CN1458740A - 改善了输出电压响应性的电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置，其具有输出电容，在将指令电压向降低方向变更时，可以快速产生与变更后的指令电压对应的输出电压。包括对指令电压(Vdac)与输出电压(Vo)进行比较、获得与指令电压对应的输出电压(Vo)那样进行动作的开关电源部(10)和在该电源部的输出侧上连接的输出电容(Co)，将指令电压与输出电压进行比较，当指令电压比输出电压低时，使输出电容的电荷放电。

Description

改善了输出电压响应性的电源装置

技术领域

本发明涉及一种改善了指令电压变更时的输出电压响应性的电源装置。

背景技术

作为将电源电压变换成比其低的电压后输出的电源装置，广泛使用具有高效率的开关电源装置。该开关电源装置，为了对开关中出现的输出电压的断续进行平滑，在其输出侧设置平滑线圈同时设置作为平滑用的输出电容。

该平滑线圈和输出电容，在负载急变时造成输出电压响应的延缓。对这种延缓进行了改善的电源装置，例如在特開平10-98874号公报中有公示。

图1是表示这种现有技术的改善了响应延缓的电源装置的整体构成的概略图。在图1中，开关电源电路部1，对于电池等电源B的电源电压Vin，根据内部的基准电压(图中未画出)和输出电压Vo之间的比较结果，进行开关，变换成规定的幅度的脉冲输出。该脉冲输出由平滑线圈Lo、输出电容Co平滑后，向负载3供给规定的输出电压。二极管D为续流用二极管。

如果该负载3急剧增加，输出电压Vo降低。降低后的输出电压Vo，为了补偿恢复规定的设定电压时的延迟，与开关电源电路部1并列设置续流电源电路部2。这样，当由于负载激增造成输出电压Vo降低时，通过续流电源电路部2可以快速供给电流，可以在比较短的延迟时间使输出电压Vo恢复到规定的值。

在这种现有技术的电源装置中，在恒定基准电压下使用时即使负载急剧变化也可以没有延迟快速响应恢复电压。但是，在改变基准电压而可以变更输出电压的情况下，由于续流电源电路部2只有电流供给能力，在现有技术的电源装置中不能使输出电压迅速下降。

图2表示其放电的时间曲线。如图2(a)所示，在时刻t1如果将基准电压Vref1变更到比其低的基准电压Vref2，由于负载3的放电延迟、和平滑线圈引起的反电势，电流Io如图2(c)所示逐渐减少。输出电压Vo如图2(b)所示，从变更前的输出电压Vo1经过一段时间缓慢降低下来。然后，在经过时间T2所表示的时间之后，才变成与变更后的基准电压Vref2对应的输出电压Vo2。此外，图2(c)的电流波形的周期与输出开关晶体管的开关动作对应。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种在具有输出电容的电源装置中，在可以改变输出电压的设定的情况下可以快速转移到变更后的设定输出电压的电源装置。

本发明之1的电源装置，包括将为设定输出电压值的指令电压和与输出电压对应的反馈电压进行比较、获得与上述指令电压对应的输出电压那样动作的电源电路部、在该电源电路部的输出侧上连接的输出电容、将上述指令电压和上述反馈电压进行比较、根据其比较结果使上述输出电容的充电电荷放电、使上述输出电压快速跟踪上述指令电压的变更的输出电压设定辅助电路部。

依据不本发明之1的电源装置，在将指令电压变更成低的电压时，输出电压设定辅助电路部，为了形成与变更后的指令电压对应的输出电压，使输出电容的充电电荷放电。因此，输出电压可以快速变成与变更后的指令电压对应的电压。

又，本发明之2的电源装置，是在本发明之1的电源装置中，上述电源电路部是开关电源电路部，其电源电路部的输出点是在电源电压与接地之间串连连接的输出晶体管的连接点，在该连接点与上述输出电容之间具有平滑线圈。

依据该电源装置，在增高输出电压时，开关电源部的驱动能力增高，在输出电压降低时，由于通过本发明的输出电压设定辅助电路部在平滑线圈的输出侧变更输出电压，可以高速切换输出电压。

又，本发明之3的电源装置，是在本发明之1或2的电源装置中，上述输出电压设定辅助电路部，包括对上述指令电压与所示反馈电压的2个输入进行比较的比较器、与上述输出电容并联连接的由上述比较器的输出驱动成导通状态的开关。

依据该电源装置，与输出电容并联设置开关，根据2个输入的比较结果使开关导通，可以正确并且容易实施到规定的电压电平的放电。

又，本发明之4的电源装置，是在本发明之3的电源装置中，使上述2个输入的任一个，成为具有上述指令电压侧相对增高的极性的偏置电压的输入。

依据该电源装置，在输出电压达到指令电压和偏置电压之和的时刻，开关开始截止动作。通过适当设定该偏置电压，可以防止放电时的输出电压出现负尖锋，可以在最短时间将输出电压设定到设定值。

又，本发明之5的电源装置，是在本发明之4的电源装置中，以及权利要求7的电源装置，是在本发明之3的电源装置中，上述比较器构成为当上述2个输入的差越大时其变换速率越高。

依据该电源装置，由于2个输入的差越大比较器的变换速率越高，比较器输出可以快速上升，加快放电动作。

又，本发明之6的电源装置，是在本发明之5的电源装置中，以及本发明之8的电源装置，是在本发明之7的电源装置中，上述比较器包括对上述2个输入进行差动放大的电流动作型差动放大器、和根据上述2个输入的差增加上述差动放大器的动作电流的互导放大器。

依据该电源装置，通过在差动放大器上附加互导放大器，可以实现根据2个输入的差改变变换速率的比较器。

附图说明

图1是表示现有技术的电源装置的整体构成概略图。

图2是表示现有技术的电源装置的动作特性图。

图3是表示本发明第1实施方案的电源装置的整体构成图。

图4是表示图3的电源装置的动作特性图。

图5是表示说明图3的电源装置的偏置电压的作用的图。

图6是表示本发明第2实施方案的、可改变的转换速度的运算放大器的构成。

图7是表示采用图6的运算放大器的gm放大器的构成图

图8是表示采用图6的运算放大器后的电源装置的动作特性图。

具体实施方案

图3表示本发明第1实施方案的电源装置的整体构成图。又，图4以及图5表示说明其动作的图。

在图3中，开关DC/DC电源电路部10，具有在电源电压Vin和接地之间串联连接N型MOS晶体管(以下称为N型晶体管)Q1和N型晶体管Q2所构成的开关电路。又，开关DC/DC电源电路部10包括误差放大器OP2、振荡器11、比较器Comp、驱动器12。误差放大器OP2，在其非反相输入端子(+)上输入指令电压Vdac，在其反相输入端子(-)上反馈输入输出电压Vo或者与其成比例的电压，对其差进行放大后输出。

振荡器11产生高频(例如数kHz～数十kHz)三角波信号等的振荡输出。比较器Comp，在非反相输入端子(+)上输入振荡器11的振荡输出，在反相输入端子(-)上输入误差放大器OP2的误差输出，输出其比较结果。驱动器12，输入比较器Comp的比较结果，根据其输出，使N型晶体管Q1和N型晶体管Q2相互处于相反状态那样进行导通·截止开关控制。

其开关电路的输出，即N型晶体管Q1、Q2的串连连接点的输出，由平滑线圈L0和输出电容Co进行平滑。该输出电容Co的充电电压作为输出电压Vo，向负载30供给。

输出电压指令电路部20，由运算放大器OP1、电阻R1以及根据数字输入信号Din变更电阻值的电阻R2所构成。在运算放大器OP1的非反相输入端子上施加的基准电压Vref为恒定值，通过变更数字输入信号Din改变电阻R2的值，来变更所输出的指令电压Vdac。

输出电压设定辅助电路部40，是为了使输出电容Co的充电电荷放电的电路。该输出电压设定辅助电路部40，由与输出电容Co并联连接的N型晶体管Q3、具有反相输出的运算放大器OP3所构成的比较器、偏置电压Voff的偏置电压源41所构成。在运算放大器OP3的非反相输入端子上在指令电压Vdac上加上了偏置电压Voff后的电压，而在其反相输入端子上输入输出电压Vo，即N型晶体管Q3的漏极电压。此外，偏置电压源41也可以以相反的极性设置在反相输入端子上。

本发明的电源装置，并不限定于具有开关电源电路部的装置，也可以在具有对设定输出电压的指令电压和与输出电压对应的反馈电压进行比较、获得与指令电压对应的输出电压那样动作的电源电路部的装置中适用。

下面，对该图3的电源装置的动作，采用图4、图5进行说明。当向开关DC/DC电源电路部10输入来自指令电路部20的任意指令电压Vdac时，由误差放大器OP2取出指令电压Vdac和输出电压Vo之间的差。根据该误差放大器OP2的误差输出和振荡器11的振荡输出之间的比较结果，由驱动器12对开关电路的N型晶体管Q1、Q2进行导通·截止控制。其结果，向负载30供给与指令电压Vdac对应的输出电压Vo。当指令电压Vdac为定值时，即使负载30的大小变动，由于跟随该变动进行开关控制，因此始终供规定的值的输出电压。

然而，由于负载侧的要求，有时需要变更指令电压Vdac。这时，指令电压Vdac朝升高方向变更时，电源电压Vin比输出电压Vo高时，提高向电容Co的充电能力。因此，输出电压Vo，与新指令电压对应，可以比较快速变更。此外，如果象现有技术那样设置续流电源电路部，可以更快速向高的输出电压移动。

但是，当指令电压Vdac向降低方向变更时，情况就不同了。即，通常，与负载大小对应的电流Io按照图3中箭头所示方向流动。为了将输出电压Vo与指令电压Vdac对应向低的值变更，需要使输出电容Co的充电电荷放电。

其放电路径，有通过负载30放电的路径、和通过平滑线圈Lo和N型晶体管Q2进行放电的路径。但是，这些放电路径的放电能力均比较低。

在本发明中，设置输出电压设定辅助电路部40，即使指令电压Vdac从高值向低值变更时，可以将输出电压Vo快速变更到与变更后的指令电压对应的值上。

对其动作进行具体说明，当从指令电压Vdac1变更到比其低的指令电压Vdac2时，与指令电压Vdac2和偏置电压Voff之间的叠加电压(Vdac2+Vref)相比，该时刻的输出电压Vo1要高一些。因此，反相输出型的运算放大器OP3的输出成为高电平，N型晶体管Q3导通。该N型晶体管Q3导通后，输出电容Co的充电电荷急速放电，输出电压Vo快速降低。

对该动作状态，参照图4进行说明。如图4(a)所示，在时刻t1指令电压Vdac从高电压Vdac1变更到低电压Vdac2。这时，N型晶体管Q3快速导通。由于N型晶体管Q3的导通电阻与负载30的电阻相比显著要小，如图4(c)所示，图3所示电流Io瞬间在反方向上大量流动。在该电流Io的路径上，没有象平滑线圈Lo那样的妨碍电流变换的器件，并且该路径的阻抗比负载的阻抗显著要低。因此，输出电容Co充电电荷快速放电。

然后，在输出电压Vo与叠加电压(Vdac2+Vref)相等的时刻，运算放大器OP3的输出回到L电平。这样，N型晶体管Q3截止，输出电容Co的放电结束。

因此，输出电压Vo，与现有技术相比，可以在其数分之一～数十分之一的程度的时间T1(T1＜＜T2)，从变更前的输出电压Vo1，变更到与变更后的指令电压Vdac2对应的输出电压Vo2上。

又，偏置电压Voff，根据放电结束时的运算放大器OP3和N型晶体管Q3的动作延迟时间，设定成微小的电压值。

没有设定该偏置电压Voff时，由于运算放大器OP3和N型晶体管Q3的动作延迟，如图5(b)所示，会出现所谓的负尖锋现象。即，输出电压Vo一度下降到比目标值Vo2还小，然后向目标值Vo2再上升。这时，再上升需要多余的时间，其结果，输出电压Vo到达目标值Vo2需要比时间T1稍微要长一些的时间T1u(T1＜T1u＜T2)。

对此，设置偏置电压源41，将该偏置电压Voff设定成考虑了运算放大器OP3和N型晶体管Q3的动作延迟时间之后的电压值。这样，如图4(b)和图5(a)所示，可以避免负尖锋现象的出现，在极短的时间T1内获得与变更后的指令电压Vdac2对应的输出电压Vo2。

图6表示本发明第2实施方案的、可改变的变换速率(Slewing rate)的运算放大器OP3的构成。在此，变换速率是指相对于输入信号的阶跃变化，输出信号在单位时间内上升(或者下降)的变化量。图7表示采用图6的运算放大器的互导放大器(以下称为gm放大器)的构成图。又，图8表示采用图6的运算放大器时的动作的图。

在图6中，运算放大器OP3包括差动放大器42和gm放大器44。差动放大器42个输入叠加电压(Vdac+Vref)以及输出电压Vo，对其差电压进行放大输出。

该差动放大器42的一构成例，如图6所示，将分别串联连接的电阻R3和NPN型双极晶体管(以下称为NPN晶体管)Q4与电阻R4和NPN晶体管Q5并联连接，在其与接地之间串联连接恒定电流Icom的恒流源43。然后，在一方的NPN晶体管Q4的基极上供给叠加电压(Vdac+Vref)，而在另一方NPN晶体管Q5的基极上供给输出电压Vo。

gm放大器44，输入叠加电压(Vdac+Vref)和输出电压Vo，输出与其差电压|(Vdac+Vref)-Vo|成比例的电流Ig。该电流Ig，对差动放大器42的恒定电流Icom，在形式上具有增加的作用。这样，通过运算放大器OP3的输入电压差|(Vdac+Vref)-Vo|改变输出电流能力，改变变换速率。

该gm放大器44的一构成例，如图7所示。在该例中，由恒流源I51、I52、I53、I54、NPN晶体管Q51、Q52、Q57、Q58、Q59、Q60、PNP双极型晶体管Q53、Q54、Q55、Q56、以及电阻51，如图所示那样地构成。

在该图7的gm放大器中，叠加电压(Vdac+Vref)与输出电压Vo中高电压一方出现在电阻R51的一端(NPN晶体管Q51的发射极侧)，低电压一方出现在电阻R51的另一端。其结果，电流Ig，成为与差电压|(Vdac+Vref)-Vo|除以电阻R51的电阻值后的值大致成比例的大小。

下面，对采用该变换速率可变的运算放大器OP3的电源装置的动作参照图8进行说明。此外，在图8中，为了简化说明，省略了偏置电压Voff。

首先，假定在输出与高的第1指令电压Vdac1对应的高的第1输出电压Vo1的第1状态下，如图8(a)所示，将指令电压Vdac变更到低的第2指令电压Vdac2。这时，变更后的第2指令电压Vdac2和在该时刻的第1输出电压Vo1之间的差电压(Vdac2-Vo1)，由差动放大器42进行放大。

这时，差动放大器42，由在恒定电流Icom上加上与其差电压对应的gm放大器44的电流Ig后的电流动作。当差电压(Vdac2-Vo1)小时，加上一个小电流Ig，因此，以与其对应的低的变换速率动作。这时，输出电压Vo，如图8(b)所示，从第1输出电压Vo经过某一时间后变化到第2输出电压Vo2。

然后，假定在相同的第1状态下，如图8(a)所示，将指令电压Vdac变更到更低的第3指令电压Vdac3(即Vdac3＜Vdac2)。这时，仍然是变更后的第3指令电压Vdac3和在该时刻的第1输出电压Vo1之间的差电压(Vdac3-Vo1)，由差动放大器42进行放大。

这时，由于差电压大，在差动放大器42中，在恒定电流Icom上加上与其差电压对应的大的电流Ig，由大的电流使运算放大器OP3动作。因此，运算放大器OP3，与大的差电压(Vdac3-Vo1)对应，以高的变换速率动作。这样，即使指令电压的变换幅度大，输出电压Vo，也如图8(b)所示，从第1输出电压Vo1经过同等程度的时间T3之后变化到第3输出电压Vo3。

这样，通过在差动放大器42中附加gm放大器44，运算放大器Op3的变换速率在输入的差越大时，变得越高，可以使比较器得输出快速上升，快速进行放电动作。

Claims (8)

1.一种电源装置，其特征是：包括

将为设定输出电压值的指令电压和与输出电压对应的反馈电压进行比较、获得与所述指令电压对应的输出电压那样动作的电源电路部、

在该电源电路部的输出侧上连接的输出电容、

将所述指令电压和所述反馈电压进行比较、根据其比较结果使所述输出电容的充电电荷放电、使所述输出电压快速跟踪所述指令电压的变更的输出电压设定辅助电路部。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征是：所述电源电路部是开关电源电路部，其电源电路部的输出点是在电源电压与接地之间串连连接的输出晶体管的连接点，在该连接点与所述输出电容之间具有平滑线圈。

3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征是：所述输出电压设定辅助电路部，包括对所述指令电压和所述反馈电压的2个输入进行比较的比较器、与所述输出电容并联连接的由所述比较器的输出驱动成导通状态的开关。

4.根据权利要求3所述的电源装置，其特征是：使所述2个输入的任一个，成为具有所述指令电压侧相对增高的极性的偏置电压的输入。

5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征是：所述比较器当所述2个输入的差越大时其变换速率越高。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征是：所述比较器包括对所述2个输入进行差动放大的电流动作型差动放大器和对应所述2个输入的差增加所述差动放大器的动作电流的互导放大器。

7.根据权利要求3所述的电源装置，其特征是：所述比较器，当所述2个输入的差越大时其变换速率越高。

8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征是：所述比较器包括对所述2个输入进行差动放大的电流动作型差动放大器和对应所述2个输入的差增加所述差动放大器的动作电流的互导放大器。

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