专利名称：Dc/dc变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在各种电子设备、通信装置等中使用的进行直流电压的变换的DC/DC变换器。
背景技术：
图11表示在便携电话中使用的现有的降压型DC/DC变换器的框图。如图11所示，在输入端子111和输出端子112之间连接有第一开关电路100和电感线圈102、平滑电容104的串联电路。并且，将来自平滑电容104的输出电压120和来自输出电压控制端子113的控制电压121输入到比较电路105。将该比较电路105的输出信号和来自振荡电路106的输出信号输入到开关条件决定电路107中。将输出电压120和来自第一开关电路100的开关电流检测信号122输入到控制动作决定电路110，控制动作决定电路110进行负载判定并将其输出信号123输入到振荡电路106和开关控制电路108。开关控制电路108接收开关条件决定电路107的输出和控制动作决定电路110的输出信号123。这样，开关控制电路108将控制第一开关电路100的信号提供给第一开关电路100。由此，构成了反馈。
这种现有技术，记载在例如特开平7-322608号公报中。
但是，在上述的现有的降压型DC/DC变换器中，在输出电压下降时，降低电压时的瞬态响应时间变长，而不能使输出电压快速降低。因此，在该瞬态响应时间期间发生电功率损耗，电池电压降低，因此很难使通话时间变长。
而且，上述的现有DC/DC变换器仅能进行降压动作。即，现有的DC/DC变换器不能进行升压动作。另外，现有的DC/DC变换器因负载的状况而使瞬态响应时的响应速度慢，而产生消耗功率的浪费。
发明内容
本发明提供了一种DC/DC变换器，包括电压变换电路，连接于输入端子和输出端子之间，输出输出电压和开关电流检测信号；高速瞬态响应电路，输入输出电压、控制电压和开关电流检测信号，输出第二控制动作决定信号；升压降压动作决定电路，输入输出电压、控制电压和输入电压，输出第一控制动作决定信号；电压比较电路，输入输出电压、控制电压和第二控制动作决定信号，输出开关条件信号；和开关控制电路，输入开关条件信号、第一控制动作决定信号和第二控制动作决定信号，输出开关控制信号，将开关控制信号输入到电压变换电路中，形成反馈电路。
图1是便携电话的电路框图。
图2是本发明的DC/DC变换器的电路框图。
图3A是表示本发明的DC/DC变换器的降压动作的图。
图3B是表示本发明的DC/DC变换器的升压动作的图。
图4A是表示本发明的DC/DC变换器的PWM动作时的开关条件信号的图。
图4B是表示本发明的DC/DC变换器的PWM动作时的另外实例的开关条件信号的图。
图5A是表示本发明的DC/DC变换器的负载区域的说明图。
图5B是表示由本发明的DC/DC变换器的第一控制动作决定信号和第二控制动作决定信号所决定的动作条件表的图。
图6是本发明的DC/DC变换器的动作转移图。
图7是本发明的DC/DC变换器的动作模式的定时图。
图8是本发明的电压开关电路的局部框图，表示由本发明的电压变换电路来实施与现有的电压变换电路的动作等效的动作时的状态。
图9是本发明的DC/DC变换器的瞬态响应的动作原理图。
图10是本发明的DC/DC变换器的另一电路框图。
图11是现有的DC/DC变换器的框图。
具体实施例方式
本发明提供了解决了上述现有技术中的问题的升压降压两用型DC/DC变换器。
下面，参照附图，说明本发明的实施方式的一例。
图1表示便携电话的电路结构。将由天线1获得的高频信号通过共用器2提供给接收电路4。接收电路4对所输入的高频信号施加规定的处理后，将基带信号输出到基带电路6中。基带电路6对所输入的基带信号进行规定的处理后，将声音信号输出到扬声器7。由此，从扬声器7输出声音。另一方面，要发送的声音通过麦克风8变换为声音信号后，被输出到基带电路6。基带电路6对所输入的声音信号施加规定的处理后提供给发送电路5。发送电路5对基带电路6的输出施加规定的处理后，将高频信号提供给发送功率放大器3。由此，发送功率放大器3放大所输入的高频信号后，经共用器2从天线1发送。
这时，由电池11将电压提供给系统控制器9和DC/DC变换器10。DC/DC变换器10将由电池11提供的电压进行电压变换后，将电压提供给发送功率放大器3，来确保稳定的发送。另外，利用系统控制器9将由电池11提供的电压进行电压变换后，将电压提供给接收电路4、发送电路5和基带电路6。
图2是DC/DC变换器10的详细电路图。
在输入端子31和输出端子32之间连接有电压变换电路70。利用第一开关电路21、电感线圈22、第二开关电路23和平滑电容24的串联连接而构成该电压变换电路70。并且，电压变换电路70将从输入端子31输入的输入电压51变换为所希望的直流电压后，从输出端子32输出电压变换后的输出电压52。
由输出电压变化检测电路35、负载判定电路30和控制动作决定电路36构成高速瞬态响应电路34。将输出电压52和控制电压53输入到输出电压变化检测电路35，输出电压变化检测电路35将输出电压变化检测信号61输入到控制动作决定电路36中。
将输出电压52、来自构成电压变换电路70的第一开关电路21的第一开关电流检测信号57、来自第二开关电路23的第二开关电流检测信号58输入到负载判定电路30中，负载判定电路30将负载区域检测信号60输入到控制动作决定电路36中。另外，将第一开关电流检测信号57和第二开关电流检测信号58总称为开关电流检测信号。
控制动作决定电路36输出通过负载区域检测信号60和输出电压变化检测信号61决定PWM(Pulse Width Modulation)动作或PFM(PulseFrequency Modulation)动作的第二控制动作决定信号62。
将该第二控制动作决定信号62输入到作为电压比较电路71的构成电路之一的振荡电路26和开关控制电路28中。
升压降压动作决定电路29输入输出电压52、控制电压53和输入电压51后，输出决定升压动作或降压动作的第一控制动作决定信号59。
由比较电路25、振荡电路26和开关条件决定电路27构成电压比较电路71。比较电路25接收输出电压52和控制电压53，将作为两者的电压差的误差电压54输入到开关条件决定电路27中。振荡电路26接收第二控制动作决定信号62，并将基准三角波信号55输入到开关条件决定电路27中。开关条件决定电路27以误差电压54和基准三角波信号55为基础而输出开关条件信号56。
从升压降压动作决定电路29中输出决定是升压动作还是降压动作的第一控制动作决定信号59，从高速瞬态响应电路34中输出决定是PWM动作还是PFM动作的第二控制动作决定信号62。另外，电压比较电路71输出开关条件信号56。该开关条件信号56是PWM动作情况下决定第一开关电路21和第二开关电路23的开关的接通断开时间(时间比率或占空比(DUTY))的信号，是PFM动作情况下决定开关的频率的信号。将开关条件信号56输入到开关控制电路28中。开关控制电路28分别将第一开关控制信号63输入到第一开关电路21、将第二开关控制信号64输入到第二开关电路23中。另外，将第一开关控制信号63和第二开关控制信号64总称为开关控制信号。
这样，本发明的DC/DC变换器是反馈控制DC/DC变换器的电压，并根据从控制电压输入端子33输入的控制电压53变换直流电压，从输出端子32输出已进行电压变换后的输出电压52的升降压型的DC/DC变换器。
图3A和图3B表示电压变换电路70的构成例，用图3A和图3B一起来说明降压动作原理和升压动作原理。
用图3A的电路图说明降压动作。根据开关控制电路28的第一开关控制信号63控制构成第一开关电路21的开关21A和21B的接通、断开时间。根据第二开关控制信号64控制构成第二开关电路23的开关23A和23B。第二开关电路23通过将串联连接在输入输出之间的一个开关23A经常设为开状态，将另一个开关23B经常设为关状态，而在其与电感线圈22之间反复进行电功率的充放电，来进行电压变换。
接着，利用图3B的电路图来说明升压动作。
根据开关控制电路28的第二开关控制信号64控制构成第二开关电路23的开关23A和23B的接通、断开时间。根据第一开关控制信号63控制构成第一开关电路21的两个开关。第一开关电路21通过将串联连接在输入输出之间的一个开关21A经常设为开状态，将另一个开关21B经常设为关状态而在其与电感线圈22之间反复进行电功率的充放电，来进行电压变换。
当如上这样进行了电压变换后，通过平滑电容24将电压平滑化，而从输出端子32输出输出电压52。
图4A和图4B表示在电压比较电路71中PWM(Pulse WidthModulation)动作时的误差电压54、基准三角波信号55和开关条件信号56的关系。用图4A和图4B一起来表示由开关控制电路28控制第一开关电路21和第二开关电路23的开关条件信号56的生成步骤。
在PWM动作时，将误差电压54与从振荡电路26输出的一定频率的基准三角波信号55进行比较，并从开关条件决定电路27中输出对应于该比较结果的开关条件信号56。
如图4A所示，在误差电压54高的情况下，将接通期间的时间比率(占空比)高的开关条件信号56输出到开关控制电路28中。因此，反馈功能为升高输出电压52。
而且，如图4B所示，在误差电压54低的情况下，将接通期间的时间比率(占空比)低的开关条件信号56输出到开关控制电路28中。因此，反馈功能为降低输出电压52。
图5A和图5B表示由各负载区域的第一控制动作决定信号59进行的升压动作和降压动作、和由第二控制动作决定信号62进行的PWM动作和PFM动作的关系。
在图5A中，横轴表示输出电压52，纵轴表示DC/DC变换器的输出电流82。根据输出电压52和输出电流82将负载区域分割为四个。它们是负载区域A、负载区域B、负载区域C、负载区域D。负载区域A是输出电压52为输入电压51以下、输出电流82为阈值电流81以下的情况的区域。负载区域B是输出电压52超过输入电压51、输出电流82为阈值电流81以下的情况的区域。负载区域C是输出电压52为输入电压51以下、输出电流82超过阈值电流81的情况的区域。负载区域D是输出电压52超过输入电压51、输出电流82超过阈值电流81的情况的区域。
图5B表示由图5A定义的四个负载区域与第一控制动作决定信号59、第二控制动作决定信号62的关系。
如图5A和图5B所示，当相对于输入电压51而输出电压52高的情况下，具有升压动作的功能，当相对于输入电压51而输出电压52低的情况下，具有降压动作的功能。由输入电压和输出电压的关系决定是进行升压动作还是降压动作。
而且，相对于输出电流82设定阈值电流81，在输出电流82相对于阈值电流81为大的情况下，具有PWM动作的功能，当输出电流82相对于阈值电流81为小的情况下，具有PFM动作的功能。由输出电流82和阈值电流81的关系决定是进行PWM动作还是PFM动作。
图6表示DC/DC变换器的另一动作。在图6中，横轴表示输出电压52，纵轴表示输出电流82。图6是根据规定的阈值电压83和阈值电流81分类为PWM动作区域和PFM动作区域的图。输出电压52比阈值电压83还低且输出电流比阈值电流81还小的区域为PFM区域。另一方面，除此之外的区域是PWM区域。●标记表示各动作点，认为在各动作点间进行状态转移①～⑥。
图7是与图6的动作模式的推移相对应的定时图。图7将横轴作为时间84，表示输出电压52的时间推移、控制电压53的时间推移和本发明的电路动作推移85。同时还表示现有电路中的动作推移86。它们表示与从控制电压输入端子33输入的控制电压53相对应的输出电压52的稳定状态或变化状态(状态转移)的输出电压52和动作模式。根据所输入的控制电压53来控制输出电压52。这时，根据控制电压53和输出电压52的关系、状态转移的状况，如本发明的电路动作85那样进行模式转移。例如，在状态转移①、状态转移②和状态转移⑤中，本发明的电路动作85进行PWM动作。
另一方面，如图6和图7的状态转移①、状态转移②和状态转移⑤所示，当输出电压52降低时，现有的电路动作86为停止状态。
图8表示由图3A和图3B所示的本发明的电压变换电路70来实施与图7所示的现有的电路动作86等效的动作的情况。现有的电路动作86的动作具有构成第一开关电路21的一个开关21A和构成第二开关电路23的一个开关23A经常连接在输入端子31和输出端子32的功能，并且接地的开关21B和开关23B等效为经常关动作状态。
因此，现有的电路动作86，由平滑电容24和负载阻抗86的时间常数来决定输出电压的瞬态响应时间。尤其是在变化为轻负载时负载阻抗变大，结果，需要长的瞬态响应时间。
如图7所示，本发明的电路即使在状态转移①、状态转移②和状态转移⑤的条件下也具有进行PWM动作的功能，所以高速的瞬态响应成为可能。
图9表示高速瞬态响应电路34的动作原理。
图9分别表示在两个负载区域的变化图案中，对应于控制电压53的目标输出电压93、输出电压52、从输出电压变化检测电路35输出的输出电压变化检测信号61、从高速瞬态响应电路34输出的第二控制动作决定信号62和由第二控制动作决定信号62决定的PWM和PFM的动作条件。该两个负载变化是负载变化87和负载变化88。负载变化87是从负载区域A开始经负载区域C后又返回到负载区域A的负载变化。另一方面，负载变化88是从负载区域A开始经负载区域B后又返回到负载区域A的负载变化。即，负载变化87是经过如图5所示的超过阈值电流81的重负载状态的负载变化，负载变化88是经过如图5所示的没有超过阈值电流81的轻负载状态的负载变化。另外，横轴89用时间来表示目标输出电压93、输出电压52、输出电压变化检测信号61和第二控制动作决定信号62。
已如上所述，将输出电压52和控制电压53输入到输出电压变化检测电路35。输出电压变化检测电路35在输出电压52进行规定值以上的变化时，检测到输出电压52变化了。即，在从负载区域A移动到负载区域C(或者负载区域B)的过程中，将比负载区域A的稳定状态的输出电压52高上述规定值的电压设定为第一阈值电压91。另外，在从负载区域C(或者负载区域B)移到负载区域A的过程中，将比负载区域C(或者负载区域B)的稳定状态的输出电压52低上述规定值的电压设定为第二阈值电压92。在从负载区域A移到负载区域C(或者负载区域B)的过程中，输出电压变化检测电路35在输出电压52超过第一阈值电压91的定时内使输出电压变化检测信号61变为高电平，在输出电压52超过第二阈值电压92的定时内使输出电压变化检测信号61变为低电平。在从负载区域C(或负载区域B)移到负载区域A的过程中，输出电压变化检测电路35在输出电压52比第二阈值电压91还低的定时内使输出电压变化检测信号61变为高电平，输出电压52比第一阈值电压92还低的定时内使输出电压变化检测信号61变为低电平。由此，输出电压变化检测电路35生成输出电压变化检测信号61。
将该输出电压变化检测信号61和来自负载判定电路30的负载区域检测信号60输入到控制动作决定电路36中。即，控制动作决定电路36以对应于负载变化87、负载变化88的负载区域检测信号60和输出电压变化检测信号61作为基础，生成第二控制动作决定信号61。
这样，当由输出电压变化检测电路35检测出输出电压52相对于与控制电压53相对应的目标输出电压93具有规定量以上的电压差的变化时，本DC/DC变换器进行动作，使得执行与输出电流和输出电压52无关的PWM控制。另一方面，当输出电压52相对于与控制电压53相对应的目标输出电压93没有规定量以上的电压差而没有检测出输出电压52的变化时，本DC/DC变换器进行动作，以便在两个动作模式内，执行由负载判定电路30生成的负载区域检测信号60决定的动作模式。
因此，若着眼于负载变化88的情况，则以图5所记载的负载区域A、负载区域B、负载区域A的顺序发生负载变化。
在图5所记载的负载区域A和负载区域B中，本发明的DC/DC变换器在稳定状态下进行PFM动作。但是，在负载条件变化的输出电压变化检测期间，其功能是，在由与阈值电流的比较所定义的轻负载和重负载中都进行PWM动作。
另外，当利用输出电压变化检测电路35从未检测出输出电压52的变化的状态变化到检测出的状态或者从检测出输出电压52的变化的状态变化到未检测的状态时，所述高速瞬态响应电路34可具有抑制输出电压52的变动的输出变动抑制功能。
但是，在图2所示的本发明的DC/DC变换器的电路框图中，由第一开关电路21、电感线圈22、第二开关电路23和平滑电容24的串联连接而构成电压变换电路70。在是这种结构时，由于第一开关电路21和第二开关电路23为串联关系，所以第一开关电路21的插入损耗和第二开关电路23的插入损耗相加。因此，存在这些插入损耗成为问题的情况。因此，图10表示不产生这种插入损耗的问题的本发明的DC/DC变换器的电路框图。
在图10中，将与图2相同的部分赋予与图2相同的附图标记，并省略其详细说明。与图2不同的部分是电压变换电路70的结构，主要说明该部分。电压变换电路70由第一开关电路21、第一电感线圈22A、第二电感线圈22B、第二开关电路23和平滑电容24构成。将第一开关电路21和第一电感线圈22A串联连接，构成第一串联连接电路。将第二电感线圈22B和第二开关电路23串联连接，构成第二串联连接电路。将第一串联连接电路和第二串联连接电路再并联连接。将输入电压51输入到第一开关电路21和第二电感线圈22B中。第一开关电路21与图2的动作相同，由开关控制电路28控制。第二开关电路23也与图2的动作相同，由开关控制电路28控制。合成第一电感线圈22A的输出和第二开关23的输出，并输入到平滑电容24中。平滑电容24进行与图2的平滑电容24相同的动作，输出输出电压52。电压变换电路70的其他部分与以图2的结构为基础而进行说明的动作相同。
在图10的结构中，第一开关电路21的插入损耗和第二开关电路23的插入损耗不相加。因此，不产生上述的插入损耗的问题。
另外，虽然在图2的结构中电感线圈22仅有一个，但是图10的结构需要两个电感线圈(第一电感线圈22A和第二电感线圈22B)。但是，可通过电镀形成层叠图案而一体形成第一电感线圈22A和第二电感线圈22B。由此，可通过减少部件数目而降低安装面积和安装成本。因此，电感线圈增加为两个将不成为问题。
另外，图3A～图9的各个附图已经说明了图2的结构的动作和效果。即使是图10所示的本发明的DC/DC转换器的结构也可得到同样的动作和效果。
如上所述，在本发明的DC/DC变换器在输出电压降低时可快速降低输出电压，可减少瞬态响应时的电功率损耗的产生。若将本发明的DC/DC变换器应用于便携电话，则可使通话时间变长。
另外，在本发明的DC/DC变换器中，即使在输出电压上升时也可使输出电压快速上升，所以可实现大幅度的电功率损耗的降低。
最近，即使通过电池电压的低电压化将电池电压的电压设定得比功率放大器用电源的电压还低，也还需要进行动作。本发明的DC/DC变换器不仅能有效实施降压动作，还能有效地实施升压动作。即，本发明的DC/DC变换器还可对应于电池电压的低电压化。
另外，本发明的结构是，在电压控制电路中添加了决定是进行升压还是降压的升压降压动作决定电路和决定电压变换电路的动作模式的高速瞬态响应电路。由此，可对应于升压和降压，与电池电压无关，输出电压改变时的输出电压的高速瞬态响应成为可能。另外，通过在便携电话等中使用本发明的DC/DC变换器，可提高通话时间。
另外，在本发明中，在降压动作时或升压动作时，可个别地使第一开关电路或第二开关电路进行动作。因此，可降低开关的接通阻抗，可提高效率。
而且，在本发明中，可细分负载条件来设定最佳动作条件，而使效率提高。
另外，在本发明中，在输出电压变化时，不会发生急剧的电压降低和上升。因此，通过在便携电话等中使用本发明的DC/DC变换器，而可确保稳定的发送状况。
权利要求
1.一种DC/DC变换器，其特征在于，包括电压变换电路，连接于输入端子和输出端子之间，输出输出电压和开关电流检测信号；高速瞬态响应电路，输入所述输出电压、控制电压和所述开关电流检测信号，输出第二控制动作决定信号；升压降压动作决定电路，输入所述输出电压、所述控制电压和所述输入电压，输出第一控制动作决定信号；电压比较电路，输入所述输出电压、所述控制电压和所述第二控制动作决定信号，输出开关条件信号；和开关控制电路，输入所述开关条件信号、所述第一控制动作决定信号和所述第二控制动作决定信号，输出开关控制信号；将所述开关控制信号输入至所述电压变换电路，形成反馈电路。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于所述电压变换电路由第一开关电路、电感线圈、第二开关电路和平滑电容的串联连接所构成。
3.根据权利要求2所述的DC/DC变换器，其特征在于在所述电压变换电路执行升压动作时，所述第一开关电路进行动作，使得所述输入端子和所述电感线圈始终连接。
4.根据权利要求2所述的DC/DC变换器，其特征在于在所述电压变换电路执行降压动作时，所述第二开关电路进行动作，使得所述电感线圈和所述平滑电容始终连接。
5.根据权利要求2所述的DC/DC变换器，其特征在于所述高速瞬态响应电路，包括负载判定电路，输入从所述第一开关电路或所述第二开关电路的至少一个输出的所述开关电流检测信号和从所述平滑电容输出的所述输出电压，检测输出负载区域，输出负载区域检测信号；输出电压变化检测电路，进行所述控制电压和所述输出电压的比较，检测输出电压的变化，输出输出电压变化检测信号；控制动作决定电路，将根据所述负载区域检测信号和所述输出电压变化检测信号决定所述开关控制电路的控制模式的所述第二控制动作决定信号输出至所述开关控制电路和所述电压比较电路。
6.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于所述电压比较电路，包括比较电路，输入所述输出电压和所述控制电压，进行比较运算，输出误差电压；振荡电路，根据所述第二控制动作决定信号输出基准三角波信号；开关条件决定电路，比较所述误差电压和所述基准三角波信号，输出所述开关条件信号。
7.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于所述第二控制动作决定信号是决定执行PWM和PFM哪一个动作模式的信号。
8.根据权利要求6所述的DC/DC变换器，其特征在于所述振荡电路可根据所述第二控制动作决定信号改变振荡频率，还可执行使所述开关条件决定电路的开关频率或时间比率变化的动作。
9.根据权利要求1所述的DC/DC变换器，其特征在于所述电压变换电路，包括由第一开关电路和第一电感线圈构成的第一串联连接电路；由第二电感线圈和第二开关电路构成的第二串联连接电路；和平滑电容，将所述第一串联连接电路和所述第二串联连接电路并联连接，将所述第一串联连接电路的输出和所述第二串联连接电路的输出输入至所述平滑电容。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于选择由阈值电流的值所定义的两个动作模式中的任一个，使利用负载的电流值和所述输出电压的值所设定的整个负载区域进行动作。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于进行区域设定，使得选择由一个或两个以上的阈值电流的值和阈值电压的值所定义的两个动作模式中的任一个，使利用负载电流值和所述输出电压的值所设定的整个负载区域进行动作。
12.根据权利要求5～10中任一项所述的DC/DC变换器，其特征在于相对于与所述控制电压相对应的目标输出电压，所述输出电压具有规定量以上的电压差，并且利用所述输出电压变化检测电路检测出输出电压变化的条件下，进行PWM控制，与输出电流和所述输出电压无关，没有所述规定量以上的电压差，并且没有检测出所述输出电压的变化的条件下，在所述两个动作模式中，执行由所述负载区域检测信号所决定的动作模式。
13.根据权利要求5所述的DC/DC变换器，其特征在于所述高速瞬态响应电路具有在利用输出电压变化检测电路从未检测出所述输出电压的变化的状态变化为检测出的状态或者从检测出所述输出电压的变化的状态变化为未检测出的状态时、抑制所述输出电压的变动的输出变动抑制功能。
全文摘要
本发明提供一种DC/DC变换器，可进行输出电压的升压和降压这两者的动作，可在输出电压下降时使输出电压快速降低，可在输出电压升压时使输出电压快速上升，可降低瞬态响应时的电功率损耗的发生。该DC/DC变换器可使便携电话的通话时间变长。该DC/DC变换器包括连接于输入端子和输出端子之间的电压变换电路、高速瞬态响应电路、升压降压动作决定电路、电压比较电路和开关控制电路。
文档编号H02M3/155GK1503442SQ20031011513
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月20日 优先权日2002年11月20日
发明者东谷比吕志, 安保武雄, 雄 申请人:松下电器产业株式会社