專利名稱：升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法，該升降壓型電流調(diào)節(jié)器用于例如便攜設(shè)備、小型電子裝置、電力裝置等，它由輸入電壓而生成負(fù)載電流，構(gòu)成電氣變量或磁氣變量的調(diào)整系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的升降壓型轉(zhuǎn)換器由輸入電壓，生成規(guī)定的輸出電壓(例如，參照非專利文獻(xiàn)1和非專利文獻(xiàn)2)。另外，現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器是在開關(guān)周期Ts和開關(guān)頻率fs固定的情況下工作的，由輸入電壓而生成規(guī)定的負(fù)載電流。以下利用圖6，對這樣的現(xiàn)有升壓型電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行說明。圖6是表示現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。
在圖6中，輸入電壓Vin的負(fù)極和負(fù)載Load的一端與共通電位GND連接。并且，電感L的一端與輸入電壓Vin的正極連接，電感L的另一端與開關(guān)元件SW2的漏極和二極管D4的正極之間的連接點(diǎn)連接。
此外，開關(guān)元件SW2的源極經(jīng)由電阻RS1，與共通電位GND連接。并且，二極管D4的負(fù)極與輸出電壓Vout和負(fù)載Load的另一端連接。
此外，比較器CMP的非反轉(zhuǎn)輸入端與開關(guān)元件SW2的源極和電阻RS1之間的連接點(diǎn)連接。并且，比較器CMP的反轉(zhuǎn)輸入端與電流指令值CMD連接。
設(shè)開關(guān)元件SW2的源極、電阻RS1和比較器CMP的非反轉(zhuǎn)輸入端之間的連接點(diǎn)的電壓為電壓VS1。電壓VS1與電感L的電流iL和開關(guān)元件SW2的電流成正比。
控制電路11的輸入與比較器CMP的輸出CMPO連接，控制電路的輸出VG2與開關(guān)元件SW2的柵極連接。
以下對圖6這樣的現(xiàn)有實(shí)施例的動作進(jìn)行說明(未圖示)。
首先，當(dāng)開關(guān)元件SW2導(dǎo)通時(shí)，二極管D4變?yōu)榻刂?。在電感L、開關(guān)元件SW2、電阻RS1中流過輸入電流Iin。于是，電感L被施加輸入電壓Vin，從而被勵磁。因此，電壓VS1呈斜坡狀上升。
當(dāng)電壓VS1達(dá)到電流指令值CMD時(shí)，開關(guān)元件SW2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?br> 接下來，當(dāng)開關(guān)元件SW2截止時(shí)，二極管D4變?yōu)閷?dǎo)通。在電感L、二極管D4、負(fù)載Load(輸出電壓Vout)、電阻RS1中流過輸入電流Iin和負(fù)載電流Iout。于是，電感L被施加輸出電壓Vout，從而被復(fù)位，放出電感L的能量。
如果開關(guān)元件SW2的導(dǎo)通時(shí)間和開關(guān)元件SW2的截止時(shí)間的總和，即開關(guān)周期Ts達(dá)到規(guī)定時(shí)間，則開關(guān)元件SW2從截止變?yōu)閷?dǎo)通。
這樣，在圖6的現(xiàn)有實(shí)施例中，在電流模式下，通過開關(guān)元件的反復(fù)導(dǎo)通/截止，由輸入電壓Vin生成規(guī)定的負(fù)載電流Iout。此外，圖6的現(xiàn)有實(shí)施例是以一定的開關(guān)周期Ts工作的。
圖7是圖6的現(xiàn)有實(shí)施例的階躍響應(yīng)中電壓VS1的波形。以下利用圖7，對圖6的現(xiàn)有實(shí)施例的特性進(jìn)行詳細(xì)說明。
在圖7中，通過開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止，電壓VS1發(fā)生較大變動。因此，圖6的實(shí)施例的電感L的電流iL中具有較大的脈動電流。
此外，當(dāng)電流指令值CMD上升時(shí)，電壓VS1的峰值上升。因此，當(dāng)電流指令值CMD上升時(shí)，電壓VS1上升，電流iL上升，負(fù)載電流Iout上升。
此外，即使在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，電壓VS1的峰值也會達(dá)到電流指令值CMD，同時(shí)達(dá)到一定的開關(guān)周期Ts，因此圖6的現(xiàn)有實(shí)施例的電壓VS1如圖7的波形所示變化。
具體地講，在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，電壓VS1暫時(shí)以較低的頻率變動。然后，該變動逐漸減少。因此，在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，電壓VS1暫時(shí)以較低的頻率變化，電流iL暫時(shí)以較低的頻率變動，負(fù)載電流Iout暫時(shí)以較低的頻率變動。
非專利文獻(xiàn)1Datasheets，LTC3440 Micropower SynchronousBuck-Boost DC/DC Converter，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2001.
非專利文獻(xiàn)2Datasheets，LTC3433 High VoltageStep-Up/Step-Down DC/DC Converter，LINEAR TECHNOLOGYCORPORATION，September 2003.

發(fā)明內(nèi)容
但是，現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器存在不能降壓的問題。因此，現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器存在這樣的問題，即不適于輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的差為正或負(fù)的用途(應(yīng)用)、輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的差較小的用途。
此外，現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器的電感L中流過較大的脈動電流，從而存在損耗較大的問題。并且，由于現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器的電感L尺寸大、成本高，所以現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器存在尺寸大、成本高的問題。
此外，現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，負(fù)載電流Iout暫時(shí)以較低的頻率變動，由此可以知道，存在響應(yīng)特性較差的問題。
此外，現(xiàn)有的電流模式的升壓型電流調(diào)節(jié)器有時(shí)需要斜率補(bǔ)償電路(未圖示)，因此該電流調(diào)節(jié)器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。對于斜率補(bǔ)償電路，由于是公知技術(shù)，這里省略其說明。
本發(fā)明的目的在于解決以上說明的問題，提供一種小型、低成本、低損耗、簡便的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
此外，本發(fā)明的目的在于提供一種使用感應(yīng)系數(shù)小的磁氣元件，并且開關(guān)頻率低、磁氣元件的脈動電流小的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
此外，本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好響應(yīng)特性的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
實(shí)現(xiàn)上述目的的本發(fā)明如下所述。
(1)提供一種升降壓型電流調(diào)節(jié)器，由輸入電壓生成負(fù)載電流，其特征在于，具有第一串聯(lián)電路，其具有第一開關(guān)元件、磁氣元件和第二開關(guān)元件，被施加上述輸入電壓；第二串聯(lián)電路，其具有第三開關(guān)元件、上述磁氣元件、第四開關(guān)元件和負(fù)載，流過上述負(fù)載電流；第三串聯(lián)電路，其具有上述第一開關(guān)元件、上述磁氣元件、上述第四開關(guān)元件和上述負(fù)載，被施加上述輸入電壓；以及開關(guān)控制單元，其控制上述第一開關(guān)元件、上述第二開關(guān)元件、上述第三開關(guān)元件和上述第四開關(guān)元件，以變?yōu)槭股鲜龅谝淮?lián)電路中流過電流的第一狀態(tài)、使上述第二串聯(lián)電路中流過電流的第二狀態(tài)和使上述第三串聯(lián)電路中流過電流的第三狀態(tài)中的一種狀態(tài)。
(2)根據(jù)(1)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有電流檢測單元，其檢測出流過上述磁氣元件的電流；以及比較器，其對上述電流檢測單元的檢測值和電流指令值進(jìn)行比較，并輸出與比較結(jié)果相應(yīng)的信號，上述開關(guān)控制單元根據(jù)上述比較器的輸出信號進(jìn)行控制，使得從上述第一狀態(tài)變?yōu)樯鲜龅诙顟B(tài)或變?yōu)樯鲜龅谌隣顟B(tài)。
(3)根據(jù)(2)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有第一定時(shí)器，用于決定上述第三狀態(tài)的期間。
(4)根據(jù)(3)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第三狀態(tài)的期間比上述第一狀態(tài)的期間和上述第二狀態(tài)的期間大。
(5)根據(jù)(2)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有第二定時(shí)器，用于決定上述第二狀態(tài)的期間。
(6)根據(jù)(5)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第二定時(shí)器產(chǎn)生延遲時(shí)間，該延遲時(shí)間是根據(jù)上述輸入電壓和在上述負(fù)載上產(chǎn)生的輸出電壓而決定的。
(7)根據(jù)(2)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第三開關(guān)元件和上述第四開關(guān)元件是二極管。
(8)根據(jù)(2)所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有平滑電容器，其用于使在上述負(fù)載上產(chǎn)生的輸出電壓平滑；以及誤差放大器，其用于對上述輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大，輸出上述電流指令值的信號。
(9)一種升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法，該升降壓型電流調(diào)節(jié)器由輸入電壓生成規(guī)定的負(fù)載電流，其特征在于，該控制方法具有以下步驟磁氣元件借助于上述輸入電壓而被勵磁；上述磁氣元件借助于基于上述負(fù)載電流的輸出電壓而被復(fù)位；以及上述磁氣元件借助于上述輸入電壓和上述輸出電壓的差值而被勵磁或復(fù)位。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得以下效果。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種在升壓和降壓任意一種情況下都能動作的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種適合于輸入電壓和輸出電壓的差值為正或負(fù)的用途的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種適合于輸入電壓和輸出電壓的差值較小的用途的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種適合于小型、低成本、低損耗、結(jié)構(gòu)簡單的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種具有良好響應(yīng)特性的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種使用感應(yīng)系數(shù)小的磁氣元件，并且開關(guān)頻率低、磁氣元件的脈動電流小的升降壓型電流調(diào)節(jié)器和升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法。
具體地講，通過開關(guān)控制單元生成第三狀態(tài)，可以減小磁氣元件的脈動電流。
并且，通過使第三狀態(tài)的期間比第一狀態(tài)的期間和第二狀態(tài)的期間大，可以進(jìn)一步減小磁氣元件的脈動電流。
此外，第一定時(shí)器簡單地形成了第三狀態(tài)的期間。第二定時(shí)器簡單地形成了第二狀態(tài)的期間。并且，電流檢測單元、比較器和開關(guān)控制單元簡單地形成了本發(fā)明的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，同時(shí)提供了良好的控制特性。
此外，通過第二定時(shí)器生成基于輸入電壓和輸出電壓的延遲時(shí)間，可以提供對輸入電壓的依賴性和對輸出電壓的依賴性小的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種能生成規(guī)定的輸出電壓，同時(shí)噪聲小、輸出的脈動電流小的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以使磁氣元件小型化。此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種適用于便攜設(shè)備、小型電子裝置、電力裝置的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。


圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是圖1的實(shí)施例中各部分的動作波形。
圖3是圖1的實(shí)施例中電流iL的波形。
圖4是圖1的實(shí)施例的階躍響應(yīng)中電壓VS1的波形。
圖5是表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是表示現(xiàn)有的升壓型電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。
圖7是圖6的現(xiàn)有實(shí)施例的階躍響應(yīng)中電壓VS1的波形。
具體實(shí)施例方式
以下根據(jù)圖1，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖1的實(shí)施例的特征是具有作為第一開關(guān)元件的開關(guān)元件SW1、作為第二開關(guān)元件的開關(guān)元件SW2、作為第三開關(guān)元件的開關(guān)元件SW3、作為第四開關(guān)元件的開關(guān)元件SW4、作為磁氣元件的電感L以及開關(guān)控制單元SEQ。
此外，圖1的實(shí)施例中具有作為電流檢測單元的電阻RS1、比較器CMP、定時(shí)器TIM2以及定時(shí)器TIM3。
在圖1中，開關(guān)元件SW1的一端(源極)與輸入電壓Vin的正極連接。并且，輸入電壓Vin的負(fù)極與共通電位GND連接。
此外，開關(guān)元件SW2的一端(源極)經(jīng)由電阻RS1而與共通電位GND連接。
此外，開關(guān)元件SW3的一端(源極)與共通電位GND連接，開關(guān)元件SW3的另一端(漏極)與開關(guān)元件SW1的另一端(漏極)連接。
此外，開關(guān)元件SW4的一端(源極)與輸出電壓Vout和負(fù)載Load的另一端連接，開關(guān)元件SW4的另一端(漏極)與開關(guān)元件SW2的另一端(漏極)連接。并且，負(fù)載Load的一端與共通電位GND連接。負(fù)載Load的另一端上被施加負(fù)載電流Iout和輸出電壓Vout。
此外，電感L的一端與開關(guān)元件SW1的另一端(漏極)和開關(guān)元件SW3的另一端(漏極)之間的連接點(diǎn)連接，電感L的另一端與開關(guān)元件SW2的另一端(漏極)和開關(guān)元件SW4的另一端(漏極)之間的連接點(diǎn)連接。
此外，比較器CMP的非反轉(zhuǎn)輸入端子上被施加開關(guān)元件SW2的一端(源極)和電阻RS1之間的連接點(diǎn)的電壓。并且，比較器CMP的反轉(zhuǎn)輸入端子上被施加電流指令值CMD的電壓。比較器CMP對施加在非反轉(zhuǎn)輸入端子上的電壓值和施加在反轉(zhuǎn)輸入端子上的電流指令值CMD的電壓進(jìn)行比較，根據(jù)其大小，輸出高或低電壓信號。該輸出信號提供給開關(guān)控制單元SEQ。
設(shè)開關(guān)元件SW2的一端(源極)、電阻RS1和比較器CMP的非反轉(zhuǎn)輸入端子之間的連接點(diǎn)的電壓為電壓VS1。電壓VS1與開關(guān)元件SW1的電流、電感L的電流iL以及開關(guān)元件SW2的電流成正比。
此外，定時(shí)器TIM2的觸發(fā)輸入T2ENB和觸發(fā)輸出T2與開關(guān)控制單元SEQ連接。并且，定時(shí)器TIM2與輸入電壓Vin和輸出電壓Vout連接。
此外，定時(shí)器TIM3的觸發(fā)輸入T3ENB和觸發(fā)輸出T3與開關(guān)控制單元SEQ連接。
此外，開關(guān)控制單元SEQ的輸入與比較器CMP的輸出CMPO連接，開關(guān)控制單元SEQ的輸出分別與開關(guān)元件SW1的控制端子(柵極)、開關(guān)元件SW2的控制端子(柵極)、開關(guān)元件SW3的控制端子(柵極)、開關(guān)元件SW4的控制端子(柵極)連接。
此外，開關(guān)元件SW1和開關(guān)元件SW4分別由p溝道型MOSFET(p溝道絕緣柵型場效應(yīng)晶體管)形成。并且，開關(guān)元件SW2和開關(guān)元件SW3分別由n溝道型MOSFET(n溝道絕緣柵型場效應(yīng)晶體管)形成。
此外，電阻RS1配置在共通電位GND和開關(guān)元件SW2的一端(源極)之間。從而，利用電阻RS1，可以檢測出開關(guān)元件SW1的電流、電感L的電流和開關(guān)元件SW2的電流。
此外，由開關(guān)元件SW1、電感L、開關(guān)元件SW2和電阻RS1形成第一串聯(lián)電路，該第一串聯(lián)電路上被施加輸入電壓Vin。
由開關(guān)元件SW3、電感L、開關(guān)元件SW4和負(fù)載Load形成第二串聯(lián)電路，在該第二串聯(lián)電路中流過負(fù)載電流Iout。并且，在負(fù)載Load上產(chǎn)生輸出電壓Vout。
由開關(guān)元件SW1、電感L、開關(guān)元件SW4和負(fù)載Load形成第三串聯(lián)電路，在該第三串聯(lián)電路上被施加輸入電壓Vin。
以下利用圖2，對具有以上說明的結(jié)構(gòu)的圖1的實(shí)施例的動作進(jìn)行說明。圖2是圖1的實(shí)施例中各部分的動作波形。
圖2(a)是開關(guān)元件SW2的另一端(漏極)、開關(guān)元件SW4的另一端(漏極)和電感L的另一端之間的連接點(diǎn)的電壓VD2。圖2(b)是開關(guān)元件SW1的另一端(漏極)、開關(guān)元件SW3的另一端(漏極)和電感L的一端之間的連接點(diǎn)的電壓VD1。
此外，圖2(c)是開關(guān)元件SW4的控制端子(柵極)的驅(qū)動電壓VG4。圖2(d)是開關(guān)元件SW2的控制端子(柵極)的驅(qū)動電壓VG2。圖2(e)是開關(guān)元件SW3的控制端子(柵極)的驅(qū)動電壓VG3。圖2(f)是開關(guān)元件SW1的控制端子(柵極)的驅(qū)動電壓VG1。
此外，圖2(g)是定時(shí)器TIM3的觸發(fā)輸出T3。圖2(h)是定時(shí)器TIM3的觸發(fā)輸入T3ENB。圖2(I)是定時(shí)器TIM2的觸發(fā)輸出T2。圖2(j)是定時(shí)器TIM2的觸發(fā)輸入T2ENB。
此外，圖2(k)是比較器CMP的輸出CMPO。圖2(I)是電感L的電流iL。
圖1的實(shí)施例的動作狀態(tài)是依次重復(fù)作為第一狀態(tài)的期間S1、作為第二狀態(tài)的期間S2、作為第三狀態(tài)的期間S3。并且，開關(guān)元件SW1和開關(guān)元件SW3彼此互補(bǔ)地導(dǎo)通/截止。開關(guān)元件SW2和開關(guān)元件SW4彼此互補(bǔ)地導(dǎo)通/截止。
第一，對期間S1進(jìn)行說明。此時(shí)，驅(qū)動電壓VG1變?yōu)榈碗娖健Ⅱ?qū)動電壓VG2變?yōu)楦唠娖?、?qū)動電壓VG3變?yōu)榈碗娖?、?qū)動電壓VG4變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)元件SW1導(dǎo)通、開關(guān)元件SW2導(dǎo)通、開關(guān)元件SW3截止、開關(guān)元件SW4截止。
此外，觸發(fā)輸入T2ENB變?yōu)榈碗娖?、觸發(fā)輸出T2變?yōu)榈碗娖?、觸發(fā)輸入T3ENB變?yōu)榈碗娖健⒂|發(fā)輸出T3變?yōu)榈碗娖健?br> 此時(shí)，在開關(guān)元件SW1、電感L、開關(guān)元件SW2、電阻RS1的第一串聯(lián)電路中流過輸入電流Iin。并且，電感L被施加輸入電壓Vin，從而被勵磁。因此，電壓VS1呈斜坡狀上升。
然后，當(dāng)電壓VS1達(dá)到電流指令值CMD時(shí)，驅(qū)動電壓VG1從低電平變?yōu)楦唠娖?，?qū)動電壓VG2從高電平變?yōu)榈碗娖剑?qū)動電壓VG3從低電平變?yōu)楦唠娖剑?qū)動電壓VG4從高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)輸入T2ENB從低電平變?yōu)楦唠娖健Ｈ缓?，期間S1結(jié)束，進(jìn)入期間S2。
設(shè)電阻RS1的電阻值為RS1，則此時(shí)電流iL的峰值ipk滿足以下計(jì)算式(1)。
ipk＝CMD/RS1(1)第二，對期間S2進(jìn)行說明。此時(shí)，驅(qū)動電壓VG1變?yōu)楦唠娖?、?qū)動電壓VG2變?yōu)榈碗娖?、?qū)動電壓VG3變?yōu)楦唠娖?、?qū)動電壓VG4變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)元件SW1截止、開關(guān)元件SW2截止、開關(guān)元件SW3導(dǎo)通、開關(guān)元件SW4導(dǎo)通。
并且，觸發(fā)輸入T2ENB變?yōu)楦唠娖健⒂|發(fā)輸入T3ENB變?yōu)榈碗娖?、觸發(fā)輸出T3變?yōu)榈碗娖?、輸出CMPO變?yōu)榈碗娖健?br> 此時(shí)，開關(guān)元件SW3、電感L、開關(guān)元件SW4、負(fù)載Load(輸出電壓Vout)的第二串聯(lián)電路中流過負(fù)載電流Iout。并且，電感L被施加輸出電壓Vout，從而被復(fù)位，放出電感L的能量。因此，電感L的電流iL呈斜坡狀下降。
然后，在觸發(fā)輸入T2ENB變?yōu)楦唠娖介_始經(jīng)過了規(guī)定的時(shí)間t2(延遲時(shí)間t2)之后，當(dāng)觸發(fā)輸出T2從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，驅(qū)動電壓VG1從高電平變?yōu)榈碗娖剑?qū)動電壓VG2保持低電平，驅(qū)動電壓VG3從高電平變?yōu)榈碗娖剑?qū)動電壓VG4保持低電平，觸發(fā)輸入T3ENB從低電平變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)輸入T2ENB從高電平變?yōu)榈碗娖?。然后，期間S2結(jié)束，進(jìn)入期間S3。
第三，對期間S3進(jìn)行說明。此時(shí)，驅(qū)動電壓VG1變?yōu)榈碗娖健Ⅱ?qū)動電壓VG2變?yōu)榈碗娖?、?qū)動電壓VG3變?yōu)榈碗娖?、?qū)動電壓VG4變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)元件SW1導(dǎo)通、開關(guān)元件SW2截止、開關(guān)元件SW3截止、開關(guān)元件SW4導(dǎo)通。
并且，觸發(fā)輸入T2ENB變?yōu)榈碗娖?、觸發(fā)輸出T2變?yōu)榈碗娖健⒂|發(fā)輸入T3ENB變?yōu)楦唠娖?、輸出CMPO變?yōu)榈碗娖健?br> 此時(shí)，在開關(guān)元件SW1、電感L、開關(guān)元件SW4、負(fù)載Load(輸出電壓Vout)的第三串聯(lián)電路中流過負(fù)載電流Iout。并且，電感L被施加輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的差(Vin-Vout)，從而被勵磁或復(fù)位。因此，電感L的電流iL呈斜坡狀變化。
在輸入電壓Vin比輸出電壓Vout大(降壓模式)時(shí)，期間S3中的電流iL呈斜坡狀上升。而當(dāng)輸入電壓Vin與輸出電壓Vout相等時(shí)，期間S3中的電流iL保持一定。當(dāng)輸入電壓Vin比輸出電壓Vout小(升壓模式)時(shí)，期間S3中的電流iL呈斜坡狀下降。例如，圖2的動作波形示出了升壓模式。
然后，在觸發(fā)輸入T3ENB變?yōu)楦唠娖介_始經(jīng)過了規(guī)定的時(shí)間t3(延遲時(shí)間t3)之后，當(dāng)觸發(fā)輸出T3從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，驅(qū)動電壓VG1保持低電平，驅(qū)動電壓VG2從低電平變?yōu)楦唠娖剑?qū)動電壓VG3保持低電平，驅(qū)動電壓VG4從低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)輸入T3ENB從高電平變?yōu)榈碗娖健Ｈ缓?，期間S3結(jié)束，進(jìn)入期間S1。
這樣，圖1的實(shí)施例反復(fù)進(jìn)行從期間S1進(jìn)入期間S2的步驟、從期間S2進(jìn)入期間S3的步驟、從期間S3進(jìn)入期間S1的步驟。即，反復(fù)進(jìn)行電感L被輸入電壓Vin勵磁的步驟、電感L被輸出電壓Vout復(fù)位的步驟、電感L被輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的差勵磁或復(fù)位的步驟。
開關(guān)控制單元SEQ由序列發(fā)生器邏輯電路形成，而序列發(fā)生器邏輯電路是由異步時(shí)序電路構(gòu)成的，該開關(guān)控制單元SEQ對第一～第四開關(guān)元件SW1～SW4的導(dǎo)通/截止進(jìn)行集中控制，從而變?yōu)榈谝粻顟B(tài)(期間S1)、第二狀態(tài)(期間S2)、第三狀態(tài)(期間S3)中的任意一個(gè)狀態(tài)。
因此，如果使電流指令值CMD為規(guī)定的值，則峰值ip變?yōu)橐?guī)定的值，負(fù)載電流Iout也變?yōu)橐?guī)定的值，負(fù)載電流Iout的平均值Io也變?yōu)橐?guī)定的值。
這樣，圖1的實(shí)施例借助于開關(guān)元件SW1、SW2、SW3、SW4的導(dǎo)通/截止，由輸入電壓Vin生成規(guī)定的負(fù)載電流Iout。
另一方面，與開關(guān)元件SW1、SW2、SW3、SW4的導(dǎo)通/截止相關(guān)的開關(guān)周期Ts和開關(guān)頻率fs，作為期間S1的時(shí)間t1、期間S2的時(shí)間t2、期間S3的時(shí)間t3，滿足以下的計(jì)算式(2)。
Ts＝1/fs＝t1+t2+t3(2)圖3(a)是在輸入電壓Vin和輸出電壓Vout相等(Vin＝Vout)的情況下，電流iL的波形。圖3(b)是輸入電壓Vin比輸出電壓Vout大(Vin＞Vout)的情況下，電流iL的波形。
圖3(c)是輸入電壓Vin比輸出電壓Vout小(Vin＜Vout)并且期間S2為0(t2＝0)的情況下，電流iL的波形。
圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)中的期間S3(延遲時(shí)間t3)都是規(guī)定的時(shí)間。
設(shè)期間S1中電流iL的變化率為d/dt·iL(S1)，期間S2中電流iL的變化率為d/dt·iL(S2)，期間S3中電流iL的變化率為d/dt·iL(S3)，電感L的感應(yīng)系數(shù)為L，則滿足計(jì)算式(3)至(5)。
d/dt·iL(S1)＝Vin/L(3)d/dt·iL(S2)＝-Vout/L (4)d/dt·iL(S3)＝(Vin-Vout)/L (5)
因此，變化率d/dt·iL(S3)的絕對值比變化率d/dt·iL(S1)的絕對值小，比變化率d/dt·iL(S2)的絕對值小。
此外，期間S2和期間S3的電流iL為負(fù)載電流Iout。并且，期間S2和期間S3的總和在開關(guān)周期Ts中占有較大的比例。
因此，圖1的實(shí)施例的期間S3抑制了電感L的脈動電流ΔiL。并且，圖1的實(shí)施例的期間S3將開關(guān)頻率fs抑制得較低。因此，抑制了圖1的實(shí)施例中的電感L的鐵心損耗。
由此，圖1的實(shí)施例的電感L可以實(shí)現(xiàn)小型、低成本。
以下利用圖3的波形，對圖1的實(shí)施例的動作進(jìn)行更詳細(xì)地說明。
例如，使期間S3(時(shí)間t3)為規(guī)定的值。并且，相對于期間S1(時(shí)間t1)和期間S2(時(shí)間t2)，使期間S3(時(shí)間t3)充分大。例如，使時(shí)間t3為時(shí)間t1和時(shí)間t2的5倍。
并且，期間S3的中央M處的電流iL的值與期間S3中的電流iL的平均值i2相等。并且，平均值i2基于期間S3的初始電流iL的值i1而變化。
此外，將脈動電流ΔiL、輸入輸出電壓差ΔVio、規(guī)定的常數(shù)k作為參數(shù)，定時(shí)器TIM2使延遲時(shí)間t2變化，以滿足計(jì)算式(6)，并且定時(shí)器TIM3決定延遲時(shí)間t3，以滿足計(jì)算式(7)。
t2＝(1+(Vin-Vout)/ΔVio)·L·ΔiL/Vout(6)t3＝L·k·ΔiL/ΔVio (7)此時(shí)，時(shí)間t2隨輸入電壓Vin增大而增大，并且隨輸出電壓Vout增大而減小。此外，當(dāng)輸入電壓Vin和輸出電壓Vout變化時(shí)，由于使時(shí)間t2變化，所以期間S3中央M處的電流iL的值保持一定。
在這樣的圖1的實(shí)施例中，如果平均值i2一定，則負(fù)載電流Iout的平均值Io也大致保持一定。
由此，圖1的實(shí)施例中的負(fù)載電流的平均值Io對輸入電壓Vin的依賴性被抑制，并且對輸出電壓Vout的依賴性也被抑制。
由于電感L的脈動電流ΔiL被抑制，所以圖1的實(shí)施例的噪聲降低，圖1的實(shí)施例的輸出脈動電流和輸出脈動電壓降低，從而圖1的實(shí)施例中的電感L的飽和被抑制。
此外，在圖1的實(shí)施例中，脈動電流ΔiL的有效值被抑制，所以開關(guān)元件SW1、開關(guān)元件SW2、開關(guān)元件SW3、開關(guān)元件SW4和電感L的導(dǎo)通損耗變小。因此，開關(guān)元件SW1、開關(guān)元件SW2、開關(guān)元件SW3、開關(guān)元件SW4和電感L可以實(shí)現(xiàn)小型、低成本、低損耗。
此外，圖1的實(shí)施例由于能降低開關(guān)頻率fs，所以能抑制開關(guān)的鐵心損耗，以及與開關(guān)元件SW1、開關(guān)元件SW2、開關(guān)元件SW3、開關(guān)元件SW4的驅(qū)動相關(guān)的損耗等依賴于頻率的損耗。從而，圖1的實(shí)施例的電感L可以實(shí)現(xiàn)小型、低成本、低損耗。
此外，在圖1的實(shí)施例中，由于可以降低開關(guān)頻率fs，所以能抑制與電感L的鐵心損耗以及開關(guān)元件SW1、開關(guān)元件SW2、開關(guān)元件SW3、開關(guān)元件SW4的驅(qū)動相關(guān)的損耗等依存于頻率的損耗。從而，圖1的實(shí)施例的電感L可以實(shí)現(xiàn)小型、低成本、低損耗。
此外，當(dāng)期間S3比期間S1和期間S2充分大時(shí)，負(fù)載電流的平均值Io由期間S3的電流iL的平均值i2支配性地決定，所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以無視期間S1和期間S2中的電流iL的變動部分。
此外，由于減少了負(fù)載電流Iout對輸入電壓Vin的依賴性和對輸出電壓Vout的依賴性，負(fù)載電流Iout變得穩(wěn)定，所以圖1的實(shí)施例提供了一種特別適于便攜設(shè)備、小型電子裝置、電力裝置的應(yīng)用。
圖4是圖1的實(shí)施例的階躍響應(yīng)中電壓VS1的波形。以下利用圖4，對圖1的實(shí)施例的特性進(jìn)行詳細(xì)說明。
在圖4中，當(dāng)電流指令值CMD上升時(shí)，電壓VS1的峰值也上升。因此，當(dāng)電流指令值CMD上升時(shí)，電壓VS1上升，電流iL上升，負(fù)載電流Iout上升。
此外，在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，電壓VS1的峰值變?yōu)殡娏髦噶钪礐MD，同時(shí)保持規(guī)定的延遲時(shí)間t2和規(guī)定的延遲時(shí)間t3，因此圖1的實(shí)施例的電壓VS1如圖7的波形所示變化。
具體地講，在電流指令值CMD呈階躍狀變化的情況下，電壓VS1僅在階躍狀變化之后的第一個(gè)周期中變動，在階躍狀變化之后的第二個(gè)周期之后就不再變動。即，在階躍狀變化之前，電壓VS1以開關(guān)周期Ts動作，并且僅在階躍狀變化之后的第一個(gè)周期中以時(shí)間Td動作，在階躍狀變化之后的第二個(gè)周期之后以開關(guān)周期Ts動作。
因此，圖1的實(shí)施例具有良好的響應(yīng)特性。
此外，圖1的實(shí)施例在本質(zhì)上不需要相當(dāng)于現(xiàn)有的電流模式的電流調(diào)節(jié)器中的斜率補(bǔ)償電路的結(jié)構(gòu)。因此，圖1的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡單。
圖5是表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。對于與圖1的實(shí)施例相同的要素，標(biāo)以相同的標(biāo)號，并省略其說明。
圖5的發(fā)明的特征是具有作為第三開關(guān)元件的二極管D3、作為第四開關(guān)元件的二極管D4、平滑電容器Co以及誤差放大器EA。
在圖5中，二極管D3的正極與共通電位GND連接，二極管D3的負(fù)極與開關(guān)元件SW1的另一端(漏極)連接。并且，二極管D4的負(fù)極與輸出電壓Vout和負(fù)載Load的另一端連接，二極管D4的正極與開關(guān)元件SW2的另一端(漏極)連接。
此外，平滑電容器Co與輸出電壓Vout并聯(lián)連接。由電阻R1和電阻R2構(gòu)成的分壓器與輸出電壓Vout并聯(lián)連接。
此外，誤差放大器EA的非反轉(zhuǎn)輸入與基準(zhǔn)電壓Vref連接。誤差放大器EA的反轉(zhuǎn)輸入與電阻R1和電阻R2之間的分壓點(diǎn)連接。誤差放大器EA的輸出與電流指令值CMD和比較器CMP的反轉(zhuǎn)輸入連接。并且，誤差放大器EA對與輸出電壓Vout相關(guān)的電壓Vout·R2/(R1+R2)與基準(zhǔn)電壓Vref之間的差值進(jìn)行放大，輸出電流指令值CMD。
以下對這樣的圖5的實(shí)施例的動作進(jìn)行說明。平滑電容器Co使輸出電壓Vout平滑。并且，二極管D3和二極管D4對在電感L中感應(yīng)的電壓進(jìn)行整流。
此外，當(dāng)電壓Vout比規(guī)定的電壓大時(shí)，誤差放大器EA的反轉(zhuǎn)輸入的電壓Vout·R2/(R1+R2)變得比基準(zhǔn)電壓Vref大，從而誤差放大器EA的輸出下降，電流指令值CMD下降，比較器CMP的反轉(zhuǎn)輸入下降，電壓VS1下降，電流iL下降，即開關(guān)元件SW1和開關(guān)元件SW2的導(dǎo)通期間S1(時(shí)間t1)變小，輸出電壓Vout下降。
當(dāng)電壓Vout比規(guī)定的電壓小時(shí)，誤差放大器EA的反轉(zhuǎn)輸入的電壓Vout·R2/(R1+R2)變得比基準(zhǔn)電壓Vref小，從而誤差放大器EA的輸出上升，電流指令值CMD上升，比較器CMP的反轉(zhuǎn)輸入上升，電壓VS1上升，電流iL上升，即開關(guān)元件SW1和開關(guān)元件SW2的導(dǎo)通期間S1(時(shí)間t1)變大，輸出電壓Vout上升。
這樣，圖5的實(shí)施例借助于開關(guān)元件SW1、SW2的導(dǎo)通/截止，由輸入電壓Vin生成規(guī)定的輸出電壓Vout。并且，圖5的實(shí)施例與圖1的實(shí)施例同樣，可以實(shí)現(xiàn)小型、低成本、結(jié)構(gòu)簡單。
此外，圖5的實(shí)施例可以使電感L的電流不連續(xù)，即可以在電感電流不連續(xù)模式下動作。并且，電感電流不連續(xù)模式在小負(fù)載或無負(fù)載的情況下，提供了良好的脈沖動作特性。關(guān)于電感電流不連續(xù)模式的詳細(xì)動作，由于是公知技術(shù)，所以這里省略其說明。
圖5的實(shí)施例本質(zhì)上抑制了開關(guān)元件SW1、SW2、SW3、SW4的過電流。并且，圖5的實(shí)施例抑制了平滑電容器Co的沖擊電流。
此外，在前面的例子中，將電阻RS1配置在共通電位GND和開關(guān)元件SW2的一端(源極)之間，但作為另一種技術(shù)方案，將電阻RS1配置在輸入電壓Vin和開關(guān)元件SW1的一端(源極)之間，也能獲得同樣的作用和效果。
此外，在前面的例子中，由設(shè)置在外部的電阻RS1形成電流檢測單元，但作為另一種技術(shù)方案，由開關(guān)元件內(nèi)部的導(dǎo)通電阻形成電流檢測單元，也能獲得同樣的作用和效果。
此外，在前面的例子中，由MOSFET形成開關(guān)元件，但作為另一種技術(shù)方案，由MOSFET以外的半導(dǎo)體元件等形成開關(guān)元件，也能獲得同樣的作用和效果。
此外，在前面的例子中，升降壓型電流調(diào)節(jié)器按照期間S1、期間S2、期間S3、期間S1的順序變化而生成規(guī)定的負(fù)載電流，但作為另一種技術(shù)方案，升降壓型電流調(diào)節(jié)器也可以按照期間S1、期間S3、期間S2、期間S1的順序變化而生成規(guī)定的負(fù)載電流。
如上所述，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例，在不脫離其本質(zhì)的范圍內(nèi)，還包含很多變更和變形。
權(quán)利要求
1.一種升降壓型電流調(diào)節(jié)器，由輸入電壓生成負(fù)載電流，其特征在于，具有第一串聯(lián)電路，其具有第一開關(guān)元件、磁氣元件和第二開關(guān)元件，被施加上述輸入電壓；第二串聯(lián)電路，其具有第三開關(guān)元件、上述磁氣元件、第四開關(guān)元件和負(fù)載，流過上述負(fù)載電流；第三串聯(lián)電路，其具有上述第一開關(guān)元件、上述磁氣元件、上述第四開關(guān)元件和上述負(fù)載，被施加上述輸入電壓；以及開關(guān)控制單元，其控制上述第一開關(guān)元件、上述第二開關(guān)元件、上述第三開關(guān)元件和上述第四開關(guān)元件，以變?yōu)槭股鲜龅谝淮?lián)電路中流過電流的第一狀態(tài)、使上述第二串聯(lián)電路中流過電流的第二狀態(tài)和使上述第三串聯(lián)電路中流過電流的第三狀態(tài)中的一種狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有電流檢測單元，其檢測出流過上述磁氣元件的電流；以及比較器，其對上述電流檢測單元的檢測值和電流指令值進(jìn)行比較，并輸出與比較結(jié)果相應(yīng)的信號，上述開關(guān)控制單元根據(jù)上述比較器的輸出信號進(jìn)行控制，使得從上述第一狀態(tài)變?yōu)樯鲜龅诙顟B(tài)或變?yōu)樯鲜龅谌隣顟B(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有第一定時(shí)器，用于決定上述第三狀態(tài)的期間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第三狀態(tài)的期間比上述第一狀態(tài)的期間和上述第二狀態(tài)的期間大。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有第二定時(shí)器，用于決定上述第二狀態(tài)的期間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第二定時(shí)器產(chǎn)生延遲時(shí)間，該延遲時(shí)間是根據(jù)上述輸入電壓和在上述負(fù)載上產(chǎn)生的輸出電壓而決定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，上述第三開關(guān)元件和上述第四開關(guān)元件是二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的升降壓型電流調(diào)節(jié)器，其特征在于，具有平滑電容器，其用于使在上述負(fù)載上產(chǎn)生的輸出電壓平滑；以及誤差放大器，其用于對上述輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大，輸出上述電流指令值的信號。
9.一種升降壓型電流調(diào)節(jié)器的控制方法，該升降壓型電流調(diào)節(jié)器由輸入電壓生成規(guī)定的負(fù)載電流，其特征在于，該控制方法具有以下步驟磁氣元件借助于上述輸入電壓而被勵磁；上述磁氣元件借助于基于上述負(fù)載電流的輸出電壓而被復(fù)位；以及上述磁氣元件借助于上述輸入電壓和上述輸出電壓的差值而被勵磁或復(fù)位。
全文摘要
提供一種小型、低成本、低損耗、結(jié)構(gòu)簡單的升降壓型電流調(diào)節(jié)器。升降壓型電流調(diào)節(jié)器由輸入電壓生成負(fù)載電流，具有第一串聯(lián)電路，具有第一開關(guān)元件、磁氣元件和第二開關(guān)元件，被施加上述輸入電壓；第二串聯(lián)電路，具有第三開關(guān)元件、上述磁氣元件、第四開關(guān)元件和負(fù)載，流過上述負(fù)載電流；第三串聯(lián)電路，具有上述第一開關(guān)元件、上述磁氣元件、上述第四開關(guān)元件和上述負(fù)載，被施加上述輸入電壓；以及開關(guān)控制單元，控制上述第一開關(guān)元件、上述第二開關(guān)元件、上述第三開關(guān)元件和上述第四開關(guān)元件，以變?yōu)槭股鲜龅谝淮?lián)電路中流過電流的第一狀態(tài)、使上述第二串聯(lián)電路中流過電流的第二狀態(tài)和使上述第三串聯(lián)電路中流過電流的第三狀態(tài)中的一種狀態(tài)。
文檔編號G05F1/56GK1637677SQ20051000014
公開日2005年7月13日 申請日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者加藤大 申請人:橫河電機(jī)株式會社