半导体集成电路及其动作方法

文档序号:8472525阅读:311来源:国知局
半导体集成电路及其动作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及稳定化电源所使用的半导体集成电路及其动作方法,尤其是涉及在防 止因低温时的电解电容器的等效串联电阻(ESR)的增加而引起的稳定化电源的不稳定性、 异常振荡时有效地减轻外置部件的增大的技术。
【背景技术】
[0002] 正如众所周知那样,稳定化电源包括串联稳压器和开关稳压器。
[0003] 在串联稳压器中,在输入电压与负载之间串联(series)地连接有输出控制电路, 输出控制电路的压降由误差放大器控制。误差放大器将负载的输出电压的分压电压与基准 电压进行比较并以使负载的输出电压的分压电压与基准电压相等的方式控制输出控制电 路,因此实现负载的输出电压的稳定化。该串联稳压器记载在例如下述专利文献1中。
[0004] 开关稳压器被分类成具有降压功能的类型和具有升压功能的类型。具有降压功能 的开关稳压器由具有第一开关元件和第二开关元件的开关电路、具有平滑线圈和平滑电容 的低通滤波器、误差放大器、开关控制电路构成。输入电压经由第一开关元件能够向平滑线 圈的一端供给,接地电压经由第二开关元件能够向平滑线圈的一端供给,平滑线圈的另一 端经由平滑电容与负载的并联连接而与接地电压连接。在通过开关控制电路将第一开关元 件控制成接通状态并将第二开关元件控制成断开状态的接通期间,线圈电流和负载的输出 电压增加,在通过开关控制电路将第一开关元件控制成断开状态并将第二开关元件控制成 接通状态的断开期间,线圈电流和负载的输出电压减少。误差放大器将负载的输出电压的 分压电压与基准电压进行比较并以使负载的输出电压的分压电压与基准电压相等的方式 控制开关控制电路来调整接通期间1?和断开期间T_,因此负载的输出电压实现稳定化。 具有降压功能的开关稳压器的输出电压Vott利用输入电压VIN、接通期间及断开期间T_ 而通过下式得到。
[0005]Vout=Vin ?Ton/ (Ton+Toff) …⑴式
[0006] 具有升压功能的开关稳压器由平滑线圈、具有第一开关元件和第二开关元件的开 关电路、平滑电容、误差放大器、开关控制电路构成。输入电压向平滑线圈的一端供给,平滑 线圈的另一端与第一开关元件的一端和第二开关元件的一端连接,第一开关元件的另一端 经由平滑电容和负载的并联连接而与接地电压连接,第二开关元件的另一端与接地电压连 接。在通过开关控制电路将第一开关元件控制成断开状态并将第二开关元件控制成接通状 态的接通期间,线圈电流增加,在通过开关控制电路将第一开关元件控制成接通状态并将 第二开关元件控制成断开状态的断开期间,线圈电流减少。误差放大器将负载的输出电压 的分压电压与基准电压进行比较并以使输出电压的分压电压与基准电压相等的方式控制 开关控制电路来调整接通期间1?和断开期间T_,因此负载的输出电压实现稳定化。具有 升压功能的开关稳压器的输出电压Vott利用输入电压Vin、接通期间Tw及断开期间Ttw而通 过下式得到。
[0007]Vout= (1+Ton/Toff) ?Vin …⑵式
[0008] 该具有降压功能和升压功能的开关稳压器例如记载于下述专利文献2。
[0009] 在下述非专利文献1中记载有如下技术:为了抑制输出脉动电压而开关电源的 输出平滑电容器选择小的等效串联电阻(ESR)时,会产生被称为输出电压的异常振荡的现 象。开关电源为了实现输出电压的稳定化而具有负反馈电路,因此当使用具有小的等效串 联电阻(ESR)的输出平滑电容器时,直至更高频带成为理想的LC滤波器,在相位接近180 度之前,容易产生延迟振荡的情况记载于下述非专利文献1。而且,在下述非专利文献1中 也记载有利用误差放大器的反馈电路进行相位补偿、由此防止输出电压的振荡的技术。用 于防止振荡的相位补偿电路在开关电源的平滑线圈L与输出平滑电容器Cout的连接点的 输出端子和误差放大器的反转输入端子之间通过输入电阻与输入电容的串联连接或并联 连接来构成,或者在误差放大器的反转输入端子和输出端子之间通过反馈电阻与反馈电容 的串联连接或并联连接来构成。
[0010] 在下述非专利文献2中,与下述非专利文献1同样地,记载有如下情况:在PWM 控制断路器型稳压器中,在平滑线圈和输出平滑电容器的LC滤波器的部分,相位延迟达 到-180°而负反馈回路的相位延迟为-180°,由此相位的偏移的总计达到360°,会产生 异常振荡。而且在下述非专利文献2中记载有如下情况:由于输出平滑电容器的等效串联 电阻(ESR)的影响而LC滤波器的相位延迟比180°减少,通过该等效串联电阻(ESR)的相 位校正效果而能够确保稳压器的相位容限。而且,在下述非专利文献2中也记载有如下情 况:在等效串联电阻(ESR)大的情况下,LC滤波器的相位延迟减小,但是存在因LC滤波器 的减衰率的下降而引起的增益上升用的相位容限的下降、因输出脉动电压增大而引起的异 常振荡的可能性。此外,在下述非专利文献2中记载有如下情况:LC滤波器使用钽质电容 器或层叠陶瓷电容器那样的等效串联电阻(ESR)非常小的电容器时,滤波器部分的相位延 迟增大,因此从确保相位容限的方面出发,输出滤波器使用电解电容器比较适当。
[0011] 在下述非专利文献3中记载有如下情况:向运算放大器的非反转输入端子供给输 入信号,将运算放大器的反转输入端子与输出端子连接而构成电压跟随器电路的情况下, 以100~200MHz附近的频率,增益具有OdB以上的峰值的相位延迟达到-180°,动作变得 不稳定。而且,在下述非专利文献3中记载有如下情况:在运算放大器的非反转输入端子与 反转输入端子之间连接输入电阻和输入电容的串联连接而进行相位补偿,由此增益的OdB 以上的峰值消失,能够防止振荡。而且,在下述非专利文献3中记载有如下情况:在运算放 大器的输出端子与接地电压之间连接补偿电阻和补偿电容的串联连接而进行相位补偿,由 此增益的OdB以上的峰值消失,能够防止振荡。
[0012] 在下述专利文献3中记载有解决如下课题的技术:与开关电源的变压器的二次侧 绕线连接的电解电容器的等效串联电阻(ESR)在低温下升高,输出脉动电压增大,该等效 串联电阻(ESR)在高温下降低,从而控制系统的稳定性受到影响。为了解决该课题,在下述 专利文献3中,考虑电解电容器的温度特性而在大的温度范围内,使更深的负反馈实现稳 定。因此,在下述专利文献3中,与开关电源的变压器的二次侧绕线连接的输出电压控制电 路是具有带温度补偿的相位补偿电路的结构,具体而言,在带温度补偿的相位补偿电路中, 作为感温元件的热敏电阻、电容器、电阻的串联连接与变压器的二次侧绕线和并联稳压器 的基准端子之间连接。在低温时,电解电容器的等效串联电阻(ESR)增加,因此输出脉动电 压增加,但是在低温时,带温度补偿的相位补偿电路的热敏电阻的电阻值增加,因此向并联 稳压器的基准端子的输出脉动成分的重叠量减少而并联稳压器的相位超前信号减少。在高 温时,电解电容器的等效串联电阻(ESR)下降而带温度补偿的相位补偿电路的热敏电阻的 电阻值下降,因此向并联稳压器的基准端子的输出脉动成分的重叠量增加而将并联稳压器 的相位超前信号保持为恒定。此外,在该开关电源中,对于与变压器的二次侧绕线的输出电 压响应的光耦合器的发光元件的发光量进行响应,光耦合器的受光元件的反馈受光量发生 变化。与变压器的一次侧绕线连接的控制用IC对反馈受光量进行响应而控制与一次侧绕 线连接的2个开关元件的接通断开的工作状态,因此变压器的二次侧绕线的输出电压维持 为恒定。而且,在光耦合器的受光元件的两端间并联连接有通过电阻和电容器的串联连接 而构成的一次侧的相位补偿电路。
[0013] 在下述专利文献4中记载了解决如下课题的技术:在作为开关电源装置的降压 DC-DC转换器中,在平滑线圈和输出平滑电容器的LC滤波器的部分,输出平滑电容器的等 效串联电阻(ESR)在低温时增大而输出脉动电压增大,输出电压变得不稳定,开关电源装 置会引起误动作。为了解决该课题,在下述专利文献4中,在对驱动LC滤波器的开关元件 的接通断开的工作状态进行控制的控制部中,在作为误差放大器的差动放大器的反转输入 端子上连接脉动电压检测电路、比较器、切换电路、脉动电压抑制电路。脉动电压检测电路 检测开关电源装置的输出电压包含的脉动电压,并将检测值向比较器供给。与比较直流电 压相比当开关电源装置的输出电压中包含的脉动电压增大时,比较器向切换电路供给切换 信号。与比较直流电压相比当开关电源装置的输出电压中包含的脉动电压低时,作为低通 滤波器的脉动电压抑制电路通过切换电路而未与差动放大器的反转输入端子连接。反之与 比较直流电压相比当开关电源装置的输出电压中包含的脉动电压增大的情况下,通过切换 电路而将作为低通滤波器的脉动电压抑制电路与差动放大器的反转输入端子连接。其结果 是,开关电源装置的输出电压中包含的脉动电压的频率成分以上的信号被隔断,与开关电 源装置的输出电压中包含的脉动电压的频率成分相比,仅将比较低频的频率成分向差动放 大器的反转输入端子供给,因此实现反馈回路的稳定,这种情况记载于下述专利文献4。因 此,脉动电压抑制电路在差动放大器的获利实际上减小,因此,在低温时,即使电容器的等 效串联电阻(ESR)增大而脉动电压增大,也能够使反馈回路稳定的情况记载于下述专利文 献4中。
[0014] 现有技术文献
[0015] 专利文献
[0016] 专利文献1 :日本特开2000-284843号公报
[0017] 专利文献2 :日本特开2007-151246号公报
[0018] 专利文献3 :日本特开2002-136123号公报
[0019] 专利文献4 :日本特开2002-044938号公报
[0020] 非专利文献
[0021] 非专利文献1 7電源?平滑3y寸'?応用"pp.es-eg- coo22]http://itonet.co.jp/DataSheets/ 三洋电机 /0S-C0N/pld/65.pdf[平成 25 年 11月07日检索]
[0023] 非专利文献2:" 7y亇一シ3yy-卜面実装于37,型只彳7于y夕U芊 IU- 夕ICSI- 8000JDシy-X"pp. 1-29,sanken电气株式会社,2010 年 1 月
[0024] http://www.semicon.sanken-ele.co.jp/sk_content/si-80xxjdseries_an_ jp.pdf[平成25年11月07日检索]
[0025] 非专利文献3 :"位相 < 彳 >余裕?小$U才'使用?注意点"pp. 1-8,
[0026] http://tij.co.jp/jp/lit/an/jajal30/jajal30.pdf[平成 25 年 11 月 07 日检 索]
[0027] 本申请发明人等在本发明之前,从事了搭载于机动车的稳定化电源能够使用的 车载半导体集成电路的开发。该半导体集成电路为车载用途,因此要求半导体集成电路 在-40°的低温至+110°的高温的周围温度稳定动作。而且稳定化电源的输出平滑电容器 难以集成化为半导体集成电路的半导体芯片,因此该输出平滑电容器成为外置部件。
[0028] 在稳定化电源中,要求半导体集成电路(IC)的成本降低,并使外置部件尽量廉 价。因此,为了稳定化电源的成本降低,研宄了将输出平滑电容器从高成本陶瓷电容器变更 为低成本的铝电解电容器的情况。
[0029] 然而,如上述专利文献3和上述专利文献4记载那样,铝电解电容器的等效串联电 阻(ESREquivalentSeriesResistance)与陶瓷电容器的等效串联电阻(ESR)相比,低温 时的电阻增加大。其结果是,判明了低温时的铝电解电容器的等效串联电阻(ESR)的增加 成为原因,稳定化电源电路的负反馈回路(负反馈电路)变得不稳定或存在引起异常振荡 的危险性的情况。
[0030] 因此,为了防止低温时的电解电容器的等效串联电阻(ESR)的增加引起的稳定化 电源电路的不稳定性或异常振荡,本申请发明人等在本发明之前,对上述专利文献3和上 述专利文献4记载的方法进行了研宄。
[0031] 根据上述专利文献3记载的方法,由于在电解电容器的附近需要设置感温元件 (热敏电阻)作为外置部件,因此部件成本增大。而且,定电压电源用IC的使用者需要将感 温元件(热敏电阻)作为外置部件而设置于配线基板,因此配线基板的面积和制造工序数 增加,存在稳定化电源电路装置的制造成本增加这样的问题,这种情况通过本发明之前的 本申请发明人等进行的研宄而明确可知。
[0032] 根据上述专利文献4记载的方法,在平滑电容器的等效串联电阻(ESR)的电阻值 增加的情况下,差动放大器的获利实际上减小,因此会使决定抑制输出电压变动的定电压 设定动作性能的负反馈回路的回路增益下降。其结果是,根据该方法,难以实现稳定化电源 的本来的目的的用于抑制输出电压变动的定电压设定动作性能。即,根据该方法,即使能够 抑制平滑电容器的等效串联电阻(ESR)的增加引起的输出电压的脉动,存在抑制输入电压 的变动或负载电流的变动引起的输出电压的变动这样的作为稳定化电源电路的本来的性 能下降的问题,这种情况通过本发明之前的本申请发明人等的研宄而明确可知。

【发明内容】

[0033] 以下说明用于解决这样的课题的方案等,但是其他课题和新的特征通过本说明书 的记载及附图而得以明确。
[0034] 当简单说明在本申请中公开的代表性的实施方式的概要时,如下所述。
[0035] 即,代表性的实施方式是用于能够从供给到输入端子的输入电源电压(Vin)向与 输出端子连接的平滑电容(C)和负载(3)的并联连接供给输出电源电压(Vout)的稳定化 电源电路(1)的半导体集成电路(10)。
[0036] 所述半导体集成电路(10)具备:误差放大器(11),检测输出电源电压(Vout)的 误差;输出控制电路(12),连接于输入端子与输出端子之间;相位补偿电路(14),与误差放 大器(11)连接;以及检测控制电路(15),与相位补偿电路(14)连接。
[0037] 输出控制电路(12)由对输出电源电压(Vout)的误差进行响应的所述误差放大器 (11)来控制,从而生成输出电源电压(Vout)。
[0038] 检测控制电路(15)检测平滑电容(C)的等效串联电阻(ESR)的温度的变动或由 该温度的变动引起的电阻的变动,并按照其检测结果对相位补偿电路(14)进行可变控制 (参照图1)。
[0039] 简单说明通过本申请中公开的实施方式中的代表性的结构得到的效果的话,如下 所述。
[0040] 即,根据本半导体集成电路,在防止低温时的电解电容器的等效串联电阻(ESR) 的增加引起的稳定化电源的不稳定性或异常振荡时,能够减轻外置部件的增大。
【附图说明】
[0041] 图1是表示利用了稳定化电源电路1的电子装置的结构的图,该稳定化电源电路 1使用了实施方式1的半导体集成电路10。
[0042] 图2是表示构成图1所示的使用了实施方式1的半导体集成电路10的稳定化电 源电路1所使用的低通滤波器的平滑电容C的铝电解电容器的等效串联电阻(ESR)的温度 依赖性的图。
[0043] 图3是将构成图1所示的使用了实施方式1的半导体集成电路10的稳定化电源 电路1所使用的低通滤波器的平滑电容C的铝电解电容器的等效串联电阻的例如IMHz的 特定的三角波信号的频率下的温度依赖性与陶瓷电容器的等效串联电阻的温度依赖性进 行比较的图。
[0044] 图4是表示图1所示的实施方式1的半导体集成电路10的检测控制
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