專利名稱：開關(guān)穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里討論的實施例涉及開關(guān)穩(wěn)壓器(switching regulator)。
背景技術(shù)：
電源電路被用在諸如移動電話和數(shù)碼相機之類的電子設(shè)備中，其中輸入電力被轉(zhuǎn)換為給定的輸出電力。廣泛使用的電源電路的示例例如包括開關(guān)穩(wěn)壓器(或DC-DC變換器)，它擁有高效率并且可以減小尺寸。在電子設(shè)備中使用開關(guān)穩(wěn)壓器例如具有減小電子設(shè)備中的功耗的效果。圖12是示出開關(guān)穩(wěn)壓器200的配置示例的示圖。開關(guān)穩(wěn)壓器200通過VIN而被供應(yīng)以輸入電壓，并且將輸出電壓通過VOUT輸出給負載50。通過將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為具有給定值的恒定電壓，開關(guān)穩(wěn)壓器200可供應(yīng)輸出電壓VOUT以使得負載50處不發(fā)生過電壓。負載50例如是消耗電力的電阻器或元件，如CPU(中央處理單元)等。開關(guān)穩(wěn)壓器200包括第一和第二開關(guān)元件11、12，平滑線圈13，電容器14，電阻器 15，I/V轉(zhuǎn)換電路16，第一比較器(PWM_C0MP)17，邏輯單元18，誤差放大器(反相放大器電路)19，第二比較器(PFM_C0MP)20，時鐘生成器電路21，OR(或)電路22，恒壓源25、26，電容器27，電阻器觀、29，反向電流檢測比較器30以及輸入端子31。積分電路M包括誤差放大器19、恒壓源25和電容器27。開關(guān)穩(wěn)壓器200經(jīng)由輸入端子31接收外部控制信號(MODE (模式))的輸入，并且基于此外部控制信號來以強制PWM(脈寬調(diào)制)模式或者PFM(脈頻調(diào)制)/PWM自動切換模式(在下文中稱為自動切換模式)進行操作。強制PWM模式例如是如下模式在該模式中，開關(guān)穩(wěn)壓器200以給定周期(以給定占空比)輸出輸出電壓V0UT，不管負載50的類型如何。自動切換模式例如是如下模式在該模式中，開關(guān)穩(wěn)壓器200根據(jù)負載50的類型在 PWM操作與PFM操作之間來回切換，以使得開關(guān)穩(wěn)壓器200在負載50是輕負載時以PFM操作并且在負載50是重負載時以PWM操作。例如，在輸入作為外部控制信號的“HIGH (高)，， 后，開關(guān)穩(wěn)壓器200操作為強制PWM模式，并且在輸入“L0W(低)”后，開關(guān)穩(wěn)壓器200操作為自動切換模式。自動切換模式例如可通過將暫停時段插入PWM操作(或強制PWM模式) 中來實現(xiàn)。開關(guān)穩(wěn)壓器200在強制PWM模式中的操作將首先被說明，跟著是對自動切換模式中的操作的說明。圖13A到圖13C是示出強制PWM模式期間的波形示例的示圖。下面將參考這些波形圖來說明強制PWM模式。在圖12中，例如，邏輯單元18起到了例如基于第一比較器17處的輸出電壓來接通和關(guān)斷第一和第二開關(guān)元件11、12的驅(qū)動單元的作用。例如，當?shù)谝槐容^器17的輸出電壓為“HIGH”時，邏輯單元18接通第一開關(guān)元件 (或高側(cè)M0S) 11并且關(guān)斷第二開關(guān)元件(或低側(cè)M0S) 12。在此情況下，針對輸入電壓VIN， 輸出了具有給定電壓的輸出電壓VOUT (輸出電壓VOUT是導通的)。例如當?shù)谝槐容^器17的輸出電壓為“LOW”時，邏輯單元18關(guān)斷第一開關(guān)元件11并且接通第二開關(guān)元件12。在此情況下，沒有電流在第一開關(guān)元件11中流動，因此輸出電壓VOUT是斷開的。第一和第二開關(guān)元件11、12例如分別包括pMOS和nMOS。邏輯單元18在第一開關(guān)元件11接通時就關(guān)斷第二開關(guān)元件，并且在第一開關(guān)元件11關(guān)斷時就接通第二開關(guān)元件。邏輯單元18對第一和第二開關(guān)元件執(zhí)行互相相反的開關(guān)操作。因此通過對第一和第二開關(guān)元件11、12執(zhí)行這種開關(guān)操作，針對輸入電壓VIN，邏輯單元18使得具有給定電壓值的輸出電壓VOUT能夠被生成并輸出至負載50。在第一開關(guān)元件11的接通后，電流在電阻器15中流動并且I/V轉(zhuǎn)換電路16將該電流轉(zhuǎn)換為電壓。Ι/ν轉(zhuǎn)換電路16向第一比較器17的負側(cè)輸入端輸出轉(zhuǎn)換后的電壓。這里，當?shù)谝婚_關(guān)元件11被接通時輸出電壓被供應(yīng)給負載50，因此負載電流在負載50中流動。也就是說，負載50中流動的負載電流的增大必然伴有(entail)第一開關(guān)元件11中流動的電流的增大和I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓的上升。相反，當負載電流減小時，I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓降低。因此，在負載電流與I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓之間存在比例關(guān)系。ΙΛ轉(zhuǎn)換電路16向第一比較器17以與負載電流成比例的輸出電壓的形式輸出第二信號。來自I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓被輸入至第一比較器17的負輸入側(cè)，同時誤差放大器19的輸出電壓被輸入至第一比較器17的正輸入側(cè)，它決定了開關(guān)穩(wěn)壓器200的輸出電壓(或占空比)的脈沖寬度。圖1 和圖13C是示出第一比較器(PWM_C0MP) 17的輸出電壓與兩個開關(guān)元件11、12間的連接點LX處的輸出電壓之間的關(guān)系的示圖。如上所述，當?shù)谝槐容^器17輸出“HIGH”時，邏輯單元18接通第一開關(guān)元件11，并且當?shù)谝槐容^器17輸出“LOW”時，邏輯單元18關(guān)斷第一開關(guān)元件11。結(jié)果，通過邏輯單元18的操作，第一比較器17輸出接通或關(guān)斷第一和第二開關(guān)元件11、12的控制信號。從而決定了輸出電壓VOUT 的占空比。返回到圖12，誤差放大器19是放大輸出電壓VOUT與參考電壓Voref之間的誤差并且向第一比較器17輸出指示放大后的誤差的第一信號的反相放大器電路。接下來考慮誤差放大器19的輸出電壓。圖13A是示出誤差放大器19的輸出電壓與I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓之間的關(guān)系的示例的示圖。當以強制PWM模式操作時，開關(guān)穩(wěn)壓器200以恒定的占空比輸出輸出電壓V0UT。然而，可以想到，輸出電壓VOUT可能降到給定電壓值(在下文中稱為第一特定電壓值)以下。輸出電壓VOUT這里被輸入至誤差放大器19的負輸入側(cè)，結(jié)果誤差放大器19 的輸出電壓上升。當誤差放大器19的輸出電壓上升時，被輸入至第一比較器17的正輸入側(cè)的電壓變得比輸出電壓VOUT下降前的時候更大，因此“HIGH”輸出的時間同樣變得比以前更長。結(jié)果，邏輯單元18接通第一開關(guān)元件11的時間變得更長，并且輸出電壓VOUT上升。相反，當輸出電壓VOUT等于或高于第一特定電壓值時，開關(guān)穩(wěn)壓器200進行操作以降低輸出電壓V0UT，以便使得能夠以恒定占空比來供應(yīng)輸出電壓V0UT。作為上述的結(jié)果，處于恒定占空比的輸出電壓VOUT可被維持。一般地，當I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓和誤差放大器19的輸出電壓相等時，輸出具有恒定占空比的輸出電壓V0UT。開關(guān)穩(wěn)壓器200因此以如上所述的強制PWM模式來操作。接下來說明自動切換模式。圖14A到圖14D是示出自動切換模式期間各種單元中的波形示例的示圖。自動切換模式是其中PWM操作和PFM操作彼此交替的模式。PFM操作是通過將暫停時段插入PWM操作中來執(zhí)行的。例如，當負載50是重負載時，開關(guān)穩(wěn)壓器200以與強制PWM模式中相同的方式而操作為PWM模式。例如，當負載50的負載電流降到給定電流值以下時，I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓逐漸降低。在PWM操作中，I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓和誤差放大器19的輸出電壓相等。因此，當I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓降低時，誤差放大器19的輸出電壓降低。誤差放大器19的輸出電壓被輸入至第二比較器20。當誤差放大器19的輸出電壓等于或低于第二比較器20的負輸入(參考電壓被輸入)時，第二比較器20的輸出電壓 (PFM_C0MP輸出)從“HIGH”切換為“LOW” (例如，圖14B和圖14C)。此時，來自O(shè)R電路22 的“LOW”被輸入給邏輯單元18，開關(guān)操作被中止，并且進入到暫停狀態(tài)。當處于暫停狀態(tài)時，開關(guān)穩(wěn)壓器200輸出電容器14中存儲的電荷作為輸出電壓V0UT。此后，電容器14中存儲的電荷被輸出給負載50，并且輸出電壓VOUT更進一步降低。通過被輸入至誤差放大器19的負輸入側(cè)的輸出電壓VOUT的降低，誤差放大器19的輸出電壓隨后再次上升。在第二比較器20中，正輸入(誤差放大器19的輸出電壓)此后變得等于或大于負輸入(參考電壓被輸入)。第二比較器20的輸出電壓(PFM_C0MP輸出)然后從“LOW”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癏IGH”;來自O(shè)R電路22的“HIGH”被輸入至邏輯單元18 ；并且PWM操作被執(zhí)行。在自動切換模式期間，開關(guān)穩(wěn)壓器200在暫停狀態(tài)與PWM操作之間交替(例如，圖 14C)。通過變化暫停時段和PWM操作時段的周期，并且通過變化它們之間的比例，開關(guān)穩(wěn)壓器200被帶到開關(guān)穩(wěn)壓器200總體執(zhí)行PFM操作的狀態(tài)。當負載50從輕負載改變?yōu)橹刎撦d時，誤差放大器19的輸出電壓變得等于或高于第二比較器20的負輸入，結(jié)果第二比較器20恒定地輸出“HIGH”。因此，邏輯單元18執(zhí)行開關(guān)操作，并且開關(guān)穩(wěn)壓器200恒定地執(zhí)行PWM操作。以上因此已描述了自動切換模式的操作示例。在圖12中，反向電流檢測比較器30是檢測線圈13中的線圈電流的反向電流的比較器(反向電流是經(jīng)由線圈13和第二開關(guān)元件12從輸出電壓VOUT流向GND的電流)。 反向電流檢測比較器30在自動切換模式期間進行操作。當在第二開關(guān)元件12被接通的狀態(tài)中由反向電流檢測比較器30檢測到反向電流時(反向電流檢測比較器30輸出“HIGH” 時)，邏輯單元18關(guān)斷第二開關(guān)元件12從而防止反向電流。因此，在開關(guān)穩(wěn)壓器200中，通過由邏輯單元18防止線圈電流的反向電流，在自動切換模式期間，輸出電壓VOUT的功率效率可保持在給定效率或者更高。非專利文獻 1 :A study of the slope compensation scheme of a current-mode DC-DC converter to obtain the input and output independent frequency characteristics, Chihiro KAffABATA and two others, Proceedings of the IEICE General Conference 2008, Electronics(2) 121,2008-03-05下面說明開關(guān)穩(wěn)壓器200的問題。圖15A到圖15D是用于說明這樣的問題的示圖。在自動切換模式中的PWM操作中，如上所述，負載電流降到給定電流值或更低伴隨著Ι/ν轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓的降低、以及誤差放大器19的輸出電壓降到第二特定電壓值或更低。結(jié)果誤差放大器19的負輸入增大(例如，圖14A、圖15B)。當誤差放大器19 的負輸入變得等于或大于正輸入(參考電壓Voref)時，誤差放大器19的輸出電壓降低。誤差放大器19的輸出電壓被輸入至第二比較器20的正側(cè)，以使得當其輸出電壓變得等于或低于負輸入(參考電壓)時第二比較器20輸出“LOW”給邏輯單元18并且進入暫停狀態(tài)。在自動切換模式中的這樣的暫停狀態(tài)中，當“HIGH”(強制PWM模式)作為外部控制信號而被輸入給開關(guān)穩(wěn)壓器200時，邏輯單元18執(zhí)行開關(guān)操作。在此情況下，誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓變得高于正側(cè)參考電壓Voref (例如，圖15B)。結(jié)果，開關(guān)穩(wěn)壓器200 錯誤地輸出等于或高于第一特定電壓值的輸出電壓V0UT。誤差放大器19中的負側(cè)輸入電壓現(xiàn)在高于正側(cè)參考電壓Voref，并且誤差放大器19的輸出電壓(第一比較器17的正側(cè)輸入電壓)變得等于或低于第一比較器17的負輸入側(cè)電壓。第一比較器17使邏輯單元18 進行操作以縮短第一開關(guān)元件11的導通時間，從而減小輸出電壓V0UT。結(jié)果，如圖15D所示，開關(guān)穩(wěn)壓器200的輸出電壓VOUT顯著地擺向負電壓。因此，當開關(guān)穩(wěn)壓器200處于自動切換模式中的暫停狀態(tài)的同時，在強制PWM模式被作為外部控制信號而輸入時，輸出電壓顯著地波動。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個方面中的一個目的是提供其中抑制了輸出電壓波動的開關(guān)穩(wěn)壓器。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為給定的恒定電壓并且向負載輸出該恒定電壓作為輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器，所述開關(guān)穩(wěn)壓器包括第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件；邏輯單元，所述邏輯單元通過使所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件執(zhí)行開關(guān)操作，來向所述負載輸出被從所述輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒定電壓的所述輸出電壓；誤差放大器，所述誤差放大器輸入所述輸出電壓和第一參考電壓，并且輸出指示所述輸出電壓與所述第一參考電壓之間的誤差的第一信號；第一比較器，所述第一比較器輸入所述第一信號以及指示與所述負載中流動的負載電流成比例的輸出電壓的第二信號，并且基于所述第一信號和所述第二信號向所述邏輯單元輸出使所述邏輯單元執(zhí)行所述開關(guān)操作的控制信號； 以及校正單元，所述校正單元連接至所述誤差放大器的輸入側(cè)，并且校正所述誤差放大器的輸入電壓以將該輸入電壓減小到給定值或更低。


圖1是示出開關(guān)穩(wěn)壓器的配置示例的示圖；圖2A到圖2G是示出在模式切換期間的波形示例的示圖；圖3A到圖3E是示出在模式切換期間的波形示例的示圖；圖4A到圖4E是示出在模式切換期間的波形示例的示圖；圖5是示出模式控制電路的配置示例的示圖；圖6A到圖6H是示出模式控制電路中的波形示例的示圖；圖7是示出誤差放大器校正電流源的配置示例的示圖；圖8A是用于說明誤差放大器校正電流源的配置示例的示圖，并且圖8B是用于說明其操作示例的示圖；圖9A是用于說明誤差放大器校正電流源的配置示例的示圖，并且圖9B是用于說明其操作示例的示圖IOA是用于說明誤差放大器校正電流源的配置示例的示圖，并且圖IOB是用于說明其操作示例的示圖；圖11是示出開關(guān)穩(wěn)壓器的另一配置示例的示圖；圖12是示出開關(guān)穩(wěn)壓器的配置示例的示圖；圖13A到圖13C是示出強制PWM模式期間的波形示例的示圖；圖14A到圖14D是示出自動切換模式期間的波形示例的示圖；并且圖15A到圖15D是示出在模式切換期間的波形示例的示圖。
具體實施例方式接下來說明用于實施本發(fā)明的實施例。<總體配置的示例>首先將說明開關(guān)穩(wěn)壓器的總體配置的示例。圖1是示出開關(guān)穩(wěn)壓器100的配置示例的示圖。與圖11的那些元件相同的構(gòu)成元件被標以相同的標號。開關(guān)穩(wěn)壓器100還包括模式控制電路(M0DE_CNT) 23和誤差放大器校正電流源40。模式控制電路23接收外部控制信號(MODE)的輸入和第二比較器(PFM_C0MP) 20 的輸出電壓，并且輸出控制信號(CNT)給誤差放大器校正電流源40，輸出模式信號(MODEl) 給反向電流檢測比較器30和第二比較器20。由模式控制電路23輸出的控制信號(CNT)例如是用于操作誤差放大器校正電流源40的控制信號。模式控制電路23響應(yīng)于外部控制信號(MODE)和來自第二比較器(PFM_ C0MP)20的信號而通過輸出“HIGH”作為控制信號(CNT)來使誤差放大器校正電流源40進行操作，并且通過輸出“LOW”來中止誤差放大器校正電流源40的操作。模式信號(MODEl)是用于操作反向電流檢測比較器30和第二比較器20的控制信號。例如，模式控制電路23當外部控制信號是“LOW”(自動切換模式)時輸出“LOW”，以操作反向電流檢測比較器30和第二比較器20。模式控制電路23的詳細配置示例等將在稍后說明。外部控制信號(MODE)經(jīng)由輸入端子31而被輸入，并且例如當“HIGH”時指示強制 PWM模式、當“LOW”時指示自動切換模式。開關(guān)穩(wěn)壓器100基于外部控制信號(MODE)的輸入來移到強制PWM模式或自動切換模式，并且根據(jù)各個模式來進行操作。誤差放大器校正電流源40基于控制信號(CNT)輸出校正電流。以誤差放大器校正電流源40向誤差放大器19的負輸入側(cè)輸出的校正電流的方式，誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓可被減小到給定值或更低。圖1示出誤差放大器校正電流源40作為校正單元70的示例，所述校正單元70以該輸入電壓被減小到給定值或更低的方式來校正該輸入電壓。如上所述，在自動切換模式期間的暫停狀態(tài)中，開關(guān)穩(wěn)壓器100被帶到這樣的狀態(tài)誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓高于參考電壓(例如，圖15B)。在此狀態(tài)中，移到強制 PWM模式使得輸出電壓VOUT顯著地朝負電壓擺動。因此，以誤差放大器校正電流源40輸出的校正電流的方式，誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓被減小到給定值或更低，結(jié)果輸出電壓 VOUT的波動可被抑制。誤差放大器校正電流源40的詳細配置示例等將在稍后說明。接下來將描述開關(guān)穩(wěn)壓器100總體的操作。模式控制電路23和誤差放大器校正電流源40將在其后詳細說明。
<總體操作示例>圖2A到圖2G是示出在自動切換模式中的暫停狀態(tài)移到強制PWM模式的示例中的、開關(guān)穩(wěn)壓器100的各種單元中的波形示例的示圖。將參考這些圖來說明操作。在自動切換模式中，當誤差放大器19的輸出電壓(或第一信號)變得等于或低于第二比較器20的負側(cè)輸入電壓(參考電壓)時，第二比較器20輸出“LOW”作為第三信號， 于是邏輯單元18被帶到暫停狀態(tài)(例如，圖2C和圖2D)。在此情況下，誤差放大器19的輸出電壓變得等于或低于第二特定電壓值并且等于或高于誤差放大器19的負輸入側(cè)的參考電壓Voref (例如，圖2B)。在此狀態(tài)中，在作為外部控制信號的“HIGH”(強制PWM模式)的輸入(圖2A)后， 模式控制電路23輸出“HIGH”作為控制信號(CNT)(例如，圖2E)。結(jié)果誤差放大器校正電流源40輸出校正電流。以該校正電流的方式，誤差放大器19的負輸入側(cè)的輸入電壓比傳統(tǒng)情況下(例如，如圖2B中的虛線所表示的)降低得更快，以使得輸入電壓變得等于參考電壓Voref所用的時間比傳統(tǒng)情況下更短。在誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓的降低后，誤差放大器19的輸出電壓逐漸上升 (例如，圖2C)。當誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓變得低于正輸入側(cè)的電壓時，誤差放大器 19的輸出電壓變得高于參考負輸入側(cè)電壓，并且第二比較器20輸出“HIGH”(例如，圖2D)。在檢測到由第二比較器20作為第三信號輸出的“HIGH”后，模式控制電路23輸出 “LOW”作為控制信號(CNT)。結(jié)果，誤差放大器校正電流源40的校正電流的輸出被中止(例如，圖2E)。在檢測到第二比較器20對“HIGH”的輸出后，邏輯單元18執(zhí)行PWM操作。通過發(fā)起此PWM操作，第一比較器17基于I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓(或第二信號)來檢測輸出電壓VOUT等于或低于第一特定電壓值。當誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓(輸出電壓 V0UT)變得等于或低于參考電壓Voref時，誤差放大器19的輸出電壓上升為等于或高于第二特定電壓值。在第一比較器17中，第一信號(誤差放大器19的輸出電壓)變得高于第二信號(I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓)。結(jié)果，第一比較器17輸出“HIGH”，并且邏輯單元 18被控制以接通第一開關(guān)元件11。結(jié)果可使輸出電壓VOUT上升(例如，圖2G)。也就是說，在從第二比較器20檢測到作為結(jié)果的到PWM模式的移行后，模式控制電路23中止校正電流。在此時，邏輯單元18也執(zhí)行開關(guān)操作，結(jié)果輸出電壓VOUT的波動被抑制。結(jié)果，在開關(guān)穩(wěn)壓器100中，當在自動切換模式中進入到暫停狀態(tài)時，在切換至強制PWM模式后也可抑制輸出電壓VOUT的波動。當?shù)诙容^器20的輸出電壓為“HIGH”(PWM模式)時，邏輯單元18由于來自第二比較器20的輸出電壓“HIGH”而執(zhí)行開關(guān)操作。在這樣的狀態(tài)中，輸出電壓VOUT被控制為通常PWM操作并且其波動被抑制，不改變邏輯單元18的開關(guān)操作，即使“HIGH”(強制PWM 模式)作為外部控制信號而被輸入也是如此。例如，如上所述，當輸出電壓VOUT變得等于或低于第一特定電壓值時，誤差放大器19的輸出電壓變?yōu)楦哂诘谝槐容^器17的負輸入的電壓(高于第二信號的第一信號)。 在此情況下，第一比較器17的輸出電壓為“HIGH”。因此，邏輯單元18接通第一開關(guān)元件11并且使輸出電壓VOUT上升。當輸出電壓VOUT變得大于第一特定電壓值時，誤差放大器 19的輸出電壓變得等于或低于第一比較器17的負輸入側(cè)電壓。因為I/V轉(zhuǎn)換電路16的輸出電壓(第二信號)高于誤差放大器的輸出電壓(第一信號)，所以第一比較器17輸出 “LOW”。結(jié)果，第一比較器17以這樣的方式被控制向邏輯單元18輸出使得關(guān)斷第一開關(guān)元件11的控制信號。結(jié)果輸出電壓VOUT降低。在PWM操作(強制PWM模式)中，開關(guān)穩(wěn)壓器100重復以上操作，結(jié)果抑制了輸出電壓VOUT的波動。在此情況下，因為第二比較器20的輸出為“HIGH”，所以模式控制電路23不輸出 “HIGH”作為控制信號(CNT)。因此，沒有校正電流被輸出(例如，圖2E)。此外，在從作為外部控制信號的“HIGH” (強制PWM模式)改變?yōu)椤癓OW” (自動切換模式)后，輸出電壓VOUT沒有顯著地波動。此情況的原因在下面說明。<在從強制PWM模式移到自動切換模式后輸出電壓VOUT沒有顯著地波動的原因>圖3A到圖3E是示出在從強制PWM模式移到自動切換模式前后PWM模式中的操作的示例的波形示例的示圖。即使當外部控制信號從“HIGH”切換為“LOW”時(例如，圖3A)，第二比較器(PFM_ C0MP) 20的輸出電壓在切換前后也為“HIGH” (P麗模式)(例如，圖3C)。因此，邏輯單元18 中的開關(guān)操作沒有改變。也就是說，邏輯單元18在強制PWM模式期間執(zhí)行開關(guān)操作。此時即使在自動切換模式中，處于執(zhí)行PWM操作的狀態(tài)中的第二比較器20的輸出電壓也為 “HIGH”，并且邏輯單元18繼續(xù)執(zhí)行開關(guān)操作。當在開關(guān)穩(wěn)壓器100中正在執(zhí)行開關(guān)操作時， 如上所述，抑制了輸出電壓VOUT的波動(例如，圖3E)。圖4A到圖4E是示出暫停狀態(tài)緊跟著從強制PWM模式到自動切換模式的移行的情況下的波形示例的示圖。在模式移行之后，第二比較器20的輸出電壓為“LOW”，由此邏輯單元18進入暫停狀態(tài)(例如，圖4D)。在進入暫停狀態(tài)后，輸出電壓VOUT逐漸降低。在此情況下，輸出電壓VOUT被輸出至誤差放大器19的負輸入側(cè)，結(jié)果誤差放大器19的輸出電壓相反地上升(例如，圖4C)。在第二比較器20處，正側(cè)輸入電壓(誤差放大器19的輸出電壓)變得高于負側(cè)參考電壓，因此“HIGH”被輸出。結(jié)果，邏輯單元18執(zhí)行開關(guān)操作(執(zhí)行PWM操作)(例如， 圖 4D)。最終，開關(guān)穩(wěn)壓器100以重復暫停狀態(tài)和實施PWM操作的狀態(tài)(突發(fā)狀態(tài))的通常PFM來進行操作。雖然輸出電壓VOUT在暫停狀態(tài)中降低，但是輸出電壓VOUT的波動可以在實施PWM操作的狀態(tài)中被抑制。輸出電壓VOUT的波動因此總體地被抑制。如上所述，即使在從強制PWM模式移到自動切換模式后，輸出電壓VOUT也沒有波動超過給定的程度。接下來詳細說明模式控制電路23和誤差放大器校正電流源40。〈模式控制電路〉接下來詳細說明模式控制電路23。例如，當?shù)诙容^器20的輸出電壓為“LOW”(暫停狀態(tài))(強制PWM模式)時，在作為外部控制信號(MODE)的“HIGH”的輸入后，模式控制電路23輸出“HIGH”作為控制信號(CNT)。結(jié)果，模式控制電路23接通誤差放大器校正電流源40。
在此狀態(tài)中，當?shù)诙容^器20的輸出電壓為“HIGH”(PWM模式)時，模式控制電路23輸出“LOW”作為控制信號(CNT)。結(jié)果，模式控制電路23關(guān)斷誤差放大器校正電流源 40。在輸入作為外部控制信號的“LOW”后，模式控制電路23輸出“LOW”作為模式信號 (MODEl)，以操作反向電流檢測比較器30和第二比較器20。模式控制電路23可具有使得能夠維持諸如上述輸入輸出關(guān)系之類的輸入輸出關(guān)系的電路配置。圖5是示出模式控制電路23的配置示例的示圖。模式控制電路23包括 NOT (非)電路230、OR電路231、第一 AND (與)電路232、第一 D型觸發(fā)器233、延遲電路 234、第二 AND電路235、第二 D型觸發(fā)電路236以及第三AND電路237。圖6A到圖6H是示出模式控制電路23的各種單元的波形示例的示圖。模式控制電路23的操作將參考圖6A到圖6H來說明。當外部控制信號(MODE)為“LOW” (自動切換模式)時，外部控制信號“LOW”被輸入至第一 D型觸發(fā)器233的“Reset (復位)”輸入端，由此第一 D型觸發(fā)器被復位。此后，第一 D型觸發(fā)器233中，“LOW”輸出電壓被從Q輸出端(DlQ)輸出，并且“HIGH”輸出電壓被從 XQ輸出端(DlXQ)輸出(例如，圖6E和圖6F)。外部控制信號和第一 D型觸發(fā)器233的XQ 輸出被輸入給第三AND電路237。然而，外部控制信號為“L0W”，因此其輸出電壓為“LOW”。 結(jié)果，模式控制電路23向誤差放大器校正電流源40輸出“LOW”作為控制信號(CNT)(例如， 圖6G)。對比地，“LOW”也被輸入至第二 D型觸發(fā)器236的“Reset”輸入端，因此“LOW”被第二 D型觸發(fā)器236的Q輸出端所輸出。因此，模式控制電路23輸出“LOW”作為模式信號 (M0DE1)(例如，圖 6H)。接下來，在作為外部控制信號的“HIGH”(強制PWM模式)的輸入后，第一 AND電路232的輸出電壓ckl為“L0W”，并且第一 D型觸發(fā)器233的Q輸出端和XQ輸出端處的輸出電壓分別被保持在“LOW”和“HIGH”狀態(tài)。第三AND電路237的兩個輸入都是“HIGH”，因此“HIGH”被輸出。在此情況下，因此，模式控制電路23輸出“HIGH”作為控制信號(CNT)。 對比地，第二比較器20的輸出電壓為“L0W”，因此第二 AND電路235的輸出電壓ck2保持在“L0W”，并且第二 D型觸發(fā)器236的Q輸出端處的電壓被輸出為“L0W”，它是第一 D型觸發(fā)器233的Q輸出的電壓。在此情況下，因此，模式控制電路23輸出“LOW”作為模式信號 (M0DE1)(例如，圖 6H)。接下來，當?shù)诙容^器20的輸出電壓為“HIGH” (PWM模式)時，第一 AND電路232 的輸出電壓ckl為“HIGH”，第一 D型觸發(fā)器233的Q輸出端處的電壓為“HIGH”，并且XQ輸出端處的電壓為“L0W”(例如，圖6C、圖6E和圖6F)。第三AND電路237處的輸入電壓之一 (第一 D型觸發(fā)器233的XQ輸出)為“L0W”，因此輸出電壓為“LOW”。在此情況下，因此，模式控制電路23輸出“LOW”作為控制信號(CNT)。同時，作為第一 D型觸發(fā)器233的Q輸出端處的電壓的“HIGH”經(jīng)由延遲電路2；34被輸入給第二 AND電路235。自第二比較器20的輸出變?yōu)椤癏IGH”以來，在給定時間已流逝之后，第二 AND電路235的輸出電壓ck2被輸出為“HIGH”。自第二比較器20的輸出變?yōu)椤癏IGH”以來，在給定時間已流逝之后，第二 D型觸發(fā)器236的Q輸出端處的電壓也被輸出為“HIGH”。在此情況下，因此，模式控制電路23輸出“HIGH”作為模式信號(M0DE1)。因此已如上所述地說明了模式控制電路23的操作。
在從自動切換模式中的暫停狀態(tài)移到PWM操作狀態(tài)后(第二比較器輸出為 “HIGH”)，模式信號(MODEl)沒有變?yōu)椤癏IGH”，但是在給定時間段已流逝之后，模式信號 (MODEl)變?yōu)椤癏IGH”。結(jié)果，在反向電流檢測比較器30中，操作被中止(在輸入“HIGH”后模式信號被中止)前的時間段被擴展了給定時間段，并且用于檢測第二開關(guān)元件12中流動的電流的反向電流的時間段類似地被擴展了給定時間段。<誤差放大器校正電流源>接下來詳細說明誤差放大器校正電流源40。例如，誤差放大器校正電流源40當模式控制電路23的控制信號(CNT)為“HIGH”時輸出校正電流，并且當模式控制電路23的控制信號(CNT)為“LOW”時中止操作。此校正電流可被設(shè)置以使得誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓被減小到給定值或更低(例如，圖2B)。圖7到圖IOB是示出以這樣的方式操作的誤差放大器校正電流源40的配置示例的示圖。首先將說明圖7。圖7所示的誤差放大器校正電流源40包括恒流源(V’IN)，第一和第二nMOS 401、402，以及開關(guān)電路403。彼此相連并且連接到地的第一和第二nMOS 401、 402的源極構(gòu)成了電流鏡電路。第二 nMOS 402的漏極側(cè)連接至點X(例如，圖1)，并且經(jīng)由該點X連接至誤差放大器19的負輸入側(cè)。誤差放大器校正電流源40的操作示例如下。在輸入模式控制電路23的作為控制信號(CNT)的“LOW”后，接通開關(guān)電路403。結(jié)果，由恒流源(Τ IN)輸出的電流沒有流向第nMOS 402，而是經(jīng)由開關(guān)電路403流向了接地面。電流沒有從恒流源(Ψ IN)流向第二 nMOS 402，因此沒有校正電流流動。當作為控制信號(CNT)的“HIGH”被輸入給開關(guān)電路403 時，關(guān)斷開關(guān)電路403。結(jié)果，來自恒流源(Ψ IN)的恒定電流流向第一和第二 nMOS 401、 402，并且校正電流I以圖7中的箭頭所指示的方向流向第二 nMOS 402的漏極側(cè)。以校正電流I的方式，誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓被降低到給定值或更低。圖8A示出另一個誤差放大器校正電流源40的配置示例。誤差放大器校正電流源 40包括Gm放大器(反相放大器電路)405和恒壓源404。例如，Gm放大器405操作為將電壓轉(zhuǎn)換成電流的跨導放大器。恒壓源404供應(yīng)與被輸入給誤差放大器19的正側(cè)的參考電壓Voref相同的電壓值。操作例如如下。具體地，Gm放大器405在作為控制信號(CNT)的“LOW”的輸入后不進行操作，但是Gm放大器405在“HIGH”的輸入后進行操作。當參考電壓Voref被輸入至Gm放大器405的負側(cè)輸入端并且正側(cè)輸入電壓高于該參考電壓Voref時，校正電流I以圖8A指示的方向流動。Gm放大器405的正側(cè)輸入端經(jīng)由點X而連接至誤差放大器19的負側(cè)輸入端。最終，當誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓變得高于參考電壓Voref時，校正電流 I被輸出(例如，圖8B)。Gm放大器405根據(jù)參考電壓與誤差放大器19的輸入電壓之間的差來輸出校正電流I。圖9A示出誤差放大器校正電流源40的配置示例。相對于圖8A所示的誤差放大器校正電流源40，圖9A所示的誤差放大器校正電流源40還包括用于施加偏移電壓的恒壓源406。即使誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓高于參考電壓Voref，校正電流也不立刻流動。 當誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓高于參考電壓Voref給定電壓時，參考校正電流I才流動 (例如，圖9B)。Gm放大器405根據(jù)參考電壓與誤差放大器19的輸入電壓之間的并且包括偏移電壓的差，來輸出校正電流I。以校正電流I的方式、誤差放大器19的負側(cè)輸入電壓被減小到給定值或更低的特征與圖8A中的示例相同。然而，這里，例如考慮到其他電路組件中的延遲，校正電流I在給定時間段之后流動。圖IOA示出誤差放大器校正電流源40的配置示例。在此誤差放大器校正電流源 40中，多個nMOS 410到416連接在Gm放大器405前后。SfnMOS 410到416中的一些形成電流鏡電路，并且一些構(gòu)成跨導線性(translinear)電路?？鐚Ь€性電路例如是以如下方式連接的電路在閉環(huán)中，當順時針方向上的半導體元件的數(shù)目和逆時針方向上的半導體元件的數(shù)目相同時，則順時針方向上的電流密度的積和逆時針方向上的電流密度的積相同。在圖IOA的示例中，跨導線性電路由nMOS 410到413的閉環(huán)形成。包括跨導線性電路的誤差放大器校正電流源40連接至誤差放大器19的負輸入側(cè)，并且因此以如下方式進行操作當電壓變得高于參考電壓Voref時，校正電流I沿Gm放大器405的負輸入側(cè)的方向流動。在此情況下，當誤差放大器19的負輸入側(cè)高于參考電壓Voref時，依靠跨導線性電路，校正電流I呈現(xiàn)了逐漸更高的值(例如，圖10B)。圖11是示出開關(guān)穩(wěn)壓器100的另一配置示例的示圖。開關(guān)穩(wěn)壓器100包括作為校正單元70的示例的開關(guān)電路42以及第一和第二電阻器四、41，所述校正單元70校正誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓以便減小到給定值或更低。此情況下的操作例如如下。具體地，例如，在作為控制信號(CNT)的“LOW”的輸入后，開關(guān)電路42斷開開關(guān)。在此情況下，區(qū)間Y處的組合電阻值為(rl+r2)，其中rl、r2表示第一和第二電阻器四、41的電阻。例如，在作為控制信號(CNT)的“HIGH”的輸入后，開關(guān)電路42接通開關(guān)。在此情況下，開關(guān)是導通的，因此區(qū)間Y處的組合電阻值為rl。通過開關(guān)電路42進行的開關(guān)的斷開到接通(從控制信號(CNT)的“LOW”到“HIGH”的切換)，組合電阻值從(rl+r2)改變?yōu)閞l。以上配置的特性是通過對以上組合電阻值的修改(對反饋電阻比的修改)，在給定時間段中，誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓被減小到給定值或更低。圖11所示的開關(guān)電路42以及第一和第二電阻器四、41被配置為使誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓通過反饋電阻比的改變而被減小到給定值或更低，而不是引出校正電流I的流動。以修改第一和第二電阻器四、41的反饋電阻比的方式，通過開關(guān)電路42進行的開關(guān)， 誤差放大器19的負輸入側(cè)電壓被減小到給定值或更低?！雌渌纠翟谏鲜鍪纠?，已描述了第一比較器17的誤差放大器19連接至誤差放大器19的輸出端并且負輸入側(cè)連接至Ι/ν轉(zhuǎn)換電路16的輸出端的配置。第一比較器17的輸入可被反轉(zhuǎn)，以使得ΙΛ轉(zhuǎn)換電路16的輸出端連接至正輸入側(cè)并且誤差放大器19的輸出端連接至負輸入側(cè)。在此情況下，第一比較器17的輸出電壓相對于上述示例中的“HIGH”和“LOW” 而被反轉(zhuǎn)。因此，邏輯單元18可在“LOW”時接通第一開關(guān)元件11，并且在“HIGH”時接通第二開關(guān)元件12。輸入在第二比較器20中被類似地反轉(zhuǎn)。正輸入側(cè)因此可連接至恒壓源沈的輸出， 并且負輸入側(cè)連接至誤差放大器19的輸出。同樣在此情況下，第二比較器20中的輸出電壓相對于上述示例中的輸出反向地被輸出，以使得在自動切換模式操作期間，邏輯單元18 在“HIGH”的輸入后執(zhí)行暫停狀態(tài)并且在“LOW”的輸入后執(zhí)行PWM操作。本實施例實現(xiàn)了對輸出電壓波動進行抑制。這里陳述的所有示例和條件性語言希望是出于教導的目的，以幫助讀者理解發(fā)明人為促進本領(lǐng)域而貢獻的本發(fā)明和概念，并且這里陳述的所有示例和條件性語言要被理解為沒有限制到這樣具體陳述的示例和條件，說明書中對這樣的示例的組織也不涉及展示本發(fā)明的優(yōu)勢和劣勢。雖然本發(fā)明的實施例已被具體地描述，但是應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可于此進行各種改變、替換和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為給定的恒定電壓并且向負載輸出該恒定電壓作為輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器，所述開關(guān)穩(wěn)壓器包括第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件；邏輯單元，所述邏輯單元通過使所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件執(zhí)行開關(guān)操作，來向所述負載輸出被從所述輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒定電壓的所述輸出電壓；誤差放大器，所述誤差放大器輸入所述輸出電壓和第一參考電壓，并且輸出指示所述輸出電壓與所述第一參考電壓之間的誤差的第一信號；第一比較器，所述第一比較器輸入所述第一信號以及指示與所述負載中流動的負載電流成比例的輸出電壓的第二信號，并且基于所述第一信號和所述第二信號向所述邏輯單元輸出使所述邏輯單元執(zhí)行所述開關(guān)操作的控制信號；以及校正單元，所述校正單元連接至所述誤差放大器的輸入側(cè)，并且校正所述誤差放大器的輸入電壓以將該輸入電壓減小到給定值或更低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中所述校正單元是誤差放大器校正電流源， 所述誤差放大器校正電流源輸出一校正電流，該校正電流使所述誤差放大器的輸入電壓被減小到所述給定值或更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器校正電流源包括恒流源和電流鏡電路，所述電流鏡電路連接至所述恒流源并且輸出從所述恒流源輸出的、作為所述校正電流的恒定電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器校正電流源包括供應(yīng)參考電壓的恒壓源、以及連接至所述恒壓源并將電壓轉(zhuǎn)換為電流的Gm放大器，并且所述Gm放大器根據(jù)所述誤差放大器的輸入電壓與所述參考電壓之間的差，來輸出所述校正電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括連接在供應(yīng)所述參考電壓的所述恒壓源與所述Gm放大器之間的并且供應(yīng)偏移電壓的恒壓源，其中所述Gm放大器根據(jù)包括所述偏移電壓的所述誤差放大器的輸入電壓與所述參考電壓之間的差，來輸出所述校正電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括連接在所述Gm放大器的輸入端與輸出端之間的多個半導體元件，其中所述多個半導體元件形成閉環(huán)，并且以如下方式連接當在所述閉環(huán)中的順時針方向上的半導體元件的數(shù)目和逆時針方向上的半導體元件的數(shù)目相同時，所述順時針方向上的每個半導體元件的電流密度的積和所述逆時針方向上的每個半導體元件的電流密度的積相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中所述校正單元包括第一電阻器和第二電阻器、以及修改所述第一電阻器和所述第二電阻器的反饋電阻比的開關(guān)電路，并且所述開關(guān)電路通過變化所述反饋電阻比來使所述誤差放大器的輸入電壓被減小到所述給定值或更低。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括輸入外部控制信號的輸入端子，所述外部控制信號指示以恒定周期供應(yīng)所述輸出電壓的第一模式、或者在所述第一模式中包括暫停時段的第二模式，其中當所述開關(guān)穩(wěn)壓器處于所述第二模式中的所述暫停時段并且指示所述第一模式的所述外部控制信號被輸入時，所述校正單元使所述誤差放大器的輸入電壓被減小到所述給定值或更低。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中當所述開關(guān)穩(wěn)壓器從所述第二模式中的所述暫停時段移到所述第一模式時，所述校正單元中止對所述誤差放大器的輸入電壓的校正。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括檢測所述第二開關(guān)元件中流動的反向電流的反向電流檢測比較器，其中當檢測所述反向電流的信號被從所述反向電流檢測比較器輸入時，所述邏輯單元關(guān)斷所述第二開關(guān)元件，直到自所述第二模式中的所述暫停時段移到所述第一模式以來給定時間段流逝為止。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，其中所述誤差放大器是反相放大器電路，所述反相放大器電路在所述反相放大器電路的負輸入側(cè)輸入所述輸出電壓并與所述校正單元相連接，并且在正輸入側(cè)輸入所述第一參考電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括輸出所述第二信號的I/V轉(zhuǎn)換電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括第二比較器，所述第二比較器輸入所述第一信號和第二參考電壓，并且基于所述第一信號和所述第二參考電壓、而在將暫停時段包括在以恒定周期供應(yīng)所述輸出電壓的第一模式中的第二模式中輸出指示所述第一模式或所述暫停時段的第三信號，其中所述邏輯單元當所述第三信號指示所述第一模式時執(zhí)行對所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的開關(guān)操作，并且當所述第三信號指示所述暫停時段時中止該開關(guān)操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)穩(wěn)壓器，還包括模式控制電路，所述模式控制電路輸入所述外部控制信號和所述第三信號并且輸出控制所述校正單元的操作的控制信號，其中，所述模式控制電路輸出控制信號去控制所述校正單元以便當指示所述暫停時段的所述第三信號和指示所述第一模式的所述外部控制信號被輸入時進行操作，并且輸出控制信號去控制所述校正單元以便當指示所述第一模式的所述第三信號被輸入時停止操作。
全文摘要
一種開關(guān)穩(wěn)壓器第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件；邏輯單元，該邏輯單元通過使第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件執(zhí)行開關(guān)操作，來向負載輸出被從輸入電壓轉(zhuǎn)換為恒定電壓的輸出電壓；誤差放大器，該誤差放大器輸出指示輸出電壓與第一參考電壓之間的誤差的第一信號；第一比較器，該第一比較器輸入第一信號以及指示與負載中流動的負載電流成比例的輸出電壓的第二信號，并且基于第一信號和第二信號向邏輯單元輸出使邏輯單元執(zhí)行開關(guān)操作的控制信號；以及校正單元，該校正單元連接至誤差放大器的輸入側(cè)，并且校正誤差放大器的輸入電壓以將該輸入電壓減小到給定值或更低。
文檔編號H02M3/156GK102386769SQ20111022079
公開日2012年3月21日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者木村武士 申請人:富士通半導體股份有限公司