CN101199106A - 升压型开关调节器及其控制电路、使用了它的电子设备 - Google Patents

升压型开关调节器及其控制电路、使用了它的电子设备 Download PDF

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CN101199106A CNA2006800216052A CN200680021605A CN101199106A CN 101199106 A CN101199106 A CN 101199106A CN A2006800216052 A CNA2006800216052 A CN A2006800216052A CN 200680021605 A CN200680021605 A CN 200680021605A CN 101199106 A CN101199106 A CN 101199106A
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大山英太郎
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Abstract

提供一种抑制了起动时的冲击电流的升压型开关调节器。开关晶体管(M1)的源极接地，漏极与第1端子(102)相连接。第2端子(104)与一端应连接于第1端子(102)的电感(L1)的另一端相连接。第3端子(106)被施加输入电压(Vin)。辅助晶体管(M2)被设置在第2端子(104)与第3端子(106)之间。第1软起动电路(20)生成随时间而增大的第1软起动电压(Vss1)，第2软起动电路(20、24)生成相对于第1软起动电压(Vss1)延迟地增大的第2软起动电压(Vss2)。误差放大器(22)基于输出电压(Vout)与第1软起动电压(Vss1)的误差电压(Verr1)，控制辅助晶体管(M2)的栅极电压。

Description

升压型开关调节器及其控制电路、使用了它的电子设备
技术领域
本发明涉及开关调节器，特别涉及升压型开关调节器的起动时的控制方式。
背景技术
在近年的便携式电话、PDA(Personal Digital Assistant：个人数字助理)、笔记本式个人计算机等各种电子设备中，安装有作为液晶的背光灯而设的发光二极管(以下称LED)、微处理器、或者其他模拟、数字电路等很多在不同的电源电压下工作的器件。
另一方面，在这样的电子设备中，作为电源，安装有锂离子电池等电池。为了将从锂离子电池输出的电压提供给在不同的电源电压下工作的器件，使用将电池电压升压或降压的开关调节器等DC/DC转换器。
升压型或降压型的开关调节器有使用整流用二极管的方式(以下称二极管整流方式)、取代二极管而使用同步整流用晶体管的方式(以下称同步整流方式)。前者具有在负载所流过的负载电流较小时能得到高效率的优点，但在控制电路外部除电感、电容外还需要二极管，所以电路面积变大。后者在提供给负载的电流较小时的效率方面不如前者，但由于使用晶体管来取代二极管，所以能够集成在LSI内部，能够使包括外围部件在内的电路面积小型化。
这里，二极管整流方式或同步整流方式的升压型开关调节器中，在从输入电池电压等的输入端子至输出升压后的电压(以下称输出电压)的输出端子之间，串联连接同步整流用晶体管和电感。在使用P沟道MOSFET作为同步整流用晶体管，并且使其背栅极与源极(或者漏极)相连接的情况下，存在如下问题：即使在使同步整流用晶体管截止、停止升压动作的状态下，也会经由背栅极与漏极(或者源极)间的体二极管(寄生二极管)和电感而向负载流过电流。
专利文献1：特开2004-32875号公报
专利文献2：特开2002-252971号公报
发明内容
〔发明所要解决的课题〕
为了防止在升压动作停止时经由同步整流用晶体管和电感向负载流过的电流，考虑在该电流路径上设置直流防止用晶体管作为开关元件的方法。但是，该方法存在若急速地使该直流防止用晶体管导通，则会流过冲击电流的问题。
本发明是鉴于这样的课题而设计的，其目的在于提供一种抑制了起动时的冲击电流的升压型开关调节器。
〔用于解决课题的手段〕
本发明的一个方案涉及一种升压型开关调节器的控制电路。该控制电路包括：一端接地的开关晶体管；第1端子，与开关晶体管的另一端相连；第2端子，与一端应连接于第1端子的电感的另一端相连接；第3端子，被施加输入电压；辅助晶体管，被设置在第2端子与第3端子之间；第1软起动电路，生成随时间而增大的第1软起动电压；第2软起动电路，生成相对于第1软起动电压延迟地增大的第2软起动电压；误差放大器，基于升压型开关调节器的输出电压与第1软起动电压的误差电压，控制辅助晶体管的控制端子的电压；脉冲宽度调制器，被输入升压型开关调节器的输出电压和使第2软起动电压移位了预定电压量后的电压，生成脉冲宽度调制信号，并控制该脉冲宽度调制信号的占空比，使得所输入的两个电压相接近；驱动电路，基于脉冲宽度调制信号驱动上述开关晶体管。
将辅助晶体管用作升压停止时的直流防止用开关，并与控制其控制端子的电压的误差放大器一起构成线性调节器。这里，所谓控制端子，是指相当于MOSET的栅极、双极型晶体管的基极的端子。根据该方案，能够在升压型开关晶体管起动时基于第1软起动电压，由线性调节器使输出电压缓缓上升，然后基于第2软起动电压使升压后的输出电压缓缓上升，能够抑制冲击电流的产生。
第2软起动电路可以包括电平移位电路，使从第1软起动电路输出的第1软起动电压向低电压侧移位预定电平。
为生成软起动电压，需要使用了电容的时间常数电路、D/A转换器等，所以通过使用一个软起动电路来生成第1软起动电压和第2软起动电压，能够减小电路面积。
开关晶体管可以是N沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，辅助晶体管可以是P沟道MOSFET。
控制电路可以被一体集成在一个半导体衬底上。这里的所谓集成，包括电路的所有结构要件都形成在半导体衬底上的情况，和电路的主要结构要件被一体集成的情况，也可以为调节电路常数而将一部分电阻、电容等设置在半导体衬底的外部。
本发明的另一方案是升压型开关调节器。该升压型开关调节器包括：上述的控制电路；电感，设置在控制电路的第1端子和第2端子之间；整流二极管，其阳极与第1端子相连接；输出电容，被连接在整流二极管的阴极与接地之间；其中，将整流二极管的阴极与输出电容的连接点的电压作为输出电压输出。
根据该方案，通过辅助晶体管能够隔断经由电感和整流二极管流过的电流。另外，能够防止在起动时冲击电流流入输出电容。
本发明的再一个方案是电子设备。该电子设备包括：电池；上述的升压型开关调节器，对电池的电压进行升压；由升压型开关调节器驱动的发光元件。
另外，将以上结构要件的任意组合、本发明的结构要件以及表达方式在方法、装置、系统等之间相互置换的方案，作为本发明的实施方式也是有效的。
附图说明
图1是表示实施方式的升压型开关调节器的结构的电路图。
图2的(a)～(c)是表示图1的升压型开关调节器起动时的时序图。
图3是表示安装有图1的升压型开关调节器的电子设备的结构的框图。
〔标号说明〕
100控制电路，102第1端子，104第2端子，106第3端子，108电压反馈端子，110接地端子，112待机端子，200升压型开关调节器，202输入端子，204输出端子，300电子设备，310电池，320发光元件，M1开关晶体管，M2辅助晶体管，R1第1电阻，R2第2电阻，10驱动电路，12脉冲宽度调制器，14 PWM比较器，16振荡器，18误差放大器，20软起动电路，22误差放大器，24电平移位电路，L1电感，D1整流二极管，Co输出电容，Vss1第1软起动电压，Vss2第2软起动电压。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式，参照附图说明本发明。对于各附图中所示的相同或等同的结构要件、部件、处理标注相同的标号，并适当省略重复的说明。另外，实施方式只是例示，并非限定本发明，实施方式中所记述的所有特征及其组合，不一定就是本发明的本质特征。
图1是表示实施方式的升压型开关调节器200的结构的电路图。升压型开关调节器200是包括控制电路100、电感L1、输出电容Co、整流二极管D1、第1电阻R1、第2电阻R2的二极管整流方式的开关调节器。
本实施方式的升压型开关调节器200以预定的升压率对输入电压Vin升压，从输出端子204输出输出电压Vout。
首先说明控制电路100的结构。控制电路100作为输入输出端子，具有第1端子102、第2端子104、第3端子106、电压反馈端子108、接地端子110、待机(standby)端子112。另外，其内部包括开关晶体管M1、辅助晶体管M2、驱动电路10、脉冲宽度调制器12、软起动电路20、误差放大器22、电平移位电路24。
接地端子110与外部的接地电位相连接。开关晶体管M1是N沟道MOSFET，其源极通过接地端子110接地。第1端子102与开关晶体管M1的漏极相连。该第1端子102在外部与电感L1的一端相连。第2端子104与一端应连接于第1端子102的电感L1的另一端相连。第3端子106被从外部施加输入电压Vin。
辅助晶体管M2的漏极与第2端子104相连，源极与第3端子106相连。由第1电阻R1和第2电阻R2将升压型开关调节器200的输出电压Vout分压后的反馈电压Vout’被反馈到电压反馈端子108。反馈电压Vout’由Vout’＝Vout×R1/(R1+R2)给出。反馈电压Vout’被输入到误差放大器22和脉冲宽度调制器12。
软起动电路20生成随时间而增大的第1软起动电压Vss1。该软起动电路20通过待机端子112被输入待机信号STB，在待机信号STB从低电平变为高电平时，使第1软起动电压Vss1从0V缓缓上升到预定的最大电压Vmax。
误差放大器22的反相输入端子被输入第1软起动电压Vss1，非反相输入端子被输入反馈电压Vout’。误差放大器22将对第1软起动电压Vss1与反馈电压Vout’的误差放大后的误差电压Verr1输出到辅助晶体管M2的辅助晶体管M2的作为控制端子的栅极。该误差放大器22和辅助晶体管M2构成线性调节器，所以进行反馈使得反馈电压Vout’接近第1软起动电压Vss1，输出电压Vout以Vss1×(R1+R2)/R1为目标值被稳定化。
电平移位电路24生成使从软起动电路20输出的第1软起动电压Vss1向低电压侧移位预定电平Δv量后的第2软起动电压Vss2。第2软起动电压Vss2被输入到脉冲宽度调制器12。该第2软起动电压Vss2相对于第1软起动电压Vss1时间上延迟地增大。
脉冲宽度调制器12被输入反馈电压Vout’、第2软起动电压Vss2。误差放大器18的反相输入端子被输入反馈电压Vout’，非反相输入端子被输入第2软起动电压Vss2。误差放大器18对反馈电压Vout’与第2软起动电压Vss2的误差进行放大，将误差电压Verr2输出到PWM比较器14的非反相输入端子。振荡器16生成三角波或锯齿波状的周期电压Vosc，输出到PWM比较器14的反相输入端子。PWM比较器14对误差电压Verr2和周期电压Vosc进行比较，输出在Vosc＞Verr2时为低电平、Vosc＜Verr2时为高电平的脉冲宽度调制信号(以下称PWM信号)Vpwm。调节该PWM信号Vpwm的占空比，使得反馈电压Vout’接近第2软起动电压Vss2。
驱动电路10基于从脉冲宽度调制器12输出的PWM信号Vpwm驱动开关晶体管M1。开关晶体管M1的导通时间由PWM信号Vpwm的占空比控制。
这样构成的控制电路100如下那样与电感L1、整流二极管D1、输出电容Co相连接。电感L1设置在控制电路100的第1端子102和第2端子104之间。整流二极管D1的阳极与第1端子102相连接。输出电容Co连接在整流二极管D1的阴极与接地之间。整流二极管D1的阴极与输出电容Co的连接点的电压被作为升压型开关调节器200的输出电压Vout提供给负载。
下面说明如上这样构成的升压型开关调节器200的动作。图2的(a)～(c)是图1的升压型开关调节器200的起动时的时序图。该图中为说明简洁而对纵轴和横轴进行了适当放大或缩小。图2的(a)表示从外部输入到控制电路100的待机信号STB。图2的(b)表示第1软起动电压Vss1、第2软起动电压Vss2。图2的(c)表示升压型开关调节器200的输出电压Vout。
在时刻T0至时刻T1期间，待机信号STB是低电平，升压型开关调节器200成为暂停状态。在此期间，第1软起动电压Vss1是0V，第2软起动电压Vss2也是0V。第1软起动电压Vss1为0V时，从误差放大器22输出的误差电压Verr1、即辅助晶体管M2的栅极电压上升到电源电压附近，所以辅助晶体管M2成为全截止状态。辅助晶体管M2全截止，从而从第3端子106经由辅助晶体管M2、电感L1、整流二极管D1至输出端子204的电流路径被隔断。
另外，在时刻T0至T1期间，第2软起动电压Vss2也是0V，所以PWM调制信号Vpwm的占空比成为0％，开关晶体管M1的开关动作停止。
在时刻T1待机信号STB成为高电平后，软起动电路20使第1软起动电压Vss1从0V起缓缓地随时间而上升。结果，辅助晶体管M2从全截止的状态渐渐向导通的状态变化，输出电压Vout随着第1软起动电压Vss1的上升，满足Vout＝Vss1×(R1+R2)/R1关系地上升。在时刻T2，辅助晶体管M2成为全导通的状态，输出电压Vout上升至被输入到第3端子106的输入电压Vin附近时，输出电压Vout不再继续上升。
另外，如上所述第2软起动电压Vss2是将第1软起动电压Vss1向低电压侧电平移位ΔV量后的电压，所以在从时刻T1起经过预定的延迟时间τ后的时刻T1’开始上升。升压型开关调节器200的脉冲宽度调制器12调节PWM信号Vpwm的占空比，使得反馈电压Vout’变得等于第2软起动电压Vss2。但在时刻T1’至时刻T2期间，按Vss2×(R1+R2)/R1所给出的升压型开关调节器的输出电压的目标值比输入电压Vin低，所以不进行升压动作。
在时刻T3，由第2软起动电压Vss2规定的升压型开关调节器的输出电压的目标值超过输入电压Vin时，从脉冲宽度调制器12输出的PWM信号Vpwm的占空比随时间而增大，由驱动电路10驱动开关晶体管M1，控制升压动作使得输出电压Vout接近以Vss2×(R1+R2)/R1给出的目标电压。结果，随着第2软起动电压Vss2的上升，输出电压Vout渐渐上升。当在时刻T4第2软起动电压Vss2达到Vref＝Vmax-ΔV所给出的目标基准电压时，软起动动作结束，输出电压Vout被稳定化。
以上说明了本实施方式的升压型开关调节器200的结构和动作。通过本实施方式的升压型开关调节器200，在升压动作开始前使用辅助晶体管M2作为直流防止用开关，从而能够防止经由电感L1和整流二极管D1向负载流过电流、或者输出端子204呈现输入电压Vin的情况。
进而，在升压型开关调节器200的起动过程中，通过使该辅助晶体管M2和误差放大器22作为线性调节器来发挥作用，能够在输出电压Vout上升到输入电压Vin附近之前的期间内使输出电压Vout缓缓上升。即，在以往的升压型开关调节器中，在赋予输入电压Vin的时刻输出电压Vout会上升到输入电压Vin，而通过本实施方式的升压型开关调节器200，能够使输出电压Vout从0V起缓缓上升。
进而，在输出电压Vout上升到输入电压Vin附近时辅助晶体管M2成为全导通的状态，第2端子104呈现接近输入电压Vin的电压。之后，虽然由升压型开关调节器200使第2端子104所呈现的输入电压Vin升压，但由于此时输入到误差放大器18的第2软起动电压Vss2随时间而上升，所以能够使输出电压Vout也随时间缓缓上升。这样，通过使输出电压Vout从0V起缓缓上升到预定的目标电压，能够抑制起动时的冲击电流。
图3是表示安装了图1的升压型开关调节器200的电子设备300的结构的框图。电子设备300是便携式电话终端、数字静态照相机、CD播放器等电池驱动型的小型信息设备，包括电池310、发光元件320、升压型开关调节器200。电池310例如是锂离子电池，输出3V～4V程度的电池电压Vbat。电池电压Vbat被输入到升压型开关调节器200的输入端子202。该输入端子202对应于图1的第3端子106，电池电压Vbat对应于图1的输入电压Vin。升压型开关调节器200以电池电压Vbat作为输入电压Vin进行升压动作，向与输出端子204相连的发光元件320提供输出电压Vout。
发光元件320例如是作为液晶的背光灯、照相机的闪光灯、或者照明用而设的LED，阳极连接于升压型开关调节器200的输出端子204。阴极与用于控制发光元件320的发光亮度的恒电流电路330相连接。发光元件320通过恒电流电路330所生成的恒电流来控制发光亮度。图1的升压型开关调节器200能够很好地在这样的电子设备300中使用。
上述实施方式是个例示，可以对其各结构要件和各处理过程的组合进行各种变形，本领域技术人员能够理解这些变形例也包含在本发明的范围内。
在实施方式中，是由软起动电路20和电平移位电路24生成第1软起动电压Vss1、第2软起动电压Vss2的，但不限于此，也可以使用两个软起动电路来生成第1软起动电压Vss1和第2软起动电压Vss2。此时，能够独立地控制第1软起动电压Vss1和第2软起动电压Vss2，所以能够进行更灵活的软起动。
在实施方式中说明了控制电路100被一体集成在一个LSI中的情况，但不限于此，也可以是一部分结构要件作为分立元件或芯片部件设置在LSI的外部，或者由多个LSI构成。
另外，在本实施方式中高电平、低电平的逻辑值的设定仅是一例，可以通过反相器等使其适当反转而自由改变。
基于实施方式对本发明进行了说明，但显然实施方式仅是表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书所规定的本发明的思想的范围内，实施方式可以有很多变形例和配置的变更。
〔工业可利用性〕
通过本发明的升压型开关调节器的控制电路，能够不设置直流防止用晶体管地隔断在升降压动作停止时所流过的电流。

Claims (6)

1.一种升压型开关调节器的控制电路，其特征在于，包括：
一端接地的开关晶体管；
第1端子，与上述开关晶体管的另一端相连；
第2端子，与一端应连接于上述第1端子的电感的另一端相连接；
第3端子，被施加输入电压；
辅助晶体管，被设置在上述第2端子与上述第3端子之间；
第1软起动电路，生成随时间而增大的第1软起动电压；
第2软起动电路，生成相对于上述第1软起动电压延迟地增大的第2软起动电压；
误差放大器，基于上述升压型开关调节器的输出电压与上述第1软起动电压的误差电压，控制上述辅助晶体管的控制端子的电压；
脉冲宽度调制器，被输入上述升压型开关调节器的输出电压和使上述第2软起动电压移位了预定电压量后的电压，生成脉冲宽度调制信号，并控制该脉冲宽度调制信号的占空比，使得所输入的两个电压相接近；以及
驱动电路，基于上述脉冲宽度调制信号驱动上述开关晶体管。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：
上述第2软起动电路包括电平移位电路，使从上述第1软起动电路输出的上述第1软起动电压向低电压侧移位预定电平量。
3.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于：
上述开关晶体管是N沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，上述辅助晶体管是P沟道MOSFET。
4.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于：
被一体集成在一个半导体衬底上。
5.一种升压型开关调节器，其特征在于，包括：
权利要求1或2所述的控制电路；
电感，设置在上述控制电路的上述第1端子和上述第2端子之间；
整流二极管，其阳极与上述第1端子相连接；以及
输出电容，被连接在上述整流二极管的阴极与接地之间；
其中，将上述整流二极管的阴极与上述输出电容的连接点的电压作为输出电压输出。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
电池；
权利要求5所述的升压型开关调节器，对上述电池的电压进行升压；以及
由上述升压型开关调节器驱动的发光元件。
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