CN107181236A - 开关调节器 - Google Patents

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Abstract

提供具备消耗电流少的过热保护电路的开关调节器。采用了仅在基于输出控制电路所输出的使开关元件导通的信号的既定期间、使过热保护电路间歇地进行动作的结构。

Description

开关调节器
技术领域
本发明涉及输出恒压的开关调节器，更具体涉及具备检测温度而停止开关动作的过热保护电路的开关调节器。
背景技术
近年来，搭载电池的电子设备中低功耗化不断取得进展。特别是在智能手机、便携设备、可穿戴设备等中，为了使电池驱动时间更长，更进一步强烈地要求对电子设备的低功耗化。因此在内置于该电子设备的半导体集成电路，对功耗的削减要求也越来越显著。
另一方面，上述的人们直接操作的电子设备，特别要求不会对人体造成如爆炸/触电等坏影响的安全性。已知例如内置于电池驱动的电子设备、并以电池电压为输入电压的开关调节器，具备在半导体集成电路内的芯片温度上升并达到既定温度以上的温度的情况下停止动作的过热保护电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平06－244414号公报。
发明内容
发明要解决的课题
然而，若追加用于确保安全性的保护电路，则需要用于使该保护电路动作的电力，阻碍电子设备所要求的低功耗化。例如，在附加过热保护电路的现有的开关调节器中，为了监视温度，温度检测电路总是进行动作。因此，在流过开关调节器的电流较小、发热的可能性较低的动作状态下也会持续消耗既定电力，存在电力效率会变差这一课题。
本发明中，针对上述现有技术的课题，提出通过使过热保护电路间歇地进行动作来实现功耗的降低的同时，可靠地保护开关调节器的方法。
用于解决课题的方案
为了解决现有的课题，本发明的开关调节器采用如下结构。
该结构具备：监视输出电压的误差比较器；基于误差比较器的输出信号向开关元件的栅极输出控制信号的输出控制电路；以及在成为既定温度以上时向输出控制电路输出信号而使开关元件截止（OFF）的过热保护电路，过热保护电路被输入基于输出控制电路的输出信号的信号，进行仅在既定期间进行动作的间歇动作。
发明效果
本发明的开关调节器是仅在基于输出控制电路所输出的使开关元件导通（ON）的信号的既定期间使过热保护电路间歇地进行动作的结构，因此具有能够削减过热保护电路的特别是在轻负载时的消耗电流的效果。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的开关调节器的一个例子的电路图。
图2是示出第一实施方式的定时器电路的电路例的图。
图3是示出第一实施方式的定时器电路的动作例的时间图。
图4是示出第一实施方式的过热保护电路的电路例的图。
图5中（a）是示出第一实施方式的开关调节器的第一动作例中的连续模式动作状态的时间图。（b）是示出第一实施方式的开关调节器的第一动作例中的不连续模式动作状态的时间图。
图6中（a）是示出第一实施方式的开关调节器的第三动作例中的连续模式动作状态的时间图。（b）是示出第一实施方式的开关调节器的第三动作例中的不连续模式动作状态的时间图。
图7是示出第一实施方式的定时器电路的第三动作例的时间图。
图8是示出本发明的第二实施方式的开关调节器的一个例子的电路图。
图9是示出本发明的第三实施方式的开关调节器的一个例子的电路图。
具体实施方式
图1是示出第一实施方式的开关调节器的一个例子的电路图。图1的电路是将输入至电源端子1的输入电压Vin转换为恒压，并作为输出电压Vout而输出至输出端子7的非同步整流型的开关调节器100。
本实施方式的开关调节器100具备：作为开关元件的PMOS晶体管3；二极管4；电感器5；输出电容器6；误差比较器10；导通时间控制电路11；基准电压电路12；RS－FF电路13；定时器电路14；输出控制电路15；缓冲器电路16；分压电阻17及18；以及过热保护电路20。
分压电阻17及18从反馈端子19输出与输出电压Vout对应的反馈电压VFB。基准电压电路12输出基准电压VREF。误差比较器10将反馈电压VFB与基准电压VREF进行比较，若反馈电压VFB下降到基准电压VREF以下，则向RS－FF电路13输出置位信号。导通时间控制电路11基于RS－FF电路13的输出端子Q的输出信号向RS－FF电路13输出复位信号。RS－FF电路13响应供给至置位端子S的置位信号和供给至复位端子R的复位信号而从输出端子Q输出输出信号。输出控制电路15接收RS－FF电路13的信号，经由缓冲器电路16而控制PMOS晶体管3，并产生输出电压Vout。
过热保护电路20监视开关调节器的温度，若开关调节器发热，并判定为处于过热状态，则向输出控制电路15输出信号。在开关调节器中，温度最高的是向输出端子7供给输出电压及输出电流的PMOS晶体管3。因此接收过热保护电路20的信号的输出控制电路15，经由缓冲器电路16使PMOS晶体管3截止，从而保护开关调节器避免过热。
若接收从输出控制电路15输出的信号而PMOS晶体管3导通则定时器电路14使得过热保护电路20开始动作，在经过一定时间后（称为计数时间），输出使过热保护电路20的消耗电流为零或降低的信号。
图2是示出第一实施方式的定时器电路14的一个例子的电路图。
脉冲发生电路41在向IN端子输入的输出控制电路15的信号成为L电平时，输出既定期间的L信号。RS－FF电路61在脉冲发生电路41的信号成为H电平时从输出端子Q输出H信号。偏置电路42、43、44、45接收RS－FF电路61的H信号而导通。电容器46与偏置电路42的输出连接，通过偏置电路42的电流来充电。电容器48与偏置电路44的输出连接，通过偏置电路44的电流来充电。
在此例如电容器48被设定为容量大于电容器46，且到既定电压为止的充电时间长于电容器46。NMOS晶体管50在电容器46的充电电压成为阈值电压以上时导通。NMOS晶体管51在电容器48的充电电压成为阈值电压以上时导通。
反相器56向RS－FF电路60的置位端子S和NMOS晶体管53的栅极输出使NMOS晶体管50的输出的H/L信号反转的信号。反相器57向RS－FF电路60的复位端子R和NMOS晶体管52、54的栅极输出使NMOS晶体管51的输出的H/L信号反转的信号。
NMOS晶体管52、53与电容器46并联连接，当栅极被输入H信号时导通，并释放电容器46的电荷。NMOS晶体管54与电容器48并联连接，当栅极被输入H信号时导通，并释放电容器48的电荷。开关47、49接收RS－FF电路61输出的Q信号而截止，以使电容器46和电容器48充电的方式进行控制。
RS－FF电路60基于向以上的置位端子S和复位端子R输入的信号而从Q端子输出信号，并生成时钟信号CLK。RS－FF电路6中，置位端子S被输入脉冲发生电路41的输出信号，复位端子R被输入从RS－FF电路60输出的时钟信号CLK，从输出端子Q输出信号。
接着，基于图3的示出第一实施方式的定时器电路14的动作例的时间图，说明定时器电路14的动作。
在时刻t0，若向定时器电路14的IN端子输入的输出控制电路15的输出信号成为L电平，则脉冲发生电路41在由内部的延迟电路决定的既定的较短期间输出L信号脉冲。此时，电容器46、48放电，充电电压成为L。
在时刻t1，由于脉冲发生电路41的信号成为H电平，所以从RS－FF电路61的输出端子Q输出H信号。开关47、49截止，偏置电路42、43、44、45导通，因此电容器46、48开始充电。
在时刻t2，若因从偏置电路42供给的电流而电容器46的充电电压上升，并达到NMOS晶体管50的阈值电压Vth1，则NMOS晶体管50导通。因而，RS－FF电路60中，置位端子S被输入反相器56输出的H信号，因此从输出端子Q输出H信号。从反相器56输出的H信号使NMOS晶体管53导通，从而使电容器46放电。此时，容量值比电容器46大的电容器48，充电电压不会达到NMOS晶体管51的阈值电压Vth2，而继续充电。
在时刻t3，若电容器48的充电电压达到NMOS晶体管51的阈值电压Vth2，则NMOS晶体管51导通。因而，RS－FF电路60中，复位端子R被输入反相器57输出的H信号，因此从输出端子Q输出L信号。从反相器57输出的H信号，使NMOS晶体管52、54导通，从而使电容器46、48放电。此时，NMOS晶体管50截止，因此RS－FF电路60中，置位端子S经由反相器56被输入L信号，因此从输出端子Q输出L信号。因而，RS－FF电路61中复位端子R被输入L信号，因此从输出端子Q输出L信号。
反复进行如以上说明的动作，从而定时器电路14使过热保护电路20进行间歇动作。
此外，定时器电路14为以PMOS晶体管3导通的情形为触发而输出H信号的同时开始时间计数、并在既定时间后输出L信号的构成即可，并不局限于该电路例。例如，也可以具备接收反相器54的信号而产生冲息脉冲的脉冲发生电路。
另外，通过调整计数时间和开关周期的关系，能够根据状况选择间歇输出或恒定输出。
图4是示出本发明的过热保护电路的一个例子的电路图。过热保护电路20具备：温感元件21；基准电压电路22；通过比较温感元件21的电压和基准电压电路22的输出电压而进行温度检测的比较器23；向温感元件21供给电流的偏置电路24；向比较器23供给电流的偏置电路25；控制从偏置电路24到温感元件21的电流供给的开关26；以及控制从偏置电路25到比较器23的电流供给的开关27。开关26设在温感元件21与偏置电路24之间。开关27设置在比较器23与偏置电路25之间。
若接收从输出控制电路15输出的信号而PMOS晶体管3导通，则同时基于相同的信号从定时器电路14接收H信号，从而开关26和开关27会导通，电流被供给至温感元件21及比较器23。在被供给电流而温感元件21的电压及比较器23稳定于能够进行比较的状态后，比较器23比较基准电压电路22的输出电压和温感元件21的电压，从而进行温度判定。在被判定为过热状态的情况下，持续对温感元件21和比较器23的电流供给，并继续温度检测。在被判定为不是过热状态的情况下，自PMOS晶体管3导通后一定时间后，开关26及开关27截止，停止对温感元件21和比较器23的电流供给。
作为温感元件，也可以使用带隙参考电路所使用的双极元件。带隙参考电路所使用的双极元件的正向电压Vf随着温度而变化，因此通过在比较器23与调整为不会随着温度发生变化的基准电压电路22的基准电压进行比较，能够进行温度检测。
图5是示出第一实施方式的开关调节器的第一动作例的时间图。而且图5（a）和图5（b）分别示出对输出端子7连接重负载和轻负载的情况下的PMOS晶体管3、定时器电路14、过热保护电路20的各自动作状态的时间图。在图5的第一动作中，将定时器电路14的计数时间设定为比开关周期长。
在图5（a）中，与输出端子7连接的负载较重，成为PMOS晶体管3以既定开关周期进行振荡动作的连续模式动作状态。
首先在PMOS晶体管3成为导通的时刻t0，接收从输出控制电路15输出的信号，从而定时器电路14导通并开始时间计数。与此同时开启过热保护电路20的动作。
在从时刻t0到开关周期后的时刻t1，由于未达到既定计数时间，所以定时器电路14持续导通，继续进行过热保护电路20的导通动作。不过，在时刻t1再次接收从输出控制电路15输出的信号，从此时起重新开始进行时间计数。
即便从时刻t0达到计数时间后的时刻tc，也继续进行从时刻t1开始的时间计数，因此定时器电路14持续导通，继续进行过热保护电路20的导通动作。
在如以上那样将定时器电路14的计数时间设定为比开关周期长的第一动作例中，定时器电路14持续导通，因此过热保护电路20不会处于间歇动作状态而持续进行常时动作。
过热保护电路20因为PMOS晶体管3导通并且开关26、27导通而开始温度检测动作，从而开关调节器发热，当判定为处于过热状态时向输出控制电路15输出信号。而且输出控制电路15接收过热保护电路20的信号并输出信号，经由缓冲器电路16使PMOS晶体管3停止，从而抑制发热。
在负载变轻的图5（b）中，输出电压Vout的变动变小，PMOS晶体管3的动作转移到不会成为既定周期的振荡动作的不连续模式动作状态，从而减少开关频率。此时在输出固定时间导通的信号的COT（Constant On Time）控制的开关调节器中，由于导通时间固定，所以开关频率的减少而截止时间变长。
若开关周期变长，且超过定时器电路14的计数时间，则如图5（b）那样，到达计数时间的时刻tc会比从时刻t0经过开关周期量的时间的时刻t1早到，因此定时器电路14输出使过热保护电路20截止的信号。接收该信号而过热保护电路20截止，在下一个时刻t1中与PMOS晶体管3再次导通的同时导通。即过热保护电路20间歇地进行动作。因而，负载变轻，当开关频率成为某一固定值以下时，过热保护电路20会进行间歇动作，从而能够降低过热保护电路20的功耗。
在第一实施方式的第一动作例中，通过在最担心温度上升的连续模式动作状态下使过热保护电路20进行常时动作，一边提高半导体集成电路的安全性，一边在温度上升频度低的不连续模式动作状态下使过热保护电路20进行间歇动作，从而能够期待一并具有功耗降低的效果。
第一实施方式的开关调节器的第二动作例是将定时器电路14的计数时间设定为比开关周期短的情况。第二动作例中，在对输出端子7连接重负载，并成为以既定开关周期进行振荡动作的连续模式动作状态的情况下，也与第一动作例不同，定时器电路14在每个计数时间向过热保护电路20反复持续发送停止信号，因此过热保护电路20成为间歇动作状态，与第一动作例相比，能够降低过热保护电路20的功耗。
另一方面，对输出端子7连接轻负载，输出电压Vout的变动变小，PMOS晶体管3的动作转移到不会成为既定周期的振荡动作的不连续模式动作状态，在开关频率减少的情况下，也与第一动作例同样过热保护电路20进行间歇动作。
在第一实施方式的第二动作例中，连续模式动作状态/不连续模式动作状态下使过热保护电路20进行间歇动作，从而能够期待比第一动作例更高的功耗降低效果。因此，在连续动作模式下不需要大电流而在不用那么担心过热状态的开关调节器中可称为优选动作例。
图6是示出第一实施方式的开关调节器的第三动作例的时间图。该例子中，与PMOS晶体管3截止的同时开始进行定时器电路14的时间计数。而且图6（a）和图6（b）分别示出对输出端子7连接重负载和轻负载的情况下的PMOS晶体管3、定时器电路14、过热保护电路20的各自动作状态的时间图。
图6（a）中，与输出端子7连接的负载较重，成为PMOS晶体管3以既定开关周期进行振荡动作的连续模式动作状态。
首先在PMOS晶体管3成为导通的时刻t0，从输出控制电路15输出的信号被输入至定时器电路14。但是，在此定时器电路14不会开始时间计数，而过热保护电路20也不启动。
在PMOS晶体管3截止的时刻t1，从输出控制电路15输出的使PMOS晶体管3截止的控制信号同时输入到定时器电路14。接收该信号，定时器电路14导通并开始时间计数。此时定时器电路14向过热保护电路20输出控制信号，使过热保护电路20导通。
若从时刻t1达到计数时间后的时刻tc，则定时器电路14向过热保护电路20输出信号，使过热保护电路20截止。
若从时刻t0达到开关周期后的时刻t2，则因从输出控制电路15输出的控制信号而PMOS晶体管3导通，但是定时器电路14不会开始时间计数，过热保护电路20也不启动。
如以上那样在第三动作例中，与第二动作例同样定时器电路14反复持续导通和截止，因此过热保护电路20成为间歇动作状态，与第一动作例相比，能够降低过热保护电路20的功耗。
在负载变轻的图6（b）中，输出电压Vout的变动变小，PMOS晶体管3的动作转移到不会成为既定周期的振荡动作的不连续模式动作状态，从而减少开关频率。
在该动作状态下，也与连续模式动作状态同样，在PMOS晶体管3导通的时刻t0，定时器电路14不会开始时间计数，而过热保护电路20也不启动。在PMOS晶体管3截止的时刻t1，定时器电路14开始时间计数，使过热保护电路20导通。在定时器时间后的时刻tc使过热保护电路20截止。这样，过热保护电路20进行间歇动作。
在第一实施方式的第三动作例中，与第二动作例同样，在连续模式动作状态/不连续模式动作状态的任意状态下都使过热保护电路20进行间歇动作，从而能够期待比第一动作例更高的功耗降低效果。因此，在连续动作模式下不需要大电流而在不用那么担心过热状态的开关调节器中可称为优选动作例。
图7是用于实现第一实施方式的开关调节器的第三动作例的定时器电路14的时间图。
脉冲发生电路41以PMOS晶体管3的截止动作为触发而产生L脉冲。由此，在PMOS晶体管3截止的时刻t0使电容器46、48放电，能够从此时开始时间计数。
图8是示出第二实施方式的开关调节器的电路例的图。在第二实施方式中，相对于第一实施方式不使用定时器电路14，而使过热保护电路20的动作与PMOS晶体管3导通的定时同步。在该例子中，输出控制电路15输出使作为开关元件的PMOS晶体管3动作的L信号的情况下，用反相器59将该L信号反转为H信号，向过热保护电路20输入。
在进行PMOS晶体管3截止的时候使过热保护电路20动作，而导通的时候停止这样的间歇动作的情况下，能够除去反相器59而实现。
另外，也可以考虑在PMOS晶体管3截止的时间中的被限定的时间中，使过热保护电路20动作的情况。
第二实施方式的开关调节器在如以上那样连续模式动作状态/不连续模式动作状态的任意状态下，通常也只在PMOS晶体管3处于导通状态时、或处于截止状态时使过热保护电路20工作，因此能够比上面描述的实施方式/动作例更加提高功耗降低效果。另外，不需要定时器电路，因此能够缩小电路面积，还能得到成本降低效果。
另一方面，在第一实施方式中，通过利用定时器电路14还能判定开关元件动作不依赖导通/截止的状态时的过热状态。因此，适合提供作为较大的发热源的开关元件和过热保护电路20的距离因布局的制约等而被分离、能够感测各种状态时的半导体集成电路的温度上升这一自由度高且安全性高的开关调节器。以哪个时刻为触发、并使过热保护电路20动作至哪个定时，能够以从脉冲发生电路输出脉冲的触发或脉宽来调整。另外当然能够通过变更电容器或Vth、偏置电路的电流值来任意设定定时器电路14的计数时间。
图9是示出第三实施方式的同步整流开关调节器的电路例的图。代替PMOS晶体管3截止时使电流向电感器5流过的二极管4，使用进行与PMOS晶体管3相反的开关动作的作为开关元件的NMOS晶体管31，并具备驱动NMOS晶体管31的缓冲器电路33。
另外输出控制电路15除了具备用于经由缓冲器电路16控制PMOS晶体管3的输出端子之外，具备用于经由缓冲器电路33控制NMOS晶体管31的输出端子。
进而，具备逆流检测电路32，以在发生从输出端子7流向NMOS晶体管31的方向的逆向电流、或检测出发生逆向电流的前兆时，对输出控制电路15输出使NMOS晶体管31强制截止的信号。该逆流检测电路32仅在NMOS晶体管31导通的期间导通而开始检测动作，在NMOS晶体管31截止的时候同步而截止并停止检测。为了实现这样的一系列的动作，采用输出控制电路15的NMOS晶体管31侧的输出信号被输入逆流检测电路32的结构，基于该输出信号切换逆流检测电路32的导通和截止。
RS－FF电路62在向置位端子S输入由反相器63使输出控制电路15的PMOS晶体管3侧导通的L信号反转后的H信号时输出H信号。另外在向复位端子R输入逆流检测电路32的H信号时输出L信号。
过热保护电路20通过接收如上所述的RS－FF电路62的输出信号，在PMOS晶体管3及PMOS晶体管31的某一方导通的情况下，或者到PMOS晶体管3导通而PMOS晶体管31截止为止的时间进行动作，在PMOS晶体管3及PMOS晶体管31都截止时停止。当然，过热保护电路20能够通过适当变更与RS－FF电路62的置位端子S和复位端子的输入连接的反相器来设定在各种定时的动作。
标号说明
10误差比较器；11导通时间控制电路；12、22基准电压电路；13、60、61、62RS－FF电路；14定时器电路；15输出控制电路；16、33缓冲器电路；20过热保护电路；21温感元件；23比较器；24、25、42、43、44、45偏置电路；32逆流检测电路；41脉冲发生电路。

Claims (3)

1.一种开关调节器，从输入至输入端子的电源电压通过开关元件将期望的输出电压输出至输出端子，其特征在于，具备：
监视所述输出电压的误差比较器；
基于所述误差比较器的输出信号向所述开关元件的栅极输出控制信号的输出控制电路；以及
在成为既定温度以上时向所述输出控制电路输出信号而使所述开关元件截止的过热保护电路，
所述过热保护电路被输入基于所述输出控制电路的输出信号的信号，进行仅在既定期间进行动作的间歇动作。
2.如权利要求1所述的开关调节器，其特征在于，
所述既定期间至少为所述开关元件导通的期间。
3.如权利要求1或2所述的开关调节器，其特征在于，具备：
定时器电路，基于所述输出控制电路的输出信号而输出用于使所述过热保护电路进行间歇动作的信号。
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