TWI721127B - 切換調節器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種切換調節器，具備消耗電流少的電源監視電路。設為如下構成：僅在基於輸出控制電路輸出的使切換元件導通的信號的規定期間內使電源監視電路間歇地動作。

Description

切換調節器
本發明是有關於一種切換調節器，尤其是有關於一種具備對電源電壓Vin進行監視而防止誤動作的電源監視電路的切換調節器。
切換調節器在電源電壓Vin顯著降低時，存在內部電路誤動作而輸出中產生大電流或高電壓的情況。為了防止該情況，切換調節器具備電源監視電路。
圖7是表示習知的切換調節器的電路圖。作為切換元件的P型金氧半導體（P-channel metal oxide semiconductor，PMOS）電晶體3根據所輸入的控制信號進行切換。電感器5與輸出電容器6使經切換的電壓平滑化。二極體4在PMOS電晶體3斷開時流過電流。輸出控制電路15以輸出電壓為規定的定電壓的方式進行PMOS電晶體3的切換控制。置位復位正反器（Reset Set Flip Flop，RS-FF）電路13基於錯誤比較器10的信號與導通時間控制電路11的信號對輸出控制電路15輸出信號。錯誤比較器10基於基準電壓電路12的基準電壓及分壓電阻電路17的反饋電壓而對RS-FF電路13輸出信號。
電源監視電路40對電源電壓Vin的變動進行監視，當電源電壓Vin低於規定的電壓時，對輸出控制電路15輸出檢測信號。輸出控制電路15在自電源監視電路40接收檢測信號時，輸出H位準的信號使PMOS電晶體3停止。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-328589號公報 [發明所欲解決之課題]
然而，若追加用以確保安全性的保護電路或監視電路，則需要用以使該電路動作的電力，從而會妨礙對電子裝置所要求的低消耗電力化。因此，存在對於切換調節器而言難以在確保安全性的同時提高電力效率的課題。
[解決課題之手段] 為了解決習知的課題，本發明的切換調節器設為以下構成。 包括：錯誤比較器，對輸出電壓進行監視；輸出控制電路，基於錯誤比較器的輸出信號，對切換元件的閘極輸出控制信號；以及電源監視電路，在電源電壓為規定的電壓以下時對輸出控制電路輸出信號，使切換元件斷開，電源監視電路被輸入基於輸出控制電路的輸出信號的信號，並進行僅在規定的期間動作的間歇動作。 [發明的效果]
當電源電壓Vin為規定的電壓以上時電源監視電路間歇動作，由此電源監視電路的消耗電流減少，尤其改善切換調節器的輕負載時的效率。 能夠應用於非同步整流、同步整流中的任一個，亦能夠應用於固定頻率控制、固定導通時間控制、固定斷開時間控制中的任一個。 電源監視電路在檢測到低電壓而停止切換動作後，檢測到電源電壓Vin再次上升，能夠恢復到通常動作狀態。
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切換調節器的電路例的圖。圖1是將輸入至輸入端子1的電源電壓Vin轉換為定電壓後，作為輸出電壓Vout而輸出至輸出端子7的非同步整流型的切換調節器。
切換調節器100具備切換元件3、二極體4、電感器5、輸出電容器6、錯誤比較器10、導通時間控制電路11、基準電壓電路12、RS-FF電路13、計時器電路14、輸出控制電路15、緩衝電路16、分壓電阻電路17、及電源監視電路20。
切換元件3及二極體4串聯設置於輸入端子1與接地端子2之間。電感器5設置於輸出端子7與切換元件3及二極體4的連接點之間。輸出電容器6設置於輸出端子7與接地端子2之間。
基準電壓電路12輸出基準電壓VREF。分壓電阻電路17輸出將輸出電壓Vout分壓所得的反饋電壓VFB。錯誤比較器10對基準電壓VREF與反饋電壓VFB進行比較，對RS-FF電路13的設置端子S輸出信號。導通時間控制電路11基於RS-FF電路13的輸出信號，對RS-FF電路13的重置端子R輸出信號。輸出控制電路15接收RS-FF電路13的輸出信號，並經由緩衝電路16控制切換元件3的動作而產生輸出電壓Vout。
電源監視電路20對電源電壓Vin進行監視，在規定的電壓以下的低電壓狀態的情況下對輸出控制電路15輸出信號，使切換元件3斷開而防止誤動作。計時器電路14接收自輸出控制電路15輸出的信號，使計時器進行計數，在固定時間經過後（稱作計數時間），輸出使電源監視電路20的消耗電流降低的信號。
圖2是表示本發明的第一實施形態的電源監視電路20的動作的時序圖的圖。 在電源電壓Vin為規定的電壓以上的情況下，與在時刻t0切換元件3導通同時地，接收計時器電路14的H信號，電源監視電路20起動而對電源電壓Vin進行監視。而且，在自t0起經過了計時器電路14的計數時間後的時刻t2，使電源監視停止。而且，與在時刻t3切換元件3導通同時地，電源監視電路20進行動作。其間電源監視電路20繼續輸出H信號。 如此，基於計時器電路14的計數時間而電源監視電路20重複動作與停止，因而可實現消耗電力的降低。
若在時刻t4電源電壓Vin低於規定的電壓，則電源監視電路20輸出作為電源電壓Vin降低信號的L信號，經由輸出控制電路15停止切換元件3的動作。然而，在電源監視電路20在時刻t4停止的情況下，電源監視電路20不輸出電源電壓Vin降低信號。該情況下，在切換元件3接下來導通時，電源監視電路20同時起動而輸出電源電壓Vin降低信號。
在自切換元件3停止的時刻t4至重新開始動作的時刻t5為止的期間，電源監視電路20一直繼續進行電源電壓Vin的監視、檢測動作。 然後，電源電壓Vin上升，若在時刻t5超過規定的電壓，則電源監視電路20輸出H信號，重新開始切換元件3的動作。
圖3是表示本發明的第一實施形態的計時器電路14的電路例的圖。在IN端子中自輸出控制電路15輸入有使切換元件3斷開的信號的情況下，單觸發脈衝電路41輸出H信號。另一方面在自輸出控制電路15輸入有使切換元件3導通的信號的情況下，輸出規定期間的L信號脈衝。
偏壓電路42、偏壓電路43、偏壓電路44、偏壓電路45接收RS-FF電路61的輸出的上升而導通，基於施加至輸入端子1的電源電壓Vin而輸出電流。 電容器46連接於偏壓電路42的輸出，且利用偏壓電路42的電流而充電。電容器48連接於偏壓電路44的輸出，利用偏壓電路44的電流而充電。電容器48為大於電容器46的電容。因此，電容器48的至規定電壓為止的充電時間較電容器46的充電時間長。
在電容器46的充電電壓為臨限值電壓以上時導通，NMOS電晶體50輸出L信號。在電容器48的充電電壓為臨限值電壓以上時導通，NMOS電晶體51輸出L信號。
反相器56將使NMOS電晶體50的輸出的H/L信號反轉所得的信號，輸出至RS-FF電路60的設置端子S與NMOS電晶體53的閘極。反相器57將使NMOS電晶體51的輸出的H/L信號反轉所得的信號，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，NMOS電晶體52、NMOS電晶體53在閘極中輸入有H信號時導通，釋放電容器46的電荷。NMOS電晶體54與電容器48並聯連接，NMOS電晶體54在閘極中輸入有H信號時導通，釋放電容器48的電荷。
反相器55將使自RS-FF電路61的輸出端子Q輸出的H/L信號反轉所得的信號輸出至開關47、開關49。
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輸出的L信號而導通，釋放電容器46的電荷。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輸出的L信號而導通，釋放電容器48的電荷。
RS-FF電路60基於輸入至設置端子S與重置端子R的信號，自輸出端子Q輸出信號，生成時脈信號CLK。RS-FF電路61的設置端子S中輸入有單觸發脈衝電路41的輸出信號，重置端子R中輸入有自RS-FF電路60輸出的時脈信號CLK，自輸出端子Q輸出信號。
計時器電路不限定於該電路例，只要為若被輸入觸發信號就開始動作，若計時器經過設定時間則結束動作的電路即可。而且，此種計時器電路若在動作中途被輸入觸發信號，則重新自初始值開始重新計數。
接下來，基於圖4的表示本發明的第一實施形態的計時器電路14的動作例的時序圖，對計時器電路14的動作進行說明。 在時刻t0，若輸出控制電路15的輸出信號被輸入至計時器電路14的IN端子，則單觸發脈衝電路41輸出L信號脈衝。此時，電容器46、電容器48被放電，充電電壓為L。
在時刻t1，自單觸發脈衝電路輸出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，開始電流的供給，從而對電容器46、電容器48進行充電。同時，RS-FF電路61的輸出H信號由反相器55反轉，因其L信號而開關47、開關49斷開。
若在時刻t2，因自偏壓電路42供給的電流而電容器46的充電電壓達到NMOS電晶體50的臨限值電壓Vth1，則NMOS電晶體50導通，輸出L信號。該L信號由反相器56轉換為H信號，且被輸入至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。該輸出信號由反相器58反轉，且被輸入至RS-FF電路61的重置端子R。然後，自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，將電容器46放電。電容值較電容器46大的電容器48的充電電壓未到達NMOS電晶體51的臨限值電壓Vth2，繼續充電。
若在時刻t3，電容器48的充電電壓達到NMOS電晶體51的臨限值電壓Vth2，則NMOS電晶體51導通，輸出L信號。該L信號由反相器57轉換為H信號，且被輸入至RS-FF電路60的重置端子R。另一方面，反相器57輸出的H信號使NMOS電晶體52、NMOS電晶體54導通，將電容器46、電容器48放電。此時，因NMOS電晶體50斷開，故輸出H信號，經由反相器56對RS-FF電路60的設置端子S輸入L信號。設置端子S中輸入有L信號、重置端子R中輸入有H信號的RS-FF電路60自輸出端子Q輸出L信號。該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，輸出控制電路15的輸出信號被輸入至計時器電路14的IN端子，單觸發脈衝電路41輸出L信號脈衝。RS-FF電路61在該L信號脈衝上升時輸出H信號。
如以上般，計時器電路14在切換元件3導通時輸出H信號，開始計時，在計數時間後輸出L信號輸出週期的間歇信號。該計數時間可由電容器48的電容值、偏壓電路44的電流值、NMOS電晶體51的臨限值電壓設定。
而且，該例中將計數時間設定得較切換元件3的切換週期短。若使計數時間較切換週期長，則在計數時間達到前輸入用以使切換元件3導通的信號，計時重新開始，因而計時器電路14繼續輸出H信號。 如此，藉由調整計數時間與切換週期的關係，可視狀況選擇間歇輸出或固定輸出。
圖5是表示本發明的第一實施形態的電源監視電路的電路例的圖。電源監視電路20具備：分壓電阻31、分壓電阻32、基準電壓電路33、將輸出信號鎖存的比較器34及偏壓電路35。而且，電源監視電路20包括：對自偏壓電路35向比較器34的電流供給進行控制的開關36、及阻斷分壓電阻31、分壓電阻32中流過的電流的開關37。 在開關36、開關37斷開的狀態下，包含分壓電阻31、分壓電阻32的分壓電阻電路的分壓電壓被上拉至電源電壓Vin。
當自計時器電路14接收H信號時，開關36與開關37變為導通，對分壓電阻31、分壓電阻32及比較器34供給電流。比較器34藉由將分壓電壓與基準電壓電路33輸出的基準電壓進行比較而監視電源電壓Vin。在分壓電壓為基準電壓值以下的低電壓的情況下，比較器34自OUT端子輸出L信號。然後，繼續進行電源監視直至判定為非低電壓為止。若分壓電壓為基準電壓值以上，則比較器34自OUT端子輸出H信號。此時，開關36、開關37基於自計時器電路14輸入至IN端子的信號，進行導通、斷開動作。在開關36斷開時，比較器34藉由將導通時的信號鎖存而將間歇信號自OUT端子輸出。用以判斷電源電壓Vin是否為低電壓的電源監視電路20中的電壓由基準電壓電路33的基準電壓值與分壓電阻電路的分壓比決定。
採用了以上的計時器電路14與電源監視電路20的本發明的切換調節器可藉由改變計數時間與切換週期的關係來控制間歇動作。 例如，在將計數時間設定得較切換週期長的情況下，利用連接於輸出端子7的負載來切換電源監視電路20的間歇動作與一直動作。
在負載重的情況下，電源監視電路20成為切換元件3以規定的切換週期進行振盪動作的連續模式動作狀態。因此，即便接收輸出控制電路15的信號，而計時器電路14開始計時，亦會在成為規定的計數時間前再次自輸出控制電路15接收信號。其結果，計時器電路14繼續輸出導通信號，電源監視電路20不會成為間歇動作。
在負載輕的情況下，電源監視電路20的輸出電壓Vout的變動減小，向切換元件3的動作並非規定週期的振盪動作的不連續模式動作狀態轉變，頻率減少。然後，若切換週期高於計數時間，則計時器電路14輸出導通、斷開信號而電源監視電路20進行間歇動作。因此，可降低電源監視電路20的消耗電力。
而且，在將計時器電路14的計數時間設定得較切換週期短的情況下，電源監視電路20與連接於輸出端子7的負載無關而進行間歇動作。因此，可進而降低消耗電力。
以上的說明中，使計時器電路14的計時開始與切換元件3導通同時地開始，但亦可與斷開同時開始。
圖6是表示本發明的第二實施形態的同步整流切換調節器的電路例的圖。本實施形態的切換調節器200具備進行與第1切換元件3相反的切換動作的第2切換元件71。而且，本實施形態的切換調節器具備驅動該第2切換元件71的緩衝電路59，輸出控制電路15對該緩衝電路59進行控制。
進而，本實施形態的切換調節器具備逆流檢測電路72，該逆流檢測電路72進行自輸出端子7向第2切換元件71的方向流動的逆電流檢測。該逆流檢測電路72若檢測到逆電流，則將強制斷開第2切換元件71的信號輸出至輸出控制電路15。然後，僅在第2切換元件71導通的期間進行檢測動作，在第2切換元件71斷開時同步地停止檢測。為了實現該動作，本實施形態設為緩衝電路59的輸入信號同時被輸入至逆流檢測電路72的構成。逆流檢測電路72基於該信號切換動作與停止。
RS-FF電路62的設置端子S中接收將緩衝電路16的輸入信號由反相器63反轉所得的信號。而且，重置端子R中接收逆流檢測電路72的輸出信號。因此，RS-FF電路62在第1切換元件3導通的時間點輸出H信號，在逆電流產生的時間點輸出L信號。而且，電源監視電路20在第1切換元件3導通而第2切換元件71斷開前的時間內進行動作。
而且，在負載重且連續模式動作狀態時，電源監視電路20不進行間歇動作，而繼續一直動作。若負載減輕，而產生向第2切換元件71中流動的逆電流，則逆流檢測電路72強制地斷開第2切換元件71，並且停止電源監視動作。 因此，若負載減輕，切換週期延長、則電源監視電路20間歇地動作，可實現消耗電力的削減。
再者，以上的說明中，電源監視電路是設為對電源電壓Vin進行監視，藉由停止切換調節器的動作來保護切換調節器，但亦可應用於如下的監視電路，即，該監視電路對驅動切換調節器的電路內的控制電路的內部電源進行監視。
而且，電源監視電路亦能夠應用於對輸出電壓Vout進行監視，檢測到過電壓狀態而使切換調節器的動作停止的過電壓保護（Over Voltage Protection，OVP）電路。
進而，電源監視電路亦能夠應用於檢測到輸出電壓Vout降低，而使切換調節器的動作停止的低電壓保護（Under Voltage Protection，UVP）電路。
而且，電源監視電路20當然可藉由適當變更與RS-FF電路62的設置端子S及重置端子R的輸入連接的反相器，而設定各種時機下的動作。
1‧‧‧輸入端子 2‧‧‧接地端子 3‧‧‧切換元件（第1切換元件、PMOS電晶體） 4‧‧‧二極體 5‧‧‧電感器 6‧‧‧輸出電容器 7、Q‧‧‧輸出端子 10‧‧‧錯誤比較器 11‧‧‧導通時間控制電路 12、33‧‧‧基準電壓電路 13、60、61、62‧‧‧RS-FF電路 14‧‧‧計時器電路 15‧‧‧輸出控制電路 16、59‧‧‧緩衝電路 17‧‧‧分壓電阻電路 20、40‧‧‧電源監視電路 31、32‧‧‧分壓電阻 34‧‧‧比較器 35、42、43、44、45‧‧‧偏壓電路 36、37、47、49‧‧‧開關 41‧‧‧單觸發脈衝電路 46、48‧‧‧電容器 50、51、52、53、54‧‧‧NMOS電晶體 55、56、57、58、63‧‧‧反相器 71‧‧‧第2切換元件 72‧‧‧逆流檢測電路 100、200、300‧‧‧切換調節器 CLK‧‧‧時脈信號 IN、OUT‧‧‧端子 R‧‧‧重置端子 S‧‧‧設置端子 t0～t5‧‧‧時刻 Vth1、Vth2‧‧‧臨限值電壓
圖1是表示本發明的第一實施形態的非同步整流切換調節器的電路例的圖。 圖2是表示本發明的第一實施形態的電源監視電路的動作的時序圖的圖。 圖3是表示本發明的第一實施形態的計時器電路的電路例的圖。 圖4是表示本發明的第一實施形態的計時器電路的動作例的時序圖。 圖5是表示本發明的第一實施形態的電源監視電路的電路例的圖。 圖6是表示本發明的第二實施形態的同步整流切換調節器的電路例的圖。 圖7是表示習知的非同步整流切換調節器的電路例的圖。
1‧‧‧輸入端子
2‧‧‧接地端子
3‧‧‧切換元件(第1切換元件、PMOS電晶體)
4‧‧‧二極體
5‧‧‧電感器
6‧‧‧輸出電容器
7、Q‧‧‧輸出端子
10‧‧‧錯誤比較器
11‧‧‧導通時間控制電路
12‧‧‧基準電壓電路
13‧‧‧RS-FF電路
14‧‧‧計時器電路
15‧‧‧輸出控制電路
16‧‧‧緩衝電路
17‧‧‧分壓電阻電路
20‧‧‧電源監視電路
100‧‧‧切換調節器
R‧‧‧重置端子
S‧‧‧設置端子

Claims (3)

  1. 一種切換調節器，根據輸入至輸入端子的電源電壓並利用切換元件對輸出端子輸出所需的輸出電壓，所述切換調節器的特徵在於包括：錯誤比較器，對所述輸出電壓進行監視；輸出控制電路，基於所述錯誤比較器的輸出信號，對所述切換元件的閘極輸出控制信號；以及電源監視電路，在所述電源電壓為規定的電壓以下時對所述輸出控制電路輸出信號，使所述切換元件斷開，所述電源監視電路在所述電源電壓超過所述規定的電壓時被輸入基於所述輸出控制電路的輸出信號的信號，並進行僅在規定的期間動作的間歇動作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的切換調節器，其中，所述規定的期間為至少所述切換元件導通的期間。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的切換調節器，包括：計時器電路，輸出用以基於所述輸出控制電路的輸出信號而使所述電源監視電路間歇動作的信號。
TW106108274A 2016-03-16 2017-03-14 切換調節器 TWI721127B (zh)

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