CN101753021A - 开关控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关控制电路，该开关控制电路具备：N沟道MOSFET，于输入电极施加输入电压，而输出电极连接于一端与第1电容连接的电感的另一端及整流元件的一端；自举电路，用以使一端与N沟道MOSFET的输出电极连接的第2电容产生为使N沟道MOSFET导通时所需的自举电压；驱动电路，接受与自举电压对应的驱动电压的施加，且使N沟道MOSFET导通与断开以使第1电容产生目的电平的输出电压；及钳位电路，用以将驱动电压钳位于既定电平以下。本发明具有施加输入电压的端子与施加自举电压的端子短路时的保护功能。

Description

开关控制电路
技术领域
本发明涉及一种开关控制电路(switching control circuit)。
背景技术
在各种电子机器中使用DC-DC转换器(converter)，用以从输入电压产生目的电平的输出电压。图2为显示降压型的DC-DC转换器的一般构成图。DC-DC转换器100由以下所构成：N沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)110、肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)111、112、电感(inductor)113、电容(capacitor)114、115、电阻116、117、控制电路118、电平移位(level shift)电路119及反向器(inverter)120。
经由端子IN将输入电压VIN施加于N沟道MOSFET 110的漏极，且使N沟道MOSFET 110成为导通(ON)，借此将输入电压VIN施加于电感113，且将电容114充电而使输出电压VOUT上升。之后，若N沟道MOSFET 110断开(OFF)，则通过蓄积于电感113的能量，使电流流通于由肖特基二极管111、电感113、电容114所构成的回路(loop)，而电容114即放电而使输出电压VOUT下降。再者，在DC-DC转换器100中，由控制电路118将N沟道MOSFET110导通/断开以使在电阻116、117将输出电压VOUT分压所获得的反馈电压VFB成为既定电平，借此进行控制使输出电压VOUT成为目的电平。
此外，在DC-DC转换器100中，使用导通电阻较P沟道MOSFET小，且损失较少的N沟道MOSFET 110作为用以将输入电压VIN施加于电感113的晶体管。如此，使用N沟道MOSFET110的情形下，若N沟道MOSFET 110导通，则N沟道MOSFET 110的源极的电压就会接近输入电压VIN。因此，为了使N沟道MOSFET 110持续导通，需对N沟道MOSFET 110的栅极施加较输入电压VIN高出相当于N沟道MOSFET 110的阈值(threshold，也称作临限值)电压VTH的电压。再者，为了要使N沟道MOSFET110成为导通电阻极小的状态，需对N沟道MOSFET 110的栅极施加较输入电压VIN高出例如5V左右的电压。
因此，为了使N沟道MOSFET 110导通，一般采用使用自举(bootstrap)电压的方法(例如专利文献1)。在DC-DC转换器100中，将施加于端子REG的电压VREG，经由肖特基二极管112及端子BC而施加于电容115，借此而产生自举电压VBT。在此，兹假设电压VREG为5V、肖特基二极管111、112的顺向电压为0.3V，N沟道MOSFET 110为断开，而电流流通于由肖特基二极管111、电感113、电容114所构成的回路。此时，端子SW的电压VSW成为-0.3V、端子BC的电压VBC成为4.7V，电容115的两端的自举电压VBT成为5V。因此，N沟道MOSFET 110导通，而电压VSW成为VIN时，电压VBC＝VIN+VBT。再者，电平移位电路119以电压VBC为基准进行从控制电路118输出的控制信号的电平移位，由反向器120将自举电压VBT设为驱动电压，借此即可使N沟道MOSFET 110持续导通。
专利文献1：日本特开2008-141832号公报。
发明内容
在此种DC-DC转换器100中，会有因为尘埃的附着等，而使端子IN与端子BC短路的情形。在此，兹假设自举电压VBT在5V状态下端子IN与端子BC短路的情形。若N沟道MOSFET 110导通，则端子SW的电流即从端子IN经由N沟道MOSFET 110流通于端子SW。例如，若设输入电压VIN为15V、流通于N沟道MOSFET 110的电流为1A、N沟道MOSFET 110的导通电阻为0.2Ω，则端子SW的电压VSW即成为14.8V。此时，由于端子IN与端子B C短路，因此形成从电容115至N沟道MOSFET 110的电流路径，且电容115持续放电。
再者，若电容115放电，则自举电压VBT降低，而N沟道MOSFET 110断开。即使N沟道MOSFET 110断开，电流也持续流通于电感113，因此端子SW的电压VSW成为-0.3V。另一方面，由于端子IN与端子BC短路，因此端子BC的电压VBC成为15V。因此，端子BC与端子SW之间的电压成为15.3V。因此，若对于反向器120也施加15.3V的电压，例如若设反向器120的耐压为7V，则会成为超过反向器120的耐压的状态。此外，假使从反向器120施加于N沟道MOSFET 110的栅极的电压成为15V左右，也会有超过N沟道MOSFET 110的栅极-源极间的耐压的情形。
本发明有鉴于上述课题而研创者，其目的在提供一种开关控制电路，其具有施加输入电压的端子与施加自举电压的端子短路时的保护功能。
为了达成上述目的，本发明的一形态的开关控制电路具备：N沟道MOSFET，于输入电极施加输入电压，而输出电极连接于一端与第1电容连接的电感的另一端及整流元件的一端；自举电路，用以使一端与所述N沟道MOSFET的所述输出电极连接的第2电容产生使所述N沟道MOSFET导通时所需的自举电压；驱动电路，接受与所述自举电压对应的驱动电压的施加，且使所述N沟道MOSFET导通/断开(on-off)以使所述第1电容产生目的电平的输出电压；及钳位(clamp)电路，用以将所述驱动电压钳位于既定电平以下。
依据本发明，可提供一种开关控制电路，其具有施加输入电压的端子与施加自举电压的端子短路时的保护功能。
附图说明
图1为显示本发明的一实施形态的包含开关控制电路的降压型DC-DC转换器的构成例图。
图2为显示降压型DC-DC转换器的一般构成图。
具体实施方式
图1为显示本发明的一实施形态的包含开关控制电路的降压型DC-DC转换器(DC-DC converter)的构成例图。DC-DC转换器10由以下所构成：开关控制电路20、肖特基二极管22、电感24、电容26、28、电阻30、32。再者，开关控制电路20由以下所构成：N沟道MO SFET 40、肖特基二极管42、控制电路44、电平移位电路46、反向器48、电阻50及齐纳二极管(zenerdiode)52。
开关控制电路20为具备端子REG、端子IN、端子BC、端子SW、端子FB的集成电路。再者，在开关控制电路20中，控制N沟道MOSFET 40的导通/断开以使施加于端子FB的电压VFB成为既定电平，借此而产生目的电平的输出电压VOUT。
N沟道MOSFET 40经由端子IN将输入电压VIN施加于漏极(输入电极)，且源极(输出电极)与端子SW连接，而于栅极输入有反向器(inverter，也称为换流器)48的输出信号。因此，若反向器48的输出信号的电压电平与端子SW的电压VSW的电位差较N沟道MOSFET 40的阈值电压VTH为大，则N沟道MOSFET 40导通，而使电流从端子IN经由N沟道MOSFET 40流通于端子SW。
肖特基二极管(整流元件)22的阳极接地，而阴极连接于端子SW。电感24一端连接于端子SW，而另一端与电容(第1电容)26的一端连接。此外，电容26的另一端接地，而充电于电容26的电压成为输出电压VOUT。因此，若N沟道MOSFET 40导通，则输入电压VIN经由端子SW而施加于电感24的一端，而电容26即被充电而使输出电压VOUT上升。之后，若N沟道MOSFET 40断开，则通过蓄积于电感24的能量，使电流流通于由肖特基二极管22、电感24、电容26所构成的回路(loop)，而电容26即放电而使输出电压VOUT下降。
电容(第2电容)28一端与端子SW连接，而另一端与端子BC连接。再者，电容28通过经由端子BC施加电压VREG而充电，用以产生自举电压VBT。此自举电压VBT是为了使N沟道MOSFET40导通所用的电压。例如，初期状态设端子SW的电压VSW为0V。此时，只要对N沟道MOSFET 40的栅极施加较阈值电压VTH(例如2V)高的电压，N沟道MOSFET 40即导通。然而，若N沟道MOSFET 40导通，则由于端子SW的电压VSW接近输入电压VIN(例如15V)，因此为了要使N沟道MOSFET 40持续导通，需将较输入电压VIN高的电压施加于N沟道MOSFET 40的栅极。因此，通过使用电压VREG产生例如5V左右的自举电压VBT，即使在端子SW的电压VSW接近输入电压VIN之后，也可使N沟道MOSFET 40导通。
电阻30一端施加输出电压VOUT，而另一端则与电阻32的一端连接。再者，电阻32的另一端接地，而电阻30、32的连接点的电压成为以电阻30、32的电阻比将输出电压VOUT分压的反馈电压VFB。
肖特基二极管42(自举电路)经由端子REG将电压VREG施加于阳极，而阴极经由电阻50与端子BC连接。在此，兹考虑设电压VREG为5V，肖特基二极管22、42的顺向电压为0.3V，充电于电容28的自举电压VBT。在N沟道MOSFET 40为断开、且电流流通于由肖特基二极管22、电感24、电容26所构成的回路的情形下，端子SW的电压VSW成为-0.3V。此外，若忽视在电阻50的电压降，则端子BC的电压VBC即成为比电压VREG低相当于肖特基二极管42的顺向电压的0.3V的4.7V。因此，自举电压VBT成为4.7-(-0.3)＝5V。之后，若设N沟道MOSFET 40为导通，而N沟道MOSFET 40因为导通电阻所产生的电压降为0.2V，则端子SW的电压VSW即成为14.8V。借此，端子BC的电压VBC即成为将自举电压VBT＝5V加在14.8V的19.8V。另外，即使端子BC的电压VBC较电压VREG高，由于设有肖特基二极管42，因此电流不会从端子BC朝向端子REG逆流。
控制电路44输出用以使N沟道MOSFET 40导通/断开的控制信号，以使施加于端子FB的反馈电压VFB成为与输出电压VOUT的目的电平对应的基准电平。例如，控制电路44在反馈电压VFB较基准电平低时，提高N沟道MOSFET 40成为导通的比例，而在反馈电压VFB较基准电平高时，降低N沟道MOSFET 40成为导通的比例。
在电平移位电路46中经由电阻50施加有端子BC的电压VBC作为电源侧的电压，且施加有接地电压作为接地侧的电压，用以将以从控制电路44输出的电压VREG为基准的控制信号转换为以电压VBC为基准的控制信号。
在反向器48(驱动电路)中，经由电阻50施加有端子BC的电压VBC作为电源侧的电压，且施加有端子SW的电压VSW作为接地侧的电压。即，对反向器48施加有与自举电压VBT对应的驱动电压。再者，反向器48根据从电平移位电路46所输出的控制信号，使输入于N沟道MOSFET 40的栅极的信号的电压电平变化，借此来控制N沟道MOSFET 40的导通/断开。具体而言，只要从电平移位电路46所输出的信号为低电平，则反向器48通过将与电压VBC对应的H电平的信号输出至N沟道MOSFET 40的栅极，N沟道MOSFET 40即成为导通。另一方面，只要从电平移位电路46输出的信号为H电平，则反向器48通过将与电压VSW对应的L电平的信号输出至N沟道MOSFET 40的栅极，N沟道MOSFET 40即成为断开。
电阻50(电流限制电路)一端与端子BC连接，而另一端与齐纳二极管52的阴极连接。再者，齐纳二极管52(钳位电路(clampcircuit))阳极与端子SW连接。齐纳二极管52即使在例如端子IN与端子BC短路而使自举电压VBT变得极高时，也将反向器48的驱动电压钳位于例如6V左右的既定电平以下。此外，电阻50为了根据齐纳二极管52的电流电压特性而限制流通于齐纳二极管52的电流，以使通过齐纳二极管52的钳位电压成为既定电平以下所使用。另外，依齐纳二极管52的电流电压特性不同，也可作成不使用电阻50的构成。
接着说明DC-DC转换器10的动作。另外，兹设输入电压VIN为15V、输出电压VOUT的目的电平为5V、电压VREG为5V、肖特基二极管22的顺向电压为0.3V、N沟道MOSFET 40的阈值电压VTH为2V、齐纳二极管52的击穿电压(breakdown voltage)为6V进行说明。
首先，兹设输出电压VOUT及自举电压VBT为0V状态下开始DC-DC转换器10的动作。此时，由于自举电压VBT较2V低，因此N沟道MOSFET 40成为无法持续导通的状态。再者，在电容28中经由端子REG、肖特基二极管42、电阻50、端子BC施加有电压VREG，而使自举电压VBT上升。
若自举电压VBT超过N沟道MOSFET 40的阈值电压VTH的2V，则反向器48即可在来自控制电路44的控制信号为L电平时使N沟道MOSFET 40导通。再者，控制电路44用以使控制信号变化，以使反馈电压VFB成为与输出电压VOUT的目的电平对应的基准电平。
再者，兹设通过电压VREG将电容28充电而使自举电压VBT成为5V，且N沟道MOSFET 40导通/断开的状态下，端子IN与端子BC短路。
若N沟道MOSFET 40从导通成为断开，则由于电感24要持续流通电流，因此电流流通于肖特基二极管22、电感24、电容26的回路，而端子SW的电压VSW成为-0.3V。再者，由于端子IN与端子BC短路，因此端子BC的电压VBC成为15V。因此，电容28的两端间的自举电压VBT成为15.3V。
另一方面，反向器48的电源侧与接地侧之间的电压，即反向器48的驱动电压通过齐纳二极管52的击穿电压而钳位于6V左右。此外，此时电阻50通过限制从端子BC流入于齐纳二极管52的电流，而发挥将反向器48的驱动电压抑制为6V左右的功能。
因此，在开关控制电路20中，即使端子IN与端子BC短路时，也可通过齐纳二极管52的保护功能，抑制反向器48的驱动电压超过反向器48的耐压。此外，由于从反向器48输出至N沟道MOSFET 40的栅极的信号的电压也同样被钳位，因此也可抑制N沟道MOSFET 40的栅极-源极间的电压超过耐压。
此外，在开关控制电路20中，由于通过电阻50限制流通于齐纳二极管52的电流的电流量，因此可抑制齐纳二极管52的钳位电压过大。
另外，上述实施形态仅为了易于了解本发明的内涵而非用以限制本发明，在不悖离本发明的主旨情况下，均可作实施例的各种等效变更、改良，其等效物也均涵盖于本发明内。
例如，在本实施形态中虽使用肖特基二极管22作为N沟道MOSFET 40断开时的整流元件，惟整流元件并不限定于此。例如，也可使用与N沟道MOSFET 40互补地导通/断开的N沟道MOSFET作为整流元件。
附图中符号的简单说明如下：
10、100：DC-DC转换器2   0：开关控制电路
22、42、111、112：肖特基二极管
24、113：电感           26、28、114、115：电容
30、32、50、116、117：电阻
40、110：N沟道MO SFET   44、118：控制电路
46、119：电平移位电路   48、120：反向器
52：齐纳二极管          BC、FB、IN、REG、SW：端子
VBC、VREG、VSW：电压    VBT：自举电压
VFB：反馈电压           VIN：输入电压
VOUT：输出电压          VTH：阈值电压。

Claims (4)

1.一种开关控制电路，其特征在于，具备：
N沟道MOSFET，于输入电极施加输入电压，而输出电极连接于一端与第1电容连接的电感的另一端及整流元件的一端；
自举电路，用以使一端与所述N沟道MOSFET的所述输出电极连接的第2电容产生为使所述N沟道MOSFET导通时所需的自举电压；
驱动电路，接受与所述自举电压对应的驱动电压的施加，且使所述N沟道MOSFET导通/断开以使所述第1电容产生目的电平的输出电压；及
钳位电路，用以将所述驱动电压钳位于既定电平以下。
2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，还具备电流限制电路，用以限制从所述第2电容的另一端流通于所述钳位电路的电流的电流量。
3.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述钳位电路包含齐纳二极管，该齐纳二极管的阳极与所述N沟道MOSFET的输出电极连接，而阴极与所述驱动电路的电源侧连接。
4.根据权利要求2所述的开关控制电路，其特征在于，所述钳位电路包含齐纳二极管，该齐纳二极管的阳极与所述N沟道MOSFET的输出电极连接，而阴极与所述驱动电路的电源侧连接；
所述电流限制电路包含电阻，该电阻的一端与所述第2电容的另一端连接，而另一端与所述齐纳二极管的阴极连接。
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