TWI679835B - 直流-直流轉換器 - Google Patents

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Hiroyuki Masuko
髙田幸輔
Kosuke TAKADA
出口充康
Michiyasu Deguchi
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Abstract

本發明提供一種即便於電源電壓自低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓的電壓上升至正常的電壓時，輸出電壓亦不會發生過衝的直流-直流轉換器。將所述直流-直流轉換器設為構成為包括：百分之百負載檢測電路，檢測PWM比較器的百分之百負載狀態；電源電壓上升檢測電路，檢測電源電壓的上升；以及放電控制電路，使誤差放大器的輸出電壓降低，並且若於百分之百負載狀態下、於誤差放大器的輸出電壓高於規定的電壓時輸出電源電壓上升檢測信號，則使誤差放大器的輸出電壓降低。

Description

直流-直流轉換器
本發明是有關於一種輸出恆定電壓(constant voltage)的直流-直流(direct current-direct current，DC-DC)轉換器(convertor)，更詳細而言，是有關於一種防止輸出電壓的過衝(over shoot)的技術。
圖6是習知的直流-直流轉換器的電路圖。
習知的直流-直流轉換器包括：電源端子101、接地端子102、輸出基準電壓VREF的基準電壓電路111、對輸出端子103的輸出電壓VOUT進行分壓的分壓電路112、輸出對分壓電壓VFB與基準電壓VREF進行比較所得的結果的誤差電壓VERR的誤差放大器110、產生斜波VRAMP的斜波產生電路114、對誤差電壓VERR與斜波VRAMP加以比較而輸出脈寬調變信號PWM的脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)比較器(comparator)113、輸出緩衝器(buffer)115、輸出電晶體(transistor)116、及軟起動(soft start)電路119。
對習知的直流-直流轉換器的動作進行說明。
若對電源端子101施加電源電壓VDD，則誤差放大器110對 分壓電壓VFB與基準電壓VREF加以比較，而輸出誤差電壓VERR。PWM比較器113對誤差電壓VERR與斜波VRAMP加以比較而將脈寬調變信號PWM輸出至輸出緩衝器115。輸出緩衝器115於軟起動電路119的輸出信號的控制下，將脈寬調變信號PWM輸出至輸出電晶體116。軟起動電路119具有若對電源端子101施加電源電壓VDD則輸出會緩緩上升的功能。因此，藉由輸出緩衝器115緩緩地將輸出電晶體116導通(on)，而可抑制直流-直流轉換器的輸出電壓VOUT的過衝。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-55692號公報
然而，習知的直流-直流轉換器具有如以下般的課題。
於電源電壓VDD低於直流-直流轉換器的輸出設定電壓的情況下，誤差放大器110輸出的誤差電壓VERR為接近電源電壓VDD的值，PWM比較器113為百分之百負載(DUTY)狀態，即輸出電晶體116不進行切換(switching)而一直為導通狀態。若電源電壓VDD自該狀態急劇上升，則會導致在誤差電壓VERR回到穩態值為止的時間內，直流-直流轉換器的輸出電壓VOUT發生過衝。
本發明是為解決如所述般的課題而創作，其提供一種即 便PWM比較器113為百分之百負載狀態亦可防止輸出電壓VOUT的過衝的直流-直流轉換器。
為解決習知的課題，將本發明的直流-直流轉換器設為如以下般的構成。
直流-直流轉換器，包括：百分之百負載檢測電路，檢測PWM比較器的百分之百負載狀態；電源電壓上升檢測電路，檢測電源電壓的上升；以及放電控制電路，使誤差放大器的輸出電壓降低，並且若於百分之百負載狀態下、於誤差放大器的輸出電壓高於規定的電壓時輸出電源電壓上升檢測信號，則使誤差放大器的輸出電壓降低。
本發明的直流-直流轉換器是如所述般構成，故有即便於電源電壓自低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓的電壓上升至正常的電壓時，輸出電壓亦不會發生過衝的效果。
100‧‧‧直流-直流轉換器
101‧‧‧電源端子
102‧‧‧接地端子
103‧‧‧輸出端子
110‧‧‧誤差放大器
111‧‧‧基準電壓電路
112‧‧‧分壓電路
113‧‧‧PWM比較器
114‧‧‧斜波產生電路
115‧‧‧輸出緩衝器
116‧‧‧輸出電晶體
117‧‧‧相位補償電路
118‧‧‧百分之百負載檢測電路
119‧‧‧軟起動電路
120‧‧‧電源電壓上升檢測電路
121、121a‧‧‧放電控制電路
130‧‧‧電容
131‧‧‧開關
132‧‧‧第二基準電壓電路
133、136‧‧‧比較器
134‧‧‧反及閘
135‧‧‧開關
137‧‧‧及閘
201‧‧‧電容
202‧‧‧恆定電流源
203‧‧‧開關
A、B‧‧‧節點
Cc‧‧‧相位補償電容
PWM‧‧‧脈寬調變信號
Rc‧‧‧相位補償電阻
T1、T2、T3‧‧‧時刻
VDD‧‧‧電源電壓
VERR‧‧‧誤差電壓
VFB‧‧‧分壓電壓
Vos‧‧‧偏移電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VOUTtar‧‧‧直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓
VRAMP‧‧‧斜波
VREF‧‧‧基準電壓
VREF2‧‧‧第二基準電壓
圖1是本實施形態的直流-直流轉換器的電路圖。
圖2是表示百分之百負載檢測電路的一例的電路圖。
圖3是表示本發明的直流-直流轉換器的動作的圖。
圖4是表示本實施形態的直流-直流轉換器的另一例的電路 圖。
圖5是表示圖4的直流-直流轉換器的動作的圖。
圖6是習知的直流-直流轉換器的電路圖。
圖1是本實施形態的直流-直流轉換器的電路圖。
本實施形態的直流-直流轉換器100包括：電源端子101、接地端子102、輸出基準電壓VREF的基準電壓電路111、對輸出端子103的輸出電壓VOUT進行分壓的分壓電路112、輸出對分壓電壓VFB與基準電壓VREF進行比較所得的結果的誤差電壓VERR的誤差放大器110、產生斜波VRAMP的斜波產生電路114、對誤差電壓VERR與斜波VRAMP加以比較而輸出脈寬調變信號PWM的PWM比較器113、輸出緩衝器115、輸出電晶體116、百分之百負載檢測電路118、電源電壓上升檢測電路120、放電控制電路121、及具備相位補償電容Cc與相位補償電阻Rc的相位補償電路117。
百分之百負載檢測電路118將輸入端子與PWM比較器113的輸出端子相連接，將輸出端子與放電控制電路121的輸入端子相連接。
電源電壓上升檢測電路120包括串聯地連接於電源端子101與接地端子102之間的開關(switch)131及電容130，將它們的連接點設為節點A(node A)。
放電控制電路121包括：開關135，由節點A的電壓加以控制；第二基準電壓電路132，產生稍高於斜波的峰值的第二基準電壓VREF2；比較器133，對第二基準電壓VREF2與誤差電壓VERR加以比較；反及閘(NAND)134，輸入比較器133的輸出與百分之百負載檢測電路118的檢測信號。
開關135的一端與接地端子102相連接，另一端和相位補償電路117的電容Cc與電阻Rc的連接點相連接。反及閘134將放電控制信號輸出至電源電壓上升檢測電路120的開關131。
圖2是表示百分之百負載檢測電路118的一例的電路圖。
百分之百負載檢測電路118包括：電容201、恆定電流電路202、及開關203，且開關203的控制端子為輸入端子，恆定電流電路202與開關203的連接點為輸出端子。恆定電流電路202以對電容201進行充電的方式而連接。開關203以對電容201進行放電的方式而連接。
百分之百負載檢測電路118藉由恆定電流電路202而使電容201充電，藉由開關203而使電容201放電。開關203是藉由脈寬調變信號PWM來控制。因此，於脈寬調變信號PWM在高(High)與低(Low)間反覆的通常的動作狀態下，使電容201放電，輸出端子維持Low的狀態。並且，若脈寬調變信號PWM成為百分之百負載並維持High，則電容201不會放電，故於電容201的電壓超過反相電路的臨限值時，輸出端子輸出High。亦即，百分之百負載檢測電路118成為百分之百負載檢測狀態。
其次，對本實施形態的直流-直流轉換器的動作進行說明。
圖3是表示本實施形態的直流-直流轉換器的動作的圖。
至時刻T1為止，電源電壓VDD為低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓VOUTtar的電壓，分壓電壓VFB為低於基準電壓VREF的電壓。誤差放大器110的輸出誤差電壓VERR為High且未與斜波VRAMP交叉，故脈寬調變信號PWM維持High狀態。因此，由於輸出電晶體116為導通狀態，而輸出電壓VOUT為電源電壓VDD。此時，百分之百負載檢測電路118為百分之百負載檢測狀態，且輸出成為High。另外，誤差電壓VERR高於作為比較器133的反相輸入的第二基準電壓VREF2，故比較器133的輸出為High。因此，會輸入百分之百負載檢測電路118的輸出與比較器133的輸出的反及閘134的輸出成為Low，電源電壓上升檢測電路120的開關131關閉(off)。另外，節點A維持開關131接通(on)時的接地電位。
在時刻T1至時刻T2的期間，若電源電壓VDD緩緩上升，則藉由電容130的耦合(coupling)，電源電壓上升檢測電路120的節點A的電壓追隨電源電壓VDD而上升。藉由節點A的電壓上升，放電控制電路121的開關135以追隨節點A的方式而接通，將相位補償電容Cc的電荷放電而使誤差電壓VERR下降。
在時刻T2，若誤差電壓VERR成為低於第二基準電壓VREF2的電壓，則比較器133的輸出成為Low。反及閘134的輸出成為High，使電源電壓上升檢測電路120的開關131接通，故 節點A成為接地電位。因此，放電控制電路121將開關135關閉而停止相位補償電容Cc的放電。亦即，誤差放大器110輸出與所輸入的分壓電壓VFB相應的誤差電壓VERR。
在時刻T3，誤差電壓VERR與斜波VRAMP交叉，PWM比較器113的輸出PWM成為矩形波，而開始進行直流-直流轉換器的切換動作。由於誤差電壓VERR在電源電壓VDD的上升中為接近正常值的值，故輸出電壓VOUT比較平緩地接近所期望的輸出電壓VOUT的值。因此，即便電源電壓VDD恢復為正常值，輸出電壓VOUT亦不會發生過衝。
如所述所說明般，根據本實施形態的直流-直流轉換器，即便於電源電壓VDD自低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓的電壓、即自PWM比較器113為百分之百負載狀態的狀態恢復為正常的電源電壓時，亦可防止輸出電壓VOUT的過衝。
圖4是表示本實施形態的直流-直流轉換器的另一例的電路圖。
圖4的直流-直流轉換器100包括：電源端子101、接地端子102、輸出基準電壓VREF的基準電壓電路111、對輸出端子103的輸出電壓VOUT進行分壓的分壓電路112、輸出對分壓電壓VFB與基準電壓VREF進行比較所得的結果的誤差電壓VERR的誤差放大器110、產生斜波VRAMP的斜波產生電路114、對誤差電壓VERR與斜波VRAMP加以比較而輸出脈寬調變信號PWM的PWM比較器113、輸出緩衝器115、輸出電晶體116、百分之百負載檢 測電路118、電源電壓上升檢測電路120、放電控制電路121a、及相位補償電路117。
百分之百負載檢測電路118將輸入端子與PWM比較器113的輸出端子相連接，將反相輸出端子與電源電壓上升檢測電路120的開關131的控制端子相連接。
放電控制電路121a包括：第二基準電壓電路132，產生稍高於斜波的峰值的第二基準電壓VREF2；比較器133，對第二基準電壓VREF2與誤差電壓VERR加以比較；比較器136，將非反相輸入端子與節點A相連接，將具有偏移電壓(offset voltage)Vos的反相輸入端子與接地端子102相連接；及閘(AND)137，對比較器133的輸出與比較器136的輸出進行AND演算；以及開關135，由及閘137的輸出節點B(node B)加以控制。
其次，對圖4的直流-直流轉換器的動作進行說明。
圖5是表示圖4的直流-直流轉換器的動作的圖。
至時刻T1為止，電源電壓VDD為低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓VOUTtar的電壓，分壓電壓VFB為低於基準電壓VREF的電壓。誤差放大器110的輸出誤差電壓VERR為High且未與斜波VRAMP交叉，故脈寬調變信號PWM維持High狀態。因此，由於輸出電晶體116為導通狀態，而輸出電壓VOUT為電源電壓VDD。此時，百分之百負載檢測電路118為百分之百負載檢測狀態，且反相輸出成為Low。電源電壓上升檢測電路120的開關131接收百分之百負載檢測電路118的輸出信號而關閉。另 外，節點A維持開關131接通時的電壓接地電位。亦即，放電控制電路121a的比較器136的輸出為Low。另外，誤差電壓VERR高於作為比較器133的反相輸入的第二基準電壓VREF2，故比較器133的輸出為High。因此，及閘137的輸出節點B為Low，且開關135關閉。
在時刻T1至時刻T2的期間，若電源電壓VDD緩緩上升，則藉由電容130的耦合，電源電壓上升檢測電路120的節點A的電壓追隨電源電壓VDD而上升。若節點A的電壓上升且變得高於比較器136的偏移電壓Vos，則比較器136的輸出成為High。另外，比較器136的輸出維持High。亦即，及閘137的輸出節點B成為High。因此，放電控制電路121a的開關135接通，故將相位補償電容Cc的電荷放電而使誤差電壓VERR下降。
在時刻T2，若誤差電壓VERR成為低於第二基準電壓VREF2的電壓，則比較器133的輸出成為Low。及閘137的輸出節點B成為Low，停止相位補償電容Cc的放電。亦即，誤差放大器110輸出與所輸入的分壓電壓VFB相應的誤差電壓VERR。
在時刻T3，誤差電壓VERR與斜波VRAMP交叉，PWM比較器113的輸出PWM成為矩形波，而開始進行直流-直流轉換器的切換動作。由於誤差電壓VERR在電源電壓VDD的上升中為接近正常值的值，故輸出電壓VOUT比較平緩地接近正常的輸出電壓VOUT的值。因此，即便電源電壓VDD恢復為正常值，輸出電壓VOUT亦不會發生過衝。
如所述所說明般，根據本實施形態的直流-直流轉換器，即便於電源電壓VDD自低於直流-直流轉換器的所期望的輸出電壓的電壓、即自PWM比較器113為百分之百負載狀態的狀態恢復為正常的電壓時，亦可防止輸出電壓VOUT的過衝。
再者，本發明是使用電壓模式的直流-直流轉換器的電路進行說明，但亦可適用於電流模式的直流-直流轉換器，可獲得同樣的效果。於電流模式的情況下，於圖3的動作說明的圖中，以三角波進行說明的斜波VRAMP為將輸出電晶體116的電流反饋後的電壓。

Claims (4)

  1. 一種直流-直流轉換器，其特徵在於包括：分壓電路，對輸出電晶體所輸出的電壓進行分壓而得到分壓電壓；誤差放大器，將所述分壓電壓與基準電壓的差放大而輸出誤差電壓；斜波產生電路，產生斜波；脈寬調變比較器，對所述誤差電壓與所述斜波加以比較而輸出脈寬調變信號；百分之百負載檢測電路，對所述脈寬調變信號成為百分之百負載進行檢測，並輸出百分之百負載檢測信號；相位補償電容及相位補償電阻，設置於所述誤差放大器的輸出端子；電源電壓上升檢測電路，檢測電源電壓的上升，並輸出檢測信號；以及放電控制電路，接收所述電源電壓上升檢測電路的所述檢測信號而將所述相位補償電容的電荷放電，其中所述放電控制電路若於所述誤差電壓高於規定的電壓時輸入有所述百分之百負載檢測信號，則輸出放電控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換器，其中所述電源電壓上升檢測電路包括：電容，所述電容的一端與電源端子相連接；以及開關，所述開關的一端與所述電容的另一端相連接，所述開關的另一端與接地端子相連接，並由所述放電控制信號加以控制，將所述開關與所述電容的連接點設為所述電源電壓上升檢測電路的輸出端子。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換器，其中所述電源電壓上升檢測電路包括：電容，所述電容的一端與電源端子相連接；以及開關，所述開關的一端與所述電容的另一端相連接，所述開關的另一端與接地端子相連接，並由所述百分之百負載檢測信號加以控制，將所述開關與所述電容的連接點設為所述電源電壓上升檢測電路的輸出端子。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的直流-直流轉換器，其中所述放電控制電路若於所述誤差電壓高於規定的電壓時自所述電源電壓上升檢測電路輸入有所述檢測信號，則將所述相位補償電容的電荷放電。
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