CN1691478A - 开关电源电路及集成了该电路的半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种本发明的开关电源电路是这样配置的，即在用于输出一个输出电压的输出端和误差放大电路的一个输入端之间设置有一个反转电容器电路；脉冲宽度调制电路把来自用于放大直流输出电压和基准电压之间的误差的误差放大电路的输出信号与基准信号进行比较；利用脉冲宽度调制电路的输出信号连续地控制电压转换部使之在开/关状态间转换，同时对于输入电压具有预定周期。

Description

开关电源电路及集成了该电路的半导体器件

(1)技术领域

本发明涉及开关电源电路，尤其涉及可以集成于半导体器件之中的开关电源电路。

(2)背景技术

近年来，便携式电子设备，譬如便携式电话和数码照相机等，被要求做得体积更紧凑、重量更轻、成本更低。一种采用半导体集成电路的开关电源电路已经被应用于这类便携式设备中。图7所示的方框图展示了一种采用常规技术的开关电源电路的配置。

这一采用常规技术的开关电源电路将在后文中参照附图予以描述。

在图7所示的常规开关电源电路中，电压转换部3配有一个向其输入直流电压的电源输入端1和一个从其输出预定直流输出电压的输出端2。电压转换部3包括电源晶体管53、线圈54、二极管55以及输出平滑电容56。此外，该开关电源电路配有预驱动的电路4、脉冲宽度调制电路5、误差放大电路6、用于生成基准电压的基准电压电路7、用于生成基准信号的基准信号生成电路8、和输出电压设置电阻50和51。此外，电容52被连接在误差放大电路6的输入和输出端之间。在上述结构的常规开关电源电路中，通过负反馈操作，可以在输出端2上得到稳定的直流输出电压。

如图7所示的常规开关电源电路中的负反馈操作的原理将用图8来阐明。图8是频率特性曲线图，它显示了在上述配置的常规开关电源电路中的增益与相位的关系。

在常规开关电源电路中，直流输出电压被输出电压设置电阻50和51分割开，而一个与直流输出电压成比例的电压被检测到，作为测得电压。误差放大电路6将测得电压与来自基准电压电路7的基准电压进行比较。当测得电压比基准电压高时，误差放大电路6的输出电压被降低。误差放大电路6的降低后的输出电压被输入脉冲带宽调制电路5，并且与基准电压生成电路8的信号进行比较。在这种情况下，误差放大电路6的输出电压变得比基准信号生成电路8的基准信号低。因此，脉冲宽度调制电路5输出一个脉冲信号，该信号缩短了电压转换部3中电源晶体管53经由预驱动电路4到电压转换部3的导通时间。其结果是，电压转换部3的电源输出端2上生成的直流输出电压被降低了。

另一方面，当测得电压比基准电压低的时候，误差放大电路6的输出电压被抬高。误差放大电路6的抬高后的输出电压被输入脉冲带宽调制电路5，并且与基准电压生成电路8的信号进行比较。在这种情况下，误差放大电路6的输出电压变得比基准信号生成电路8的基准信号高。因此，脉冲宽度调制电路5输出一个脉冲信号，该信号延长了电压转换部3中电源晶体管53经由预驱动电路4到电压转换部3的导通时间。其结果是，电压转换部3的电源输出端2上生成的直流输出电压被抬高了。如上所述，开关电源电路执行负反馈操作，其中对直流输出电压进行电平控制从而降低直流输出电压的测得电压和基准电压之间的误差。其结果是，直流输出电压变为预定值并且稳定。

负反馈操作的稳定性将在下文中结合图7和图8予以阐明。在图7中，电容52被跨接在误差放大电路6的输入和输出端之间。这个电容52起到反馈电容的作用，而误差放大电路6则起到集成型放大电路的作用。图8显示了当两条反馈电容不同时所获得的频率特征曲线，它是特征图表，其中增益-相位特征1的反馈电容被设置成比增益-相位特征2的反馈电容大。

下面对图8中用虚线标出的增益-相位特征2情况进行描述，其中串接在误差放大电路6的输入和输出之间的反馈电容要小。在这种情况下，在不高于转折频率fc(在极点P2处)的频率上按原始增益(在没有负反馈状态时的增益)放大。另一方面，在高于转折频率fc(在极点P2处)的频率上，随着频率升高增益按-6dB/倍频程的速率递减。误差放大电路6的增益为0dB(1倍放大度)的频率被定义为过零(zero-cross)频率fz0，容抗为C2(反馈容抗)的电容器52的阻抗，1/(2π×fz0×C2)等于在此过零频率fz0连接到误差放大电路6的输入端的输入电阻Zi。在高于过零频率fz0的频率上，误差放大电路6的作用就是一个衰减器。因为连接到误差放大电路6的输入端的输入电阻Zi应当被看成是一个与电阻50、51并联的电阻，在增益-相特征2这种情况下的过零频率fz0可以用下面的表达式(1)表示：

fz0＝1/(2π×Zi×C2)         (1)

另一方面，次级LC滤波器在共振频率fL生成，该共振频率fL是由电压转换部3中的电感值为L1的线圈54以及容抗为C1的输出平滑电容56确定的。共振频率fL由下面的表达式(2)表示：

$\mathrm{fL}=1/(2\mathrm{\π}\×\left(\sqrt{(L1+C1)}\right)---\left(2\right)$

这一增益特征和相位特征由在图8中用虚线标示的增益-相特征2表示。在图8中，增益为0时的频率由过零频率fz0表示。

在相位特征中，在一个比转折频率fc(极点P2)的1/10高的频率上，相位开始超前。在转折频率fc处，相位超前45°。在频率10倍于转折频率fc处，相位超前大约90°。

在具备这种由上述增益-相位特征2表示的特征的开关电源电路的情况以及共振频率fL比过零频率fz0低的情况，会发生以下问题。

脉冲宽度调制电路5将基准信号生成电路8的输出信号和误差放大电路6的输出信号相比较，并生成一个PWM信号，其脉冲宽度根据比较中的误差来控制。电源晶体管53经由用于预驱动PWM信号的预驱动电路4进行斩波操作。此时由组成电压转换部3的线圈54和电容器56平滑所生成的斩波信号，然后斩波信号转换为直流输出电压。当执行斩波操作时，在共振频率fL处发生振铃现象。由该振铃现象生成的振铃信号被误差放大电路6进一步地放大。然后，脉冲宽度调制电路5将放大的振铃信号和基准信号进行比较，然后生成一个斩波信号。因此，如果振铃现象在每次执行斩波操作的时候出现，就会出现一个类似于振荡现象的现象。其结果是，整个电路的的工作就会变得不稳定。

为了解决这个问题，电容器52的容抗被设得比较高，使过零频率fz0变到一个较低的频率fz1，从而使fz1＜fL的关系成立，如图8中用实线标示的增益-相位特征1所表示。在图8中的增益-相位特征1所示的状态中，误差放大电路6在共振频率fL处的增益为0dB或者更低，由此误差放大电路6起一个衰减器的作用。这使得负反馈路径的电路操作能够稳定。出于稳定负反馈操作的目的，例如，日本专利3190914中就揭示了一种电路，其中在其说明书的附图7所示的误差放大电路的输入和输出之间设置了一个相位校正电路，以便形成一个集成型的误差放大电路。

然而，便携式设备中所用的半导体集成电路，譬如在便携式电话和数码照相机等中的，被要求做得体积更紧凑、重量更轻，同时也要求有更高的信息处理速度，此外还要求降低成本。因此，开关电源电路也同样被要求做得体积更紧凑、重量更轻、速度更快、成本更低。总体而言，在开关电源电路中，受到输出负载电流和器件安装空间的限制，线圈54的电感值L1是47μH或者更低，输出平滑电容器56的容抗C1是47μF或者更低。因此，共振频率fL是大约4kHz。此外，出于稳定常规开关电源电路的负反馈操作的目的，集成型误差放大电路的过零频率fz1要求满足fz1＜4kHz的关系式。

当假设误差放大电路的输入电阻Zi的值为大约100kΩ时，根据表达式(1)，电容器52的容抗C2为大约400pF，且要求一个很大的负反馈电容。在半导体集成电路上可装配的最大容抗大概是50pF。如果电容比它大，就要采用将具有该容量值的电容器接在封装外部的配置。因此，这样大的反馈电容会有一个问题，就是增加在其上集成开关电源电路的半导体集成电路的外部组件的数量。

此外，为了稳定地操作整个电路，要求降低在高频率区域的增益特性。这导致了在高频区域瞬时响应退化的问题。

此外，每个便携式电子设备的输出负载电流和器件空间不同，线圈54的电感值L1和输出平滑电容56的容抗C1对每一个电子设备也是变化的。所以，每个便携式电子设备的的共振频率fL就不同了。因此，反馈容抗要为每一个电子设备进行优化，所以用于开发优化的半导体集成电路的时间已经成为延缓电子设备开发展周期的一个因素。

(3)发明内容

为了解决在上述常规技术的开关电源电路中所遇到的问题，本发明意在提供一种开关电源电路，它能够使用可以装配于半导体集成电路上的小电容来稳定负反馈操作，由此使生产成本的降低成为可能。

为了达到上述目标，根据本发明第一方面的开关电源电路是一种用于通过执行斩波操作输出一个预定直流电压的开关电源电路，其中能量被储存在一个线圈里、然后把储存的能量从线圈中释放出来，该电路包括：

一误差放大电路，用于放大直流输出电压和基准电压之间的误差；

第一电容器，跨接在误差放大电路的输入与输出之间；

一脉冲宽度调制电路，用于将一个具有斜波形的基准电压与误差放大电路的输出信号进行比较，并用于输出一个PWM信号；

一电压转换部，至少包括该线圈和第二电容器，用于平滑从线圈释放出的能量，用于通过根据该PWM信号进行斩波操作来输出该预定直流输出电压到一个电源输出端；以及

一在电源输出端和误差放大电路输入端之间的反转电容器电路(switched-capacitor circuit)。由于反转电容电路起到大阻值输入电阻的作用，根据本发明如上配置的的开关电源电路可充分地降低过零频率，作为一种负反馈环路的传输特性，且用小阻值的反馈电阻执行稳定的负反馈操作。因此，这种包括反馈电阻的开关电源电路可以被集成。

此外，根据本发明第二方面的开关电源电路的特征在于，一第三电容器跨接在根据上述第一方面的反转电容器电路的输入和输出端。如上述配置的根据本发明的开关电源电路可以稳定负反馈操作而且也可以改进高频域的瞬时响应。

此外，一个根据本发明第三方面的开关电源电路的特征在于根据上述第一或第二方面的基准信号是由基准信号生成电路生成的三角波或者锯齿波。

而且，一根据本发明第四方面的开关电源电路的特征在于根据上述第一或者第二方面的反转电容器电路的采样频率与基准信号的频率同步。如上述配置的根据本发明的开关电源电路可以通过改变基准信号的频率来依期望设置过零频率。

另，根据本发明第五方面的开关电源电路可进一步包括一分频器电路，用于对根据上述第一或第二方面的基准信号进行分频，其中反转电容器电路服从使用分频器电路的输出信号的采样操作。如上述配置的根据本发明的开关电源电路能以分频器电路的分频比率降低反转电容器电路的采样频率，而不降低基准电路的频率。其结果是，可以对负反馈操作的振荡可以方便的采取措施，而不用牺牲对负载波动的响应。

为了达到上述目标，根据本发明第六方面的半导体器件是一个集成了一种开关电源电路的半导体器件，该开关电源电路通过执行斩波操作输出一个预定直流电压，其中将能量储存在一个线圈里，然后把储存的能量从线圈中释放出来，它包括：

一误差放大电路，用于放大直流输出电压和基准电压之间的误差；

第一电容器，跨接在误差放大电路的输入与输出之间；

一脉冲宽度调制电路，用于将一个具有斜波形的基准电压与误差放大电路的输出信号进行比较，并用于输出一个PWM信号；

一电压转换部，至少包括上述线圈和第二电容器，用于平滑从线圈释放出的能量，用于通过根据该PWM信号进行斩波操作来输出预定直流输出电压到一个电源输出端；以及

一设置在电源输出端和误差放大电路输入终端之间的反转电容器电路，其中：

至少误差放大电路、第一电容器、脉冲宽度调制电路和反转电容器电路是形成在一个半导体衬底之内的。因为形成在反转电容器电路内的电容器与第一电容器的一致性优良，在根据本发明的半导体器件中的开关电源电路中，可以把负反馈回路的频率特性设置得不受生产中的各种变化的影响。另一方面，由于反转电容器电路起到一个大阻值的输入电阻的作用，根据本发明的半导体器件中的按上述配置的开关电源电路可以使用小的反馈电阻执行稳定的负反馈操作。所以，该开关电源电路的半导体器件在生产中的变化更小，而且其生产成本也降低了。

除此之外，因为根据本发明的上述开关电源电路是集成的，在根据本发明的半导体器件中，可以提高具有均匀特性的开关电源电路。

除此之外，通过使用具有容抗的反转电容器电路，误差放大电路的输入电阻可以做得很大，且过零频率可以移到低频区域侧。结果，就可以稳定地执行负反馈操作，从而得到稳定的直流输出电压。本发明中的低频区域是一个频率相对较低的区域，即，作为指导，是频率不超过1kHz的那些频率。而且，依照本发明的半导体器件可以被设置成拥有一个分频器电路，用于对基准信号进行分频，而反转电容器电路服从于用分频器电路的输出信号的采样操作。如上所述的根据本发明的半导体器件能以分频器电路的分频比率来降低反转电容器电路的采样频率，而不降低基准电路的频率。其结果是，可方便地对负反馈操作的振荡采取措施，而不牺牲对负载波动的响应。

在根据本发明的开关电源电路中，与反转电容器电路并联的电容可以在高频域降低误差放大电路的输入阻抗。因此，在高频域的瞬时响应得到改善。所谓高频域是一个频率相对较高的区域，即，作为指导，频率不超过100kHz的那些频率。

在根据本发明的开关电源电路中，由于反转电容器电路的采样频率与基准信号的频率同步，过零频率可以通过改变基准信号的频率而被设置在一个期望值。

根据本发明的开关电源电路可以使用可装配在半导体集成电路上的小电容来执行稳定的负反馈操作。所以，高频域的瞬时响应可以被改善，生产成本亦可以被降低。

本发明因此可以提供一种尺寸紧凑、重量轻、可靠性高的开关电源电路。

在根据本发明的开关电源电路中，通过引入反转电容器电路，误差放大电路的输入电阻可以做得很大。即使跨接在误差放大电路的输入与输出端之间反馈电阻做得小，过零频率也可以设置在一个低频率上。所以，包括反馈电阻的开关电源电路可以集成在一个半导体器件上。

此外，在根据本发明的开关电源电路中，并联在反转电容器电路上的电容可以降低在高频域的输入电阻。因此，高频域的瞬时响应得到了改善。由于反转电容器的采样频率与基准信号同步，过零频率可以通过改变基准信号的频率而被设置在一个期望值。

另，在根据本发明的半导体器件中，由于集成了具有上述性能的开关电源电路，可以得到一种尺寸紧凑、重量轻、可靠性高的半导体器件，可以大规模地生产，而生产中的变化较小，并且可以稳定地操作。

虽然本发明的新颖特征被特别地陈述于所附权利要求书中，但是通过结合附图阅读以下详细描述，本发明的组织、内容、还有其它方面及特征都将更好地被理解和明白。

(4)附图说明

图1是显示根据本发明的实施例1的开关电源电路配置的块图。

图2是频率特征曲线图，显示根据本发明的实施例1的开关电源电路的增益-相位特征。

图3是显示了应用了根据本发明的实施例1的开关电源电路配置的升压开关电源电路的配置的块图。

图4是显示应用了根据本发明的实施例1的开关电源电路的配置的极性翻转开关电源电路的配置块图。

图5是显示根据本发明实施例2的开关电源电路的配置的块图。

图6是显示根据本发明实施例3的开关电源电路的配置的块图。

图7是显示常规开关电源电路的块图。

图8是显示常规开关电源电路的增益-相位特征的频率特征曲线图。

需要承认的是这些附图的部分或者全部只是为了阐述用的示意表达，未必描绘这些元件的实际相对尺寸或者位置。

(5)具体实施方式

以下将结合附图详细描述根据本发明的开关电源电路的优选实施例。

《实施例1》

图1所示的块图显示了根据本发明的实施例1的开关电源电路的配置。图2是频率特征曲线图，显示了根据本发明的实施例1的开关电源电路的增益-相位特征。

如图1所示，采用实施例1的开关电源电路配有一个电源输入端11，一个直流电压输入其上，以及一个电源输出端12，一个稳定在预值上的直流输出电压从其输出。这些电源输入端11和电源输出端12被提供给一个电压转换部3，该部包括一个电源晶体管66，一个线圈67，一个二极管68，和一个输出平滑电容69。除此之外，开关电源电路配有一个驱动信号控制部10，该部使用一个脉冲宽度调制脉冲信号来使电源晶体管66进行开/关操作(斩波操作)。驱动信号控制部10包括一个预驱动电路14，一个脉宽调制电路15，一个误差放大电路16，一个用于生成基准电压的基准电压生成电路17，一个用于生成基准信号的基准信号生成电路18，输出电压设置电阻60和61，以及一个反转电容器电路19。

如图1所示，一个容抗为C2的电容器65被跨接在误差放大电路16的输入和输出之间。由基准信号生成电路18生成的基准电压是一种具有斜波形的信号，比如三角波或者锯齿波，而且波形在预定频率上重复。

反转电容器电路19设置在输出电压设置电阻60、61的连接点和翻转输入端(误差放大电路16的输入端之一)之间。反转电容器电路19包括与采样频率fs同步进行开/关操作的开关62、63，以及一个容抗为C3的电容器64。采样频率fs与从基准信号生成电路18的输出的基准信号同步。

此外，图2中所示的过零频率fz1是一个由图1中的反转电容器电路19的采样信号、电容64的容抗C3、电容65的容抗C2(反馈电容)所确定的频率。而且，频率fL是一个共振频率，它由电感线圈67的感抗L1、电压转换部13的输出平滑电容69的容抗C1所确决定。在图2中，过零频率fz1被要求设置在比共振频率fL低(fz1＜fL)频率区域内。

如上所述的根据实施例1的开关电源电路的操作将在后面详细阐明。

由反转电容器电路19的采样频率和电容器64的容抗C3确定的开关电源电路19的等效电阻R，可以通过下面的表达式(3)来表示

R＝1/(fs×C3)          (3)

因此，通过将电容器64的容抗C3取一个小值，可以满足Zi＜R的关系。过零频率fz1可以通过反转电容器电路19的等效电阻R和误差放大电路16的反馈电容来确定。在过零频率fz1处，其中误差放大电路16的增益为0dB，电容器65的阻抗，1/(2π×fz1×C2)，与等效电阻R相等。因此，过零频率fz1可以在表达式(3)的基础上由下面的表达式(4)来表示：

fz1＝(1/2π)×(C3/C2)×fs       (4)

通过调节反转电容器电路19的电容器64的容抗C3和作为误差放大电路16的反馈电容的电容器65的容抗C2之间的容抗比，过零频率fz1可方便地在一个比由线圈67的感抗L1和输出平滑电容69的容抗C1所确定的fL低的频率域中设定。如图2所示，由于在共振频率fL处误差放大电路16的增益是0dB或者更低，在电压转换部13中生成的振铃现象可以被衰减。所以，整个开关电源电路可以稳定地工作。

在根据实施例1的开关电源电路中，调节反转电容器电路19电容器64的容抗C3和误差放大电路16的反馈容抗可以被设计成拥有小的值。由于当电容被安放在一个半导体衬底上时，一个小容量的电容具有小的平板形状，因而在半导体集成电路上安放具有这样的电容的器件会很容易。所以，根据实施例1的开关电源电路的配置拥有出色的经济效率和稳定性。

在根据实施例1的开关电源电路中，驱动控制部10被集成在一个半导体器件中，而电源晶体管66和二极管68根据输出负载的规格被集成在半导体器件中。因此，可以提供一种尺寸紧凑、重量轻、可靠性高的半导体器件。

根据实施例1的开关电源电路是作为一种用于从电路的输入电压递减直流输出电压的减压开关电源电路描述的。然而，本发明不仅局限于在这种配置，同样也可以应用于一个升压开关电源电路，从电路的输入电压开始递增直流输出电压；还可以应用于一个极性翻转开关电源电路，使输出直流电压(负的直流输出电压)的极性相对于输入电压被翻转。

图3是向其应用了根据实施例1的开关电源电路配置的升压开关电源电路的配置图。图4是向其应用了根据本发明实施例1的开关电源电路配置的极性翻转开关电源电路的配置图。在图3和图4中，驱动信号控制部10具有与图1中的减压开关电源电路中的一样的配置。在图3所示的升压开关电源电路的电压转换部13A中，一个电源晶体管Tr1根据驱动信号控制部10的输出信号执行斩波操作。当电源晶体管Tr1是接通时，能量被储存在线圈L1中；而电源晶体管Tr1是关断时，储存在电感线圈L1中的能量通过二极管D1被整流。结果，抬高了的直流输出电压被输出到输出电压端12。在图4所示的极性翻转开关电源电路中的电压转换部13B中，电源晶体管Tr1根据驱动信号控制部10的输出信号执行斩波操作。当电源晶体管Tr1接通时，能量被储存在线圈L1中；而当电源晶体管Tr1关断时，储存在电感线圈L1中的能量通过二极管D1被整流。结果，负的直流输出电压被出端到输出电压端12。

《实施例2》

图5所示的块图是根据根据本发明实施例2的开关电源电路的配置。

如图5所示，根据实施例2的开关电源电路的配置是，其中一个电容器90被额外地并联在根据上述的实施例1的反转电容电路配置中的反转电容电路29上。

根据实施例2的开关电源电路配有一个输入端21，向其输入一个直流电压；一个输出端22，预定的直流输出电压从其输出。这些电源输入端21和电源输出端22提供给一个电压转换部23，该部包括一个电源晶体管76、一个线圈77、一个二极管78、和一个输出平滑电容79。除此之外，该开关电源电路配有一个驱动信号控制部20，用于使用一个脉冲宽度调制脉冲信号使电源晶体管76进行开/关操作(斩波操作)。驱动信号控制部20包括一个预驱动电路24、一个脉宽调制电路25、一个误差放大电路26、一个用于生成基准电压的基准电压生成电路27、一个用于生成基准信号的基准信号生成电路28、输出电压设置电阻70和71、反转电容器电路29、具有容抗C4并跨接在反转电容器电路29的输入和输出端之间的电容器90。

如图5所示，一个容抗为C2(反馈容抗)的电容器75被跨接在误差放大电路26的输入和输出之间，即，与误差放大电路26并联。由基准信号生成电路28生成的基准信号是一种具有斜波形的信号，比如三角波或者锯齿波，而且波形在预定频率上重复。

反转电容器电路29设置在输出电压设置电阻70、71的连接点和翻转输入端(误差放大电路26的输入端之一)之间。反转电容器电路29包括与采样频率fs同步进行开/关操作的开关72、73，以及一个容抗为C3的电容器74。

正如在前述的根据实施例1的反转电容器电路中所描述的那样，跨接在根据实施例2的反转电容器电路29的输入和输出端之间的阻抗等效地起到一个大阻值的电阻的作用。因此，起到集成型放大电路作用的误差放大电路在高频域的响应会劣化。然而，特别是在高频域的响应可以通过在反转电容器电路29的输入和输出端之间跨接一个电容器90以便使二者并联来得到改善。因此，根据实施例2的反转电容器电路达到稳定的负反馈以使直流输出电压稳定，甚至在高频域也达到出色的瞬时响应特性。

此外，根据实施例2的反转电容器电路可方便地安装在一个半导体集成电路中，并可达到出色的经济效率、稳定性和瞬时响应。

《实施例3》

在上述的实施例1中，反转电容器电路19起了一个电阻的功能，而通过使电容器64的容抗C3变小而得到大电阻值的等效电阻。所以，在高频域的增益(特别是在共振频率fL处)被降低，由此排除了振铃现象的影响，整个电路的负反馈操作得到稳定。然而，要将电容器64做得更小是有极限的。如果电容被降低到0.2pF或者更低，由于与金属导线相关联的布线电容的影响，反转电容器电路19无法完成它本来的功能。结果，频率特性无法只由反转电容器电路19和反馈容抗确定，因而会由于大规模生产时的变化而导致振荡问题产生。下面将描述一种用于解决这一问题的根据实施例3的开关电源电路。

图6所示的块图显示了根据根据本发明实施例3的开关电源电路的配置。

如图6所示，根据实施例3的开关电源电路的配置是，其中在根据上述实施例1的翻转电容电路的配置中额外地配有一个分频器电路40，向其输入由基准信号生成电路的基准信号，用于控制反转电容器电路。

根据实施例3的开关电源电路配有一个输入端31，向其所述一个直流电压；一个输出端32，一预定直流输出电压从其输出。这些电源输入端31和电源输出端32提供给一个电压转换部33，该部包括一个电源晶体管86、一个线圈87、一个二极管88、和一个输出平滑电容89。除此之外，开关电源电路有一个驱动信号控制部30，该部使用一个脉冲宽度调制脉冲信号来使电源晶体管86进行开/关操作(斩波操作)。驱动信号控制部30包括一个预驱动电路34，一个脉宽调制电路35，一个误差放大电路36，一个用于生成基准电压的基准电压生成电路37，一个用于生成基准信号的基准信号生成电路38，输出电压设置电阻80和81，一个反转电容器电路39，还有分频器电路40。

在图6所示的实施例3中，反转电容器电路39利用分频器电路40的输出信号来进行采样操作。由于实施例3的其它方面与前述的图1中的实施例1一样，所以很容易理解，在实施例3能以与实施例1类似的方式对振荡采取措施。因而采样操作将在下面进行描述。

由于分频器电路40按预定分频比率对基准信号生成电路38的输出信号进行分频，采样频率fs与来自的基准信号生成电路38的基准信号成比例(fs∞f)。因此就有可能生成一个频率比基准信号的运行频率低的采样信号。因此，由于采样频率fs降低，根据实施例1中给出的表达式(3)，等效电阻R可以变得更大，与采样频率成反比。因为这个原因，即使在反转电容器电路39中的电容器84的容抗C3做得相对较大的情况下，等效电阻R仍然可以有一个大的值。其结果是，等效电阻R可以被设置得不受与金属导线相关联的布线电容的影响。因此，当开关电源电路被形成在印刷电路板上时，或是集成在半导体集成电路中时，可靠的电路运行是能够实现的。

此外，负载响应，即对由于负载波动导致的直流输出电压的波动做出响应来稳定直流输出电压，对于一个开关电源电路是很重要的。在负载响应中，当一个控制PWM的重复频率，即，基准信号的频率上升时，就可以得到快的对负载波动的响应；而当频率降低时，将难以跟上负载波动。

在根据实施例3的开关电源电路中，反转电容电路的采样频率可以按分频器电路的分频比率降低，而不需要降低参考电路的频率。结果就是，可以方便地在不牺牲负载波动响应的条件下对负反馈操作采取措施。

下面将使用具体数值来描述应用实施例3的配置而得到的改进案例。

例如，在改进例1中用的是执行1/8分频的分频器电路40，采样操作是在采样频率fs下进行，即，基准信号的操作频率f的1/8频率。因此，即使电容C3的值与前述实施例1中的相同，等效电阻R是实施例1中得到的8倍，而过零频率fz1则可被移到频率的1/8。结果是，可以在依照改进例1的开关电源电路中方便地对振荡采取措施。

此外，当操作是用与实施例1的相同频率的基准信号执行时，即使在改进例2中电容C3是实施例1中的8倍，依然可以获得与实施例1的电阻值相等的等效电阻R。在改进例2中，如果电路被形成在印刷电路板上，或者半导体衬底上，电路的运作几乎不受布线电容的影响。其结果是，开关电源电路可以大规模生产，具有统一的质量，且在生产中几乎不受变化的影响。

除此之外，如果在改进例3中用的是用于执行1/8分频的分频器电路40、且电容C3是实施例1中的4倍时，根据前面提到的表达式(3)，等效电阻R是实施例1中的2倍。所以，过零频率fz1可以被移到该频率的1/2。这种情况下，即使所用的容抗值是实施例1中的4倍，过零频率fz亦可以被移低频区域侧。根据改进例3的开关电源电路可以被出色地设计，以便使得它同时具备前述的改进例1和改进例2的效应。这些效应就是与实施例1中的开关电源电路相比，振荡现象几乎不出现，而且电路工作的稳定性几乎不受布线电容的影响。

除此之外，当根据实施例3的分频器电路40的分频比为1/2或更高时，可以得到类似的效果。然而，如果反转电容电路39的采样频率fs低，当流过连接至输出端2的负载的负载电流波动时，用于使直流输出稳定的响应退化。因此，考虑到对负载波动的响应，分频电路的分频比最好是取在1/2到1/16之间。

在上述的实施例1到3中，描述了使用同相反转电容器电路(19，29，39)的情况，这种情况下输入侧的开关与输出侧的开关在同相位中进行开关操作。然而，即使一个反转电容器电路执行反相的开关操作，操作过程也是相似的，并且可以得到相似的效果。此外，根据本发明的开关电源电路并不仅局限于只是有上文提到的反转电容器电路。甚至于一个有额外的开关来抑制开关噪音的反转电容电路也可以被看作是它的另一种形式。而且，在上述的实施例1到3中，假设硅二极管或者肖特基二极管被用作整流二极管(66，78，88和D1)。然而，可以用MOS晶体管来取代整流二极管。通过将MOS管置成与作为主开关的电源晶体管的斩波操作反相地进行开/关操作，MOS管可以实现整流功能。因此，也可以得到与整流二极管相同的效果。在本发明中，获得了根据前述的不同实施例的配置所能得到基本上相同的效果。一个理想的电路应该严格按照所要求的设计规范来进行适当的配置。

如前文所描述的，本发明是一种被用作电子设备中的电源电路的开关电源电路。由于这种开关电源电路在经济效率和稳定性上非常出色，它在便携式电话，便携式电子设备等产品中很有用。

尽管已经分别就本发明的优选实施例进行了某种细节描述，所揭示这些实施例的内容可以在结构细节上有所更改，组件的任何组合或者顺序上的改变都可以在不脱离本发明的范围和精神的前提下得到。

Claims (10)

1.一种用于通过执行斩波操作输出一个预定直流电压的开关电源电路，其中将能量储存在一个线圈里、然后把所储存的能量从线圈中释放出来，它包括：

一误差放大电路，用于放大所述直流输出电压与基准电压之间的误差；

第一电容器，其跨接在所述误差放大电路的输入与输出之间；

一脉冲宽度调制电路，用于将一个具有斜波形的基准电压与所述误差放大电路的输出信号进行比较，并用于输出一个PWM信号；

一电压转换部，至少包括所述线圈和第二电容器，用于平滑自所述线圈释放出来的能量，用于通过根据PWM信号进行所述斩波操作来输出所述预定直流输出电压到一电源输出端；以及

一反转电容器电路，设置在所述电源输出端和所述误差放大电路的输入端之间。

2.如权利要求1所述的开关电源电路，其中第三电容器跨接在所述反转电容器电路的输入和输出终端。

3.如权利要求1或2所述的开关电源电路，其中所述基准信号是由一个基准信号发生器生成的三角波或者锯齿波。

4.如权利要求1或2所述的开关电源电路，其中所述反转电容器电路的采样信号与所述基准信号同步。

5.如权利要求1或2所述的开关电源电路，还包括用于对所述基准信号进行分频的分频器电路，其中所述反转电容器电路服从用所述分频器电路的输出信号的采样操作。

6.一种集成了用于通过执行斩波操作输出一个预定直流电压的开关电源电路的半导体器件，其中将能量储存在一个线圈里、然后把所储存的能量从线圈中释放出来，它包括：

一误差放大电路，用于放大所述直流输出电压和基准电压之间的误差；

第一电容器，跨接在所述误差放大电路的输入和输出端之间；

一脉冲宽度调制电路，用于将一个具有斜波形的基准电压与所述误差放大电路的输出信号进行比较，并用于输出一个PWM信号；

一电压转换部，至少包括所述线圈和第二电容器，用于平滑自所述线圈释放出来的能量，用于通过根据所述PWM信号执行所述斩波操作来输出所述预定直流输出电压到一电源输出端；以及

一反转电容器电路，设置在所述电源输出端和所述误差放大电路的输入端之间，其中

至少所述误差放大电路、所述第一电容器、所述脉冲宽度调制电路、和所述反转电容器电路形成于一个半导体衬底中。

7.如权利要求6所述的半导体器件，其中跨接在所述反转电容器电路的输入和输出端之间的第三电容器形成在所述半导体衬底中。

8.如权利要求6或7所述的半导体器件，其中所述基准信号是由一基准信号发生器生成的三角波或者锯齿波。

9.如权利要求6或7所述的半导体器件，其中所述反转电容器电路的采样信号与所述基准信号同步。

10.如权利要求6或7所述的半导体器件，还包括一个用于对所述基准信号进行分频的分频器电路，其中所述反转电容器电路服从用所述分频电路的输出信号的采样操作。

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