TWI527346B - Exchange regulator control circuit and the use of its exchange regulator, electronic equipment - Google Patents

Exchange regulator control circuit and the use of its exchange regulator, electronic equipment Download PDF

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TWI527346B TW100145641A TW100145641A TWI527346B TW I527346 B TWI527346 B TW I527346B TW 100145641 A TW100145641 A TW 100145641A TW 100145641 A TW100145641 A TW 100145641A TW I527346 B TWI527346 B TW I527346B
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Description

交換調整器之控制電路及利用其之交換調整器、電子機器
本發明係關於一種交換調整器。
近年來，於行動電話、PDA(Personal Digital Assistants，個人數位助理)等電子機器中，搭載有需要較電池電壓高或低之電源電壓之裝置。為對此種裝置供給恰當之電源電壓，利用有升壓、降壓、或升降壓型之交換調整器(DC/DC轉換器)。
作為交換調整器之交換元件之控制方式，代替脈寬調變方式或脈衝頻率調變方式，開始使用滯後控制。圖1係表示滯後控制方式之降壓型交換調整器之構成之電路圖。交換調整器1004包含交換電晶體M1、M2(亦將M2稱為同步整流用電晶體)、電感器L1、輸出電容器C1及控制電路1100。
電阻R1、R2將輸出電壓VOUT分壓。經分壓之輸出電壓VOUT'被輸入至滯後比較器22之反轉輸入端子(-)。滯後比較器22將反轉輸入端子之電壓VFB與非反轉輸入端子之基準電壓VREF進行比較，生成表示比較結果之脈衝信號S1。驅動器20根據脈衝信號S1，將交換電晶體M1與同步整流用電晶體M2互補地進行交換。交換電晶體M1與同步整流用電晶體M2之連接點之交換電壓VLX經由包含反饋電阻RFB及反饋電容器CFB之反饋電路24，而向滯後比較器22之反轉輸入端子反饋。即，供給至滯後比較器22之反轉輸入端子之反饋電壓VFB成為於將輸出電壓VOUT分壓而成之直流成分VOUT'上重疊有交換電壓VLX之電壓。
圖2(a)~(c)係表示圖1之交換調整器1004之動作之波形圖。圖2(a)表示輸入電壓VIN為通常之位準時，圖2(b)表示輸入電壓VIN低於通常位準之減電壓狀態，圖2(c)表示輸入電壓VIN高於通常位準之過電壓狀態。
於交換電晶體M1與同步整流用電晶體M2之連接點產生之交換電壓VLX於輸入電壓VIN與接地電壓(0 V)之間浮動。即，交換電壓VLX之振幅根據輸入電壓VIN而改變。因此，重疊有交換電壓VLX之反饋電壓VFB之變動振幅根據輸入電壓VIN而改變。結果，根據輸入電壓VIN之位準，反饋電壓VFB與基準電壓VREF之位置關係發生變化，由於該變化，輸出電壓VOUT之位準偏移。即，滯後控制之開光調整器之電源電壓調整率較差。
本發明係鑒於上述課題而完成者，其某一態樣之例示性之目的之一在於改善滯後控制之交換調整器之電源電壓調整率。
本發明之某一態樣之控制電路係關於一種控制接收輸入電壓並生成輸出電壓之交換調整器之交換電晶體之控制電路。控制電路包含：第1、第2電阻，其將交換調整器之輸出電壓分壓；比較器，其第1極性之輸入端子被輸入藉由第1、第2電阻分壓之輸出電壓；驅動器，其根據比較器之輸出脈衝，控制交換電晶體；反饋電路，其根據輸出脈衝，將在輸入電壓與固定電壓之兩個電壓位準之間交換之交換信號重疊於比較器之第1極性之輸入端子；及誤差放大器，其將藉由第1、第2電阻分壓之輸出電壓與特定之第1基準電壓之誤差放大而生成第2基準電壓，並向比較器之第2極性之輸入端子輸出。
根據該態樣，除先前之滯後控制之反饋迴路以外，藉由設置以使交換調整器之輸出電壓與對應於第1基準電壓之位準一致之方式控制向比較器輸入之第2基準電壓之第2反饋迴路，可抑制由輸入電壓之變動引起之輸出電壓之變動。又，藉由設置第2反饋迴路，亦可改善由負載之變動引起之輸出電壓之變動。
本發明之另一態樣又係關於一種控制接收輸入電壓並生成輸出電壓之交換調整器之交換電晶體之控制電路。該控制電路包含：第1、第2電阻，其將交換調整器之輸出電壓分壓；比較器，其第1輸入端子被輸入藉由第1、第2電阻分壓之輸出電壓；電壓源，其生成隨著輸入電壓變高而變低之基準電壓，並施加於比較器之第2輸入端子；驅動器，其根據比較器之輸出脈衝，控制交換電晶體；及反饋電路，其根據輸出脈衝，將在輸入電壓與固定電壓之兩個電壓位準之間交換之交換信號向比較器之第1輸入端子反饋。
根據該態樣，藉由根據輸入電壓之前饋控制，調節向比較器輸入之基準電壓，藉此可抑制由輸入電壓變動引起之輸出電壓之變動。
本發明之進而另一態樣係一種交換調整器。該交換調整器包含上述任一態樣之控制電路。
本發明之進而另一態樣係一種電子機器。該電子機器包含上述交換調整器。
再者，以上之構成要素之任意組合、或者將本發明之構成要素或表現於方法、裝置、系統等之間相互調換之態樣亦作為本發明之態樣而有效。
根據本發明之某一態樣，可改善滯後控制之交換調整器之電源電壓調整率。
以下，一邊參照圖式一邊基於較佳之實施形態說明本發明。對於各圖式所示之同一或同等之構成要素、構件、處理，附上同一符號，並適當省略重複之說明。又，實施形態並不限定發明而為例示，實施形態中記述之所有特徵及其組合並不一定為發明之本質性者。
本說明書中，所謂「構件A與構件B連接之狀態」，除構件A與構件B物理性地直接連接之情形以外，亦包括構件A與構件B經由不影響電性連接狀態之其他構件而間接地連接之情形。
同樣，所謂「構件C設置於構件A與構件B之間之狀態」，除構件A與構件C、或者構件B與構件C直接連接之情形以外，亦包括經由不影響電性連接狀態之其他構件而間接地連接之情形。
(第1實施形態)
圖3係表示包含第1實施形態之交換調整器(電源裝置)4之電子機器之構成之電路圖。電子機器1為以例如行動電話終端、數位相機、數位攝像機、PDA(Personal Digital Assistants，個人數位助理)為首之電池驅動型之裝置。電子機器1包含交換調整器4、負載2。交換調整器4為降壓型交換調整器，自未圖示之電池或電源轉接器接收直流之輸入電壓VIN，生成將其降壓並穩定化之輸出電壓VOUT，而供給至負載2。負載2為以DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)、液晶驅動器、音頻電路為首之電子電路，但並無特別限定。
交換調整器4包含控制電路100、電感器L1、輸出電容器C1。雖表示交換電晶體M1及同步整流用電晶體M2內置於控制電路100中之情形，但亦可為該等設置於控制電路100之外部之離散元件。
包含交換電晶體M1、同步整流用電晶體M2、電感器L1、輸出電容器C1之輸出電路之拓撲與一般之同步整流型交換調整器相同。
控制電路100包含電源端子P1、接地端子P2、交換端子P3、反饋端子P4。對電源端子P1輸入有輸入電壓VIN，對接地端子P2供給有接地電壓VGND。交換端子P3為用以將交換電晶體M1與同步整流用電晶體M2之連接點LX之電壓VLX輸出至電感器L1之端子。對反饋端子P4反饋有輸出電壓VOUT。
控制電路100除包含交換電晶體M1、同步整流用電晶體M2以外，亦包含第1電阻R1、第2電阻R2、驅動器20、比較器22、反饋電路24、誤差放大器30。
第1電阻R1與第2電阻R2串列設置於反饋端子P4與接地端子之間，將輸出電壓VOUT分壓。電容器C2與第1電阻R1並列設置以進行相位補償。經分壓之輸出電壓VOUT'被輸入至比較器22之第1極性之輸入端子(-)。比較器22將第1極性之輸入端子(-，亦稱為反轉輸入端子)與第2極性之輸入端子(+，亦稱為非反轉輸入端子)之電壓位準進行比較，而生成表示比較結果之脈衝信號S1。
驅動器20根據來自比較器22之脈衝信號S1，使交換電晶體M1與同步整流用電晶體M2互補地導通、斷開。驅動器20之構成並無特別限定，只要使用公知之技術即可。
反饋電路24根據脈衝信號S1，生成具體而言為以與脈衝信號S1相反之邏輯進行交換之交換信號S2，並重疊於比較器22之反轉輸入端子(-)。交換信號S2於輸入電壓VIN與接地電壓VGND之兩個位準之間浮動。例如反饋電路24包含串列設置於交換端子P3與比較器22之反轉輸入端子(-)之間之電容器CFB及電阻RFB。輸入至比較器22之反轉輸入端子之反饋電壓VFB成為於將輸出電壓VOUT分壓而成之電壓VOUT'上重疊有交換信號S2之信號。
誤差放大器30將藉由第1電阻R1及第2電阻R2分壓之輸出電壓VOUT'與特定之第1基準電壓VREF1之誤差放大而生成第2基準電壓VREF2。於誤差放大器30之輸出端子連接有相位補償用之電容器C11及電阻R11。
反饋電壓VFB係於經分壓之輸出電壓VOUT'上重疊有交流之交換信號S2，因此若直接將其輸入至誤差放大器30之反轉輸入端子，則存在由於交換信號S2之影響使第2基準電壓VREF2發生振動而不理想之情形。因此，為自反饋電壓VFB中提取直流成分(經分壓之輸出電壓VOUT')，理想的是設置自反饋電壓VFB中提取經分壓之輸出電壓VOUT'之低通濾波器26。藉此，可防止第2基準電壓VREF2振動。
以上為第1實施形態之交換調整器4之構成。繼而，對其動作進行說明。圖4(a)~(c)係表示圖3之交換調整器4之動作之時序圖。圖4(a)表示輸入電壓VIN為通常之位準時，圖4(b)表示輸入電壓VIN低於通常位準之減電壓狀態，圖4(c)表示輸入電壓VIN高於通常位準之過電壓狀態。
交換調整器4與圖1之交換調整器1004同樣地，以使反饋電壓VFB接近於第2基準電壓VREF2(VREF)之方式實施第1反饋，使輸出電壓VOUT穩定化。而且，圖1之交換調整器1004中，基準電壓VREF被固定，與此相對，圖3之交換調整器4中，藉由誤差放大器30之第2反饋迴路，以使經分壓之輸出電壓VOUT'與第1基準電壓VREF1一致之方式調節基準電壓VREF2。
因此，即便於輸入電壓VIN發生變動之情形時，亦能夠以將其消除之方式調節第2基準電壓VREF2，而抑制輸出電壓VOUT之變動。即，可改善電源電壓調整率。
又，藉由第2反饋迴路，以經分壓之輸出電壓VOUT'與第1基準電壓VREF1一致之方式進行控制，因此即便於負載發生變動之情形時，亦可抑制輸出電壓VOUT之變動。即，亦可改善負載調整率。
圖5係表示圖3之交換調整器之變形例之電路圖。圖5之控制電路100a包含三輸入之比較器22a來代替圖3之雙輸入比較器。比較器22a包含兩個反轉輸入端子、及一個非反轉輸入端子。藉由第1電阻R1及第2電阻R2分壓之輸出電壓VOUT'被輸入至比較器22a之反轉輸入端子中之一者。又，反饋電路24a之輸出電壓S2被輸入至比較器22a之反轉輸入端子中之另一者。圖5之反饋電路24a為包含電阻RFB與電容器CFB之RC濾波器(resistance capacitance filter，阻容濾波器)。藉由誤差放大器30生成之第2基準電壓VREF2被輸入至比較器22a之非反轉輸入端子。
圖6係表示三輸入比較器22a之構成例之電路圖。比較器22a之第1輸入電晶體M11之控制端子(閘極)與反轉輸入端子中之一者連接。第2輸入電晶體M12之閘極與反轉輸入端子中之另一者連接。第3輸入電晶體M13之閘極與非反轉輸入端子連接。電晶體M14、M15構成電流鏡電路，且作為負載電路42而連接於電晶體M11~M13。亦可使用電阻負載來代替電流鏡電路。尾電流源40對電晶體M11~M13供給尾電流。輸出段44輸出對應於電晶體M11~M13與負載電路42之連接點N1(或N2)之電壓之信號S1。輸出段44之構成並無特別限定，只要使用公知之電路即可。
於比較器22a中，經分壓之輸出電壓VOUT'與交換信號S2藉由比較器22a之電晶體M11、M12而轉換為電流。繼而，藉由分別流經電晶體M11、M12之電流流經共同之電晶體M14，可於經分壓之輸出電壓VOUT'上重疊交換信號S2。
返回至圖5。該控制電路100a與圖3之控制電路100同樣地進行動作。因此，可改善電源電壓調整率及負載調整率。
(第2實施形態)
於第1實施形態中，藉由反饋調節比較器22之基準電壓VREF2。與此相對，於第2實施形態中，藉由前饋調節比較器22之基準電壓VREF2。圖7係表示第2實施形態之交換調整器4b之構成之電路圖。
電壓源50生成隨著輸入電壓VIN變高而變低之基準電壓VREF2，並施加於比較器22a之非反轉輸入端子。藉由此種前饋控制，亦可如圖4(a)~(c)所示般以反饋電壓VFB之中心位準成為固定之方式控制基準電壓VREF2。前饋之優點可列舉與反饋相比電路穩定性高，且容易設計。又，因無需誤差放大器，故亦有可減少電路之耗電之優點。
電壓源50包含基準電壓源52、第3電阻R3~第5電阻R5、可變電流源54。基準電壓源52生成穩定化之特定之第1基準電壓VREF1。第3電阻R3及第4電阻R4串列設置於第1基準電壓VREF1與接低電壓VGND之間。可變電流源54生成隨著輸入電壓VIN變高而變大之可變電流I1，並將該可變電流I1自第3電阻R3與第4電阻R4之連接點N3引出。
例如可變電流源54包含基準電阻RREF、電流鏡電路M21、M22。於基準電阻RREF之一端施加有輸入電壓VIN。於電流鏡電路M21、M22之輸入端子連接有基準電阻RREF之另一端，電流鏡電路M21、M22之輸出端子與第3電阻R3和第3電阻R4之連接點N3連接。該可變電流源54所生成之可變電流IIN以式(1)提供。
I1=VIN-Vth/RREF　...(1)
Vth為電晶體M21之閘極源極間電壓。
繼而，於連接點N3產生電壓VN3。
VN3=VREF1-R3×I1=VREF1-R3×(VIN-Vth/RREF)
電壓源50將電壓VN3藉由電阻R4、R5分壓而生成基準電壓VREF2。即，基準電壓VREF2以式(2)提供。
VREF2={VREF1-R3×(VIN-Vth/RREF)}×R5/(R4+R5)　...(2)
再者，電壓源50亦可將電壓VN3直接作為基準電壓VREF2加以輸出。此時，基準電壓VREF2以式(2')提供。
VREF2=VREF1-R3×(VIN-Vth/RREF)　...(2')
即，圖7之電壓源50生成與VREF1-R3×(VIN-Vth/RREF)成比例之基準電壓VREF2。若將其一般化，則獲得
VREF2=a×VIN+b　...(3)
a為負之常數，b為正之常數。藉由根據各電阻之值將參數a、b最佳化，可根據輸入電壓VIN提供最佳之基準電壓VREF2，且可將輸出電壓VOUT保持固定。即，可改善電源電壓調整率。
已基於實施形態並使用具體之語句說明了本發明，但實施形態僅表示本發明之原理、應用，實施形態中，於不脫離申請專利範圍所規定之本發明之思想之範圍內，認可多個變形例或配置之變更。
1．．．電子機器
2．．．負載
4．．．交換調整器
20．．．驅動器
22．．．比較器
24．．．反饋電路
26．．．低通濾波器
30．．．誤差放大器
50．．．電壓源
52．．．基準電壓源
54．．．可變電流源
100．．．控制電路
C1．．．輸出電容器
C2．．．電容器
C11．．．電容器
CFB．．．反饋電容器
L1．．．電感器
M1．．．交換電晶體
M2．．．同步整流用電晶體
P1．．．電源端子
P2．．．接地端子
P3．．．交換端子
P4．．．反饋端子
R1．．．第1電阻
R2．．．第2電阻
R11．．．電阻
RFB．．．反饋電阻
S1．．．脈衝信號
S2．．．交換信號
VFB．．．反饋電壓
VGND．．．接地電壓
VIN．．．輸入電壓
VLX．．．交換電壓
VOUT．．．輸出電壓
VREF1．．．第1基準電壓
VREF2．．．第2基準電壓
圖1係表示滯後控制方式之降壓型交換調整器之構成之電路圖。
圖2(a)~(c)係表示圖1之交換調整器之動作之波形圖。
圖3係表示包含第1實施形態之交換調整器之電子機器之構成之電路圖。
圖4(a)~(c)係表示圖3之交換調整器之動作之時序圖。
圖5係表示圖3之交換調整器之變形例之電路圖。
圖6係表示三輸入比較器之構成例之電路圖。
圖7係表示第2實施形態之交換調整器之構成之電路圖。
1．．．電子機器
2．．．負載
4．．．交換調整器
20．．．驅動器
22．．．比較器
24．．．反饋電路
26．．．低通濾波器
30．．．誤差放大器
100．．．控制電路
C1．．．輸出電容器
C2．．．電容器
C11．．．電容器
CFB．．．反饋電容器
L1．．．電感器
M1．．．交換電晶體
M2．．．同步整流用電晶體
P1．．．電源端子
P2．．．接地端子
P3．．．交換端子
P4．．．反饋端子
R1．．．第1電阻
R2．．．第2電阻
R11．．．電阻
RFB．．．反饋電阻
S1．．．脈衝信號
S2．．．交換信號
VFB．．．反饋電壓
VGND．．．接地電壓
VIN．．．輸入電壓
VLX．．．交換電壓
VOUT．．．輸出電壓
VREF1．．．第1基準電壓
VREF2．．．第2基準電壓

Claims (10)

  1. 一種控制電路，其特徵在於，其係控制接收輸入電壓並生成輸出電壓之交換調整器之交換電晶體者，且包含：第1、第2電阻，其將上述交換調整器之輸出電壓分壓；比較器，其第1極性之輸入端子被輸入藉由上述第1、第2電阻分壓之輸出電壓；驅動器，其根據上述比較器之輸出脈衝，控制上述交換電晶體；反饋電路，其根據上述輸出脈衝，將在上述輸入電壓與固定電壓之兩個電壓位準之間交換之交換信號輸出至上述比較器之上述第1極性之輸入端子；及誤差放大器，其將藉由上述第1、第2電阻分壓之上述輸出電壓與特定之第1基準電壓之誤差放大而生成第2基準電壓，並向上述比較器之第2極性之輸入端子輸出。
  2. 如請求項1之控制電路，其中更包含自上述比較器之上述第1極性之輸入端子之電壓中提取直流成分並輸出至上述誤差放大器之低通濾波器。
  3. 如請求項1之控制電路，其中上述比較器為包含兩個上述第1極性之輸入端子、與一個上述第2極性之輸入端子之三輸入比較器；藉由上述第1、第2電阻予以分壓之上述輸出電壓被輸入至上述第1極性之輸入端子中之一者，上述反饋電路之輸出電壓被輸入至上述第1極性之輸入端子中之另一者。
  4. 如請求項3之控制電路，其中上述三輸入比較器包含：第1輸入電晶體，其控制端子與上述第1極性之輸入端子中之一者連接；第2輸入電晶體，其控制端子與上述第1極性之輸入端子中之另一者連接；第3輸入電晶體，其控制端子連接於上述第2極性之輸入端子；負載電路，其連接於上述第1至第3輸入電晶體；及尾電流源，其向上述第1至第3輸入電晶體供給尾電流。
  5. 一種控制電路，其特徵在於，其係控制接收輸入電壓並生成輸出電壓之交換調整器之交換電晶體者，且包含：第1、第2電阻，其將上述交換調整器之輸出電壓分壓；比較器，其第1輸入端子被輸入藉由上述第1、第2電阻分壓之輸出電壓；電壓源，其生成隨著上述輸入電壓變高而變低之基準電壓，並施加於上述比較器之第2輸入端子；驅動器，其根據上述比較器之輸出脈衝，控制上述交換電晶體；及反饋電路，其根據上述輸出脈衝，將在上述輸入電壓與固定電壓之兩個電壓位準之間交換之交換信號向上述比較器之上述第1輸入端子反饋。
  6. 如請求項5之控制電路，其中上述電壓源將使用負之實數a與正之實數b並以VREF2=a×VIN+b給定之基準電壓(VREF2)施加於上述比較器。
  7. 如請求項5之控制電路，其中上述電壓源包含：基準電壓源，其生成穩定化之第1基準電壓；第3、第4電阻，其串列設置於上述第1基準電壓與接地端子之間；及可變電流源，其生成上述輸入電壓越高則越為變大之可變電流，並將其自上述第3電阻與上述第4電阻之連接點引出；將與於上述第3電阻及上述第4電阻產生之電壓對應之基準電壓輸出至上述比較器。
  8. 如請求項7之控制電路，其中上述可變電流源包含：基準電阻，其一端被施加上述輸入電壓；電流鏡電路，於其輸入端子連接上述基準電阻之另一端，其輸出端子與上述第3電阻和上述第4電阻之連接點連接。
  9. 一種交換調整器，其特徵在於包含如請求項1至8中任一項之控制電路。
  10. 一種電子機器，其特徵在於包含如請求項9之交換調整器。
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