TW201810894A - Dcdc轉換器 - Google Patents

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河野明大
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Abstract

本發明提供一種一方面消耗功率低，一方面具有高安全性的DCDC轉換器。設為如下構成：僅在基於輸出控制電路所輸出的使開關元件導通的信號的規定期間使過電流保護電路間斷地運行。

Description

DCDC轉換器
本發明是有關於一種DCDC轉換器（direct current to direct current，直流-直流），有關於一種檢測輸出過電流而對流入至DCDC轉換器的電流進行限制的技術。
DCDC轉換器包括過電流保護電路，以防止大電流流入至開關元件而使DCDC轉換器破壞。在同步整流型DCDC轉換器中，採用檢測輸入端子側或接地端子側的開關元件電流並使其斷開的方法。
在電流檢測的方法中，有如下的方法：將流入至開關元件的電流轉換成電壓，並與基準值進行比較；或者將開關元件的汲極-源極（drain-source）間電壓與基準電壓進行比較（例如，參照專利文獻1）。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2004-364488號公報 [發明所欲解決的問題]
然而，若追加用以確保安全性的保護電路，則需要用以使所述保護電路運行的功率，從而阻礙了電子設備中所要求的低消耗功率化。例如，在包含過電流保護電路的現有的DCDC轉換器中，為了對開關元件進行監控，電流感測放大器（sense amplifier）電路或比較器是持續運行。因此，存在如下問題：即使在流入至DCDC轉換器的電流小、破壞的可能性低的狀態下，亦會繼續消耗規定的功率，從而使功率效率變差。
本發明是為了解決如上所述的問題而想出的，其提供一種一方面消耗功率低，一方面具有高安全性的DCDC轉換器。 [解決問題的手段]
為了解決現有的問題，本發明的DCDC轉換器是設為如下所述的構成。 設為如下構成：包括：誤差放大器，對輸出電壓進行監控；輸出控制電路，基於誤差放大器的輸出信號，對開關元件的閘極輸出控制信號；以及過電流保護電路，當流入至開關元件的電流達到規定的電流以上時對輸出控制電路輸出信號，使開關元件斷開；並且過電流保護電路被輸入基於輸出控制電路的輸出信號的信號，進行僅在規定的期間運行的間斷運行。 [發明的效果]
本發明的DCDC轉換器藉由使過電流保護電路間斷地運行，可減少特別是輕負載時的消耗電流，從而可提高功率效率。
以下，參照圖式，對本發明的實施形態進行說明。 圖1是表示本發明的第一實施形態的DCDC轉換器的電路圖。DCDC轉換器100是同步整流型DCDC轉換器，將輸入至輸入端子1的電源電壓Vin轉換成定電壓，並作為輸出電壓Vout輸出至輸出端子7。
本實施形態的DCDC轉換器100包括作為第1開關元件的Ｐ通道金屬氧化物半導體（P-channel metal oxide semiconductor，PMOS）電晶體3、作為第2開關元件的N通道金屬氧化物半導體（N-channel metal oxide semiconductor，NMOS）電晶體4、電感器5、輸出電容器6、誤差放大器10、振盪電路11、基準電壓電路12、比較器13、計時器電路14、緩衝電路15及緩衝電路16、分壓電阻17及分壓電阻18、輸出控制電路19、以及過電流保護電路23。
分壓電阻17及分壓電阻18輸出與輸出電壓Vout相對應的反饋電壓Vfb。誤差放大器10輸出電壓Verr，所述電壓Verr對應於反饋電壓Vfb與基準電壓電路12的輸出電壓Vref的電壓差。比較器13對自振盪電路11輸出的三角波與誤差放大器10的電壓Verr進行比較。輸出控制電路19根據比較器13的比較結果將信號PS輸出至PMOS電晶體3，將信號NS輸出至NMOS電晶體4，而對開關運行進行控制。
過電流保護電路23對流入至PMOS電晶體3的電流進行監控，當檢測到過電流時，將用以使PMOS電晶體3斷開的信號輸出至輸出控制電路19。 計時器電路14根據PMOS電晶體3導通的信號對過電流保護電路23輸出啟動信號，並在規定時間經過後對過電流保護電路23輸出停止信號。
圖2是表示計時器電路14的一例的電路圖。 脈波生成電路41根據輸入至輸入（IN）端子的信號PS輸出單發（one shot）脈波（信號OSP）。即，當自輸出控制電路19輸入使PMOS電晶體3導通的信號PS（L位準）時，輸出規定的期間的L信號。 偏壓電路42、偏壓電路43、偏壓電路44、偏壓電路45接收到RS-FF電路61所輸出的H信號而導通，並基於施加至輸入端子1的輸入電壓Vin而輸出電流。
電容器46與偏壓電路42的輸出連接，藉由偏壓電路42的電流而充電。電容器48與偏壓電路44的輸出連接，藉由偏壓電路44的電流而充電。電容器48的電容大於電容器46的電容。當充電電流相同時，關於達到規定的電壓之前的充電時間，電容器48長於電容器46。
NMOS電晶體50在電容器46的電壓達到閾值電壓以上時導通。反相器56根據NMOS電晶體50的導通或斷開，將H信號或L信號輸出至RS-FF電路60的設置端子S及NMOS電晶體53的閘極。
NMOS電晶體51在電容器48的電壓達到閾值電壓以上時導通。反相器57根據NMOS電晶體51的導通或斷開，將H信號或L信號輸出至RS-FF電路60的重置端子R及NMOS電晶體52、NMOS電晶體54的閘極。
NMOS電晶體52、NMOS電晶體53與電容器46並聯連接，當對閘極輸入H信號時導通，使電容器46的電荷放電。NMOS電晶體54與電容器48並聯連接，當對閘極輸入H信號時導通，使電容器48的電荷放電。
反相器55將如下信號輸出至開關47、開關49，所述信號是使自RS-FF電路61的輸出端子Q輸出的信號TOUT反轉而成。開關47與電容器46並聯連接，經由反相器55接收RS-FF電路61所輸出的L信號而導通，使電容器46的電荷放電。開關49與電容器48並聯連接，經由反相器55接收RS-FF電路61所輸出的L信號而導通，使電容器48的電荷放電。
RS-FF電路60基於輸入至設置端子S及重置端子R的信號，自Q端子輸出信號CLK。RS-FF電路61對設置端子S輸入脈波生成電路41的信號OSP，對重置端子R輸入自RS-FF電路60輸出的信號CLK，且自輸出端子Q輸出信號TOUT。
如上所述而構成的計時器電路14接收到使PMOS電晶體3導通的信號PS，輸出僅在規定的時間使過電流保護電路23導通的信號。 再者，計時器電路14並不限定於所述電路例，只要是在被輸入觸發信號時開始運行、在計時器經過設定時間時結束運行的電路即可。又，此種計時器電路在運行過程中有觸發信號進入時，再次自初始值開始重新計數。
其次，基於圖3的時序圖，對計時器14電路的運行進行說明。 在時刻t0，將輸出控制電路19的輸出信號輸入至計時器電路14的IN端子時，脈波生成電路41輸出L信號脈波。此時，使電容器46、電容器48放電，充電電壓變為L。
在時刻t1，自脈波生成電路41輸出H信號，並輸入至RS-FF電路61的設置端子S。由此，自RS-FF電路61輸出的H信號使偏壓電路42、偏壓電路43、偏壓電路44、偏壓電路45導通，而開始電流的供給，對電容器46、電容器48進行充電。同時，將RS-FF電路61的輸出H信號藉由反相器55而加以反轉，利用所述L信號使開關47、開關49斷開。
在時刻t2，藉由自偏壓電路42供給的電流而使電容器46的充電電壓達到NMOS電晶體50的閾值電壓Vtn1時，NMOS電晶體50導通，而輸出L信號。所述L信號藉由反相器56而轉換成H信號，並輸入至RS-FF電路60的設置端子S。由此，自RS-FF電路60的輸出端子Q輸出H信號。將所述輸出信號藉由反相器58而加以反轉，並輸入至RS-FF電路61的重置端子R。然後，自輸出（OUT）端子繼續輸出H信號。同時自反相器56輸出的H信號使NMOS電晶體53導通，而使電容器46放電。電容值大於電容器46的電容器48的充電電壓未達NMOS電晶體51的閾值電壓Vtn2，從而繼續充電。
在時刻t3，電容器48的充電電壓達到NMOS電晶體51的閾值電壓Vtn2時，NMOS電晶體51導通，而輸出L信號。將所述L信號藉由反相器57而轉換成H信號，並輸入至RS-FF電路60的重置端子R。另一方面，反相器57所輸出的H信號使NMOS電晶體52、NMOS電晶體54導通，而使電容器46、電容器48放電。此時，NMOS電晶體50斷開，故而輸出H信號，並經由反相器56將L信號輸入至RS-FF電路60的設置端子S。設置端子S輸入有L信號，且重置端子R輸入有H信號的RS-FF電路60自輸出端子Q輸出L信號。所述L信號經由反相器58而作為H信號輸入至重置端子R，RS-FF電路61輸出L信號。
在時刻t4，將輸出控制電路19的輸出信號輸入至計時器電路14的IN端子，脈波生成電路41輸出L信號脈波。RS-FF電路61在所述L信號脈波的上升時輸出H信號。
如以上所述，計時器電路14輸出如下週期的間斷信號：在PMOS電晶體3導通時輸出H信號，並開始計時，在計數時間後輸出L信號。所述計數時間可藉由電容器48的電容值、偏壓電路44的電流值、NMOS電晶體51的閾值電壓而設定。
又，在所述例中將計數時間設定為短於PMOS電晶體3的開關週期。當使計數時間長於開關週期時，在計數時間抵達前，會輸入用以使PMOS電晶體3導通的信號，而再次開始計時，因此計時器電路14會繼續輸出H信號。 如上所述，藉由調整計數時間與開關週期的關係，可根據狀況選擇間斷輸出或固定輸出。
圖4是表示本發明的第一實施形態的過電流保護電路的電路例的圖。過電流保護電路23包括將流入至PMOS電晶體3的電流轉換成電壓的電流感測放大器20、鎖定輸出信號的比較器21、偏壓電路30、偏壓電路31、以及基準電壓電路22。又，過電流保護電路23包括對自偏壓電路30向電流感測放大器20的電流供給進行控制的開關35、以及對自偏壓電路31向比較器21的電流供給進行控制的開關36。
當自計時器電路14將H信號輸入至IN_T端子時，開關35、開關36變為導通，而對電流感測放大器20及比較器21供給電流。電流感測放大器20利用IN1端子、IN2端子接收流入至PMOS電晶體3的電流，並輸出與流入至PMOS電晶體3的電流相對應的電壓。比較器21藉由對電流感測放大器20的輸出與基準電壓電路22所輸出的基準電壓進行比較，來對流入至PMOS電晶體3的電流進行判定。
當電流感測放大器20的輸出電壓達到基準電壓值以上時，比較器21判定為已變為過電流狀態而自OUT端子輸出H信號。然後，在所述開關週期中藉由將PMOS電晶體3設為斷開狀態，來防止DCDC轉換器100的破壞。然後，開關35、開關36基於輸入至IN_T端子的信號，進行導通或斷開運行。電流感測放大器20及比較器21在開關35、開關36為斷開時，鎖定曾經導通時的信號，以避免變為不定狀態。用以判斷PMOS電晶體3的電流是否為過電流的判定位準是由基準電壓電路22的基準電壓值來任意確定。
採用以上的計時器電路14及過電流保護電路23的本發明的DCDC轉換器可藉由改變計數時間與開關週期的關係來控制間斷運行。 例如，當將計數時間設定得長於開關週期時，藉由與輸出端子7連接的負載來切換過電流保護電路23的間斷運行與持續運行。
當負載重時，PMOS電晶體3採用以規定的開關週期進行振盪運行的連續模式運行狀態。因此，即使接收到輸出控制電路19的信號，計時器電路14開始計時，亦會在達到規定的計數時間之前再次自輸出控制電路19接收信號。其結果為，計時器電路14繼續輸出導通信號，過電流保護電路23不會變為間斷運行。
當負載輕時，輸出電壓Vout的變動減小，PMOS電晶體3的運行轉變為不會變為規定的週期的振盪運行的不連續模式運行狀態，頻率減少。然後，當開關週期超過計數時間時，計時器電路14輸出導通或斷開信號而使過電流保護電路23進行間斷運行。因此，可減少過電流保護電路23的消耗功率。
又，當將計時器電路14的計數時間設定為短於開關週期時，過電流保護電路23不論與輸出端子7連接的負載如何均為間斷運行。因此，可進一步降低消耗功率。
在以上的說明中，是使計時器電路14的開始計時與PMOS電晶體3導通為同時開始，但亦可使計時器電路14的開始計時與PMOS電晶體3斷開為同時開始。 過電流保護電路23是設為如下電路，即，利用電流感測放大器20將流入至PMOS電晶體3的電流轉換成與電流值相對應的電壓，並藉由比較器21與基準電壓電路22的輸出電壓進行比較而判定過電流狀態，但亦可為如下電路，即，過電流保護電路23對PMOS電晶體3的汲極-源極間電壓進行監視，利用比較器與基準電壓進行比較而判定過電流狀態。
圖5是表示第二實施形態的DCDC轉換器的電路圖。DCDC轉換器200包括過電流保護電路59及計時器電路64。過電流保護電路59對NMOS電晶體4的電流進行監控。 計時器電路64根據NMOS電晶體4導通的信號，對過電流保護電路59輸出啟動信號，並在規定時間經過後對過電流保護電路59輸出停止信號。
圖6是表示過電流保護電路59的一例的電路圖。過電流保護電路59包括對輸出信號進行鎖定的比較器63、偏壓電路32、對自偏壓電路32向比較器63的電流供給進行控制的開關37、以及基準電壓電路62。
當將H信號自計時器電路64輸入至IN_T端子時，開關37變為導通，對比較器63供給電流。比較器63利用IN1端子接收NMOS電晶體4的汲極電壓，並與基準電壓電路62所輸出的基準電位進行比較，而輸出其差的信號。比較器63藉由對NMOS電晶體4的汲極電壓與基準電壓電路62所輸出的基準電壓進行比較，來判定流入至NMOS電晶體4的電流。
當IN1端子的輸入電壓變為基準電壓值以上時，比較器63判定為已達到過電流狀態，而自OUT端子輸出H信號。當IN1端子的輸入電壓未達基準電壓值時，比較器63自OUT端子輸出L信號。然後，開關37基於輸入至IN_T端子的信號，進行導通或斷開運行。比較器63在開關37為斷開時，鎖定曾經導通時的信號，以避免變成不定狀態。用以判斷NMOS電晶體4的電流是否為過電流的判定位準是由基準電壓電路62的基準電壓值來任意確定。
採用以上的計時器電路64及過電流保護電路59的本發明的DCDC轉換器可藉由改變計數時間與開關週期的關係來控制間斷運行。 例如，當將計數時間設定得長於開關週期時，藉由與輸出端子7連接的負載來切換過電流保護電路59的間斷運行與持續運行。
當負載重時，NMOS電晶體4採用以規定的開關週期進行振盪運行的連續模式運行狀態。因此，即使接收到輸出控制電路19的信號，計時器電路64開始計時，亦會在達到規定的計數時間之前再次自輸出控制電路19接收信號。其結果為，計時器電路64繼續輸出導通信號，過電流保護電路59不會變為間斷運行狀態。
當負載輕時，輸出電壓Vout的變動減小，NMOS電晶體4的運行轉變為不會變為規定的週期的振盪運行的不連續模式運行狀態，頻率減少。然後，當開關週期超過計數時間時，計時器電路64輸出導通或斷開信號而使過電流保護電路59進行間斷運行。因此，可降低過電流保護電路59的消耗功率。
當過電流保護電路59判定為過電流狀態時，過電流保護電路59繼續運行，直至計時器電路64的計數結束為止，以保護DCDC轉換器不因過電流而破壞。因此，計時器電路64的計數時間必須充分延長以使電流值下降至固定值以下。
亦可不使用計時器電路64，而使過電流保護電路59的運行與NMOS電晶體4導通的時序同步。此時，過電流保護電路59僅在NMOS電晶體4為導通狀態時進行電流檢測，從而間斷地運行。此時，亦不會因計時器電路64的計數時間，而使過電流保護電路59的運行期間受到限制。
過電流保護電路59的運行期間即使並非設為NMOS電晶體4導通之後的固定期間，而設為PMOS電晶體3導通之後的固定期間，亦可獲得同樣的效果。
1‧‧‧輸入端子
3‧‧‧PMOS電晶體
4、50、51、52、53、54‧‧‧NMOS電晶體
5‧‧‧電感器
6‧‧‧輸出電容器
7‧‧‧輸出端子
10‧‧‧誤差放大器
11‧‧‧振盪電路
12、22、62‧‧‧基準電壓電路
13、21、63‧‧‧比較器
14、64‧‧‧計時器電路
15、16‧‧‧緩衝電路
17、18‧‧‧分壓電阻
19‧‧‧輸出控制電路
20‧‧‧電流感測放大器
23、59‧‧‧過電流保護電路
30、31、32、42、43、44、45‧‧‧偏壓電路
35、36、37、47、49‧‧‧開關
41‧‧‧脈波生成電路
46、48‧‧‧電容器
55、56、57、58‧‧‧反相器
60、61‧‧‧RS-FF電路
100、200‧‧‧DCDC轉換器
CLK、NS、OSP、PS、TOUT‧‧‧信號
IN_T、IN1、IN2、OUT‧‧‧端子
Q‧‧‧輸出端子
R‧‧‧重置端子
S‧‧‧設置端子
Verr‧‧‧電壓
Vfb‧‧‧反饋電壓
Vout、Vref‧‧‧輸出電壓
Vtn1、Vtn2‧‧‧閾值電壓
t0～t4‧‧‧時刻
圖1是表示本發明的第一實施形態的DCDC轉換器的電路圖。 圖2是表示第一實施形態的DCDC轉換器的計時器電路的一例的電路圖。 圖3是表示第一實施形態的DCDC轉換器的計時器電路的運行的時序圖。 圖4是表示第一實施形態的DCDC轉換器的過電流保護電路的一例的電路圖。 圖5是表示本發明的第二實施形態的DCDC轉換器的電路圖。 圖6是表示本發明的第二實施形態的過電流保護電路的一例的電路圖。
1‧‧‧輸入端子
3‧‧‧PMOS電晶體
4‧‧‧NMOS電晶體
5‧‧‧電感器
6‧‧‧輸出電容器
7‧‧‧輸出端子
10‧‧‧誤差放大器
11‧‧‧振盪電路
12‧‧‧基準電壓電路
13‧‧‧比較器
14‧‧‧計時器電路
15、16‧‧‧緩衝電路
17、18‧‧‧分壓電阻
19‧‧‧輸出控制電路
23‧‧‧過電流保護電路
100‧‧‧DCDC轉換器
NS、PS‧‧‧信號
Vout‧‧‧輸出電壓
Verr‧‧‧電壓
Vfb‧‧‧反饋電壓
Vref‧‧‧輸出電壓

Claims (3)

  1. 一種DCDC轉換器，藉由開關元件而自輸入至輸入端子的電源電壓將所需的輸出電壓輸出至輸出端子，所述DCDC轉換器的特徵在於包括： 誤差放大器，對所述輸出電壓進行監控； 輸出控制電路，基於所述誤差放大器的輸出信號，對所述開關元件的閘極輸出控制信號；以及 過電流保護電路，當流入至所述開關元件的電流達到規定的電流以上時對所述輸出控制電路輸出信號，使所述開關元件斷開， 其中所述過電流保護電路被輸入基於所述輸出控制電路的輸出信號的信號，進行僅在規定的期間運行的間斷運行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的DCDC轉換器，其中所述規定的期間是至少所述開關元件導通的期間。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的DCDC轉換器，其中所述DCDC轉換器包括：計時器電路，基於所述輸出控制電路的輸出信號，輸出用以使所述過電流保護電路間斷運行的信號。
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