基于所述输出电压，进行所述输出晶体管及所述同步整流晶体管的互补的开关控制。
2.一种升压型DC/DC转换器，包括：
输入端，被施加输入电压；
输出端，被引出输出电压；
输出平滑电容器，一端与所述输出端连接，另一端与接地端连接；
电感器，一端与所述输入端连接；
N沟道场效应型的输出晶体管，漏极与所述电感器的另一端连接，源极与所述接地端连接；
N沟道场效应型的同步整流晶体管，源极与所述电感器的另一端连接，漏极与所述输出端连接；
电容器，一端与所述电感器的另一端连接；
二极管，阳极与所述输入端连接，阴极与所述电容器的另一端连接；
第一驱动器，正电源端与所述输入端连接，负电源端与所述接地端连接，输出端与所述输出晶体管的栅极连接；
第二驱动器，正电源端与所述二极管的阴极连接，负电源端与所述电感器的另一端连接，输出端与所述同步整流晶体管的栅极连接；和
控制电路，通过第一、第二驱动器，进行所述输出晶体管以及所述同步整流晶体管的互补的开关控制。
3.根据权利要求2所述的升压型DC/DC转换器，其特征在于，
还具有调节器，其插入于所述输入端与所述二极管的阳极之间，对所述输入电压进行降压，生成所希望的恒定电压。
4.一种电子设备，具备：
装置电源；和
升压型DC/DC转换器，其对从所述装置电源输入的输入电压进行升压，生成所希望的输出电压，
所述升压型DC/DC转换器包括：
N沟道场效应型的输出晶体管；
N沟道场效应型的同步整流晶体管；
贮能元件，一端与所述输出晶体管以及所述同步整流晶体管连接，另一端与所述输入电压的施加端连接；
自举电压的生成机构，其将出现于所述贮能元件的与所述输出晶体管及所述同步整流晶体管连接的一端的开关电压提高了所述同步整流晶体管的导通阈值电压量后，作为自举电压来输出；
第一驱动器，其输出在接地电压与所述输入电压之间变化的第一脉冲信号，对所述输出晶体管的栅极进行脉冲驱动；
第二驱动器，其获得所述自举电压，输出在所述开关电压与所述自举电压之间变化的第二脉冲信号，对所述同步整流晶体管的栅极进行脉冲驱动；
输出平滑部，对通过所述同步整流晶体管输出的所述开关电压进行平滑，生成所希望的输出电压；和
控制电路，其基于所述输出电压，进行所述输出晶体管及所述同步整流晶体管的互补的开关控制。
5.一种电子设备，具备：
装置电源；和
升压型DC/DC转换器，其对从所述装置电源输入的输入电压进行升压，生成所希望的输出电压，
所述升压型DC/DC转换器包括：
输入端，被施加所述输入电压；
输出端，被引出所述输出电压；
输出平滑电容器，一端与所述输出端连接，另一端与接地端连接；
电感器，一端与所述输入端连接；
N沟道场效应型的输出晶体管，漏极与所述电感器的另一端连接，源极与所述接地端连接；
N沟道场效应型的同步整流晶体管，源极与所述电感器的另一端连接，漏极与所述输出端连接；
电容器，一端与所述电感器的另一端连接；
二极管，阳极与所述输入端连接，阴极与所述电容器的另一端连接；
第一驱动器，正电源端与所述输入端连接，负电源端与所述接地端连接，输出端与所述输出晶体管的栅极连接；
第二驱动器，正电源端与所述二极管的阴极连接，负电源端与所述电感器的另一端连接，输出端与所述同步整流晶体管的栅极连接；和
控制电路，通过第一、第二驱动器，进行所述输出晶体管以及所述同步整流晶体管的互补的开关控制。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其特征在于，
所述升压型DC/DC转换器还具有调节器，其插入于所述输入端与所述二极管的阳极之间，对所述输入电压进行降压，生成所希望的恒定电压。
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