專利名稱：Dc/dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換直流電壓電平的DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及用于支持降壓(step-down)、升壓(step-up)、尤其是支持高效操作的技術(shù)。
背景技術(shù)：
因?yàn)镈C/DC轉(zhuǎn)換器能夠生成低于輸入直流電壓的輸出直流電壓或者生成高于輸入直流電壓的輸出直流電壓，所以迄今為止已知在非專利文獻(xiàn)1(“Handbook for electronics and communication engineers”第一版，第四次印刷，721-722頁(yè)，1979年8月20日，Ohmsha有限公司)中所描述的斬波開關(guān)調(diào)節(jié)器(chopper switching regulator)。
作為其斬波器(chopper)，可以是降壓斬波器和升壓斬波器。
降壓斬波器提供輸入直流電壓VIN至開關(guān)晶體管的集電極，并將平滑線圈的一端和二極管的陰極連接至開關(guān)晶體管的發(fā)射器，并且將平滑電容器和負(fù)載并聯(lián)到平滑線圈的另一端。基于導(dǎo)通周期TON和關(guān)閉周期TOFF，這樣并聯(lián)的輸出直流電壓VOUT的值變得低于輸入直流電壓VIN，如下面等式中所述。
VOUT＝VIN·TON/(TON+TOFF)...(1)另一方面，升壓斬波器將平滑線圈連接在輸入直流電壓VIN和開關(guān)晶體管集電極之間，將二極管的陽(yáng)極連接到開關(guān)晶體管的集電極，并且將平滑電容器和負(fù)載并聯(lián)連接到二極管的陰極?；陂_關(guān)晶體管的導(dǎo)通周期TON和關(guān)閉周期TOFF，該并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT變?yōu)楦哂谳斎胫绷麟妷篤IN，如下面等式所述。
VOUT＝VIN·(TON+TOFF)/OFF...(2)另一方面，以下專利文獻(xiàn)1(未審日本專利公開No.2004-64994)公開了開關(guān)調(diào)節(jié)器作為由不穩(wěn)定的輸入直流電壓形成穩(wěn)定的輸出直流電壓的電源電路。開關(guān)調(diào)節(jié)器經(jīng)由電源電壓側(cè)的已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)供應(yīng)至低通濾波器的平滑線圈。在這一個(gè)開關(guān)操作周期中第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段期間，基電勢(shì)(base potential)側(cè)的開關(guān)被接通，同時(shí)電源電壓側(cè)的開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。通過(guò)這種方法，由儲(chǔ)存在平滑線圈內(nèi)的能量所引起的再生電流(regenerative current)從基電勢(shì)流經(jīng)保持在導(dǎo)通狀態(tài)的基電勢(shì)側(cè)開關(guān)。當(dāng)這一個(gè)開關(guān)操作周期重復(fù)多次時(shí)，從負(fù)載和與其并聯(lián)連接的平滑電容器獲得穩(wěn)定的輸出直流電壓。
進(jìn)一步，專利文獻(xiàn)1描述了允許開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出電壓高速跟隨早期穩(wěn)定的輸出直流電壓的技術(shù)，即使在由于流經(jīng)輸出電壓所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的電流變化而導(dǎo)致負(fù)載變化時(shí)。為了減少功率損耗，消除與平滑線圈串聯(lián)的用于檢測(cè)流經(jīng)負(fù)載或平滑線圈的電流的電阻器。作為替代，電阻器和電容器的串聯(lián)電路與串聯(lián)調(diào)節(jié)器(series regulator)的平滑線圈并聯(lián)。串聯(lián)電路的電阻器和電容器的節(jié)點(diǎn)處的電勢(shì)被輸入到具有遲滯特征的比較器電路。早期的目的是通過(guò)利用比較器電路的輸出對(duì)電源電壓側(cè)開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人對(duì)非專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)1所描述的技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。結(jié)果，本發(fā)明人得出以下結(jié)論。
在非專利文獻(xiàn)1所描述的技術(shù)中，如果采用降壓斬波器的電路形式，可以生成低于輸入直流電壓的輸出直流電壓。類似地，如果采用升壓斬波器的電路形式，則可以生成高于輸入直流電壓的輸出直流電壓。在專利文獻(xiàn)1中所描述的開關(guān)調(diào)節(jié)器技術(shù)中，由于降壓斬波器的電路形式，所以可以產(chǎn)生低于輸入直流電壓的輸出直流電壓。然而，在本技術(shù)中，不能生成高于輸入直流電壓的輸出直流電壓。
特別地，近來(lái)，DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)調(diào)節(jié)器已經(jīng)采用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，并內(nèi)置半導(dǎo)體芯片，不僅僅對(duì)于多個(gè)開關(guān)晶體管，而且對(duì)于用于對(duì)多個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行接通/關(guān)斷控制的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)調(diào)節(jié)器的成本降低并且實(shí)現(xiàn)了小型化。
然而，本發(fā)明人的研究已經(jīng)證明，非專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)1所描述的技術(shù)已經(jīng)得出了以下結(jié)論即考慮通過(guò)或經(jīng)由一個(gè)用作配置在半導(dǎo)體芯片中每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)調(diào)節(jié)器的半導(dǎo)體產(chǎn)品來(lái)允許半導(dǎo)體芯片內(nèi)置電路被共享用于降壓功能和升壓功能是不夠的。
本發(fā)明人的研究揭示出，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)得到如下結(jié)論，即在實(shí)現(xiàn)降壓功能和升壓功能時(shí)，考慮用于檢測(cè)負(fù)載變化的負(fù)載變化檢測(cè)電路和允許輸出直流電流以高速響應(yīng)在多大程度上被共享是不夠的。
本發(fā)明的第一方面是在本發(fā)明人進(jìn)行的上述研究基礎(chǔ)上完成的。本發(fā)明第一方面的一個(gè)目的是通過(guò)配置在半導(dǎo)體芯片中用作DC/DC轉(zhuǎn)換器的一個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)品來(lái)共享半導(dǎo)體芯片內(nèi)置電路用于降壓功能和升壓功能。本發(fā)明第一方面的另一目的是在實(shí)現(xiàn)降壓功能和升壓功能時(shí)，共享用于檢測(cè)負(fù)載變化的負(fù)載變化檢測(cè)電路和允許輸出直流電流高速反應(yīng)。
盡管專利文獻(xiàn)1具有開關(guān)頻率隨著負(fù)載電流的變化而變化的特征，但是本發(fā)明人所進(jìn)行的研究已經(jīng)證明開關(guān)頻率變化量的增加和噪音難以清除的問題。本發(fā)明人的研究還揭示了，該噪音對(duì)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)具有不良影響。
本發(fā)明第二方面是在本發(fā)明人的上述研究的基礎(chǔ)上做出的。本發(fā)明第二方面的一個(gè)目的是改善對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流變化的響應(yīng)特征和噪音特征。
通過(guò)本說(shuō)明書和附圖的描述，本發(fā)明的以上目的、其他目的和新穎特征將顯而易見。
本申請(qǐng)所公開的典型的或者具有代表性的發(fā)明簡(jiǎn)要解釋如下根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的用于構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體芯片包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)和由該開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)驅(qū)動(dòng)的第一開關(guān)元件(M1)和第二開關(guān)元件(M2)。第一開關(guān)元件(M1)的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件(M2)的輸出電流路徑串聯(lián)。調(diào)整第一開關(guān)元件(M1)和第二開關(guān)元件(M2)的公共連接點(diǎn)，以連接到半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈(L)的一端。采用第二開關(guān)元件(M2)的輸出電流路徑，以連接到基電勢(shì)(參考圖1和圖2)。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)被并聯(lián)連接到半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈的另一端。在降壓操作模式中，第一開關(guān)元件(M1)的輸出電流路徑在半導(dǎo)體芯片外被提供以輸入直流電壓(VIN)(參考圖1)。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，平滑線圈(L)的另一端在半導(dǎo)體芯片外被提供以輸入直流電壓(VIN)。在升壓操作模式中，平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)在半導(dǎo)體芯片外被并聯(lián)到第一開關(guān)元件(M1)的輸出電流路徑(參考圖2)。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)在第一時(shí)間段將第一開關(guān)元件(M1)控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且將第二開關(guān)元件(M2)控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，在第一時(shí)間段，電流通過(guò)第一開關(guān)元件(M1)和平滑線圈(L)從輸入直流電壓(VIN)被供應(yīng)給平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)的并聯(lián)連接，并且因此能量在第一時(shí)間段被儲(chǔ)存在平滑線圈(L)中。在第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)將第一開關(guān)元件(M1)控制為關(guān)閉狀態(tài)，并且將第二開關(guān)元件(M2)控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)過(guò)第二開關(guān)元件(M2)和平滑線圈(L)從基電勢(shì)流出。從而，形成取決于第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之間比例的電壓降，并且因此DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作(參考圖1)。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，在第一時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)將第一開關(guān)元件(M1)控制為關(guān)閉狀態(tài)，并且將第二開關(guān)元件(M2)控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第一時(shí)間段，電流經(jīng)過(guò)第二開關(guān)元件(M2)和平滑線圈(L)從輸入直流電壓(VIN)流向基電勢(shì)，并且從而能量在第一時(shí)間段被儲(chǔ)存在平滑線圈(L)內(nèi)。在第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)將第一開關(guān)元件(M1)控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且將第二開關(guān)元件(M2)控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)過(guò)平滑線圈(L)和第一開關(guān)元件(M1)從輸入直流電壓(VIN)流向平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)的并聯(lián)連接。因此，在第二時(shí)間段，通過(guò)把所釋放的能量疊加在輸入直流電壓(VIN)上而獲得的電壓被提供給并聯(lián)連接。因此，形成取決于第二時(shí)間段和第一時(shí)間段之間比例的電壓增加，并且因此DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作(參考圖2)。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的上述方法，輸入直流電壓(VIN)和平滑電容器(C1)與負(fù)載(L)在半導(dǎo)體芯片外的并聯(lián)連接之間的連接形式被改變，并且開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)的開關(guān)操作被進(jìn)一步改變。因此，根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法，位于半導(dǎo)體芯片內(nèi)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)、第一開關(guān)元件(M1)和第二開關(guān)元件(M2)可以對(duì)降壓操作和升壓操作都有貢獻(xiàn)(參見圖1和圖2)。
此外，本發(fā)明第一方面的一個(gè)特定形式進(jìn)一步包括檢測(cè)流經(jīng)平滑線圈(L)的電流變化的反饋電路(FBC)。反饋電路(FBC)包括一端被供以提供給負(fù)載(ZL)的直流輸出電壓(VOUT)的反饋電容器(Cf)、一端與反饋電容器(Cf)另一端相連的第一反饋電阻器(Rf1)、和一端與反饋電容器(Cf)另一端相連的第二反饋電阻器(Rf2)。從反饋電容器(Cf)、第一反饋電阻器(Rf1)和第二反饋電阻器(Rf2)的公共連接點(diǎn)獲得反饋電路(FBC)所檢測(cè)的輸出電壓，并且被檢測(cè)的輸出電壓(Vfb)被反饋到開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)的輸入(DRV_In)。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，與開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)的輸入(DRV-In)相關(guān)的信號(hào)被提供給第一反饋電阻器(Rf1)的另一端，并且基電勢(shì)被提供給第二反饋電阻器(Rf2)的另一端。在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，與開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)的輸入(DRV_In)相關(guān)的信號(hào)被提供給第一反饋電阻器(Rf1)的另一端，并且與輸入直流電壓(VIN)相關(guān)的信號(hào)被提供給第二反饋電阻器(Rf2)的另一端。
按照本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)、和由開關(guān)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的第一開關(guān)元件(M1)與第二開關(guān)元件(M2)。第一開關(guān)元件(M1)的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件(M2)的輸出電流路徑串聯(lián)連接。第一開關(guān)元件(M1)和第二開關(guān)元件(M2)的公共連接點(diǎn)被調(diào)整，以與平滑線圈(L)的一端相連。向第一開關(guān)元件(M1)的輸出電流路徑提供輸入直流電壓(VIN)。第二開關(guān)元件(M2)的輸出電流路徑被調(diào)整，以與基電勢(shì)連接。平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)被并聯(lián)連接到平滑線圈(L)的另一端。DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括誤差放大器(EA)、反饋電路(FBC)、比較器(CMP)和鎖存器(FF)。誤差放大器(EA)檢測(cè)被提供給平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)的并聯(lián)連接的輸出直流電壓(VOUT)的誤差。反饋電路(FBC)包括一端與平滑線圈(L)另一端相連的反饋電容器(Cf)、和一端與反饋電容器(Cf)另一端相連而另一端與平滑線圈(L)的一端相連的反饋電阻器(Rf)。比較器(CMP)比較響應(yīng)于誤差放大器(EA)的輸出的信號(hào)與反饋電路(FBC)的輸出信號(hào)。具有基本恒定周期(T)的時(shí)序信號(hào)(TM)將鎖存器(FF)設(shè)置為一種狀態(tài)，比較器(CMP)的輸出將鎖存器(FF)設(shè)置為另一種狀態(tài)。鎖存器(FF)的輸出信號(hào)(Q)被提供給開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)(參看圖5)。
根據(jù)本發(fā)明第二方面的上述方法，鎖存器(FF)被具有基本恒定周期的時(shí)序信號(hào)(TM)設(shè)置。因此，在第一時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)將第一開關(guān)元件(M1)控制為導(dǎo)通狀態(tài)，將第二開關(guān)元件(M2)控制為關(guān)閉狀態(tài)。相應(yīng)地，在第一時(shí)間段，電流經(jīng)由第一開關(guān)元件(M1)和平滑線圈(L)從輸入直流電壓(VIN)提供給平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)的并聯(lián)連接，并且因此在第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈(L)中。當(dāng)誤差放大器(EA)的輸出電壓(Ve)與反饋電路(FBC)的輸出信號(hào)(Vfb)交叉(cross over)時(shí)，比較器(CMP)的輸出將鎖存器(FF)設(shè)置為另一種狀態(tài)。這樣，在第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)將第一開關(guān)元件(M1)控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件(M2)控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)由第二開關(guān)元件(M2)和平滑線圈(L)從基電勢(shì)流出。相應(yīng)地，形成取決于第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之間比例的電壓降，并且因此DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作。當(dāng)流經(jīng)負(fù)載(ZL)的電流隨著負(fù)載的變化而稍微增加時(shí)，在第二時(shí)間段，反饋電路(FBC)的輸出信號(hào)(Vfb)的變化量也稍微增加。然而，從反饋電路(FBC)的輸出信號(hào)(Vfb)到開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(DRV)的負(fù)反饋(negative feedback)使提供給平滑電容器(C1)和負(fù)載(ZL)的并聯(lián)連接的輸出直流電壓(VOUT)基本保持穩(wěn)定。根據(jù)本發(fā)明第二方面的上述方法，噪音電平可以降低，因?yàn)榕c第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之和對(duì)應(yīng)的開關(guān)時(shí)間段是由具有基本恒定周期的時(shí)序信號(hào)(TM)決定的。
此外，本發(fā)明第二方面的一個(gè)具體形式進(jìn)一步包括誤差電壓校正電路(EVCC)。誤差電壓校正電路包括由鎖存器(FF)的輸出(Q)所控制的控制開關(guān)(M3)、和在誤差放大器(EA)的輸出與比較器(CMP)的輸入之間設(shè)置高阻抗的控制電路(TG)。從控制開關(guān)(M3)和控制電路(TG)的公共連接點(diǎn)產(chǎn)生誤差電壓校正電路(EVCC)的校正后輸出電壓(Vs)。
當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生異常增加時(shí)，鎖存器(FF)的輸出(Q)將控制開關(guān)(M3)和控制電路(TG)分別控制為導(dǎo)通狀態(tài)和高阻抗?fàn)顟B(tài)。這樣，比較器(CMP)比較被設(shè)置為低于誤差放大器(EA)的誤差輸出(Ve)的校正后輸出電壓(Vs)與反饋電路(FBC)的輸出信號(hào)(Vfb)(參看圖8)。
本申請(qǐng)所公開的具有代表性的發(fā)明實(shí)施例的有利效果解釋如下根據(jù)本發(fā)明第一方面，在一個(gè)被用作配置在半導(dǎo)體芯片中的DC/DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體產(chǎn)品中，半導(dǎo)體芯片內(nèi)置電路可被共享用于降壓功能和升壓功能。
進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明第二方面，相對(duì)于負(fù)載電流變化的響應(yīng)特征和噪音特征可以在DC/DC轉(zhuǎn)換器中被改善。


圖1是波形圖，其示出根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，在第一操作模式(降壓輸出模式)中DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路配置和電路操作；圖2是波形圖，其示出根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，在第二操作模式(升壓輸出模式)中DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路配置和電路操作；圖3示出了根據(jù)圖1所示的本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行第一操作模式(降壓輸出模式)時(shí)各電路部件的波形；圖4示出了根據(jù)圖2所示的本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行第二操作模式(升壓輸出模式)時(shí)各電路部件的波形；圖5是電路圖，其示出按照本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器；圖6是波形圖，其描述按照?qǐng)D5所示的本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作；圖7是波形圖，其描述圖5所示的DC/DC轉(zhuǎn)換器在其過(guò)載狀態(tài)下的操作；圖8是電路圖，其示出按照本發(fā)明第二方面的一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器；和圖9是波形圖，其描述按照?qǐng)D8所示的本發(fā)明第二方面的改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作。
具體實(shí)施例方式
《實(shí)現(xiàn)降壓功能和升壓功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路配置》圖1為示意圖，其示出按照本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器在第一操作模式(降壓輸出模式)中的電路配置。
如同一圖所示，構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體芯片包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV、由開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV驅(qū)動(dòng)的P溝道MOS晶體管的第一開關(guān)元件M1、和由開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV驅(qū)動(dòng)的N溝道MOS晶體管的第二開關(guān)元件M2。第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑串聯(lián)連接。第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2的公共連接點(diǎn)被調(diào)整以與位于半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈L的一端相連。作為其調(diào)整的一個(gè)例子，公共連接點(diǎn)被電連接到半導(dǎo)體芯片的外部輸出端子。第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑的另一端被調(diào)整以連接到基電勢(shì)，例如地電勢(shì)。作為其調(diào)整的一個(gè)例子，第二開關(guān)元件M2的源極或發(fā)射極與半導(dǎo)體芯片的外部接地端子電連接。
在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行第一操作模式(降壓輸出模式)的模式中，平滑電容器C1和負(fù)載ZL被并聯(lián)連接到位于半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈L的另一端，如圖1所示。在降壓操作模式中，第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑在半導(dǎo)體芯片外被提供以輸入直流電壓VIN。
圖3示出了當(dāng)按照?qǐng)D1所示的本發(fā)明第一實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行第一操作模式(降壓輸出模式)時(shí)各電路部件的波形。在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，如同一圖所示，在第一時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV將第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且將第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)(見圖3中的M1柵極和M2柵極)。因此，如圖1所示，在第一時(shí)間段，經(jīng)由第一開關(guān)元件M1和平滑線圈L，平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接被提供以來(lái)自輸入直流電壓VIN的電流，使得在第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。因此，下面的等式所給出的線圈電流在第一時(shí)間段流過(guò)。
ION＝(VIN-VOUT)·t/L...(3)順便說(shuō)明，VIN表示從輸入直流電壓電源端子TIN所供應(yīng)的輸入直流電壓，VOUT表示來(lái)自直流輸出端子TOUT的輸出直流電壓，t和L分別表示時(shí)間和線圈的電感。
在第一時(shí)間段之后的第二時(shí)間段中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)由第二開關(guān)元件M2和平滑線圈L從基電勢(shì)流出。相應(yīng)地，下面等式所給出的線圈電流在第二時(shí)間段流過(guò)。
IOFF＝VOUT·t/L...(4)順便說(shuō)明，VON表示處于導(dǎo)通狀態(tài)的第三開關(guān)S3的端到端導(dǎo)通電壓，而t表示時(shí)間。
假定第一時(shí)間段的時(shí)間t的長(zhǎng)度為TON，而第二時(shí)間段的時(shí)間t的長(zhǎng)度為TOFF。這樣，在第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之間的邊界處，等式(3)所給出的電流與等式(4)所給出的電流應(yīng)該相等。因此，得出下面等式(VIN-VOUT)·TON/L＝VOUT·TOFF/L...(5)將等式(5)擴(kuò)展即得出等式(6)。
VOUT＝VIN·TON/(TON+TOFF)...(6)因此，可以理解，在第一種操作模式(降壓輸出模式)中，低于從輸入直流電壓電源端TIN所提供的輸入直流電壓VIN的輸出直流電壓VOUT可以按照等式(6)被從直流輸出端子TOUT輸出。從而，產(chǎn)生了取決于第二時(shí)間段TOFF和第一時(shí)間段TON之間比例的電壓降，并且因此圖1所示的DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作。
圖2為示意圖，其示出按照本發(fā)明第一方面一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器在第二操作模式(升壓輸出模式)中的電路配置。
如同一圖所示，用來(lái)構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體芯片包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV、由開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV驅(qū)動(dòng)的P溝道MOS晶體管的第一開關(guān)元件M1、和被驅(qū)動(dòng)的N溝道MOS晶體管的第二開關(guān)元件M2。第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑串聯(lián)連接。第一開關(guān)元件M1與第二開關(guān)元件M2的公共連接點(diǎn)被調(diào)整，以連接至位于半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈L的一端。第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑被調(diào)整，以連接至基電勢(shì)，例如地電勢(shì)。到目前為止所解釋的圖2的電路配置和連接與圖1完全相同。
然而，如圖2所示，在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，平滑線圈L的另一端在半導(dǎo)體芯片外被提供以輸入直流電壓VIN。在升壓操作模式中，平滑電容器C1和負(fù)載ZL被并聯(lián)連接到位于半導(dǎo)體芯片外的第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑。這一點(diǎn)是圖1和圖2所示的電路配置和連接的不同之處。
進(jìn)一步地，在開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV對(duì)第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2的接通/關(guān)斷控制方面，圖2和圖1彼此不同。
圖4示出在按照?qǐng)D2所示的本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行第二操作模式(升壓輸出模式)時(shí)各電路部件的波形。在DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行其升壓操作時(shí)，如同一圖所示，在第一時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第一時(shí)間段，電流經(jīng)由平滑線圈L和第二開關(guān)元件M2從輸入直流電壓VIN流到基電勢(shì)，從而在第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。相應(yīng)地，下面等式所給出的線圈電流經(jīng)由線圈流到地電勢(shì)。
ION＝VIN·t/L...(7)在第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)由平滑線圈L和第一開關(guān)元件M1從輸入直流電壓VIN流到平滑電阻器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接。相應(yīng)地，下面等式所給出的線圈電流經(jīng)由線圈和第一開關(guān)元件M1流入其相應(yīng)的直流輸出端子TOUT。
IOFF＝(VIN-VOUT)·t/L...(8)假定第一時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)度t為TON，第二時(shí)間段的時(shí)間長(zhǎng)度t為TOFF。這樣，在第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之間的邊界處，等式(7)所給出的電流和等式(8)所給出的電流應(yīng)彼此相等。從而得到下面等式VIN·TON/L＝(VIN-VOUT)·TOFF/L...(9)擴(kuò)展等式(9)就得到如下關(guān)系式。
VOUT＝(1+(TON/TOFF))·VIN...(10)
從而可以理解，在第二操作模式(升壓輸出模式)中，高于從輸入直流電壓電源端子TIN所供應(yīng)的輸入直流電壓VIN的輸出直流電壓VOUT可以根據(jù)等式(10)從直流輸出端子TOUT輸出。從而，在第二時(shí)間段，通過(guò)將所釋放的能量或發(fā)射能量疊加在輸入直流電壓VIN上而獲得的電壓被提供給并聯(lián)連接。相應(yīng)地，出現(xiàn)取決于第二時(shí)間段TOFF和第一時(shí)間段TON之間比例的電壓增加，并且因此DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作。
根據(jù)上面參考圖1、2、3和4描述的本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例，輸入直流電壓VIN與位于半導(dǎo)體芯片外的平滑電容器(C1)和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接之間的連接形式被改變，并且開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的開關(guān)操作被進(jìn)一步改變。因此，位于半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV、第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2對(duì)升壓操作和降壓操作都有貢獻(xiàn)。
在本發(fā)明第一方面的一個(gè)更具體實(shí)施例中，采用這樣一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)允許初期穩(wěn)定的輸出直流電壓高速跟隨輸出電壓，即使在由于流經(jīng)被驅(qū)動(dòng)負(fù)載ZL的電流變化而引起的負(fù)載變化時(shí)。圖1和圖2所示的電路中反饋電路FBC是這種所采用的技術(shù)的核心。反饋電路FBC主要包括反饋電容器或電容Cf，其一端被提供以被提供到平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT。隨著流經(jīng)被驅(qū)動(dòng)負(fù)載ZL的電流變化，反饋電容Cf的另一端處的電壓變化。反饋電容Cf這個(gè)另一端處電壓的變化被反饋到開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入，使得控制第一時(shí)間段TON和第二時(shí)間段TOFF之間的比例，從而輸出直流電壓VOUT被保持近似恒定。在反饋電路FBC反饋后，反饋電容CF和第一反饋電阻器Rf1的串聯(lián)連接最初用來(lái)根據(jù)跨平滑線圈L的電勢(shì)差而檢測(cè)流經(jīng)負(fù)載ZL的電流。然而，根據(jù)由于該初始連接所引起的電勢(shì)差，在第一操作模式(降壓輸出模式)和第二操作模式(升壓輸出模式)的情況中，極性被反轉(zhuǎn)。如上所述，第一操作模式(降壓輸出模式)和第二操作模式(升壓輸出模式)中開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV對(duì)第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2執(zhí)行接通/關(guān)斷控制的操作被反轉(zhuǎn)。在第一操作模式(降壓輸出模式)和第二操作模式(升壓輸出模式)中，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV響應(yīng)從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb的輸入DRV_In的極性也被反轉(zhuǎn)。
在如圖1所示的第一操作模式(降壓輸出模式)中，鎖存器FF響應(yīng)于從反饋電路FBC經(jīng)由比較器CMP所提供的反饋電壓Vfb的輸出Q被提供給開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In，而沒有反轉(zhuǎn)。DRV_In處的信號(hào)經(jīng)第二反向器IVN2、第一非反相電平移位電路LS1和處于非反相態(tài)的第三反向器INV3被提供給第一反饋電阻器Rf1的一端。當(dāng)?shù)谝徊僮髂Ｊ?降壓輸出模式)中流經(jīng)負(fù)載ZL的電流增加時(shí)，需要同時(shí)增加第一時(shí)間段TON，并減小第二時(shí)間段TOFF。借助于反饋電容Cf此時(shí)的動(dòng)作，在從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb的變化周期期間，第一時(shí)間段TON增加，而第二時(shí)間段TOFF減小。因此，由于反饋電路FBC的動(dòng)作，輸出直流電壓VOUT保持近似穩(wěn)定，即使取決于負(fù)載的電流變化。在第一操作模式(降壓輸出模式)中，第二反饋電阻器Rf2的一端被第四反向器INV4的輸出保持在基電勢(shì)，例如地電勢(shì)，并且變?yōu)閹缀跖c平滑線圈L的另一端處的電壓無(wú)關(guān)。這是因?yàn)?，?duì)控制信號(hào)CNTL響應(yīng)的第二非反相電平移位電路LS2控制第四反向器INV4，如上面所述。順便說(shuō)明，被提供給如圖1所示的平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT被分壓電阻器R1和R2分壓。被這樣分壓的電壓被提供給誤差放大器EA的反相輸入端，并且參考電壓Vref被提供給誤差放大器EA的非反相輸入端。誤差放大器EA的輸出被提供給比較器CMP的反相輸入端，并且反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb被提供給比較器CMP的非反相輸入端。比較器CMP的輸出被提供給鎖存器FF的置位輸入端S，并且具有近似恒定周期T的時(shí)序信號(hào)TM被提供給鎖存器FF的復(fù)位輸入端R。因此，當(dāng)鎖存器FF被圖3所示時(shí)序信號(hào)TM復(fù)位時(shí)，鎖存器FF的輸出信號(hào)Q的電平變?yōu)榈?。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In變?yōu)榈碗娖?，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第一時(shí)間段的操作，其中在第一時(shí)間段期間，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。當(dāng)從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb從誤差放大器EA的輸入Ve稍微升高時(shí)，比較器CMP的輸出的電平變高。鎖存器FF被比較器CMP的高電平輸出置位，使得輸出信號(hào)Q的電平變高。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In變?yōu)楦唠娖?，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第二時(shí)間段的操作，其中在第二時(shí)間段期間，能量被從平滑線圈L釋放。
另一方面，在如圖2所示的第二操作模式(升壓輸出模式)中，鎖存器FF的響應(yīng)于從反饋電路FBC經(jīng)比較器CMP所提供的反饋電壓Vfb的輸出Q被第一反向器INV1反轉(zhuǎn)，其又被提供給開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In。輸入DRV_In處的信號(hào)經(jīng)第二反向器IVN2、第一非反相電平移位電路LS1和處于非反轉(zhuǎn)狀態(tài)的第三反向器INV3被提供給第一反饋電阻器Rf1的一端。當(dāng)流經(jīng)負(fù)載ZL的電流在第二操作模式(升壓輸出模式)中增加時(shí)，需要同時(shí)以與第一操作模式(降壓輸出模式)類似的方式增加第一時(shí)間段TON，減小第二時(shí)間段TOFF。借助于此時(shí)反饋電容Cf的動(dòng)作，在反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb的變化周期期間，第一時(shí)間段TON增加，而第二時(shí)間段TOFF減少。因此，由于反饋電路FBC的動(dòng)作，輸出直流電壓VOUT被保持基本穩(wěn)定，即使取決于負(fù)載上的電流變化。在第二操作模式(升壓輸出模式)中，輸出直流電壓VOUT也隨著瞬變輸入直流電壓VIN的減小而降低，如等式(10)所示。為了減輕該現(xiàn)象，第四反向器INV4的輸出給第二反饋電阻器Rf2的一端提供以相應(yīng)的輸入直流電壓VIN。這是因?yàn)?，響?yīng)于控制信號(hào)CNTL的第二非反相電平移位電路LS2控制第四反向器INV4，如上面所述。當(dāng)輸入直流電壓VIN降低時(shí)，從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb的直流分量也隨著第二反饋電阻器Rf2的動(dòng)作降低。因此，在反饋電壓Vfb的變化周期期間，第一時(shí)間段TON增加，而第二時(shí)間段TOFF減少。結(jié)果，輸出直流電壓VOUT保持基本穩(wěn)定。順便說(shuō)明，提供給圖2所示的平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT被分壓電阻器R1和R2分壓。被這樣分壓的電壓被提供給誤差放大器EA的反相輸入端，并且參考電壓Vref被提供給誤差放大器EA的非反相輸入端。誤差放大器EA的輸出被提供給比較器CMP的反相輸入端，從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb被提供給比較器CMP的非反相輸入端。比較器CMP的輸出被提供給鎖存器FF的置位輸入端S，具有近似恒定周期的時(shí)序信號(hào)TM被提供給鎖存器FF的復(fù)位輸入端R。因此，當(dāng)鎖存器FF被如圖4所示的時(shí)序信號(hào)TM復(fù)位時(shí)，鎖存器FF的輸出信號(hào)Q的電平變低，并且反向器INV1的輸出的電平升高。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In變?yōu)楦唠娖?，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第一時(shí)間段的操作，其中在第一時(shí)間段中，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。當(dāng)從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb從誤差放大器EA的輸出Ve稍微升高時(shí)，比較器CMP的輸出的電平升高。鎖存器FF被比較器CMP的高電平輸出置位，從而輸出信號(hào)Q的電平變高，反向器INV1的輸出的電平變低。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In處于低電平，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第二時(shí)間段的操作，其中在第二時(shí)間段中，能量從平滑線圈L中被釋放。
《改善對(duì)于負(fù)載電流變化的響應(yīng)和特征的DC/DC轉(zhuǎn)換器》圖5為電路圖，其示出按照本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器。順便說(shuō)明，圖6是波形圖，其描述按照?qǐng)D5所示的本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作。
DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括半導(dǎo)體芯片、開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV和由開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV驅(qū)動(dòng)的第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2。第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑串聯(lián)。第一開關(guān)元件M1和第二開關(guān)元件M2的公共連接點(diǎn)被調(diào)整以連接到平滑線圈L的一端。作為其調(diào)整的一個(gè)例子，公共連接點(diǎn)被電連接到半導(dǎo)體芯片的外部輸出端子。第一開關(guān)元件M1的輸出電流路徑被提供以輸入直流電壓VIN。第二開關(guān)元件M2的輸出電流路徑被調(diào)整以電連接至基電勢(shì)。作為其調(diào)整的一個(gè)例子，第二開關(guān)元件M2的源極或發(fā)射極被電連接到半導(dǎo)體芯片的外部接地端子。平滑電容器C1和負(fù)載ZL被并聯(lián)連接到半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈L的另一端。DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括誤差放大器EA、反饋電路FBC、比較器CMP和鎖存器FF。誤差放大器EA檢測(cè)提供給平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT的誤差。反饋電路FBC包括反饋電容器或者電容Cf，其一端與平滑線圈L的另一端相連；也包括反饋電阻器或電阻Rf，其一端與反饋電容Cf的另一端相連，而另一端與平滑線圈L的一端相連。比較器CMP比較響應(yīng)于誤差放大器EA的輸出的信號(hào)和從反饋電路FBC所輸出的信號(hào)。鎖存器FF被具有基本恒定周期或時(shí)間段T的時(shí)序信號(hào)TM置位，并被比較器CMP的輸出復(fù)位，并且鎖存器的輸出信號(hào)Q被提供給開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV。
在按照?qǐng)D5所示的本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，鎖存器FF被具有基本恒定周期T的時(shí)序信號(hào)TM置位。因此，在第一時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)。相應(yīng)地，在第一時(shí)間段，電流經(jīng)由第一開關(guān)元件M1和平滑線圈L被從輸入直流電壓VIN提供到平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接，并且因此在第一時(shí)間段期間，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。當(dāng)誤差放大器EA的輸出Ve與反饋電路FBC的輸出信號(hào)Vfb交叉時(shí)，比較器CMP的輸出復(fù)位鎖存器FF。這樣，在第一時(shí)間段之后的第二時(shí)間段，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，在第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)第二開關(guān)元件M1和平滑線圈L從基電勢(shì)流出。因此，產(chǎn)生取決于第二時(shí)間段和第一時(shí)間段之間比例的電壓損失，并且DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作。當(dāng)流經(jīng)負(fù)載ZL的電流隨著負(fù)載變化而稍微變化時(shí)，第二時(shí)間段期間反饋電路FBC的輸出信號(hào)Vfb的變化量也稍微增加。然而，從反饋電路FBC的輸出信號(hào)Vfb到開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的負(fù)反饋使提供給平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT保持基本穩(wěn)定。因此，因?yàn)閷?duì)應(yīng)于第一時(shí)間段和第二時(shí)間段之和的開關(guān)時(shí)間段由具有基本恒定周期T的時(shí)序信號(hào)TM決定，所以噪音電平可以被降低。
順便說(shuō)明，提供給平滑電容器C1和負(fù)載ZL的并聯(lián)連接的輸出直流電壓VOUT被分壓電阻器R1和R2分壓，如圖5所示。被這樣分壓的電壓被提供到誤差放大器EA的反相輸入端，參考電壓Vref被提供到誤差放大器EA的非反相輸入端。誤差放大器EA的輸出被提供到比較器CMP的反相輸入端，從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb被提供到比較器CMP的非反相端子。比較器CMP的輸出被提供給鎖存器FF的復(fù)位輸入端R，具有基本恒定周期或時(shí)間段T的時(shí)序信號(hào)TM被提供到鎖存器FF的置位輸入端S。因此，當(dāng)鎖存器FF被時(shí)序信號(hào)TM復(fù)位時(shí)，如圖6所示，鎖存器FF的輸出信號(hào)Q的電平變高。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In變?yōu)楦唠娖?，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把由P溝道MOS晶體管構(gòu)成的第一開關(guān)元件M1控制為導(dǎo)通狀態(tài)，把由N溝道MOS晶體管構(gòu)成的第二開關(guān)元件M2控制為關(guān)閉狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第一時(shí)間段的操作，其中在第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在平滑線圈L內(nèi)。當(dāng)從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb從誤差放大器EA的輸出Ve稍微升高時(shí)，比較器CMP的輸出的電平變高。鎖存器FF被比較器CMP的高電平輸出復(fù)位，從而輸出信號(hào)Q的電平變低。這樣，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV的輸入DRV_In處于低電平，從而開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。因此，執(zhí)行對(duì)應(yīng)于第二時(shí)間段的操作，其中在第二時(shí)間段，能量被從平滑線圈L中釋放。
另一方面，本發(fā)明人根據(jù)圖5所示的本發(fā)明第二方面的一個(gè)實(shí)施例詳細(xì)討論了DC/DC轉(zhuǎn)換器。結(jié)果，證明了以下幾點(diǎn)。
當(dāng)流經(jīng)圖5所示DC/DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載ZL的電流變?yōu)楫惓４蟮碾娏鲿r(shí)，發(fā)生以下情況。如圖7所示，由于負(fù)載電流的異常增加，從反饋電路FBC所提供的反饋電壓Vfb相對(duì)于誤差放大器EA的輸出Ve的增加被延遲。在產(chǎn)生該延遲的第一時(shí)間段，第一開關(guān)元件M1被控制為導(dǎo)通狀態(tài)，以補(bǔ)償被提供給負(fù)載ZL的輸出直流電壓的減少。在這樣的第一時(shí)間段結(jié)尾處，從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb變得高于誤差放大器EA的輸出Ve，使得鎖存器FF被比較器CMP的高電平輸出復(fù)位。這樣，到達(dá)第二時(shí)間段，并且因此開關(guān)驅(qū)動(dòng)器DRV把第一開關(guān)元件M1控制為關(guān)閉狀態(tài)，把第二開關(guān)元件M2控制為導(dǎo)通狀態(tài)。從而，執(zhí)行第二時(shí)間段的操作，其中在第二時(shí)間段，能量被從平滑線圈L中釋放。然而，如圖7所示，由于第一時(shí)間段的延長(zhǎng)，第二時(shí)間段縮短，并且因此，在從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb的減小不足的電平下，具有恒定周期T的時(shí)序信號(hào)TM將鎖存器FF置位。這樣，啟動(dòng)第一時(shí)間段的操作，并且反饋電壓Vfb從其不足減小的電平增加。因此，此時(shí)，第一時(shí)間段被縮短，并且在縮短的第一時(shí)間段的末端，從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb變得高于誤差放大器EA的輸出Ve。因此，鎖存器FF被比較器CMP的高電平輸出復(fù)位。這樣，圖7所示的鎖存器FF的輸出Q(FFQ)的電平高的時(shí)間段和它的低電平時(shí)間段的長(zhǎng)度變得不穩(wěn)定。在縮短的第一時(shí)間段和尤其是縮短的第二時(shí)間段期間，鎖存器FF的輸出Q包含高頻分量。令人擔(dān)心的是，高頻分量導(dǎo)致DC/DC轉(zhuǎn)換器的異常振蕩操作。
圖8為電路圖，其示出按照本發(fā)明第二方面的一個(gè)改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器。順便說(shuō)明，圖9是波形圖，其描述按照?qǐng)D8所示本發(fā)明第二方面的改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作。
圖8所示的電路與圖5所示的電路加上誤差電壓校正電路EVCC是等效的。圖8所示的誤差電壓校正電路EVCC主要包括由鎖存器FF的輸出Q控制的控制開關(guān)M3和被配置為使誤差放大器EA的輸出和比較器CMP的輸入為高阻抗的電路的傳輸門(transmission gate)TG。誤差電壓校正電路EVCC的電阻器R3和電容器C4是用于調(diào)整從誤差電壓校正電路EVCC所產(chǎn)生的輸出電壓Vs的變化率(放電時(shí)間常數(shù)discharge time constant)的元件。提供誤差電壓校正電路EVCC的反向器INV，以便當(dāng)鎖存器FF的輸出Q處于高電平時(shí)，使由CMOS模擬開關(guān)構(gòu)成的傳輸門TG為高阻抗。
圖8為電路圖，其示出根據(jù)本發(fā)明第二方面的改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器。假定負(fù)載電流出現(xiàn)異常增加。這樣，鎖存器FF被時(shí)序信號(hào)TM置位，并且因此使鎖存器FF的輸出Q處于高電平，從而啟動(dòng)第一時(shí)間段的操作。隨著鎖存器FF的輸出Q從低電平變?yōu)楦唠娖剑瑢?duì)應(yīng)于誤差電壓校正電路EVCC中的高阻抗，控制開關(guān)M3被控制為導(dǎo)通狀態(tài)，傳輸門TG被控制為關(guān)閉狀態(tài)。這樣，從誤差電壓校正電路EVCC所產(chǎn)生的輸出電壓VS變得低于圖9所示誤差放大器EA的誤差輸出Ve。比較器CMP被改變到比較從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb和從誤差電壓校正電路EVCC所產(chǎn)生的輸出電壓Ve的操作。因此，即使從反饋電路FBC所產(chǎn)生的反饋電壓Vfb的增加由于負(fù)載電流的異常增加而被延遲，但是用于由比較器CMP比較的誤差電壓校正電路EVCC的輸出電壓VS依然被減少。輸出電壓VS的變化取決于電阻器R3和電容器C4。因此，在按照?qǐng)D8所示的本發(fā)明第二方面的改進(jìn)實(shí)施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，避免了圖7所示的第一時(shí)間段的顯著延長(zhǎng)，并且從反饋電路FBC所輸出的反饋電壓Vfb被減少到足夠的電平。
盡管已經(jīng)基于優(yōu)選實(shí)施例具體地描述了以上由本發(fā)明人所實(shí)施的發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。顯然，在本發(fā)明的范圍內(nèi)、在不背離本發(fā)明主旨的前提下，可以對(duì)其作出各種變更。
例如，在圖1所示的實(shí)施例中，P溝道MOS晶體管M1可以由PNP型雙極晶體管替代。N溝道MOS晶體管M2可以由NPN型雙極晶體管替代。類似地，構(gòu)成圖8所示傳輸門TG的CMOS模擬開關(guān)中的P溝道MOS晶體管和N溝道MOS晶體管可以分別由PNP型雙極晶體管和NPN型雙極晶體管替代。
除了在芯片外所提供的電感元件外，DC/DC轉(zhuǎn)換器的平滑線圈L可以是通過(guò)半導(dǎo)體工藝在半導(dǎo)體上形成的螺旋線圈。可替換地，平滑線圈L可以是位于封裝內(nèi)的線圈，其利用密封半導(dǎo)體芯片的封裝內(nèi)所提供的引線框(lead frame)的一部分。
權(quán)利要求
1.一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括半導(dǎo)體芯片，包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、和由所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，其中所述第一開關(guān)元件的輸出電流路徑和所述第二開關(guān)元件的輸出電流路徑串聯(lián)，其中所述第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件的公共連接點(diǎn)被調(diào)整以連接至所述半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈的一端，其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，平滑電容器和負(fù)載被并聯(lián)連接到所述半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈的另一端，并且在降壓操作模式中，所述第一開關(guān)元件的輸出電流路徑在所述半導(dǎo)體芯片外被供以輸入直流電壓，其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，所述平滑線圈的另一端在所述半導(dǎo)體芯片外被供以所述輸入直流電壓，并且在所述升壓操作模式中，所述平滑電容器和負(fù)載被并聯(lián)連接到所述半導(dǎo)體芯片外的第一開關(guān)元件的輸出電流路徑，其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，在第一時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且將所述第二開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，并且在所述第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，并且將所述第二開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，從而所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作，和其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，在所述第一時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，并且將所述第二開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且在所述第一時(shí)間段之后的第二時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并且將所述第二開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，從而所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作。
2.如權(quán)利要求1所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，在第一時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并將所述第二開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，從而在所述第一時(shí)間段，電流經(jīng)所述第一開關(guān)元件和所述平滑線圈從所述輸入直流電壓提供到所述平滑電容器和所述負(fù)載的并聯(lián)連接，并且因此在所述第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在所述平滑線圈內(nèi)，并且在所述第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，并將所述第二開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，從而在所述第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)所述第二開關(guān)元件和所述平滑線圈從基電勢(shì)流出，使得產(chǎn)生取決于所述第二時(shí)間段和第一時(shí)間段之比的電壓降，并且因此所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作，和其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，在第一時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，并將所述第二開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，從而在所述第一時(shí)間段，電流經(jīng)所述第二開關(guān)元件和所述平滑線圈從所述輸入直流電壓流向基電勢(shì)，并且因此在所述第一時(shí)間段，能量被儲(chǔ)存在所述平滑線圈內(nèi)，并且在所述第一時(shí)間段后的第二時(shí)間段，所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器將所述第一開關(guān)元件控制為導(dǎo)通狀態(tài)，并將所述第二開關(guān)元件控制為關(guān)閉狀態(tài)，從而在所述第二時(shí)間段，被用作能量釋放電流的再生電流經(jīng)所述平滑線圈和所述第一開關(guān)元件從所述輸入直流電壓流到所述平滑電容器和所述負(fù)載的并聯(lián)連接，使得在所述第二時(shí)間段，通過(guò)將所釋放的能量疊加在所述輸入直流電壓而獲得的電壓被提供給所述并聯(lián)連接，并且產(chǎn)生取決于所述第二時(shí)間段和所述第一時(shí)間段之間比例的電壓增加，并因此所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括檢測(cè)流經(jīng)所述平滑線圈的電流變化的檢測(cè)電路，其中所述檢測(cè)電路包括一端被供以被提供給所述負(fù)載的直流輸出電壓的反饋電容器、一端與所述反饋電容器的另一端相連的第一反饋電阻器、以及一端與所述反饋電容器的另一端相連的第二反饋電阻器，其中從所述反饋電容器、所述第一反饋電阻器和所述第二反饋電阻器的公共連接點(diǎn)獲得所述檢測(cè)電路所檢測(cè)的輸出電壓，并且所檢測(cè)的輸出電壓被反饋給所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行降壓操作的模式中，與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的輸入相關(guān)的信號(hào)被提供給所述第一反饋電阻器的另一端，并且基電勢(shì)被提供到所述第二反饋電阻器的另一端，和其中在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行升壓操作的模式中，與所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的輸入相關(guān)的信號(hào)被提供到所述第一反饋電阻器的另一端，并且與所述輸入直流電壓相關(guān)的信號(hào)被提供到所述第二反饋電阻器的另一端。
4.一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，和由所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，其中所述第一開關(guān)元件的輸出電流路徑和所述第二開關(guān)元件的輸出電流路徑串聯(lián)連接，其中所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的公共連接點(diǎn)被調(diào)整以連接至平滑線圈的一端，其中輸入直流電壓被提供到所述第一開關(guān)元件的輸出電流路徑，和其中所述第二開關(guān)元件的輸出電流路徑被調(diào)整以連接到基電勢(shì)，和平滑電容器和負(fù)載被并聯(lián)連接到所述平滑線圈的另一端，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括誤差放大器、反饋電路、比較器和鎖存器，其中所述誤差放大器檢測(cè)被提供到所述平滑電容器和所述負(fù)載的并聯(lián)連接的輸出直流電壓的誤差，其中所述反饋電路包括一端與所述平滑線圈的另一端相連的反饋電容器、和一端與所述反饋電容器的另一端相連而另一端與所述平滑線圈的一端相連的反饋電阻器，其中所述比較器比較響應(yīng)所述誤差放大器的輸出的信號(hào)與所述反饋電路的輸出信號(hào)，和其中所述鎖存器被具有基本恒定周期的時(shí)序信號(hào)設(shè)置為一種狀態(tài)，并且被所述比較器的輸出設(shè)置為另一狀態(tài)，并且所述鎖存器的輸出信號(hào)被提供到所述開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。
5.如權(quán)利要求4中所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括誤差電壓校正電路，其中所述誤差電壓校正電路包括由所述鎖存器的輸出控制的控制開關(guān)、和在所述誤差放大器的輸出與所述比較器的輸入之間設(shè)置高阻抗的控制電路，其中從所述控制開關(guān)和一個(gè)門的公共連接點(diǎn)生成所述誤差電壓校正電路的校正后輸出電壓，和其中當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生異常增加時(shí)，所述鎖存器的輸出將所述控制開關(guān)和所述控制電路分別控制為導(dǎo)通狀態(tài)和高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且所述比較器比較被設(shè)置低于所述誤差放大器的誤差輸出的校正后輸出電壓與所述反饋電路的輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是憑借或者通過(guò)一個(gè)被用作配置在半導(dǎo)體芯片中的DC/DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體產(chǎn)品來(lái)共享半導(dǎo)體芯片內(nèi)置電路用于降壓操作和升壓操作。半導(dǎo)體芯片包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件。第一開關(guān)元件的輸出電流路徑和第二開關(guān)元件的輸出電流路徑串聯(lián)。第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件的公共連接點(diǎn)連接到半導(dǎo)體芯片外的平滑線圈的一端，并且第二開關(guān)元件的輸出電流路徑與基電勢(shì)相連。從第一開關(guān)元件提供輸入直流電壓，并且到負(fù)載的降壓電壓VOUT從線圈的另一端輸出。當(dāng)提供輸入直流電壓的方法和執(zhí)行連接負(fù)載的方法改變時(shí)，輸出升壓電壓。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1972095SQ20061016284
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月25日
發(fā)明者秦武廣, 吉田信一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社瑞薩科技