電流模式控制型開關穩壓器及其動作控制方法

專利名稱：電流模式控制型開關穩壓器及其動作控制方法
技術領域：
本發明涉及在寬的輸入輸出電壓范圍動作的電流模式控制型開關穩壓器(switching regulator)及其動作控制方法。
技術背景以往,開關穩壓器一般采用電壓模式控制方式。在電壓模式控制方式的 開關穩壓器中，根據輸出電壓和基準電壓的電壓差，對開關元件實行PWM控制， 使得輸出電壓穩定化。但是，電壓模式控制方式的開關穩壓器從輸出電壓檢 測反饋信號，對輸出電壓變化的響應速度慢，存在用于放大輸出電壓和基準 電壓的電壓差的誤差放大電路的位相補償變得復雜等問題。于是，作為克服上述缺陷的技術，近年，大多使用電流模式控制方式的開 關穩壓器。但是,在電流模式控制方式的開關穩壓器中，若P麗控制的通態占 空因數(on duty cucle)超過50y。，則會發生分諧波振動，不能控制，這為人們 所公知。作為其對策，通常對P麗控制實行斜坡(slope)補償，防止發生分諧波 振動。圖7表示設有這樣的斜坡補償電路的電流模式控制型的開關穩壓器一例， 在圖7中，以降壓型的開關穩壓器為例。在圖7中，開關晶體管105接通，向電感器104，平滑用電容器102及負載 101供給電力，若開關晶體管105截止，蓄積在電感器104及平滑用電容器102 中的能量供給負載IOI。電流-電壓變換電路106包括阻抗Rsense，通過該阻抗 Rsense將流過電感器104的電流iL變換成電壓，輸出變換電壓Vsense(二 RsenseX iU 。振蕩電路110分別生成所定的基準時鐘信號CLK以及所定的鋸齒狀波電 壓Vramp輸出。加法器108將鋸齒狀波電壓Vramp加在變換電壓Vsense上，實行 斜率補償，作為斜坡電壓Vs輸出到P麗比較器107的非反轉輸入端。對輸出電
壓Vout進行分壓，得到分壓電壓Vfb，誤差放大電路115放大分壓電壓Vfb和所 定的基準電壓Vref的電壓差，生成誤差電壓Ve，將該誤差電壓Ve輸出到P麗比 較器117的反轉輸入端。P麗比較器117對誤差電壓Ve和斜坡電壓Vs實行電壓 比較，若誤差電壓Ve超過斜坡電壓Vs,貝UP麗比較器117使得RS閂鎖電路112復 位，截止開關晶體管105。因此，電感器電流iL的峰值電流值成為與誤差電壓 Ve相對應的值。分壓電壓Vfb比基準電壓Vref大場合，通過使得誤差電壓Ve低下，使得輸 出電壓Vout低下，分壓電壓Vfb比基準電壓Vref小場合，通過使得誤差電壓Ve 上升，使得輸出電壓Vout上升，調節輸出電壓Vout。為了防止上述那樣的分諧波振動，需要進行斜率補償，使得斜坡電壓Vs 的斜率成為開關晶體管105截止時的電感器電流iL的斜率的l/2以上。具體地說，圖7場合，若將電感器104的電感設為L，開關晶體管105接通場 合，電感器電流iL的斜率diL/dt成為下式(a)，開關晶體管105截止場合，電感 器電流iL的斜率diL/dt成為下式(b):diL/dt = (Vin—Vout) /L (a)diL/dt = —Vout)/L (b)若將鋸齒狀波電壓Vra即的傾斜設為斜率補償lramp，此時的斜率補償 lramp成為下式(c):lramp>Vout/2/LXRsense (c)在升壓型開關穩壓器中，上述(a)式成為下式(d)，上述(b)式成為下式 (e)，上述(c)式成為下式(f): diL/dt=Vin/L (d) diL/dt = —(Vout—Vin)/L (e) lramp〉(Vout—Vin)/L/2XRsense (f)這樣，對于斜率補償lramp可以使用輸出電壓Vout及輸入電壓Vin這樣變 量表示，輸入電壓Vin及輸出電壓Vout為一定值場合，沒有問題。但是，輸入電 壓Vin及輸出電壓Vout—般在廣范圍變化，因此，當將斜率補償lra即設為固 定值場合，斜率補償lramp需要設定為預計輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的變 化范圍內的最大值。但是，若過度地實行斜率補償,則雖然能防止發生分諧波
那樣的振動，但沒有電流反饋效果,成為電壓模式控制方式那樣的動作，存在 控制性惡化的問題。因此，通過決定與輸入輸出電壓相對應的斜率控制量，在 寬的輸入輸出電壓范圍內，能實行合適的斜率補償(例如參照專利文獻l)。專利文獻l:特開2006-33958號公報但是，這種場合，根據輸入電壓和輸出電壓使得斜率補償量變化，因此， 存在電路復雜問題。又,在開關穩壓器的常用IC中，用于對輸出電壓分壓生成 分壓電壓的電阻大多添附在外，大多不能監視輸出電壓，因此，存在不能實行 與輸出電壓相對應的斜率補償問題。發明內容本發明就是為解決上述先有技術所存在的問題而提出來的,本發明的目 的在于，提供電流模式控制型開關穩壓器及其動作控制方法，在降壓型的開 關穩壓器中，僅僅根據輸入電壓，在升壓型的開關穩壓器中，僅僅根據輸出電 壓，使得斜坡電壓的傾斜度變化，能防止發生分諧波那樣的振動。為了實現上述目的，本發明提出以下方案(1) 一種電流模式控制型開關穩壓器，將輸入電壓輸入到輸入端子，降 壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，其包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；' 誤差放大電路部，以所定比率對上述輸出電壓進行分壓，得到分壓電壓，所述誤差放大電路部放大所述分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差；斜坡電壓生成電路部，生成與所述輸入電壓對應的傾斜的斜坡電壓輸出；開關控制電路部，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電 壓進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號，根據該脈沖信號 實行所述開關元件的開關控制。(2) 在上述(l)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于上述斜坡電壓生成電路部生成上述輸入電壓越大上述傾斜越大的斜坡
電壓，使得成為上述開關元件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流 變化量的l/2以上的傾斜度。(3) 在上述(2)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于上述斜坡電壓生成電路部包括電容器， 一端與上述輸入電壓連接； 電阻， 一端與該電容器的另一端連接；電流源，連接到所述電阻的另一端與接地電壓之間，流過與上述輸入電 壓相對應的電流；電壓供給電路，上述開關元件接通成為導通狀態后所定時間，對上述電 容器的另一端施加上述開關元件的輸出端的電壓；放電電路,上述開關元件截止成為斷開狀態，使得充電到上述電容器中 的電荷放電；從上述電阻和上述電流源的連接部，輸出上述斜坡電壓。(4) 在上述(3)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述開關控制電路部包括電壓比較電路，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電壓 進行比較,生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號輸出；振蕩電路，生成所定的脈沖寬度的時鐘信號輸出；控制電路，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，用于使得所述開關元件接通， 同時，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，用于使得所述開關元件截止， 根據所述時鐘信號及脈沖信號，實行所述開關元件的開關控制；上述電壓供給電路根據來自振蕩電路的時鐘信號，對所述電容器的另一 端施加上述開關元件的輸出端的電壓。(5) 在上述(4)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述控制電路由RS觸發電路構成，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，作為置位信號，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，作為復位信號。(6) —種電流模式控制型開關穩壓器，將輸入電壓輸入到輸入端子，升 壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，其包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；
電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；
整流元件，實行該電感器的放電；
誤差放大電路部，以所定比率對上述輸出電壓進行分壓，得到分壓電壓， 所述誤差放大電路部放大所述分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差；
斜坡電壓生成電路部，生成與所述輸出電壓對應的傾斜的斜坡電壓輸出；
開關控制電路部，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電 壓進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號，根據該脈沖信號 實行所述開關元件的開關控制。
(7) 在上述(6)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部生成上述輸出電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓，使得成為上述開關元件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流 變化量的l/2以上的傾斜度。
(8) 在上述(7)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部包括
電容器， 一端與接地電壓連接； 電阻， 一端與該電容器的另一端連接；
電流源，連接到所述輸入電壓與該電阻的另一端之間，流過與上述輸出 電壓相對應的電流；
電壓供給電路，上述開關元件接通成為導通狀態后所定時間，對上述電 容器施加上述電感器和上述開關元件的連接部的電壓；
放電電路，上述開關元件截止成為斷開狀態，使得充電到上述電容器中 的電荷放電；
從上述電流源和上述電阻的連接部，輸出上述斜坡電壓。
(9) 在上述(8)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述開關控制電路部包括電壓比較電路,對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電壓 進行比較,生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號輸出； 振蕩電路,生成所定的脈沖寬度的時鐘信號輸出；
控制電路，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，用于使得所述開關元件接通, 同時，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，用于使得所述開關元件截止， 根據所述時鐘信號及脈沖信號,實行所述開關元件的開關控制；上述電壓供給電路根據來自振蕩電路的時鐘信號，對所述電容器施加上 述電感器和上述開關元件的連接部的電壓。(10) 在上述(9)的電流模式控制型開關穩壓器中，其特征在于 上述控制電路由RS觸發電路構成，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，作為置位信號，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號,作為復位信號。(11) 在上述(1)-(io)中任一個所述的電流模式控制型開關穩壓器中， 其特征在于上述誤差放大電路部，斜坡電壓生成電路部，及開關控制電路部，集成在一IC中。(12) —種電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，將輸入電壓輸入到輸入端子，降壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，使得從 輸出端子輸出的輸出電壓成為所定的定電壓，該電流模式控制型開關穩壓器包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；脈沖信號用于實行上述開關元件的開關控制，使得用于生成所述脈沖信 號的斜坡電壓的傾斜度根據上述輸入電壓可變。(13) 在上述(12)的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法中，其 特征在于以所定比率對上述輸出端子的電壓進行分壓；放大所述被分壓的分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差；生成與所述輸入電壓對應的傾斜的斜坡電壓；對上述放大得到的電壓和所述斜坡電壓進行比較，生成根據該比較結果 的占空因子的脈沖信號；根據該脈沖信號實行所述開關元件的開關控制。(14) 在上述(12)或(13)的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法中，其特征在于生成上述輸入電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓，使得成為上述開關元件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流變化量的l/2以上的傾斜 度。(15) —種電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，將輸入電壓輸 入到輸入端子，升壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，對所述 開關元件實行開關控制，使得從輸出端子輸出的輸出電壓成為所定的定電壓， 該電流模式控制型開關穩壓器包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；脈沖信號用于實行上述開關元件的開關控制，使得用于生成所述脈沖信 號的斜坡電壓的傾斜度根據上述輸出電壓可變。(16) 在上述(15)的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法中，其 特征在于以所定比率對上述輸出端子的電壓進行分壓；放大所述被分壓的分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差； 生成與所述輸出電壓對應的傾斜的斜坡電壓；對上述放大得到的電壓和所述斜坡電壓進行比較，生成根據該比較結果 的占空因子的脈沖信號；根據該脈沖信號實行所述開關元件的開關控制。(17) 在上述(15)或(16)的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法 中，其特征在于生成上述輸出電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓，使得成為上述開關元 件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流變化量的l/2以上的傾斜度。按照本發明的電流模式控制型開關穩壓器及其動作控制方法，脈沖信號 用于實行上述開關元件的開關控制，使得用于生成所述脈沖信號的斜坡電壓
的傾斜度，在降壓型場合根據上述輸入電壓可變，在升壓型場合根據上述輸 出電壓可變。以簡單電路，即使寬的輸入輸出電壓范圍，也能合適地實行斜率 補償，能防止發生分諧波那樣的振動。


圖l表示本發明第一實施形態的電流模式控制型開關穩壓器的電路例。圖2表示圖1的各部分的波形例的時間圖。圖3表示圖1的電壓-電流變換電路12的電路例。圖4表示本發明第二實施形態的電流模式控制型開關穩壓器的電路例。 圖5表示圖4的各部分的波形例的時間圖。 圖6表示圖4的電壓-電流變換電路52的電路例。 圖7表示以往的電流模式控制型開關穩壓器的電路例。
具體實施方式
下面參照附圖，詳細說明本發明。 第一實施形態圖l表示本發明第一實施形態的電流模式控制型開關穩壓器的電路例。 圖l的電流模式控制型開關穩壓器(以下簡記為"開關穩壓器")l構成降 壓型開關穩壓器，從直流電源20輸入電壓Vin輸入到輸入端子IN，將該輸入電 壓Vin降壓到所定的定電壓，作為輸出電壓Vout從輸出端子0UT向負載21輸 出。開關穩壓器1包括由PM0S型晶體管構成的開關晶體管M1，整流用二極管 Dl，電感器L1，平滑用電容器C1，輸出電壓檢測用電阻2， 3。所述開關晶體管 M1對來自輸入端子IN的電流進行輸出控制，所述電阻2， 3對從輸出端子0UT輸 出的電壓Vout進行分壓，生成分壓電壓Vfb輸出。開關穩壓器1還包括基準電壓產生電路4，誤差放大電路5，斜坡電壓生成 電路6。上述基準電壓產生電路4生成所定基準電壓Vref輸出，上述誤差放大 電路5對上述分壓電壓Vfb和基準電壓Vref進行電壓比較，放大兩者電壓差， 生成誤差電壓Ve輸出，上述斜坡電壓生成電路6生成斜坡電壓Vs輸出。
開關穩壓器1設有P麗比較器7，振蕩電路8， RS觸發電路9，變換器IO。所述 PWM比較器7對來自誤差放大電路5的誤差電壓Ve和斜坡電壓Vs進行電壓比較， 生成具有與誤差電壓Ve相對應的脈沖寬度、用于實行P麗控制的脈沖信號Spw 輸出，所述振蕩電路8生成所定的時鐘信號CLK輸出，來自振蕩電路8的時鐘信 號CLK輸入RS觸發電路9的固定輸入端S，來自P麗比較器7的脈沖信號Spw輸入 RS觸發電路9的復位輸入端R，所述變換器10根據來自RS觸發電路9的輸出信 號Sq，生成用于實行開關晶體管M1的開關控制的控制信號，驅動開關晶體管 Ml。另一方面，斜坡電壓生成電路6由變換器11，電壓-電流變換電路12，電阻 13，PM0S型晶體管14， 15以及電容器16構成。開關晶體管M1構成開關元件，二 極管D1構成整流元件，電阻2， 3，基準電壓產生電路4及誤差放大電路5構成 誤差放大電路部。斜坡電壓生成電路6構成斜坡電壓生成電路部，P麗比較器 7，振蕩電路8， RS觸發電路9及變換器10構成開關控制電路部。P麗比較器7構 成電壓比較電路，RS觸發電路9構成控制電路，電壓-電流變換電路12構成電 流源，PM0S型晶體管14構成電壓供給電路，PM0S型晶體管15構成放電電路。在 圖l的開關穩壓器l中，除電感器L1， 二極管D1，電容器C1及電阻2， 3的各電路 集成在一IC上。開關晶體管Ml連接在輸入電壓Vin和二極管Dl的陰極之間，二極管D1的 陽極與接地電壓連接。電感器L1連接在開關晶體管M1的漏極和輸出端子0UT 之間，電阻2， 3的串聯電路及電容器C1并聯連接在輸出端子0UT和接地電壓之 間。分壓電壓Vfb作為電阻2， 3的連接部的電壓輸入誤差放大電路5的非反轉 輸入端，基準電壓Vref輸入誤差放大電路5的反轉輸入端。來自誤差放大電路 5的誤差電壓Ve輸入P麗比較器7的非反轉輸入端，斜坡電壓Vs輸入P麗比較器 7的反轉輸入端。RS觸發電路9的輸出信號Sq在變換器10信號電平被反轉，輸 入開關晶體管M1的柵極。在斜坡電壓生成電路6中，PM0S型晶體管14及電阻13串聯連接在開關晶 體管M1的漏極和P麗比較器7的反轉輸入端之間，電壓-電流變換電路12連接 在P麗比較器7的反轉輸入端和接地電壓之間。在電壓-電流變換電路12中，輸 入電壓Vin輸入控制信號輸入端，電流islope與輸入電壓Vin相對應,使得該
電流islope從電阻13朝接地電壓方向流動。電阻13與電壓-電流變換電路12 的連接部構成斜坡電壓生成電路6的輸出端，從該連接部輸出斜坡電壓Vs。變 換器11使得時鐘信號CLK的信號電平反轉，輸出到PM0S型晶體管14的柵極。 PM0S型晶體管15和電容器16并聯連接在輸入電壓Vin和PM0S型晶體管14的漏 極之間，RS觸發電路9的輸出信號Sq輸入PM0S型晶體管15的柵極。在這種構成中，若誤差電壓Ve為斜坡電壓Vs以下，貝IJP麗比較器7輸出低 電平信號，RS觸發電路9在時鐘信號CLK成為高電平期間，輸出高電平信號， 開關晶體管M1因變換器10被接通，處于導通狀態。若開關晶體管M1接通，則向 電感器L1，平滑用電容器C1及負載21供給電力，若開關晶體管M1截止，則蓄積 在電感器L1及平滑用電容器C1中的能量供給負載21 。對輸出電壓Vout進行分壓得到分壓電壓Vfb，誤差放大電路5放大所述分 壓電壓Vfb與所定的基準電壓Vref的電壓差，生成誤差電壓Ve，使得該誤差電 壓Ve輸出至l」P麗比較器7的非反轉輸入端。P麗比較器7對誤差電壓Ve和來自斜 坡電壓生成電路6的斜坡電壓Vs進行電壓比較，若誤差電壓Ve超過斜坡電壓 Vs，貝ijP麗比較器7使得RS觸發電路9復位，截止開關晶體管Ml。因此，電感器電 流iL的峰值電流值成為與誤差電壓Ve相對應的值。分壓電壓Vfb比基準電壓Vref大場合，通過使得誤差電壓Ve上升，使得輸 出電壓Vout低下，分壓電壓Vfb比基準電壓Vref小場合，通過使得誤差電壓Ve 低下，使得輸出電壓Vout上升，調節輸出電壓Vout。下面參照圖2說明圖1的斜坡電壓生成電路6的動作，圖2表示圖1的各部 分的波形例的時間圖。電壓-電流變換電路12生成與輸入電壓Vin對應的電流islope輸出，該電 流islope成為(AXVin)。 A為所定值。若電阻13的電阻值為Roffset，則因電 阻13施加到輸入電壓Vin的補償電壓Voffset成為下式(l):<formula>formula see original document page 16</formula>輸入電壓施加到電容器16—端，若時鐘信號CLK成為高電平，PM0S型晶體 管14接通，則開關晶體管M1的漏極電壓VA通過PM0S型晶體管14施加到電容器 16另一端。因此，電容器16兩端產生電壓差，因該電壓差，電容器16被充電。 若將開關晶體管Ml的通態電阻設為Ron，電感器電流iL的谷間電流值設為iLvalley，則當開關晶體管Ml接通時的開關晶體管Ml的漏極電壓VA成為下式: VA=Vin —RonX iLvalley若PM0S型晶體管14截止，成為斷開狀態，則因電壓-電流變換電路12，電 容器16電荷被引取，若電容器16容量設為Cvs，則電容器16的電壓傾斜度成為 (—AXVin/Cvs)。因此,若將開關晶體管Ml接通后的經過時間設為t，則開關晶體管M1接通 時的斜坡電壓Vs成為下式(2):Vs = Vin—A X Vin X Rof f set —Ron X讓val 1 ey—A X Vin/Cvs X t (2) 若電感器L1的電感設為L，即，下式(3)成立 A/Cvs = Ron/L (3) 則可從上述(2)式得到下式(4): dVs/dt = —RonXVin/L (4)另一方面，若RS觸發電路9的輸出信號Sq成為低電平，則開關晶體管Ml被 截止，同時，PM0S晶體管15接通，充電到電容器16的電荷完全放電而被清除。在此,在上述說明中，通態電阻Ron設為一定，在構成電流源的電壓-電流 變換電路12生成的電流islope:AXVin，得到上述(3)式，但通態電阻Ron— 般因開關晶體管M1的溫度及接通時的柵極電壓而變化。因此，islope=BXRonXVin (B為所定值)，若使得電流islope包含通態 電阻Ron的變化，則上述式(2)成為下式(5):Vs=Vin—BXRonXVinXRoffset—RonXiLvalley—BXRonX Vin/CvsXt (5)若使得B/Cvs = l/L (6)則從上述式(5)能得到下式(7):dVs/dt = —RonXVin/L (7)這樣，可知斜坡電壓Vs的傾斜度dVs/dt根據輸入電壓Vin變化而可變。 圖3表示圖1的電壓-電流變換電路12的電路例。在圖3中，電壓-電流變換電路12形成用于生成與輸入電壓Vin對應的電 流islope的電流源，由誤差放大電路31， 32， PM0S晶體管33， 34，應0S晶體 管35-37及電阻38， 39構成。PM0S晶體管33，畫OS晶體管35及電阻38串聯連接在輸入電壓Vin和接地 電壓之間，PM0S晶體管33柵極與接地電壓連接，麗0S晶體管35柵極與誤差放 大電路31的輸出端連接。在誤差放大電路31中，輸入電壓Vin輸入非反轉輸入 端，反轉輸入端與NM0S晶體管35和電阻38的連接部連接。電阻39， PM0S晶體管34及NM0S晶體管36串聯連接在輸入電壓Vin和接地 電壓之間，PM0S晶體管34的柵極與誤差放大電路32的輸出端連接。在誤差放 大電路32中，非反轉輸入端與PM0S晶體管33和讓0S晶體管35的連接部連接， 反轉輸入端與電阻39和PM0S晶體管34的連接部連接。NMOS晶體管36及37形成 電流反射鏡電路，畫0S晶體管36及37的各柵極被連接，該連接部與NMOS晶體 管36的漏極連接。麗0S晶體管36及37的源極與接地電壓連接，從醒OS晶體管 37的漏極向接地電壓流過電流islope。誤差放大電路31實行麗0S晶體管35的動作控制,控制流過NM0S晶體管35 的電流，以便使得反轉輸入端的電壓成為非反轉輸入端的電壓，即輸入電壓 Vin。電阻38， 39分別具有所定的電阻值，其電阻值不變化。電阻38的電阻值 設為R38，電阻39的電阻值設為R39。 PM0S晶體管33通過與開關晶體管M1相同 處理工序形成，向柵極輸入假定開關晶體管M1接通時的電壓。在此，PMOS晶 體管33是開關晶體管Ml的l/n的晶體管尺寸，通態電阻為nXRon。Vin/R38的電流流過電阻38， Vin/R38的電流也流過PM0S晶體管33， PMOS 晶體管33的兩端電壓差成為nXRonX(Vin/R38)。誤差放大電路32實行PM0S 晶體管34的動作控制，使得電阻39的兩端電壓差成為nXRonX (Vin/R38)，在 電阻39中流過RonXnXVin/R38/R39的電流。因此，形成電流反射鏡電路的 隨0S晶體管37的漏極電流成為RonXnXVin/R38/R39,若B二n/R38/R39,則電 流islope成為下式(8):Islope=BXRonXVin (8)在上述說明中，為了將開關晶體管M1接通時流過的電流變換成電壓，使 用開關晶體管M1的通態電阻，但是，也可以將用于檢測開關晶體管M1的輸出 電流的讀出(sense)電阻串聯連接在電感器L1上，使用該讀出電阻，將開關晶 體管M1接通時流過的電流變換成電壓。這種場合，在圖3的電壓-電流變換電 路12中，可以使用與讀出電阻具有相同溫度特性的電阻，代替PM0S晶體管33。
這樣，本第一實施形態的電流模式控制型開關穩壓器根據輸入電壓Vin 變化，改變斜坡電壓Vs的傾斜度，以簡單電路，即使寬的輸入輸出電壓范圍， 也能合適地實行斜率補償，能防止發生分諧波那樣的振動。第二實施形態在上述第一實施形態中，以降壓型開關穩壓器為例進行說明，但本發明 也能適用于升壓型開關穩壓器，下面對此進行說明，作為第二實施形態。圖4表示本發明第二實施形態的電流模式控制型開關穩壓器的電路例。 在圖4中，與圖l相同或相當者使用相同符號。圖4的開關穩壓器la構成升壓型開關穩壓器，從直流電源20輸入電壓Vin 輸入到輸入端子IN，將該輸入電壓Vin變換成所定的定電壓，作為輸出電壓 Vout從輸出端子0UT向負載21輸出。開關穩壓器la包括由NMOS型晶體管構成的開關晶體管Mll,整流用二極 管Dll，電感器L1，平滑用電容器C1，輸出電壓檢測用電阻2， 3。所述電阻2， 3 對從輸出端子OUT輸出的電壓Vout進行分壓，生成分壓電壓Vf b輸出。開關穩壓器la還包括基準電壓產生電路4，誤差放大電路5，斜坡電壓生 成電路6a。上述基準電壓產生電路4生成所定基準電壓Vref輸出，上述誤差放 大電路5對上述分壓電壓Vfb和基準電壓Vref進行電壓比乾放大兩者電壓差, 生成誤差電壓Ve輸出，上述斜坡電壓生成電路6a生成斜坡電壓Vs輸出。開關穩壓器la設有P麗比較器7，振蕩電路8， RS觸發電路9。所述P麗比較 器7對來自誤差放大電路5的誤差電壓Ve和斜坡電壓Vs進行電壓比較，生成具 有與誤差電壓Ve相對應的脈沖寬度、用于實行P麗控制的脈沖信號Spw輸出， 所述振蕩電路8生成所定的時鐘信號CLK輸出，來自振蕩電路8的時鐘信號CLK 輸入RS觸發電路9的固定輸入端S，來自P麗比較器7的脈沖信號Spw輸入RS觸 發電路9的復位輸入端R。另一方面，斜坡電壓生成電路6a由變換器51，電壓-電流變換電路52,電 阻53，NM0S型晶體管54, 55, 57以及電容器56， 58構成。開關晶體管M11構成 開關元件，二極管D11構成整流元件。斜坡電壓生成電路6a構成斜坡電壓生成 電路部，P麗比較器7，振蕩電路8及RS觸發電路9構成開關控制電路部。電壓-電流變換電路52構成電流源，NM0S型晶體管54構成電壓供給電路，醒0S型晶 體管55構成放電電路。在圖4的開關穩壓器la中，除電感器Ll，二極管D11,電 容器C1及電阻2， 3的各電路集成在一IC上。電感器Ll連接在輸入電壓Vin和開關晶體管Mll的漏極之間，二極管Dll 的陽極與開關晶體管M11的漏極連接，二極管D11的陰極與輸出端子0UT連接。 電阻2， 3的串聯電路和電容器C1并聯連接在輸出端子0UT和接地電壓之間。 分壓電壓Vfb作為電阻2， 3的連接部的電壓輸入誤差放大電路5的反轉輸入端， 基準電壓Vref輸入誤差放大電路5的非反轉輸入端。來自誤差放大電路5的誤 差電壓Ve輸入P麗比較器7的反轉輸入端，斜坡電壓Vs輸入P麗比較器7的非反 轉輸入端。RS觸發電路9的輸出信號Sq被輸入開關晶體管Mll的柵極，同時，在 變換器51，信號電平被反轉，分別輸入NM0S型晶體管55及57的各柵極。在斜坡電壓生成電路6a中，電壓-電流變換電路52，電阻53及電容器56串 聯連接在輸入電壓Vin和接地電壓之間，醒0S型晶體管55并聯連接在電容器 56上。電阻53和電容器56的連接部與開關晶體管M11的漏極之間，連接醒OS型 晶體管54，時鐘信號CLK輸入NM0S型晶體管54的柵極。NM0S型晶體管57和電容 器58串聯連接在開關晶體管M11的漏極和接地電壓之間，電壓-電流變換電路 52的控制信號輸入端與麗0S型晶體管57和電容器58的連接部連接。斜坡電壓 Vs從電壓-電流變換電路52和電阻53的連接部輸出至ljP麗比較器7的非反轉輸 入端。在這種構成中，若開關晶體管M11接通，成為導通狀態，則從直流電源20 向電感器L1供給電力，若開關晶體管M11截止，成為斷開狀態，則蓄積在電感 器Ll的能量疊加到輸入電壓Vin上，從輸出端子OUT輸出。RS觸發電路9在時鐘 信號CLK成為高電平期間，設定使得輸出信號Sq為高電平，開關晶體管M11接 通成為導通狀態。誤差放大電路5輸出誤差電壓Ve，使得分壓電壓Vfb成為基 準電壓Vref 。 P麗比較器7對誤差電壓Ve和斜坡電壓Vs進行電壓比較，若斜坡 電壓Vs比誤差電壓Ve大，貝UP麗比較器7使得RS觸發電路9復位，截止開關晶體 管M11，使其成為斷開狀態。下面，參照圖5說明圖4的斜坡電壓生成電路6a生成斜坡電壓Vs，圖5表示 圖4的各部分的波形例的時間圖。醒0S型晶體管57和電容器58的連接部與輸出電壓Vout電壓相同，因此，
電壓-電流變換電路52生成與輸出電壓Vout對應的電流islope輸出，該電流 islope成為(DXVcmt)。 D為所定值。若電阻53的電阻值為Roffset，則因電阻 53施加的補償電壓Voffset成為下式(9):Voffset = islopeXRoffset (9)輸出電壓Vout是開關晶體管Mll截止時的開關晶體管Mll的漏極電壓VB， 開關晶體管M11截止時，通過接通麗0S型晶體管57，電容器58的兩端電壓保持 為輸出電壓Vout，成為islope=DXVout。來自振蕩電路8的時鐘信號CLK為高電平期間，醒0S型晶體管54對開關晶 體管M11的漏極電壓VB取樣，施加到電容器56上。若開關晶體管M11的通態電 阻設為Ron,被取樣的開關晶體管M11的漏極電壓VB成為VB = RonX iLvalley。 ILvalley表示電感器電流iL的谷間電流值。若麗0S型晶體管54截止，成為斷開狀態，則因構成電流源的電壓-電流變 換電路52，電容器56被充電，若電容器56容量設為Cvs，則電容器56的電壓傾 斜度成為(DXVout/Cvs)。因此，若將開關晶體管M11接通后的經過時間設為 t，則開關晶體管Mll接通時的斜坡電壓Vs成為下式(lO):Vs = D X Vout X Rof f set + Ron X iLval ley+D X Vout/Cvs X t (10)若電感器L1的電感設為L， g卩，下式(11)成立D/Cvs=Ron/L (11)則可從上述(10)式得到下式(12):dVs/dt = RonXVout/L (12)另一方面,若開關晶體管M11截止，則麗0S晶體管55接通，充電到電容器 56的電荷放電，使得電容器56的電壓復位到接地電壓。在此,在上述說明中，通態電阻Ron設為一定，在構成電流源的電壓-電流 變換電路52生成的電流islope二DXVout,得到上述(ll)式，但通態電阻Ron 一般因開關晶體管M11的溫度及接通時的柵極電壓而變化。因此，islope=EXRonXVout (E為所定值)，若使得電流islope包含通 態電阻Ron的變化,則上述式(10)成為下式(13):Vs = E X Ron X Vout X Rof f set + Ron X iLval 1 ey + E X Ron X Vout/Cvs Xt (13)
若使得E/Cvs = l/L (14) 則從上述式(13)能得到下式(15): dVs/dt = RonXVout/L (15)這樣，可知斜坡電壓Vs的傾斜度dVs/dt根據輸出電壓Vout變化而可變。 圖6表示圖4的電壓-電流變換電路52的電路例。在圖6中，電壓-電流變換電路52形成用于生成與輸出電壓Vout對應的電 流islope的電流源，由誤差放大電路61， 62， PM0S晶體管63-66，蘭OS晶體管 67-69及電阻70， 71構成。PM0S晶體管63及64形成電流鏡電路，各源極分別與輸入電壓Vin連接,各 柵極連接，同時，該連接部與PM0S晶體管63的漏極連接。麗0S晶體管67及電阻 70串聯連接在PM0S晶體管63的漏極和接地電壓之間，醒0S晶體管67和電阻70 的連接部與誤差放大電路61的反轉輸入端連接。與輸出電壓Vout相當的電壓 輸入誤差放大電路61的非反轉輸入端，誤差放大電路61的輸出端與麗0S晶體 管67的柵極連接。與輸出電壓Vout相當的電壓輸入誤差放大電路61的非反轉 輸入端,但是，在以下說明中，作為輸出電壓Vout輸入誤差放大電路61的非反 轉輸入端進行說明。NM0S晶體管68連接在PM0S晶體管64的漏極和接地電壓之間，輸入電壓 Vin輸入NMOS晶體管68的柵極。PM0S晶體管65及66形成電流鏡電路，各源極分別與輸入電壓Vin連接，各 柵極連接，同時，該連接部與PM0S晶體管65的漏極連接。醒0S晶體管69及電阻 71串聯連接在PM0S晶體管65的漏極和接地電壓之間，麗0S晶體管69和電阻71 的連接部與誤差放大電路62的反轉輸入端連接。誤差放大電路62的非反轉輸 入端與PM0S晶體管64和NM0S晶體管68的連接部連接，誤差放大電路62的輸出 端與NM0S晶體管69的柵極連接。從PM0S晶體管66的漏極輸出電流islope。在這種構成中，誤差放大電路61實行醒0S晶體管67的動作控制，使得非 反轉輸入端和反轉輸入端的電壓相同。電阻70， 71電阻值不變化，電阻70的 電阻值設為R70，電阻71的電阻值設為R71。麗0S晶體管68通過與開關晶體管 Mll相同處理工序形成，向柵極輸入所述輸入電壓Vin，具有開關晶體管M11的 1/n的尺寸，NM0S晶體管68的通態電阻為(RonXn)。
輸出電壓Vout輸入誤差放大電路61的非反轉輸入端，電阻70的兩端電壓 成為Vout。因此，在電阻70中流過Vout/R70的電流。通過PM0S晶體管63， 64 的電流鏡電路，在麗0S晶體管68流過Vout/R70的電流。因此，醒0S晶體管68的 兩端電壓成為(RonXnXVout/R70)。誤差放大電路62實行簡0S晶體管69的動 作控制，使得電阻71的兩端電壓成為(RonX nX Vout/R70)，在電阻71中流過 (RonXnXVout/R70/R71)的電流。因此，若E二n/R70/R71，則電流islope成為 下式(16):Islope=EXRonXVout (16)這樣,本第二實施形態的電流模式控制型開關穩壓器根據輸出電壓Vout 變化，改變斜坡電壓Vs的傾斜度，以簡單電路，即使寬的輸入輸出電壓范圍， 也能合適地實行斜率補償，能防止發生分諧波那樣的振動。在上述第一實施形態及第二實施形態中，使用開關晶體管的通態電阻， 用于將接通開關晶體管時流過的電流變換成電壓，但本發明也可以將讀出電 阻與電感器L1串聯連接。又，也可以使用與開關晶體管逆相開關的同步整流 用晶體管，代替整流二極管，即使使用上述同步整流用晶體管，也能得到同樣 效果。上面參照

了本發明的實施例，但本發明并不局限于上述實施 例。在本發明技術思想范圍內可以作種種變更，它們都屬于本發明的保護范 圍。
權利要求
1.一種電流模式控制型開關穩壓器，將輸入電壓輸入到輸入端子，降壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，其包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；誤差放大電路部，以所定比率對上述輸出電壓進行分壓，得到分壓電壓，所述誤差放大電路部放大所述分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差；斜坡電壓生成電路部，生成與所述輸入電壓對應的傾斜的斜坡電壓輸出；開關控制電路部，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電壓進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號，根據該脈沖信號實行所述開關元件的開關控制。
2. 根據權利要求l中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部生成上述輸入電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓，使得成為上述開關元件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流 變化量的l/2以上的傾斜度。
3. 根據權利要求2中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部包括電容器， 一端與上述輸入電壓連接； 電阻， 一端與該電容器的另一端連接；電流源，連接到所述電阻的另一端與接地電壓之間，流過與上述輸入電 壓相對應的電流；電壓供給電路，上述開關元件接通成為導通狀態后所定時間，對上述電 容器的另一端施加上述開關元件的輸出端的電壓；放電電路，上述開關元件截止成為斷開狀態，使得充電到上述電容器中 的電荷放電； 從上述電阻和上述電流源的連接部，輸出上述斜坡電壓。
4. 根據權利要求3中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述開關控制電路部包括電壓比較電路，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電壓 進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號輸出；振蕩電路，生成所定的脈沖寬度的時鐘信號輸出；控制電路,輸入來自振蕩電路的時鐘信號，用于使得所述開關元件接通， 同時，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，用于使得所述開關元件截止， 根據所述時鐘信號及脈沖信號,實行所述開關元件的開關控制；上述電壓供給電路根據來自振蕩電路的時鐘信號，對所述電容器的另一 端施加上述開關元件的輸出端的電壓。
5. 根據權利要求4中所述的電流模式控制型開關穩壓器,其特征在于 上述控制電路由RS觸發電路構成，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，作為置位信號，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，作為復位信號。
6. —種電流模式控制型開關穩壓器,將輸入電壓輸入到輸入端子，升壓 到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，其包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；誤差放大電路部，以所定比率對上述輸出電壓進行分壓，得到分壓電壓， 所述誤差放大電路部放大所述分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差；斜坡電壓生成電路部，生成與所述輸出電壓對應的傾斜的斜坡電壓輸出；開關控制電路部，對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電 壓進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號，根據該脈沖信號 實行所述開關元件的開關控制。
7. 根據權利要求6中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部生成上述輸出電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓,使得成為上述開關元件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流變化量的l/2以上的傾斜度。
8. 根據權利要求7中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述斜坡電壓生成電路部包括電容器， 一端與接地電壓連接； 電阻， 一端與該電容器的另一端連接；電流源，連接到所述輸入電壓與該電阻的另一端之間，流過與上述輸出 電壓相對應的電流；電壓供給電路，上述開關元件接通成為導通狀態后所定時間，對上述電 容器施加上述電感器和上述開關元件的連接部的電壓；放電電路，上述開關元件截止成為斷開狀態，使得充電到上述電容器中 的電荷放電；從上述電流源和上述電阻的連接部,輸出上述斜坡電壓。
9. 根據權利要求8中所述的電流模式控制型開關穩壓器,其特征在于 上述開關控制電路部包括電壓比較電路,對來自上述誤差放大電路部的輸出電壓和所述斜坡電壓 進行比較，生成根據該比較結果的占空因子的脈沖信號輸出；振蕩電路，生成所定的脈沖寬度的時鐘信號輸出；控制電路，輸入來自振蕩電路的時鐘信號，用于使得所述開關元件接通， 同時,輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，用于使得所述開關元件截止， 根據所述時鐘信號及脈沖信號，實行所述開關元件的開關控制；上述電壓供給電路根據來自振蕩電路的時鐘信號，對所述電容器施加上 述電感器和上述開關元件的連接部的電壓。
10. 根據權利要求9中所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于 上述控制電路由RS觸發電路構成，輸入來自.振蕩電路的時鐘信號，作為置位信號，輸入來自上述電壓比較電路的脈沖信號，作為復位信號。
11. 根據權利要求i-io中任一個所述的電流模式控制型開關穩壓器，其特征在于上述誤差放大電路部，斜坡電壓生成電路部，及開關控制電路部，集成在 一IC中。
12. —種電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，將輸入電壓輸入 到輸入端子，降壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，使得從輸 出端子輸出的輸出電壓成為所定的定電壓，該電流模式控制型開關穩壓器包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件，實行該電感器的放電；脈沖信號用于實行上述開關元件的開關控制，使得用于生成所述脈沖信 號的斜坡電壓的傾斜度根據上述輸入電壓可變。
13. 根據權利要求12中所述的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，其特征在于以所定比率對上述輸出端子的電壓進行分壓；放大所述被分壓的分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差； 生成與所述輸入電壓對應的傾斜的斜坡電壓；對上述放大得到的電壓和所述斜坡電壓進行比較，生成根據該比較結果 的占空因子的脈沖信號；根據該脈沖信號實行所述開關元件的開關控制。
14. 根據權利要求12或13中所述的電流模式控制型開關穩壓器的動作 控制方法，其特征在于生成上述輸入龜壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓,使得成為上述開關元 件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流變化量的l/2以上的傾斜度。
15. —種電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，將輸入電壓輸入 到輸入端子，升壓到所定的定電壓，作為輸出電壓從輸出端子輸出，對所述開 關元件實行開關控制，使得從輸出端子輸出的輸出電壓成為所定的定電壓， 該電流模式控制型開關穩壓器包括開關元件，根據所輸入的控制信號進行開關；電感器，通過該開關元件的開關，由所述輸入電壓進行充電；整流元件,實行該電感器的放電； 脈沖信號用于實行上述開關元件的開關控制，使得用于生成所述脈沖信 號的斜坡電壓的傾斜度根據上述輸出電壓可變。
16. 根據權利要求15中所述的電流模式控制型開關穩壓器的動作控制方法，其特征在于以所定比率對上述輸出端子的電壓進行分壓； 放大所述被分壓的分壓電壓和所定的基準電壓的電壓差； 生成與所述輸出電壓對應的傾斜的斜坡電壓；對上述放大得到的電壓和所述斜坡電壓進行比較，生成根據該比較結果 的占空因子的脈沖信號；根據該脈沖信號實行所述開關元件的開關控制。
17. 根據權利要求15或16中所述的電流模式控制型開關穩壓器的動作 控制方法，其特征在于生成上述輸出電壓越大上述傾斜越大的斜坡電壓,使得成為上述開關元 件截止成為斷開狀態時的流過上述電感器的電流變化量的l/2以上的傾斜 度。
全文摘要
本發明涉及電流模式控制型開關穩壓器及其動作控制方法。將開關晶體管M1接通后經過時間設為t，電阻13的電阻值設為Roffset，開關晶體管M1的通態電阻設為Ron，電感器電流iL的谷間電流值設為iLvalley，電容器16的容量設為Cvs，則開關晶體管M1接通時的斜坡電壓Vs＝Vin-A×Vin×Roffset-Ron×iLvalley-A×Vin/Cvs×t，若使得A/Cvs＝Ron/L，則dVs/dt＝-Ron×Vin/L，斜坡電壓Vs的傾斜度dVs/dt根據輸入電壓Vin變化可變。以簡單電路，即使寬的輸入輸出電壓范圍，也能合適地實行斜率補償，能防止發生分諧波那樣的振動。
文檔編號H02M3/10GK101212178SQ20071016015
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月24日 優先權日2006年12月26日
發明者相馬將太郎 申請人:株式會社理光