CN102055336A - 升压/降压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及升压/降压电路。根据本发明的升压/降压电路包括：输出电压生成电路，该输出电压生成电路包括被连接在扼流线圈的一端和输入端子之间的第一开关元件和被连接在扼流线圈的另一端和接地端子之间的第二开关元件，输出电压生成电路，该输出电压生成电路被构造为升高或者降低被输入到输入端子的输入电压，并且因此通过在导通状态和截止状态之间切换第一和第二开关元件来生成输出电压。此外，升压/降压电路包括：时钟生成电路，该时钟生成电路生成具有不同时序的升压和降压时钟；以及开关控制单元，该开关控制单元基于升压和降压时钟来执行第一和第二开关元件的切换控制，从而执行负反馈控制以使输出电压达到目标输出电压。

Description

升压/降压电路

相关申请的交叉引用

本申请基于并且要求于2009年10月29日提交的日本专利申请No.2009-248885的优先权，通过引用，将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明涉及升压/降压电路，特别地涉及在其中通过使用开关来控制升压操作和降压操作之间的切换的升压/降压电路。

背景技术

在数字静态照相机装置中，在电源的效率方面具有优势的DC(直流)-DC转换器(升压/降压电路)通常被用作电源以增加电池寿命。此外，当电源的输出电压精确度被认为是重要的时，使用电流模式DC-DC转换器，而不使用电压模式DC-DC转换器，因为其在瞬态负载响应方面具有优势。

近年来，为了提高附加值，增加数字静态照相机的精确度的需求进一步上升。结果，要求增加用于对安装在数字静态照相机中的LSL提供电源的电源电路的输出电压的精确度。此外，如同在安装在数字静态照相机中的电源电路的情况一样，还已经要求增加在其它的装置中使用的电源电路的输出电压的精确度。

日本未经审查的专利申请公开No.9-9613(专利文献1)公布了出于在宽范围的输入电压内提供稳定的输出电压的目的的DC-DC转换器的构造。在下文中解释在专利文献1中公开的DC-DC转换器的操作。

在图4中所示的DC-DC转换器中，通过使用电阻器100和101划分输入电压Vi，并且通过“Vr101”表示在电阻器101两端出现的被划分的输入电压的测量值。电源102具有升压基准电压Ve1，并且电源103具有降压基准电压Ve2。升压基准电压Ve1和降压基准电压Ve2具有“Ve1＜Ve2”的关系。比较器104将被测量的输入电压值Vr101的大小与升压基准电压Ve1的大小进行比较。然后，当Vr101＜Ve1时，比较器104使它的输出电平变为“1”，然而当Vr101＞Ve1时，比较器104使它的输出电平变为“0”。

在其中导通/截止信号处于导通状态的时段期间，即，导通/截止信号的输出电平是“1”时，当比较器104的输出电平是“1”时，AND门105输出“1”。另一方面，当比较器104的输出电平是“0”时，AND门105输出“0”。当AND门105的输出是“1”时，不管逆变器109的输出状态，OR门106的输出始终变成“0”，并且因此晶体管107始终变成导通状态。

当AND门105的输出是“0”时，OR门106在没有修改信号的情况下将逆变器109的输出提供到晶体管107的控制端子。结果，晶体管107根据通过控制单元108输出的PWM(脉冲宽度调制)信号来执行切换动作。同时，比较器110将被测量的输入电压值Vr101的大小与降压基准电压Ve2的大小进行比较。然后，当Vr101＜Ve2时，比较器110使它的输出电压变为“0”，然而当Vr101＞Ve2时，比较器110使它的输出电压变为“1”。

当比较器110的输出电平是“1”时，不管控制单元108的输出，AND门111输出“0”。结果，“0”被应用于晶体管112的控制端子，并且晶体管112始终变成截止状态。当比较器110的输出电平是“0”时，AND门111在没有修改信号的情况下，将控制单元108的输出提供到晶体管112的控制端子。结果，晶体管112根据通过控制单元108输出的PWM信号来执行切换动作。

当Vr101＞Ve2时，自然地满足关系“Vr101＞Ve1”。因此，晶体管112被截止。此外，晶体管107根据来自于控制单元108的PWM信号来执行切换动作。由于控制单元108以宽的脉冲间隔来输出PWM信号，所以执行降压操作。在晶体管107是截止状态的时序处，续流二极管113进行操作。

当Vr101＜Ve1时，自然地满足关系“Vr101＜Ve2”。因此，晶体管107被导通。此外，晶体管112根据通过控制单元108输出的PWM信号来执行切换动作。由于控制单元108以狭窄的脉冲间隔输出PWM信号，所以执行升压操作。此外，当Ve2＞Vr101＞Ve1时，晶体管107和晶体管112根据来自于控制单元108的PWM信号，同步地执行切换动作。在这样的情况下，操作是在其中升压操作是基本操作的升压/降压操作。此外，续流二极管113还如上所述地进行操作。

发明内容

然后，本发明人已经发现如下问题，在专利文献1中公布的DC-DC转换器中，当输入电压Vi接近于目标输出电压Vg时，输出电压Vo中的波动变得较大。在专利文献1中公布的DC-DC转换器仅检测输入电压Vi，并且确定从升压操作到降压操作，或者从降压操作到升压操作的切换时序。因此，当Vi＞Vg时，执行降压操作，然而当Vi＜Vg时，执行升压操作。此外，在这些阶段中稳定地进行操作。

同时，在其中输入电压Vi从高电压状态开始减少，并且接近目标输出电压Vg的处理期间，与输入电压Vi的减少成比例地降低降压电路的电流提供能力。结果，输出电压Vo也被降低。当输出电压Vo被从目标输出电压Vg降低了特定的电压或者更多时，需要通过执行升压操作来立即增加输出电压。然而，由于在专利文献1中公布的DC-DC转换器通过仅检测输入电压Vi来执行降压操作和升压操作之间的切换，所以没有检测到输出电压Vo已经被降低的状态并且因此没有执行升压操作。结果，输出电压Vo继续减少直到执行升压操作。此外，当输入电压Vi变得低于升压基准电压Ve1，并且因此在输出电压Vo已经发生很大的下降之后执行升压操作时，输出电压Vo突然地上升。结果，过冲电压变得较大，并且因此输出电压Vo中的波动变得较大。

本发明的第一示例性实施例是一种升压/降压电路，包括：输出电压生成电路，该输出电压生成电路包括：被连接在扼流线圈的一端和输入端子之间的第一开关元件和被连接在扼流线圈的另一端和接地端子之间的第二开关元件，输出电压生成电路，该输出电压生成电路被构造为升高或者降低被输入到输入端子的输入电压，并且因此通过在导通状态和截止状态之间切换第一和第二开关元件来生成输出电压；时钟生成电路，该时钟生成电路生成具有不同时序的第一和第二时钟；以及开关控制单元，该开关控制单元基于第一和第二时钟来执行第一和第二开关元件的切换控制，从而执行负反馈控制以将输出电压变为目标输出电压。

通过使用像这样的升压/降压电路，能够执行使用输出电压的负反馈控制。结果，相对于目标输出电压，输出电压中的波动能够被抑制为低电平。

本发明能够提供一种通过使用输出电压的负反馈控制，能够执行升压操作和降压操作之间的切换的升压/降压电路。

附图说明

结合附图，从某些示例性实施例的以下描述中，以上和其它示例性方面、优点、和特征将更加明显，其中：

图1是根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的构造图；

图2是根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的控制单元的构造图；

图3是示出根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的操作的视图；以及

图4是示出根据专利文献1的升压/降压电路的构造图。

具体实施方式

[第一示例性实施例]

在下文中将会参考附图解释本发明的示例性实施例。将参考图1解释根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的构造示例。升压/降压电路包括输入端子1、晶体管2、扼流线圈3、电阻器4、续流二极管5和6、晶体管7、电容器8、电阻器9和10、输出端子11、开关控制单元12、以及时钟生成电路13。由除了开关控制单元12和时钟生成电路13之外的元件构成的电路被定义为“输出电压生成电路15”。

输入电压Vi被输入到输入端子1。作为开关元件的晶体管2被连接在输入端子1和扼流线圈3之间。当晶体管2被导通时，输入端子1被电气地连接到扼流线圈3，并且输入电压Vi被施加给扼流线圈3的一端。

当输入电压Vi被施加给扼流线圈3时，被表达为“L×I²/2”的能量被积累在扼流线圈3中。在表达式中，L表示扼流线圈3的电感，并且I表示在线圈中生成的电流。续流二极管5被连接在扼流线圈3的一端和地之间，以对在扼流线圈3中生成的电流进行整流。电阻器4被连接到不同于连接晶体管2的端子的扼流线圈3的一个端子。电阻器4将在扼流线圈3中生成的电流转换为电压，并且将被转换的电压输出到跨接在电阻器4两端的开关控制单元12。

作为开关元件的晶体管7被连接在电阻器4的一个端子和地端子之间。注意到晶体管7被连接到不同于连接扼流线圈3的端子的电阻器4的一个端子。当晶体管7被导通时，扼流线圈3的一端通过电阻器4和晶体管7而变为接地电势。

续流二极管6将在扼流线圈3中生成的电流输出到电容器8。电阻器9和10划分要从输出端子11输出的输出电压，并且将获得的电压输出到开关控制单元12。时钟生成电路13生成用于降低电压的时钟和用于升高具有不同时序的电压的时钟，并且将所生成的时钟输出到开关控制单元12。开关控制单元12将基于用于降低电压的时钟和用于升高电压的时钟而生成的PWM信号、通过使用电阻器9和10来划分输出电压而获得的电压、以及在电阻器4两端出现的电压输出到晶体管2和7。PWM信号被用于控制晶体管2和7在导通状态和截止状态之间的切换。

接下来，参考图2解释根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的开关控制单元的详细构造示例。除了开关控制单元12之外的构造与图1中所示的相类似，并且因此它的解释被省略。开关控制单元12包括误差放大器20、斜坡(SLOPE)电路21和22、比较器23、电流检测电路24、比较器25、偏移电路26、RS锁存器27和28、以及逆变器29至31。

基准电压被输入到误差放大器20的正端子，并且通过使用电阻器9和19划分输出电压而获得的电压被输入到误差放大器20的负端子作为反馈电压。在附图中，通过符号“a”显示反馈电压。基于要从输出端子11输出的目标输出电压来确定基准电压。让Vg表示目标输出电压，基准电压被确定为αVg，即，通过将目标输出电压Vg乘以适当的系数α而获得的电压。此外，反馈电压被定义为“Vo×R10(R9+R10)”，其中，Vo是从输出端子11输出的电压，R9是电阻器9的电阻，并且R10是电阻器10的电阻。开关控制单元12执行控制使得反馈电压变得更接近于基准电压αVg，误差放大器20将通过放大αVg和Vo×R10(R9+R10)之间的差而获得的电压值输出到斜坡电路21和22。斜坡电路21和22中的每一个生成相对于从误差放大器20输出的电压具有恒定斜坡的电压。即，随着时间的流逝，斜坡电路21和22中的每一个将从误差放大器20输出的电压降低。斜坡电路21和22将生成的电压分别输出到比较器23和25。

比较器23将从斜坡电路21输出的电压与从电流检测电路24输出的电压进行比较，并且将H电平信号或者L电平信号输出到RS锁存器27。从电流检测电路24输出的电压是电流流过电阻器4时出现的电压。当从斜坡电路21输出的电压低于从电流检测电路24输出的电压时，比较器23将H电平信号输出到RS锁存器27。另一方面，当从斜坡电路21输出的电压大于从电流检测电路24输出的电压时，比较器23将L电平信号输出到RS锁存器27。

比较器25将从斜坡电路22输出的电压与从偏移电路26输出的电压进行比较，并且将H电平信号或者L电平信号输出到RS锁存器28。偏移电路26生成正偏移电压，将偏压电压添加到从电流检测电路24输出的电压，并且将合成电压输出到比较器25。当从斜坡电路22输出的电压低于从偏移电路26输出的电压时，比较器25将H电平信号输出到RS锁存器28。另一方面，当从斜坡电路22输出的电压高于从偏移电路26输出的电压时，比较器25将L电平信号输出到RS锁存器28。

从比较器23输出的H电平信号或者L电平信号被输入到RS锁存器27的复位端子，并且从时钟生成电路13输出的用于降低电压的时钟被输入到RS锁存器27的设定端子。类似地，从比较器25输出的H电平信号或者L电平信号被输入到RS锁存器28的复位端子，并且从时钟生成电路13输出的用于升高电压的时钟被输入到RS锁存器28的设定端子。RS锁存器27响应于被输入到设定和复位端子的信号，生成H电平信号或者L电平信号。然后，RS锁存器27将H电平信号或者L电平信号输出到斜坡电路21和逆变器29。稍后将会详细地描述基于从RS锁存器27输出的信号的斜坡电路21的操作。类似地，RS锁存器28响应于被输入到设定和复位端子的信号，生成H电平信号或者L电平信号。然后，RS锁存器28将H电平信号或者L电平信号输出到斜坡电路22和逆变器30。

逆变器29反转从RS锁存器27获得的H电平信号或者L电平信号，并且将被反转的信号输出到晶体管2。从逆变器29输出到晶体管2的信号被定义为“降压PWM信号”，并且在附图中通过符号“b”来表示。在附图中，晶体管2是PMOS晶体管。因此，当L电平信号被从逆变器29输出到晶体管2时，晶体管2被导通。当H电平信号被从逆变器29输出到晶体管2时，晶体管2被截止。

逆变器30反转从RS锁存器28获得的H电平信号或者L电平信号，并且将被反转的信号输出到逆变器31。逆变器31反转所获得的信号，并且将被反转的信号输出到晶体管7。从逆变器31输出到晶体管7的信号被定义为“升压PWM信号”，并且在附图中通过符号“c”来表示。在附图中，晶体管7是NMOS晶体管。因此，当H电平信号被从逆变器31输出到晶体管7时，晶体管7被导通。当L电平信号被从逆变器31输出到晶体管7时，晶体管7被截止。

接下来，参考图3解释根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路的操作。图3(a)和图3(b)示出用于降低电压的时钟和用于升高电压的时钟的输出状态。图3(c)示出开关控制单元12中的误差放大器20、斜坡电路21、斜坡电路22、电流检测电路24、偏移电路26的输出电压。图3(d)和图3(e)示出分别被输出到晶体管2和7的降压PWM信号和升压PWM信号的输出状态。

时钟生成电路13输出用于降低电压的时钟和用于升高电压的时钟。在它们之间用于降低电压的时钟和用于升高电压的时钟具有相同的频率和给定的相位差。

当用于降低电压的时钟上升时，RS锁存器27的输出被设置为H电平信号，并且作为RS锁存器27的输出的被反转的信号的降压PWM信号下降(时间t1和t5)。斜坡电路21仅在降压PWM信号处于L电平的期间的时段执行下降动作。即，斜坡电路21仅在降压PWM信号是L电平信号期间的时段，输出以误差放大器20的输出电压开始并且以恒定斜坡下降的电压。随着从斜坡电路21输出的电压下降，从斜坡电路21输出的电压和从电流检测电路24输出的电压之间的电势被颠倒。结果，比较器23的输出变成H电平信号，并且RS锁存器27被重置。

当RS锁存器27被重置时，RS锁存器27输出L电平信号，并且通过逆变器29被输出到晶体管2的降压PWM信号上升(时间t4)。此外，斜坡电路21在降压PWM信号上升的时序处停止下降动作，并且输出从误差放大器20输出的电压。斜坡电路21检测从H电平到L电平的RS锁存器27的输出信号的变化。这样，能够获得降压PWM信号上升的时序。

接下来，当用于升高电压的时钟上升时，RS锁存器28的输出被设置为H电平信号，并且升压PWM信号上升(时间t2)。斜坡电路22仅在升压PWM信号是处于H电平的期间的时段执行下降动作。即，斜坡电路22仅在升压PWM信号是H电平信号的期间的时段，输出以误差放大器20的输出电压开始并且以恒定斜坡下降的电压。注意到，斜坡电路21和斜坡电路22被构造为，斜坡电路22的电压下降的斜坡比斜坡电路21的电压下降的斜坡更加平缓。随着从斜坡电路22输出的电压下降，从斜坡电路22输出的电压和从偏移电路26输出的电压之间的电势被颠倒。结果，比较器25的输出变成H电平信号并且RS锁存器28被重置。

当RS锁存器28被重置时，RS锁存器28输出L电平信号，并且通过逆变器30和31被输出到晶体管7的升压PWM信号下降(时间t3)。此外，斜坡电路22在升压PWM信号下降的时序停止下降动作，并且输出从误差放大器20输出的电压。斜坡电路22检测从H电平到L电平的RS锁存器28的输出信号的变化，并且因此能够获得升压PWM信号下降的时序。

此外，如图3中所示，通过将用于降低电压的时钟和用于升高电压的时钟的时序相互移位，即，将其相位相互移位，能够将降压PWM信号的下降时序和升压PWM信号的上升时序相互移位。此外，在降压PWM信号是L电平信号的期间的时段内，升压PWM信号被从L电平上升到H电平并且然后被从H电平降低到L电平。而且，在升压PWM信号是L电平信号期间的时段内，降压PWM信号被从L电平上升到H电平并且然后被从H电平降低到L电平。确定偏移电路26中的偏移电压以及斜坡电路21和22的电压通过其被降低的斜坡，从而执行上述的PWM信号操作。

通过上述操作，在从时间t1到时间t2的时段期间，晶体管2变成导通状态并且晶体管7变成截止操作。结果，生成电流并且因此将能量积累在扼流线圈3中。通过将通过被积累在扼流线圈3中的能量生成的电压添加到输入电压Vi而获得的电压被施加给续流二极管6。此外，续流二极管6变成正向偏置状态，并且因此执行对电容器8的放电。此外，在从时间t2到时间t3的时段期间，晶体管7变成导通状态并且晶体管2也已经处于导通状态。因此，通过晶体管7和电阻器4，扼流线圈3的一端被接地。结果，整个输入电压Vi被施加给扼流线圈3并且流到扼流线圈3的电流增加。因此，在扼流线圈3中积累的能量甚至进一步增加。在此状态中，当在从时间t3到时间t4的时段期间晶体管7变成截止状态时，通过将通过被积累在扼流线圈3中的能量生成的电压添加到输入电压Vi而获得的电压被施加给被连接到扼流线圈3的续流二极管6的输入侧端子。此外，续流二极管6变成正向偏置状态，并且因此执行对电容器8的放电。上述操作变成升高输入电压Vi的升压操作。

在从时间t4到时间t5的时段期间，晶体管2变成截止状态。因此，停止将输入电压Vi施加给扼流线圈3。此外，晶体管7还保持截止状态。结果，仅通过被积累在扼流线圈3中的能量而生成的电压被施加给续流二极管6的输入侧端子，并且执行对电容器8的放电。因此，由于输入电压Vi被排除，所以与从时间t3到时间t4的时段相比较，通过等效于输入电压Vi的量来执行降压操作。在时间t5和在时间t5之后重复上述操作。

接下来，解释在输入电压Vi充分地高于目标输出电压Vg的情况下的操作。当输入电压Vi是充分高时，充分高的电压被从电流检测电路24输出。因此，对于电流检测电路24，从偏移电路26输入的电压始终大于从斜坡电路22输出的电压，并且因此RS锁存器28始终处于复位状态。结果，当输入电压Vi充分高于目标输出电压Vg时，仅能够执行降压操作。

此外，解释在输入电压Vi被充分地低于目标输出电压的情况下的操作。当输入电压Vi是充分低时，充分低的电压被从电流检测电路24输出。结果，在比较器23中，从斜坡电路21输出的电压与从电流检测电路24输出的电压的电势始终未相交。因此，降压PWM信号始终处于L电平信号，并且因此仅能够执行升压操作。

如上面已经解释，在根据本发明的第一示例性实施例的升压/降压电路中，分别被输出到晶体管2和7的降压PWM信号和升压PWM信号没有相互重叠。即，降压PWM信号的下降时序和升压PWM信号的上升时序没有相互重叠，并且降压PWM信号的上升时序和升压PWM信号的下降时序也没有相互重叠。因此，当输入电压Vi接近于目标输出电压Vg时，以分时的方式重复升压操作和降压操作。这样，能够执行其中输出电压Vo被不断地检测的负反馈控制。因此，能够减少当输入电压Vi接近于目标输出电压Vg时出现的输出电压中的波动。

注意，本发明不限于上述示例性实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种修改。例如，斜坡电路21和22可以与其中以恒定斜坡来降低电压的上述方式的不同方式，降低从误差放大器20输出的电压。具体地，它们可以沿着其斜坡随着时间的流逝而变化的曲线来降低电压。

虽然已经按照若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解本发明可以在所附的权利要求的精神和范围内进行各种修改的实践，并且本发明并不限于上述的示例。

此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。

此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同形式，即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。

Claims (7)

1.一种升压/降压电路，包括：

输出电压生成电路，所述输出电压生成电路包括被连接在扼流线圈的一端和输入端子之间的第一开关元件和被连接在所述扼流线圈的另一端和接地端子之间的第二开关元件，所述输出电压生成电路被构造为升高或者降低被输入到所述输入端子的输入电压，并且因此通过在导通状态和截止状态之间切换所述第一和第二开关元件来生成输出电压；

时钟生成电路，所述时钟生成电路生成具有不同时序的第一和第二时钟；以及

开关控制单元，所述开关控制单元基于所述第一和第二时钟来执行所述第一和第二开关元件的切换控制，从而执行负反馈控制以使所述输出电压达到目标输出电压。

2.根据权利要求1所述的升压/降压电路，其中，

所述开关控制单元以不同的时序执行升压控制和降压控制，在所述升压控制中，在所述第一开关元件处于导通状态的同时，通过在导通状态和截止状态之间切换所述第二开关来升高输入电压，在所述降压控制中，在所述第二开关元件处于截止状态的同时，通过在导通状态和截止状态之间切换所述第一开关元件来降低所述输入电压。

3.根据权利要求1或者2所述的升压/降压电路，

其中，所述开关控制单元进一步包括：

误差放大器，所述误差放大器放大并且输出在基于所述输出电压所确定的反馈电压和基于所述目标输出电压所确定的第一基准电压之间的差；和

电流检测电路，所述电流检测电路生成基于从所述扼流线圈输出的电流的变化而确定的第二基准电压，并且

其中，所述开关控制单元基于所述误差放大器和所述电流检测电路的输出结果来执行所述第一和第二开关元件的切换控制。

4.根据权利要求3所述的升压/降压电路，

其中，所述开关控制单元进一步包括第一斜坡电路，所述第一斜坡电路随着时间的流逝来降低从所述误差放大器输出的电压，并且

其中，当从所述第一斜坡电路输出的电压变为低于从所述电流检测电路输出的第二基准电压时，所述开关控制单元使所述第一开关元件进入截止状态。

5.根据权利要求3所述的升压/降压电路，

其中，所述开关控制单元进一步包括：第二斜坡电路，所述第二斜坡电路以恒定斜坡来降低从所述误差放大器输出的电压；和偏移电路，所述偏移电路对从所述电流检测电路输出的所述第二基准电压添加一偏移电压，并且

其中，当从所述第二斜坡电路输出的电压值变为低于从所述偏移电路输出的电压时，所述开关控制单元使所述第二开关元件进入截止状态。

6.根据权利要求4所述的升压/降压电路，其中，当所述第一开关元件处于导通状态时，所述第一斜坡电路以恒定斜坡来降低从所述误差放大器输出的电压。

7.根据权利要求5所述的升压/降压电路，其中，当所述第二开关元件处于导通状态时，所述第二斜坡电路以恒定斜坡来降低从所述误差放大器输出的电压。

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