CN101610033A - Dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题是，在具有PWM控制方式和PFM控制方式、轻负荷时用PFM控制方式生成驱动脉冲那样的DC－DC变换器中，提供能够避免在从PFM控制向PWM控制切换时输出电压大幅急剧下降的控制技术。提供一种DC－DC变换器，其用PWM控制脉冲或者PFM控制脉冲驱动使电流流过电感器(L1)的驱动用开关元件(SW1)，变换从直流电源供给的直流输入电压，输出不同电位的直流电压，同时，在负荷比规定值大的场合进行PWM控制，在负荷比规定值小的场合进行PFM控制，其特征在于，至少在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时将所述PWM控制脉冲的宽度限制成不小于规定的脉冲宽度。

Description

DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及变换直流电压的开关·调节器方式的DC-DC变换器，涉及例如在具有PWM(脉冲宽度调制)控制方式和PFM(脉冲频率调制)控制方式的，流过负荷的电流减小的场合进行PFM驱动的DC-DC变换器中应用而有效的技术。
背景技术
作为变换输入直流电压输出不同的电位的直流电压的电路，有开关·调节器方式的DC-DC变换器。在这样的DC-DC变换器中，有下述那样的DC-DC变换器，它具有：向电感器(线圈)施加从电池等直流电源供给的直流电压、使流过电流、让线圈积蓄能量的驱动用开关元件；在该驱动用开关元件被关断的能量释放期间整流线圈的电流的整流元件；和导通、关断控制上述驱动用开关元件的控制电路。
在这样的开关·调节器方式的DC-DC变换器中，一般进行下述的控制，亦即，用误差放大器检测输出电压，向PWM(脉冲宽度调制)比较器或者PFM(脉冲频率调制)比较器反馈，当输出电压下降时使开关元件的导通时间延长，当输出电压升高时使开关元件的导通时间缩短。
进而，在PWM控制中，使驱动脉冲的周期(频率)一定，根据负荷变化脉冲宽度，而在负荷变得非常轻的场合，也输出由电路的特性决定的最小脉冲宽度的脉冲。另外，在负荷的变动幅度非常大的场合，有时会出现即使用最小脉冲宽度的脉冲驱动输出电流也过大的情况。因此，也有如下这样的DC-DC变换器，其中设置PWM比较器和PFM比较器，通常进行PWM控制，在流过负荷的电流减小的场合即在轻负荷时，向用脉冲宽度一定的固定脉冲驱动的、根据负荷变化周期的PFM控制转移。作为关于这样的DC/DC变换器的发明，例如有在专利文献1或者专利文献2中记载的DC/DC变换器。
【专利文献1】特开2006-149067号公报
【专利文献2】特开2003-219637号公报
在便携电话机这样的便携电子设备中，在把上述那样的切换进行PWM控制和PFM控制的DC-DC变换器作为电源装置应用的场合，在折叠本体部和显示部的待机状态下因为消费电力非常少所以用PFM控制进行动作。在从该状态打开显示部的场合，虽然通过显示部的点亮等消费电力会多少增加但是消费电力不会急剧增大。但是，继续进行操作消费电力增加的可能性很高。因此，作为设备，为做到能够迅速应对那样的操作，希望把电源装置预先从PFM控制方式转移到PWM方式。
但是，在PFM控制中，因为脉冲的周期比PWM控制长而脉冲的宽度比PWM控制宽，所以检测输出电压的误差放大器的输出变动大。因此，可知，在从上述那样的PFM控制进行向PWM的切换的场合，有由于切换的定时使输出电压大幅急剧下降的可能性。
具体说，例如如图4所示，当输出PFM控制中的驱动脉冲后在较早的定时t1从PFM进行向PWM的切换时，因为误差放大器的输出Verror未充分上升，所以在向PWM比较器输入的波形信号(三角波)RAMP到达误差放大器的输出电平或者与输出交叉的定时，在使PWM控制脉冲下降的控制中，有时PWM脉冲变得比PFM控制脉冲窄许多。因此，不能向输出侧的平滑电容器供给充分的电荷，如图4中符号A所示，输出电压Vout大幅急剧下降，输出电压Vout的变动增大。
发明内容
本发明是着眼于上述那样的课题而形成的，其目的在于，提供能够避免在具有PWM控制方式和PFM控制方式的，轻负荷时用PFM控制方式生成驱动脉冲那样的DC-DC变换器中，在从PFM控制向PWM控制切换时输出电压大幅急剧下降的控制技术。
为实现上述目的，本发明提供一种DC-DC变换器，其用于用PWM控制脉冲或者PFM控制脉冲驱动使电流流过电感器(线圈)的驱动用开关元件，变换从直流电源供给的直流输入电压来输出不同电位的直流电压，并且在负荷比规定值大的场合进行PWM控制、在负荷比规定值小的场合进行PFM控制，其中，设置至少在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时，限制为所述PWM控制脉冲不小于规定的脉冲宽度的脉冲宽度限制单元。
更具体说，提供一种DC-DC变换器，
具有：电压变换用的电感器；
向所述电感器施加从直流电源供给的直流输入电压，使电流流过，让电感器积蓄能量的驱动用开关元件；
在关断该驱动用开关元件的能量释放期间整流电感器的电流的整流元件；以及
开关控制电路，其具有输出与输出电压对应的电压的误差放大器、和比较该误差放大器的输出和规定的参照电压的PWM比较器以及PFM比较器，根据所述PWM比较器以及PFM比较器的输出，进行所述驱动用开关元件的导通时间控制，
在负荷比规定值大的场合，根据所述PWM比较器的输出进行PWM控制，在负荷比规定值小的场合，根据所述PFM比较器的输出进行PFM控制，
其中，所述开关控制电路，具有至少在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时箝位所述误差放大器的输出的箝位电路。
根据具有上述那样的结构的DC-DC变换器，能够避免在从PFM控制向PWM控制切换时PWM控制脉冲变窄，而输出电压大幅急剧下降导致输出电压的变动变大。
这里，理想的是，具有选择地传递所述PWM比较器的输出或者所述PFM比较器的输出的一方的切换电路，构成为通过切换该切换电路的控制信号，来控制所述箝位电路的动作。
由此，可以不需要用于生成控制箝位电路的动作的控制信号的电路或者用于从外部输入那样的控制信号的外部端子。
所述箝位电路，具有在所述误差放大器的输出端子和电源电压端子之间连接的晶体管、和把所述误差放大器的输出电压和规定的参照电压作为输入的差动放大电路，通过所述差动放大电路的输出控制所述晶体管，把所述误差放大器的输出箝位到规定的电位。由此，通过切断差动放大电路的动作电流，能够容易地停止箝位电路的动作。另外，通过停止箝位电路的动作，能够减低消费电力。
根据本发明，在具有PWM控制方式和PFM控制方式、在轻负荷时用PFM控制方式生成驱动脉冲那样的DC-DC变换器中，有能够避免在从PFM控制向PWM控制切换时输出电压大幅急剧下降这样的效果。
附图说明
图1是表示应用本发明的DC-DC变换器的实施方式的电路结构图。
图2(A)是表示箝位电路的具体例的电路结构图，图2(B)是表示波形生成电路的具体例的电路结构图。
图3是表示实施方式的DC-DC变换器中的各部的信号或者电位的变化情况的时间图。
图4是表示在本发明之前研究的不设箝位电路的DC-DC变换器中的各部的信号或者电位的变化情况的时间图。
符号说明
20开关控制电路
21误差放大器
22PWM比较器
23PFM比较器
24波形生成电路
25切换开关
26时钟生成电路
27逻辑电路
28a、28b驱动器
29箝位电路
FF1触发器
L1线圈(电感器)
C1平滑电容
SW1线圈驱动用晶体管(驱动用开关元件)
SW2同步整流用晶体管(整流用开关元件)
具体实施方式
下面根据附图说明本发明的适合的实施方式。
图1表示应用本发明的开关·调节器方式的DC-DC变换器的一个实施方式。
该实施方式的DC-DC变换器，具有：作为电感器的线圈L1；由在施加直流输入电压Vin的电压输入端子IN和上述线圈L1的一方的端子之间连接的，使电流流过线圈L1的P沟道MOSFET(绝缘栅型场效应晶体管)形成的作为开关元件的驱动用晶体管SW1；由N沟道MOSFET形成的整流用晶体管SW2；导通、关断控制这些开关晶体管的SW1、SW2的开关控制电路20；在上述线圈L1的另一个端子和接地点之间连接的平滑用电容器C1。
不特别限定，不过在构成DC-DC变换器的元件中，线圈L1以及平滑用电容器C1以外的元件被形成在半导体芯片上，控制电路20以及开关晶体管的SW1、SW2被构成为半导体集成电路(IC)，线圈L1以及电容器C1作为外附元件被连接到该IC上设置的外部端子上。
在该实施方式的DC-DC变换器中，通过开关控制电路20生成使晶体管SW1和SW2互补地导通、关断那样的驱动脉冲，在稳定状态下，当使驱动用晶体管SW1导通时给线圈L1施加直流输入电压Vin，流过朝向输出端子的电流，给平滑用电容器C1充电，当使驱动用晶体管SW1关断时代之为使整流用晶体管SW2导通，通过该导通的晶体管SW2电流流过线圈L1。并且，通过根据输出电压和驱动用晶体管SW1的电流控制输入SW1的控制端子(栅极端子)的驱动脉冲的脉冲宽度，发生把直流输入电压Vin降压后的直流输出电压Vout。
开关控制电路20，具有：在电压反馈端子FB和接地点之间串联的，以电阻比分压输出电压的分压器电阻R1、R2；比较用该分压器电阻R1、R2分压的电压和参照电压Vref1来输出与电位差对应的电压的误差放大器21；在反相输入端子上输入该误差放大器21的输出的PWM比较器22以及PFM比较器23；和生成锯齿状的波形信号RAMP的波形生成电路24。
另外，开关控制电路20具有：选择PWM比较器22或者PFM比较器23的输出的切换开关25；具有振荡电路、生成并输出1MHz那样的频率的时钟脉冲
Figure G2009101493791D00051
的时钟生成电路26；通过该时钟脉冲
Figure G2009101493791D00052
进行置位动作的RS触发器FF1；生成用于根据该触发器FF1的输出导通、关断控制上述开关晶体管SW1、SW2的信号的逻辑电路27；和生成根据逻辑电路27的输出导通、关断驱动开关晶体管SW1、SW2的信号的驱动器28a、28b。
在该实施方式中，被构成为在RS触发器FF1上输入通过上述切换开关25选择的PWM比较器22或者PFM比较器23的输出。
在上述PWM比较器22的非反相输入端子上，输入用波形生成电路24生成的锯齿状的波形信号RAMP，当波形信号RAMP达到误差放大器21的输出电平时PWM比较器22的输出Ppwm变化为高电平。另外，在PFM比较器23的非反相输入端子上，施加参照电压Vref2，当误差放大器21的输出Verror变得比该参照电压Vref2高时，PFM比较器23的输出变化为高电平。也可以构成为：在PFM比较器23的输出部上，设置当误差放大器21的输出Verror变得比该参照电压Vref2高时输出规定脉冲宽度的PFM脉冲Ppfm的单触发脉冲生成电路。
上述切换开关25通过从外部输入的切换控制信号CNT进行切换，在PWM控制方式下PWM比较器22的输出Ppwm通过切换开关25供给RS触发器FF1并将其复位。另外，在PFM控制方式下PFM比较器23的输出Ppfm通过切换开关25供给RS触发器FF1。此时，触发器FF1使Ppfm通过，原样不变向逻辑电路27传递。或者，也可以构成为：代替切换开关25，设置向触发器FF1传递Ppwm的门和向逻辑电路27传递Ppfm的门，互补地亦即在一方进行传递时另一方为切断地控制这些传递门。
上述逻辑电路27，生成互补地使开关晶体管SW1、SW2导通的驱动信号S1、S2，并且，为防止SW1和SW2同时成为导通装置流过贯通电流，具有不使SW1的驱动信号S1的低电平期间和SW2的驱动信号S2的高电平期间重合那样生成S1、S2的功能。
在本实施方式的开关控制电路20中，为了误差放大器21的输出不过分地降低，设置将其箝位到比PFM比较器23的阈值(Vref2)低ΔV的电压的箝位电路29，，给该箝位电路29供给上述切换控制信号CNT，仅在PFM控制方式期间箝位误差放大器21的输出。通过误差放大器21和PWM比较器22和箝位电路29，构成限制为生成的PWM脉冲不成为规定的脉冲宽度以下的脉冲宽度限制单元。
具体说，箝位电路29，如图2(A)所示，由在误差放大器21的输出端子和施加了电源电压Vdd的端子之间连接的P沟道MOS晶体管Q1、和把误差放大器21的输出和参照电压Vref3作为输入的差动放大电路AMP构成。
由此，当误差放大器21的输出变得比参照电压Vref3低时差动放大电路AMP的输出变化为低电平，使P沟道MOS晶体管Q1导通，为了使误差放大器21的输出与参照电压Vref3一致向差动放大电路AMP的输入施加反馈，把误差放大器21的输出箝位到Vref3。控制信号CNT，作为使比较器CMP内的定电流源导通、关断的信号供给。参照电压Vref3，被设定为比作为PFM比较器23的阈值的Vref2低的电位。该Vref3可以在内部生成，也可以从外部供给。
波形生成电路24，例如如图2(B)所示，由定电流源CS、通过该定电流源CS的电流充电的电容器C2、充放电用的开关、锁存时钟
Figure G2009101493791D00071
来生成充电用开关的控制信号的触发器FF2等组成，通过来自时钟生成电路26的时钟使FF2置位，用其输出Q的变化电容器C2开始充电。然后，波形信号RAMP开始慢慢上升，当其电平达到误差放大器21的输出时，PWM比较器22的输出Ppwm变化，电容器C2被放电，波形信号RAMP陡然下降。由此，波形信号RAMP成为齿高随误差放大器21的输出变化的锯齿状的波形信号。
图3表示本实施方式的DC-DC变换器的动作定时。在图3中，t1是从PFM控制向PWM控制的切换定时，T1表示基于PFM控制方式的驱动期间，T2表示基于PWM控制方式的驱动期间。图3(A)表示切换PFM控制和PWM控制的切换控制信号CNT，图3(B)表示PFM比较器23的输出Ppfm，图3(C)表示DC-DC变换器的输出电压Vout，图3(D)表示误差放大器21的输出Verror以及从波形生成电路24输出的波形信号RAMP，图3(E)表示PWM比较器22的输出Ppwm的变化。
在本实施方式的DC-DC变换器中，如图3(D)所示，因为在PFM控制方式期间(T1)，误差放大器21的输出Verror被箝位在比Vref2低ΔV的Vref3，所以当与表示不设置箝位电路29的DC-DC变换器的动作定时的图4比较时，可知，尖峰点随误差放大器21的输出Verror变化的波形信号RAMP的尖峰比图4高。由此，如图3(E)所示，PWM比较器22的输出Ppwm的脉冲宽度比图4的宽，供给输出侧的平滑电容器C1的电荷增多，如图3(C)所示，输出电压Vout的急剧下降比图4小，输出电压Vout的变动变小。
以上根据实施方式具体说明了由本发明人做出的发明，但是本发明不限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，作为箝位电路示出了通过比较器CMP和MOSFET Q1构成的箝位电路，但是也可以使用利用二极管的箝位电路。另外，在上述实施方式中，通过PWM和PFM的切换控制信号控制箝位电路29，但是也可以通过与CNT不同的另外的控制信号进行控制。在那样的场合，也能够把箝位电路有效作用的期间仅限制在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时的规定的期间。
进而，在上述实施方式中，作为生成供给PWM比较器22的波形信号的波形生成电路24，表示了生成尖峰点随误差放大器21的输出Verror变化的锯齿状的波形信号RAMP的电路，但是也可以是生成峰值一定(振幅一定)的锯齿波或者三角波的电路。另外，作为开关元件SW1、SW2，使用在与控制电路同一半导体芯片上形成的芯片元件，但是也可以使用外附元件。
另外，在上述实施方式中，表示出了与驱动用晶体管SW1串联整流用晶体管SW2，使与SW1互补地导通、关断的同步整流型的DC-DC变换器，但是代替整流用晶体管SW2也可以应用使用二极管的二极管整流型的DC-DC变换器。
在以上的说明中，说明了将本发明应用在了降压型的DC-DC变换器中的例子，但是本发明不限于此，也可以在升压型的DC-DC变换器或者发生负压的反相型的DC-DC变换器中应用。

Claims (5)

1.一种DC-DC变换器，其用于用PWM控制脉冲或者PFM控制脉冲驱动使电流流过电感器的驱动用开关元件，变换从直流电源供给的直流输入电压来输出不同电位的直流电压，并且在负荷比规定值大的场合进行PWM控制，在负荷比规定值小的场合进行PFM控制，其特征在于，
具有脉冲宽度限制单元，该脉冲宽度限制单元，至少在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时将所述PWM控制脉冲的宽度限制成不小于规定的脉冲宽度。
2.一种DC-DC变换器，具有：
电压变换用的电感器；
驱动用开关元件，其向所述电感器施加从直流电源供给的直流输入电压，使电流流过，让电感器积蓄能量；
整流元件，其在关断了该驱动用开关元件的能量释放期间对电感器的电流进行整流；
开关控制电路，其具有输出与输出电压对应的电压的误差放大器、和比较该误差放大器的输出和规定的参照电压的PWM比较器以及PFM比较器，根据所述PWM比较器以及PFM比较器的输出，进行所述驱动用开关元件的导通时间控制，
在负荷比规定值大的场合，根据所述PWM比较器的输出进行PWM控制，在负荷比规定值小的场合，根据所述PFM比较器的输出进行PFM控制，其特征在于，
所述开关控制电路具有箝位电路，该箝位电路至少在从所述PFM控制向所述PWM控制切换时对所述误差放大器的输出进行箝位。
3.根据权利要求2所述的DC-DC变换器，其特征在于，
具有选择地传递所述PWM比较器的输出或者所述PFM比较器的输出的一方的切换电路，通过切换该切换电路的控制信号控制所述箝位电路的动作。
4.根据权利要求3所述的DC-DC变换器，其特征在于，
所述箝位电路，具有在所述误差放大器的输出端子和电源电压端子之间连接的晶体管、和把所述误差放大器的输出电压和规定的参照电压作为输入的差动放大电路，通过所述差动放大电路的输出控制所述晶体管来把所述误差放大器的输出箝位到规定的电位。
5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，
所述差动放大电路可通过所述控制信号切断动作电流。
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