CN101542881B - 电压升/降型开关调节器和逆向电流防止方法 - Google Patents

电压升/降型开关调节器和逆向电流防止方法 Download PDF

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Abstract

一种电压升/降型开关调节器，包括电感器、电压降低开关元件、电压降低整流元件、电压上升开关元件、电压上升同步整流开关元件、控制电路部分和逆向电流检测部分。所述控制电路部分被布置使得在电压上升操作时所述电压降低开关元件被导通并被设置在导电状态内，并且在电压降低操作时所述电压上升同步整流开关元件被导通并被设置在导电状态内。如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则电压降低开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。

Description

电压升/降型开关调节器和逆向电流防止方法
技术领域
本发明一般地涉及一种电压升/降型开关调节器的逆向电流防止电路，并且具体上一种涉及用于防止工作在不连续模式内的电压升/降型开关调节器内的逆向电流的电路。
背景技术
图5示出了传统的电压升/降型开关调节器的构成。
在图5的电压升/降型开关调节器内，当输入电压Vin大于输出电压Vo时，响应于来自控制电路120的控制信号而执行PMOS晶体管M101的导通/截止控制，以便输入电压Vin的电平被降低到预定电压，并且结果产生的电压被从输出端Vout输出。此时，响应于来自控制电路120的控制信号来截止NMOS晶体管M103，并且晶体管M103处于截止状态。
当输入电压Vin低于输出电压Vo时，按照来自控制电路120的控制信号来执行NMOS晶体管M103的导通/截止控制，以便输入电压Vin的电平被提高到预定电压，并且所述电压被从输出端Vout输出。此时，响应于来自控制电路120的控制信号而导通PMOS晶体管M101，并且所述晶体管M101处于导电状态。
二极管D101是整流二极管，用于当PMOS晶体管M101在电压降低操作时被截止时经由电感器L101从地电压向输出端Vout提供电力。
二极管D102是整流二极管，用于防止在电压上升操作时逆向电流从输出端Vout流回到输入电压Vin。
因为图5的电压升/降型开关调节器使用二极管D101和D102作为整流元件，因此，功率转换的效率不足够好。这是因为所述二极管的正向电压高，并且由于所述二极管的使用导致整流引起的电压损失较大。
为了消除所述问题，已经提出了其中将二极管D101和D102替换为MOS晶体管的同步整流的电压升/降型开关调节器，以便减少由整流引起的电压损失。
图6示出了使用同步整流的传统的电压升/降型开关调节器的构成。例如，参见日本公开专利申请第2002-314076号。
在图6的电压升/降型开关调节器内，分别地，图5的二极管D101被替换为NMOS晶体管M102，并且图5的二极管D102被替换为PMOS晶体管M104。
NMOS晶体管M102与PMOS晶体管M101同步，并且通过互补地执行NMOS晶体管M102和PMOS晶体管M101的导通/截止控制来执行电压降低控制。PMOS晶体管M104与NMOS晶体管M103同步，并且通过互补地执行NMOS晶体管M103和PMOS晶体管M104的导通/截止控制来执行电压上升控制。
当输入信号Vz1在高电平时，PMOS晶体管M101被导通，并且NMOS晶体管M102被截止。当输入信号Vz1在低电平时，PMOS晶体管M101被截止，并且NMOS晶体管M102被导通。
类似地，当输入信号Vz2在高电平时，NMOS晶体管M103被导通，并且PMOS晶体管M104被截止。当输入信号Vz2在低电平时，NMOS晶体管M103被截止，并且PMOS晶体管M104被导通。
当输入电压Vin大于输出电压Vo时，输入信号Vz2被设置到低电平，NMOS晶体管M103被截止，并且PMOS晶体管M104被导通。在这个状态中，输入信号Vz1被交替地切换到高电平和低电平之一，因此执行PMOS晶体管M101和NMOS晶体管M102的导通/截止控制。通过使用在控制电路130内的逻辑电路，避免了同时导通PMOS晶体管M101和NMOS晶体管M102。
当输入电压Vin小于输出电压Vo时，输入信号Vz1被设置到高电平，以便PMOS晶体管M101导通，并且NMOS晶体管M102截止。在这种状态中，输入信号Vz2被交替地切换到高电平和低电平之一，以便执行NMOS晶体管M103和PMOS晶体管M104的导通/截止控制。通过使用在控制电路130内的逻辑电路，避免了同时导通NMOS晶体管M103和PMOS晶体管M104。
在图6的构成内，MOS晶体管被用作整流元件，相对于使用所述二极管的情况，可以显著地降低由于整流导致的电压降，并且可以大大地提高功率转换的效率。
一般，电压升/降型开关调节器工作在连续模式或者不连续模式内。当其工作在连续模式内时，电流连续流过电感器L101。但是，当其工作在不连续模式内时，电流不连续地流过电感器L101。
当负载电流变小时，流过电感器L101的电流变小。在这样的状态中在电感器L101内积累的能量变小。开关调节器可以被设置在下述状态内：其中在开关操作的一个周期期间，开关晶体管(其在电压降低操作时为PMOS晶体管M101，而在电压上升操作时为NMOS晶体管M103)被截止，而从电感器L101向负载提供的电流被设置为0(零)A。在下面，上述的状态将被称为不连续模式。
当开关调节器工作在不连续模式内时，在输入电压Vin侧的、在电感器L101的一端的电压可能小于接近输出端Vout的、在电感器L101的另外一端的电压Vo。在图5的构成的情况下，因为使用二极管D102，因此不出现从输出端Vout流入电感器L101的逆向电流。但是，在图6的构成的情况下，PMOS晶体管M104被导通，并且可能出现从输出端Vout流入电感器L101的逆向电流。这样的逆向电流的出现使得功率转换的效率极大地降低。
发明内容
按照本发明的一个方面，公开了一种改进的开关调节器，其中消除了上述问题。
按照本发明的一个方面，公开了一种电压升/降型开关调节器，其使用MOS晶体管来作为整流元件，并且以简单的电路构成而布置，以有效地防止逆向电流的出现。
根据本发明的一个方面，公开了一种电压升/降型开关调节器的逆向电流防止方法，所述电压升/降型开关调节器使用MOS晶体管来作为整流元件，并且以简单的电路构成而布置，以有效地防止逆向电流的出现
在解决或者减少上述问题的一个或多个的本发明的一个实施例内，公开了一种电压升/降型开关调节器，其使用电感器将来自输入端的输入电压通过电压升/降操作而改变为预定电压，并且从输出端输出结果产生的电压，所述电压升/降型开关调节器包括：电压降低开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；电压降低整流元件，其将所述电感器放电以执行电压降低操作；电压上升开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压上升操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；电压上升同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换，以执行电压上升操作，并且将所述电感器放电；控制电路部分，其使得所述电压降低开关元件切换以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件切换以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置到所述预定电压；以及逆向电流检测部分，用于检测从所述输出端流回到所述电压上升同步整流开关元件的逆向电流，其中，所述控制电路部分被布置使得在电压上升操作时所述电压降低开关元件被导通并且被设置在导电状态内，在电压降低操作时所述电压上升同步整流开关元件导通并且被设置在导电状态内，并且，如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件被截止并且被设置在截止状态内。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述电压降低开关元件是MOS晶体管，提供第一开关元件来建立在所述输入电压和所述MOS晶体管的衬底栅极之间的连接，并且所述控制电路部分被布置来如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则截止所述第一开关元件，并且将所述第一开关元件设置在截止状态内。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述第一开关元件是与所述电压降低开关元件的类型相同的类型的MOS晶体管。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述电压上升同步整流开关元件是MOS晶体管，并且所述逆向电流检测部分根据在所述MOS晶体管的两端之间的电压差而检测所述逆向电流。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述电压降低整流元件是二极管。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且所述控制部分被布置来使得所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件切换以执行电压降低操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压，并且，如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述电压降低同步整流开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，第二开关元件串联连接到所述电压降低同步整流开关元件，并且响应于被输入到控制电极的控制信号而切换，并且所述控制电路部分被布置为使得如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述第二开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述控制电路部分包括：误差放大器部分，其输出在与来自所述输出端的结果产生的电压成比例的比例电压和预定参考电压之间的电压差的放大信号；反相放大器部分，其输出来自所述误差放大器部分的输出信号的反相放大信号；以及输出控制电路部分，其使得所述电压降低开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述控制电路部分包括：误差放大器部分，其输出在与来自所述输出端的结果产生的电压成比例的比例电压和预定参考电压之间的电压差的放大信号；反相放大器部分，其输出来自所述误差放大器部分的输出信号的反相放大信号；以及输出控制电路部分，其使得所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述输出控制电路部分被布置为使得：当所述误差放大器部分的输出电压和所述反相放大器部分的输出电压彼此相等时，所述输出控制电路部分控制所述电压降低开关元件和所述电压上升开关元件的切换，以便将所述电压降低开关元件的占空比设置为100％并且将所述电压上升开关元件的占空比设置为0％。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述输出控制电路部分包括：三角波振荡器，其产生和输出预定的三角波信号；电压降低输出控制电路，其根据在所述三角波信号和来自所述误差放大器部分的输出信号之间的比较结果来控制所述电压降低开关元件的切换；电压上升输出控制电路，其根据在所述三角波信号和来自所述反相放大器部分的输出信号之间的比较结果来分别控制所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件的切换；其中，当所述误差放大器部分的输出电压和所述反相放大器部分的输出电压彼此相等时，每个放大器部分的输出电压超过所述三角波信号的上限电压。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得所述反相放大器部分包括移位电压产生电路，用于产生预定的移位电压，其被施加到被反相和放大的输出信号。
上述的电压升/降型开关调节器可以被配置为使得在单个IC上集成所述电压降低开关元件、所述电压降低整流元件、所述电压上升开关元件、所述电压上升同步整流元件、所述控制电路部分和所述逆向电流检测部分。
在解决或者减少上述问题的一个或多个的本发明的一个实施例内，公开了一种电压升/降型开关调节器的逆向电流防止方法，所述电压升/降型开关调节器使用电感器通过电压升/降操作而将来自输入端的输入电压改变为预定电压，并且从输出端输出结果产生的电压，所述电压升/降型开关调节器包括：电压降低开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；电压降低整流元件，其将所述电感器放电以执行电压降低操作；电压上升开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压上升操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；电压上升同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换，以执行电压上升操作，并且将所述电感器放电；其中，所述电压降低开关元件被切换以执行电压降低操作，并且所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件被切换以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置到所述预定电压，所述逆向电流防止方法包括：在电压上升操作时，导通所述电压降低开关元件以将所述电压降低开关元件设置在导电状态内；在电压降低操作时，导通所述电压上升同步整流开关元件，以将所述电压上升同步整流开关元件设置在导电状态内；检测从所述输出端流回到所述电压上升同步整流开关元件的逆向电流；以及如果检测到所述逆向电流，则截止所述电压降低开关元件，并且将所述电压降低开关元件设置在截止状态内。
上述的逆向电流防止方法可以被配置为使得所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，如果检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件分别被截止，并且被设置在截止状态内。
上述的逆向电流防止方法可以被配置为使得所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，第二开关元件串联连接到所述电压降低同步整流开关元件，并且响应于被输入到控制电极的控制信号而切换，并且，如果检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件和所述第二开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
上述的逆向电流防止方法可以被配置为使得所述电压降低开关元件是MOS晶体管，提供第一开关元件来在所述输入电压和所述MOS晶体管的衬底栅极之间建立连接，并且如果检测到所述逆向电流，则所述第一开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
上述的逆向电流防止方法可以被配置为使得所述电压上升同步整流开关元件是MOS晶体管，并且根据在所述MOS晶体管的两端之间的电压差来检测所述逆向电流。
按照本发明的实施例，可以提供一种电压升/降型开关调节器，其使用MOS晶体管来作为整流元件，并且被以简单的电流构成而布置，以有效地防止逆向电流的出现。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中，本发明的其他目的、特征和优点将变得清楚。
图1是示出在本发明的一个实施例内的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。
图2是用于说明图1的电压升/降型开关调节器的操作的时序图。
图3是示出在本发明的一个实施例内的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。
图4是示出在本发明的一个实施例内的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。
图5是示出传统的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。
图6是示出传统的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。
具体实施方式
将参见附图说明本发明的实施例。
图1是示出了在本发明的一个实施例内的电压升/降型开关调节器的构成的电路图。如图1内所示，所述电压升/降型开关调节器1通过电压升/降操作将从直流电源20向输入端Vdd提供的输入电压Vin改变为预定电压，并且将来自输出端Vout的结果产生的电压输出为输出电压Vo。
电压升/降型开关调节器1包括：电阻器R1、R2，其产生与输出电压Vo成比例的比例电压Vfb；电容器C1；参考电压产生电路2，其产生和输出预定的参考电压Vref；误差放大器，其包括运算放大器3、电阻器R3和电容器C2；以及，反相放大器，其包括运算放大器4、电阻器R4-R6、电容器C3和C4以及产生和输出预定移位电压Vs的电压产生电路5。
电压升/降型开关调节器1还包括：电压降低PWM比较器6；电压上升PWM比较器7；三角波振荡器8，其产生和输出预定的三角波电压VC；电压降低输出控制电路9；电压上升输出控制电路10；使用PMOS晶体管的电压降低开关晶体管M1；电压降低整流二极管D1；使用NMOS晶体管的电压上升开关晶体管M3；使用PMOS晶体管的电压上升同步整流晶体管M4；PMOS晶体管M5；电感器L1；输出电容器Co；比较器11；以及，PFM/PWM控制电路12。
二极管D2连接在电压降低开关晶体管M1的衬底栅极和漏极之间，并且这个二极管是寄生二极管，其是当在半导体衬底上形成电压降低开关晶体管M1时产生的。
除了电感器L1和输出电容器Co之外的电压升/降型开关调节器1的所有的电路元件被集成在单个IC(集成电路)上。这个IC具有：输入端Vdd，其形成电源端子；地端子Vss；输出端Vout；以及一组端子FBIN、BOLX和BULX。
电压降低开关晶体管M1对应于权利要求书中的电压降低开关元件。电压降低整流二极管D1对应于权利要求书中的电压降低整流元件。电压上升开关晶体管M3对应于权利要求书中的电压上升开关元件。电压上升同步整流晶体管M4对应于权利要求书中的电压上升同步整流开关元件。比较器11对应于权利要求书中的逆向电流检测部分。
电阻器R1-R6、电容器C1-C4、参考电压产生单元2、运算放大器3和4、移位电压产生电路5、电压降低PWM比较器6、电压上升PWM比较器7、三角波振荡器8、电压降低输出控制电路9、电压上升输出控制电路10和PFM/PWM控制电路12对应于权利要求书中的控制电路部分。
运算放大器3、电阻器R3和电容器C2对应于权利要求书中的误差放大器部分。所述运算放大器4、电阻器R4-R6、电容器C3、C4和移位电压产生电路5对应于权利要求书中的反相放大器部分。电压降低PWM比较器6、电压上升PWM比较器7、三角波振荡器8、电压降低输出控制电路9、电压上升输出控制电路10和PFM/PWM控制电路12对应于权利要求书中的输出控制电路部分。
在构成所述误差放大器的一部分的运算放大器3内，得自输出电压Vo的比例电压Vfb被输入到其反相输入端，并且参考电压Vref被输入到其同相输入端。
运算放大器3的输出端经由电阻器R4而连接到运算放大器4(其构成反相放大器的一部分)的反相输入端，并且运算放大器3的输出端连接到电压降低PWM比较器6的反相输入端。电阻器R3和电容器C2用于执行运算放大器3的相位补偿。
在运算放大器4内，移位电压Vs被输入到其同相输入端，并且电阻器R5和电阻器R6的串联电路连接在运算放大器4的输出端和反相输入端之间。分别地，电容器C3连接到电阻器R4，并且电容器C4与电阻器R5并联连接。这些电路元件用于执行运算放大器4的相位补偿。运算放大器4的输出端连接到电压上升PWM比较器7的反相输入端。
从三角波振荡器8输出的三角波电压VC被输入到电压降低PWM比较器6的同相输入端和电压上升PWM比较器7的同相输入端的每个。电压上升PWM比较器7的输出信号SE被输入到电压上升输出控制电路10，并且这个电压上升输出控制电路10分别控制电压上升开关晶体管M3和电压上升同步整流晶体管M4的导通/截止。
电压降低PWM比较器6的输出信号SD被输入到电压降低输出控制电路9，并且这个电压降低输出控制电路9控制电压降低开关晶体管M1的导通/截止。
在电压降低开关晶体管M1内，其源极连接到输入端Vdd，并且其漏极分别连接到电压降低整流二极管D1的阴极和端子BULX。
电压降低整流二极管D1的阳极连接到地端子Vss。PMOS晶体管M5连接在输入端Vdd和电压降低开关晶体管M1的衬底栅极之间，并且来自电压降低输出控制电路9的控制信号pof被输入到PMOS晶体管M5的栅极。
在电压上升开关晶体管M3内，分别地，其源极连接到地端子Vss，并且其漏极分别连接到电压上升同步整流晶体管M4的一端和端子BOLX。电压上升同步整流晶体管M4的另一端连接到输出端Vout。比较器11的每个输入端连接到电压上升同步整流晶体管M4的端子，比较器11检测对于从输出端Vout输出的输出电流的逆向电流，并且比较器11的输出端连接到电压降低输出控制电路9。
电感器L1的一端经由端子BOLX连接到在电压上升开关晶体管M3和电压上升同步整流晶体管M4之间的连接点，并且电感器L1的另一端经由端子BULX连接到在电压降低开关晶体管M1和电压降低整流二极管D1之间的连接点。
输出电容器Co连接在输出端Vout和地端子Vss之间。运算放大器3和4的输出电压VA和VB的每个以及来自三角波振荡器8的三角波电压VC分别被输入到PFM/PWM控制电路12。来自PFM/PWM控制电路12的输出信号分别被输入到电压降低输出控制电路9和电压上升输出控制电路10的每个。
图2是用于说明图1的电压升/降型开关调节器1的操作的时序图。如图2所示，运算放大器3放大和输出在比例电压Vfb和参考电压Vref之间的电压差。
运算放大器3的输出电压VA被输入到执行电压降低控制的电压降低PWM比较器6。执行相位补偿的电容器C2的电容可能较小，并且可以不过多牺牲(scarify)高频特性地执行相位补偿，并且可以实现具有高速响应的控制。
而且，运算放大器3的输出电压VA被反相放大器反相，并且输出电压VB被提供到电压上升PWM比较器7。构成所述反相放大器的运算放大器4用于电压上升控制。用于相位补偿的电容器的电容可以被提高，并且运算放大器4的高频特性相对于运算放大器3的高频特性降低。
三角波电压VC被分别输入到电压降低PWM比较器6和电压上升PWM比较器7的每个。对运算放大器3的输出电压VA和运算放大器4的输出电压VB进行PWM调制，以便每个输出电压的信号具有与其电压值成比例的脉冲宽度，由此产生控制电压降低开关晶体管M1和电压上升开关晶体管M3的控制脉冲信号。
如图2所示，如果运算放大器3的输出电压VA降低，则运算放大器4的输出电压VB升高。在图2的示例内假定，来自三角波振荡器8的三角波电压VC的下限电压被设置为VL，并且其上限电压被设置为VH。
当运算放大器3的输出电压VA大于上限电压VH并且运算放大器4的输出电压VB小于下限电压VL时，电压降低PWM比较器6的输出信号SD被设置到低电平，并且电压上升PWM比较器7的输出信号SE被设置到高电平。在这种状态中，电压降低开关晶体管M1被设置为100％导通。
而且，电压上升开关晶体管M3被设置为100％导通。在这种状态中，PWM控制被PFM/PWM控制电路12转换为PFM控制，并且在所述PFM控制下，电压上升开关晶体管M3以预定频率在相对较短时间内被截止，并且电压上升开关晶体管M3不被设置为100％导通。
运算放大器3的输出电压VA进一步降低。当输出电压VA大于三角波电压VC的上限电压VH并且运算放大器4的输出电压VB变成在三角波电压VC的下限电压VL和上限电压VH之间的中间电压时，电压降低PWM比较器6的输出信号SD被设置为低电平，并且电压降低开关晶体管M1被设置为100％导通。但是，电压上升PWM比较器7的输出信号SE被重复地设置到高电平或者低电平。因此而控制所述电压上升开关晶体管M3的导通/截止，以便执行电压上升操作。因此，输出大于输入电压Vin的输出电压Vo。
从图2中显然，当输出电压VB变高时，电压上升开关晶体管M3的占空比变小。如果运算放大器3的输出电压VA进一步降低，则运算放大器4的输出电压VB大于三角波电压VC的上限电压VH，以便运算放大器3的输出电压VA和运算放大器4的输出电压VB在图2所示的相交点彼此相交，并且处于相同的电压。
此时，电压降低PWM比较器6的输出信号SD和电压上升PWM比较器7的输出信号SE被设置到低电平，以便电压降低开关晶体管M1被设置为100％导通，并且电压上升开关晶体管M3被设置为100％截止。即，电压升/降型开关调节器1在非受控状态内，其中，输入电压Vin被从输出端Vout无改变地输入。
运算放大器3的输出电压VA进一步降低。当输出电压VA在三角波电压VC的上限电压VH和下限电压VL之间的中间电压时，电压降低PWM比较器6的输出信号SD被重复地设置到高电平或者低电平。电压上升PWM比较器7的输出信号SE被设置到低电平。在这种状态内，电压上升开关晶体管M3被设置为100％截止，并且电压降低开关晶体管M1的导通/截止被控制，以便输出低于输入电压Vin的输出电压Vo。从图2中显然，当输出电压VA变小时，电压降低开关晶体管M1的占空比变小。
运算放大器3的输出电压VA进一步降低。当输出电压VA小于三角波电压VC的下限电压VL时，电压降低PWM比较器6的输出信号SD被设置到高电平，并且电压降低开关晶体管M1被设置为100％截止。
在这个实施例内电压降低开关晶体管M1被设置为100％截止的状态内，PMW控制被PFM/PWM控制电路12转换到PFM控制，并且电压降低开关晶体管M1以预定频率在相对较短的时间内被导通。因为这个原因，电压降低开关晶体管M1不被设置为100％截止。
接着，将说明当出现电压上升操作和电压降低操作之间的转换时的运算放大器3的输出电压VA和运算放大器4的输出电压VB。
当电阻器R5和R6的组合电阻值等于反相放大器的电阻器R4的电阻时的运算放大器4的输出电压VB满足下面的公式：
VB＝2×Vs-VA    (1)
当出现在电压上升操作和电压降低操作之间的转换时，运算放大器3的输出电压VA等于运算放大器4的输出电压VB。如果将条件VB＝VA代入上述公式(1)，则满足条件VA＝VB＝Vs。这示出了移位电压Vs在电压上升操作和电压降低操作之间的转换时是特定的电压值。
在本实施例内，移位电压Vs被设置为等于或者略大于三角波电压VC的上限电压VH。因此，可以通过其中既不执行电压上升操作也不执行电压降低操作的非控制状态来在电压上升操作和电压降低操作之间切换操作模式，并且可以获得平滑的转换操作。
在上述的实施例内，运算放大器3的输出电压VA在开关调节器加电时开始从0V上升，并且总是存在其中执行电压降低操作的区域。电压降低开关晶体管M1的导通状态不持续得太长，并且不必提供软启动电路，以便防止大的涌流的出现。
另一方面，在电压上升操作时，在电压降低输出控制电路9内，电压降低开关晶体管M1的栅极和PMOS晶体管M5的栅极的每个被设置为低电平，并且电压降低开关晶体管M1和PMOS晶体管M5都被导通。因为PMOS晶体管M5被导通，因此电压降低开关晶体管M1的衬底栅极连接到电压降低开关晶体管M1的源极。电压上升输出控制电路10控制电压上升开关晶体管M3和电压上升同步整流晶体管M4的每个的栅极电压，以便电压上升开关晶体管M3和电压上升同步整流晶体管M4互补地导通和截止。
当电压升/降型开关调节器1工作在连续模式内时，电流以从端子BOLX到输出端Vout的方向流过电压上升同步整流晶体管M4。靠近端子BOLX的电压上升同步整流晶体管M4的一端的电压相对较高，并且靠近输出端Vout的电压上升同步整流晶体管M4的另一端的电压相对较低。因为这个原因，比较器11的输出端被设置到低电平。
如果电压升/降型开关调节器1工作在不连续模式内并且在电感器L1内积累的所有的能量被释放，则逆向电流以从输出端Vout到端子BOLX的反向方向流过电压上升同步整流晶体管M4。靠近输出端Vout的电压上升同步整流晶体管M4的一端的电压相对较高，并且靠近端子BOLX的电压上升同步整流晶体管M4的另一端的电压相对较低。因为这个原因，比较器11的输出端被设置到高电平。
当比较器11的输出端被设置到高电平时，在电压降低输出控制电路9内，电压降低开关晶体管M1的栅极和PMOS晶体管M5的栅极的每个分别被设置到高电平，并且电压降低开关晶体管M1和PMOS晶体管M5分别被截止，并且它们被设置在截止状态内。
结果，以相反方向从输出端Vout流向输入端Vdd的电流的路径处于截止状态内，并且可以防止逆向电流的出现。
在上述的实施例内，PMOS晶体管M5用于防止在电压降低开关晶体管M1的漏极和衬底栅极之间形成的、经由寄生二极管D2而流动的逆向电流的出现。如果在电路元件内引起逆向电流出现的寄生二极管D2被用在电压降低开关晶体管M1内，则不再需要使用PMOS晶体管M5。
可以想象另一种方法，其中，如果出现逆向电流并且比较器11的输出端被设置到高电平，则电压上升同步整流晶体管M4截止。但是，在这样的方法内，当在电压降低操作时出现逆向电流时，电压上升开关晶体管M3和电压降低开关晶体管M1都截止。如果电压上升同步整流晶体管M4在这样的状态内被截止，则比较器11的反相输入端被设置在浮置状态内。因为比较器11的输出端变得不稳定，因此难于有效地防止逆向电流的出现。
为了避免所述问题，必须在比较器11的输出端和电压降低输出控制电路9之间增加暂时存储电路。而且，必须在比较器11的输出端内存储第一次出现的高电平。
此外，需要用于对于电压升/降型开关调节器1的每个时钟周期将暂时存储电路的存储内容复位的电路。因为这个原因，将增加电路尺寸，并且这种方法是不适合的。
接着，本发明也适用于同步整流的电压升/降型开关调节器。在这种情况下，如图3内所示，可以使用包括NMOS晶体管的电压降低同步整流晶体管M2来取代图1的电压降低整流二极管D1。
在图3内，仅仅图解了在图1的构成和图3的构成之间的差别，并且省略与在图1内的对应元件相同的元件。
在图3的同步整流的电压升/降型开关调节器内，电压降低同步整流晶体管M2的漏极连接到电压降低开关晶体管M1的漏极，并且电压降低同步整流晶体管M2的源极连接到地端子Vss。电压降低同步整流晶体管M2的栅极连接到电压降低输出控制电路9。
按照来自电压降低输出控制电路9的控制信号来互补地控制电压降低同步整流晶体管M2和电压降低开关晶体管M1的每个的导通/截止。
如果逆向电流出现并且比较器11的输出端被设置到高电平，则电压降低输出控制电路9分别截止电压降低同步整流晶体管M2、电压降低开关晶体管M1和PMOS晶体管M5的每个，以便它们被设置在截止状态内。
因此，逆向电流不流入地端子Vss，并且不流入输入端Vdd，并且可以防止逆向电流的出现。
在图3的构成内，如果检测到逆向电流，则电压降低同步整流晶体管M2被截止。或者，NMOS晶体管M6可以串联到电压降低同步整流晶体管M2。在这样的替代实施例内，如果检测到逆向电流，则NMOS晶体管M6可以被截止，并且被设置在截止状态内。将参见图4说明在这样的替代实施例内的构成。
在图4内，NMOS晶体管M6连接在电压降低同步整流晶体管M2的源极和地端子Vss之间，并且来自电压降低输出控制电路9的控制信号nof被输入到NMOS晶体管M6的栅极。
NMOS晶体管M6通常导通，以便它被设置在导电状态内。如果出现逆向电流并且比较器11的输出端被设置到高电平，则电压降低输出控制电路9分别截止NMOS晶体管M6、电压降低开关晶体管M1和PMOS晶体管M5，以便它们被设置在截止状态内。
因为这个原因，逆向电流不流入地端子Vss内，并且不流入输入端Vdd内，并且可以防止逆向电流的出现。
在前述实施例的电压升/降型开关调节器内，使用比较器11来比较在电压上升同步整流晶体管M4的一端的电压和在其另一端的电压，并且检测流过电压上升同步整流晶体管M4的电流的方向以便检测是否出现逆向电流。如果检测到出现逆向电流，则电压降低开关晶体管M1和PMOS晶体管M5被分别截止。因此，可以提供一种电压升/降型开关调节器，其使用MOS晶体管来作为整流元件，并且被以简单的电路构成而布置，以有效防止逆向电流的出现。
本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行改变和修改。
对相关申请的交叉引用
本发明基于并且要求于2007年1月22日提交的日本专利申请第2007-011074号的优先权的权益，其内容通过引用被整体包含在此。

Claims (18)

1.一种电压升/降型开关调节器，其使用电感器将来自输入端的输入电压通过电压升/降操作而改变为预定电压，并且从输出端输出结果产生的电压，所述电压升/降型开关调节器包括：
电压降低开关元件，其响应于控制电路部分的控制信号而切换以执行电压降低操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；
电压降低整流元件，其将所述电感器放电以执行电压降低操作；
电压上升开关元件，其响应于控制电路部分的控制信号而切换以执行电压上升操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；
电压上升同步整流开关元件，其响应于控制电路部分的控制信号而切换，以执行电压上升操作，并且将所述电感器放电；
控制电路部分，其使得所述电压降低开关元件切换以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件切换以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置到所述预定电压；以及
逆向电流检测部分，用于检测从所述输出端流回到所述电压上升同步整流开关元件的逆向电流，
其中，所述控制电路部分被布置为使得在电压上升操作时所述电压降低开关元件被导通并且被设置在导电状态内，在电压降低操作时所述电压上升同步整流开关元件导通并且被设置在导电状态内，并且，如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件被截止并且被设置在截止状态内。
2.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述电压降低开关元件是MOS晶体管，提供第一开关元件来建立在所述输入电压和所述MOS晶体管的衬底栅极之间的连接，并且所述控制电路部分被布置来如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则截止所述第一开关元件，并且将所述第一开关元件设置在截止状态内。
3.按照权利要求2所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述第一开关元件是与所述电压降低开关元件的类型相同的类型的MOS晶体管。
4.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述电压上升同步整流开关元件是MOS晶体管，并且所述逆向电流检测部分根据在所述MOS晶体管的两端之间的电压差而检测所述逆向电流。
5.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述电压降低整流元件是二极管。
6.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且所述控制电路部分被布置来使得所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件切换以执行电压降低操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压，并且，如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述电压降低同步整流开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
7.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，第二开关元件串联连接到所述电压降低同步整流开关元件，并且响应于被输入到控制电极的控制信号而切换，并且所述控制电路部分被布置为使得如果所述逆向电流检测部分检测到所述逆向电流，则所述第二开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
8.按照权利要求5所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述控制电路部分包括：
误差放大器部分，其输出在与来自所述输出端的结果产生的电压成比例的比例电压和预定参考电压之间的电压差的放大信号；
反相放大器部分，其输出来自所述误差放大器部分的输出信号的反相放大信号；以及
输出控制电路部分，其与反相放大器部分连接，使得所述电压降低开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压。
9.按照权利要求6所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述控制电路部分包括：
误差放大器部分，其输出在与来自所述输出端的结果产生的电压成比例的比例电压和预定参考电压之间的电压差的放大信号；
反相放大器部分，其输出来自所述误差放大器部分的输出信号的反相放大信号；以及
输出控制电路部分，其与反相放大器部分连接，使得所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压降低操作，并且使得所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件响应于来自所述误差放大器部分的输出信号而切换，以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置为所述预定电压。
10.按照权利要求8所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述输出控制电路部分被布置为使得：当所述误差放大器部分的输出电压和所述反相放大器部分的输出电压彼此相等时，所述输出控制电路部分控制所述电压降低开关元件和所述电压上升开关元件的切换，以便将所述电压降低开关元件的占空比设置为100％并且将所述电压上升开关元件的占空比设置为0％。
11.按照权利要求10所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述输出控制电路部分包括：
三角波振荡器，其产生和输出预定的三角波信号；
电压降低输出控制电路，其根据在所述三角波信号和来自所述误差放大器部分的输出信号之间的比较结果来控制所述电压降低开关元件的切换；
电压上升输出控制电路，其根据在所述三角波信号和来自所述反相放大器部分的输出信号之间的比较结果来分别控制所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件的切换；
其中，当所述误差放大器部分的输出电压和所述反相放大器部分的输出电压彼此相等时，每个放大器部分的输出电压超过所述三角波信号的上限电压。
12.按照权利要求8所述的电压升/降型开关调节器，其中，所述反相放大器部分包括移位电压产生电路，用于产生预定的移位电压，其被施加到所述反相放大器部分的运算放大器的非反相输入端。
13.按照权利要求1所述的电压升/降型开关调节器，其中，在单个IC上集成所述电压降低开关元件、所述电压降低整流元件、所述电压上升开关元件、所述电压上升同步整流开关元件、所述控制电路部分和所述逆向电流检测部分。
14.一种电压升/降型开关调节器的逆向电流防止方法，所述电压升/降型开关调节器使用电感器通过电压升/降操作而将来自输入端的输入电压改变为预定电压，并且从输出端输出结果产生的电压，所述电压升/降型开关调节器包括：
电压降低开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；
电压降低整流元件，其将所述电感器放电以执行电压降低操作；
电压上升开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压上升操作，并且通过所述输入电压来对所述电感器充电；
电压上升同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换，以执行电压上升操作，并且将所述电感器放电；
其中，所述电压降低开关元件被切换以执行电压降低操作，并且所述电压上升开关元件和所述电压上升同步整流开关元件被切换以执行电压上升操作，以便将来自所述输出端的结果产生的电压设置到所述预定电压，所述逆向电流防止方法包括：
在电压上升操作时，导通所述电压降低开关元件以将所述电压降低开关元件设置在导电状态内；
在电压降低操作时，导通所述电压上升同步整流开关元件，以将所述电压上升同步整流开关元件设置在导电状态内；
检测从所述输出端流回到所述电压上升同步整流开关元件的逆向电流；以及
如果检测到所述逆向电流，则截止所述电压降低开关元件，并且将所述电压降低开关元件设置在截止状态内。
15.按照权利要求14所述的逆向电流防止方法，其中，所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，如果检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件和所述电压降低同步整流开关元件分别被截止，并且被设置在截止状态内。
16.按照权利要求14所述的逆向电流防止方法，其中，所述电压降低整流元件是电压降低同步整流开关元件，其响应于控制信号而切换以执行电压降低操作，并且将所述电感器放电，并且，第二开关元件串联连接到所述电压降低同步整流开关元件，并且响应于被输入到控制电极的控制信号而切换，并且，如果检测到所述逆向电流，则所述电压降低开关元件和所述第二开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
17.按照权利要求14所述的逆向电流防止方法，其中，所述电压降低开关元件是MOS晶体管，提供第一开关元件来在所述输入电压和所述MOS晶体管的衬底栅极之间建立连接，并且如果检测到所述逆向电流，则所述第一开关元件被截止，并且被设置在截止状态内。
18.按照权利要求14所述的逆向电流防止方法，其中，所述电压上升同步整流开关元件是MOS晶体管，并且根据在所述MOS晶体管的两端之间的电压差来检测所述逆向电流。
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