CN104836427B - 开关调节器控制电路以及开关调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供开关调节器控制电路以及开关调节器。所提供的开关调节器具有100％Duty状态，并且降低了过冲的产生。采用如下的结构：通过钳位电路来钳位误差放大器的输出电压，所述钳位电路根据三角波信号的峰值动态地生成钳位电平。

Description

开关调节器控制电路以及开关调节器
技术领域
本发明涉及输出恒定电压的开关调节器，更详细而言，涉及用于抑制输出电压的过冲的电路。
背景技术
开关调节器被用作各种电子设备的电路的电压供给源。开关调节器的功能是与输入端子的电压变动无关地向输出端子输出恒定的电压，但是，希望在输入端子的电压降低而无法维持输出端子的设定电压的区域中，也尽可能地输出接近设定电压的电压。而且即使在输入端子的电压从该状态恢复而能够向输出端子提供设定电压值的情况下，让输出端子的电压以不会发生过冲的方式转变到设定电压也是很重要的。因此，以往对误差放大器的输出电压进行钳位。
图7示出具有钳位电路的开关调节器的框图。
以往的开关调节器具有三角波产生电路3、误差放大器31、PWM比较器27、缓冲器6、运算放大器5、17、电阻9、13、15、25、电容11、二极管7、19、基准电压电路23、功率晶体管40、二极管42、线圈41以及电容43。
基准电压电路23输出基准电压Vref。三角波产生电路3输出以上限电平电压VH与下限电平电压VL之间的电压振荡的三角波Vramp。误差放大器31对开关调节器的输出电压Vout的反馈电压Vfb和基准电压电路23的基准电压Vref进行比较，并放大它们的电压差。PWM比较器27对误差放大器31输出的电压Verr’和三角波Vramp进行比较，并输出信号Vpwm。
运算放大器5构成电压跟随电路，进行缓冲而输出三角波Vramp。由于电容11经由二极管7和电阻9而与运算放大器5的输出端子连接，因此，电容11保持三角波Vramp的上限电平电压VH。电阻13和15构成分压电路，对保持在电容11上的电压VH进行分压并输出电压Vclamp。运算放大器17构成电压跟随电路，进行缓冲而输出电压Vclamp。二极管19的阴极与运算放大器17的输出端子连接，阳极经由电阻25与误差放大器31的输出端子连接。以上所说明的电路构成钳位电路。
因此，当误差放大器31输出的电压Verr达到电压Vclamp时，运算放大器17抽取电流，将电压Verr控制为不超过电压Vclamp。即，不会出现PWM比较器27的反相输入端子的电压Verr’超过作为PWM比较器27另一方的输入电压的三角波Vramp的上限电平的电压的情况。
像以上所说明的那样，关于以往的开关调节器，电压Verr越朝向三角波Vramp的高电位侧，开关Duty(占空比)越高，因此，即使是在电源电压低或负载电流过大的状态等要求高的Duty的情况下，电压Verr也收敛在三角波Vramp的振幅范围内。由此，即使是在从低电源电压恢复时或负载电流过大的状态消除等时，电压Verr能够快速地转移到下一个工作点，能够降低输出电压Vout产生的过冲的大小。
由此，对于以往的开关调节器电路的钳位电路而言，即使在产生了以冷启动为代表的、输入端子的电压的极端变动时，也能够防止输出电压Vout产生过大的过冲。
现有专利文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6－233525号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，现有技术的具有钳位电路的开关调节器存在如下缺点：在输入端子的电压降低时也始终进行开关操作，无法产生降压型开关调节器所要求的、将输入端子和输出端子DC连接的状态(以下，称为100％Duty状态)。
假设通过钳位电路将降压型开关调节器的最大Duty限制为α％时，最大输出电压Vout(max)是对输入端子的电压VIN乘以α而得到的。即，Vout(max)＝αVIN。
现在，当假设输出电压Vout的设定值Vouts为5V、输入端子的电压VIN为4V、α为90％时，Vout＝4V×90％＝3.6V。在该条件下，输入端子的电压VIN低于输出电压Vout的设定值，因此，原本期望100％Duty，即α＝100％，如果那样的话Vout输出4V，但是因α的限制，会产生大约0.4V的下降。
用于解决课题的手段
为了解决以往的课题，本发明的开关调节器控制电路采用如下的结构。
一种开关调节器控制电路，其具有：三角波产生电路，其产生三角波；误差放大器，其对基于输出电压的电压与基准电压进行比较；比较器，其对基于三角波的信号与误差放大器的输出信号进行比较；峰值保持电路，其保持在基于三角波的信号的上限电压上加上偏移电压而得到的电压；以及钳位电路，其根据峰值保持电路输出的电压，对误差放大器的输出端子进行钳位。
发明效果
根据本发明的具有钳位电路的降压型开关调节器，在要求最大Duty的条件中，通过误差放大器的输出钳位电路，误差放大器的输出端子被钳位在比三角波信号高出一定电平的电压。因此，开关输出成为100％Duty状态，输出电压Vout成为与输入端子的电压VIN大致相等的值。并且，在之后由于输入端子的电压的上升等而导致从100％Duty状态恢复到通常状态时，误差放大器输出从与三角波信号的峰值比较近的电平起转变，因此能够缩短恢复时间，开关输出能够从稳定地持续输出H电平的状态快速地脱离。这样具有如下效果：还能够降低在从100％Duty状态恢复时容易产生的、过大的过冲的产生。
附图说明
图1是第1实施方式的开关调节器的框图。
图2是示出第1实施方式的开关调节器的动作的时序图。
图3是第2实施方式的开关调节器的框图。
图4是示出在100％Duty状态下，负载电流较多时的电压信号Vsum的图。
图5是示出在100％Duty状态下，负载电流较少时的电压信号Vsum的图。
图6是示出峰值保持电路的一例的电路图。
图7是以往的具有钳位电路的开关调节器的框图。
标号说明
2：矩形波振荡电路；3：三角波产生电路；6：缓冲器；5、17、51、61：运算放大器；20：分压电路；23：基准电压电路；27：PWM比较器；31：误差放大器；44：触发器；45：电流加法电路；50：峰值保持电路；60：钳位电路；80：恒流源。
具体实施方式
图1是本实施方式的开关调节器的框图。图1所示的框图是电压模式型开关调节器的一例。
本实施方式的开关调节器具有开关调节器控制电路1、功率晶体管40、线圈41、二极管42以及电容43。
开关调节器控制电路1具有三角波产生电路3、基准电压电路23、误差放大器31、PWM比较器27、缓冲器6、分压电路20、峰值保持电路50以及钳位电路60。
峰值保持电路50具有运算放大器51、电容52以及偏移电路53。钳位电路60具有运算放大器61以及Nch(N沟道)晶体管62。
分压电路20连接在被输入了输出电压Vout的输入端子与接地端子之间。误差放大器31的同相输入端子连接有基准电压电路23，反相输入端子连接有分压电路20的输出端子。关于输出以上限电平电压VH与下限电平电压VL之间的电压振荡的三角波Vramp的三角波产生电路3，其输出端子与PWM比较器27的同相输入端子和峰值保持电路50的输入端子连接。峰值保持电路50的输出端子与钳位电路60的输入端子连接。PWM比较器27的反相输入端子连接有误差放大器31的输出端子与钳位电路60的输出端子，PWM比较器27经由缓冲器6与输出端子连接。
运算放大器51的同相输入端子经由偏移电路53与峰值保持电路50的输入端子连接，反相输入端子与输出端子连接，输出端子经由峰值保持电路50的输出端子和电容52而与接地端子连接。
运算放大器61的反相输入端子与钳位电路60的输入端子连接，输出端子与Nch晶体管62的栅极连接。Nch晶体管62的漏极与运算放大器61的同相输入端子和钳位电路60的输出端子连接，源极与接地端子连接。
接着，对本实施方式的开关调节器的动作进行说明。
偏移电路53是使得三角波Vramp向正电位侧偏移的电路。即，偏移电路53输出在三角波Vramp上加上偏移电压Voffset而得到的三角波Vramp2。偏移电压Voffset例如被设定为100mV～500mV左右。
运算放大器51构成电压跟随电路，成为将灌入电流能力抑制为极低的结构。例如，关于灌电流，为了释放电容52的50％的电荷，需要10个周期以上的三角波Vramp。与此相对，关于拉电流，为了向电容52充入三角波Vramp2的峰值，只需要1～2个周期左右的三角波Vramp。因此，电容52保持作为三角波Vramp2的峰值的钳位电压Vclamp。
图6是示出峰值保持电路50的一例的电路图。晶体管70～79和恒流源80构成运算放大器51。恒流源80的电流值显著地小于晶体管79的电流供电能力。晶体管74的K值被设定为比晶体管73的K值大，成为具有几百mV的输入偏移电压的结构。通过这样的结构，峰值保持电路50输出钳位电压Vclamp，该钳位电压Vclamp是使得所输入的三角波Vramp以偏移电压Voffset向高电位侧进行电平移位而得到的电压。
峰值保持电路50输出的钳位电压Vclamp被输入到钳位电路60的输入端子。钳位电路60中，运算放大器61作为电压跟随电路发挥功能，从Nch晶体管62的漏极即输出端子灌入电流。因此，当误差放大器31输出的电压Verr上升到钳位电压Vclamp时，开始进行钳位电路60的电流灌入动作，电压Verr被钳位在钳位电压Vclamp的电平。
图2是示出本实施方式的开关调节器的动作的时序图。
在时刻T1之前，由于输入电压Vin正常，因此，误差放大器31输出的电压Verr为三角波Vramp的上限电平电压VH与下限电平电压VL之间的电压。因此，开关调节器处于根据PWM比较器27输出的信号Vpwm而进行开关动作的通常动作状态。
这里，当输入电压Vin大幅降低，使得输出电压Vout比设定值(Vouts)低时，误差放大器31输出的电压Verr超过三角波Vramp的上限电平电压VH(时刻T2)。该状态是如下这样的100％Duty状态：PWM比较器27输出的信号Vpwm始终输出低电平，功率晶体管40维持导通状态。
即使输入电压Vin进一步降低，但当电压Verr上升到钳位电压Vclamp时，被钳位于钳位电压Vclamp的电平(时刻T3)。因此，即使输出电压Vout大幅降低，电压Verr也不会大幅提高，从而维持钳位电压Vclamp的电平(期间T3～T4)。即，误差放大器31输出的电压Verr停留在与三角波Vramp的上限电平电压VH相差较小的电压差的电平处。
并且，当输入电压Vin恢复到通常的电压时，电压Verr快速地成为三角波Vramp的振幅范围的电压，因此也能够快速地恢复到通常的开关状态(期间T4～T5)。因此，能够降低输出电压Vout的过冲。
如以上所说明的那样，本实施方式的开关调节器能够缩短向输出端子提供过大的能量的时间，降低输出电压Vout的过冲。
图3是第2实施方式的开关调节器的框图。图3所示的框图是电流模式型开关调节器的一例。
在图1的开关调节器的电路中添加了矩形波振荡电路2、电流加法电路45以及触发电路44。
矩形波振荡电路2的矩形波CLK是触发电路44的设定信号。在触发电路44处于设定状态时，信号Vpwm为低电平，功率晶体管40导通。并且，矩形波CLK也被输入到三角波产生电路3。三角波产生电路3根据矩形波CLK生成电流信号Islop，并输出到电流加法电路45。表示流过功率晶体管40的电流量的电流信号Isens也被输入到电流加法电路45。电流加法电路45将电流信号Islop与电流信号Isens相加，并作为电压信号Vsum输出。电压信号Vsum被输入到PWM比较器27的同相输入端子。当输入到反相输入端子的、误差放大器31输出的电压Verr成为与电压信号Vsum相同的电压时，PWM比较器27向触发电路44输出复位信号。在触发电路44处于复位状态时，信号Vpwm为高电平，功率晶体管40截止。
由于电压信号Vsum是包含流过输出端子的电流量的信号，因此，能够调节误差放大器31提供给输出端子的电流量。即，在向输出端子提供较多的电流时，电压Verr的电压上升，成为与电压信号Vsum相同电压的时间变长。因此，电压信号Vsum的振幅增大。相反，在提供给输出端子的电流较少的情况下，电压Verr与电压信号Vsum立即相交，电压信号Vsum的振幅变小。因此，与第1实施方式所示的电压模式型开关调节器不同，输入到PWM比较器的同相输入端子的电压信号的振幅值并不是固定值。此外，当处于100％Duty状态时，电压Verr超过电压信号Vsum的上限侧，彼此不再相交。此时，流过功率晶体管40的电流I40变为直流电流，但是由于像上述那样，电流信号Islop持续地动作，因此，电压信号Vsum信号仍然作为三角波状的信号存在。因流过功率晶体管40的电流而导致电压信号Vsum的振幅改变。即，如图4和图5所示，因100％Duty状态下的负载电流而导致电压信号Vsum的振幅发生变化。图4是示出在100％Duty状态下负载电流较多时的电压信号Vsum的图。图5是示出在100％Duty状态下负载电流较少时的电压信号Vsum的图。
这里，电压信号Vsum也被输入到峰值保持电路50。因此，峰值保持电路50与钳位电路60在电压信号Vsum的每个周期中都生成钳位电压Vclamp，因此，能够得到追随电压信号Vsum的变动的钳位电压Vclamp。本实施方式的钳位电路60由于与第1实施方式的开关调节器同样地进行动作，因此，即使输出电压Vout大幅降低，误差放大器31输出的电压Verr也停留在与电压信号Vsum的振幅上限相差较小的电压差的电平处。因此，在输入电压Vin恢复到通常的电压时，由于电压Verr能够快速地与电压信号Vsum形成交点，因此，能够快速地恢复到通常的开关状态。并且，由于向输出端子提供过大的能量的时间变短，因此能够降低输出电压Vout的过冲。

Claims (3)

1.一种开关调节器控制电路，该开关调节器控制电路对与输出端子连接的输出晶体管进行控制而输出规定的电压，该开关调节器控制电路具有：三角波产生电路，其产生三角波；误差放大器，其对基于输出电压的电压与基准电压进行比较；以及比较器，其对基于所述三角波的信号与所述误差放大器的输出信号进行比较，其特征在于，
所述开关调节器控制电路具有：
峰值保持电路，其保持在基于所述三角波的信号的上限电压上加上偏移电压而得到的电压；以及
钳位电路，其根据所述峰值保持电路输出的电压而对所述误差放大器的将被输入到所述比较器的输出信号进行钳位，
所述峰值保持电路具有构成电压跟随电路的运算放大器、电容以及偏移电路，所述运算放大器的同相输入端子经由所述偏移电路与所述峰值保持电路的输入端子连接，所述运算放大器的反相输入端子与所述运算放大器的输出端子连接，所述运算放大器的输出端子经由所述峰值保持电路的输出端子和所述电容而与接地端子连接，由此，所述峰值保持电路输出的电压是使得所述三角波以所述偏移电压向高电位侧进行电平移位而得到的电压。
2.根据权利要求1所述的开关调节器控制电路，其特征在于，
基于所述三角波的信号是加上了基于流过所述输出晶体管的电流的电流信号成分的信号。
3.一种开关调节器，其特征在于，具有：
权利要求1或2所述的开关调节器控制电路；以及
输出电路，其包含与所述开关调节器控制电路的输出端子连接的输出晶体管。
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