CN102299624B

CN102299624B - 开关控制电路、电源电路

Info

Publication number: CN102299624B
Application number: CN201110175762.1A
Authority: CN
Inventors: 关雅夫
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: US20110316607A1; US8395423B2; CN102299624A; JP2012010523A

Abstract

本发明提供一种开关控制电路、电源电路，即使在进行限制以避免开关周期比规定周期长的情况下，也能够抑制输出电压上升。为了从输入电压生成目标电平的输出电压，输入电极被施加输入电压，并且在输出电极处进行使连接于电感和二极管的第一晶体管导通规定时间开关动作，该开关控制电路具备：比较电路，其将相应于输出电压的反馈电压与基准电压进行比较；检测电路，其检测第一晶体管的开关周期是否比规定周期长；以及驱动电路，当反馈电压低于基准电压时，该驱动电路使与二极管并联连接的第二晶体管截止并且使第一晶体管导通规定时间，之后使第一晶体管和第二晶体管截止，而当开关周期比规定周期长时，该驱动电路使第一晶体管截止并且使第二晶体管导通。

Description

开关控制电路、电源电路

技术领域

本发明涉及一种开关控制电路、电源电路。

背景技术

作为从输入电压生成目标电平的输出电压的开关电源电路已知一种纹波变换器(ripple converter)(例如参照专利文献1)。图6是表示普通的导通时间固定式的纹波变换器100的一例的图。当与输出电压Vout相应的反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，控制电路110使NMOS晶体管120导通规定时间。其结果，输出电压Vout上升。然后，当因负载150的影响而导致输出电压Vout下降，从而反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，控制电路110再次使NMOS晶体管120导通规定时间。通过反复进行这种动作来生成目标电平的输出电压Vout。

专利文献1：日本特开2006-14559号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，负载150的负载电流越小，纹波变换器100的输出电压Vout下降越缓慢，因此NMOS晶体管120的开关周期变长。也就是说，当负载电流变小时，纹波变换器100的开关频率降低。因而，当负载电流减小而开关频率降低至例如听觉频域时，有时会从纹波变换器100产生噪音。因此，例如要对控制电路110进行设计以避免开关频率小于等于规定频率，其中该规定频率高于听觉频域。

如果使用这种控制电路110时，则开关频率不会小于等于上述规定频率，因此例如能够抑制噪音的产生。然而，即使在输出电压Vout几乎不下降的情况下，控制电路110有时也会使NMOS晶体管120导通，因此会产生输出电压Vout的电平高于目标电平的问题。

本发明是鉴于上述课题而完成的，目的在于提供一种开关控制电路、电源电路，即使在进行限制以避免开关周期超过规定周期的情况下，也能够抑制输出电压上升。

用于解决问题的方案

为了达成上述目的，本发明的一个方面所涉及的开关控制电路为了从输入电压生成目标电平的输出电压，其输入电极被施加上述输入电压，并且在输出电极处进行使连接于电感和二极管的第一晶体管导通规定时间的开关动作，上述开关控制电路的特征在于，具备：比较电路，其将对应于上述输出电压的反馈电压与基准电压进行比较；检测电路，其检测上述第一晶体管的开关周期是否比规定周期长；以及驱动电路，当上述反馈电压低于上述基准电压时，该驱动电路使与上述二极管并联连接的第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管和上述第二晶体管截止，而当上述开关周期比上述规定周期长时，该驱动电路使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

一种开关电源电路，为了从输入电压生成目标电平的输出电压，其输入电极被施加上述输入电压，并且在输出电极处进行使连接于电感的第一晶体管导通规定时间的开关动作，上述开关电源电路的特征在于，具备：二极管，其连接于上述输出电极；第二晶体管，其与上述二极管并联连接；比较电路，其将对应于上述输出电压的反馈电压与基准电压进行比较；检测电路，其检测上述第一晶体管的开关周期是否比规定周期长；以及驱动电路，当上述反馈电压低于上述基准电压时，该驱动电路使上述第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管和上述第二晶体管截止，而当上述开关周期比上述规定周期长时，该驱动电路使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

发明的效果

能够提供一种开关控制电路、电源电路，即使在进行限制以避免开关周期比规定周期长的情况下，也可以抑制输出电压上升。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个实施方式的纹波变换器10的结构的图。

图2是表示驱动电路44的结构的图。

图3是表示重负载时的纹波变换器10的主要波形的图。

图4是表示轻负载时的纹波变换器10的主要波形的图。

图5是表示接近无负载情况下的纹波变换器10的主要波形的图。

图6是表示普通的纹波变换器10的结构的图。

附图标记说明

10：纹波变换器；15：负载；20：控制IC；21、22：NMOS晶体管；23：二极管；24：电感；25：电容器；26、27：电阻；40：比较器；41：OR电路(或电路)；42：脉冲信号生成电路；43：脉冲周期检测电路；44：驱动电路；50：计数器；51：检测电路；60、74：开关电路；61：低端驱动器；70：反相器；71：RS触发器；72：OR电路(或电路)；73：AND电路(与电路)

具体实施方式

根据本说明书以及所附附图的记载，至少可明确以下事项。

图1是表示作为本发明的一个实施方式的纹波变换器10的结构的图。纹波变换器10例如是从输入电压Vin生成目标电平的输出电压Vout的电路，构成为包括控制IC(Integrated Circuit：集成电路)20、NMOS晶体管21、22、二极管23、电感24、电容器25、以及电阻26、27。另外，纹波变换器10根据来自微型计算机(未图示)的指示，作为同步整流方式或二极管整流方式的电源电路而进行动作。此外，控制IC 20、NMOS晶体管22、以及二极管23相当于电源电路。

负载15例如是CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等集成电路，以输出电压Vout作为电源电压来进行动作。此外，在本实施方式中，将流经负载15的电流作为负载电流。

控制IC 20(开关控制电路)是如下一种集成电路：根据利用电阻26、27对输出电压Vout进行分压而得到的反馈电压Vfb来使NMOS晶体管21、22导通/截止。控制IC 20具备端子FB、SW、OUT1、OUT2。

对端子FB施加反馈电压Vfb，例如从微型计算机(未图示)对端子SW输入切换信号Vsw，该切换信号Vsw用于使纹波变换器10作为同步整流方式或二极管整流方式的电源电路而进行动作。

端子OUT1与NMOS晶体管21的栅电极相连接，端子OUT2与NMOS晶体管22的栅电极相连接。

另外，控制IC 20构成为包括比较器40、OR电路(或电路)41、脉冲信号生成电路42、脉冲周期检测电路43以及驱动电路44。此外，或电路41、脉冲信号生成电路42、以及驱动电路44相当于驱动电路。

比较器40(比较电路)将反馈电压Vfb与规定的基准电压Vref进行比较，并输出表示比较结果的比较电压Vc。当反馈电压Vfb高于基准电压Vref时，比较器40输出低电平(以下称为“L”电平)的比较电压Vc，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，比较器40输出高电平(以下称为“H”电平)的比较电压Vc。

或电路41计算比较电压Vc与从脉冲周期检测电路43输出的电压Vd的逻辑或。

脉冲信号生成电路42是所谓的单触发电路，当或电路41的输出为“H”电平时，该脉冲信号生成电路42生成仅规定时间T1为“H”电平的脉冲信号Vp。

脉冲周期检测电路43(检测电路)检测要生成脉冲信号Vp的脉冲周期(开关周期)是否比规定周期TA长，当脉冲周期比规定周期TA长时，使脉冲信号生成电路42生成脉冲信号Vp。脉冲周期检测电路43构成为包括计数器50和检测电路51。

计数器50是使计数值CNT与所输入的时钟信号Vck同步地递增的加计数器。另外，当脉冲信号Vp变为“H”电平时，计数值CNT被复位。此外，在本实施方式中，将输入到计数器50的时钟信号Vck的周期设为充分小于规定周期TA。

当计数值CNT为表示规定周期TA的规定值时，也就是当脉冲周期比规定周期TA长时，检测电路51输出“H”电平的电压Vd。此外，当计数值CNT小于规定值时，检测电路51输出“L”电平的电压Vd。也就是说，当检测电路51检测到脉冲周期比规定周期TA长时，使脉冲信号生成电路42生成脉冲信号Vp。因此，在本实施方式中，即使当比较电压Vc为“L”电平时，也能够大致按每个规定周期TA生成脉冲信号Vp。

当被输入脉冲信号Vp时，驱动电路44根据切换信号Vsw、比较电压Vc以及电压Vd来驱动NMOS晶体管21、22。具体地说，例如在切换信号Vsw为“H”电平的情况下，驱动电路44根据脉冲信号Vp使NMOS晶体管21、22互补地导通/截止。也就是说，在切换信号Vsw为“H”电平的情况下，驱动电路44使NMOS晶体管21、22作为同步整流电路而进行动作。

另一方面，例如在切换信号Vsw为“L”电平的情况下比较电压Vc变为“H”电平时，驱动电路44使NMOS晶体管21、22作为同步整流电路而进行动作。另外，在切换信号Vsw为“L”电平的情况下电压Vd变为“H”电平时，驱动电路44使NMOS晶体管21、22以及二极管23作为二极管整流电路而进行动作。此外，后面会对驱动电路44作详细说明。

NMOS晶体管21(第一晶体管)是高端(high side)的功率晶体管，其漏电极(输入电极)被施加输入电压Vin，源电极(输出电极)与NMOS晶体管22的漏电极相连接。

NMOS晶体管22(第二晶体管)是低端(low side)的功率晶体管，其源电极接地，漏电极连接有电感24。

二极管23是NMOS晶体管22的体二极管(body diode)。电感24和电容器25是使NMOS晶体管21与NMOS晶体管22的连接节点的电压平滑化的LC滤波器。

驱动电路44的详细说明

在此，参照图2来说明驱动电路44的具体结构。驱动电路44构成为包括相当于所谓的高端驱动器(high side driver)的开关电路60以及低端驱动器(low side driver)61。

开关电路60根据脉冲信号Vp来驱动NMOS晶体管21。具体地说，开关电路60在脉冲信号Vp为“H”电平的期间输出“H”电平的驱动信号Vdr1，从而使NMOS晶体管21导通。另一方面，开关电路60在脉冲信号Vp为“L”电平的期间输出“L”电平的驱动信号Vdr1，从而使NMOS晶体管21截止。此外，在本实施方式中，例如将来自使输入电压Vin升高的自举电路(bootstrappedcircuit)(未图示)的电压提供给开关电路60，使得开关电路60能够使NMOS晶体管21导通/截止。

低端驱动器61构成为包括反相器70、RS触发器71、或电路72、与电路73、以及开关电路74。

反相器70将脉冲信号Vp的逻辑电平反转后进行输出。当输入到RS触发器71的S输入端的电压Vd为“H”电平时，RS触发器71的Q输出为“H”电平，而当输入到RS触发器71的R输入端的比较电压Vc为“H”电平时，RS触发器71的Q输出为“L”电平。

或电路72计算RS触发器71的Q输出与切换信号Vsw的逻辑或并进行输出。

与电路73计算反相器70的输出与或电路72的输出的逻辑与并进行输出。

开关电路74在与电路73的输出为“H”电平的期间输出“H”电平的驱动信号Vdr2，从而使NMOS晶体管22导通。另一方面，开关电路74在与电路73的输出为“L”电平的期间输出“L”电平的驱动信号Vdr2，从而使NMOS晶体管22截止。

切换信号Vsw为“H”电平情况下的驱动电路44的动作

在此，对切换信号Vsw为“H”电平的情况下的驱动电路44的动作进行说明。当切换信号Vsw为“H”电平时，或电路72的输出变为“H”电平，因此与电路73的输出与反相器70的输出同样地发生变化。因而，开关电路74在脉冲信号Vp为“H”电平的期间使NMOS晶体管22截止，而在脉冲信号Vp为“L”电平的期间使NMOS晶体管22导通。

另一方面，如上所述，开关电路60在脉冲信号Vp为“H”电平的期间使NMOS晶体管21导通，而在脉冲信号Vp为“L”电平的期间使NMOS晶体管21截止。因而，驱动电路44使NMOS晶体管21、22互补地导通/截止，因此使纹波变换器10作为同步整流方式的电源而进行动作。

切换信号Vsw为“L”电平情况下的驱动电路44的动作

当切换信号Vsw为“L”电平的情况下，或电路72的输出根据RS触发器71的Q输出的逻辑电平的变化而发生变化。

当比较电压Vc为“H”电平的情况下，RS触发器71的Q输出变为“L”电平，因此与电路73的输出也变为“L”电平。因而，在这种情况下，开关电路74继续使NMOS晶体管22截止。但是，如果在继续使NMOS晶体管22截止的情况下使NMOS晶体管21导通/截止，则例如流经电感24的电流经由二极管23而流动。

因此，在切换信号Vsw为“L”电平且比较电压Vc为“H”电平的情况下，驱动电路44使纹波变换器10作为二极管整流方式的电源而进行动作。

当电压Vd为“H”电平时，RS触发器71的Q输出变为“H”电平，因此或电路72的输出也变为“H”电平。因此，在电压Vd为“H”电平的情况下，与上述控制信号Vsw为“H”电平的情况同样地，驱动电路44使纹波变换器10作为同步整流方式的电源而进行动作。

这样，基本上当驱动电路44被输入“H”电平的切换信号Vsw时，使纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作，而当驱动电路44被输入“L”电平的切换信号Vsw时，使纹波变换器10作为二极管整流方式的电源进行动作。其中，即使驱动电路44被输入了“L”电平的切换信号Vsw，当检测到脉冲周期比规定周期TA长而电压Vd变为“H”电平时，也使纹波变换器10作为同步整流方式的电源而进行动作。

纹波变换器10的动作

在此，例如对重负载(例如负载电流为1mA以上)的情况、轻负载(例如负载电流为100μA～1mA)的情况以及接近无负载的情况(例如负载电流不到100μA)这三种情况下的纹波变换器10的动作进行说明。此外，例如由微型计算机(未图示)检测负载电流来判断负载15的状态是重负载还是轻负载。并且，当微型计算机判断负载15的状态为重负载时，输出“H”电平的切换信号Vsw，而当判断负载15的状态为轻负载时，输出“L”电平的切换信号Vsw。

另外，负载15的状态越接近无负载的状态则纹波变换器10的脉冲周期即开关周期越长。在本实施方式中，例如当负载15的状态接近无负载时，脉冲周期检测电路43检测为脉冲周期超过规定周期TA，从而使脉冲信号生成电路产生脉冲信号Vp。

负载15的状态为重负载的情况

首先，参照图1和图3来说明负载15的状态为重负载的情况下的纹波变换器10的动作。当为重负载时，切换信号Vsw为“H”电平，因此纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作。

例如，在时刻t10，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，生成“H”电平为规定时间T1的脉冲信号Vp，因此使NMOS晶体管21在规定时间T1的期间内导通，从而输出电压Vout上升。然后，当从时刻t10起经过了规定时间T1而到达时刻t11时，NMOS晶体管21截止而NMOS晶体管22导通，因此输出电压Vout下降。然后在时刻t12，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，NMOS晶体管21再次导通规定时间T1。此外，在时刻t12之后也重复从时刻t10至时刻t12的动作，因此生成目标电平的输出电压Vout。

负载15的状态为轻负载的情况

首先，参照图4来说明负载15的状态为轻负载的情况下的纹波变换器10的动作。如上所述，轻负载时的开关周期比规定周期TA短，因此电压Vd不会变为“H”电平。因此，在轻负载时，纹波变换器10作为二极管整流方式的电源进行动作。

例如，在时刻t20，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，生成“H”电平为规定时间T1的脉冲信号Vp，因此使NMOS晶体管21在规定时间T1的期间内导通，从而输出电压Vout上升。然后，当从时刻t20起经过了规定时间T1而到达时刻t21时，NMOS晶体管21、22截止。因此电感24的电流经由二极管23进行流动，输出电压Vout下降。然后在时刻t22，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，NMOS晶体管21再次导通规定时间T1。此外，在时刻t22之后也重复时刻t20至时刻t22的动作，因此生成目标电平的输出电压Vout。

负载15的状态为接近无负载的情况

参照图5来说明负载15的状态为接近无负载时的纹波变换器10的动作。如上所述，接近无负载时的开关周期比规定周期TA长，因此检测到脉冲周期比规定周期TA长而电压Vd变为“H”电平。因此，在接近无负载的情况下，当电压Vd变为“H”电平时，纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作，而当比较电压Vc变为“H”电平时，纹波变换器10作为二极管整流方式的电源进行动作。

例如，在时刻t30，当检测到脉冲周期超过了规定周期TA而电压Vd变为“H”电平时，纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作。因此，在时刻t30，使NMOS晶体管21在规定时间T1的期间内导通，从而输出电压Vout上升。然后，当从时刻t30起经过了规定时间T1而到达时刻t31时，NMOS晶体管21截止而NMOS晶体管22导通，从而输出电压Vout下降。

之后，在时刻t32，当反馈电压Vfb低于基准电压Vref时，比较电压Vc变为“H”电平，因此纹波变换器10作为二极管整流方式的电源进行动作。具体地说，在时刻t32，使NMOS晶体管21在规定时间T1的期间内导通，当从时刻t32起经过了规定时间T1而到达时刻t33时，NMOS晶体管21、22截止。因而，与时刻t31～t32的输出电压Vout的下降相比，时刻t33～t34的输出电压Vout的下降变得缓慢。

然后，当从时刻t33起经过规定周期TA而到达时刻t34时，检测到脉冲周期比规定周期TA长，因此电压Vd变为“H”电平，NMOS晶体管21导通。也就是说，在时刻t34，纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作。另外，在时刻t34之后，重复时刻t30至时刻t34的动作，因此生成目标电平的输出电压Vout。

以上，对作为本发明的一个实施方式的纹波变换器10进行了说明。

在进行限制以避免开关周期比规定周期长的普通的纹波变换器中，输出电压有时会上升。然而，在本实施方式中，当检测到脉冲周期比规定周期TA长时，例如图5的时刻t31～t32所示那样，低端的NMOS晶体管22导通。因而，在本实施方式中，即使进行限制以避免开关周期比规定周期长的情况下，也能够抑制输出电压Vout上升。

另外，例如即使是使用了恒流源、电容器等的普通的计时电路也能够检测开关周期是否比规定周期TA长。一般地，由于恒流源的电流值、电容器的容量值有时会存在较大偏差，因此在使用了这种计时电路的情况下，有时会存在开关周期的检测精度恶化的问题。而在本实施方式中，在检测开关周期时使用计数器50，而不使用电容器等偏差大的元件。因此，在本实施方式中，能够高精度地检测开关周期是否比规定周期TA长。

一般地，当负载15为重负载时，与使纹波变换器10作为二极管整流方式的电源而进行动作的情况相比，使纹波变换器10作为同步整流方式的电源而进行动作更能够提高纹波变换器10的效率。在本实施方式中，当切换信号Vsw为“H”电平时，纹波变换器10作为同步整流方式的电源进行动作。因此，例如在重负载时，能够使纹波变换器10的效率提高。

另外，例如也可以将作为功率晶体管的NMOS晶体管21、22集成在控制IC 20上。即使是这种包含功率晶体管的开关电源电路也能够获得与本实施方式相同的效果。

另外，二极管23是NMOS晶体管22的体二极管。因此，例如与另外设置二极管23的情况相比，本实施方式能够削减部件的数量。

此外，上述实施例是用于容易地理解本发明的内容，而不是限定地解释本发明的内容。本发明在不脱离其宗旨的情况下能够进行变更、改良，并且本发明中还包含其等价物。

规定周期TA例如可以是纹波变换器10的开关频率未进入听觉频域的周期。另外，规定周期TA也可以是如下周期：安装了纹波变换器10的电子设备不会进行误操作等的周期或是根据EMI(Electro Magnetic Interference：电磁干扰)、EMC(ElectroMagnetic Compatibility：电磁兼容性)等噪声规格而决定的周期。

Claims

1.一种开关控制电路，为了从输入电压生成目标电平的输出电压，其输入电极被施加上述输入电压，并且在输出电极处进行使连接于电感和二极管的第一晶体管导通规定时间的开关动作，上述开关控制电路的特征在于，具备：

比较电路，其将对应于上述输出电压的反馈电压与基准电压进行比较；

检测电路，其检测上述第一晶体管的开关周期是否比规定周期长；以及

驱动电路，当上述反馈电压低于上述基准电压时，该驱动电路使与上述二极管并联连接的第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管和上述第二晶体管截止，而当上述开关周期比上述规定周期长时，该驱动电路使上述第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，

上述检测电路包括计数器，该计数器使计数值与时钟信号同步地发生变化，并在上述第一晶体管导通时复位，

在上述计数值变为表示上述规定周期的规定值时，上述驱动电路使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

3.根据权利要求1或2所述的开关控制电路，其特征在于，

在输入用于使上述第一晶体管和上述第二晶体管互补地导通/截止的信号的情况下，作为替代，当上述反馈电压低于上述基准电压时，上述驱动电路使上述第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

4.一种开关电源电路，为了从输入电压生成目标电平的输出电压，其输入电极被施加上述输入电压，并且在输出电极处进行使连接于电感的第一晶体管导通规定时间的开关动作，上述开关电源电路的特征在于，具备：

二极管，其连接于上述输出电极；

第二晶体管，其与上述二极管并联连接；

驱动电路，当上述反馈电压低于上述基准电压时，该驱动电路使上述第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管和上述第二晶体管截止，而当上述开关周期比上述规定周期长时，该驱动电路使上述第二晶体管截止并且使上述第一晶体管导通上述规定时间，之后使上述第一晶体管截止并且使上述第二晶体管导通。

5.根据权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，

上述第二晶体管是MOS晶体管，

上述二极管是上述MOS晶体管的体二极管。