CN109417349A - 开关调节器 - Google Patents

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Abstract

一种开关调节器控制电路，具有：斜坡电路3，用于基于规定频率的时钟信号CLK生成斜坡电压VSLP；误差放大器1，用于生成误差信号Vc，该误差信号Vc与参考电压VREF和电压VFB之间的差值对应，其中电压VFB与开关调节器的输出电压对应；比较器4，用于比较误差信号Vc与斜坡电压VSLP；以及RS触发器6，基于时钟信号CLK置位并由比较器4输出的信号复位。相对于斜坡电压VSLP的倾斜开始的定时延迟置位RS触发器6的定时。

Description

开关调节器
技术领域
本发明涉及电源设备，并且尤其涉及开关调节器。
背景技术
开关调节器广泛用于各种电子装置中，以向电子装置内部使用的电子电路供应适当的电压。每个开关调节器都具有开关调节器控制电路，该电路生成用于控制开关元件的接通/关断的开关信号。
作为用于开关调节器控制电路的控制方法，广泛使用PWM控制方法(例如，参见专利文献1)。在采用PWM控制方法的开关调节器控制电路中，锁存部分由时钟信号置位，并由PWM(脉冲宽度调制)信号复位，PWM信号是误差信号与斜坡电压之间的比较结果，并且从锁存部分输出开关信号。
引文列表
专利文献
[专利文献1]日本专利申请公开No.2010-220355
发明内容
技术问题
但是，遗憾的是，采用常规PWM控制方法的开关调节器控制电路不能充分缩短从锁存部分输出的开关信号的最小脉冲宽度或最小接通时间。因此，在具有采用常规PWM控制方法的开关调节器控制电路的步降开关调节器中，不可能使可以步降到输出电压的目标值的这些输入电压的范围的最大值足够大。
鉴于这种情况做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种采用PWM控制方法并且能够缩短最小接通时间的开关调节器控制电路，以及包括这种开关调节器控制电路的开关调节器和车辆。
对问题的解决方案
本文公开的开关调节器控制电路包括：斜坡电压发生器，被配置为基于预定频率的时钟信号生成斜坡电压；误差放大器，被配置为生成误差信号，该误差信号与对应于开关调节器的输出电压的电压与参考电压之间的差值对应；第一比较器，被配置为将斜坡电压与误差信号进行比较；以及锁存部分，被配置为基于时钟信号置位并由第一比较器的输出信号复位。在这里，相对于斜坡电压的倾斜开始的定时延迟置位锁存部分的定时(第一配置)。
具有第一配置的开关调节器控制电路还可以包括延迟部分，时钟信号被馈送到该延迟部分，并且延迟部分的输出信号可以被馈送到锁存部分的置位端子(第二配置)。
在具有第二配置的开关调节器控制电路中，延迟部分可以是第二比较器，其被配置为将时钟信号与预定电压进行比较(第三配置)。
在具有第三配置的开关调节器控制电路中，预定电压可以是误差信号(第四配置)。
在具有第三配置的开关调节器控制电路中，预定电压可以是恒定电压(第五配置)。
在具有第一至第五配置中的任何一个配置的开关调节器控制电路中，斜坡电压发生器可以接收由电流检测器执行的检测结果，该电流检测器被配置为检测在开关调节器中提供的电感器中流动的电流，并且斜坡电压可以是与由电流检测器执行的检测结果对应的电压(第六配置)。
在具有第一配置的开关调节器控制电路中，锁存部分可以在时钟信号从低电平反转为高电平的第一反转定时和时钟信号从高电平反转为低电平的第二反相定时之一处被置位，并且斜坡电压的倾斜可以在第一反转定时和第二反转定时中的另一个处开始(第七配置)。
本文公开的开关调节器包括：开关调节器控制电路，具有第一至第七配置中的任何一个；以及开关元件，被配置为通过开关调节器控制电路接通/关断(第八配置)。
本文公开的车辆具有：具有第八配置的开关调节器；以及电池，被配置为向开关调节器供电(第九配置)。
发明的有益效果
根据本文公开的采用PWM控制方法的开关调节器控制电路，以及包括其的开关调节器和车辆，可以缩短开关信号的最小脉冲宽度或最小接通时间。
附图说明
图1是图示开关调节器的第一实施例的配置的图；
图2是图示开关调节器的比较例的配置的图；
图3是图示图1和图2中所示的开关调节器的操作的时间图；
图4是图示图1和图2中所示的开关调节器的操作的修改例的时间图；
图5是图示开关调节器的第二实施例的配置的图；
图6是图示开关调节器的第三实施例的配置的图；
图7是图示结合车载装置的车辆的结构示例的外观图；以及
图8是图示图2中所示的开关调节器的操作的另一个修改例的时间图。
具体实施方式
<第一实施例>
图1是图示第一实施例的开关调节器的配置的图。根据第一实施例的开关调节器101是步降开关调节器，并且包括半导体集成电路封装P11、MOS晶体管Q1和Q2、电感器L1、输出电容器C1、输出电阻器R0、分压电阻器R1和R2以及电流检测电阻器Ra。
MOS晶体管Q1是N沟道型MOS晶体管，并且是用于在从输入电压VIN施加到的输入电压应用端子引出到电感器L1的一个端子的电流路径的导通状态与截止状态之间切换的开关的示例。MOS晶体管Q1的漏极连接到输入电压VIN施加到的输入电压应用端子。MOS晶体管Q1的源极连接到电感器L1的这一个端子和MOS晶体管Q2的漏极。
MOS晶体管Q2是N沟道型MOS晶体管，并且是用于在从接地端子引出到电感器L1的这一个端子的电流路径的导通状态与截止状态之间切换的开关的示例。如上面所提到的，MOS晶体管Q2的漏极连接到电感器L1的这一个端子和MOS晶体管Q1的源极。MOS晶体管Q2的源极连接到接地端子。在这里，可以使用二极管代替MOS晶体管Q2。
电感器L1的另一端经由电流检测电阻器Ra连接到输出电压VOUT施加到的输出电压应用端子。
输出电容器C1是平滑电容器，用于减小输出电压VOUT中的纹波。输出电压VOUT经历由输出电容器C1和输出电阻器R0组成的相位补偿电路执行的相位补偿。
分压电阻器R1和R2对输出电压VOUT进行分压，从而生成反馈电压VFB，并且反馈电压VFB被供应给半导体集成电路封装P11。
半导体集成电路封装P11包括开关调节器控制电路和驱动器7。开关调节器控制电路由误差放大器1、参考电压源2、电阻器R3、电容器C2、斜坡电路3、比较器4和5、RS触发器6、电流检测放大器SA1和振荡器OSC1组成，并生成用于控制MOS晶体管Q1和Q2的接通/关断的开关信号SW。
振荡器OSC1生成预定频率(例如，2MHz)的时钟信号CLK。电流检测放大器SA1通过放大电流检测电阻器Ra的端子两端的电位来生成信息信号INF。信息信号INF是具有在电感器L1中流动的电流的电流信息的信号。
误差放大器1生成与反馈电压VFB与从参考电压源2输出的参考电压VREF之间的差值对应的误差信号。误差信号经历由电阻器R3和电容器C2组成的相位补偿电路执行的相位补偿。
基于时钟信号CLK来控制斜坡电路3，接收从电流检测放大器SA1输出的信息信号INF，从而获得电感器L1的电流信息，并生成斜坡电压VSLP以输出，在该斜坡电压中反映了电感器L1的电流信息。具体而言，每当时钟信号CLK从高电平切换到低电平时，斜坡电路3初始化斜坡电压VSLP并使该时间成为斜坡电压VSLP的倾斜开始的定时。以这种方式，开关调节器101用作所谓的电流模式控制开关调节器。在本实施例中，电感器L1的电流信息反映在斜坡电压VSLP的斜率中，但是电感器L1的电流信息可以代替地反映在斜坡电压VSLP的偏移量中。
比较器4将已经历相位补偿的误差信号Vc与斜坡电压VSLP进行比较，从而生成复位信号，该复位信号是比较信号。斜坡电压VSLP具有固定的周期，因此复位信号是PWM信号。在斜坡电压VSLP大于已经历相位补偿的误差信号Vc的情况下，复位信号处于高电平，而当斜坡电压VSLP等于或小于已经历相位补偿的误差信号Vc时，复位信号处于低水平。但是，在比较器4中，从已经历相位补偿的误差信号Vc与斜坡电压VSLP之间的电平关系切换的时间到输出信号(复位信号)的电平切换的时间存在不可避免的延迟。
比较器5将已经历相位补偿的误差信号Vc与时钟信号CLK进行比较，从而生成置位信号，该置位信号是比较信号。当时钟信号CLK大于已经历相位补偿的误差信号Vc时，置位信号变为高电平，而当时钟信号CLK等于或小于已经历相位补偿的误差信号Vc时，置位信号变为低水平。但是，在比较器5中，从已经历相位补偿的误差信号Vc与时钟信号CLK之间的电平关系切换的时间直到输出信号(置位信号)的电平切换的时间存在不可避免的延迟。
从比较器4输出的复位信号被供应给RS触发器6的复位端子，并且从比较器5输出的置位信号被供应给RS触发器6的置位端子。
当置位信号从高电平切换到低电平时，RS触发器6将开关信号SW从低电平切换到高电平，并且当复位信号从低电平切换到高电平时，RS触发器将开关信号SW从高电平切换到低电平。切换信号SW从RS触发器6的反相输出端子输出。
驱动器7基于开关信号SW生成MOS晶体管Q1的栅极信号G1和MOS晶体管Q2的栅极信号G2，用栅极信号G1驱动MOS晶体管Q1，并用栅极信号G2驱动MOS晶体管Q2。因此，MOS晶体管Q1和Q2互补地接通/关断；当开关信号SW处于高电平时，在MOS晶体管Q1和Q2之间的连接点处生成的开关电压VSW变为高电平，而当开关信号SW处于低电平时，开关电压VSW变为低电平。在这里，优选的是，在MOS晶体管Q1和Q2接通/关断时，提供死区时间，在此期间MOS晶体管Q1和Q2都关断。
<第一实施例与比较例之间的比较>
接下来，将根据上述第一实施例的开关调节器101与根据图2所示的比较例的开关调节器100进行比较。
根据第一实施例的开关调节器101与根据比较例的开关调节器100仅在半导体集成电路封装的配置方面彼此不同。具体而言，根据比较例的开关调节器100中的半导体集成电路封装P10具有通过从根据第一实施例的开关调节器101中的半导体集成电路封装P11中移除比较器5而获得的配置。因而，在根据比较例的开关调节器100中，时钟信号CLK被供应给RS触发器6的置位端子。
图3是图示根据第一实施例的开关调节器101的操作和根据比较例的开关调节器100的操作的时间图。
在根据比较例的开关调节器100中，由于比较器4处的延迟，开关信号SW从已经历相位补偿的误差信号Vc与斜坡电压VSLP之间的电平关系切换的时间点t1开始从高电平切换到低电平，具有由图3中的双阴影线部分指示的量的延迟，使得斜坡电压VSLP变为大于已经历相位补偿的误差信号Vc。即，在根据比较例的开关调节器100中，开关信号SW具有宽由图3中的双阴影线部分所指示的量的脉冲宽度，因此不可能缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间。
在根据第一实施例的开关调节器101中，与根据比较示例的开关调节器100一样，由于比较器4处的延迟，从已经历相位补偿的误差信号Vc与斜坡电压VSLP之间的电平关系切换的时间点t1开始开关信号SW也从高电平切换到低电平，具有由图3中的双阴影线部分指示的量的延迟，使得斜坡电压VSLP变为大于已经历相位补偿的误差信号Vc。
但是，在根据第一实施例的开关调节器101中，由于比较器5处的延迟，开关信号SW从已经历相位补偿的误差信号Vc与时钟信号CLK之间的电平关系切换时间点t0开始从低电平切换到高电平，具有由图3中的对角阴影线部分指示的量的延迟，使得时钟信号CLK变为等于或小于已经历相位补偿的误差信号Vc。因而，在根据第一实施例的开关调节器101中，可以将开关信号SW的脉冲宽度增加由图3中的双阴影线部分指示的量减小由图3中的对角阴影线部分指示的开关信号的脉冲宽度的减小量。由此，可以缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间。
在根据第一实施例的开关调节器101和根据比较例的开关调节器100中的每一个中，可以改变斜坡电路3的操作和RS触发器6的操作。具体而言，斜坡电路3使得时钟信号CLK从低电平切换到高电平的每个时间是初始化斜坡电压VSLP并开始倾斜斜坡电压VSLP的定时。而且，RS触发器6在置位信号从低电平切换到高电平时将开关信号SW从低电平切换到高电平，并且当复位信号从低电平切换到高电平时将开关信号SW从高电平切换到低电平。
在如上所述改变斜坡电路3的操作和RS触发器6的操作的情况下，根据第一实施例的开关调节器101和根据比较例的开关调节器100操作如图4的时间图中所示。在如上所述改变斜坡电路3的操作和RS触发器6的操作的情况下，在根据第一实施例的开关调节器101中，可以将开关信号SW的脉冲宽度增加由图4中的双阴影线部分指示的量减小由图4中的对角阴影线部分指示的开关信号SW的脉冲宽度的减小量。由此，可以缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间。
<第二实施例>
图5是图示开关调节器的第二实施例的配置的图。根据第二实施例的开关调节器102和根据第一实施例的开关调节器101仅在半导体集成电路封装的配置方面彼此不同。
根据第二实施例的开关调节器102中的半导体集成电路封装P12与根据第一实施例的开关调节器101中的半导体集成电路封装P11仅在要由比较器5与时钟信号CLK进行比较的电压方面彼此不同。
在半导体集成电路封装P11中，比较器5将时钟信号CLK与已经历相位补偿的误差信号Vc进行比较，但是在半导体集成电路封装P12中，比较器5将恒定电压Va与时钟信号CLK进行比较。恒定电压Va可以在半导体集成电路封装P12内部生成，或者可以在半导体集成电路封装P12外部生成，然后供应给半导体集成电路封装P12。与使用误差信号Vc的情况一样，调节恒定电压Va的值，使得当时钟信号CLK处于低电平时，比较器5的输出信号变为低电平，并且当时钟信号CLK处于高电平时，比较器5的输出信号变为高电平。在这里，假定当时钟信号CLK处于低电平时比较器5的输出信号变为低电平，并且当时钟信号CLK处于高电平时比较器5的输出信号变为高电平，可以使用可变电压代替恒定电压Va。
与根据第一实施例的开关调节器101一样，在根据第二实施例的开关调节器102中，可以将由于比较器4处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的增加减小由于比较器5处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的减小量。由此，可以缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间。
但是，在根据第二实施例的开关调节器102中，已经历相位补偿的误差信号Vc由比较器4与斜坡电压VSLP进行比较，并且恒定电压Va由比较器5与时钟信号CLK进行比较；即，比较器4和比较器5在不同的操作点操作。另一方面，在根据第一实施例的开关调节器101中，已经历相位补偿的误差信号Vc由比较器4与斜坡电压VSLP进行比较，并且已经历相位补偿的误差信号Vc由比较器5与时钟信号CLK进行比较；即，比较器4和比较器5在相同的操作点操作。这使得，在增加由于比较器4处的延迟而引起的开关信号SW的脉冲宽度的增加量与由比较器5处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的减小量之间的一致程度方面，根据第一实施例的开关调节器101优于根据第二实施例的开关调节器102。
<第三实施例>
图6是图示开关调节器的第三实施例的配置的图。根据第三实施例的开关调节器103与根据第一实施例的开关调节器101仅在半导体集成电路封装的配置方面彼此不同。
根据第三实施例的开关调节器103的半导体集成电路封装P13与根据第一实施例的开关调节器101的半导体集成电路封装P11彼此的不同之处在于半导体集成电路封装P11中使用的比较器5由半导体集成电路封装P13中的延迟电路8代替。
延迟电路8以一定的延迟输出时钟信号CLK。对延迟电路8的电路配置没有特别限制，并且，例如，可以使用常用的CR延迟电路作为延迟电路8。延迟电路8处的延迟量被调节为接近比较器4处的延迟量。
在根据第三实施例的开关调节器103中，可以将由于比较器4处的延迟而引起的开关信号SW的脉冲宽度的增加量减小由延迟电路8的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的减小量。由此，可以缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间。虽然它取决于延迟电路8被如何精确地构建，但一般而言，由于比较器4处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的增加量与由于比较器5处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的减小量之间的一致程度高于由于比较器4处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的增加量与由于延迟电路8处的延迟引起的开关信号SW的脉冲宽度的减小量之间的一致程度。
<用途>
接下来，将描述用于上述开关调节器101至103的示例。图7是图示结合车载装置的车辆的结构示例的外观图。具有本结构的车辆X在其中安装有电池(未示出)、向其馈送从电池供应的直流电压的主开关调节器(未示出)、向其馈送从主开关调节器输出的直流电压的辅助开关调节器(未示出)，以及车载装置X11至X17。主开关调节器直接由电池供电，而辅助开关调节器间接地由电池供电(经由主开关调节器)。上述开关调节器101至103均适用于主开关调节器或辅助开关调节器。
车载装置X11至X17均使用主开关调节器或辅助开关调节器的输出电压作为电源电压。
车载装置X11是引擎控制单元，其执行引擎相关的控制(包括喷射控制、电子节气门控制、怠速控制、氧传感器加热器控制和自动巡航控制)。
车载装置X12是灯控制单元，其执行HID[高强度放电灯]、DRL[日间行车灯]等的接通/关断控制。
车载装置X13是传输控制单元，其执行与传输相关的控制。
车载装置X14是车身控制单元，其执行与车辆X的移动相关的控制(包括ABS[防抱死制动系统]控制、EPS[电动助力转向]控制和电子悬架控制)。
车载装置X15是安全控制单元，其执行门锁，安全警报等的驱动控制。
车载装置X16是作为标准装备或汽车制造商的选项装备在工厂装运阶段内置于车辆X中的电子装置，诸如雨刮器、电动车门后视镜、电动车窗、电动天窗、电动座椅、空调等。
车载装置X17是根据用户期望安装在车辆X中的电子装置，诸如车辆A/V[音频/视频]装置、汽车导航系统、ETC[电子收费系统]等。
<其它修改例>
除了上述实施例之外，还可以在不脱离本发明的精神的情况下对本发明的配置添加各种修改。
例如，上述实施例已经以步降开关调节器为例，但是开关调节器可以替代地是递升开关调节器或递升/步降开关调节器。
在上述实施例中描述的开关调节器101至103均包括时钟信号CLK被馈送到的延迟部分(比较器5或延迟电路8)，但是它们可以替代地是这样的开关调节器，其被配置为使得，在没有提供延迟部分的情况下，相对于斜坡电压的倾斜开始的定时延迟置位锁存部分的定时。
例如，通过根据图2中所示的比较例改变开关调节器100中的斜坡电路3的操作和RS触发器6的操作，可以获得其中相对于斜坡电压的倾斜开始的定时延迟置位锁存部分(RS触发器6)的定时的配置。因此，为方便起见，其中改变RS触发器6的操作的开关调节器100将被称为开关调节器100'。
在开关调节器100'中，每次当时钟信号CLK从低电平切换到高电平时，斜坡电路3被初始化并且斜坡电压VSLP的倾斜开始。另外，当置位信号从高电平切换到低电平时，RS触发器6将开关信号SW从低电平切换到高电平，并且当复位信号从低电平切换到高电平时，RS触发器6将开关信号SW从高电平切换到低电平。这使得开关调节器100'可以缩短开关信号SW的最小脉冲宽度或最小接通时间，如图8中所示。要注意的是，在图8中被示为比较例的开关调节器100的开关信号SW与图4中所示的开关调节器100的开关信号SW相同。
因此，应当认为上述实施例在所有方面都是示例而不是限制，并且本发明的技术范围不是由上述实施例的描述而是由权利要求和在权利要求范围内的所有修改来指示的，并且覆盖与权利要求等同的含义。
工业适用性
本发明可以用于所有领域(家用电器领域、汽车领域、工业机械领域等)中使用的开关调节器。
标号列表
1 误差放大器
2 参考电压源
3 斜坡电路
4、5 比较器
6 RS触发器
7 驱动器
100、100'、101至103 开关调节器
C1 输出电容器
C2 电容器
L1 电感器
OSC1 振荡器
P10至P13 半导体集成电路封装
Q1、Q2 MOS晶体管
R0 输出电阻
R1、R2 分压电阻器
R3 电阻器
Ra 电流检测电阻器
SA1 电流检测放大器
X 车辆
X11至X17 车载装置

Claims (9)

1.一种开关调节器控制电路，包括：
斜坡电压发生器，被配置为基于预定频率的时钟信号生成斜坡电压；
误差放大器，被配置为生成误差信号，所述误差信号与对应于开关调节器的输出电压的电压和参考电压之间的差值对应；
第一比较器，被配置为将所述斜坡电压与所述误差信号进行比较；以及
锁存部分，被配置为基于所述时钟信号置位并由所述第一比较器的输出信号复位，
其中
相对于所述斜坡电压的倾斜开始的定时延迟置位所述锁存部分的定时。
2.如权利要求1所述的开关调节器控制电路，还包括延迟部分，所述时钟信号被馈送到所述延迟部分，
其中
所述延迟部分的输出信号被供应给所述锁存部分的置位端子。
3.如权利要求2所述的开关调节器控制电路，
其中
所述延迟部分是第二比较器，被配置为将所述时钟信号与预定电压进行比较。
4.如权利要求3所述的开关调节器控制电路，
其中
所述预定电压是所述误差信号。
5.如权利要求3所述的开关调节器控制电路，
其中
所述预定电压是恒定电压。
6.如权利要求1至5中任一项所述的开关调节器控制电路，其中
所述斜坡电压发生器接收由电流检测器执行的检测结果，所述电流检测器被配置为检测在所述开关调节器中提供的电感器中流动的电流，以及
所述斜坡电压是与由所述电流检测器执行的所述检测结果对应的电压。
7.如权利要求1所述的开关调节器控制电路，
其中
所述锁存部分在所述时钟信号从低电平反转为高电平的第一反转定时和所述时钟信号从高电平反转为低电平的第二反转定时之一处被置位，以及
所述斜坡电压的倾斜在所述第一反转定时和所述第二反转定时中的另一个处开始。
8.一种开关调节器，包括：
如权利要求1至7中任一项所述的开关调节器控制电路；以及
开关元件，被配置为通过所述开关调节器控制电路接通/关断。
9.一种车辆，包括：
如权利要求8所述的开关调节器；以及
电池，被配置为向所述开关调节器供电。
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