CN101783591A - 升压器电路和pwm信号生成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及升压器电路和PWM信号生成器。PWM信号生成器用于升压器电路，该升压器电路包括：电压升压线圈，该电压升压线圈被连接至主电源；和驱动晶体管，该驱动晶体管驱动电压升压线圈以生成升压电压，PWM信号生成器包括：第一放大器，该第一放大器基于升压电压的电压值生成中间电压；三角波发生器，该三角波发生器生成三角波信号；比较器，该比较器将中间电压的电压电平与三角波信号的电压电平进行比较，以生成中间PWM信号；驱动器，该驱动器基于中间PWM信号生成被提供给驱动晶体管的PWM信号；以及第二放大器，该第二放大器基于中间电压的电压值的大小来生成被提供给驱动器的驱动器电源。

Description

升压器电路和PWM信号生成器

技术领域

本发明涉及升压器电路和PWM信号生成器，并且更加具体地，涉及根据流入被连接至升压器电路的负载电路中的负载电流的大小来控制驱动晶体管的控制状态的PWM信号生成器和升压器电路。

背景技术

升压器电路能够生成高于输入电压(例如，主电源的电压)的电压。升压器电路中的一种包括线圈升压型的升压器电路。线圈升压型的升压器电路包括由PWM信号控制导电状态的驱动晶体管，和被连接在主电源和驱动晶体管之间的电压升压线圈。升压器电路通过驱动晶体管来驱动电压升压线圈以生成升压电压。

近年来，为了减少升压器电路的功率消耗，根据在被连接至升压器电路的负载电路中消耗的负载电流的大小，控制对驱动晶体管进行驱动的PWM信号的占空比。例如，当负载电流大时，PWM信号的占空比被增加，使得驱动晶体管导电的时间变长以充分地提供大的负载电流。另一方面，当负载电流小时，PWM信号的占空比被减少，使得驱动晶体管导电的时间变短以减少功率消耗。

然而，在驱动晶体管的控制端子(例如，栅极端子)中，形成了输入寄生电容。因此，当PWM信号被提供给驱动晶体管时，不管PWM信号的占空比如何，都需要根据振幅(amplitude)将输入寄生电容充电到电压值的电流。典型地，在升压器电路中使用的驱动晶体管的输入寄生电容具有要求较大电容，其需要用于充电的大容量的电流。因此，存在下述问题，即使占空比被减少，由于到输入寄生电容的充电电流而导致在升压器电路中不能充分地减少功率消耗。为了解决此问题，在日本未经审查的专利申请公开No.2004-96967中公布了当负载电流小时减少功率消耗的技术。

图5示出在日本未经审查的专利申请公开No.2004-96967中公布的升压器电路100的电路图。如图5中所示，在升压器电路100中，内部电源电路115根据流入驱动晶体管103的电流而改变内部电源Vcc的电压值。然后，通过具有根据内部电源Vcc的电压值的振幅的PWM信号，驱动器113对驱动晶体管103进行驱动。如此，当负载电流小时，升压器电路100能够通过具有小的振幅的PWM信号来对驱动晶体管103进行驱动。换言之，当负载电流小时，升压器电路100能够减少到输入寄生电容Ciss的驱动晶体管103的充电和放电电流，从而当负载小时减少功率消耗。

发明内容

然而，本发明已经发现如下的问题。在升压器电路100中，采用变压器128生成内部电源Vcc。变压器通常具有大的安装面积。此外，变压器不能被嵌入在半导体器件中。在便携式设备等等中，元件安装面积是有限的，并且因此不能够安装诸如变压器的要求大的安装面积的元件。

本发明的实施例的第一示例性方面是用于升压器电路的PWM信号生成器，该升压器电路包括电压升压线圈，该电压升压线圈被连接至主电源；和驱动晶体管，该驱动晶体管驱动电压升压线圈以生成升压电压，PWM信号生成器包括第一放大器，该第一放大器基于升压电压的电压值生成中间电压；三角波发生器，该三角波发生器生成三角波信号；比较器，该比较器将中间电压的电压电平与三角波信号的电压电平进行比较以生成中间PWM信号；驱动器，该驱动器基于中间PWM信号生成被提供给驱动晶体管的PWM信号；以及第二放大器，该第二放大器基于中间电压的电压值的大小，生成被提供给驱动器的驱动器电源。

本发明的实施例的第二示例性方面是升压器电路，该升压器电路包括电压升压线圈，该电压升压线圈被连接至主电源；驱动晶体管，该驱动晶体管驱动电压升压线圈以生成升压电压；放大器，该放大器基于升压电压的电压值生成中间电压；三角波发生器，该三角波发生器生成三角波信号；比较器，该比较器将中间电压的电压电平与三角波信号的电压电平进行比较以生成中间PWM信号；驱动器，该驱动器基于中间PWM信号生成被提供给驱动晶体管的PWM信号；以及驱动器电源生成器，该驱动器电源生成器基于中间电压的电压值的大小生成被提供给驱动器的驱动器电源。

根据本发明的升压器电路和PWM信号生成器，通过第二放大器能够生成被提供给驱动器的驱动器电源的电压值。现在，第二放大器能够被安装在一个半导体器件中。因此，在根据本发明的升压器电路和PWM信号生成器中，在不单独地提供驱动器电源的情况下，能够在驱动器中提供变压器的区域，从而减少电路安装面积。

根据本发明的升压器电路和PWM信号生成器，能够实现具有小的安装面积和低的功率消耗的升压器电路和PWM信号生成器。

附图说明

从以下结合附图对某些示例性实施例的描述中，以上和其它示例性方面、优点和特征将更加明显，其中：

图1示出根据第一示例性实施例的升压器电路的电路图；

图2示出根据第一示例性实施例的升压器电路的操作的时序图；

图3示出根据第二示例性实施例的升压器电路的电路图；

图4示出根据第二示例性实施例的升压器电路的操作的时序图；以及

图5示出根据现有技术的升压器电路的电路图。

具体实施方式

第一示例性实施例

在下文中，将会参考附图描述本发明的示例性实施例。图1示出根据第一示例性实施例的升压器电路1的电路图。如图1中所示，升压器电路1包括PWM信号发生器10和输出电路11。在下面的描述中，PWM信号发生器10被形成为一个半导体器件，并且与PWM信号发生器10分离地提供输出电路11。

PWM信号发生器10控制根据流入负载电路70的负载电流Io的变化而输出的PWM信号SCNT的振幅和脉冲宽度。在第一示例性实施例中，PWM信号生成器10包括第一放大器20、比较器30、三角波发生器40、第二放大器50(例如，驱动器电源发生器)、以及驱动器60。

第一放大器20生成其电压电平取决于升压电压Vout的变化而变化的中间电压VFB。第一放大器20包括恒压源21、放大器22、电阻器R1、R2、Rf、以及电容器Cf。恒压源21生成其电压值被事先设置的基准电压Vref。电阻器R1、R2被串联地连接在反馈端子TFB和接地端子之间。电阻器R1和电阻器R2之间的连接节点NFB被连接至放大器22的倒相端子。放大器22的非倒相端子被连接至恒压源21。此外，放大器22的倒相端子被连接至端子TGC1，并且放大器22的输出端子被连接至端子TGC2。在端子TGC1和端子TGC2之间，电阻器Rf和电容器Cf被串联地连接。此外，放大器22对在通过电阻器R1、R2分压升压电压Vout而获得的第二分压和基准电压Vref之间的电压差进行放大，以输出中间电压VFB。注意的是，电阻器Rf和电容器Cf可以被嵌入在PWM信号生成器10中。

三角波发生器40生成三角波信号Vtri。在第一示例性实施例中，三角波信号Vtri具有2V的最高电压值，1V的最低电压值，以及具有特定周期。比较器30具有被连接至第一放大器20的输出的非倒相端子，和被连接至三角波发生器40的输出的倒相端子。此外，比较器30将三角波信号Vtri的电压电平与中间电压VFB的电压电平进行比较，以输出中间PWM信号。此中间PWM信号是其占空比根据中间电压VRB的电压电平的变化而进行变化的脉冲信号。

第二放大器50根据中间电压VFB的电压电平变化被提供给驱动器60的驱动器电源VDRV的电压值。第二放大器50包括电阻器R3至R6、电容器Cb、以及放大器51。电阻器R3、R4被串联地连接在其中中间电压VFB被传输的节点与主电源VBAT之间。然后，电阻器R3和电阻器R4之间的连接节点被连接至放大器51的非倒相端子。电阻器R5和电阻器R6被串联地连接在放大器51的输出和接地端子之间。然后，电阻器R5和电阻器R6之间的连接节点被连接至放大器51的倒相端子。放大器51的输出被连接至端子TVDRV。在端子TVDRV和接地端子之间，连接电容器Cb。总之，放大器51将通过电阻器R3和R4分压中间电压VFB和主电源VBAT的电压值而获得的第一分压放大由电阻器R5和R6确定的特定放大比率，以生成驱动器电源VDRV。这时，电容器Cf用作驱动器电源VDRV的稳定电容器。注意的是，电容器Cf可以被嵌入在PWM信号生成器10中。

驱动器60输出通过将从比较器30输出的中间PWM信号的振幅的电平移位到根据驱动器电源VDRV的电压值的振幅而获得的信号，作为PWM信号SCNT。注意的是，驱动器60的输出被连接至端子TCNT。

输出电路11根据从PWM信号生成器10输出的PWM信号SCNT生成升压电压Vout。输出电路11包括驱动晶体管Tr、电压升压线圈L、主电源VBAT、二极管D、以及平滑电容器Co。例如，驱动晶体管Tr是NMOS晶体管。驱动晶体管Tr的源极被连接至接地端子，漏极被连接至电压升压线圈L的一端，并且控制端子(例如，栅极)被连接至PWM信号生成器10的输出。此外，输入寄生电容器Cp被形成在驱动电容器Tr的栅极和源极之间。

电压升压线圈L具有被连接至主电源VBAT的正极端子的另一端。主电源VBAT的负极端子被连接至接地端子。二极管D的阳极被连接至电压升压线圈L的一端和驱动电容器Tr的漏极之间的节点。二极管D的阴极被连接至平滑电容器Co、反馈端子TFB、以及负载电路70的一端。平滑电容器Co的另一端被连接至接地端子。

当PWM信号SCNT处于高电平(例如，驱动器电源VDRV的电压电平)并且驱动晶体管Tr处于导电状态时，输出电路11将来自于主电源VBAT的漏电流流过电压升压线圈L。接下来，当PWM信号SCNT处于低电平(例如，接地电压电平)并且驱动晶体管Tr处于中断状态时，输出电路11通过电压升压线圈L生成升压电压，并且根据升压电压Vout将电荷存储在平滑电容器Co中。输出电路11重复此操作，从而输出稳定的升压电压Vout。

此外，为了保持升压电压Vout的电压电平，当流入负载电路70的负载电流Io增加时，升压器电路1中的PWM信号SCNT的占空比被增加。通过PWM信号生成器10执行根据此升压电压Vout的电压电平(或者负载电流Io的大小)的PWM信号SCNT的占空比的控制。根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10进一步根据升压电压Vout的电压电平(或者负载电流Io的大小)控制PWM信号SCNT的振幅。现在，在下文中将会详细地描述PWM信号生成器10的操作。

图2示出示出PWM信号生成器10的操作的时序图。如图2中所示，在负载电流Io小的时段(到时序T1)中，PWM信号生成器10生成具有低的占空比和小的振幅的PWM信号SCNT。另一方面，在负载电流Io大的时段(在时序T1之后)中，PWM信号生成器10生成具有高的占空比和大的振幅的PWM信号SCNT。

在负载电流Io小的时段中，中间电压VFB的电压电平处于接近三角波信号Vtri的最低的电压值的电压电平中。因此，比较器30输出具有低的占空比的中间PWM信号。此外，在负载电流Io小的时段中，驱动器电源VDRV的电压还根据中间电压VFB的电压电平而减少。因此，驱动器60生成具有小的占空比和小的振幅的PWM信号SCNT。

同时，在负载电流Io大的时段中，中间电压VFB的电压电平接近三角波信号Vtri的最高的电压值。因此，比较器30输出具有高的占空比的中间PWM信号。此外，在负载电流Io大的时段中，驱动器电源VDRV的电压还根据中间电压VFB的电压电平而增加。因此，驱动器60生成具有高的占空比和大的振幅的PWM信号SCNT。

如上所述，因为PWM信号生成器10根据负载电流的大小而输出PWM信号SCNT，所以升压器电路1在轻载(负载电流Io小的时段)和重载(负载电流Io大的时段)的任何时段中都能够提高功率效率。例如，在轻载的条件下，能够减少到输入寄生电容Cp的驱动晶体管Tr的充电和放电电流，从而提高升压器电路1的功率效率。同时，在重载的条件下，使用高的电压对驱动晶体管Tr进行驱动，以减少在驱动晶体管Tr中的损失，从而提高升压器电路1的功率效率。注意的是，中间电压VFB的电压电平根据负载电流的大小的切换进行变化，并且在此切换之前提供瞬态时段。

根据上述将会理解，根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10基于用于生成PWM信号SCNT的中间电压VFB的电压电平，生成驱动器电源VDRV的电压。这时，通过不采用变压器等等的第二放大器，根据中间电压VFB的电压电平，PWM信号生成器10生成驱动器电源VDRV。总之，根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10，仅通过能够被嵌入在一个半导体器件中的电路能够形成改变驱动器电源的电路。因此，使用根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10的升压器电路1能够实现具有高的功率效率和小的电路尺寸(或者安装面积)的升压器电路。

在现有的升压器电路(例如，在日本未经审查的专利申请公开No.2004-96967中公布的升压器电路100)中，额外地采用PWM控制器以生成内部电源电压Vcc。然而，通过使用生成被提供给驱动器60的中间PWM信号的电路中的中间电压VFB，第一示例性实施例的PWM信号生成器10生成驱动器电源VDRV。因此，不需要在根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10中额外地提供PWM控制器。因此，通过根据第一示例性实施例的PWM信号生成器10，与现有的升压器电路相比较可以减少电路尺寸和功率消耗。

第二示例性实施例

图3示出根据第二示例性实施例的升压器电路2的电路图。如图3中所示，升压器电路2与根据第一示例性实施例的升压器电路1的不同之处在于，新添加了第一开关SW1和第二开关SW2，并且提供驱动器60a替代驱动器60。

第一开关SW1被插入到将驱动器电源VDRV提供给驱动器60a的路径中。第二开关SW2被提供在驱动器60a和反馈端子TFB之间。驱动器60a与驱动器60的不同之处在于，添加了输出空载时间信号DE的功能，以根据从比较器30输出的中间PWM信号的占空比来控制第一开关SW1和第二开关SW2的断开/导通状态。

第一开关SW1和第二开关SW2是其断开/导通状态基于空载时间信号DE而排他地控制的开关。此外，当从比较器30输出的中间PWM信号的占空比小于最大值时，从驱动器60a输出的空载时间信号DE将第一开关S1设置为导通状态(例如，导电状态)，并且当中间PWM信号的占空比大于最大值时将第二开关SW2设置为导通状态。

现在，将会描述根据第二示例性实施例的PWM信号生成器10的操作。图4是示出根据第二示例性实施例的PWM信号生成器10的操作的时序图。注意的是，在图4中其中负载电流Io小的时段对应于图2中的其中负载电流Io小的时段，并且图4中的负载电流Io是中等的时段对应于图2中的其中负载电流大的时段。然后，根据第二示例性实施例的PWM信号生成器10在其中使负载电流Io进一步变得比中等的时段更大的时段中，执行将第二开关SW2设置为导通状态的操作。

在图4中的其中负载电流Io大的时段中，中间电压VFB的电压电平高于三角波信号Vtri的最高的电压值。因此，中间PWM信号的占空比变成能够从比较器30输出的最大占空比。这时，在根据第二示例性实施例的PWM信号生成器10中，第一开关SW1被设置为断开状态(例如，中断状态)并且第二开关被设置为导通状态。因此，被提供给驱动器60a的电源的电压等于升压电压Vout。因此，驱动器60a能够输出具有比负载电流Io是中等值的情况更高的振幅的PWM信号SCNT。

根据上述描述，根据第二示例性实施例的PWM信号生成器10，当负载电流Io增加时，能够将比由第二放大器50能够输出的驱动器电源VDRV的最大值更大的升压电压Vout提供给驱动器60a。因此，相对于比第一示例性实施例的升压器电路1更宽的负载电流Io的变化范围，根据第二示例性实施例的升压器电路2能够保持高的功率效率。

本领域的技术人员能够根据需要组合第一和第二示例性实施例。

虽然已经按照若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解本发明可以在所附的权利要求的精神和范围内进行各种修改的实践，并且本发明并不限于上述的示例。例如，通过其放大比率是1的缓冲器电路可以形成第二放大器。

此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。

此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同形式，即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。

Claims (7)

1.一种用于升压器电路的PWM信号生成器，所述升压器电路包括：电压升压线圈，所述电压升压线圈被连接至主电源；和驱动晶体管，所述驱动晶体管驱动所述电压升压线圈以生成升压电压，所述PWM信号生成器包括：

第一放大器，所述第一放大器基于所述升压电压的电压值来生成中间电压；

三角波发生器，所述三角波发生器生成三角波信号；

比较器，所述比较器将所述中间电压的电压电平与所述三角波信号的电压电平进行比较以生成中间PWM信号；

驱动器，所述驱动器基于所述中间PWM信号生成被提供给所述驱动晶体管的PWM信号；以及

第二放大器，所述第二放大器基于所述中间电压的电压值的大小来生成被提供给所述驱动器的驱动器电源。

2.根据权利要求1所述的PWM信号生成器，其中，所述驱动器生成将所述驱动器电源的电压值设置为最大电压值的PWM信号。

3.根据权利要求1所述的PWM信号生成器，包括：

第一开关，所述第一开关被提供在所述第二放大器和所述驱动器之间；和

第二开关，所述第二开关被提供在所述第二放大器和用于将所述升压电压反馈到所述第一放大器的输出反馈线之间，所述第二开关和所述第一开关相互排他地处于导电状态；其中

当所述中间PWM信号的占空比小于最大值时，所述驱动器输出空载时间信号以将所述第一开关设置为导电状态，并且当所述中间PWM信号的占空比大于最大值时，将所述第二开关设置为导电状态。

4.根据权利要求1所述的PWM信号生成器，其中，基于第一分压确定所述驱动器电源的电压值，通过第一分压比率来对所述中间电压和所述主电源的电压进行分压而获得所述第一分压。

5.根据权利要求4所述的PWM信号生成器，其中，所述第二放大器以预定的放大比率对所述第一分压进行放大，以生成所述驱动器电源。

6.根据权利要求1所述的PWM信号生成器，其中，所述第一放大器放大第二分压和恒压之间的电压差，以生成所述中间电压，通过以第二分压比率来对所述升压电压进行分压而获得所述第二分压，所述恒压是其中电压值事先被设置的电压。

7.一种升压器电路，包括：

电压升压线圈，所述电压升压线圈被连接至主电源；

驱动晶体管，所述驱动晶体管驱动所述电压升压线圈，以生成升压电压；

放大器，所述放大器基于所述升压电压的电压值来生成中间电压；

三角波发生器，所述三角波发生器生成三角波信号；

比较器，所述比较器将所述中间电压的电压电平与所述三角波信号的电压电平进行比较，以生成中间PWM信号；

驱动器，所述驱动器基于所述中间PWM信号生成被提供给所述驱动晶体管的PWM信号；以及

驱动器电源生成器，所述驱动器电源生成器基于所述中间电压的电压值的大小来生成被提供给所述驱动器的驱动器电源。

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