CN101188381A - Dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

根据本发明，提供一种把输入电压转换成为输出电压的DC－DC转换器，包括：具有一个连接到输入电压的端子的电感器；连接到电感器的另一个端子并且根据周期性脉冲信号的输入执行开关动作的开关；通过把在电感器中流动的电流值转换成为监控电压值来检测过电流的发生，并且比较监控电压值和参考电压值的监控电路；使考电压值波动以便参考电压值和输入电压的波动具有负相关的抵偿电路；以及使参考电压值波动以便参考电压值和输出电压的设定值的波动具有正相关的调整电路。

Description

DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及DC-DC转换器，更具体地，涉及具有过电流检测功能的DC-DC转换器。

背景技术

在日本未审专利申请公开文本No.2003-244941中公开了具有检测过电流以保护电路的功能的DC-DC转换器。在日本未审专利申请公开文本第No.2004-343900和No.2002-142456中公开了根据输入电压的波动调节过电流保护的阈值的另一技术。此外，在日本未审专利申请公开文本No.2005-20833中公开了根据输出电压调节过电流保护的阈值的技术。

我们现在已经发现了上面描述的相关的DC-DC转换器具有一些在下面解释的问题。

图1示出了如现有技术中已知的DC-DC转换器100的配置。DC-DC转换器100包括电感器101、晶体管102、二极管103、电容器104、和电阻元件105，并且把输出电压提供给与输出终端106连接的电路200。根据输入到栅电极的周期性脉冲信号PS，晶体管102被打开和关闭。可以通过改变脉冲信号PS的占空比来控制DC-DC转换器100的输出电压。

在图2A中示出在DC-DC转换器100的晶体管102中流动的电流Im。当电流Im的值变得大于阈值Th时，确定在晶体管102中有过量的电流。然后停止对DC-DC转换器100的操作以保护电路。例如，由于与输出终端106连接的电路200的故障，可能从输出终端106流出过量的电流。在这种情况下，电流波形示出如图2A中虚线所示的动作。

可以根据如下表达式评估图2A中所示的脉动(ripple)Irip的值；

$\mathrm{Irip}=\frac{\mathrm{Vin}}{L}\×\mathrm{Ton}=\frac{\mathrm{Vin}}{L}\×\frac{\mathrm{Vout}-\mathrm{Vin}}{\mathrm{Vout}}\×\frac{1}{f}$

其中Vin是输入电压，VOUT是输出电压的设定值，L是电感器101的电感，Ton是晶体管102导通的时间长度，以及f是脉冲信号PS的频率。

根据上面的等式，当输入电压或输出电压的设定值波动时，图2A中实线所示的电流波形变化。当输入电压变得小于在图2A中所示的时，电流Im的波形变成图2B中虚线所示的波形。当输入电压变得大于在图2A中所示的时，电流Im的波形变成图2C中虚线所示的波形。当输出电压的设定值变得大于在图2A中所示的时，电流Im的波形变成图2D中虚线所示的波形。当输出电压的设定值变得小于在图2A中所示的时，电流Im的波形变成图2E中虚线所示的波形。

在相关的技术中，即使电流Im的波形由于输入电压或输出电压的设定值的波动而变化，过电流检测的阈值保持恒定。因此，在相关的技术中，即使没有出现过电流，也可能确定过电流，或者即使实际上已经出现过了电流，仍可能确定过电流没有出现。

例如，当输入电压电源是电池并且电池已经用完时，输入电压变得较小。另一方面，例如，当输入电压电源是可再充电的电池并且电池过度充电时，输入电压变得较大。

通过根据由连接到输出终端106的电路200所需要的电压值而适宜设定输出电压的设定值，输出电压的设定值发生波动。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种DC-DC转换器，其能够根据输入电压和输出电压的设定值的波动，改变过电流检测的阈值。

因此，即使当在DC-DC转换器的电感器中流动的电流的波形变化的时候，仍可以正确地检测过电流。

例如，本发明的DC-DC转换器是把输入电压转换成为输出电压的DC-DC转换器，包括：具有连接到输入电压的一个终端的电感器；连接到电感器的另一终端并且根据周期性脉冲信号的输入而执行开关动作的开关；通过将由电感器中流动的电流值所转换而成的监控电压值与参考电压值相比较，来检测过电流的发生的监控电路；抵偿电路，其使参考电压值波动以便参考电压值和输入电压的波动具有负相关；以及调整电路，其使参考电压值波动以便参考电压值和输出电压的设定值的波动具有正相关。

根据本发明的另一个方面，DC-DC转换器进一步包括恒定电压电源；和具有连接到该恒定电压电源的一个终端的电阻元件。参考电压值是电阻元件另一终端的电压。抵偿电路是当输入电压减少时减少电阻元件中流动的电流，以及当输入电压增大时增大电阻元件中流动的电流的电路。调整电路是当输出电压的设定值是第一电压值时，使得具有第一电流值的电流流入到电阻元件，以及当输出电压的设定值是大于第一电压值的第二电压值时，使得具有小于第一电流值的第二电流值的电流流入到电阻元件的电路。

如上所述，抵偿电路和调整电路控制在相同电阻元件中流动的电流。通过具有这样一种配置，可以用这种比在独立个体上提供抵偿电路和调整电路的配置更为简单的配置，根据输入电压和输出电压的设定值两者的波动来改变过电流检测的阈值。

根据本发明，即使当输入电压和输出电压的设定值的任意一个可能波动的时候，仍可以正确地设置过电流检测的阈值。

附图说明

本发明的上述及其他目的、优点和特征将通过结合附图对下列某些最佳实施例的说明而变得更加显而易见，其中：

图1是描述现有技术的DC-DC转换器的图；

图2A到2E是示出DC-DC转换器的电流波形的图；以及

图3是描述本发明的DC-DC转换器的图。

具体实施方式

现在将在这里参考示例性的实施例描述本发明。本领域的技术人员将认识到，可以使用本发明的教导实现很多可替换的实施例，并且本发明不局限于为了解释的目的举例说明的实施例。

在下面，将参考图3描述根据本实施例的DC-DC转换器。

DC-DC转换器1包括输入端Tin，输出端Tout，由MOS晶体管组成的开关Tr1、Tr2，和Tr3，电感器11，二极管12，电容器13，电阻元件14和15，脉冲发生器16，缓冲器17，以及控制器18。

把输入电压Vin从诸如电池CE之类的输入电压电源施加于输入端Tin。例如，锂离子电池可以用作电池CE。

通过来自脉冲发生器16的周期性脉冲信号PS，闭合和断开开关Tr2和Tr3。根据来自于如下所述的过电流检测电路19的信号，闭合和断开开关Tr1。

控制器18包括输出电压设置寄存器181。控制器18根据由该寄存器设置的输出电压值来控制通过脉冲发生器16生成的脉冲信号PS的占空比。DC-DC转换器1根据该占空比，把输入电压Vin转换成输出电压Vout。然后，DC-DC转换器1从输出端Tout中输出输出电压Vout。

当开关Tr3开启时，监控电流Im在电阻元件14中流动。监控电流Im对应于在电感器11中流动的电流IL的大小。通过由在电阻元件14中流动的监控电流Im所引起的IR压降而生成的电压(监控电压值Vm)出现在电阻元件14的一端(节点N1)。在本发明中，我们假定监控电流Im是在电阻元件14中流动的电流。然而，它不受限于这个实施例。例如，监控电流Im可以是在二极管12中流动的电流或可以是在开关Tr2中流动的电流。这里所需要的是，监控电流Im或者直接地或者间接地，反映在电感器11中流动的电流。换句话说，这里所需要的是，通过把在电感器11中流动的电流值转换成为电压值，来生成监控电压值Vm。

通过放大器20放大监控电压值Vm。然后，放大的监控电压值Vm被输入到比较器21中。并不是必须要使用放大器20来放大监控电压值Vm。然而，当使用放大器20放大监控电压值Vm时，可以用比较器21以高度精确性作出比较。比较器21将放大的监控电压值Vma与参考电压值Vref进行比较。然后，比较器21把比较结果RS输出到过电流检测电路19中。

当比较结果RS示出放大监控电压值Vma大于参考电压值Vref时，过电流检测电路19断开开关Tr1并且停止DC-DC转换器1的操作，以防止DC-DC转换器1由于过电流而受到损坏。

现在，对参考电压值Vref如何出现以及如何根据输入电压Vin和输出电压Vout的设定值的波动来调节参考电压值Vref作出说明。

电阻元件R1具有连接到恒定电压电源VREG的一端。电阻元件R1的另一端(节点N2)具有参考电压值Vref。因此通过表达式Vref＝Vreg-I1*r1表示参考电压值Vref，其中Vreg是恒定电压电源VREG的电压值，I1是在电阻元件R1中流动的电流值，以及r1是电阻元件R1的电阻值。因此，可以通过改变在电阻元件R1中流动的电流值I1调节参考电压值Vref。

可以通过抵偿电路40和调整电路60调节电流值I1。

抵偿电路40包括由一对晶体管Tr4和Tr5组成的电流镜41，晶体管Tr6，运算放大器42，电阻元件Rd1(电阻值rd1)和Rd2(电阻值rd2)，R2(电阻值r2)，恒定电压电源VREG，向其施加输入电压Vin的输入电压终端Tin2。构成电流镜41的一个晶体管Tr5连接到电阻元件R1。可以通过控制在晶体管Tr5中流动的电流I2来控制电流值I1。

运算放大器42的一个输入IN1的电压是电阻元件Rd1和电阻元件Rd2(节点N3)的接触点的电压。节点N3的电压通过Vreg*rd2/(rd1+rd2)表达。运算放大器42的另一个输入IN2的电压是仅仅由电阻元件R2引起的IR压降的量，成为比输入电压Vin小的电压。运算放大器42的输出连接到晶体管Tr6的栅电极。

当在抵偿电路40中输入电压Vin变得较小时，在电流镜电路41中流动的电流变得较小，这使在晶体管Tr5中流动的电流I2较小。当电流I2变得较小时，在电阻元件R1中流动的电流I1变得较小，这使参考电压值Vref较大。概括地说，当输入电压Vin变小时，参考电压值Vref变大。相反地，当输入电压Vin变得较大时，在电阻元件R1中流动的电流I1变得较大，这使参考电压值Vref较小。

如上所述，抵偿电路40波动参考电压值Vref，以便参考电压值和输入电压Vin的波动具有负相关。

调整电路60包括由晶体管Tr7和Tr8组成的电流镜61，可变电阻元件R3(可变电阻值r3)，运算放大器62，晶体管Tr9，和恒定电压电源VREG。电流镜61的一个晶体管Tr8连接到电阻元件R1。可以通过控制在晶体管Tr8中流动的电流I3来控制电流值I1。

运算放大器62的一个输入IN3的电压是如上所述的节点N3的电压。运算放大器62的另一个输入IN4的电压是仅仅由可变电阻元件R3所引起的IR压降的量，成为比恒定电压电源VREG的电压Vreg小的电压。运算放大器62的输出被输入到晶体管Tr9的栅电极。

由控制器18控制可变晶体管元件R3的电阻值r3。控制器18根据在输出电压设置电阻181中设置的输出电压Vout的值来控制可变电阻元件R3的电阻值。

当控制器18控制可变电阻元件R3的电阻值r3减少时，在电流镜61中流动的电流变大，这使在晶体管Tr8中流动的电流I3变大。当电流I3变大时，在电阻元件R1中流动的电流I1变大，这使参考电压值Vref变小。相反地，当控制器18控制可变电阻元件R3的电阻值r3增大时，参考电压值Vref变大。如上所述，可以通过控制可变电阻元件R3的电阻值r3来控制参考电压值Vref。

例如，当由输出电压设置电阻181设置的输出电压Vout的设定值增大时，控制器18增大可变电阻元件R3的电阻值r3。结果，调整电路60减少在电阻元件R1中流动的电流I1，这增大参考电压值Vref。

相反地，当由输出电压设置电阻181设置的输出电压Vout的设定值减少时，控制器18减少可变电阻元件R3的电阻值r3。结果，调整电路60增大在电阻元件R1中流动的电流I1，这减少参考电压值Vref。

如上所述，调整电路60波动参考电压值Vref，以便参考电压值和输出电压Vout的设定值的波动具有正相关。

可以由下列等式表达参考电压值Vref相对于输入电压Vin和输出电压Vout的设定值的动作。

$\mathrm{Vref}=\mathrm{Vreg}-\frac{\mathrm{Vin}-K\×\mathrm{Vreg}}{r2}\×r1-\frac{\mathrm{Vreg}-K\×\mathrm{Vreg}}{r3}\×r1$

上述等式的第二项是由抵偿电路40生成的分量，以及上述等式的第三项是由调整电路60生成的分量。注意，K＝rd2/(rd1+rd2)。

注意，DC-DC1转换器包括抵偿电路40和调整电路60的至少之一。

注意，例如，通过修整熔丝，可以在制造之后减少恒定电压电源VREG的电压Vreg的工艺变化。电阻元件R1、R2、R3、Rd1、和Rd2的电阻值的工艺变化互相抵消。因此，可以减少在参考电压值Vref中出现的变化，产生具有高精度的参考电压值Vref。

很明显本发明不局限于上述实施例，而是可以在没有脱离本发明的范围和精神的情况下作出修改和改变。

Claims (10)

1.一种把输入电压转换成为输出电压的DC-DC转换器，包括：

电感器，其具有一个连接到输入电压的端子的；

开关，其连接到电感器的另一个端子，并根据周期性脉冲信号的输入来执行开关动作；

监控电路，通过把在电感器中流动的电流的值转换成为监控电压值、并将该监控电压值与参考电压值进行比较，来检测过电流的发生；

抵偿电路，其使参考电压值波动，以便参考电压值与输入电压的波动具有负相关；以及

调整电路，其使参考电压值波动，以便参考电压值与输出电压的设定值的波动具有正相关。

2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，包括：

恒定电压电源；以及

具有连接到该恒定电压电源的一个端子的电阻元件，

其中参考电压值是电阻元件的另一个端子的电压值。

3.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中：

所述抵偿电路是当输入电压减少时减少在电阻元件中流动的电流，或者当输入电压增大时增大在电阻元件中流动的电流的电路；以及

所述调整电路是当输出电压的设定值是第一电压值时使具有第一电流值的电流流入到电阻元件，或者当输出电压的设定值是大于第一电压值的第二电压值时使具有小于第一电流值的第二电流值的电流流入到电阻元件的电路。

4.根据权利要求3所述的DC-DC转换器，其中所述抵偿电路包括：

第一晶体管，其具有与电阻元件的所述另一个端子电连接的源极和漏极中的一个；以及

第二晶体管，其通过与第一晶体管配对，来构成电流镜电路，以及

其中当输入电压减少时，在第二晶体管的源极和漏极之间流动的电流减少，或当输入电压增大时，在第二晶体管的源极和漏极之间流动的电流增大。

5.一种DC-DC转换器，包括开关元件，其执行开关操作以把输入电压转换成为具有预定电平的输出电压，监控电路，其从与流过开关元件的电流相关的电流中获得监控电压，并且将该监控电压与参考电压，从而当监控电压达到参考电压时生成控制信号，以及控制电路，其在第一种和第二种情况的至少一种情况中改变参考电压，所述第一种情况是使得在输入电压变化的相反方向上改变参考电压，并且第二种情况是使得在与输出电压的预定电平的变化的相同方向上改变参考电压。

6.如权利要求5所述的转换器，其中在所述第一和第二两种情况下都改变参考电压。

7.如权利要求5所述的转换器，其中控制电路包括寄存器，该寄存器临时地存储指示输出电压的预定电平的信息的，该预定电平从而可根据该信息变化。

8.如权利要求5所述的转换器，其中控制电路包括从中导出参考电压的输出节点，被施加有基本恒定的电压的电压节点，和在该输出节点和电压节点之间连接的电阻，该控制电路进一步包括抵偿电路，该抵偿电路具有连接到输出节点的电流源，并且向电阻提供可根据输入电压变化的电流。

9.如权利要求5所述的转换器，其中控制电路包括从中导出参考电压输出节点，被提供有基本恒定的电压的电压节点，和在该输出节点和电压节点之间连接的电阻，该控制电路进一步包括调整电路，该调整电路具有连接到输出节点的电流源，并且向电阻提供可根据输出电压的预定电平变化的电流。

10.如权利要求5所述的转换器，其中控制电路包括从中导出参考电压的输出节点，被提供有基本恒定的电压的电压节点，和在该输出节点和电压节点之间连接的电阻，该控制电路进一步包括抵偿电路，该抵偿电路具有连接到输出节点的第一电流源，并且向电阻提供可根据输入电压变化的第一电流，还具有调整电路，该调整电路具有连接到输出节点的第二电流源，并且向电阻提供可根据输出电压的预定电平变化的第二电流。

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