專利名稱：Dc/dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于將要輸入的電源電壓轉(zhuǎn)換為預(yù)定的DC電壓，更具體地，涉及一種具有軟啟動功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
一種DC/DC轉(zhuǎn)換方法將開關(guān)元件安裝在用于輸入電源功率的接線端和與負載相連并輸出預(yù)定DC電壓的接線端之間，并通過開關(guān)此開關(guān)元件保持預(yù)定的DC電壓。因為能夠以緊湊的尺寸獲得高效率，這種方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用(如日本專利申請未審公開No.H9-121535)。并且，這種方法使得能夠根據(jù)開關(guān)元件周圍的電路結(jié)構(gòu)，構(gòu)造多種DC/DC轉(zhuǎn)換器，如升壓型、降壓型和升壓/降壓型。在這些DC/DC轉(zhuǎn)換器中，通常安裝有軟啟動電路，用于控制啟動電源時流入開關(guān)元件的沖流。
圖5是傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。這種DC/DC轉(zhuǎn)換器101是升壓型的，而且它包括NMOS晶體管114，作為開關(guān)元件；以及線圈115，用于在其漏極和電源(VCC)之間存儲升壓能量。在這些連接點與負載一側(cè)的輸出端(OUT)之間，連接反向阻斷二極管116和平滑濾波電容器117。這種電路結(jié)構(gòu)通過使用反饋電路控制NMOS晶體管114的“ON”時間，對負載側(cè)輸出端(OUT)的電壓進行調(diào)整，接下來將對反饋電路進行描述。
反饋電路包括輸出電源檢測電路106、誤差信號放大器111、三角波發(fā)生器(TRI)112、具有兩個同相輸入端的比較器110以及輸出緩沖器113。換句話說，輸出電壓檢測電路106檢測負載側(cè)輸出端(OUT)的電壓，誤差信號放大器111接收其輸出電壓，對其進行放大，并將其輸出到同相輸入端之一，比較器110將此輸出電壓與三角波發(fā)生器(TRI)112所產(chǎn)生的三角波電壓進行比較，并通過輸出緩沖器113，將此比較結(jié)果的輸出值輸入到NMOS晶體管114的柵極，從而對NMOS晶體管114的“ON”時間進行控制。
還安裝軟啟動電路105，用以控制啟動電源(VCC)時流入NMOS晶體管114的沖流。這一電路包括恒流源122和電容器123，并產(chǎn)生逐步升高的電壓。將此電源輸出到比較器110的另一個同相輸入端。并且，在啟動電源(VCC)時，比較器110對軟啟動電路105的輸出電壓和上述三角波電壓進行比較。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，用于產(chǎn)生逐步啟動電壓的軟啟動電路105從恒流源122向電容器123提供微電流，并在電容器123中產(chǎn)生逐步啟動的電壓。不能將此電容器123包括在半導(dǎo)體集成器件102中，而是作為外部組件進行安裝。這是因為電容器123需要較大的電容，由于從電源的啟動開始，需要1毫秒到10毫秒的時間，作為軟啟動操作時間段，以便控制流過NMOS晶體管114的沖流。比如，若在軟啟動電路105的輸出電壓線性上升并于5毫秒之后變?yōu)榇蠹s1V的條件下，恒流源122的電流是10μA，則電容器需要大約0.05μF的大電容。實際上，難以在半導(dǎo)體襯底上形成這種大電容電容器，因為它將占用過多的面積。
如果降低恒流源122的電流，比如降低到20nA，并且軟啟動電路105的輸出電壓在5毫秒之后變?yōu)榇蠹s1V，則電容器的電容變?yōu)?00pF。如果使用具有這種電容的電容器，則能夠?qū)⑵浒ㄔ诎雽?dǎo)體集成器件中。但是，如果恒流源122的電流是100nA或更小的微電流，則在高溫環(huán)境下，比如，在構(gòu)成恒流源122之晶體管的PN結(jié)處所產(chǎn)生的漏電流就會達到不能被忽略的程度，并且軟啟動電路105可能會有多種操作的問題。因此，降低恒流源122的電流存在限制，對于實際應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)為大約10μA。
如果可以將構(gòu)成軟啟動電流的外部電容器包含在半導(dǎo)體集成電路中，可以減少外部電容器占用印刷電路板的面積，并且也會因外部電容器的接線端不再是必要的而減小半導(dǎo)體封裝，從而，作為結(jié)果，可以實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的小型化。
考慮到前述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以將構(gòu)成軟啟動電路的電容器包含在半導(dǎo)體集成器件中。
為了解決上述問題，本發(fā)明的一種DC/DC轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)元件，通過開關(guān)，從電源向負載側(cè)的輸出端供電，并使負載側(cè)輸出端保持在輸出設(shè)定的電壓；誤差信號放大器，用于放大來自負載側(cè)輸出端的電壓與誤差比較基準(zhǔn)電壓之間的誤差；差分電路，用于對來自負載側(cè)輸出端的電壓進行差分；軟啟動電路，包括恒流源和電容器，二者均與差分電路的輸出端相連，用于在啟動電源時，產(chǎn)生逐步上升的電壓；三角波發(fā)生器，用于產(chǎn)生三角波；以及比較器，用于在啟動電源時，將三角波電壓與來自軟啟動電路的電壓進行比較，在啟動電源之后，將三角波電壓與誤差信號放大器正常操作期間的輸出電壓進行比較，并根據(jù)它的比較輸出，控制開關(guān)元件的開關(guān)。
在本發(fā)明的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，差分電路所起的作用在于在啟動電源時，根據(jù)負載側(cè)輸出端的輸出電壓的上升速率，從軟啟動電路引出電流，從而在控制開關(guān)元件的沖流的同時，可以經(jīng)過所需的時間，直到負載側(cè)輸出端的輸出電壓變?yōu)樵O(shè)定電壓為止。因此，能夠減小構(gòu)成軟啟動電路之電容器的電容，從而將其包含于半導(dǎo)體集成器件中，可以減小半導(dǎo)體集成器件所占印刷電路板上的面積，并可以減小半導(dǎo)體封裝尺寸。


圖1是本發(fā)明一種實施例DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2是上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的差分電路的電路圖；圖3是啟動上述DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源時的波形圖；圖4是本發(fā)明另一實施例DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；以及圖5是現(xiàn)有技術(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
具體實施例方式
以下參照附圖描述本發(fā)明的實施例。圖1是本發(fā)明一種實施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器1的電路圖。
DC/DC轉(zhuǎn)換器1包括NMOS晶體管14，它作為開關(guān)元件，通過開關(guān)，從電源(VCC)向負載側(cè)輸出端(OUT)供電，并使負載側(cè)輸出端(OUT)保持在輸出設(shè)定的電壓；誤差信號放大器11，用于放大來自負載側(cè)輸出端(OUT)的電壓與誤差比較基準(zhǔn)電源20(誤差比較基準(zhǔn)電壓)之間的誤差；差分電路25，用于對來自負載側(cè)輸出端(OUT)的電壓進行差分；軟啟動電路5，包括串聯(lián)的恒流源22和電容器23，將差分電路25的輸出端與恒流源22和電容器23之間的輸出端(SS)相連；三角波發(fā)生器(TRI)12，用于產(chǎn)生三角波；以及比較器10，包括兩個同相輸入端，其中分別將三角波電壓輸入反相輸入端，將誤差信號放大器11的輸出電壓輸入同相輸入端之一，以及將軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)輸入另一同相輸入端，用于將比較結(jié)果輸出到NMOS晶體管14。比較器10將輸入兩個同相輸入端的電壓中較低的一個與輸入反向輸入端的電壓進行比較。換句話說，比較器10在啟動電源(VCC)時，將軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)與三角波電壓進行比較，在啟動電源(VCC)之后，在正常操作期間，將誤差信號放大器11的輸出電壓與三角波電壓進行比較，從而控制NMOS晶體管14的開關(guān)。這里，將構(gòu)成軟啟動電路5的電容器23與恒流源22一起包含于半導(dǎo)體集成器件2中，因為它的電容小到大約100pF。
具體地說，用于存儲升壓能量的線圈15連接在NMOS晶體管14的漏極(輸出端)與電源(VCC)之間。并且，用于阻斷反向電流的二極管16和用于平滑電壓的平滑濾波電容器17連接在NMOS晶體管14的漏極與負載側(cè)輸出端(OUT)之間。用于檢測負載側(cè)輸出端(OUT)電壓的輸出電壓檢測電路6與負載側(cè)輸出端(OUT)相連。輸出電壓檢測電路6包括串聯(lián)在負載側(cè)輸出端(OUT)與地之間的兩個電阻器，并且兩個電阻器的連接點分別與誤差信號放大器11的反相輸入端相連，以及通過輸入緩沖器24與差分電路25相連。如上所述，差分電路25的輸出端與軟啟動電路5的輸出端(SS)相連，并與比較器10的另一個同相輸入端相連。將誤差比較基準(zhǔn)電壓輸入誤差信號比較器11的同相輸入端，并將其輸出端與比較器10的同相輸入端之一相連。將來自三角波發(fā)生器12的三角波電壓輸入比較器10的反相輸入端，并通過輸出緩沖器13，將其輸出端與作為控制輸入端的NMOS晶體管14的柵極相連。
按照這種方式，輸出電壓檢測電路6、誤差信號放大器11、比較器10和輸出緩沖器13構(gòu)成一個反饋電路(第一反饋電路)，而輸出電壓檢測電路6、輸入緩沖器24、差分電路25、軟啟動電路5、比較器10和輸出緩沖器13構(gòu)成另一反饋電路(第二反饋電路)。通過要輸入到比較器10的兩個同相輸入端的電壓中較低的一個來確定第一反饋電路進行操作還是第二反饋電路進行操作。在啟動電源(VCC)之后的正常操作期間，第一反饋電路進行操作，而在啟動電源(VCC)時，第二反饋電路進行操作。
現(xiàn)在，將描述啟動電源(VCC)之后的正常工作情況。
在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器1中，如果負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電源(VOUT)稍微偏移設(shè)定的電壓，則誤差信號放大器11放大這一電壓偏移，并輸入比較器10。于是，比較器10的輸出脈沖寬度改變，并通過輸出緩沖器13控制NMOS晶體管14的開關(guān)，從而起到使負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)返回設(shè)定電壓的作用。這是第一反饋電路進行操作的方式。
現(xiàn)在，將參照圖3描述啟動電源(VCC)時的工作情況。
在啟動電源時，軟啟動電路5產(chǎn)生并輸出逐步上升的電壓(VSS)。在啟動電壓之后，電壓(VSS)立即從時間點t1開始，從0V上升，并在時間點t2，達到三角波的底電壓，而在這段時間內(nèi)，NMOS晶體管14并未導(dǎo)通，并且負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)保持恒定，其數(shù)值在從電源(VCC)中減去二極管16的正向偏壓(Vf)的電壓值處。因此，差分電路25的輸入電壓并不波動，也為恒定值。對恒定值進行差分的結(jié)果為0，所以差分電路25并不影響軟啟動電路13的輸出電壓(VSS)。因此，在這段時間內(nèi)，由恒流源22的電流值和電容器23的電容值惟一地確定軟啟動電路13輸出電壓(VSS)的上升程度(上升速率)。如前所述，電容器23具有較小的電容值，并且其上升速率相對較高(傾角較大)。
當(dāng)軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)進一步上升，并達到輸出電壓(VSS)超過三角波的底電壓的時間點t2時，從比較器10輸出脈沖，NMOS晶體管14導(dǎo)通。由此，將能量存儲在線圈15中，并且通過線圈15中產(chǎn)生的反電動勢，使二極管16的陽極電壓變得高于電源(VCC)。結(jié)果，電流流經(jīng)二極管16，并且平滑濾波電容器17的已存儲電荷量增加，也增加了負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)。
當(dāng)負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)開始上升時，通過輸入緩沖器24，將輸出電壓檢測電路6的輸出電壓輸入差分電路25，并且其電壓也上升，從而差分電路25開始根據(jù)其上升速率，從軟啟動電路5的輸出端(SS)引出電流。這里，如果差分電路25的輸入電壓的上升速率較高，則差分電路25所引出的電流值較高，而如果上升速率較低，則所引出的電流值也較低。因此，激活了負反饋，從而使負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)并不突然上升，結(jié)果，對NMOS晶體管14的“ON”時間加以限制，并對其沖流進行控制。
利用這種負反饋的功能，差分電路25引出由軟啟動電路5中的恒流源22所提供的大部分電流，并且軟啟動電路5的輸出電壓(VSS)實際上變?yōu)楹愣ㄖ?。在此時間期間，負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)繼續(xù)上升，直到其在時間點t3，變?yōu)樵O(shè)定值。比如，即使將恒流源22的電流值設(shè)定為10μA，其仍為差分電路25所引出，從而即使電容器具有大約100pF的小電容值，負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)變?yōu)樵O(shè)定電壓，仍然需要所需的時間。
當(dāng)在時間點t3，負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)達到設(shè)定電壓時，誤差信號放大器11的輸出電壓下降，于是，上述第一反饋電路啟動，并將負載側(cè)輸出端(OUT)的輸出電壓(VOUT)保持在設(shè)定的電壓。結(jié)果，差分電路25不再從軟啟動電路13的輸出端(SS)引出電流，并且其電壓(VSS)再次開始上升。此后，操作與上述正常操作相同，其中第二反饋電路，包括軟啟動電路5，并不影響DC/DC轉(zhuǎn)換器1的工作。
現(xiàn)在，描述差分電路25的結(jié)構(gòu)。圖2是差分電路25的電路圖。此差分電路25包括與它的輸入端并聯(lián)的電阻器34和35；與電阻器34的另一端相連的接地電容器33和偏置電壓源32；放大器31，偏置電壓源32的陽極與其反相輸入端相連，并且，電阻器35的另一端與其同相輸入端相連；NMOS晶體管36，其柵極與放大器31的輸出相連，其漏極與差分電路25的輸出端相連，用于引出軟啟動電路5的電流，并且其源極接地；以及電容器37，連接在NMOS晶體管36的漏極與柵極之間，用于停止第二反饋電路的振蕩，即用于相位補償。這里，差分電路25的輸入端與輸入緩沖器24的輸出端相連，并且差分電路25的輸出端與軟啟動電路5的輸出端相連。此差分電路25只從其輸出端引出軟啟動電路5的電流，并不向軟啟動電路5提供電流。因此，其輸出格式是漏極開路型?？梢杂眉姌O開路型NPN晶體管代替作為輸出晶體管的NMOS晶體管36。
如果差分電路25輸入端的電壓為恒定電壓，放大器31的反相輸入端的輸入電壓比同相輸入端的輸入電壓高出偏置電壓的數(shù)值。將偏置電壓設(shè)定為微電壓，在這種情況下，將偏置電壓設(shè)定為利用其放大器31可以輸出地電壓的電平。如果放大器31按照這種方式輸出地電壓，NMOS晶體管36并不從差分電路25的輸出端引出電流。
當(dāng)差分電路25輸入端的電壓上升并且時間過去時，放大器31中同相輸入端電壓與反相輸入端電壓的差大約為ACR-E，其中A是上升速率，C是電容器33的電容，R是電阻器34的電阻值，而E是偏置電壓。放大器31在放大此差值的同時，將電壓輸出到NMOS晶體管36的柵極，并根據(jù)此電壓，NMOS晶體管36從差分電路25的輸出端引出電流。具體地說，如果上升速率較高，NMOS晶體管36要引出的電流值較高，而如果上述速率較低，要引出的電流值較低。
按照這種方式，差分電路25根據(jù)其輸入端的電壓的上升速率，通過NMOS晶體管36，從差分電路25的輸出端引出電流。通過啟動此差分電路25，可以增加軟啟動操作時間段，具體地說，通過設(shè)定電容器33的電容值C和電阻器34的電阻值R，軟啟動操作時間段可以為大約5毫秒。
第一和第二反饋電路共用DC/DC轉(zhuǎn)換器1中的輸出電壓檢測電路6，但當(dāng)然也可以分別安裝。
圖4示出本發(fā)明另一實施例的DC/DC轉(zhuǎn)換器。上述實施例是升壓型的，而此實施例是降壓型的。與上述升壓型的一樣，此DC/DC轉(zhuǎn)換器51在啟動電源時和啟動之后的正常操作期間進行工作。在電源(VCC)和負載側(cè)輸出端(OUT)之間，連接作為開關(guān)元件的NMOS晶體管54和包括二極管、線圈和電容器在內(nèi)的平滑濾波電路55。從NMOS晶體管54的負載側(cè)輸出端(OUT)到輸入的第一和第二反饋電路的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上與上述實施例相同。在此DC/DC轉(zhuǎn)換器51中，也可以通過使用差分電路25，將構(gòu)成了軟啟動電路5的電容器23包含在半導(dǎo)體集成電路2中。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，在權(quán)利要求中具體陳述的范圍內(nèi)，可以按照多種方式，對設(shè)計進行修改。
權(quán)利要求
1.一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括開關(guān)元件，通過開關(guān)，從電源向負載側(cè)輸出端供電，并使負載側(cè)輸出端保持在輸出設(shè)定的電壓；誤差信號放大器，用于放大來自負載側(cè)輸出端的電壓與誤差比較基準(zhǔn)電壓之間的誤差；差分電路，用于對來自負載側(cè)輸出端的電壓進行差分；軟啟動電路，包括恒流源和電容器，二者均與差分電路的輸出端相連，用于在啟動電源時，產(chǎn)生逐步上升的電壓；三角波發(fā)生器，用于產(chǎn)生三角波；以及比較器，用于在啟動電源時，將三角波電壓與來自軟啟動電路的電壓進行比較，在啟動電源之后，將三角波電壓與誤差信號放大器正常操作期間的輸出電壓進行比較，并根據(jù)其比較的輸出，控制開關(guān)元件的開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，用于執(zhí)行所述差分電路的輸出的晶體管是漏極開路或集電極開路的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述恒流源和所述電容器被包含于同一半導(dǎo)體集成器件中。
全文摘要
一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括構(gòu)成半導(dǎo)體集成器件中之軟啟動電路的電容器。所述DC/DC轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)元件，通過開關(guān)，從電源(V
文檔編號H02M3/155GK1581660SQ20041007135
公開日2005年2月16日 申請日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者中田健一 申請人:羅姆股份有限公司