專利名稱：半導(dǎo)體器件和使用所述器件的開關(guān)調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于執(zhí)行輸出晶體管的開關(guān)驅(qū)動控制的半導(dǎo)體器件，并且涉及一種使 用這種器件的開關(guān)調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
圖11是示出了傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的電路方框圖。如圖11所示，η溝道M0S(金屬氧 化物半導(dǎo)體)場效應(yīng)晶體管201a用作傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器中的輸出晶體管，需要大于輸入電壓 Vin的柵極電壓以導(dǎo)通所述晶體管201a。鑒于這種原因，傳統(tǒng)的開關(guān)調(diào)節(jié)器配置有自舉電 路(二極管203和電容器以)，并且將超過所述開關(guān)端子SW中的開關(guān)電壓Vsw電容器C2的 充電電壓(通過從恒定電壓Vreg減去二極管203的正向電壓降Vf獲得的電壓)的自舉電 壓Vbst提供給驅(qū)動器20加，用于產(chǎn)生所述晶體管201a的柵極電壓?？梢砸萌毡疚磳弻＠_No. 2009-108115和10-014217作為與開關(guān)調(diào)節(jié)器有 關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)示例。

發(fā)明內(nèi)容
圖12是說明了自舉操作的示例的波形圖。在圖中，實線是開關(guān)電壓Vsw，虛線是自 舉電壓Vbst。因為常規(guī)操作期間在自舉端子BST和開關(guān)端子SW之間不會產(chǎn)生大于等于恒定電 壓Vreg(例如5V)的電勢差，不需要用于耐高壓的驅(qū)動器20加。然而，例如當(dāng)在自舉端子BST和輸入端子VIN之間形成短路時，在所述自舉端子 BST和開關(guān)端子SW之間產(chǎn)生與所述輸入電壓Vin相對應(yīng)的電勢差(例如，12V)。因此，此時 可能在驅(qū)動器20 中發(fā)生擊穿。即使當(dāng)此時避免了驅(qū)動器20 的擊穿時，當(dāng)晶體管201a 導(dǎo)通時，通過自舉端子BST和開關(guān)端子SW之間的自舉操作產(chǎn)生與約兩倍于輸入電壓Vin 相對應(yīng)的電勢差(例如MV)，使得可以防止驅(qū)動器20 擊穿，除非所述驅(qū)動器20 設(shè)計用 于耐高壓。在最差情況下，由于當(dāng)驅(qū)動器20 已經(jīng)擊穿的情況下不再可能按照常規(guī)方式導(dǎo) 通或截止晶體管201a，可能發(fā)生爆炸或者著火。將驅(qū)動器20 設(shè)計為耐高壓以便能夠甚至在與兩倍于輸入電壓Vin的電勢差下 操作，結(jié)果是驅(qū)動器20 占據(jù)非常大的面積。因此，遇到了開關(guān)電源IC200變得更大且更 加昂貴的問題。鑒于本申請發(fā)明人遇到的這些問題，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體器件，所述 半導(dǎo)體器件允許將整個器件制造為更耐高壓，同時抑制了器件尺寸和成本的增加，并且提 出了一種使用這種器件的開關(guān)調(diào)節(jié)器。為了實現(xiàn)所述目的，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件配置用于具有m溝道或npn型輸出 晶體管，其中將輸入電壓施加到漏極或集電極，從源極或發(fā)射極引出與晶體管的開關(guān)驅(qū)動 相對應(yīng)的脈沖開關(guān)電壓；自舉電路，用于產(chǎn)生比開關(guān)電壓增加預(yù)定電勢的升壓電壓；內(nèi)部 電路，用于接收所述升壓電壓的供應(yīng)以產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號，并且將所述信號供應(yīng)給輸出晶體管的柵極或基極；過壓保護(hù)電路，用于監(jiān)測所述開關(guān)電壓和所述升壓電壓之間的電勢差， 并且用于產(chǎn)生過壓檢測信號；以及開關(guān)元件，根據(jù)所述過壓檢測信號，在所述內(nèi)部電路和施 加所述升壓電壓的端子之間建立/阻斷電傳導(dǎo)。利用這樣配置的半導(dǎo)體器件，可以將整個器件制造地更能耐受高電壓，同時防止 尺寸和成本增加，使其可以對于減小使用這種器件獲得的開關(guān)調(diào)節(jié)器的尺寸和成本有貢 獻(xiàn)。根據(jù)優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)描述以及與其相關(guān)的附圖，本發(fā)明的其他特征、元件、 步驟、益處和特征將變得更加清楚。


圖1是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第一實施例的方框圖；圖2是示出了軟啟動控制電路6的結(jié)構(gòu)示例的電路圖；圖3是示出了過壓保護(hù)電路19的結(jié)構(gòu)示例的電路圖；圖4是示出了所述過壓保護(hù)操作的時序圖；圖5是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第二實施例的方框圖；圖6是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第三實施例的方框圖；圖7是示出了 PWM和PFM組合使用的優(yōu)點的圖表；圖8是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第四實施例的方框圖；圖9是示出了電流/電壓轉(zhuǎn)換電路25的結(jié)構(gòu)示例的電路圖；圖10是示出了誤差電壓Verr的上拉操作的時序圖；圖11是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的傳統(tǒng)示例的電路方框圖；圖12是示出了自舉操作的結(jié)構(gòu)示例的波形圖；以及圖13是示出了關(guān)閉電路28的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。
具體實施例方式下面是參考在根據(jù)自舉方法操作的降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器中實現(xiàn)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)給出的 詳細(xì)描述。(第一實施例)圖1是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第一實施例的電路方框圖。如所示的，第一實施例的 開關(guān)調(diào)節(jié)器是降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器(斷續(xù)調(diào)節(jié)器)，包括開關(guān)電源IC 100、外部電感器Li、二極 管D1、電阻器Rl至R3和電容器Cl至C5，并且適用于根據(jù)輸入電壓Vin產(chǎn)生所需的輸出電 壓 Vout0開關(guān)電源IC 100具有η溝道MOS場效應(yīng)晶體管Ia和lb、驅(qū)動器加和2b、電平移 位器3a和北、驅(qū)動控制電路4、誤差放大器5、軟啟動控制電路6、pnp雙極型晶體管7、傾斜 電壓發(fā)生電路8、PWM(脈沖寬度調(diào)制)比較器9、參考電壓發(fā)生電路10、振蕩器11、電阻器 1 和12b、升壓恒壓發(fā)生電路13、二極管14、低壓閉鎖電路15、熱關(guān)閉電路16、輸入偏置電 流發(fā)生電路17、過流保護(hù)電路18、過壓保護(hù)電路19和ρ溝道MOS場效應(yīng)晶體管20。此外，作為與外部電連接的裝置，所述開關(guān)電源IC 100具有使能端EN、反饋端FB、 相位補(bǔ)償端CP、軟啟動端SS、自舉端BST、輸入端VIN、開關(guān)端SW和接地端GND。
在所述開關(guān)電源IC 100的外部，輸入端VIN與其上施加輸入電壓Vin (例如12V) 的端子相連，并且也經(jīng)由電容器Cl與接地端相連。開關(guān)端SW與二極管Dl的負(fù)極和電感器 Ll的一端相連。二極管Dl的正極與接地端相連。電感器Ll的另一端與輸出電壓Vout的 引出端相連，并且分別與電容器C3的一端以及電阻器Rl的一端相連。電容器C3的另一端 與接地端相連。電阻器Rl的另一端經(jīng)由電阻器R2與接地端相連。電阻器Rl和電阻器R2 的連接節(jié)點與作為反饋電壓Vfb的引出端的反饋端FB相連。電容器C2連接在開關(guān)端SW 和自舉端BST之間。使能端EN是為了使能或禁用開關(guān)電源IC 100驅(qū)動的目的而被施加以 使能信號的端子。相位補(bǔ)償端CP經(jīng)由電容器C4和電阻器R3與接地端相連。軟啟動端SS 經(jīng)由電容器C5與接地端相連。上述電感器Li、二極管Dl和電容器C3用作整流/平滑電路，適于對從開關(guān)端SW抽 取的開關(guān)電壓Vsw進(jìn)行整流/平滑，以便產(chǎn)生所需的輸出電壓Vout。上述電阻器R1、R2用 作反饋電壓發(fā)生電路(電阻分壓電路)，用于產(chǎn)生與輸出電壓Vout相對應(yīng)的反饋電壓Vfb。 電容器C2和內(nèi)置在開關(guān)電源IC 100中的二極管14 一起形成了自舉電路。接下來將描述開關(guān)電源IC 100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。晶體管la、Ib是串聯(lián)連接在輸入端VIN(施加輸入電壓Vin的端子)和接地端GND 之間的一對開關(guān)元件。通過按照互補(bǔ)方式開關(guān)驅(qū)動這些元件，根據(jù)輸入電壓Vin產(chǎn)生脈沖 開關(guān)電壓Vsw。晶體管Ia是大型輸出晶體管(功率晶體管)，設(shè)計用于通過較大的開關(guān)電 流Isw，而晶體管Ib是小型同步整流晶體管，設(shè)計用于將在低負(fù)載時(在非連續(xù)電流模式期 間)產(chǎn)生的振鈴噪聲釋放到接地端GND。為了更加具體地描述這兩端的連接關(guān)系，晶體管 Ia的漏極與輸入端VIN相連。晶體管Ia的源極和背柵極與開關(guān)端SW相連。晶體管Ib的 漏極與開關(guān)端SW相連。晶體管Ib的源極和背柵極與接地端GND相連。這里使用的術(shù)語“互補(bǔ)”不僅指的是其中晶體管la、lb的導(dǎo)通/截止態(tài)完全反轉(zhuǎn) 的情況，也包括其中對晶體管la、lb的導(dǎo)通/截止轉(zhuǎn)換定時施加規(guī)定的延遲以防止過電流 的情況。驅(qū)動器加、沘基于來自電平移位器3a、!3b的輸出信號，分別產(chǎn)生用于晶體管la、lb 的柵極電壓(開關(guān)驅(qū)動電壓)。驅(qū)動器加的上部電源端子與二極管14的負(fù)極和晶體管20 的漏極(施加驅(qū)動電壓Vx的端子)的連接節(jié)點相連。驅(qū)動器加的下部電源端子和驅(qū)動 器2b的上部電源端子都與開關(guān)端SW相連。驅(qū)動器2b的下部電源端子與接地端GND相連。 提供給晶體管Ia的柵極電壓的高電平等于驅(qū)動電壓Vx，低電平等于地電壓。提供給晶體管 Ib的柵極電壓的高電平等于輸入電壓Vin，低電平等于地電壓。電平移位器3a、!3b分別對從驅(qū)動控制電路4輸入的開關(guān)控制信號的電壓電平進(jìn)行 升壓，并且將所述信號給予驅(qū)動器h、2b。電平移位器3a的上部電源端子與二極管14的負(fù) 極和晶體管20的漏極(施加驅(qū)動電壓Vx的端子)的連接節(jié)點相連。電平移位器3a的下 部電源端子和電平移位器北的上部電源端子都與開關(guān)端SW相連。電平移位器北的下部 電源端子與接地端GND相連。驅(qū)動控制電路4是基于時鐘信號CLK和脈沖寬度調(diào)制信號PWM產(chǎn)生用于晶體管 IaUb的開關(guān)控制信號的邏輯電路。誤差放大器5對反饋電壓Vfb和規(guī)定目標(biāo)電壓Vtg之差進(jìn)行放大，并且產(chǎn)生誤差 電壓Verr。為了描述連接關(guān)系，誤差放大器5的反相輸入端(-)與反饋端FB相連，并且在其上施加反饋電壓Vfb (與輸出電壓Vout的實際值相對應(yīng))。誤差放大器5的非反相輸入 端(+)與t電阻器1 和電阻器12b的連接節(jié)點相連，并且在其上施加所述規(guī)定目標(biāo)電壓 Vtg (與輸出電壓Vout的設(shè)定目標(biāo)值相對應(yīng))。軟啟動控制電路6具有表示為圖2中示例的電路結(jié)構(gòu)，并且適用于啟動所述開關(guān) 調(diào)節(jié)器，同時也初始化經(jīng)由電阻器6a與軟啟動端SS相連的電容器C5的充電，并且控制晶 體管7的傳導(dǎo)程度，從而將誤差電壓Verr鉗制到規(guī)定的軟啟動電壓(等于電容器C5的充 電電壓加上晶體管7的基極-發(fā)射極電壓)。通過按照這種方式的軟啟動控制，在限制啟動 時供應(yīng)給電容器C3的充電電流的同時，輸出電壓Vout逐漸上升，從而使得可以主動地防止 輸出電壓Vout的過沖和到負(fù)載的突入電流。在誤差電壓Verr下降到小于軟啟動電壓Vss 的時間點，晶體管7采取非工作(nonoperational)狀態(tài)，并且因此終止了軟啟動控制?；趤碜攒泦涌刂齐娐?的指令，在開關(guān)調(diào)節(jié)器啟動期間，晶體管7將誤差電壓 Verr鉗制到軟啟動電壓Vss。為了更加具體地描述連接關(guān)系，晶體管7的發(fā)射極與誤差放 大器5的輸出端子相連。晶體管7的集電極與接地端GND相連。晶體管7的基極經(jīng)由軟啟 動控制電路6與軟啟動端SS相連?；谡袷幤?1產(chǎn)生的時鐘信號CLK，傾斜電壓發(fā)生電路8產(chǎn)生具有三角波形、斜坡 波形或鋸齒波形的傾斜電壓Vslope并且將所述電壓輸出給PWM比較器9。PWM比較器9將誤差電壓Verr與傾斜電壓Vslope進(jìn)行比較，以便為了確定開關(guān)占 空比而產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號PWM，并且將該信號輸出給驅(qū)動控制電路4。開關(guān)占空比的上 限受限于在所述電路內(nèi)確定的最大占空比，并且絕不會達(dá)到100%。為了更具體地描述連接 關(guān)系，PWM比較器9的非反相輸入端⑴與傾斜電壓發(fā)生電路8的輸出端子相連。PWM比較 器9的反相輸入端(_)分別與誤差放大器5的輸出端子和相位補(bǔ)償端CP相連。參考電壓發(fā)生電路10根據(jù)輸入電壓Vin產(chǎn)生參考電壓Vref (例如4. IV)，并且將 該電壓作為內(nèi)部驅(qū)動電壓供應(yīng)給開關(guān)電源IC 100的元件。在接收參考電壓Vref時，振蕩器11產(chǎn)生具有規(guī)定頻率的矩形波形時鐘信號CLK， 并且將該信號提供給驅(qū)動控制電路4和傾斜電壓發(fā)生電路8。電阻器12a和12b對參考電壓Vref進(jìn)行分壓以產(chǎn)生所需的目標(biāo)電壓Vtg，然后將 所述目標(biāo)電壓施加到誤差放大器5的非反相輸入端(+)。為了更具體地描述連接關(guān)系，電阻 器1 和12b串聯(lián)連接在參考電壓發(fā)生電路10的輸出端子(施加參考電壓Vref的端子) 和接地端GND之間，并且其相互連接的節(jié)點與誤差放大器5的非反相輸入端⑴相連。升壓恒壓發(fā)生電路13根據(jù)輸入電壓Vin產(chǎn)生規(guī)定的恒定電壓Vreg(例如5V)。二極管14是連接在升壓恒壓發(fā)生電路13的輸出端(用于輸出所述恒定電壓Vreg 的端子)和自舉端BST之間的元件。二極管和電容器C2—起形成了自舉電路。從所述二 極管的負(fù)極抽取用于驅(qū)動器加和電平移位器3a的驅(qū)動電壓Vx。如隨后所述，在其中尚未 使用過壓保護(hù)操作并且晶體管20導(dǎo)通的情況下，驅(qū)動電壓Vx等于在自舉端BST出現(xiàn)的升 壓電壓Vbst (這是比開關(guān)電壓Vsw高電容器C2的充電電壓(即從所述恒定電壓Vreg減去 二極管的正向電壓降Vf而獲得的電壓)的電壓值)。另一方面，如隨后所述，在其中已經(jīng) 使用過壓保護(hù)操作并且二極管20截止時，驅(qū)動電壓Vx等于從恒定電壓Vreg減去二極管14 的正向電壓降Vf的電壓值。這將在隨后參考附圖詳細(xì)描述。低壓閉鎖電路15在接收參考電壓Vref的供應(yīng)的同時操作，并且作為故障保護(hù)裝置，所述故障保護(hù)裝置當(dāng)已經(jīng)檢測到輸入電壓Vin的異常下降時關(guān)閉所述開關(guān)電源IC 100。熱關(guān)閉電路16在接收參考電壓Vref的供應(yīng)的同時操作，并且作為故障保護(hù)裝置， 所述故障保護(hù)裝置當(dāng)所監(jiān)測的溫度(開關(guān)電源IC 100的結(jié)溫度)達(dá)到規(guī)定閾值時(例如 175°C )關(guān)閉所述開關(guān)電源IC 100。輸入偏置電流發(fā)生電路17在接收參考電壓Vref的供應(yīng)的同時操作，并且產(chǎn)生用 于誤差放大器5輸入偏置電流。過流保護(hù)電路18在接收輸入電壓Vin的供應(yīng)的同時操作，監(jiān)測所述輸出晶體管Ia 導(dǎo)通期間流過的開關(guān)電流Isw，并且產(chǎn)生過流檢測信號0CP。將過流檢測信號OCP用作驅(qū)動 控制電路4和軟啟動控制電路6的復(fù)位信號。更具體地，在確定開關(guān)電流Isw處于過流保 護(hù)電路18中的過流條件的情況下，驅(qū)動控制電路4暫停晶體管Ia和Ib的開關(guān)操作，同時 軟啟動控制電路6將晶體管6b (參見圖2)導(dǎo)通，并且執(zhí)行電容器C5的放電。過壓保護(hù)電路19監(jiān)測施加在自舉端BST和開關(guān)端SW兩端上的端子間電壓Vy (等 于Vbst-Vsw，與電容器C2的充電電壓相對應(yīng))，并且產(chǎn)生過壓檢測信號0VP。所述過壓檢測 信號OVP用作晶體管20的柵極信號。晶體管20是用于根據(jù)過壓檢測信號OVP在自舉端BST和內(nèi)部電路(驅(qū)動器加和 電平移位器3a的上部電源端子)之間建立/阻斷電傳導(dǎo)的開關(guān)元件。為了更具體地描述 連接關(guān)系，晶體管20的漏極與二極管14的負(fù)極相連。晶體管20的源極和背柵極與自舉端 BST相連。晶體管20的柵極與過壓保護(hù)電路19的輸出端子(過壓檢測信號OVP的輸出端 子)相連。對于所述晶體管20，需要使用耐高壓元件(例如耐30V電壓的元件)，所述耐 高壓元件當(dāng)在自舉端BST和開關(guān)端SW之間的電勢差增加到等于輸入電壓Vin兩倍(例如 24V)時不會擊穿。下面將首先描述具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的自舉操作。當(dāng)晶體管Ia截止時，開 關(guān)端SW上的開關(guān)電壓Vsw是低電平(OV)，電流從升壓恒壓發(fā)生電路13沿經(jīng)由二極管14 和電容器C2的路徑流動。因此，用電荷對連接在自舉端BST和開關(guān)端SW之間的電容器C2 充電。此時，自舉端BST上的升壓電壓Vbst (即電容器C2的充電電壓)具有等于恒定電壓 Vreg減去二極管14的正向電壓降Vf的值(Vreg-Vref).在其中用電荷對電容器C2充電的情況下，晶體管Ia導(dǎo)通并且開關(guān)電壓Vsw從低 電平(OV)上升到高電平(Vin)，此時將所述升壓電壓Vbst升壓到等于開關(guān)電壓Vsw(Vin) 的高電平加上電容器C2的充電電壓(Vreg-Vf)的較高值(Vin+(Vreg-Vf))。因此，通過提 供升壓電壓Vbst作為驅(qū)動器加和電平移位器3a的驅(qū)動電壓Vx，可以執(zhí)行晶體管Ia的導(dǎo) 通/截止驅(qū)動。接下來將描述具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出反饋操作。在開關(guān)電源IC 100中，誤差放大器5對反饋電壓Vfb和目標(biāo)電壓Vtg之差進(jìn)行放 大以產(chǎn)生誤差電壓Verr。PWM比較器9將誤差電壓Verr和傾斜電壓Vslope進(jìn)行比較，并 且產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號PWM。此時，當(dāng)誤差電壓Verr處于比傾斜電壓Vslope更高的電勢 時，脈沖寬度調(diào)制信號PWM的邏輯為低電平，當(dāng)相反情況下時所述邏輯為高電平。具體地， 在誤差電壓Verr處于較高的電勢時，脈沖寬度調(diào)制信號PWM的單一周期中的低電平間隔變 得更長，并且相反地，在誤差電壓Verr處于低電勢時，脈沖寬度調(diào)制信號PWM的單一周期中的低電平間隔變得更短。基于時鐘信號CLK和脈沖寬度調(diào)制信號PWM，驅(qū)動控制電路4防止了晶體管Ia和 Ib同時導(dǎo)通，并且產(chǎn)生了用于晶體管la、lb的開關(guān)控制信號，使得在脈沖寬度調(diào)制信號PWM 為低電平的間隔期間，晶體管Ia導(dǎo)通而晶體管Ig截止。相反在脈沖寬度調(diào)制信號PWM處 于高電平的間隔期間，晶體管Ia截止而晶體管Ig導(dǎo)通。通過按照上述方式執(zhí)行的輸出反饋控制，晶體管Ia經(jīng)歷了開關(guān)控制，使得反饋電 壓Vfb匹配目標(biāo)電壓Vtg。換句話說，輸出電壓Vout匹配了所需的目標(biāo)設(shè)置。此外，因為晶體管Ib按照與晶體管Ia互補(bǔ)的方式經(jīng)歷了開關(guān)控制，在低負(fù)載或者 無負(fù)載時開關(guān)電流Isw下降導(dǎo)致開關(guān)電壓Vsw中振鈴噪聲上升(所謂的非連續(xù)電流模式) 的情況下，振鈴噪聲可以通過晶體管Ib漏到接地端GND。具體地，當(dāng)晶體管Ia截止時，經(jīng)由 晶體管Ib將開關(guān)電壓Vsw減小到低電平(OV)，并且可以對連接在自舉端BST和開關(guān)端SW 之間的電容器C2充分地充電。因此，當(dāng)晶體管Ia隨后導(dǎo)通時，升壓電壓Vbst可以可靠地 升壓到所需電壓電平(比輸入電壓Vin更高的電壓電平)。因此可以防止晶體管Ia故障 (不能夠?qū)?，并且可以實現(xiàn)可靠的降壓操作。接下來將描述誤差放大器5的相位補(bǔ)償方法。通過增益為1時的頻率Fc來確定 開關(guān)調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^與相位補(bǔ)償端CP(誤差放大器5的輸出端子) 外部相連的電阻器R3的電阻來調(diào)節(jié)該頻率Fe。通過增加頻率Fe，可以增加開關(guān)調(diào)節(jié)器的 響應(yīng)速度，但是可靠性(相位容限)變差，并且增加了振蕩的風(fēng)險。相反，當(dāng)將所述頻率Fc 設(shè)置得太低時，可能不會獲得滿意的響應(yīng)速度。此外，為了通過相位補(bǔ)償確保穩(wěn)定性，需要 將輸出級中的LC諧振產(chǎn)生的相位滯后由基于零點的相位超前抵消掉。可以經(jīng)由與相位補(bǔ) 償端CP外部相連的電容器C4和電阻器R3來調(diào)節(jié)基于所述零點的相位超前。此時，優(yōu)選地 是將電容器C4的電容確定為使得基于所述零點的相位超前約是LC諧振頻率的三分之一。 在開關(guān)調(diào)節(jié)器中，包含負(fù)反饋返回的反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是增益為1時(OdB)相位滯后不 超過150° (S卩，至少30°的相位容限)。接下來將參考圖3和圖4詳細(xì)描述過壓保護(hù)電路19的結(jié)構(gòu)和操作。圖3是示出 了過壓保護(hù)電路19的結(jié)構(gòu)示例的電路圖，以及圖4是示出了過壓保護(hù)操作的時序圖。圖4 的上半部分示出了開關(guān)電壓Vsw、升壓電壓Vbst和驅(qū)動電壓Vx的電壓波形，而圖4的下半 部分示出了晶體管20的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)。如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)示例的過壓保護(hù)電路19具有P溝道MOS場效應(yīng)晶體管19a、 齊納二極管19b、19c和電阻器19d至19g。晶體管19a的源極和背柵極與自舉端BST相連。 晶體管19a的漏極經(jīng)由電阻器19d與開關(guān)端SW相連，并且也與作為過壓檢測信號OVP的輸 出端子的晶體管20的柵極相連。晶體管19a的柵極與齊納二極管19c的正極相連，并且 也經(jīng)由電阻器19e與齊納二極管19b的負(fù)極相連。齊納二極管19c的負(fù)極經(jīng)由電阻器19g 與自舉端BST相連。齊納二極管19b的負(fù)極經(jīng)由電阻器19f與自舉端BST相連。齊納二極 管19b的正極與開關(guān)端SW相連。在具有上述結(jié)構(gòu)的過壓保護(hù)電路19中的自舉端BST和開關(guān)端SW上施加的端子間 電壓Vy是正常值(Vreg-Vf，或者與其接近的值)的情況下，晶體管19a的柵極-源極電壓 (電阻器19f兩端的電壓)不會上升到超過晶體管19a的導(dǎo)通閾值電壓，并且晶體管19a仍 然處于截止?fàn)顟B(tài)。結(jié)果，晶體管20的柵極經(jīng)由電阻器19d與開關(guān)端SW相連。并且在晶體管20的柵極和源極上施加了等于在自舉端BST和開關(guān)端SW上施加的端子間電壓Vy的電 壓。因此，晶體管20通常處于導(dǎo)通態(tài)，并且提供給驅(qū)動器加和電平移位器3a的上部電源 端子的驅(qū)動電壓Vx與升壓電壓Vbst匹配。另一方面，在其中例如在輸入端VIN和自舉端BST之間發(fā)生短路的情況下，在自舉 端BST和開關(guān)端SW上施加的端子間電壓Vy達(dá)到過壓條件，晶體管19a的柵極-源極電壓 (電阻器19f兩端的電壓)上升到超過晶體管19a的導(dǎo)通閾值電壓，晶體管19a進(jìn)入導(dǎo)通狀 態(tài)。結(jié)果，晶體管20的柵極經(jīng)由晶體管19a與自舉端BST相連，并且晶體管20的柵極和源 極短接。因此，晶體管20進(jìn)入截止態(tài)，并且將提供給驅(qū)動器加和電平移位器3a的上部電 源端子的驅(qū)動電壓Vx固定為與恒定電壓Vreg減去二極管14的正向電壓降Vf相等的電壓 值，而與升壓電壓Vbst無關(guān)。用于過壓保護(hù)的晶體管20 (耐高壓開關(guān))連接在從自舉端BST到內(nèi)部電路(驅(qū)動 器加和電平移位器3a)的電源路徑上，并且當(dāng)在自舉端BST和開關(guān)端SW上施加的電壓Vy 達(dá)到過壓條件時使晶體管20截止。利用這種結(jié)構(gòu)，不需要將內(nèi)部電路的元件設(shè)計用于耐高 壓，使得可以減小內(nèi)部電路(驅(qū)動器加和電平移位器3a)需要的表面積，并且對于開關(guān)電 源IC 100實現(xiàn)了更小的尺寸和更低的成本。此外，因為在晶體管20的柵極和源極之間的電勢差等于輸入電壓Vin的兩倍(例 如MV)，需要采用大元件尺寸的耐高壓元件作為晶體管20，但是內(nèi)部電路(驅(qū)動器加和電 平移位器3a)不要求這種高電壓設(shè)計，從而對于縮小開關(guān)電源IC 100整體上的芯片尺寸 有貢獻(xiàn)。此外，因為通過齊納二極管19將晶體管19a的柵極-源極電壓鉗制到規(guī)定的齊納 電壓(例如5V)，對于晶體管19a無需使用耐高壓元件，并且甚至在添加了過壓保護(hù)電路19 的情況下，也不會有損于縮小開關(guān)電源IC100整體的芯片尺寸的效果。(第二實施例)圖11所示的傳統(tǒng)的開關(guān)調(diào)節(jié)器(使用自舉系統(tǒng)的BUCK轉(zhuǎn)換器)具有以下結(jié)構(gòu) 其中連接在開關(guān)端SW和接地端GND之間的晶體管201b按照與晶體管201a互補(bǔ)的方式進(jìn) 行開關(guān)控制。利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在低負(fù)載或者無負(fù)載時開關(guān)電流Isw下降的情況下，導(dǎo)致開 關(guān)電源Vsw中振鈴噪聲增加的情況(所謂的非連續(xù)電流模式)，所述振鈴噪聲實際上可以通 過晶體管201b漏到接地端GND。具體地，當(dāng)晶體管201a截止時，經(jīng)由晶體管201b將開關(guān) 電壓Vsw減小到低電平(OV)，并且可以對連接在自舉端BST和開關(guān)端SW之間的電容器C2 充分地充電。因此，當(dāng)晶體管201a隨后導(dǎo)通時，可以可靠地將升壓電壓Vbst升壓到所需電 壓電平(比輸入電壓Vin高的電壓電平)。因此，可以防止晶體管201a的故障(不能夠?qū)?通)，并且可以實現(xiàn)可靠的降壓操作。然而利用所述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每次當(dāng)晶體管201a截止時，開關(guān)端SW的電荷從接地端 GND損耗掉，在低負(fù)載時產(chǎn)生效率問題。同樣利用所述傳統(tǒng)設(shè)計，需要適當(dāng)?shù)亩〞r控制以防 止晶體管201a和晶體管201b同時導(dǎo)通，產(chǎn)生了對于驅(qū)動控制電路204的復(fù)雜電路設(shè)計的 問題。第二實施例的技術(shù)特征涉及解決上述問題，其目的在于提供具有簡單結(jié)構(gòu)的開關(guān) 調(diào)節(jié)器，然而能夠同時改進(jìn)低負(fù)載時開關(guān)操作的穩(wěn)定性并且改進(jìn)轉(zhuǎn)換效率。
圖5是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第二實施例的方框圖。向與前述第一實施例中的元件 相同的元件分配與圖1相同的符號，并且為了避免贅述而不再描述，使得以下描述可以集 中于第二實施例特有的組成元件。第二實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器的特征在于將連接在開關(guān)端SW和接地端GND之間的N 溝道MOS場效應(yīng)晶體管Ib用連接在開關(guān)端SW和輸入端VIN之間的P溝道MOS場效應(yīng)晶 體管Ic代替。換句話說，第二實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器可以說是具有這樣的結(jié)構(gòu)其中將N溝道MOS 場效應(yīng)晶體管Ia和P溝道MOS場效應(yīng)晶體管Ic并聯(lián)設(shè)置作為連接在輸入端VIN和開關(guān)端 SW之間的輸出晶體管。為了更具體地描述連接關(guān)系，晶體管Ic的漏極與開關(guān)端SW相連。晶體管Ic的源 極和背柵極與輸入端VIN相連。晶體管Ic的柵極與驅(qū)動器2b的輸出端子相連。在具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)晶體管Ia導(dǎo)通時晶體管Ic也導(dǎo)通。相反地， 當(dāng)晶體管Ia截止時，晶體管Ic也截止。因此，從開關(guān)端SW輸出到IC外部的開關(guān)電流Isw 是與流到晶體管Ia的第一開關(guān)電流Iswl和流到晶體管Ic的第二開關(guān)電流Isw2之和相等 的電流。因為在低負(fù)載時，只要晶體管Ic能夠傳導(dǎo)較低的第二開關(guān)電流Isw2就行了，可以 將所述元件的尺寸設(shè)計為小于晶體管Ia的元件尺寸(例如約與在第二實施例中除去的晶 體管Ib相同)。因此在正常操作期間(重負(fù)載時)，流到晶體管Ia的第一開關(guān)電流Iswl 比流到晶體管Ic的第二開關(guān)電流Isw2大得多。通過使用這種結(jié)構(gòu)，在低負(fù)載或者無負(fù)載時開關(guān)電流Isw下降，導(dǎo)致開關(guān)電壓Vsw 中的振鈴噪聲增加(所謂的非連續(xù)電流模式)的情況下，使得晶體管Ia不再能夠?qū)ǎ?體管Ic仍然能夠毫無困難地導(dǎo)通，使得可以輸出所述第二開關(guān)電流Isw并且將輸出電壓 Vout維持在所需值。通過除去晶體管lb，使得每次當(dāng)晶體管Ia截止時，開關(guān)端SW的電荷不再通過接地 端GND損耗掉，使得可以改進(jìn)低負(fù)載時的效率，并且因此使得可以在配備有低負(fù)載模式(例 如脈沖跳躍功能或者切換到PFM的功能)的裝置中獲得有利的實現(xiàn)。根據(jù)第二實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器，不需要防止晶體管Ia和晶體管Ic同時導(dǎo)通，并且 晶體管Ia和晶體管Ic的導(dǎo)通和截止定時在一定程度上的變化不會在其操作中造成任何問 題，使得驅(qū)動控制電路204可以具有更加簡單的電路設(shè)計。(第三實施例)在圖11所示的傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)負(fù)載波動時，誤差放大器205開始檢測到輸 出電壓Vout中的波動，并且脈沖寬度調(diào)制信號PWM的占空比與誤差電壓Verr的增加相關(guān) 聯(lián)地擴(kuò)展，使得將輸出電壓Vout維持在目標(biāo)值。利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)負(fù)載具有較為緩和的波動時，將輸出電壓Vout中的波動實 際上保持最小。然而，利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在誤差放大器205檢測到輸出電壓Vout中的波動之后 執(zhí)行通過PWM方法的輸出反饋控制。因此，負(fù)載的響應(yīng)速度較低，有時會發(fā)生負(fù)載突然變化 期間輸出電壓Vout中較大波動的問題。增加負(fù)載響應(yīng)速度要求增加輸出反饋控制的工作 頻率，但是這樣做的壞處是可能會不利地影響轉(zhuǎn)換效率。
用于執(zhí)行利用PFM(脈沖頻率調(diào)制)方法(比較器方法)的輸出反饋控制的開關(guān) 調(diào)節(jié)器具有較高的負(fù)載響應(yīng)速度，但是存在各種問題，即(1)在穩(wěn)態(tài)時波紋電壓較高(2) 必須使用昂貴的OS電容器等作為輸出電容器；以及(3)因為輸出反饋控制的工作頻率隨負(fù) 載而波動，難以實現(xiàn)EMI (電磁干擾)對策。第三實施例的技術(shù)特征意在解決上述問題，并且因此具有以下目的提供在穩(wěn)態(tài) 時具有較高負(fù)載響應(yīng)速度和較低波紋特性的開關(guān)調(diào)節(jié)器。圖6是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第三實施例的方框圖。向與在前描述的第一實施例中 相同的元件分配與圖1相同的符號，并且為了避免贅述而不再描述，使得以下描述只集中 于第三實施例特有的組成元件。在第三實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，所述開關(guān)電源IC 100附加地配置有導(dǎo)通(ON)比 較器21、截止(OFF)比較器22、邏輯加法運算器23和邏輯乘法運算器Μ。導(dǎo)通比較器21和截止比較器22均在其反相輸入端子㈠處與反饋端FB相連。 導(dǎo)通比較器21的非反相輸入端子(+)與施加第一參考電壓Vrefl (與輸出電壓Vout的下 限設(shè)置相對應(yīng))的端子相連。截止比較器22的非反相輸入端子(+)與施加第二參考電壓 Vref2(與輸出電壓Vout的上限設(shè)置相對應(yīng))的端子相連。目標(biāo)電壓Vtg、第一參考電壓 Vrefl和第二參考電壓Vref2具有以下關(guān)系Vrefl < Vtg < Vref2。邏輯加法運算器23的第一輸入端子與驅(qū)動控制電路4的輸出端子(Q)相連。邏 輯加法運算器23的第二輸入端子與導(dǎo)通比較器21的輸出端子相連。邏輯乘法運算器M 的第一輸入端子與邏輯加法運算器23的輸出端子相連。邏輯乘法運算器M第二輸入端子 與截止比較器22的輸出端子相連。邏輯乘法運算器M的輸出端子與電平移位器3a輸入 端子相連。在具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)輸出電壓Vout由于負(fù)載的突然變化而急劇 下降、并且反饋電壓Vfb降低到小于第一參考電壓Vrefl時，導(dǎo)通比較器21的輸出信號從 低電平上升到高電平，并且將邏輯加法運算器23的輸出信號固定在高電平，而與從驅(qū)動控 制電路4輸出的開關(guān)控制信號無關(guān)。顯而易見的是，因為此時反饋電壓Vfb也小于第二參 考電壓Vref2，截止比較器22的輸出信號必須上升到高電平。因此，輸入到晶體管Ia的柵 極電壓達(dá)到高電平，將晶體管Ia強(qiáng)制導(dǎo)通。結(jié)果，輸出電壓Vout無延遲地切換為增加，并 且輸出電壓Vout絕不會下降到明顯小于其下限設(shè)置。另一方面，當(dāng)具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器中輸出電壓Vout由于負(fù)載中的突然變 化而急劇上升、并且反饋電壓Vfb上升到大于第二參考電壓Vref2時，截止比較器22的輸 出信號從高電平回落到低電平，并且將邏輯乘法運算器M的輸出信號固定在低電平，而與 邏輯加法運算器23的輸出信號無關(guān)。因此，輸入到晶體管Ia的柵極電壓達(dá)到低電平，并且 將晶體管Ia強(qiáng)制截止。結(jié)果，輸出電壓Vout無延遲地切換為降低，并且輸出電壓Vout絕 不會上升為明顯大于其上限設(shè)置。在具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，只要負(fù)載不會突然改變并且將反饋電壓Vfb保 持在大于第一參考電壓Vrefl并且小于第二參考電壓Vref2的電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)通比較器21 的輸出信號為低電平，截止比較器22的輸出信號為高電平。結(jié)果，邏輯加法運算器23和邏 輯乘法運算器M的輸出信號都匹配驅(qū)動控制電路4的輸出信號，并且因此晶體管Ia響應(yīng) 于驅(qū)動控制電路4輸出的開關(guān)控制信號而經(jīng)歷PWM開關(guān)控制，并且將輸出電壓Vout維持在其目標(biāo)設(shè)置。具體地，在第三實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)反饋電壓Vfb仍然在大于第一參考電 壓Vrefl且小于參考電壓Vref2的電壓范圍內(nèi)時，按照與原始情況相同的方式發(fā)生PWM開 關(guān)控制；但是當(dāng)反饋電壓Vfb沒有停留在上述電壓范圍內(nèi)時，開關(guān)控制根據(jù)使用導(dǎo)通比較 器21和截止比較器22的PFM方法(比較器方法)而發(fā)生。利用這種結(jié)構(gòu)，可以在保留PWM方法的優(yōu)點同時利用PFM方法的優(yōu)點。因此，可以 在穩(wěn)態(tài)下同時獲得高負(fù)載響應(yīng)速度和低波紋特性。圖7是示出了組合使用PWM和PFM的優(yōu)點的圖表。如圖7所示，通過在第三實施 例的開關(guān)調(diào)節(jié)器中使用組合的PWM/PFM方法，可以利用各種優(yōu)點，S卩(1)可以在穩(wěn)態(tài)中維 持較低的波紋電壓；( 可以將廉價的陶瓷電容器用作輸出電容器；C3)可以與負(fù)載無關(guān)地 將輸出反饋控制的操作頻率保持恒定，使得容易實現(xiàn)EMI對策；以及(4)可以將負(fù)載響應(yīng)速 度保持為高。(第四實施例)如前所述，在圖11中所示的傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器中，誤差放大器205最初檢測到負(fù)載 波動期間輸出電壓Vout的波動，并且與誤差電壓Verr的升高相關(guān)聯(lián)地擴(kuò)展脈沖寬度調(diào)制 信號PWM的占空比，從而將輸出電壓Vout維持在目標(biāo)值。用于相位補(bǔ)償?shù)碾娮杵鱎3和電 容器C4與誤差放大器205的輸出端子相連，并且將負(fù)載響應(yīng)速度限制到誤差放大器205的 輸出帶中。也利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只要波動比較緩和，實際上可以將輸出電壓Vout中的波動 保持為最小。然而利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在誤差放大器205檢測到輸出電壓Vout中的波動之后進(jìn) 行根據(jù)PWM方法的輸出反饋控制。因此，負(fù)載響應(yīng)速度較低，并且有時會發(fā)生負(fù)載突然變化 期間輸出電壓Vout的較大波動問題。增加負(fù)載響應(yīng)速度要求增加輸出反饋控制的工作頻 率，但是這樣做的不利之處在于可能不利地影響轉(zhuǎn)換效率。此外，利用上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于 在改進(jìn)的負(fù)載響應(yīng)速度和輸出反饋控制的改進(jìn)的可靠性之間存在折衷，在增加誤差放大器 205的輸出帶的程度以在保持輸出反饋控制的穩(wěn)定性的同時改進(jìn)負(fù)載響應(yīng)速度方面存在 內(nèi)在限制，。第四實施例的技術(shù)特征意在解決上述問題，并且具有以下目的提供具有改進(jìn)的 負(fù)載響應(yīng)速度和改進(jìn)的輸出反饋控制穩(wěn)定性的開關(guān)調(diào)節(jié)器。圖8是示出了開關(guān)調(diào)節(jié)器的第四實施例的方框圖。向與前述第一實施例中的元件 相同的元件分配與圖1相同的符號，并且為了避免贅述而不再描述，使得以下描述可以集 中于第四實施例特有的組成元件。在第四實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器中，開關(guān)電源IC 100還包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路 25、微分電路沈和開關(guān)27。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路25將開關(guān)端SW中的開關(guān)電流Isw轉(zhuǎn)換為電壓信號Vl。電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路25的電路結(jié)構(gòu)隨后描述。微分電路沈包括電阻器、電容器和運算放大器，并且產(chǎn)生與電壓信號Vl相對應(yīng)的 微分電壓信號V2。將所述微分電壓信號V2用作開關(guān)27的導(dǎo)通/截止控制信號。開關(guān)27連接在誤差放大器5的輸出端子和施加參考電壓Vref的端子之間，并且受到根據(jù)所述微分電壓信號V2的導(dǎo)通/截止控制。圖9是示出了電流/電壓轉(zhuǎn)換電路25的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。這種結(jié)構(gòu)示例的電 流/電壓轉(zhuǎn)換電路25包括pnp雙極型晶體管25a、25b、開關(guān)25c、恒流源25d和電阻器2 至 25g。晶體管25a的發(fā)射極經(jīng)由開關(guān)25c與開關(guān)端SW相連，并且與經(jīng)由電阻器2 施加 輸入電壓Vin的端子(輸入端VIN)相連。晶體管25b的發(fā)射極經(jīng)由電阻器25f (電阻值 Rf)與施加輸入電壓Vin的端子(輸入端VIN)相連。晶體管2 和2 的基極均與晶體管 25a的集電極相連。晶體管25a的集電極經(jīng)由恒流源25d與接地端GND相連。晶體管25b 的集電極作為電壓信號Vl的輸出端子與微分電路沈的輸入端子相連(參見圖8)，并且也 經(jīng)由電阻器25g(電阻值Rg)與接地端GND相連。圖10是示出了誤差電壓Verr的上拉操作的時序圖，并且按照從上到下的順序示 出了輸出電流lout、開關(guān)電流Isw、晶體管25a的發(fā)射極電壓Va、晶體管25b的發(fā)射極電壓 Vb、開關(guān)電壓Vsw、晶體管25b的集電極電流lb、電壓信號Vl和微分電壓信號V2。在圖9的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路25中，當(dāng)晶體管Ia導(dǎo)通時開關(guān)25c導(dǎo)通，并且當(dāng)所 述晶體管截止時所述開關(guān)25c截止。因此，晶體管Ia導(dǎo)通時，晶體管25a的發(fā)射極電壓Va 匹配開關(guān)電壓Vsw，并且當(dāng)晶體管Ia截止時，所述發(fā)射極電壓等于輸入電壓Vin。這里，當(dāng)晶體管Ia導(dǎo)通時獲得的開關(guān)電壓Vsw( S卩，晶體管25a的發(fā)射極電壓Va) 是與輸入電壓Vin減去流過晶體管Ia的開關(guān)電流Isw和晶體管Ia的導(dǎo)通電阻Ron的乘積 Δ V (等于IswX Ron)(等于Vin- AV = Vin- (IswXRon))相等的電壓值，并且當(dāng)認(rèn)為晶體管 Ia的導(dǎo)通電阻Ron恒定時，該電壓值隨著開關(guān)電流Isw的增加而向下傾斜。通過恒流源25d將晶體管2 集電極電流Ia維持在規(guī)定的值。因此，與所述晶體 管25a的發(fā)射極電壓Va中的波動相關(guān)聯(lián)，晶體管2 的發(fā)射極產(chǎn)生了等于晶體管2 的發(fā) 射極電壓Va的發(fā)射極電壓Vb。結(jié)果，晶體管2 的集電極電流Λ是由晶體管2 的發(fā)射極電壓Vb和電阻器25f 的電阻Rf確定的電流值(等于(Vin-Vb)/Rf = (Vin-Va)/Rf)。具體地，當(dāng)晶體管Ia截止時(Va = Vin)，晶體管2 的集電極電流Λ為零，并且晶 體管Ia導(dǎo)通時(Va = Vin- (IswX Ron))，所述電流是依賴于開關(guān)電流Isw (等于IswX Ron/ Rf)的電流值。從晶體管25b的集電極抽取的電壓信號Vl是通過晶體管25b的集電極電流Λ和 電阻器25g的電阻Rg確定的電壓值(等于H3XRg= {(Vin-Va)/Rf} X Rg) 0具體地，當(dāng)晶體管Ia截止時(Va = Vin)，電壓信號Vl為零，并且當(dāng)晶體管Ia導(dǎo) 通時(Va = Vin-(IswXRon))，所述信號是依賴于開關(guān)電流Isw(等于(IswXRon/Rf) XRg) 的電流值。在其中將晶體管Ia的導(dǎo)通電阻用作檢測開關(guān)電流Isw的裝置的結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測晶體 管1 a中的導(dǎo)通時間段中獲得的開關(guān)電壓Vsw(等于Vin-(IswXR0n)),并且產(chǎn)生與開關(guān)電 流Isw相對應(yīng)的電壓信號VI，而不需要將作為檢測開關(guān)電流Isw的裝置的分立感測電阻器 插入到開關(guān)電流Isw流過的電流路徑中，使得可以實現(xiàn)更低的成本和改進(jìn)的輸出效率。通過對上述電壓信號Vl進(jìn)行微分獲得的微分電壓信號V2利用電壓信號Vl的每 個上升沿或下降沿產(chǎn)生與電壓信號Vl的電壓值相對應(yīng)的微分波形。
如果在負(fù)載中不存在任何突然的變化，開關(guān)電流Isw的電流值較小，并且電壓信 號Vl的電壓值較小。因此，微分電壓信號V2的電壓值不會達(dá)到開關(guān)27的導(dǎo)通閾值電壓 Vth(。n)，并且將開關(guān)27維持處于截止態(tài)。因此，不會將誤差放大器5的輸出端子上拉到施加 參考電壓Vref的端子，并且根據(jù)反饋電壓Vfb按照正常方式進(jìn)行輸出反饋控制。另一方面，當(dāng)由于負(fù)載的突然變化導(dǎo)致開關(guān)電流Isw急劇增加時，引起電壓信號 Vl的電壓值急劇上升，微分電壓信號V2的電壓值將超過開關(guān)27的導(dǎo)通閾值電壓Vth(。n)，并 且開關(guān)27將轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通態(tài)。結(jié)果，將誤差放大器5的輸出端子上拉到施加參考電壓Vref 的端子，并且有意增加了誤差電壓Verr，而不等待根據(jù)反饋電壓Vfb的輸出反饋控制。具體地，第四實施例的開關(guān)調(diào)節(jié)器除了通過誤差放大器5的輸出反饋路徑之外， 還包括用于快速響應(yīng)的補(bǔ)充反饋路徑(電流/電壓轉(zhuǎn)換電路25、微分電路沈和開關(guān)27)， 并且配置用于使得只有在負(fù)載中的突然變化增加了誤差放大器5的操作速度時才將所述 補(bǔ)充反饋路徑用于快速響應(yīng)。采用這種結(jié)構(gòu)使得可以無需不必要地增加通過誤差放大器5的輸出反饋路徑中 的操作頻率，使得可以將負(fù)載響應(yīng)速度增加到足夠的程度，而不會不利地影響轉(zhuǎn)換效率或 者破壞輸出反饋控制的穩(wěn)定性。除了檢測開關(guān)電流Isw并且產(chǎn)生微分電壓信號V2作為用于快速響應(yīng)的補(bǔ)充反饋 路徑之外，可以建議檢測輸出電流Iout或者輸出電壓Vout并且產(chǎn)生微分電壓信號V2的結(jié) 構(gòu)。(其他修改示例)除了這里闡述的實施例之外，在不脫離本發(fā)明范圍和精神情況下可以對本發(fā)明進(jìn) 行各種修改。具體地，前述實施例在所有方面都是示范性的，并且不應(yīng)該解釋為限制，不應(yīng) 該將本發(fā)明的技術(shù)范圍理解為是基于所述實施例的上述描述，而是應(yīng)該理解為基于所附權(quán) 利要求，從而包括權(quán)利要求的等價物和落在權(quán)利要求范圍內(nèi)的任意修改。例如，可選地可以用npn雙極型晶體管代替N溝道MOS場效應(yīng)晶體管或者可選地 可以用Pnp雙極型晶體管代替P溝道MOS場效應(yīng)晶體管。在進(jìn)行這些替換的情況下，應(yīng)該 進(jìn)行這樣的連接，使得MOS場效應(yīng)晶體管的柵極、漏極和源極連接與雙極型晶體管的基極、 集電極和發(fā)射極連接相對應(yīng)。除了向開關(guān)電源IC 100提供參考圖3所述的過壓保護(hù)電路19之外，向開關(guān)電源 IC 100 (更具體地，誤差放大器5、傾斜電壓發(fā)生電路8、PWM比較器9、驅(qū)動控制電路4、電平 移位器3a和北以及驅(qū)動器加和2b)提供關(guān)閉電路觀是有用的，所述關(guān)閉電路觀適于在 規(guī)定的時間段連續(xù)地重復(fù)過壓保護(hù)操作的情況下強(qiáng)制停止所述操作。圖13是示出了關(guān)閉電路28的結(jié)構(gòu)示例的電路圖。該結(jié)構(gòu)示例的關(guān)閉電路28包 括電平移位電路W和定時器閂鎖電路30。電平移位電路四包括P溝道MOS場效應(yīng)晶體管^a、電阻器29b和齊納二極管 29c0晶體管^a的源極和背柵極與自舉端BST相連。晶體管^a的漏極與電阻器^b的 第一端子、齊納二極管^c的負(fù)極、以及定時器閂鎖電路30的輸入端子的每一個相連。晶 體管^a的柵極與晶體管19a的柵極相連。電阻器^b的第二端子和齊納二極管29c正極 都與接地端相連。在具有上述結(jié)構(gòu)的電平移位電路四中，晶體管29a展現(xiàn)出與在過壓保護(hù)電路19中包括的晶體管19a類似的導(dǎo)通/截止行為。具體地，當(dāng)在自舉端BST和開關(guān)端SW上施加 的端子間電壓Vy處于正常狀態(tài)時，晶體管29a進(jìn)入截止態(tài)，并且定時器閂鎖電路30的輸出 信號采取低電平。另一方面，當(dāng)端子間電壓Vy達(dá)到過壓條件時，晶體管^a進(jìn)入導(dǎo)通態(tài)，定 時器閂鎖電路30的輸出信號達(dá)到高電平。然而，此時通過齊納二極管29c將相應(yīng)的高電平 電勢鉗制到規(guī)定的值(例如5V)。定時器閂鎖電路30檢測來自電平移位電路四的輸入信號，并且當(dāng)在規(guī)定的時間 段中所述信號的邏輯電平在高電平和低電平之間間歇性地循環(huán)時，具體地，當(dāng)發(fā)生以下情 況時，將關(guān)閉信號STD設(shè)置為異常條件邏輯電平(例如高電平)以強(qiáng)制停止所述電源開關(guān) IC 100的操作，所述情況為建立負(fù)循環(huán)，并且在規(guī)定的時間段中連續(xù)地發(fā)生重復(fù)的過壓 保護(hù)操作，使得端子間電壓Vy首先處于過壓態(tài)，然后通過過壓保護(hù)操作回到正常態(tài)，但是 隨后由于所述過壓仍然未得到根本解決的原因而回復(fù)到過壓態(tài)。利用具有關(guān)閉電路觀的結(jié)構(gòu)，可以當(dāng)其中在自舉端BST和開關(guān)端SW之間施加的 端子間電壓在正常狀況之間交替時，可以檢測并且強(qiáng)制停止開關(guān)電源IC 100的操作，并且 晶體管19a可以重復(fù)地導(dǎo)通和截止，并且這種情形繼續(xù)規(guī)定的時間段。參考其中分別采用第一至第四實施例的結(jié)構(gòu)給出了以上描述，但是也可以按照重 疊的方式實現(xiàn)這些實施例。(工業(yè)應(yīng)用性)本發(fā)明提出了一種有益于改進(jìn)開關(guān)調(diào)節(jié)器性能的技術(shù)，所述開關(guān)調(diào)節(jié)器例如廣泛 用作液晶顯示器、等離子顯示器的電源單元、PC電源(DDR(雙倍數(shù)據(jù)率)存儲器電源等)或 者用于DVD(數(shù)字多用盤)播放器/記錄器。參考符號列表100開關(guān)電源ICIa N溝道MOS場效應(yīng)晶體管(用于輸出)Ib N溝道MOS場效應(yīng)晶體管(用于振鈴噪聲放電)Ic P溝道MOS場效應(yīng)晶體管(用于低負(fù)載)2a，2b 驅(qū)動器3a, 3b 電平移位器4 驅(qū)動控制電路5 誤差放大器6 軟啟動控制電路6a 電阻器(用于對C5充電)6b N溝道MOS場效應(yīng)晶體管(用于對C5放電)7 pnp雙極型晶體管8 傾斜電壓發(fā)生電路9 PWM 比較器10 參考電壓發(fā)生電路11 振蕩器12a, 12b 電阻器13 升壓恒壓發(fā)生電路0157]
0158]
0159]
0160] 0161] 0162]
0163]
0164]
0165]
0166]
0167]
0168]
0169]
0170]
0171]
0172]
0173]
0174]
0175]
0176]
0177]
0178]
0179]
0180] 0181] 0182]
0183]
0184]
0185]
0186]
0187]
0188]
0189]
0190]
0191]
0192]
0193]
0194]
0195]
14二極管
15低壓閉鎖電路
16熱關(guān)閉電路
17輸入偏置電流發(fā)生電路
18過流保護(hù)電路
19過壓保護(hù)電路
19a P溝道MOS場效應(yīng)晶體管 19b，19c齊納二極管 19d-19g 電阻器
20P溝道MOS場效應(yīng)晶體管
21導(dǎo)通比較器
22截止比較器
23邏輯加法運算器
24邏輯乘法運算器
25電流/電壓轉(zhuǎn)換電路 25a, 25b pnp雙極型晶體管 25c開關(guān)
25d恒流源 25e-25g 電阻器
26微分電路
27開關(guān)
28關(guān)閉電路
29電平移位電路
29a P溝道MOS場效應(yīng)晶體管
29b 電阻器
29c 齊納二極管
30定時器閂鎖電路 Ll 電感器
Dl 二極管 R1-R3 電阻器 C1-C5 電容器
EN
FB
CP
SS
BST
VIN
Sff
GND
使能端 反饋端 相位補(bǔ)償端 軟啟動端 自舉端 輸入端 開關(guān)端 接地端。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括η溝道或ηρη型輸出晶體管，其中在漏極或集電極上施加輸入電壓，并且從源極或發(fā)射 極引出與晶體管的開關(guān)驅(qū)動相對應(yīng)的脈沖式開關(guān)電壓；自舉電路，用于產(chǎn)生比開關(guān)電壓高預(yù)定電勢的升壓電壓；內(nèi)部電路，用于接收所述升壓電壓的供應(yīng)以產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號，并且將所述信號供應(yīng) 給輸出晶體管的柵極或基極；過壓保護(hù)電路，用于監(jiān)測所述開關(guān)電壓和所述升壓電壓之間的電勢差，并且用于產(chǎn)生 過壓檢測信號；以及開關(guān)元件，根據(jù)所述過壓檢測信號，在所述內(nèi)部電路和施加所述升壓電壓的端子之間 建立/阻斷電傳導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述開關(guān)元件是耐高壓元件，在產(chǎn)生與開 關(guān)電壓和升壓電壓之間的輸入電壓的兩倍相對應(yīng)的電勢差時，所述耐高壓元件不會擊穿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述升壓電路包括二極管，所述二極管的 正極與施加恒定電壓的端子相連，所述二極管的負(fù)極與經(jīng)由開關(guān)元件施加升壓電壓的端子 相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述過壓保護(hù)電路包括以下部件P溝道或ρηρ型晶體管，其源極或發(fā)射極與施加升壓電壓的端子相連，其漏極或集電極 與開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制端相連；第一齊納二極管，其正極與施加開關(guān)電壓的端子相連；第一電阻器，連接在所述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制端和施加開關(guān)電壓的端子之間； 第二電阻器，連接在晶體管的柵極或基極和第一齊納二極管的負(fù)極之間；以及 第三電阻器，連接在第一齊納二極管的負(fù)極和施加升壓電壓的端子之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中所述過壓保護(hù)電路還包括以下部件 第二齊納二極管，其正極與晶體管的柵極或基極相連；以及第四電阻器，連接在第二齊納二極管的負(fù)極和施加升壓電壓的端子之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，包括同步整流晶體管，連接在施加開關(guān)電壓的端子和施加地電壓的端子之間，按照與輸出 晶體管互補(bǔ)的方式可開關(guān)地驅(qū)動所述晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，包括關(guān)閉電路，用于當(dāng)所述過壓保護(hù)電路的過壓保護(hù)操作已經(jīng)重復(fù)地持續(xù)規(guī)定時間段時， 強(qiáng)制停止所述半導(dǎo)體器件的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中所述關(guān)閉電路包括以下部件 電平移位電路，用于監(jiān)測開關(guān)電壓和升壓電壓之間的電勢差；以及定時器閂鎖電路，用于監(jiān)測來自電平移位電路的輸入信號，并且當(dāng)所述輸入信號的邏 輯電平間歇性地在高電平和低電平之間循環(huán)規(guī)定時間段時，將關(guān)閉信號設(shè)置為異常邏輯電 平以強(qiáng)制停止所述半導(dǎo)體器件的操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述內(nèi)部電路是電平移位器和用于基于預(yù) 定的開關(guān)控制信號產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號的驅(qū)動器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，包括以下部件誤差放大器，用于對預(yù)定的目標(biāo)電壓和與通過對開關(guān)電壓進(jìn)行整流和平滑而獲得的輸 出電壓相對應(yīng)的反饋電壓之間的差進(jìn)行放大，并且用于產(chǎn)生誤差電壓； 振蕩器，用于產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的時鐘信號；傾斜電壓發(fā)生電路，用于基于所述時鐘信號產(chǎn)生具有三角形、斜坡形或鋸齒形波形的 傾斜電壓；PWM比較器，用于對誤差電壓和傾斜電壓進(jìn)行比較，并且產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號；以及 驅(qū)動控制電路，用于基于時鐘信號和脈沖寬度調(diào)制信號產(chǎn)生開關(guān)控制信號。
11.一種開關(guān)調(diào)節(jié)器，包括 半導(dǎo)體器件；整流/平滑電路，用于對通過所述半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的脈沖開關(guān)電壓進(jìn)行整流/平滑，并 且產(chǎn)生所需的輸出電壓；反饋電壓發(fā)生電路，用于產(chǎn)生與所述輸出電壓相對應(yīng)的反饋電壓；以及 電容器，連接在施加開關(guān)電壓的端子和施加升壓電壓的端子之間，所述電容器形成自 舉電路；其中所述半導(dǎo)體器件包括以下部件η溝道或npn型輸出晶體管，其中在漏極或者集電極上施加輸入電壓，并且從源極或發(fā) 射極引出與晶體管的開關(guān)驅(qū)動相對應(yīng)的脈沖式開關(guān)電壓； 自舉電路，用于產(chǎn)生比開關(guān)電壓高預(yù)定電勢的升壓電壓；內(nèi)部電路，用于接收所述升壓電壓的供應(yīng)以產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號，并且將所述信號供應(yīng) 給輸出晶體管的柵極或基極；過壓保護(hù)電路，用于監(jiān)測所述開關(guān)電壓和所述升壓電壓之間的電勢差，并且用于產(chǎn)生 過壓檢測信號；以及開關(guān)元件，根據(jù)所述過壓檢測信號，在所述內(nèi)部電路和施加所述升壓電壓的端子之間 建立/阻斷電傳導(dǎo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述開關(guān)元件是耐高壓元件，在產(chǎn)生與 開關(guān)電壓和升壓電壓之間的輸入電壓的兩倍相對應(yīng)的電勢差時，所述耐高壓元件不會擊穿。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述升壓電路包括二極管，所述二極管 的正極與施加恒定電壓的端子相連，所述二極管的負(fù)極與經(jīng)由開關(guān)元件施加升壓電壓的端 子相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述過壓保護(hù)電路包括以下部件P溝道或Pnp型晶體管，其源極或發(fā)射極與施加升壓電壓的端子相連，其漏極或集電極 與開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制端相連；第一齊納二極管，其正極與施加開關(guān)電壓的端子相連；第一電阻器，連接在所述開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止控制端和施加開關(guān)電壓的端子之間； 第二電阻器，連接在晶體管的柵極或基極和第一齊納二極管的負(fù)極之間；以及 第三電阻器，連接在第一齊納二極管的負(fù)極和施加升壓電壓的端子之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述過壓保護(hù)電路還包括以下部件 第二齊納二極管，其正極與晶體管的柵極或基極相連；以及第四電阻器，連接在第二齊納二極管的負(fù)極和施加升壓電壓的端子之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述半導(dǎo)體器件包括以下部件同步整流晶體管，連接在施加開關(guān)電壓的端子和施加地電壓的端子之間，按照與輸出 晶體管互補(bǔ)的方式可開關(guān)地驅(qū)動所述晶體管。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述半導(dǎo)體器件包括以下部件關(guān)閉電路，用于當(dāng)所述過壓保護(hù)電路的過壓保護(hù)操作已經(jīng)重復(fù)地持續(xù)規(guī)定時間段時， 強(qiáng)制停止所述半導(dǎo)體器件的操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述關(guān)閉電路包括以下部件電平移位電路，用于監(jiān)測開關(guān)電壓和升壓電壓之間的電勢差；以及定時器閂鎖電路，用于監(jiān)測來自電平移位電路的輸入信號，并且當(dāng)所述輸入信號的邏 輯電平間歇性地在高電平和低電平之間循環(huán)規(guī)定時間段時，將關(guān)閉信號設(shè)置為異常邏輯電 平以強(qiáng)制停止所述半導(dǎo)體器件的操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述內(nèi)部電路是電平移位器和用于基于 預(yù)定的開關(guān)控制信號產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號的驅(qū)動器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)調(diào)節(jié)器，其中所述半導(dǎo)體器件包括以下部件誤差放大器，用于對預(yù)定的目標(biāo)電壓和與通過對開關(guān)電壓進(jìn)行整流和平滑而獲得的輸 出電壓相對應(yīng)的反饋電壓之間的差進(jìn)行放大，并且用于產(chǎn)生誤差電壓；振蕩器，用于產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的時鐘信號；傾斜電壓發(fā)生電路，用于基于所述時鐘信號產(chǎn)生具有三角形、斜坡形或鋸齒形波形的 傾斜電壓；PWM比較器，用于對誤差電壓和傾斜電壓進(jìn)行比較，并且產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號；以及驅(qū)動控制電路，用于基于時鐘信號和脈沖寬度調(diào)制信號產(chǎn)生開關(guān)控制信號。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件包括n溝道輸出晶體管，其中在漏極上施加輸入電壓，并且從源極引出與晶體管的開關(guān)驅(qū)動相對應(yīng)的脈沖式開關(guān)電壓；自舉電路，用于產(chǎn)生比開關(guān)電壓高預(yù)定電勢的升壓電壓；內(nèi)部電路，用于接收所述升壓電壓的供應(yīng)以產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號，并且將所述信號供應(yīng)給輸出晶體管的柵極；過壓保護(hù)電路，用于監(jiān)測所述開關(guān)電壓和所述升壓電壓之間的電勢差，并且用于產(chǎn)生過壓檢測信號；以及開關(guān)元件，根據(jù)所述過壓檢測信號，在所述內(nèi)部電路和施加所述升壓電壓的端子之間建立/阻斷電傳導(dǎo)。
文檔編號H03K17/10GK102098030SQ20101058660
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者土井干也, 村上和宏, 福本洋祐 申請人:羅姆股份有限公司