TWI328332B - Dc/dc converter - Google Patents

Description

1328332 玫、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於直流/直流〔DC/DC〕轉換器，藉由啟通 和關斷開關裝置而將輸入電源供應電壓轉換成規定的直流 電壓。 【先前技術】 當設計一個直流/直流轉換器時’開關裝置係設於電源

供應電壓輸入端子與規定之直流電壓輸出端子之間，並藉I 由啟通和關斷〔導通和切斷〕此開關裝置，而維持住規定 之直流電壓。此設計提供小型和高效率，而因此受到廣範 使用〔例如，日本專利公開第7_336999號和日本專利公開 第 11-332222 號〕。 第4圖顯示此種設計之習知直流/直流轉換器。於直流 /直流轉換器1 0 1中，PMOS電晶體之開關裝置i丨4，從電 源供應器〔VCC〕供應電源至負載側，而於規定之控制 下，也就疋說，依照從將於下文中說明之比較器丨丨〇之輸隹 出，由使開關裝置導通與切斷之動作，而維持負載側輸出 〔νουτ〕於輸出設定電壓。有一平滑電路115，包括線圈、 電谷器和一極體連接至開關裝置丨i 4，以平滑從該開關裝 置114來之電壓。負載側輸出〔ν〇υτ〕由分壓器n6分壓， 分壓器116包括串聯之電阻，而輸入至誤差放大器1丨丨之 反向輸入端。將誤差放大器m放大和輸出誤差比較參考 電源供應益118之電壓和輸入至反向輸入端之電壓之間的 誤差。此誤差放大器111之輸出電壓〔vfb〕輸入至比較器 5 315896 1328332 HO-。於比較器UO t，誤差放大器ηι之輸出電壓〔Veb〕 和三角波形電壓〔Vs〕相比較’並輸出電壓〔Vc〕通過緩 衝器Π9而輸入至上述開關裝置114之閘極。於此方式中， 由回授電路從負載側輸出〔ν〇υτ〕而控制開關裝置"4。 上述之要在比較器110中與誤差放大器lu之輸出電 壓[VFB]比較之三角波形電壓[Vs]係由三角波形產生器電 路[TR 1]113產生而輸出。

若誤差放大器111之輸出 電壓〔V s〕，則從比較器n 〇 衝器119’而輸入至開關裝置 置11 4閉路〔啟通〕。 電壓〔VFB〕高於三角波形 輸出低位準電壓，並通過緩 114之閘極。結果，開關裝 反之，若誤差放大器ηι之輸出電壓〔vFB〕低於三角 波形電壓〔vs〕，則從比較器110輸出高位準電壓並通 過緩衝器11 9，而輸入至開關裝置丨14之閘極。結果，開 關裝置114開路〔關斷〕。 Φ【發明内容】 於上述方式，直流/直流轉換器丨〇丨中，誤差放大器 1Π之輸出電壓〔vFB〕和三角波形電壓〔Vs〕由比較器 "〇相比較。於該直流/直流轉換器101中，當電源供應電 壓〔VCC〕和負載側輸出〔ν〇υτ〕之輸出設定電壓之間的 差大時，也就是言兒’當輸出S定電壓相較於電源供應電壓 〔VCC〕設定至極低電壓時，會有誤差放大器丨丨丨之輸出 電壓〔VFB〕接近於三角波形電壓〔Vs〕之轉折點，而這 些電壓係由比較器110所比較。於第5圖中，△ V為從誤 315896 6 1328332 差放大器111之輸出電壓〔VFB〕與三角波形電壓〔vs〕 之轉折點之電壓差’而At是三角波形電壓〔vs〕超過誤 差放大器111之輸出電壓〔VFB〕之時間間距。三角波形電 壓〔Vs〕之頻率係設定在約為1 MHz與2 MHz之間，而 振幅設定於約0.5 V至1 · Ο V之間。 舉例而言’若電源供應電壓〔VCC〕為2〇 V，而輸出 設定電壓將設定至K2 V，電壓差Δν大約為從3〇mVi 60 mV，和時間間距△ t大約為從3〇 nS至6〇 ns。以此狀 況，對於5 V輸出，電壓差△ v為3 〇 Mv而時間間距△丈 為30nS，比較器需要分別有33MHz之頻寬和44扣之 益。 然而’雖然此種高性能 矛王之單一產品而實現，但是 組件部分整合為半導體積體 積體電路外，將會由於耗用 和類似事件而產生問題。因 可能施行包含此種比較器之 另一方面，若於上述情 為該比較器延遲不輸出脈波 不成獲得所希望之輸出設定 比較器之輸出脈波限制在大 是不可能的。 比較器可理解為採用最先進製 價格將極高。再者，當與其他 電路時，除了高成本之半導體 電流、發生雜訊、製造過程、 此，為了實際之需要，認為不 直流/直流轉換器。 況下使用普通的比較器時，因 ，而對於負載側輪出〔ν〇υτ〕 電壓。也就是說，認為普通的 約lOOnS，而輪出較短之脈波 ’以便即使當電 之輸出設定電 本發明之目的為提供直流/直流轉換器 源供應電壓〔VCC〕和負載側輸出〔ν〇υτ 315896 7 1328332 壓之間的差大時，亦能獲得用於負載側輪屮 于月j a;〔 V0UT〕之所 希望之輸出設定電壓。 為了達成上述目的，本發明之直流/直流轉換器包括： 開關裝置、誤差放大器、振盪器、斜率電路、比較器、和 邏輯電路。該開關裝置藉由導通和切斷動作，而將從電源 供應器來之電源，供應至負載侧，並維持該負載側於輸出 設定電壓；該誤差放大器放大從負載側來之電壓和誤差比 •較參考電壓之間的的電壓差值，並輸出輸出電壓；該振盪 器輸出振盪時脈；該斜率電路與該振盪時脈同步而輸出具 有=率（slope)之鋸齒波形電壓，該斜率於振盪時脈之後緣 之前開始〔例如，斜率從振盪時脈之前緣開始〕；該比較 器比較該斜率電路之鋸齒波形電壓與誤差放大器之該輪出 2壓；該邏輯電路由該振盪時脈之後緣設定，並由該比較 器之輸出重設；以及上述該開關裝置依照該上述之邏輯電 路之輸出脈波訊號，而切斷或導通。 • 藉由此直流/直流轉換器裝置，即使當電源供應電壓 〔VCC〕和δ亥負載側輸出〔〕之輸出設定電壓之間的 電壓差值大時，亦能獲得所希望之輸出設定電壓，而無關 於比較器延遲時間。 再者’若於此直流/直流轉換器中藉由上述振盪時脈之 刖、’象而適當重設該上述邏輯電路，則即使當誤差放大器之 輸出電壓爻到大的暫態改變時’該直流/直流轉換器亦能可 靠地操作。 【實施方式】 8 315896 以下，將參照各圖式而說明本發明之各實施例。第i 圖為本發明之實施例，直流/直流轉換器之電路圖。此直流 /直流轉換器i之組成元件之—部分係與上述之習知直流/ :流轉換器效果上相同，但是從比較器10之輸出至開關裝 14之間極、該振盈器電路13、和斜率電路12之電路配 置係特別不同。 於直流/直流轉換器1中，開關裝置14為PMOS型電 晶體，從電源供應器側〔Vcc〕#應電源至負載側，並經 H藉由依照以下說明之邏輯電路9之 輸出將該開關裝置切斷和導 导通而維持s亥負載側輸出 〔V〇UT〕於輸出設定電壓。包括線圈、電容器和二極體之 :滑電路15連接至開關裝置14,並平滑從該開關裝置14 之電壓。分壓器16包括串聯之電阻，並且連接至負載 侧，也就是說，連接至接續 、 设項者十滑電路1 5之下一級，並劃 分此負载側電壓，亦即，脾 一 將由千滑電路15平滑電壓予以分 壓；然後此電壓輸入$1τ 丄 將如下文中所說明之誤差放大器u 之反相輸入端。

块差放大器1 1妨I 大攸误差比較參考電壓源18來之輸 入至非反向輸入踹rnnri ; • nversion input terminal)之誤差比 較參考電壓與輪入至反向 · J 飛入端（inversion input terminal) 之電壓之間之差， 兩出其結果至將於下文說明之比較器 10之反向輸入端竹或认， 乍為輸出電壓〔VFB〕。比較器10比較從 將於下文說明之從斜座 之鋸齒波形電壓f V, 攸斜羊電路12來之輸入至非反向輸入端 與誤差放大器11之輸出電壓 9 315896 1328332 〔VFB〕’並將其結果輸出至次—級邏 電路9於設定輪入端―=振 至斜率電路T二並從輸出端Q輸出輸出脈波訊號〜 革電路12,和經由反向緩衝器19至上述開關裝置14 之閘極。於4卜古4 彡- 於此方式，經由使用負載側輸出〔V 回授 電路而控制開關裝置14。 〇υτ 以下將說明輸入至上述比較器1〇之非反向輸入端之 銘會波形電屋〔vs〕之產生方式。鑛齒波形電壓〔％〕與 從振盛器（〇sc)13來之振盈時脈〔Vclk〕同步之方式，產 生於斜率電路12中，且鋸齒波形電壓〔vs〕為具有一個 非對稱斜率邊緣之三角波形電麼。詳言之，如第3圖中所 不，斜率電路12以與振盪時脈〔VcLK〕之前緣同步之方式 產生斜率，而產生電壓〔斜率電壓〕，並以與將如下述之 邏輯電路9之輸出脈波訊號〔ν〇〕之後緣同步之方式傾 斜’而返回至原來的固定電壓，並重複此一動作。 此處振堡器（〇SC)13設定至大約2 MHz〔 500 nS週 期〕之振盪時脈〔VCLK〕頻率，以及時脈寬度〔高位準寬 度〕設定約1 00 nS，而使得工作係數〔duty factor〕很低。 於斜率電路12中之斜率電壓產生器配置如第2圖中所 示。亦即’此產生器包括單觸發電路〔one_sh〇t circuit〕 5 1、NPN電晶體52、固定電流源54、電容器56、PNP電 晶體53、和固定電流源55。該單觸發電路5 1接收振盪時 脈〔V C L K〕並產生與振盈時脈之前緣同步之單觸發脈波； 該NPN電晶體5 2僅於單觸發脈波時間間距内啟通（導 10 315896 1328332 )^ 口定電流源54連接至NPN電晶體52之輸出；該 PNP 電晶體 ^

曰 土極連接至電晶體52之輸出，而從PNP 電曰曰肢53之射極輸出斜率電壓；該固定電流源55連接至 :NP電曰a體53。此產生器為產生斜率電壓之簡單例子，而 痛略其操作之詳細說明’但是可使用不同配置之電路而獲 得相似之功能。 比較器1〇之輸出訊號〔VC〕輪入至重設輸入端R，和 器1 3之振盪時脈〔VCLK〕輸入至重設輸入端s之結 果，上述邏輯電路9由振廬時脈〔％〕之後緣設定，並 由輸出訊號〔vc〕重設，而輸出輸出脈波訊號〔、〕，如 第3圖中所示。 接著將焦點集中於比較器1 〇和邏輯電路9說明具體 操作。 於鋸齒波形電壓〔Vs〕較誤差放大器u之輸出電壓 〔VFB〕為低的情況，比較器！ 〇之輸出訊號〔Vc〕是在低 位準，但是當鋸齒波形電壓〔Vs〕變成高於誤差放大器丨1 · 之輪出電壓〔vFB〕時，比較器10之輸出訊號〔vc〕改變 至尚位準。因此’相似於先前技術之例子之說明，從鋸齒 波形電壓〔Vs〕變成高於誤差放大器u之輸出電壓 〔VFB〕時開始發生一定的延遲直到比較器1〇之輸出訊號 〔VC〕改變至高位準時為止。此延遲時間依比較器1 〇之 電路配置、製造過程和相似情況而定，但是於此實施例中 大約為50 nS。由於此延遲輸出訊號〔vc〕，將已經在設 定狀態之邏輯電路9之輸出脈波訊號〔vD〕重新設定。藉 315896 11 1328332 由此方式，開關裝置14從啟通（on)狀態改變至關斷（〇ff) 狀態’而斜率電路12之鋸齒波形電壓〔vs〕返回至原來 的固定電壓。 當輸出設定電壓相較於電源供應電壓〔VCC〕為極低 • 時’於開始上升後，鋸齒波形電壓〔Vs〕將相對快速地到 達誤差放大器11之輸出電壓〔Vfb〕。如上所述，比較器 * 10之延遲時間約為50 nS，而振盪時脈〔VCLK〕之脈波寬 %度約為100nS’而使得在設定輸入於邏輯電路9中之前， 有可忐可以輸入重設輸入。於此情況，不輸出輸出脈波訊 號〔vD〕’但是因為從負載側輸出〔〕供應回授，誤 差放大器11之輸出電壓〔Vfb〕上昇。而且，於邏輯電路 9中k遲重设輸入，而於設定輸入後才輸入重設輸入。於 此方式輸出脈波訊號〔ν〇〕從邏輯電路9輸出，而負載側 輸出〔V〇UT〕維持於規定之低輸出設定電壓。 因此，甚至當電源供應電壓〔VCC〕為20 V，而輸出 設定電壓將設定至1.2 V時，將從邏輯電路9輸出具有短 寬度之輸出脈波訊號〔VD〕’而將負載側輸出〔v〇UT〕維 持於1.2 v。 < ^之，當將輸出設定電壓設定至相對高值時〔當將輸 出設定電壓設定在接近電源供應電壓〔VCC〕時〕，誤差 放大器π之輸出電壓〔vFB〕即上升，而鋸齒波形電壓 〔Vs〕跟著此輸出電壓〔VFB〕一起上升。結果，由邏輯 電路9輪出之輪出脈波訊號〔VD〕之寬度增加，開關裝置 4之啟通時間間距增長，而負載側輸出〔〕則維持於 3】5896 12 1328332 規定的高輸出設定電壓。 於此實施例之修飾例子中，亦可改變振盪時脈 〔vCLK〕之脈波寬度。也就是說，如以上之說明，比較器 10之延遲時間依著電路配置、製造過程和相似情況而定， 而振盪時脈〔VCLK〕之脈波寬度與此延遲時間共同改變。 然而’若振盪時脈〔VCLK〕之脈波寬度相較於比較器J 〇 之延遲時間為較小，則最小固定時間間距發生於邏輯電路 9中設定輸入和重設輸入之間。結果’相較於電源供應電 壓〔VCC〕極低之電壓不能為輸出設定電壓。另一方面， 若振盪時脈〔VCLK〕之脈波寬度大時，因為邏輯電路9於 此脈波寬度之時間間距期間不輸出輸出脈波訊號 〔VD〕’則至此輸出脈波訊號〔vD〕之寬度之上限減少， 而負載側輸出〔νουτ〕不能設定至高輸出設定電壓。因 此’振盪時脈〔vCLK〕之脈波寬度之設定必須將這些事情 納入考量。 作為此實施例之進一步修飾例子，當有從振盈器i 3 來之振盪時脈〔VCLK〕之設定脈波輸入，而且有次一個脈 波輸入時，此實施例之邏輯電路9可強迫重設於後者脈波 之前緣。藉由此種方式’即使沒有比較器1 〇之輸出訊號 〔vc〕之重設輸入時’亦能使斜率電路1 2之鋸齒波形電 壓〔Vs〕上昇至原來的固定電壓。如此能調適也許發生於 譬如改變電源供應電壓〔VCC〕中暫態環境下，誤差放大 器11之輸出電壓〔VFB〕太高’和沒有重設比較器1〇之輸 出訊號〔Vc〕之輸入至邏輯電路9之情況。 13 315896 1328332 於此實施例中之開關裝i14為PM〇s電晶體，但是 此可用NMOS電晶體來替代，於此情況緩衝器19將是非 反向緩衝器。 #斜率電路12之鑛齒波形電壓〔Vs〕為使得邏輯電 路9重置後斜率電壓盡可能快速地返回到原來的固定電壓 時，則可擴大輸出設定電壓之可應用範圍；但是當返回到 * 原來的固定電壓時，將依照雜訊位準、該電路配置和相似 •^度，而選擇適當的梯度〔gradient〕。 於此貫施例中解釋步降〔step-down〕直流/直流轉換 器之情況；但是藉由改變開關裝置1 4、平滑電路和相似電 路之配置和連接，可構成步升〔step_up〕直流/直流轉換 器。 以上說明依照本發明之直流/直流轉換器，但是本發明 並不限於這些實施例，可以各種方式改變這些實施例之設 計而仍在申請專利範圍中所述之各種事項範圍内。 •【圖式簡單說明】 第1圖為依照本發明之實施例，直流/直流轉換器之電 路圖； 第2圖顯示該直流/直流轉換器之斜率電壓產生器配 置之電路圖； 第3圖為第2圖電路圖之波形圖； 第4圖為依照先前技術’直流/直流轉換器之電路圖； 以及 第5圖為第4圖電路圖之波形圖。 14 315896

Claims (1)

1328332 第93115·?49號專利申請案 (9 9年 4月 9日） 拾、申請專利範圍： 1. 一種直流/直流轉換器，包括：

置之切斷及導通，將從電 載側’並維持該負載側於 開關裝置，藉由此開關裝 源供應器側來之電源供應至負 輪出設定電壓； f、放大益放大攸負載側來之電壓和誤差比較參 考電壓之間的誤差’並輸出輪出電壓； 振盪器，輸出振盪時脈； 斜率電路’與該振i時脈同步，而輸出具有斜率之 蘇齒波形電壓，該斜率於今娘.、县± W干仏β振盪時脈之後緣之前開始； 。。比較器’比較該斜率電路之蘇齒波形電壓與誤差放 大益之該輸出電壓；以及 、邏輯電路，由該振盪時脈之後緣設定，並由具有延 遲時間的該比較器的輸出訊號重設； D其中，該開關裝置依照從該邏輯電路之輪出脈波訊 說’而進行切斷與導通動作。 如申請專利範圍第1項之直流/直流轉換器，其中，該 3鋸齒波形電壓之該斜率係從該振盪時脈之該前緣開始。 如申請專利範圍第1項之直流/直流轉換器，其中，該 邏輯電路亦由該振盪時脈之該前緣重設。 4 t 申請專利範圍第1項之直流/直流轉換器，復包括平 /腎電路’連接至該開關裝置。 5, 如由▲ 甲請專利範圍苐〗項之直流/直流轉換器，其中，藉 由該邏輯電路的重設，鋸齒波形電壓係返回至原來的固 (修正本)315896 1j283J2_ 第93115149號專利中請案 (9 9年 4月 9日） f 0¾修(更)正替換頁 定電壓。 6·—種直流/直流轉換器，包括： 開關裝置，错由此開關裝置之切斷及導通，將從電 源供應器側來之電源供應至負載側’並維持該負載側於 輪出設定電壓； 振盪器，產生振盪時脈； 比較器，比較鋸齒波形電壓與依據該負載側的電壓 之電壓； 邏輯電路，由該振盪時脈設定，並由該比較器的輸 出訊號同步的訊號重設；以及 斜率電路，與該振盪時脈同步開始輸出斜率電壓， 並藉由該邏輯電路的輸出訊號輸出返回至原來的電壓 的該鋸齒波形電壓； 其中，該開關裝置依照從該邏輯電路之輸出脈波訊 號，而進行切斷與導通動作。 7. 如申請專利範圍第6項之直流/直流轉換器，其中，該 鋸齒波形電壓之斜率係從該振盪時脈之前緣開始。 8. 如申請專利範圍第6項之直流/直流轉換器，其中，該 邏輯電路亦由該振盪時脈之該前緣重設。 9. 如申請專利範圍第6項之直流/直流轉換器，復包括平 滑電路’連接至該開關裝置。 10. 如申請專利範圍第6項之直流/直流轉換器’其中，藉 由該邏輯電路的重設，鋸齒波形電壓係 二 ^王席來的固 定電壓。 (修正本)3] 5896 17