CN109196764A - 开关调节器、半导体集成电路和电子设备 - Google Patents

开关调节器、半导体集成电路和电子设备 Download PDF

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Abstract

开关调节器具有：控制单元，用于依照输出电压以互补方式接通/关断上部开关和下部开关；以及电流提取单元，用于从电感器的第一端或第二端提取恒定电流。当在轻负载下时，所述控制单元停止所述开关控制并将所述上部开关和所述下部开关固定在断开状态。恒定电流具有正温度特性，其中所述恒定电流的值大于或等于通过从所述上部开关的漏电流中减去所述下部开关的漏电流而获得的值。

Description

开关调节器、半导体集成电路和电子设备
技术领域
本发明涉及一种开关调节器。本发明还涉及一种用于开关调节器的半导体集成电路。本发明进一步涉及一种使用开关调节器的电子设备。
背景技术
在轻负载下具有高效率的开关调节器的一个示例是专利文献1中提出的开关调节器。
在专利文献1中提出的开关调节器在轻负载下停止开关控制，并且将上部开关元件和下部开关元件保持在断开状态。停止开关控制消除了开关损耗，因此在专利文献1中提出的开关调节器在轻负载下提供高效率。
当在专利文献1中提出的开关调节器发现输出电压已经降低而不执行开关控制时，它重新开始开关控制。在重新开始开关控制之后，在专利文献1中提出的开关调节器在负载较轻时再次停止开关控制，并且在负载较重时继续开关控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平06-303766号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
然而，在专利文献1中提出的开关调节器中，在轻负载下，如果由上部开关元件的漏电流生成的输出电容器的充电电流大于由下部开关元件的漏电流和负载的消耗电流生成的输出电容器的放电电流，则输出电压增加。在这种情况下，不重新启动开关控制，并且输出电压最终变成过电压。
在上面讨论的背景下，本发明的目的是提供一种开关调节器，该开关调节器可以在不执行开关控制的时段期间，防止输出电压增加，同时抑制在低温下效率的降低，以及提供被用在开关调节器中的半导体集成电路和使用开关调节器的电子设备。
解决课题的手段
在此公开的开关调节器是用于从输入电压生成输出电压的开关调节器，并且包括上部开关、下部开关、电感器、输出电容器、控制器以及电流提取器，该上部开关的第一端子连接到第一施加端子，输入电压被施加到该第一施加端子，该下部开关的第一端子连接到上部开关的第二端子，并且下部开关的第二端子连接到第二施加端子，低于输入电压的预定电压被施加到该第二施加端子，电感器的第一端连接到在上部开关和下部开关之间的连接节点，该输出电容器连接到电感器的第二端子，该控制器用于根据输出电压生成用于互补地接通和关断上部开关和下部开关的控制信号，以及电流提取器用于从电感器的第一端子或第二端子提取恒定电流。在此公开的开关调节器中，控制器用于在轻负载下，停止开关控制并将上部开关和下部开关保持在断开状态，并且恒定电流可以具有正温度特性，并且恒定电流的值可以大于通过从上部开关的漏电流减去下部开关的漏电流而获得的值(第一配置)。
在上述第一配置的开关调节器中，上部开关可以是MOSFET(第二配置)。
在上述第一或第二配置的开关调节器中，电流提取器可以用于在控制器执行开关控制的时段期间，不从电感器的第一端子或第二端子提取恒定电流(第三配置)。
在上述第一至第三配置中的任一配置的开关调节器中，电流提取器可以包括始终处于断开状态的晶体管和用于生成基本上与晶体管的漏电流成比例的恒定电流的恒定电流发生器，并且晶体管的漏电流可以基本上与上部开关的漏电流成比例(第四配置)。
在上述第四配置的开关调节器中，晶体管的漏电流可以小于上部开关的漏电流。(第五种配置)。
在上述第四或第五配置的开关调节器中，恒定电流发生器可以用于在控制器执行开关控制的时段期间，不生成恒定电流(第六种配置)。
在上述第六配置的开关调节器中，可以配置成在控制器执行开关控制的时段期间晶体管的漏电流没有被供应给恒定电流发生器(第七配置)。
在此公开的半导体集成电路形成上述第一至第七配置中的任一配置的开关调节器的至少一部分，并且具有上部开关和电流提取器(第八配置)。
上述八个配置的半导体集成电路可以进一步包括用于对输出电压进行分压的分压器电路。在上述八个配置的半导体集成电路中，电流提取器可以从在外部装配到半导体集成电路的电感器的第二端子提取恒定电流(第九配置)。
在此公开的电子设备包括根据上述第一至第七配置中的任一配置的开关调节器(第十配置)。
发明的效果
采用在此公开的开关调节器、半导体集成电路和电子设备，可以在开关调节器不执行开关控制的时段期间，防止输出电压增加，同时抑制在低温下效率的降低。
附图说明
图1示出了开关调节器的第一配置示例的图。
图2是上部晶体管和总是处于断开状态的晶体管中的电极布置的示例的俯视图。
图3示出了上晶体管和下晶体管的漏电流的图。
图4是在第一配置示例中的开关电压的时序图。
图5是在比较例中的开关电压的时序图。
图6示出了开关调节器的第二配置示例的图。
图7示出了开关调节器的第三配置示例的图。
图8示出了开关调节器的第四配置示例的图。
图9示出了开关调节器的第五配置示例的图。
图10是在车载导航装置中提供的显示装置的外部视图。
图11是个人计算机的外部视图。
具体实施方式
<第一个配置示例>
图1是示出开关调节器的第一配置示例的图。该配置示例的开关调节器包括半导体集成电路101、电感器L1、输出电容器C1和分压电阻器R1和R2。
半导体集成电路101包括驱动器1、参考电压源2、误差放大器3、斜坡电路4、比较器5和7、振荡器6、上部晶体管Q1，下部晶体管Q2、晶体管Q3至Q5，以及端子T1至T4。上部晶体管Q1和晶体管Q3是P沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。下部晶体管Q2、晶体管Q4和晶体管Q5是N沟道MOSFET。
依照设置信号SET、复位信号RESET和反向电流感测信号Zc，驱动器1生成用于上部MOS晶体管Q1的栅极信号G1和用于下部MOS晶体管Q2的栅极信号G2。
上部晶体管Q1是上部开关的一个示例，该上部开关在导通和切断状态之间切换从端子T1到端子T2的电流路径，输入电压Vin施加到该端子T1。栅极信号G1从驱动器1被馈送到上部晶体管Q1的栅极。当栅极信号G1处于低电平时，上部晶体管Q1接通，并且当栅极信号G1处于高电平时，上部晶体管Q1关断。
下部晶体管Q2是在导通和切断状态之间将从接地的端子T3到端子T2的电流路径进行切换的下部开关的一个示例。栅极信号G2从驱动器1被馈送到下部晶体管Q2的栅极。当栅极信号G2处于高电平时，下部晶体管Q2接通，当栅极信号G2处于低电平时，下部晶体管Q2关断。作为代替下部晶体管Q2，二极管可以用作下部开关。
通过由驱动器1的开关控制，上部晶体管Q1和下部晶体管Q2以互补的方式接通和关断。因此，在驱动器1执行开关控制时，在上部晶体管Q1和下部晶体管Q2之间的连接节点处出现的开关电压Vsw是脉动电压。当上部晶体管Q1和下部晶体管Q2在导通(ON)和断开(OFF)之间切换时，优选提供死区时间，在该死区时间期间上部晶体管Q1和下部晶体管Q2都断开。
电感器L1和输出电容器C1平滑开关电压Vsw以生成输出电压Vout。
分压电阻器R1和R2对输出电压Vout进行分压以生成反馈电压Vfb。
误差放大器3生成与反馈电压Vfb和从参考电压源2输出的参考电压之间的差相称的误差信号Verr。
斜坡电路4与由振荡器6生成的预定频率的时钟信号同步，采用未示出的恒定电流电路、电阻器等对未示出的电容器充电和放电，从而生成并输出三角形或锯齿斜坡电压。还可以通过将与经过电感器L1的电流有关信息反映在斜坡电压上来将开关调节器配置为电流模式控制类型。
比较器5将斜坡电路4的输出电压和误差信号Verr进行比较，以生成作为比较信号的复位信号RESET。斜坡电路4生成的斜坡电压具有固定周期，因此复位信号RESET是PWM(脉宽调制)信号。
振荡器6生成作为预定频率的时钟信号的设置信号SET。
比较器7比较下部晶体管Q2的漏极电压和源极电压，以生成并输出反向电流感测信号Zc。如果正向电流(正常电流)即从端子T3到端子T2的电流经过下部晶体管Q2，则反向电流感测信号Zc变为低电平。另一方面，如果反向电流即从端子T2到端子T3的电流经过下部晶体管Q2，则反向电流感测信号Zc变为高电平。还可以修改在比较器7和下晶体管Q2之间的互连，使得反向电流感测信号Zc具有与在该配置示例中的极性相反的极性。
驱动器1在重负载下执行开关控制。具体地，在重负载下，当设置信号SET从低电平切换到高电平时，驱动器1将栅极信号G1从高电平切换到低电平，并且当复位信号RESET从低电平切换到高电平时，驱动器1将栅极信号G1从低电平切换到高电平。
另一方面，驱动器1在轻负载下(除了紧接在输出电压Vout变得低于预定值之后)停止开关控制。具体地，驱动器1在轻负载下(除了紧接在输出电压Vout变得低于预定值之后)，将栅极信号G1固定在高电平，并且将栅极信号G2固定在低电平。采用这个，在轻负载下(除了紧接在输出电压Vout变得低于预定值之后)，上部晶体管Q1和下部晶体管Q2保持在断开状态。当反向电流感测信号Zc从低电平切换到高电平时，驱动器1判断负载已经从重负载切换到轻负载。
如果驱动器1在不执行开关控制的同时判断输出电压Vout已经变得小于预定值，则它重新开始开关控制。具体地，驱动器1在不执行开关控制的同时，监视从当设置信号SET从低电平切换到高电平时的时间点到当复位信号RESET从低电平切换到高电平时的时间点的时段是否长于或等于阈值。如果时段长于或等于阈值，则驱动器1判断输出电压Vout已经变得小于预定值。在重新开始开关控制后，如果负载较轻，则驱动器1再次停止开关控制，并且如果负载较重，则驱动器1继续开关控制。
停止开关控制消除了开关损耗，因此如上所述操作的该配置示例的开关调节器在轻负载下提供了高效率。
由晶体管Q3至Q5形成的电流提取器是这样一种电路，该电路被提供以在驱动器1不执行开关控制的时段期间，防止输出电压增加，同时抑制在低温下效率的降低。
晶体管Q3是P沟道MOSFET。晶体管Q3的栅极和源极连接到端子T1。因此，晶体管Q3总是处于断开状态，只让漏电流经过。
在该配置示例中，使晶体管Q3的栅极长度和上部晶体管Q1的栅极长度相等，以使得晶体管Q3的漏电流(亚阈值漏电流)基本上与上部晶体管Q1的漏电流(亚阈值漏电流)成比例。另外，在该配置示例中，使晶体管Q3的栅极宽度小于上晶体管Q1的栅极宽度，以使得晶体管Q3的漏电流小于上晶体管Q1的漏电流。为了尽可能地匹配上部晶体管Q1和晶体管Q3的温度，优选将上部晶体管Q1和晶体管Q3布置得彼此靠近。
因此，例如，上部晶体管Q1和晶体管Q3的栅电极Eg、漏电极Ed和源电极Es可以如图2所示布置。在图2所示的布置中，晶体管Q3的栅极长度等于上部晶体管Q1的栅极长度，并且晶体管Q3的栅极宽度是上部晶体管Q1的栅极宽度的1/10；因此，晶体管Q3的漏电流是上部晶体管Q1的漏电流的1/10。
作为N沟道MOSFET的晶体管Q4和Q5构成电流镜电路。由晶体管Q4和Q5形成的电流镜电路从端子T2提取基本上与晶体管Q3的漏电流成比例的恒定电流Ic。设置电流镜电路的镜像比，使得恒定电流Ic的值大于或等于通过从上部晶体管Q1的漏电流中减去下部晶体管Q2的漏电流而获得的值。例如，当晶体管Q3的漏电流是上部晶体管Q1的漏电流的1/10时，如果电流镜电路的镜像比被制成10倍大，则恒定电流Ic的值等于上部晶体管Q1的漏电流，并且如果电流镜电路的镜像比被制成20倍大，则恒定电流Ic的值是上部晶体管Q1的漏电流的两倍大。晶体管Q3的漏电流具有正温度特性，因此恒定电流Ic也具有正温度特性。
在此，缩小具有更大面积的上部晶体管Q1使得上部晶体管Q1的栅极长度更小，因此，例如如图3所示，上部晶体管Q1的漏电流IOFF_Q1变得比下部晶体管Q2的漏电流IOFF_Q2大得多。因此，上部晶体管Q1的小型化更有可能造成一种情况，即在轻负载下，由上部晶体管Q1的漏电流生成的输出电容器C1的充电电流变得大于由下部晶体管Q2的漏电流和负载的消耗电流生成的输出电容器C1的放电电流。从图3可以清楚地看出，当温度高时，上述情况比当温度低时更可能发生。
然而，在该配置示例的开关调节器中，也存在由恒定电流Ic生成的输出电容器C1的放电电流，并且恒定电流Ic的值大于通过从上部晶体管Q1的漏电流中减去下部晶体管Q2的漏电流而获得的值。因此，在轻负载下，输出电容器C1的充电电流从未变得大于电容器C1的总放电电流。因此，如图4所示，在驱动器1不执行开关控制时，开关电压Vsw不增加。因此，在驱动器1不执行开关控制时，该配置示例的开关调节器可以防止输出电压Vout增加。此外，恒定电流Ic具有正温度特性，因此由电流提取器在低温下从端子T2提取的恒定电流Ic不会变得过量。因此，该配置示例的开关调节器可以抑制在低温下效率的降低。
另一方面，如果不同于该配置示例而不提供电流提取器，当出现上述情况时，如图5所示，在驱动器1不执行开关控制时开关电压Vsw增加。随着开关电压Vsw增加，输出电压Vout增加。因此，没有重新开始开关控制，并且不方便的是，输出电压Vout最终变成过电压。
<第二个配置示例>
图6是示出开关调节器的第二配置示例的图。该配置示例的开关调节器具有这样的配置，其中采用半导体集成电路102替换第一配置示例的开关调节器中的半导体集成电路101。半导体集成电路102具有这样的配置，其中将晶体管Q6添加到半导体集成电路101。对于与第一配置示例的特征相类似的该配置示例的特征，将不重复相重叠的描述。
晶体管Q6是N沟道MOSFET。晶体管Q6与晶体管Q4并联连接。驱动器1控制晶体管Q6的ON/OFF状态。具体地，驱动器1在执行开关控制的时段中保持晶体管Q6导通，并且在不执行开关控制的时段中保持晶体管Q6断开。由此，在执行开关控制的时段中，晶体管Q3的漏电流不被供应给由电阻器Q4和Q5形成的电流镜电路，并且不从端子T2提取恒定电流Ic。与第一配置示例相比，这导致执行开关控制的时段中的效率提高。
<第三个配置示例>
图7是示出开关调节器的第三配置示例的图。该配置示例的开关调节器具有这样的配置，其中采用半导体集成电路103替换第二配置示例的开关调节器中的半导体集成电路102。半导体集成电路103具有这样的配置，其中将晶体管Q7添加到半导体集成电路102。对于与第二配置示例的特征相类似的配置示例的特征，将不重复相重叠的描述。
晶体管Q7是P沟道MOSFET。晶体管Q7被提供在晶体管Q3与晶体管Q4和Q6之间。给出具有这样的结构的晶体管Q7，即该晶体管Q7的漏电流小于晶体管Q3的漏电流。
驱动器1控制晶体管Q7的ON和OFF。具体地，驱动器1在执行开关控制的时段中保持晶体管Q7断开，并且在不执行开关控制的时段中保持晶体管Q7导通。由此，可以使在执行开关控制的时段中经过晶体管Q6的电流小于在第一配置示例中的电流。与第二配置示例相比，这导致在执行开关控制的时段中的效率提高。
<第四个配置示例>
图8是示出开关调节器的第四配置示例的图。该配置示例的开关调节器具有这样的配置，其中采用半导体集成电路104替换第一配置示例的开关调节器中的半导体集成电路101并且输出电压Vout被施加到半导体集成电路104的端子T5，这将在后面描述。半导体集成电路104具有这样的配置，其中端子T5被添加到半导体集成电路101并且晶体管Q5的漏极的连接目的地从端子T2改变到端子T5。对于与第一配置示例的特征相类似的配置示例的特征，将不重复相重叠的描述。
在该配置示例的开关调节器中，与第一配置示例的开关调节器不同，由晶体管Q4和Q5构成的电流镜电路从端子T5而不是从端子T2提取恒定电流Ic。该配置示例的开关调节器提供与第一配置示例的开关调节器类似的效果。与第一配置示例的开关调节器相比，该配置示例的开关调节器在半导体集成电路中具有更大量的端子。
<第五个配置示例>
图9是示出开关调节器的第五配置示例的图。该配置示例的开关调节器具有这样的配置，其中采用半导体集成电路105替换第四配置示例的开关调节器中的半导体集成电路104并且分压电阻器R1和R2被并入半导体集成电路105中。半导体集成电路105具有这样的配置，其中将分压电阻器R1和R2添加到半导体集成电路104并且将端子T4从半导体集成电路104移除。对于与第四配置示例的特征相类似的配置示例的特征，将不重复相重叠的描述。
在该配置示例中，分压电阻器R1和R2被并入半导体集成电路105中，因此由分压电阻器R1和R2形成的分压器电路的分压比是半导体集成电路105特有的。该配置示例的开关调节器提供与第四配置示例的开关调节器类似的效果。在该配置示例的开关调节器中，与第四配置示例的开关调节器不同，可以使半导体集成电路中的端子数量等于在第一配置示例的开关调节器中的端子数量。
<开关调节器的应用示例>
上述开关调节器可以用作例如用于向车载导航装置X1中的CPU(未示出)供应供电电压的电力供应装置。车载导航装置X1包括显示导航信息的显示装置。显示装置的显示面板X11被提供在车辆的驾驶室的前部(参见图10)。
如上所述的开关调节器也可以用作例如电力供应装置，以用于向在个人计算机X2中的CPU(未示出)供应供电电压，如图11所示。
<注意点>
在此公开的各种技术特征可以以与上述实施例中的方式不同的任何其他方式来实施，并允许在其技术独创性的精神内进行许多修改和变化。
例如，在上述实施例中，P沟道MOSFET用作上部开关。相反，具有正温度特性的漏电流的任何其他开关都可以用作上部开关。
对于另一个示例，与上述实施例不同，也可以使用生成具有基本上为零温度特性的恒定电压的恒定电压源和连接到恒定电流源并具有负温度特性的电阻器，而不是晶体管Q3。
在上述实施例中，基于反向电流感测信号Zc，判断负载已经从重负载切换到轻负载。相反，可以使用任何其他的判断方法。例如，可以监视经过电感器L1的电流，使得当经过电感器L1的电流的平均值变得低于预定值时，可以判断负载已经从重负载切换到轻负载。
在上述实施例中，基于设置信号SET和复位信号RESET，判断输出电压Vout已经变得小于预定值。相反，可以使用任何其他的判断方法。例如，可以提供比较反馈电压Vfb和恒定电压的比较器，使得可以从比较器的输出判断输出电压Vout已经变得小于预定值。
可以将与从第一配置示例到第二配置示例的修改相类似的修改应用于第四配置示例，并且也可以将与从第一配置示例到第二配置示例的修改相类似的修改应用于第五配置示例。
上述实施例应该理解为在各个方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围不是由上面给出的实施例的描述来限定的，而是由所附权利要求来限定的，并且应该被理解为包括在与权利要求的意义和范围等同的意义和范围中做出的任何修改。
工业的可实用性
本发明可应用于在任何领域(电气设备、汽车、工业机械等领域)中使用的开关调节器。
符号的说明
1 驱动器
2 参考电压源
3 误差放大器
4 斜坡电路
5、7 比较器
6 振荡器
101-105 半导体集成电路
C1 输出电容器
Eg 栅极电极
Ed 漏极电极
Es 源极电极
L1 电感器
R1、R2 分压电阻
Q1 上部晶体管
Q2 下部晶体管
Q3-Q7 晶体管
T1-T5 端子
X1 车载导航装置
X11 显示面板
X2 个人计算机

Claims (10)

1.一种开关调节器，用于从输入电压生成输出电压，所述开关调节器包括：
上部开关，其第一端子连接到第一施加端子，所述输入电压被施加到所述第一施加端子；
下部开关，其第一端子连接到上部开关的第二端子，并且所述下部开关的第二端子连接到第二施加端子，低于所述输入电压的预定电压被施加到所述第二施加端子；
电感器，其第一端子连接到在所述上部开关和所述下部开关之间的连接节点；
输出电容器，其连接到所述电感器的第二端子；
控制器，用于根据所述输出电压生成用于互补地接通和关断所述上部开关和所述下部开关的控制信号；以及
电流提取器，用于从所述电感器的第一端子或第二端子提取恒定电流，其中
所述控制器用于，在轻负载下，停止开关控制并且将所述上部开关和所述下部开关保持在断开状态，并且
所述恒定电流具有正温度特性，并且所述恒定电流的值大于通过从所述上部开关的漏电流中减去所述下部开关的漏电流而获得的值。
2.根据权利要求1所述的开关调节器，其中，所述上部开关是MOSFET。
3.根据权利要求1或2所述的开关调节器，其中，所述电流提取器用于在所述控制器执行开关控制的时段期间，不从所述电感器的第一端子或第二端子提取所述恒定电流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关调节器，其中
所述电流提取器包括
始终处于断开状态的晶体管，以及
恒定电流发生器，用于生成基本上与所述晶体管的漏电流成比例的所述恒定电流，并且
所述晶体管的漏电流基本上与所述上部开关的漏电流成比例。
5.根据权利要求4所述的开关调节器，其中，所述晶体管的漏电流小于所述上部开关的漏电流。
6.根据权利要求4或5所述的开关调节器，其中，所述恒定电流发生器用于在所述控制器执行开关控制的时段期间不生成所述恒定电流。
7.根据权利要求6所述的开关调节器，其中，在所述控制器执行开关控制的时段期间，所述晶体管的漏电流没有被供应给所述恒定电流发生器。
8.一种半导体集成电路，其形成根据权利要求1至7中任一项所述的开关调节器的至少一部分，其中所述半导体集成电路具有所述上部开关和所述电流提取器。
9.根据权利要求8所述的半导体集成电路，进一步包括分压器电路，所述分压器电路用于对所述输出电压进行分压，其中所述电流提取器从在外部装配到所述半导体集成电路的所述电感器的第二端子提取所述恒定电流。
10.一种电子设备，包括根据权利要求1至7中任一项所述的开关调节器。
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