專利名稱：Dc－dc轉(zhuǎn)換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法。具體地，本發(fā)明涉及一種DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法，該DC-DC轉(zhuǎn)換器當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，不產(chǎn)生從平波電路流向同步整流電路的逆向電流。
背景技術(shù)：
在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)電路響應(yīng)脈沖信號(hào)而導(dǎo)通和關(guān)斷，間斷地向電感元件供應(yīng)DC電壓。在某些情況下，這種DC-DC轉(zhuǎn)換器采用同步整流方法，通過開關(guān)元件向負(fù)載供應(yīng)返回電流，當(dāng)電感元件沒有供電時(shí)，該返回電流流入該電感元件。
圖8所示為設(shè)想的同步整流型DC(直流)-DC(直流)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。該DC-DC轉(zhuǎn)換器包括輕負(fù)載檢測電路，其根據(jù)負(fù)載的大小關(guān)斷同步整流開關(guān)元件。
在圖8所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，控制電路10檢測DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout和基準(zhǔn)電壓E11的差，并將差電壓Vd發(fā)送到比較器20。比較器20比較差電壓Vd和對應(yīng)于(例如，成比例)感應(yīng)電流(從開關(guān)電路40流向電感L51的電流)的電流值的電壓V1。當(dāng)電壓V1高于差Vd時(shí)，比較器20輸出高電平信號(hào)，且當(dāng)電壓V1低于差電壓Vd時(shí)，比較器20輸出低電平信號(hào)。
具有恒定頻率的時(shí)鐘信號(hào)CLK從時(shí)鐘電路1輸出到D-型觸發(fā)電路(以下稱為D-FF)30。在時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升沿，D-FF30鎖存供應(yīng)給其數(shù)據(jù)輸入端子(以下稱為D端子)的電源電壓VDD，并從其輸出端子(以下稱為Q端子)輸出高電平信號(hào)。D-FF30由比較器20的高電平信號(hào)復(fù)位。于是，D-FF30繼續(xù)從其Q端子輸出高電平信號(hào)，從時(shí)鐘信號(hào)CLK上升時(shí)直到比較器20的輸出變?yōu)楦唠娖健?br> 當(dāng)D-FF30的Q端子的輸出變?yōu)楦唠娖?，通過電平偏移電路5，將ON電平(高電平)電壓施加到開關(guān)電路40的高側(cè)的N-MOSFET(N溝道MOSFET；MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)41。另一方面，被反向器2取反的OFF電平(低電平)電壓和輕負(fù)載檢測電路60的輸出信號(hào)的邏輯“與”，通過“與”電路4施加到在低側(cè)的N-MOSFET 42的柵極。因此，高側(cè)的N-MOSFET 41導(dǎo)通，低側(cè)的N-MOSFET 42關(guān)斷。然后，電流從電源VCC流入電感L51并對平波電容C51充電。
當(dāng)D-FF30的輸出信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑陂_關(guān)電路40的高側(cè)，OFF電平(低電平)電壓施加到N-MOSFET 41的柵極。另一方面，被反向器2取反的ON電平(高電平)電壓通過“與”電路4施加到在低側(cè)的N-MOSFET 42。于是，高側(cè)的N-MOSFET 41關(guān)斷以及低側(cè)的N-MOSFET 42導(dǎo)通。然后，電感L51中流動(dòng)的電流流經(jīng)低側(cè)的N-MOSFET 42。
當(dāng)D-FF30的Q端子的脈沖輸出的脈沖寬度(高電平時(shí)段)增加時(shí)，在高側(cè)的N-MOSFET 41的ON時(shí)段變長。而且，要從電源VCC供應(yīng)到電感L51的能量增加，以及輸出電壓Vout增加。
當(dāng)輸出電壓Vout增加時(shí)，控制電路10獲得的差電壓Vd減少，且比較器20輸出的脈沖信號(hào)的脈沖寬度變寬。當(dāng)脈沖信號(hào)的脈沖寬度變寬時(shí)，D-FF30復(fù)位的時(shí)段變長且從Q端子輸出的脈沖的脈沖寬度變窄。因此，N-MOSFET 41的ON時(shí)段變短，且從電源VCC供應(yīng)到電感L51的能量減少，所以輸出電壓Vout減少。
當(dāng)輸出電壓Vout減少時(shí)，控制電路10獲得的差電壓Vd增加，且比較器20輸出的脈沖信號(hào)的脈沖寬度變窄。當(dāng)脈沖信號(hào)的脈沖寬度變窄時(shí)，D-FF30復(fù)位的時(shí)段變短且從Q端子輸出的脈沖的脈沖寬度變寬。因此，N-MOSFET 41的ON時(shí)段變長。而且，從電源VCC供應(yīng)到電感L51的能量增加，且輸出電壓Vout也增加。
以此方式，輸出電壓Vout匯聚在系統(tǒng)穩(wěn)定的電平，于是獲得穩(wěn)定的輸出電壓Vout。
在圖8所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)負(fù)載小時(shí)，電感L51中流動(dòng)的電流小。為了檢測到這種情況并停止同步整流功能，即，為了關(guān)斷N-MOSFET 42，設(shè)置輕負(fù)載檢測電路60。
當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，負(fù)載電流減少，且對應(yīng)于負(fù)載電流的電壓V1也減少。這樣，供應(yīng)給組成輕負(fù)載檢測電路60的比較器61的正輸入端子(+)的電壓信號(hào)V1減少為小于基準(zhǔn)電壓E61。因此，比較器61將低電平信號(hào)供應(yīng)給“與”電路4，且“與”電路4控制低側(cè)的N-MOSFET 42一直保持關(guān)斷。于是，僅高側(cè)的N-MOSFET 41導(dǎo)通和關(guān)斷，且沒有返回電流從電感L51逆向流出。于是，可以防止N-MOSFET 42的開關(guān)損失并節(jié)省要消耗的能量。
具有上述結(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)負(fù)載從重變?yōu)檩p時(shí)，具有在高側(cè)的N-MOSFET 41持續(xù)關(guān)斷且在低側(cè)的N-MOSFET 42持續(xù)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。如果此狀態(tài)繼續(xù)，逆向電流從電感L51流向N-MOSFET 42。于是，N-MOSFET 42會(huì)損壞。
為了更具體地說明，當(dāng)負(fù)載變小時(shí)，本來流向負(fù)載的電流開始流入平波電容C51。這樣，輸出電壓Vout增加，且控制電路10輸出的差電壓Vd減少。因此，比較器20的輸出持續(xù)保持在高電平且D-FF30繼續(xù)復(fù)位。在這種狀態(tài)下，D-FF30的Q端子持續(xù)輸出低電平信號(hào)，跳過本來要輸出的脈沖信號(hào)的輸出。
因此，高側(cè)的N-MOSFET 41保持關(guān)斷，且低側(cè)的N-MOSFET 42保持導(dǎo)通。
此處，如果輕負(fù)載檢測電路60檢測到負(fù)載變?yōu)榈鸵约柏?fù)載電流I1減少(如果比較器61輸出低電平信號(hào))，“與”電路4輸出低電平信號(hào)且低側(cè)的N-MOSFET 42關(guān)斷。但是，由于輕負(fù)載檢測電路60的時(shí)間常數(shù)大(一般，輕負(fù)載檢測電路60的時(shí)間常數(shù)＞＞控制電路10的時(shí)間常數(shù))以保證操作穩(wěn)定性，關(guān)斷N-MOSFET 42的控制被延遲。因此，高側(cè)的N-MOSFET 41的狀態(tài)為關(guān)斷且低側(cè)的N-MOSFET 42保持導(dǎo)通。在這種狀態(tài)，在電感L51中存儲(chǔ)的電磁能量產(chǎn)生的前向電流停止流動(dòng)后，存儲(chǔ)在平波電容C51中的電荷逆向流到N-MOSFET 42。在最壞的情況下，此逆向電流破壞N-MOSFET 42。
作為檢測電源電路的輸出電壓的異常狀態(tài)的方法，一種感測輸出電壓的脈沖波形并檢測該波形的異常狀態(tài)的方法是公知的。例如，該方法在未審查的日本專利申請公開出版物No.2005-210819中披露。
該方法檢測脈沖寬度和脈沖波形的脈沖間隔，并檢測電源的異常狀態(tài)，該脈沖波形出現(xiàn)在平波電路之前的部分的輸出端子處，即，開關(guān)電路的輸出端子。此后，根據(jù)此方法的電路輸出表示檢測到的異常的異常狀態(tài)檢測信號(hào)。
但是，即使通過上述出版物公開的異常狀態(tài)檢測方法檢測到圖8的DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的異常狀態(tài)，低側(cè)的N-MOSFET 42也只能在這種輸出電壓的異常狀態(tài)發(fā)生后才被控制。于是，上述出版物公開的異常狀態(tài)檢測方法不能防止逆向電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決上述常規(guī)問題。本發(fā)明的目的是提供一種DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法，該DC-DC轉(zhuǎn)換器當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)產(chǎn)生減少的逆向電流。
本發(fā)明的另一目的是提供一種DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法，該DC-DC轉(zhuǎn)換器可適應(yīng)負(fù)載的變化。
為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明第一方面的DC-DC轉(zhuǎn)換器(100)包括連接在施加有第一電位的端子和第一中間端子之間的第一開關(guān)元件(41)；連接在第一中間端子和施加有第二電位的端子之間的第二開關(guān)元件(42)；連接在第一中間端子和輸出端子之間的第一電感元件(L51)；連接在輸出端子和施加有第二電位的端子之間的第一電容(C51)；PWM控制電路(10，20，30)，其檢測輸出端子電壓，并輸出具有基于所述輸出端子電壓確定的脈沖寬度的脈沖信號(hào)；第一驅(qū)動(dòng)電路(1，2，3，4，5)，基于所述脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一和第二開關(guān)元件(41，42)；以及第一跳脈沖檢測電路(70)，在檢測到PWM控制電路已在預(yù)定時(shí)段或更長時(shí)間停止輸出脈沖信號(hào)時(shí)，關(guān)斷第二開關(guān)元件(42)。
所述DC-DC轉(zhuǎn)換器可以具有第一輕負(fù)載檢測電路(60)，在檢測到在第一電感元件(L51)中流動(dòng)的電流變?yōu)榈扔诨蛐∮陬A(yù)定電流值時(shí)，關(guān)斷第二開關(guān)元件(42)。在該情況下，第一跳脈沖檢測電路(70)可在第一輕負(fù)載檢測電路(60)關(guān)斷第二開關(guān)元件(42)以前關(guān)斷第二開關(guān)元件(42)。
例如，第一跳脈沖檢測電路(70)通過計(jì)數(shù)與所述脈沖信號(hào)同步的第一時(shí)鐘，檢測脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)段。可替換地，第一跳脈沖檢測電路可通過計(jì)數(shù)與所述脈沖信號(hào)異步的第二時(shí)鐘，檢測脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)段。
根據(jù)本發(fā)明第二方面的DC-DC轉(zhuǎn)換器(200)包括連接在施加有第三電位的端子和第二中間端子之間的第三開關(guān)元件(43a)；連接在第二中間端子和施加有第四電位的端子之間的第四開關(guān)元件(43b)；連接在所述施加有第三電位的端子和第三中間端子之間的第五開關(guān)元件(43c)；連接在第三中間端子和所述施加有第四電位的端子之間的第六開關(guān)元件(43d)；變壓器(TR1)，具有原邊繞組，原邊繞組的端子分別連接到第二中間端子和第三中間端子；連接在變壓器的副邊繞組的第一端子和施加有第五電位的端子之間的第七開關(guān)元件(46a)；連接在變壓器的副邊繞組的第二端子和所述施加有第五電位的端子之間的第八開關(guān)元件(46b)；連接在變壓器的副邊繞組的抽頭和輸出端子之間的第二電感元件(L51)；連接在輸出端子和所述施加有第五電位的端子之間的第二電容(C51)；PWM控制電路(10，20，30)，檢測輸出端子電壓，并輸出具有基于所述輸出端子電壓確定的脈沖寬度的脈沖信號(hào)；第二驅(qū)動(dòng)電路(1，2，3，4)，基于所述脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)第三到第八開關(guān)元件(43a，43b，43c，43d，46a，46b)；以及第二跳脈沖檢測電路(70)，在檢測到PWM控制電路已在預(yù)定時(shí)段或更長時(shí)間停止輸出脈沖信號(hào)時(shí)，關(guān)斷第七和第八開關(guān)元件(46a，46b)。
所述DC-DC轉(zhuǎn)換器可包括第二輕負(fù)載檢測電路(60)，在檢測到在第二電感元件(L51)中流動(dòng)的電流變?yōu)榈扔诨蛐∮陬A(yù)定電流值時(shí)，關(guān)斷第七和第八開關(guān)元件(46a和46b)。在該情況下，第二跳脈沖檢測電路(70)可在第二輕負(fù)載檢測電路(60)關(guān)斷第七和第八開關(guān)元件(46a和46b)以前關(guān)斷第七和第八開關(guān)元件(46a和46b)。
第二跳脈沖檢測電路(70)通過例如，計(jì)數(shù)與所述脈沖信號(hào)同步的第一時(shí)鐘，或計(jì)數(shù)與所述脈沖信號(hào)異步的第二時(shí)鐘，檢測脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)段。
根據(jù)本發(fā)明第三方面的具有同步整流電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器(100)的控制方法包括檢測DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，并產(chǎn)生具有基于被檢測的輸出電壓確定的脈沖寬度的脈沖信號(hào)的步驟；檢測脈沖信號(hào)的輸出停止的輸出停止時(shí)段的步驟；以及當(dāng)脈沖信號(hào)的輸出停止的輸出停止時(shí)段等于或比預(yù)定時(shí)段長時(shí)，停止所述同步整流電路的操作的步驟。


通過閱讀以下詳細(xì)說明和附圖可以使本發(fā)明的這些目的和其他目的和優(yōu)點(diǎn)更明顯，其中
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2A到2J為說明圖1所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器的操作的時(shí)序圖；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖4A到4K為說明圖3所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器的操作的時(shí)序圖；圖5所示為跳脈沖檢測電路的結(jié)構(gòu)的另一例子；圖6所示為跳脈沖檢測電路的結(jié)構(gòu)的另一例子；圖7為絕緣DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；以及圖8為設(shè)想的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
具體實(shí)施例方式
將參考

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電源電路。
(第一實(shí)施例)如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的DC(直流)-DC(直流)轉(zhuǎn)換器(100)包括控制電路10，比較器20，D型觸發(fā)電路30(以下稱為D-FF30)，開關(guān)電路40，平波電路50，輕負(fù)載檢測電路60，跳脈沖檢測電路70，時(shí)鐘電路1，“非”電路2，“與”電路3，“與”電路4，電平偏移電路5，以及負(fù)載電流檢測電路6。
控制電路10包括分壓電路(電阻)R11和R12，高通電容C11，包括誤差放大器11的積分電路，高通電容C12、和用于積分的電容C13，以及電阻R13和基準(zhǔn)電源E11。
DC-DC轉(zhuǎn)換器100的輸出端子Tout連接到電阻R11的一端。電阻R11的另一端連接到電阻12的一端。電阻R12的另一端接地。高通電容C11連接在電阻R11的兩端之間。電阻R11和電阻R12之間的連接節(jié)點(diǎn)連接到誤差放大器11的反向輸入端子(-)。電阻R11和電阻R12之間的連接節(jié)點(diǎn)連接到高通電容C12的一端。電阻R11和電阻R12之間的連接節(jié)點(diǎn)還連接到積分電容C13的一端?；鶞?zhǔn)電源E11的正電壓輸出端子連接到誤差放大器11的非反向輸入端子(+)?；鶞?zhǔn)電源E11的負(fù)電壓輸出端子接地。電阻R13的一端連接到電容C13的另一端。誤差放大器11的輸出端連接到電容C12的另一端和電阻R13的另一端。誤差放大器11的輸出端連接到比較器20的反向輸入端(-)。
對應(yīng)于(例如，成比例)負(fù)載電流I1的電壓(電壓信號(hào))V1供應(yīng)給比較器20的非反向輸入端子(+)。比較器20的輸出的信號(hào)供應(yīng)給D-FF30的復(fù)位端子。比較器20的輸出的信號(hào)還供應(yīng)給組成跳脈沖檢測電路70的D-FF71的數(shù)據(jù)端子D。
D-FF71、D-FF72和“與非”電路73檢測到比較器20已在兩個(gè)時(shí)鐘周期或更長時(shí)間輸出高電平復(fù)位信號(hào)。即，D-FF71、D-FF72和“與非”電路73組成電路，用于檢測應(yīng)從D-FF30定時(shí)輸出的PWM信號(hào)，已經(jīng)被連續(xù)遺漏(跳過)兩個(gè)脈沖或更多。
D-FF71的Q端子連接到D-FF72的數(shù)據(jù)端子D。D-FF71的Q端子還連接到“與非”電路73的一個(gè)輸入端。D-FF72的Q端子連接到“與非”電路73的另一輸入端。
控制電路10、比較器20和D-FF30組成PWM調(diào)制電路。根據(jù)輸出電壓Vout和負(fù)載電流I1，所述PWM調(diào)制電路產(chǎn)生PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)以控制開關(guān)電路40的開關(guān)操作，使得可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。
時(shí)鐘電路1的時(shí)鐘輸出端子連接到D-FF30的時(shí)鐘輸入端子和D-FF71和D-FF72的時(shí)鐘輸入端子。將電源電壓VDD施加到D-FF30的數(shù)據(jù)端子D。D-FF30的輸出端連接到電平偏移電路5的輸入端。而且，D-FF30的輸出端連接到“非”電路2的輸入端?！胺恰彪娐?的輸出連接到“與”電路3?！芭c非”電路73的輸出還連接到“與”電路3。
電平偏移電路5的輸出端連接到N-MOSFET 41的柵極，其組成高側(cè)開關(guān)元件。電平偏移電路5的控制端連接到N-MOSFET 41的源極。
將電源電壓VCC施加到N-MOSFET 41的漏極。N-MOSFET 41的源極通過中間端子(連接節(jié)點(diǎn))連接到N-MOSFET 42的漏極，其組成低側(cè)開關(guān)元件。N-MOSFET 42的源極接地?！芭c”電路4的輸出端連接到N-MOSFET42的柵極。
開關(guān)電路40的輸出端，即，N-MOSFET 41的源極和N-MOSFET 42的漏極之間的連接節(jié)點(diǎn)(中間端子)連接到平波電路50中的電感L51(扼流線圈)的一端。電感L51的另一端連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器100的輸出端子Tout。電感L51的另一端還連接到平波電容C51的一端。平波電容C51的另一端接地。輸出端子Tout連接到負(fù)載且還連接到電阻R11的一端。
負(fù)載電流檢測電路6包括變壓器，霍爾元件等。負(fù)載電流檢測電路6輸出對應(yīng)于(例如，成比例)負(fù)載電流I1的電壓(電壓信號(hào))V1。負(fù)載電流檢測電路6的輸出端連接到比較器20的非反向輸入端子(+)。而且，負(fù)載電流檢測電路6的輸出端連接到輕負(fù)載檢測電路60中的電阻R61的一端。電阻R61的另一端連接到電容C61的另一端，C61的一端接地。負(fù)載電流檢測電路6的輸出端子連接到比較器61的非反向輸入端子(+)?；鶞?zhǔn)電源E61的正電壓輸出端連接到比較器61的反向輸入端子(-)?；鶞?zhǔn)電源E61的負(fù)電壓輸出端接地。比較器61的輸出連接到“與”電路4的另一輸入端。
將參考圖2A到2J說明具有上述結(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器100的操作。
(1)重負(fù)載的情況此處重負(fù)載是指需要組成開關(guān)電路40的N-MOSFET41和42都進(jìn)行開關(guān)的重負(fù)載。
當(dāng)圖2A所示的時(shí)鐘電路1輸出的時(shí)鐘信號(hào)CLK在時(shí)序T1上升時(shí)，D-FF30鎖存電源電壓VDD。通過鎖存，D-FF30輸出高電平的高側(cè)柵信號(hào)GH(從Q端子輸出的信號(hào))，如圖2B所示(此時(shí)，來自比較器20的復(fù)位信號(hào)COMP為低電平，如圖2D所示)。電平偏移電路5將來自D-FF30的信令系統(tǒng)的高電平信號(hào)GH移動(dòng)(轉(zhuǎn)換)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高電平信號(hào)。電平偏移電路5將移動(dòng)的信號(hào)供應(yīng)給N-MOSFET 41的柵極。為此，高側(cè)的N-MOSFET41導(dǎo)通。
同時(shí)，來自D-FF30的柵信號(hào)GH被“非”電路2取反為低電平信號(hào)。于是，“與”電路3關(guān)閉其門并輸出低電平信號(hào)。而且，“與”電路4輸出低電平的低側(cè)柵信號(hào)GL，如圖2C所示。于是，低側(cè)的N-MOSFET 42關(guān)斷。
因此，幾乎與時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升同步，高側(cè)的N-MOSFET 41導(dǎo)通。而且，幾乎與時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升同步，低側(cè)的N-MOSFET 42關(guān)斷。
電流從電源VCC通過高側(cè)的導(dǎo)通的N-MOSFET 41流向電感L51，以及負(fù)載電流I1開始增加，如圖2E所示。負(fù)載電流檢測電路6產(chǎn)生電壓信號(hào)V1，其近似與負(fù)載電流I1成比例。負(fù)載電流檢測電路6將電壓信號(hào)V1供應(yīng)給比較器20的非反向輸入端子。
同時(shí)，在負(fù)載穩(wěn)定的狀態(tài)，控制電路10輸出相對穩(wěn)定的差電壓Vd。供應(yīng)給比較器20的反向輸入端子的差電壓Vd相對穩(wěn)定。當(dāng)對應(yīng)負(fù)載電流I1的電壓信號(hào)V1增加到大于差電壓Vd時(shí)，比較器20輸出高電平的復(fù)位信號(hào)COMP，如圖2D所示。此輸出的時(shí)序是T2。
響應(yīng)此高電平的復(fù)位信號(hào)COMP，D-FF30復(fù)位以及將低電平(OFF電平)的高側(cè)柵信號(hào)GH施加到高側(cè)的N-MOSFET 41的柵極，如圖2B所示。以及將高電平(ON電平)的低側(cè)柵信號(hào)GL施加到低側(cè)的N-MOSFET 42的柵極，如圖2C所示。
因此，高側(cè)的N-MOSFET 41關(guān)斷，且低側(cè)的N-MOSFET 42導(dǎo)通。如圖2E所示，電感L51利用其中儲(chǔ)存的電磁能量繼續(xù)使負(fù)載電流I1通過導(dǎo)通的N-MOSFET 42流向負(fù)載。負(fù)載電流I1隨著時(shí)間逐漸減小。然后，在電壓信號(hào)V1變得小于差電壓Vd的時(shí)序，比較器20輸出的復(fù)位信號(hào)COMP變?yōu)榈碗娖健?br> 此后，每次時(shí)鐘信號(hào)CLK上升時(shí)，重復(fù)上述操作。
在負(fù)載相對大的情況下，負(fù)載電流I1也大到一定程度且電壓信號(hào)V1也相對大。因此，如圖2F所示，供應(yīng)給比較器61的非反向輸入端的輸入LLDIN大于由基準(zhǔn)電源E11供應(yīng)的基準(zhǔn)電壓LLDVTH的狀態(tài)繼續(xù)。于是，比較器61的輸出信號(hào)LLD穩(wěn)定地維持在高電平，如圖2G所示。因此，高電平信號(hào)施加到“與”電路4的一個(gè)輸入端，以保持“與”電路4的門打開。在這種情況下，“非”電路2的輸出不變地供應(yīng)到低側(cè)的N-MOSFET 42。
而且，比較器20的輸出在時(shí)鐘信號(hào)CLK上升的時(shí)序穩(wěn)定在低電平，如圖2A和2D所示，以及D-FF71和D-FF72繼續(xù)存儲(chǔ)和輸出低電平信號(hào)，如圖2H和2I所示。輸入“與非”電路73的信號(hào)Q1和信號(hào)Q2均為低電平?！芭c非”電路73輸出高電平的信號(hào)PSD，如圖2J所示。于是，將高電平信號(hào)供應(yīng)給“與”電路3的一個(gè)輸入端，以保持“與”電路3的門打開。于是，“非”電路2的輸出不變地供應(yīng)到“與”電路3的一個(gè)輸入端。因此，由D-FF30的Q端子輸出的信號(hào)的電壓電平控制低側(cè)的N-MOSFET 42的導(dǎo)通/關(guān)斷。
以此方式，在重負(fù)載狀態(tài)，開關(guān)電路40根據(jù)D-FF30輸出的PWM信號(hào)執(zhí)行開關(guān)操作。
(2)負(fù)載穩(wěn)定地輕的情況在負(fù)載輕且穩(wěn)定在這種狀態(tài)的情況下，負(fù)載電流比負(fù)載重的時(shí)候小。于是，電容C61的充電電壓LLDIN變得小于比較器61的基準(zhǔn)電源E61的電壓LLDVTH。比較器61輸出低電平信號(hào)。這樣，“與”電路4關(guān)閉以及低電平信號(hào)恒定地供應(yīng)給N-MOSFET 42的柵極。因此，N-MOSFET 42保持關(guān)斷且僅高側(cè)的N-MOSFET 41執(zhí)行開關(guān)操作。結(jié)果是，負(fù)載電流減小以及同步整流停止。
以此方式，在輕負(fù)載狀態(tài)，組成開關(guān)電路40的低側(cè)的N-MOSFET 42一直關(guān)斷。在輕負(fù)載狀態(tài)，僅高側(cè)的N-MOSFET 41根據(jù)D-FF30輸出的PWM信號(hào)執(zhí)行開關(guān)操作。
(3)重負(fù)載狀態(tài)變化為輕負(fù)載狀態(tài)的情況例如，假設(shè)負(fù)載在圖2所示的時(shí)序T3突然減少。
由于負(fù)載突然減少，輸出電壓Vout增加且誤差放大器11輸出的差電壓Vd減少。同時(shí)，由于高側(cè)的N-MOSFET 41的開關(guān)操作停止，負(fù)載電流I1減少以及電壓信號(hào)V1也減少。因此，比較器20持續(xù)輸出高電平的復(fù)位信號(hào)COMP，如圖2D所示。D-FF30由此高電平的復(fù)位信號(hào)COMP復(fù)位，及其Q輸出變?yōu)榈碗娖健８鶕?jù)此信號(hào)，低電平的高側(cè)柵信號(hào)GH供應(yīng)給高側(cè)的N-MOSFET 41的柵極，如圖2B所示，另一方面，高電平的低側(cè)柵信號(hào)GL供應(yīng)給低側(cè)的N-MOSFET 42的柵極，如圖2C所示。這個(gè)高電平的低側(cè)柵信號(hào)GL接通低側(cè)的N-MOSFET 42。
因?yàn)榈蛡?cè)的N-MOSFET 42接通，負(fù)載電流I1一直流入電感L51。由于負(fù)載變輕，大部分負(fù)載電流I1變成平波電容C51的充電電流。于是，平波電容C51的充電電壓增加。由于平波電容C51的充電電壓增加，當(dāng)電感L51靠近負(fù)載的一側(cè)的電壓變?yōu)楦哂陔姼蠰51靠近開關(guān)電路40的一側(cè)的電壓時(shí)，電流開始反向流動(dòng)，如圖2E所示。當(dāng)反向電流(逆向電流)逐漸增加時(shí)，將給N-MOSFET 42很大壓力。
同時(shí)，比較器20輸出高電平信號(hào)之后，時(shí)鐘信號(hào)CLK在時(shí)序T4上升。在這種情況下，不同于一般，D-FF71存儲(chǔ)高電平的復(fù)位信號(hào)COMP，如圖2D所示，信號(hào)COMP是從比較器20輸出的，如圖2H所示。
而且，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK在時(shí)序T5上升時(shí)，D-FF71存儲(chǔ)從比較器20輸出的高電平的復(fù)位信號(hào)COMP。然后，D-FF72鎖存D-FF71輸出的高電平的信號(hào)Q1。
于是，如圖2H和2I所示，D-FF71輸出的信號(hào)Q1和D-FF72輸出的信號(hào)Q2都變?yōu)楦唠娖?。于是，“與非”電路73的輸出信號(hào)PSD變?yōu)榈碗娖?。于是，“與”電路3關(guān)閉，以及“與”電路3的輸出從高電平變?yōu)榈碗娖健?br> 由于“與”電路3的輸出變?yōu)榈碗娖?，低?cè)柵信號(hào)GL或“與”電路4的輸出信號(hào)變?yōu)榈碗娖?。于是，低?cè)的N-MOSFET 42斷開，且負(fù)載電流I1停止流動(dòng)，如圖2E所示。
即，當(dāng)從比較器20輸出的復(fù)位信號(hào)COMP在高電平保持對應(yīng)兩個(gè)時(shí)鐘或更長的時(shí)段，D-FF30繼續(xù)復(fù)位。于是，發(fā)生這種狀況脈沖寬度被調(diào)制的脈沖連續(xù)地不輸出，直到總共遺漏兩個(gè)或更多脈沖。當(dāng)遺漏兩個(gè)或更多脈沖時(shí)，跳脈沖檢測電路70檢測此遺漏并輸出低電平信號(hào)PSD。由于低電平信號(hào)PSD，低側(cè)的N-MOSFET 42斷開。因此，不用跳脈沖檢測電路70，在高側(cè)的N-MOSFET 41斷開且低側(cè)的N-MOSFET 42接通的狀態(tài)持續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)或更長的情況下，電流從平波電容C51通過電感L51流向低側(cè)的N-MOSFET 42。但是，利用跳脈沖檢測電路70，由于低側(cè)的N-MOSFET 42斷開，防止了低側(cè)的N-MOSFET 42被損壞。
(第二實(shí)施例)根據(jù)第一實(shí)施例，跳脈沖檢測電路70構(gòu)造為根據(jù)與供應(yīng)給D-FF30的時(shí)鐘信號(hào)CLK相同的時(shí)鐘信號(hào)來操作(構(gòu)造為同步操作)。但是，跳脈沖檢測電路70需要至少能檢測D-FF30在一定時(shí)間或更長時(shí)間維持低電平信號(hào)而不輸出原來應(yīng)輸出的脈沖信號(hào)(或D-FF30繼續(xù)復(fù)位)。換言之，跳脈沖檢測電路70的制造是任意的，只要它能直接或間接測量脈沖信號(hào)輸出停止的時(shí)段。
例如，圖3所示為DC-DC轉(zhuǎn)換器200的例子，包括D-FF71、D-FF72以及跳脈沖檢測電路70，與獨(dú)立于控制D-FF30的時(shí)鐘信號(hào)CLK1的時(shí)鐘信號(hào)CLK2同步操作。
利用此結(jié)構(gòu)，在比較器20的輸出在時(shí)鐘信號(hào)CLK2被輸出兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)段持續(xù)為高電平的情況下，“與非”電路73的輸出變?yōu)榈碗娖?。于是，N-MOSFET 42的輸出斷開。顯然，利用圖3的結(jié)構(gòu)，在檢測到負(fù)載變化時(shí)可以斷開低側(cè)的N-MOSFET 42。
圖3所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器200的操作時(shí)序圖示出在圖4A到4K。圖4A到4K的時(shí)序圖與根據(jù)圖2A到2J所示的第一實(shí)施例的時(shí)序圖相同，除了D-FF71和D-FF72與時(shí)鐘信號(hào)CLK2同步操作。
圖5所示為組成跳脈沖檢測電路70的D-FF71的輸入信號(hào)是D-FF30的輸出信號(hào)的例子。在圖5所示的電路中，D-FF72的輸入信號(hào)是D-FF71的輸出信號(hào)。而且，圖5所示的電路包括“非”電路74?！胺恰彪娐?4的輸入信號(hào)是時(shí)鐘電路1的輸出信號(hào)。D-FF71和D-FF72的時(shí)鐘輸入端子的輸入信號(hào)是“非”電路74的輸出信號(hào)。圖1和圖3所示的電路通過測量D-FF30復(fù)位的時(shí)段來測量D-FF30不輸出脈沖的時(shí)段。但是，利用圖5的結(jié)構(gòu)，跳脈沖檢測電路70直接測量D-FF30不輸出脈沖的時(shí)段。然后，當(dāng)跳脈沖檢測電路70檢測到持續(xù)某一時(shí)段的(兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)段)無輸出，關(guān)閉“與”電路3。
圖6所示為跳脈沖檢測電路70由m級(jí)D-FF組成的例子。利用此結(jié)構(gòu)，當(dāng)脈沖在m時(shí)鐘時(shí)段連續(xù)不輸出時(shí)，跳脈沖檢測電路70輸出信號(hào)以斷開低側(cè)的開關(guān)元件。
本發(fā)明也可應(yīng)用于如圖7所示的絕緣DC-DC轉(zhuǎn)換器300。
該DC-DC轉(zhuǎn)換器切換包括4個(gè)N-MOSFET 43a到43d的橋電路43，其通過中間端子Tm1和Tm2利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路44a和44b橋連。通過此切換，DC-DC轉(zhuǎn)換器300向絕緣變壓器TR1的原邊繞組W1供應(yīng){輸入電壓Vin(+)-輸入電壓Vin(-)}。DC-DC轉(zhuǎn)換器300具有連接到平波電路50的副邊繞組W2的中間抽頭。DC-DC轉(zhuǎn)換器300利用驅(qū)動(dòng)電路45a和45b通過開關(guān)N-MOSFET 46a和46b來整流輸入電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器300將整流的輸入電壓供應(yīng)給平波電路50。
基于平波電路50的輸出電壓Vout和供應(yīng)給平波電路50的負(fù)載電流I1，控制電路10、比較器20和D-FF30產(chǎn)生PWM信號(hào)。產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過邏輯電路48、絕緣變壓器TR2和DC分量刪節(jié)電容CC供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電路44a和44b。PWM信號(hào)還通過邏輯電路49供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電路45a和45b。
檢測到輕負(fù)載時(shí)，輕負(fù)載檢測電路60將低電平信號(hào)通過“與”電路4供應(yīng)給邏輯電路49。通過供應(yīng)此低電平信號(hào)，輕負(fù)載檢測電路60關(guān)閉組成邏輯電路49的“與”電路。然后，輕負(fù)載檢測電路60指示副邊側(cè)的驅(qū)動(dòng)電路45a和45b斷開同步整流開關(guān)元件N-MOSFET 46a和46b。
在比較器20連續(xù)兩個(gè)時(shí)鐘或更長的時(shí)段輸出高電平信號(hào)，跳脈沖檢測電路70通過“與”電路4和邏輯電路49將低電平信號(hào)供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電路45a和45b。通過供應(yīng)低電平信號(hào)，跳脈沖檢測電路70斷開在副邊側(cè)組成開關(guān)電路46的同步整流N-MOSFET 46a和46b。
利用此結(jié)構(gòu)，當(dāng)重負(fù)載變?yōu)檩p負(fù)載時(shí)可能發(fā)生的連續(xù)遺漏(跳過)PWM信號(hào)可被檢測到。當(dāng)檢測到任何跳過時(shí)，跳脈沖檢測電路70斷開同步整流N-MOSFET 46a和46b。通過這樣做，跳脈沖檢測電路70可防止電流從平波電容C51通過電感L51反向流向同步整流N-MOSFET 46a和46b。
圖3、圖5和圖6所示的跳脈沖檢測電路70的結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于圖7所示的絕緣DC-DC轉(zhuǎn)換器300。
根據(jù)上述實(shí)施例，開關(guān)電路40、部件43a到43d以及部件44a和44b由N-MOSFET組成。這不是唯一的，它們可以由P-MOSFET或其他類型的開關(guān)元件組成。
而且，功率源電壓VCC和VDD可以不必是由外部供應(yīng)的功率源電壓，而是內(nèi)部下降或上升的電壓。即，功率源電壓VCC和VDD是作為操作基準(zhǔn)的通用電壓。類似考慮接地電壓，任意電壓，如，芯片的接地電壓、基板的接地電壓、底盤的接地電壓等，將作為電路的操作基準(zhǔn)，可設(shè)置為接地電壓。對于端子、節(jié)點(diǎn)等，不需要“物理的”端子，這種端子是一條線和另一條線在該處連接或一條線和另一條線在該處交叉。而且，上述實(shí)施例中的數(shù)值可任意改變。
上述電路的例子僅是例子，只要可實(shí)現(xiàn)相同功能，其結(jié)構(gòu)可任意改變。
可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，做出各種實(shí)施形式和改變。雖然已結(jié)合上述實(shí)施例說明了本發(fā)明，這些說明僅是示例性的，并非限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是實(shí)施例來限定。在本發(fā)明的權(quán)利要求及其等同的范圍內(nèi)做出的各種修改應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC轉(zhuǎn)換器(100)，包括第一開關(guān)元件(41)，連接在施加有第一電位的端子與第一中間端子之間；第二開關(guān)元件(42)，連接在所述第一中間端子與施加有第二電位的端子之間；第一電感元件(L51)，連接在所述第一中間端子與一個(gè)輸出端子之間；第一電容元件(C51)，連接在所述輸出端子與所述施加有第二電位的端子之間；一個(gè)脈寬調(diào)制控制電路(10，20，30)，其檢測所述輸出端子的電壓，并且輸出具有一脈沖寬度的脈沖信號(hào)，該脈沖寬度是根據(jù)所述輸出端子的電壓來確定的；第一驅(qū)動(dòng)電路(1，2，3，4，5)，其根據(jù)所述脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件(41，42)；以及第一跳脈沖檢測電路(70)，其一旦檢測到所述脈寬調(diào)制控制電路(10，20，30)停止輸出脈沖信號(hào)達(dá)到預(yù)定的時(shí)間或更長，則關(guān)斷所述第二開關(guān)元件(42)。
2.如權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括第一輕負(fù)載檢測電路(60)，其一旦檢測到所述第一電感元件(L51)中流過的電流變得等于或小于預(yù)定電流值時(shí)，關(guān)斷所述第二開關(guān)元件(42)；其中在所述第一輕負(fù)載檢測電路(60)關(guān)斷所述第二開關(guān)元件(42)之前，所述第一跳脈沖檢測電路(70)關(guān)斷所述第二開關(guān)元件(42)。
3.如權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中所述第一跳脈沖檢測電路(70)通過對與所述脈沖信號(hào)同步的第一時(shí)鐘計(jì)數(shù)來檢測所述脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)間段。
4.如權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中所述第一跳脈沖檢測電路(70)通過對與所述脈沖信號(hào)異步的第二時(shí)鐘計(jì)數(shù)來檢測所述脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)間段。
5.一種DC-DC轉(zhuǎn)換器(200)，包括第三開關(guān)元件(43a)，連接在施加有第三電位的端子與第二中間端子之間；第四開關(guān)元件(43b)，連接在所述第二中間端子與施加有第四電位的端子之間；第五開關(guān)元件(43c)，連接在所述施加有第三電位的端子與第三中間端子之間；第六開關(guān)元件(43d)，連接在所述第三中間端子與所述施加有第四電位的端子之間；變壓器(TR1)，具有原邊繞組，該原邊繞組的兩個(gè)端子分別連接到所述第二中間端子和所述第三中間端子；第七開關(guān)元件(46a)，連接在所述變壓器(TR1)的副邊繞組的第一端子與施加有第五電位的端子之間；第八開關(guān)元件(46b)，連接在所述變壓器(TR1)的副邊繞組的第二端子與所述施加有第五電位的端子之間；第二電感元件(L51)，連接在所述變壓器(TR1)的所述副邊繞組的中間抽頭與一個(gè)輸出端子之間；第二電容元件(C51)，連接在所述輸出端子與所述施加有第五電位的端子之間；一個(gè)脈寬調(diào)制控制電路(10，20，30)，其檢測所述輸出端子的電壓，并且輸出具有一脈沖寬度的脈沖信號(hào)，該脈沖寬度是根據(jù)所述輸出端子的電壓來確定的；第二驅(qū)動(dòng)電路(1，2，3，4)，其根據(jù)所述脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第三開關(guān)元件到第八開關(guān)元件(43a，43b，43c，43d，46a，46b)；以及第二跳脈沖檢測電路(70)，其一旦檢測到所述脈寬調(diào)制控制電路(10，20，30)停止輸出脈沖信號(hào)達(dá)到預(yù)定的時(shí)間或更長，則關(guān)斷所述第七開關(guān)元件和第八開關(guān)元件。
6.如權(quán)利要求5所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器(200)，包括第二輕負(fù)載檢測電路(60)，其一旦檢測到所述第二電感元件(L51)中流過的電流變得等于或小于預(yù)定電流值時(shí)，關(guān)斷所述第七開關(guān)元件和第八開關(guān)元件(46a，46b)；其中在所述第二輕負(fù)載檢測電路(60)關(guān)斷所述第七開關(guān)元件和第八開關(guān)元件(46a，46b)之前，所述第二跳脈沖檢測電路(70)關(guān)斷所述第七開關(guān)元件和第八開關(guān)元件(46a，46b)。
7.如權(quán)利要求5所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器(200)，其中所述第二跳脈沖檢測電路(70)通過對與所述脈沖信號(hào)同步的第一時(shí)鐘計(jì)數(shù)來檢測所述脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)間段。
8.如權(quán)利要求5所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器(200)，其中所述第二跳脈沖檢測電路(70)通過對與所述脈沖信號(hào)異步的第二時(shí)鐘計(jì)數(shù)來檢測所述脈沖信號(hào)的輸出停止的時(shí)間段。
9.一種具有同步整流電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器(100)的控制方法，所述方法包括檢測所述DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓并產(chǎn)生具有根據(jù)所檢測到的輸出電壓確定的脈沖寬度的脈沖信號(hào)的步驟；檢測其中所述脈沖信號(hào)的輸出停止的輸出停止時(shí)間段的步驟；以及當(dāng)所述脈沖信號(hào)的停止輸出時(shí)間段變得等于或長于預(yù)定時(shí)間段時(shí)，停止所述同步整流電路的操作的步驟。
全文摘要
一種DC－DC轉(zhuǎn)換器(100)，具有開關(guān)電路(40)，該開關(guān)電路在高側(cè)和低側(cè)包括開關(guān)元件(41，42)，連接至所述開關(guān)電路(40)輸出端子的電感(L51)，連接至所述電感(L51)的平波電容(C51)，向所述開關(guān)元件(41，42)提供開關(guān)脈沖的開關(guān)控制電路(10，20，30)，以及一個(gè)電路(70)。該電路(70)檢測一種狀態(tài)維持一預(yù)定的時(shí)間段，在該狀態(tài)，位于高側(cè)的開關(guān)元件(41)關(guān)閉，而位于低側(cè)的開關(guān)元件(42)打開。在這種情況下，電路(70)強(qiáng)制關(guān)斷位于低側(cè)的開關(guān)元件(42)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK1956307SQ200610136680
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者今井考一, 五木田剛男 申請人:Tdk株式會(huì)社