CN1969446A - Dc－dc转换器以及电源装置 - Google Patents

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Abstract

开关控制用IC(11)具备由与其CT端子连接的电容器(Co)和与RT端子连接的电阻(Ro)决定的频率而生成三角波的电路。设置有从外部对该CT端子输入脉冲电压信号，即同步信号的同步信号输入电路(10)。通过该同步信号使CT端子的电容器(Co)的充电电压强制变化，使得三角波的频率与同步信号同步，由此，使多个DC－DC转换器频率同步。

Description

DC-DC转换器以及电源装置
技术领域
本发明涉及DC-DC转换器(converter)以及具备该转换器的电源装置。
背景技术
以往，例如在汇集了车辆导航***那样的多种功能的电子设备中存在着下述情况，即，具备例如DVD的电路、广播电视的电路、音响电路等多种电路，各个电路需要各自不同的电源电压。而且，该电源电压从较高的电压到较低的电压(例如9V、8V、7V、5V、3.3V、1.2V等)被划分为多级。
作为具备这种复合功能的电子设备所必要的电源装置，可考虑具备多个输出单一电源电压的DC-DC转换器电路的装置。
在这种具备多个DC-DC转换器的电源装置中，如果各DC-DC转换器电路的开关频率相互不同，则由于在噪声抑制等方面大多存在不良情况，所以，也进行使各DC-DC转换器电路的开关频率同步的处理(参照专利文献1)。
该专利文献1的电源装置，是在将确定振荡频率的电阻和电容器与开关控制用IC的外部连接的结构中，对与该开关控制用IC的电容器连接端子(CT端子)连接的电路进行研究，使振荡频率同步的装置。即，专利文献1是将两个开关控制用IC的电容器连接端子之间经由平衡用电容器而连接，通过该平衡用电容器的同步作用，使两个开关控制用IC的振荡频率同步的技术。
除此之外还存在着一种技术，即，如果是同样机种的IC之间，则可以在需要这种外部连接的电阻和电容器的控制用IC中，预先编写可以使其相互同步的功能。通常构成为，使成为主体(master)的开关控制用IC的振荡电路动作，使成为从属(slave)的开关控制用IC的振荡电路的动作停止，与从主体IC输出的信号同步，使从属IC进行开关动作。
可是，在需要遍及较高电压到较低电压所分支的电压输出的电源装置中，当是输出电压高的DC-DC转换器时，由于输入电压与输出电压之差小，所以，开关的占空(on duty)比变大，在续流二级管(flywheel diode)中电流流过的期间(开关元件的断开期间)缩短，续流二级管中的基于正向电压降低的损失小。与之相对，在是输出电压低的DC-DC转换器的情况下，续流二级管中电流流过的期间变长，由此，基于电压降低的损失成为问题。
因此，在输出电压低的DC-DC转换器中，有时采用替代了续流二级管而使用导通电阻小的开关元件(FET)的同步整流电路。不过，与必须对成为主体的开关元件和同步整流用的开关元件一同进行控制的同步整流电路对应的控制用IC，在其内部具有VCO(电压控制振荡器)，通过对该VCO施加控制电压来控制开关频率，而不是通过将电阻和电容器与外部连接来确定振荡频率。
在采用如此内置了VCO的开关控制用IC的DC-DC转换器，和采用了将电阻和电容器与外部连接的开关控制用IC的DC-DC转换器混合的状况下，无法采用专利文献1所公开的现有方法。
专利文献1：实用新型登录第2583479号公报
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于解决上述的问题，提供一种多个DC-DC转换器可以频率同步的DC-DC转换器以及电源装置。
为了解决上述课题，本发明的DC-DC转换器以及电源装置构成如下。
(1)具备：三角波生成电路，其通过对电容器进行充放电并根据其充电电压切换充放电来形成三角波；和PWM控制电路，其通过基于所述三角波对开关元件的占空比进行控制来控制输出，在该DC-DC转换器中，通过对所述电容器施加由脉冲电压信号构成的同步信号来强制控制该电容器的电荷，使所述三角波与所述脉冲电压信号同步。
(2)通过将所述电容器的电荷迅速充电至从充电向放电的切换电平，来进行所述强制控制。
(3)所述三角波生成电路，成为通过电阻电路的阻抗来决定对所述电容器的充放电电流值的电路。
(4)设置有通过频率切换信号来切换所述电阻电路的阻抗的开关。
(5)在所述同步信号向所述电容器的输入部处，设置有基于控制信号而导通/截止的分流用开关。
(6)将所述DC-DC转换器作为从属DC-DC转换器，从一个成为主体的DC-DC转换器向一个以上成为所述从属的DC-DC转换器供给同步信号。
(7)所述成为主体的DC-DC转换器内置有振荡器，将该振荡器的振荡信号或与该振荡信号同步的信号作为所述同步信号输出。
(8)所述成为主体的DC-DC转换器从外部输入外部振荡信号，并将与该外部振荡信号同步的信号作为所述同步信号而输出。
(9)设置多个所述DC-DC转换器，从外部向各个DC-DC转换器输入公共的所述同步信号。
发明效果
(1)通过对基于充放电而变化的电容器的电压作为三角波被输出的电路的该电容器施加脉冲电压信号，来强制控制电容器的电荷，可以使三角波与所述脉冲电压信号同步，由此，能够由同一开关频率开关控制多个DC-DC转换器。
(2)通过利用同步信号将电容器的电荷迅速地充电至从充电向放电的切换电平，能够容易且可靠地进行三角波与同步信号的频率同步。
(3)通过将三角波生成电路构成为基于电阻电路的阻抗来决定对电容器的充放电电流值的电路，可容易地构成频率可变的三角波生成电路。
(4)通过设置开关，来基于频率切换信号切换三角波生成电路的用于决定对电容器充放电电流值的电阻电路的阻抗，可以拓宽能够频率同步的频率范围。
(5)由于在所述同步信号向所述电容器输入的输入部处设置的分流用开关处于导通状态时，不会受到脉冲电压信号的状态的影响，所以，根据需要，三角波生成电路可以单独地进行自激振荡动作，由此，也可以防止对电容器连接端子施加过电压。
(6)通过将从属的DC-DC转换器的构成作为所述能够频率同步的DC-DC转换器，并从一个成为主体的DC-DC转换器向所述从属的DC-DC转换器供给同步信号，由此，可以取得多个DC-DC转换器的开关频率的同步。
(7)所述成为主体的DC-DC转换器内置有振荡器，通过将输出电压低且具备同步整流电路的DC-DC转换器作为主体，将其它的通过对电容器的充放电来生成三角波的DC-DC转换器作为从属DC-DC转换器，可以构成从比较高的电压到较低的电压能够进行多级输出的电源装置。
(8)通过所述成为主体的DC-DC转换器从外部输入外部振荡信号，将与该外部振荡信号同步的信号作为所述同步信号而输出，可以取得多个DC-DC转换器的开关频率的同步。
(9)通过设置多个所述DC-DC转换器，并从外部向各个DC-DC转换器输入公共的所述同步信号，可以取得多个DC-DC转换器的开关频率的同步。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的DC-DC转换器整体的构成的框图。
图2是表示该DC-DC转换器的同步信号输入电路的构成的电路图。
图3是表示控制用IC的三角波产生电路部分的构成的电路图。
图4是表示同步信号与三角波的关系的波形图。
图5是表示同步信号与三角波的关系的波形图。
图6是表示三角波与开关波形的关系的图。
图7是表示三角波与开关波形的关系的图。
图8是表示三角波与开关波形的关系的图。
图9是表示第二实施方式所涉及的DC-DC转换器中的同步信号输入电路的构成的电路图。
图10是表示第三实施方式所涉及的DC-DC转换器中的同步信号输入电路的构成的电路图。
图11是表示第三实施方式所涉及的其他DC-DC转换器中的同步信号输入电路的构成的电路图。
图12是表示三角波与开关波形的关系的图。
图13是表示第四实施方式所涉及的DC-DC转换器中的同步信号输入电路的构成的电路图。
图14是表示第五实施方式所涉及的电源装置的构成的框图。
图15是表示第六实施方式所涉及的电源装置的构成的框图。
图16是表示第七实施方式所涉及的电源装置的构成的框图。
图中：10-同步信号输入电路，11-开关控制用IC，100-DC-DC转换器，101、102-主体DC-DC转换器，100a～100c-从属DC-DC转换器，200、201、202-电源装置。
具体实施方式
参照图1～图8，对第一实施方式所涉及的DC-DC转换器进行说明。
图1是表示DC-DC转换器整体的构成的框图。该DC-DC转换器100包括：开关控制输入电力的开关电路12、对其输出进行整流平滑的整流平滑电路13、对开关电路12驱动其电路内的开关元件的开关控制用IC(下面称作“控制用IC”)11、以及对控制用IC11输入同步信号的同步信号输入电路10。控制用IC11的CT端子与电容器Co连接，RT端子与电阻Ro连接。同步信号输入电路10输入作为脉冲电压信号的同步信号，直接控制与控制用IC11的CT端子连接的电容器Co的电压，使在控制用IC11的内部产生的三角波的频率与同步信号同步。而且，该控制用IC11具备通过根据三角波控制开关元件的占空比来控制输出的PWM控制电路，其按照根据负载对所述开关元件进行PWM控制，来输出一定电压的方式进行控制。
图2是表示图1所示的同步信号输入电路10的构成的电路图。这里，由电容器C1和电阻R2构成CR微分电路。将该微分电路的输出电压经由电阻R1以及二级管D1向控制用IC11的CT端子施加。二级管D1沿着充电电流向与控制用IC11的CT端子连接的电容器Co流动的方向***。因此，电容器Co的放电电流不会向同步信号输入电路10侧流出。
在构成所述微分电路的电容器C1和电阻R2的连接点，与基准电压电源Vref之间设置有钳位用的二级管D2，在所述连接点与接地之间设置有钳位用的二级管D3。因此，与从外部输入的同步信号的电压无关，不会对控制用IC11的CT端子施加比Vref高的电压，而且，也不会施加比接地电位低的电压。并且，通过由电容器C1和电阻R2决定的时间常数，电压的变化量被恰当地设定。由此，防止了控制用IC11内部的破坏。
图3是图1以及图2所示的控制用IC11的内部的特别生成三角波的部分的电路图。该电路的动作如下。
(1)将流过晶体管Tr1的电流设定为ICT。该电流ICT由电阻Ro决定。流过晶体管Tr3的电流设定为2×ICT。由于起动时触发电路FF的Q输出输出“L”电平，所以，Tr2是截止状态，由电流ICT对电容Co充电。因此，此时的充电时间由电阻Ro和电容器Co决定。
(2)如果电容器Co的电压达到高电压侧的阈值VH，则比较电路H的输出反相，触发电路FF被置位(set)，通过Q输出，Tr2导通。由于在该状态下设定为2×ICT的充电电流，所以，流过电容器Co的电流变为ICT-2×ICT＝-ICT，电容器Co通过电流ICT被放电。因此，此时的放电时间由电阻Ro和电容器Co决定。
(3)如果CT端子的电压降低至低电压侧的阈值VL，则比较电路L的输出反相，触发电路FF被复位，通过Q输出使得Tr2截止，因此，电容器Co被再次充电。
(4)反复执行上述(2)、(3)，以VL～VH的振幅生成对称三角波。
图4是表示图2所示的电路各部的波形的图。以同步信号未被输入的状态，如(A)所示，将所述两个阈值电压VH设为上限，将VL设为下限的三角波被输出到CT端子。
图4(B)表示输入了频率比原本的三角波的频率高(短的周期)的同步信号时的三角波的变化。在同步信号的上升中，通过图2所示的电容器C1以及电阻R2构成的微分电路的作用，电容器Co被施加充电电压，电荷急速蓄积于电容器Co，使得CT端子的电位急剧上升。在到达了超过此时的上限阈值VH的电位VH+α时，图3所示的比较电路H的输出反相，CT端子的电压下降。该+α的电压差起因于比较电路H的响应延迟。由于电容器Co的放电电流值恒定，所以，下降的倾斜度与原本的三角波的下降倾斜度相同。
图4(C)是将同步信号的频率设定得更高的情况的例子。同步信号的频率变得越高，在原来的三角波上升过程的早期阶段，电荷越会急剧地蓄积于电容器Co(由于预先蓄积于电容器Co的电荷少)，因此，图3所示的比较电路H的响应延迟的影响减少，所述+α的电位差也变小。结果，成为图4(C)所示的三角波。
图5是反过来输入频率比原来的三角波的频率低的(周期长的)同步信号时的例子。同步信号的频率越降低，在原来的三角波上升过程中的峰值附近，电容器Co的电位越急速上升(由于预先蓄积于电容器Co的电荷多)，因此，所述+α的电位差变大，相应地，三角波的下降过程变长。结果，成为图5所示的三角波，输出与同步信号同步的三角波。
图6～图8是表示三角波与开关波形的关系的图。图6是没有输入同步信号的情况下的三角波与开关波形，开关波形与三角波成为相同的频率(f＝375kHz)。
图7相当于产生图4(C)所示的三角波的情况，同步信号的频率是625kHz，开关波形与三角波形一同成为625kHz。
图8相当于产生图5所示的三角波的情况，同步信号的频率是274kHz，开关波形与三角波一同成为274kHz。
这样，通过强制控制电容器Co的电荷，可以使开关频率与同步信号同步。
另外，虽然频率与同步信号同步，但是，开关波形的占空比通过与DC-DC转换器的负载对应的PWM控制而变化。
接着，参照图9对第二实施方式所涉及的DC-DC转换器进行说明。
图9是与第一实施方式中的图2所示的情况对应的图，表示了同步信号输入电路10的构成。与图2所示的构成不同，在二级管D1的阳极侧与接地之间，设置有通过导通/截止信号控制的分流(shunt)用的开关SW1。该开关SW1由场效应晶体管(bipolar transistor)或FET等构成。
如果通过导通/截止信号使得该开关SW1成为导通状态，则即使被输入同步信号，由于该信号也会在二级管D1的阳极侧被分流，所以，充电电压不会被施加于电容器Co。因此，同步/非同步的切换能够通过该开关SW1的控制而实现。例如，如果在具备多个DC-DC转换器的电源装置的各DC-DC转换器中应用了该图9所示的电路，则在主体DC-DC转换器起动之前，通过自激振荡动作进行开关控制而不受同步信号输入的影响，在主体DC-DC转换器起动之后，使开关SW1处于断开状态。由此，此后能够与主体DC-DC转换器同步地进行开关控制。
另外，如果在控制用IC11动作停止的状态(不被供给电源的状态)下，如果使开关SW1处于导通状态，则即使输入同步信号，控制用IC11也不会受到其影响，因此，不会发生误动作。
接着，参照图10～图12对第三实施方式所涉及的DC-DC转换器进行说明。
图10是表示同步信号输入电路的构成的图。与图2所示的电路不同，在控制用IC11的RT端子处，隔着电阻R3设置有开关电路SW2。而且，该开关电路SW2由从电容器C1和电阻R2的连接点经由电容器C2和电阻R4而取出的信号控制。
另外，在图11所示的例子中，由从同步信号输入端子经由电容器C2以及电阻R4而取出的信号控制开关电路SW2。
在图10和图11所示的构成中，如果开关电路SW2处于导通状态，则由于电阻Ro和R3的并联电路与控制用IC11的RT端子连接，所以，针对电容器Co的充放电电流值变大。如果针对开关电路SW2的控制电压为“H”电平时成为导通状态，为“L”电平时成为断开状态，则如图12(B)所示，上升至VH+α后的下降会急速进行，能够拓宽频率变高方向的频率可变量。
如果如图12(A)所示缩短同步信号的脉冲宽度，则由于不会对电容器Co的放电造成影响，所以，如图12(A)所示(与第一、第二实施方式同样地)，也能够实现频率变低方向的同步。
接着，参照图13对第四实施方式所涉及的DC-DC转换器进行说明。
图13是表示同步信号输入电路的构成的图。与图11所示的电路不同，在控制用IC11的RT端子处隔着电阻R3设置有开关电路SW2，并构成为通过频率切换信号控制该开关电路SW2。
这样，通过利用频率切换信号控制开关电路SW2，可以切换电容器Co的充放电电流值。由于在开关电路SW2的导通状态下，与控制用IC11的RT端子连接的电阻电路的阻抗降低，所以，针对电容器Co的充放电电流值增大，可以拓宽频率变高方向的频率可变量。相反，如果开关电路SW2处于断开状态，则可以拓宽频率变低方向的频率可变量。
另外，在上述的各实施方式中，通过控制电容器Co的充电实现了同步，但反过来通过控制电容器Co的放电也可以实现同步。
接着，参照图14对第五实施方式所涉及的电源装置进行说明。
如图14所示，电源装置200由一个成为主体的DC-DC转换器101和多个从属DC-DC转换器100a、100b、…100c构成。这些DC-DC转换器分别输入直流电力，输出规定的直流定电压。由于主体DC-DC转换器101其输出电压相对低，在采用了续流二级管的构成中，当开关元件的截止期间基于在续流二级管中产生的正向电压降而引起的损失大，所以，构成采用了FET的同步整流电路。在该同步整流电路的控制用IC的内部具备VCO，通过对该VCO施加控制电压，能够控制开关频率。从该控制用IC输出同步信号，如图14所示，对多个从属DC-DC转换器100a、100d、…100c赋予同步信号。这些从属DC-DC转换器100a、100d、…100c的构成是第一～第四实施方式所示的结构。与主体DC-DC转换器101相比，这些从属DC-DC转换器100a、100d、…100c输出电压高，具备不采用同步整流电路而采用续流二级管，将决定三角波频率的电阻和电容器与外部连接的控制用IC。
这样，构成了遍布从低电压到高电压广阔的电压范围，得到多种输出的电源装置。
接着，参照图15对第六实施方式所涉及的电源装置进行说明。
如图15所示，电源装置201由一个成为主体的DC-DC转换器102和多个从属DC-DC转换器100a、100b、…100c构成。这些DC-DC转换器分别输入直流电力，输出规定的直流定电压。
主体DC-DC转换器102从外部输入外部振荡信号，利用该外部振荡信号对开关信号进行开关控制。而且，向外部输出与该开关同步的信号，如图15所示，对多个从属DC-DC转换器100a、100b、…100c赋予同步信号。这些从属DC-DC转换器100a、100b、…100c的构成是第一～第四
实施方式所示的结构。
这样，构成了能够得到规定电压的多个输出的电源装置。
下面，参照图16对第七实施方式的电源装置进行说明。
如图16所示，该电源装置202具备多个DC-DC转换器100a、100b、…100c，构成为一个单元。这些DC-DC转换器不具有主从关系，分别输入直流电力，输出规定的直流定电压。
各DC-DC转换器100a、100b、…100c从外部输入公共的同步信号。这些DC-DC转换器100a、100d、…100c的构成是第一～第四实施方式所示的结构。
这样，构成了能够得到规定电压的多个输出的电源装置。

Claims (9)

1、一种DC-DC转换器，具备：三角波生成电路，其通过对电容器进行充放电并根据其充电电压切换充放电来形成三角波；和PWM控制电路，其通过基于所述三角波对开关元件的占空比进行控制来控制输出，
所述DC-DC转换器设置有通过对所述电容器施加由脉冲电压信号构成的同步信号来强制控制该电容器的电荷，使所述三角波与所述脉冲电压信号同步的机构。
2、根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述强制控制是将所述电容器的电荷迅速充电至从充电向放电的切换电平的控制。
3、根据权利要求1或2所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述三角波生成电路，成为通过电阻电路的阻抗来决定对所述电容器的充放电电流值的电路。
4、根据权利要求3所述的DC-DC转换器，其特征在于，
设置有通过频率切换信号来切换所述电阻电路的阻抗的开关。
5、根据权利要求1～4中任意一项所述的DC-DC转换器，其特征在于，
在所述同步信号向所述电容器的输入部处，设置有基于控制信号而导通/截止的分流用开关。
6、一种电源装置，将权利要求1～5中任意一项所述的DC-DC转换器作为从属DC-DC转换器，并设置有从一个成为主体的DC-DC转换器向一个以上成为所述从属的DC-DC转换器供给所述同步信号的机构。
7、根据权利要求6所述的电源装置，其特征在于，
所述成为主体的DC-DC转换器内置有振荡器，并设置有将该振荡器的振荡信号或与该振荡信号同步的信号作为所述同步信号输出的机构。
8、根据权利要求6所述的电源装置，其特征在于，
所述成为主体的DC-DC转换器设置有从外部输入外部振荡信号，并将与该外部振荡信号同步的信号作为所述同步信号输出的机构。
9、一种电源装置，设置了多个权利要求1～5中任意一项所述的DC-DC转换器，并设置有从外部向各个DC-DC转换器输入公共的所述同步信号的机构。
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