TWI721155B - 直流直流轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種直流直流轉換器，包括：第1開關元件，連接於在一端生成輸出電壓的電感器的另一端與電源端子之間；虛擬漣波生成電路，生成虛擬漣波電壓及平滑電壓；比較電路，對第1比較結果與第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號，第1比較結果是對虛擬漣波電壓與平滑電壓進行比較的結果，第2比較結果是對反饋電壓與基準電壓進行比較的結果，反饋電壓是將輸出電壓加以分壓而成；以及輸出控制電路，基於比較結果訊號，對第1開關元件的導通或斷開進行控制；並且比較電路對變為輕負載的情況進行響應，僅將第2比較結果作為比較結果訊號加以輸出。

Description

直流直流轉換器
本發明是有關於一種直流直流（direct current-direct current，DC-DC）轉換器，特別是有關於一種遲滯（hysteresis）控制方式（漣波（ripple）控制方式）的直流直流轉換器。
在遲滯控制方式的直流直流轉換器中，是利用漣波成分，來進行開關元件的導通或斷開控制，所述漣波成分是藉由與輸出端子連接的電容器的等效串聯電阻（equivalent series resistance，ESR）而出現於輸出電壓。
先前，是使用ESR比較大的電容器，但由於使用直流直流轉換器的電子設備的小型化，使用陶瓷電容器的需求高漲。然而，陶瓷電容器ESR小，故而若使用陶瓷電容器，則在輸出電壓中幾乎不出現漣波成分，從而無法進行開關元件的導通或斷開控制。作為其對策，採用漣波注入方式，即，模擬地生成漣波成分，將所述虛擬漣波成分注入至輸出電壓或比較器等。
作為所述漣波注入方式的實現方法，在專利文獻1中，提出有一種直流直流轉換器，其設為如下構成：將比較器設為具有兩個差動輸入段的四輸入的比較器，對兩個差動輸入段之中的一個差動輸入段輸入反饋電壓及基準電壓，對另一個差動輸入段輸入虛擬漣波電壓及使所述虛擬漣波電壓平滑化而成的電壓，所述虛擬漣波電壓是藉由虛擬漣波生成電路而生成。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2012-235563號公報
[發明所欲解決的問題] 但是，在專利文獻1中所提出的構成中，在重負載時，虛擬漣波電壓有效地發揮作用，使得直流直流轉換器穩定運行，而另一方面，在輕負載時，虛擬漣波電壓則因虛擬漣波生成電路的輸出阻抗（impedance）高而容易受到雜訊的影響，存在反而導致錯誤運行的危險性。
而且，當改變對比較器供給電流的偏壓電路（電流源）的電流值，對低消耗運行模式與高速運行模式進行切換而使其運行時，存在如下問題：在切換電流時，耦合雜訊（coupling noise）傳遞至虛擬漣波電壓，從而引起錯誤運行，所述耦合雜訊是通過構成比較器的差動輸入段的輸入電晶體的寄生電容而傳遞。
本發明是鑒於所述問題而完成的，目的在於提供一種採用漣波注入方式的遲滯控制的直流直流轉換器，在輕負載時亦可穩定地運行。 [解決問題的手段]
為了解決所述問題，本發明的直流直流轉換器包括：第1開關元件，連接於在一端生成輸出電壓的電感器的另一端與電源端子之間；虛擬漣波生成電路，生成虛擬漣波電壓及平滑電壓，所述虛擬漣波電壓是與所述輸出電壓中所產生的漣波成分相對應的電壓，所述平滑電壓是使所述虛擬漣波電壓平滑化而成的電壓；比較電路，對第1比較結果及第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號，所述第1比較結果是對所述虛擬漣波電壓與所述平滑電壓進行比較的結果，所述第2比較結果是對反饋電壓與基準電壓進行比較的結果，所述反饋電壓是將所述輸出電壓加以分壓而成；以及輸出控制電路，基於所述比較結果訊號，對所述第1開關元件的導通或斷開進行控制；所述直流直流轉換器的特徵在於：所述比較電路對變為輕負載的情況進行響應，僅將所述第2比較結果作為所述比較結果訊號加以輸出。 [發明的效果]
根據本發明的直流直流轉換器，設為如下構成，即，在輕負載時，僅將第2比較結果作為比較結果訊號加以輸出，所述第2比較結果是對反饋電壓與基準電壓進行比較的結果，所述反饋電壓是將輸出電壓加以分壓而成，藉此使得在比較結果訊號中不含第1比較結果，所述第1比較結果是對容易受到雜訊的影響的虛擬漣波電壓與平滑電壓進行比較的結果。因此，可提供一種在輕負載時，亦可抑制雜訊的影響，進行穩定的運行的直流直流轉換器。
以下，參照圖式，對本發明的實施形態進行說明。 圖1是本實施形態的直流直流轉換器100的電路圖。 本實施形態的直流直流轉換器100包括比較電路101、輸出控制電路102、虛擬漣波生成電路103、開關元件11及開關元件12、緩衝器（buffer）13及緩衝器14、電感器15、電容器16、電阻元件17及電阻元件18、以及基準電壓源19。
開關元件11及開關元件12串聯連接於供給電源電壓VDD的電源端子1與接地端子2之間。緩衝器13及緩衝器14的輸出是供給至開關元件11及開關元件12的各自的閘極。
電感器15將一端與輸出端子3連接，將另一端與開關元件11及開關元件12的連接點（亦稱為｢開關節點（switch node）｣）連接。電容器16連接於輸出端子3與接地端子2之間。
電阻元件17及電阻元件18串聯連接於輸出端子3與接地端子2之間，在兩者的連接點上生成輸出至輸出端子3的輸出電壓VOUT的分壓電壓即反饋電壓VFB。
虛擬漣波生成電路103生成虛擬漣波電壓VQR及平滑電壓VQRS，所述虛擬漣波電壓VQR是與輸出電壓VOUT中所產生的漣波成分相對應的電壓，所述輸出電壓VOUT是輸出至輸出端子3的電壓，所述平滑電壓VQRS是使所述虛擬漣波電壓VQR平滑化而成的電壓。在本實施形態中，構成為基於生成於開關節點上的電壓VSW，生成電壓VQR及電壓VQRS。
比較電路101將虛擬漣波電壓VQR、平滑電壓VQRS、反饋電壓VFB及基準電壓源19的基準電壓VREF作為輸入，對第1比較結果及第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號VCOM，所述第1比較結果是對虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS進行比較的結果，所述第2比較結果是對反饋電壓VFB與基準電壓VREF進行比較的結果。
輸出控制電路102基於來自比較電路101的比較結果訊號VCOM，經由緩衝器13及緩衝器14將控制訊號供給至開關元件11及開關元件12，對開關元件11及開關元件12的導通或斷開進行控制。
在比較電路101中，進而自輸出控制電路102輸入控制訊號CONT。控制訊號CONT是如下訊號：當變為輕負載時控制訊號CONT成為第1狀態（例如高（HIGH）位準），當變為重負載，即，自開關元件11及開關元件12均斷開的狀態變為開關元件11導通時控制訊號CONT成為第2狀態（例如低（LOW）位準）。
比較電路101對控制訊號CONT變為第1狀態的情況進行響應，僅將第2比較結果作為比較結果訊號VCOM加以輸出。其後，比較電路101對控制訊號CONT變為第2狀態的情況進行響應，對第1比較結果及第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號VCOM。
此處，利用圖2，對虛擬漣波生成電路103的具體的構成例進行說明。 圖2的虛擬漣波生成電路103包括電阻元件21～電阻元件23及電容元件24～電容元件26。電阻元件21在一端接收電壓VSW，另一端與電容元件24的一端連接。電容元件24的另一端與接地端子2連接。
電阻元件22將一端連接於電阻元件21與電容元件24的連接點，將另一端與電容元件25的一端連接，電容元件25的另一端與接地端子2連接。電阻元件23將一端與電阻元件22的另一端連接，將另一端與電容元件26的一端連接，電容元件26的另一端與接地端子2連接。
藉由所述構成，可自電阻元件21的另一端獲得虛擬漣波電壓VQR，自電阻元件23的另一端獲得使虛擬漣波電壓VQR平滑化而成的平滑電壓VQRS。如上所述，虛擬漣波生成電路103是包含許多的電阻元件及電容元件而構成，故輸出阻抗高，因此，虛擬漣波電壓VQR及平滑電壓VQRS容易受到雜訊的影響。
如以上所述，根據本實施形態的直流直流轉換器100，在輕負載時，比較結果訊號中不含第1比較結果，所述第1比較結果是對容易受到雜訊的影響的虛擬漣波電壓與平滑電壓進行比較的結果。因此，在輕負載時，亦可抑制雜訊的影響，以穩定的佔空（Duty）進行運行。
其次，在圖3中表示比較電路101a，作為直流直流轉換器100中的比較電路101的一例。 比較電路101a包括四輸入的比較器31及開關32。 比較器31包含兩個差動輸入段，對其中一個（第1）差動輸入段的反轉輸入端子輸入虛擬漣波電壓VQR，對非反轉輸入端子輸入平滑電壓VQRS，對另一個（第2）差動輸入段的反轉輸入端子輸入反饋電壓VFB，對非反轉輸入端子輸入基準電壓VREF，而輸出比較結果訊號VCOM。
開關32連接於供給虛擬漣波電壓VQR的訊號線S1與供給平滑電壓VQRS的訊號線S2之間，藉由控制訊號CONT，來控制導通或斷開。
所述構成的比較電路101a在控制訊號CONT成為第1狀態（HIGH位準）即輕負載時，開關32變為導通，使得訊號線S1與訊號線S2短路。因此，虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS成為同電位。
由於虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS成為同電位，故而雖然在比較器31的一個差動輸入段中，進行虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS的比較運行，但由於兩者為同電位，故而第1比較結果實質上無法與第2比較結果合成。因此，僅將第2比較結果作為比較結果訊號VCOM加以輸出，所述第2比較結果是對反饋電壓VFB與基準電壓VREF進行比較的結果。
其後，當控制訊號CONT變為第2狀態（LOW位準）時，開關32變為斷開，虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS成為不同的電壓，因此輸出將第1比較結果與第2比較結果加以合成的訊號作為比較結果訊號VCOM。
在圖4中表示如下情況的具體的構成例：構成為在如上所述的比較電路101a中，在輕負載時及重負載時切換低消耗運行模式與高速運行模式而使比較器31運行。
圖4的比較器31包括PMOS電晶體311～PMOS電晶體316、電流源317～電流源322、開關323及開關324、以及反相器325。 由PMOS電晶體311及PMOS電晶體312構成第1差動輸入段，由PMOS電晶體313及PMOS電晶體314構成第2差動輸入段。對第1差動輸入段輸入虛擬漣波電壓VQR及平滑電壓VQRS，對第2差動輸入段輸入反饋電壓VFB及基準電壓VREF。
又，由PMOS電晶體315及電流源321以及PMOS電晶體316及電流源322構成輸出段，所述PMOS電晶體315及電流源321是串聯連接於電源端子1與接地端子2之間，所述PMOS電晶體316及電流源322是與所述PMOS電晶體315及電流源321並聯連接。PMOS電晶體315及PMOS電晶體316的閘極為共同連接，PMOS電晶體315的閘極與汲極為共同連接。PMOS電晶體315的汲極與PMOS電晶體311及PMOS電晶體313的汲極連接，PMOS電晶體316的汲極與PMOS電晶體312及PMOS電晶體314的汲極連接。並且，在PMOS電晶體316的汲極上生成比較結果訊號VCOM。
電流源317連接於電源端子1與第1差動輸入段的運行電流輸入節點Nin1之間，電流源318將一端連接於電源端子1。開關323連接於電流源318的另一端與運行電流輸入節點Nin1之間，藉由利用反相器325將控制訊號CONT加以反轉而成的訊號而進行導通或斷開控制。
電流源319連接於電源端子1與第2差動輸入段的運行電流輸入節點Nin2之間，電流源320將一端連接於電源端子1。開關324連接於電流源320的另一端與運行電流輸入節點Nin2之間，藉由利用反相器325將控制訊號CONT加以反轉而成的訊號而進行導通或斷開控制。
當變為輕負載時，即，當控制訊號CONT變為第1狀態（HIGH位準）時，如上所述，圖3所示的開關32變為導通，使得訊號線S1與訊號線S2短路，並且開關323及開關324藉由處於第1狀態（HIGH位準）的控制訊號CONT的反轉訊號而均變為斷開。由此，變為如下狀態：對第1差動輸入段的運行電流輸入節點Nin1，僅自電流源317供給運行電流，對第2差動輸入段的運行電流輸入節點Nin2，僅自電流源319供給運行電流。因此，在輕負載時，可設為抑制了消耗功率的低消耗運行模式。
又，藉由將開關323切換成斷開，耦合雜訊會通過第1差動輸入段的寄生電容而傳遞至虛擬漣波電壓VQR及平滑電壓VQRS，但此時，圖3所示的開關32變為導通，從而訊號線S1與訊號線S2發生短路。因此，虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS成為同電位，故而可防止比較器31因耦合雜訊的影響而錯誤運行。
另一方面，當變為重負載時，即，當控制訊號CONT變為第2狀態（LOW位準）時，圖3所示的開關32變為斷開，並且開關323及開關324藉由處於第2狀態（LOW位準）的控制訊號CONT的反轉訊號而均變為導通。由此，變為如下狀態：對第1差動輸入段的運行電流輸入節點Nin1，自電流源317及電流源318兩個電流源供給運行電流，對第2差動輸入段的運行電流輸入節點Nin2，自電流源319及電流源320兩個電流源供給運行電流。因此，在重負載時，可設為高速運行模式。
其次，在圖5中表示比較電路101b，作為直流直流轉換器100中的比較電路101的另一例。 比較電路101b包括比較器33及比較器34、以及開關35。比較電路101b更包括：電流源36及開關37，串聯連接於電源端子1與比較器33的運行電流輸入節點N33in之間；以及電流源38，連接於電源端子1與比較器34的運行電流輸入節點N34in之間。開關37藉由利用反相器39將控制訊號CONT加以反轉而成的訊號而進行導通或斷開控制。
比較器33是具有兩個差動輸入段的四輸入的比較器，對其中一個（第1）差動輸入段的反轉輸入端子輸入虛擬漣波電壓VQR，對非反轉輸入端子輸入平滑電壓VQRS，對另一個（第2）差動輸入段的反轉輸入端子輸入反饋電壓VFB，對非反轉輸入端子輸入基準電壓VREF。然後，將對虛擬漣波電壓VQR與平滑電壓VQRS進行比較的結果及對反饋電壓VFB與基準電壓VREF進行比較的結果進行合成，輸出比較訊號VCOM1（該訊號相當於將所述第1比較結果與第2比較結果加以合成的訊號）。
比較器34是具有一個差動輸入段的二輸入的比較器，對差動輸入段的反轉輸入端子輸入反饋電壓VFB，對非反轉輸入端子輸入基準電壓VREF，並對該些電壓進行比較，輸出比較訊號VCOM2（相當於所述第2比較結果的訊號）。
開關35構成為在控制訊號CONT為第1狀態（HIGH位準）時，選擇比較器34的輸出，在控制訊號CONT為第2狀態（LOW位準）時，選擇比較器33的輸出。
所述構成的比較電路101b在控制訊號CONT變為第1狀態（HIGH位準）時，即，變為輕負載時，開關35選擇比較器34的輸出即比較訊號VCOM2，並將所述比較訊號VCOM2作為比較結果訊號VCOM加以輸出。
其後，當控制訊號CONT變為第2狀態（LOW位準）時，開關35選擇比較器33的輸出即比較訊號VCOM1，比較電路101b將所述比較訊號VCOM1作為比較結果訊號VCOM加以輸出。
此外，在本比較電路101b中，將成為比較器33的運行電流的電流源36的電流值設定為大於成為比較器34的運行電流的電流源38的電流值。並且，當變為輕負載時，即，當控制訊號CONT變為第1狀態（HIGH位準）時，開關37藉由控制訊號CONT的反轉訊號而變為斷開，故而不對比較器33供給運行電流。因此，可在控制訊號CONT為第1狀態（HIGH位準）時切換成低消耗運行模式而運行，在控制訊號CONT為第2狀態（LOW位準）時切換成高速運行模式而運行。
以上，已對本發明的實施形態進行說明，但本發明並不限定於所述實施形態，毋庸置言，在不脫離本發明的主旨的範圍內可進行各種變更。 例如，在所述實施形態中，是說明將本發明應用於通常的遲滯控制方式的直流直流轉換器的示例，但當然亦可應用於遲滯控制方式的一種即固定導通時間（constant on time，COT）控制方式的直流直流轉換器。
又，在所述實施形態中，作為生成虛擬漣波電壓VQR及平滑電壓VQRS的方法，是揭示基於在開關節點上生成的電壓VSW而生成的示例，但並不限定於此，例如，亦可設為基於開關元件11的閘極電壓而生成，所述虛擬漣波電壓VQR是與在輸出電壓VOUT中產生的漣波成分相對應的電壓，所述平滑電壓VQRS是使虛擬漣波電壓VQR平滑化而成的電壓。
又，在所述實施形態中，為了使說明簡化，而說明為：將自開關元件11及開關元件12均斷開的狀態變為開關元件11導通的情況設為｢變為重負載｣，當變為重負載時使圖3的開關32斷開，使圖4的開關323及開關324導通，且使圖5的開關37導通，但本發明中亦包含如下情況：在輕負載狀態的期間，自開關元件11及開關元件12均斷開的狀態變為開關元件11為導通時，各開關以如上所述的方式而構成。
1:電源端子
2:接地端子
3:輸出端子
11、12:開關元件
13、14:緩衝器
15:電感器
16:電容器
17、18、21~23:電阻元件
19:基準電壓源
24~26:電容元件
31、33、34:比較器
32、35、37、323、324:開關
36、38、317~322:電流源
39、325:反相器
100:直流直流轉換器
101、101a、101b:比較電路
102:輸出控制電路
103:虛擬漣波生成電路
311~316:PMOS電晶體
CONT:控制訊號
Nin1、Nin2、N33in、N34in:運行電流輸入節點
S1、S2:訊號線
VCOM:比較結果訊號
VCOM1、VCOM2:比較訊號
VDD:電源電壓
VFB:反饋電壓
VOUT:輸出電壓
VQR:虛擬漣波電壓
VQRS:平滑電壓
VSW:電壓
VREF:基準電壓
圖1是本發明的實施形態的直流直流轉換器的電路圖。 圖2是表示圖1的直流直流轉換器中的虛擬漣波電路的一例的電路圖。 圖3是表示圖1的直流直流轉換器中的比較電路的一例的電路圖。 圖4是表示圖3的比較電路中的比較器的一例的電路圖。 圖5是表示圖1的直流直流轉換器中的比較電路的另一例的電路圖。
1:電源端子
2:接地端子
3:輸出端子
11、12:開關元件
13、14:緩衝器
15:電感器
16:電容器
17、18:電阻元件
19:基準電壓源
100:直流直流轉換器
101:比較電路
102:輸出控制電路
103:虛擬漣波生成電路
CONT:控制訊號
VCOM:比較結果訊號
VDD:電源電壓
VFB:反饋電壓
VOUT:輸出電壓
VQR:虛擬漣波電壓
VQRS:平滑電壓
VSW:電壓
VREF:基準電壓

Claims (7)

  1. 一種直流直流轉換器，包括：第1開關元件，連接於在一端生成輸出電壓的電感器的另一端與電源端子之間；虛擬漣波生成電路，生成虛擬漣波電壓及平滑電壓，所述虛擬漣波電壓是與所述輸出電壓中所產生的漣波成分相對應的電壓，所述平滑電壓是使所述虛擬漣波電壓平滑化而成的電壓；比較電路，對第1比較結果與第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號，所述第1比較結果是對所述虛擬漣波電壓與所述平滑電壓進行比較的結果，所述第2比較結果是對反饋電壓與基準電壓進行比較的結果，所述反饋電壓是將所述輸出電壓加以分壓而成；以及輸出控制電路，基於所述比較結果訊號，對所述第1開關元件的導通或斷開進行控制；所述直流直流轉換器的特徵在於：所述比較電路對變為輕負載的情況進行響應，僅將所述第2比較結果作為所述比較結果訊號加以輸出，其中所述比較電路包括四輸入的比較器，所述四輸入的比較器是對第1反轉輸入端子輸入所述虛擬漣波電壓，對第1非反轉輸入端子輸入所述平滑電壓，對第2反轉輸入端子輸入所述反饋電壓，對第2非反轉輸入端子輸入所述基準電壓，而輸出所述比較結果訊號；且對變為所述輕負載的情況進行響應，將所述虛擬漣波電壓及所述平滑電壓設為同電位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的直流直流轉換器，其中 所述四輸入的比較器包括：第1差動輸入段，輸入所述虛擬漣波電壓及所述平滑電壓；第2差動輸入段，輸入所述反饋電壓及所述基準電壓；第1電流源及第2電流源，將電流供給至所述第1差動輸入段的第1運行電流輸入節點；以及第3電流源及第4電流源，將電流供給至所述第2差動輸入段的第2運行電流輸入節點；並且對變為所述輕負載的情況進行響應，停止自所述第2電流源向所述第1運行電流輸入節點的電流供給及自所述第4電流源向所述第2運行電流輸入節點的電流供給。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的直流直流轉換器，更包括：第2開關元件，與所述第1開關元件串聯連接；並且所述輸出控制電路對所述第2開關元件的導通或斷開進行控制，所述比較電路在變為所述輕負載之後，對如下情況，即，自所述第1開關元件及所述第2開關元件均斷開的狀態變為所述第1開關元件導通的情況進行響應，對所述第1比較結果及所述第2比較結果進行合成，而輸出所述比較結果訊號。
  4. 一種直流直流轉換器，包括：第1開關元件，連接於在一端生成輸出電壓的電感器的另一端與電源端子之間；虛擬漣波生成電路，生成虛擬漣波電壓及平滑電壓，所述虛擬漣波電壓是與所述輸出電壓中所產生的漣波成分相對應的電壓，所述平滑電壓是使所述虛擬漣波電壓平滑化而成的電壓； 比較電路，對第1比較結果與第2比較結果進行合成，輸出比較結果訊號，所述第1比較結果是對所述虛擬漣波電壓與所述平滑電壓進行比較的結果，所述第2比較結果是對反饋電壓與基準電壓進行比較的結果，所述反饋電壓是將所述輸出電壓加以分壓而成；以及輸出控制電路，基於所述比較結果訊號，對所述第1開關元件的導通或斷開進行控制；所述直流直流轉換器的特徵在於：所述比較電路對變為輕負載的情況進行響應，僅將所述第2比較結果作為所述比較結果訊號加以輸出，其中所述比較電路包括：四輸入的第1比較器，對第1反轉輸入端子輸入所述虛擬漣波電壓，對第1非反轉輸入端子輸入所述平滑電壓，對第2反轉輸入端子輸入所述反饋電壓，對第2非反轉輸入端子輸入所述基準電壓，而輸出第1比較訊號；以及二輸入的第2比較器，對反轉輸入端子輸入所述反饋電壓，對非反轉輸入端子輸入所述基準電壓，而輸出第2比較訊號；且對變為所述輕負載的情況進行響應，將所述第2比較訊號作為所述比較結果訊號加以輸出。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的直流直流轉換器，其中所述第1比較器的運行電流大於所述第2比較器的運行電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的直流直流轉換器，其中對變為所述輕負載的情況進行響應，停止向所述第1比較器供給所述運行電流。
  7. 如申請專利範圍第4項至第6項中任一項所述的直流直流 轉換器，更包括：第2開關元件，與所述第1開關元件串聯連接；且所述輸出控制電路對所述第2開關元件的導通或斷開進行控制，所述比較電路在變為所述輕負載後，對如下情況，即，自所述第1開關元件及所述第2開關元件均斷開的狀態變為所述第1開關元件導通的情況進行響應，將所述第1比較訊號作為所述比較結果訊號加以輸出。
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