专利名称：Dc/dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将输入的电源电压变换为规定的DC电压的DC/DC转换器，特别涉及电流型DC/DC转换器。
背景技术：
在DC/DC转换器中，存在如下类型在输入电源的端子、和与负载连接并输出规定的DC电压的输出端子之间设置开关元件，通过开闭该开关元件而保持规定的DC电压。这种DC/DC转换器，由于其小型且可实现高效率，所以被广泛使用。并且，在该开关元件的开闭控制中，有检测与开关元件连接的线圈中流动的电流并反馈的方式(例如，专利文献1、专利文献2和特愿2003-111242号)。采用这种方式的DC/DC转换器，称作电流型DC/DC转换器。
在图5中表示电流型DC/DC转换器的电路例。该DC/DC转换器101，设置与上述的构成要素对应的开关元件114和线圈116，通过使开关元件114开闭，从而自输入电源(VCC)通过线圈116而向负载103连接的输出端子OUT提供电力，以便保持规定的DC电压。
DC/DC转换器101，除上述的开关元件114和线圈116之外，还包括串联连接到开关元件114并与其交替地进行开闭动作的开关元件115；检测线圈116中流动的电流的线圈电流检测电阻117；连接到线圈电流检测电阻117的负载侧并使输出端子OUT的电压平滑的平滑化电容器118；检测线圈电流检测电阻117的负载侧的电压并控制作为线圈116中流动的作为最大电流的基准电流值的基准电流值控制电路108；产生基准时钟CLK的时钟发生器110；与基准时钟CLK同步输出上述开闭动作的信号的反馈电路109，其中上述开闭动作，即在线圈116中流动的电流超过上述基准电流值之前接通开关元件114(断开开关元件115)，若线圈116中流动的电流超过上述基准电流值则断开开关元件114(接通开关元件115)；设置于反馈电路109和开关元件114、115之间的缓冲器111、112。
专利文献1特开平11-75367号公报专利文献2特开2003-319643号公报该DC/DC转换器101中使用的平滑化电容器118，一般而言，为了抑制输出电压的波动(ripple)或为了使由输出电流的变动引起的瞬态响应良好而采用电容值大的电解电容器。
但是，由于电解电容器具有极性，所以存在若由过大噪声或反向连接错误而在相反方向上施加电压则会毁坏的情况，另外，有内部结构性的冒烟或起火的危险性。另外，如图7所示，一般而言，电容器除规定的电容C外还存在由引线或内部结构引起的ESR(等效串联电阻)，电解电容由于ESR的值(RESR)大，故使波动电压增大。
因此，考虑采用无极性、且无冒烟或起火的危险性、另外ESR的值(RESR)小的陶瓷电容器。但是，在图5所示的电路中，将电解电容器替换为陶瓷电容器时，存在发生下面说明的下冲(under shoot)或过冲(overshoot)的问题。
即，一般而言，根据负载的变动而引起输出电流的急剧变动时，在DC/DC转换器101根据反馈而响应之前，都会发生下冲或过冲。在DC/DC转换器101中使用电容值大的电解电容时，可根据其积累的电荷而抑制到这些下冲或过冲不会成为问题的程度，但由于陶瓷电容器的电容值小而不能充分抑制下冲或过冲，所以存在瞬态响应变差的问题。表示该现象的是图6(a)和(b)。如图6(a)的DC特性图所示，DC/DC转换器101，即使输出电流IO增加或减少，输出电压VO都保持为设定电压Vref。并且，在使用陶瓷电容器的情况下，如图6(b)的瞬态特性所示，在发生输出电流的急剧变动时，会发生大的下冲或过冲而不能将其抑制。
进而，由于陶瓷电容器的ESR的值(RESR)小，故也存在DC/DC转换器101易振荡的问题。DC/DC转换器101，如图8的特性曲线A及特性曲线B所示，通过负载103和平滑化电容器118而具有1个极点(pole)、一个零点的频率特性。该极点的频率(fp)和零点的频率(fz)，可由下式求得。
fp＝1/(2π·RO·COUT) (1)fz＝1/(2π·RESR·COUT) (2)在这里，RO是负载的电阻值，COUT是平滑化电容器118的电容值，RESR是平滑化电容器118的ESR的值。另外，在图8中，横轴是对数刻度，是为了使特性曲线A及特性曲线B的fp一致而表示的刻度。
fp和fz，其频率差越大、相位(phase)的旋转的最大角越大。例如，在图8中，由于特性曲线B的fp和fz的频率差比特性曲线A的更大，所以其相位的旋转的最大角大。并且，若相位的旋转的最大角大，则由构成DC/DC转换器101的电路(例如，基准电流值控制电路108、反馈电路109等)中的元件的延迟等引起的相位的旋转进一步增大，从而容易引起振荡。相反，若频率差小，则相位不那么旋转，从而振荡困难。
在该(1)、(2)式中，若设RO＝0.5Ω、并填入平滑化电容器118为电解电容器时的具体的值(COUT＝330μF，RESR＝20mΩ)，则fp＝965Hz、fz＝24.1KHz。所以，fz成为fp的25倍。该fz与fp的差，实际发生振荡困难。一方面，若填入平滑化电容器118为陶瓷电容器时的具体的值(COUT＝100μF，RESR＝5mΩ)，则fp＝3.18KHz、fz＝318KHz。所以，fz成为fp的100倍，该频率差大，容易发生振荡。另外，COUT＝100μF是陶瓷电容器的最大级的电容值。
发明内容
本发明正是鉴于以上原因而进行的发明，其目的在于提供一种即使采用ESR的值(RESR)或电容值小的平滑化电容器，负载变动时的瞬态响应也不会恶化且可抑制振荡现象发生的DC/DC转换器。
为了解决上述课题，第1发明涉及的DC/DC转换器，其中通过开闭开关元件而经线圈从输入电源向负载连接的输出端子提供电力，并调整输出端子的电压，其特征在于，包括插入安装于线圈和输出端子之间，并检测线圈电流的元件；平滑化电容器，其连接到检测线圈电流的元件的负载侧，并使输出端子的电压平滑；基准电流值控制电路，其对检测线圈电流的元件的线圈侧的电压进行检测，以控制线圈中流动的电流的基准电流值；反馈电路，其与时钟发生器的基准时钟同步地接通开关元件，若线圈中流动的电流超过基准电流值则断开开关元件。
第2发明涉及的DC/DC转换器，其特征在于，在第1发明所记载的DC/DC转换器中，上述检测线圈电流的元件是线圈电流检测电阻。
第3发明涉及的DC/DC转换器，其特征在于，在第1或第2发明所记载的DC/DC转换器中，上述平滑化电容器是陶瓷电容器。
第4发明涉及的DC/DC转换器，其特征在于，在第1或第2发明所记载的DC/DC转换器中，上述平滑化电容器是等效串联电阻的电阻值比电解电容器更小的电容器。
第5发明涉及的DC/DC转换器，其特征在于，在第1或第2发明所记载的DC/DC转换器中，上述检测线圈电流的元件的电阻值比上述平滑化电容器的等效串联电阻更大。
第6发明涉及的DC/DC转换器，其特征在于，在第1或第2发明所记载的DC/DC转换器中，通过上述检测线圈电流的元件和上述平滑化电容器来设定频率特性中的零点的频率。
第7发明涉及的DC/DC转换器，其中通过开闭开关元件而经线圈从输入电源向负载连接的输出端子提供电力，并对开关元件施加反馈，以调整输出端子的电压，其特征在于，包括检测线圈电流的元件，其插入安装于线圈和输出端子之间，用于检测线圈中流动的电流；平滑化电容器，其连接到检测线圈电流的元件的负载侧，用于使输出端子的电压平滑化；通过检测线圈电流的元件和平滑化电容器来设定频率特性中的零点的频率。
本发明的DC/DC转换器，由于使基准电流值控制电路对检测线圈电流的元件的线圈侧的电压进行检测、并控制线圈中流动的电流的基准电流值，所以即使采用电容或ESR的值(RESR)小的平滑化电容器，负载变动时的瞬态响应也不会恶化且可抑制振荡现象的发生。另外，通过对平滑化电容器采用陶瓷电容器，从而不会发生因极性造成的毁坏，无冒烟或起火的危险性，可减少由于小ESR的值(RESR)引起的输出电压的波动。
图1是本发明的实施方式涉及的DC/DC转换器的电路图；
图2是图1的偏置电压生成电路的电路图；图3是图1的动作波形图；图4是表示图1的输出电流和输出端子的电压的特性的图，(a)是DC特性图，(b)是瞬态特性图；图5是背景技术的DC/DC转换器的电路图；图6是表示图5的输出电流和和输出端子的电压的特性的图，(a)是DC特性图，(b)是瞬态特性图；图7是电容器的内部电路图；图8是DC/DC转换器的频率特性图。
图中1-DC/DC转换器，3-负载，8-基准电流值控制电路，9-反馈电路，10-时钟发生器，14-开关元件，16-线圈，17-线圈电流检测电阻，18-平滑化电容器，VCC-输入电源，OUT-输出端子，IL-线圈中流动的电流(线圈电流)，CLK-基准时钟。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的最佳实施方式。图1是本发明的实施方式的DC/DC转换器的电路图。
该DC/DC转换器1，通过使N型MOS晶体管的开关元件14开闭，而经线圈16从输入电源(VCC)向负载3连接的输出端子OUT提供电力，并以使输出端子OUT保持为规定的DC电压的方式进行调整。并且，其构成为包括插入安装于线圈16和输出端子OUT之间并检测线圈电流(线圈16中流动的电流)IL的元件的线圈电流检测电阻17；连接到线圈电流检测电阻17的负载侧并使输出端子OUT的电压平滑化的平滑化电容器18；检测线圈电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)的电压，以控制线圈电流IL的基准电流值ILref的基准电流值控制电路8；与时钟发生器10的基准时钟同步地接通(on)开关元件14、若线圈电流IL超过基准电流值则断开(off)开关元件14的反馈电路9。在此，平滑化电容器18，使用无极性、无冒烟或起火的危险性且可靠性高的陶瓷电容器。另外，在图1中，为了容易理解平滑化电容器18的动作，也标明了其ESR(等效串联电阻)。
进而，若详细说明DC/DC转换器1，则开关元件14一端连接到输入电源(VCC)，另一端连接到线圈16。在该开关元件14和线圈16的连接点(连接点a)上，连接有另一端连接到接地电位的第2N型MOS晶体管的开关元件15。即，开关元件14和第2开关元件15成为高位侧及低位侧的开关元件。该第2开关元件15以和开关元件14相反的相位被开闭控制。另外，第2开关元件15也可由二极管替换，但是与该情况相比，由于在接通时线圈16的一端几乎保持为接地电位，所以能够提高电力效率。
线圈电流检测电阻17，连接到线圈16的另一端(连接点b)，其两端生成与线圈电流IL成比例的检测电压。这里重要的是，在线圈电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)上连接有由串联连接的2个电阻构成的电压检测器21。该电压检测器21的另一端连接到接地电位。这些电阻，以只流动与线圈电流IL相比大致可忽略的电流的方式而具有大电阻值。并且，2个电阻的连接点连接到误差放大器22的反相输入端子，该电压与输入到非反相输入端子的来自基准电源23的基准电压比较而反相增大后输出。这些电压检测器21和误差放大器22构成基准电流值控制电路8，误差放大器22的输出，如下面所述控制线圈电流IL的基准电流值ILref。
反馈电路9包括根据误差放大器22的输出电压而生成偏置电压的偏置电压生成器25；将该偏置电压与来自线圈电流检测电阻17的检测电压进行比较的比较器26；根据基准时钟CLK和比较器26的输出，经缓冲器11、12来控制开关元件14和第2开关元件15的开闭的逻辑电路27。另外，该偏置电压如下面所述对应于线圈电流IL的基准电流值ILref。
偏置电压生成电路25，其控制输入端子被输入误差放大器22的输出，2个信号输入端子被输入线圈电流检测电阻17的两端的电压信号。并且，与控制输入端子的电压对应的偏置电压，相对地附加到信号输入端子的低电压信号上并从2个输出端子输出，输入到比较器26的两输入端子。比较器26，若来自线圈电流检测电阻17的检测电压比偏置电压更高则输出高电平，若低则输出低电平。逻辑电路27，由触发电路构成。并且，其复位输入端子R被输入比较器26的输出，置位输入端子S被输入来自时钟发生器10的基准时钟CLK，非反相输出端子Q经输出缓冲器11而被输入到开关元件14，反相输出端子QB经输出缓冲器12而被输入到开关元件15。
下面，在图2中表示偏置电压生成电路25的具体电路例。控制输入端子ADJ连接误差放大器22的输出，信号输入端子IN-连接线圈电流检测电阻17的负载侧的一端，信号输入端子IN+连接线圈电流检测电阻17的线圈侧的一端，输出端子OUT-、OUT+分别连接到比较器26的反相输入端子、非反相输入端子。与控制输入端子ADJ对应的电流I1在电阻值为R1的电阻31中流动，该电流I1被传送到电流镜电路，在串联连接到电阻32两端的PNP型晶体管34和NPN型晶体管35中流动。在此，电阻32和下述的电阻33的电阻值为R2。
电阻32和PNP型晶体管34的连接点，连接有与PNP型晶体管34并联的流过电流I2的恒流源36，并且连接到输出端子OUT-。电阻32和NPN型晶体管35的连接点，连接有与NPN型晶体管35并联设置的PNP型晶体管38的发射极。另外，电阻33的两端，分别连接有流过电流I2的恒流源37和PNP型晶体管39的发射极。电阻33和恒流源37的连接点，连接有输出端子OUT+。进而，向PNP型晶体管38的基极输入输入端子IN-的电压，向PNP型晶体管39的基极输入输入端子IN+的电压。
若将输入端子IN-的电压设为VIN-，则输出端子OUT-成为(VIN-)+(Vf)+(I1+I2)×R2的电压。另外，若将输入端子IN+的电压设为VIN+，则输出端子OUT+成为(VIN+)+(Vf)+I2×R2的电压。在此，Vf是晶体管的正向偏置电压。所以，输出端子OUT-和输出端子OUT+的电压差，成为(VIN-)-(VIN+)+I1×R2，由于I1×R2与控制输入端子ADJ的电压的R2/R1倍一致，所以该电压，作为偏置电压而相对地附加到输入端子IN-的电压上并从输出端子OUT-输出。
若采用如上所述的构成，就能够在偏置电压生成电路25中生成精度良好的偏置电压，当然可采用其它的构成。
下面，基于图3说明DC/DC转换器1的动作。在DC/DC转换器1中，根据来自时钟发生器10的基准时钟CLK的上升沿，逻辑电路27被置位，从非反相输出端子Q输出高电平，从反相输出端子QB输出低电平。由此，通过开关元件14接通(第2开关元件15断开)，从而开关元件14和线圈16的连接点a的电压Va成为VCC的电平，线圈电流IL直线增加。该线圈电流IL，在线圈电流检测电阻17中流动，在与其成比例的检测电压超过偏置电压生成电路25生成的偏置电压之前会持续增加。若超过偏置电压，即若线圈电流IL超过基准电流值ILref，则比较器26输出高电平，逻辑电路9被复位，从非反相输出端子Q输出低电平，从反相输出端子QB输出高电平的电压。其结果是，通过开关元件14断开，第2开关元件15接通，从而线圈电流IL直线减少。以上动作在DC/DC转换器1中反复进行。
线圈电流IL的基准电流值ILref，经偏置电压生成电路25，通过由电压检测器21和误差放大器22构成的基准电流值控制电路8控制。即在DC/DC转换器1中，若线圈电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)的电压稍微下降一点，则该电压的偏移通过电压检测器21，由误差放大器22反相放大后输入到偏置电压生成电路25的控制输入端子。于是，由于偏置电压生成电路25的偏置电压上升，故基准电流值ILref增加。相反，若线圈电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)的电压稍微上升一点，则基准电流值ILref减少。这样，反馈电路9以可控制基准电流值ILref、使线圈电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)的电压恒定的方式动作。
下面，对输出端子OUT中的输出电压VO的波动(ripple)ΔVO进行说明。线圈电流IL，如上所述，由于反复直线增加和减少而具有恒定的波动幅度，即波动ΔIL。线圈电流IL，通过线圈电流检测电阻17而分成从输出端子OUT流出到负载3的恒定的输出电流IO和平滑化电容器18的充放电电流IC。在此，线圈电流IL的波动ΔIL成为平滑化电容器18的充放电电流IC的波动ΔIC。所以，输出电压VO的波动ΔVO成为ΔVO＝ΔIC×RESR＝ΔIL×RESR(4)在此，RESR是平滑化电容器18的ESR值。
平滑化电容器18，是如上所述的陶瓷电容器，RESR小，例如为5mΩ。电解电容器的RESR大，例如为20mΩ。所以，若将这些值填入(4)式，则能够得知使用陶瓷电容器的情况与使用电解电容器的情况相比，可将波动电压ΔVO减少到四分之一。
下面，对DC/DC转换器1中的由负载的变动引起的瞬态响应进行说明。如上所述，通过基准电流值控制电路8和反馈电路9，将线圈电流检测电阻17的线圈16侧(连接点b)的电压保持为规定的恒定电压。所以，在输出电流IO增加时，输出端子OUT的电压VO会如下式所示下降一点。
即成为VO＝Vref-IO×RS(5)因此，与输出电流IO对应的输出电压VO的DC特性成为图4(a)所示的那样。另外，在该DC/DC转换器1中，在向用户保证的最大输出电流IOmax下的输出电压VO的降低幅度，当然必须在由规格而确定的变动允许范围内。
在图4(b)中表示该瞬态特性。如该图所示，通过使输出电压VO随着输出电流IO的增加也稍微降低，从而可抑制上述图6(b)中所示的下冲或过冲。即，在根据负载3而发生输出电流IO的急剧的变动时，使用了电容值小的陶瓷电容器的DC/DC转换器1，本来其输出电压也容易发生瞬态的变动，但是，通过使该瞬态的变动沿着DC特性变动，从而能够抑制在DC/DC转换器1的反馈电路可响应之前的下冲或过冲。进而，作为其它的优点，与输出电流IO的增加相对的输出电压VO的下降，还可以降低消耗电力。
下面，对DC/DC转换器1的振荡的问题进行说明。如上所述，DC/DC转换器1，由于将电压检测器21连接到了电流检测电阻17的线圈侧(连接点b)，所以该电压，通过基准电流值控制电路8和反馈电路9而被保持为规定的恒定电压。由此，在上述(2)式中，在RESR上添加了线圈电流检测电阻17的电阻值RS的电阻值(RESR+RS)替换为RESR。即，DC/DC转换器1具有1个极点、一个零点的频率特性，该极点的频率(fp)和零点的频率(fz)，可由下式求得。
fp＝1/(2π·RO·COUT) (6)fz＝1/(2π·(RESR+RS)·COUT) (7)在这里，RO是负载的电阻值，COUT是平滑化电容器18的电容值，RESR是平滑化电容器18的ESR的值，RS是线圈电流检测电阻17的电阻值。这样，通过线圈电流检测电阻17和平滑化电容器18，可以设定频率特性中的零点的频率(fz)。
若按照(7)式，则与(2)式相比fz减小，因此，fp和fz的频率差减小、相位的旋转被抑制、振荡困难。具体而言，设RS＝15mΩ，若将陶瓷电容器的情况下的上述值(RO＝0.5Ω，COUT＝100μF，RESR＝5mΩ)填入(6)、(7)式，则fp＝3.18KHz、fz＝79.6KHz，fz约为fp的25倍。所以，即使使用RESR小的陶瓷电容器，通过采用该DC/DC转换器1的构成，从而fp和fz的频率差也和上述图5的构成中的使用电解电容器的情况相同。
另外，本发明，虽然是为了在DC/DC转换器中使用陶瓷电容器而进行的发明，但是在使用其它的电容器时，通过采用这种构成也可以获得防止负载变动时的瞬态响应的恶化或抑制振荡现象的发生等效果。
权利要求
1.一种DC/DC转换器，其通过开闭开关元件而经线圈从输入电源向负载连接的输出端子提供电力，并调整输出端子的电压，包括插入安装于线圈和输出端子之间，并检测线圈电流的元件；平滑化电容器，其连接到检测线圈电流的元件的负载侧，以使输出端子的电压平滑化；基准电流值控制电路，其对检测线圈电流的元件的线圈侧的电压进行检测，并控制线圈中流动的电流的基准电流值；和反馈电路，其与时钟发生器的基准时钟同步地接通开关元件，若线圈中流动的电流超过基准电流值则断开开关元件。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述检测线圈电流的元件是线圈电流检测电阻。
3.根据权利要求1或2所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述平滑化电容器是陶瓷电容器。
4.根据权利要求1或2所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述平滑化电容器是等效串联电阻的电阻值比电解电容器更小的电容器。
5.根据权利要求1或2所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述检测线圈电流的元件的电阻值比所述平滑化电容器的等效串联电阻的电阻值更大。
6.根据权利要求1或2所述的DC/DC转换器，其特征在于，通过所述检测线圈电流的元件和所述平滑化电容器来设定频率特性中的零点的频率。
7.一种DC/DC转换器，其通过开闭开关元件而经线圈从输入电源向负载连接的输出端子提供电力并对开关元件施加反馈，以调整输出端子的电压，包括检测线圈电流的元件，其插入安装于线圈和输出端子之间，用于检测线圈中流动的电流；和平滑化电容器，其连接到检测线圈电流的元件的负载侧，用于使输出端子的电压平滑化，通过检测线圈电流的元件和平滑化电容器来设定频率特性中的零点的频率。
全文摘要
本发明提供一种可将陶瓷电容器作为平滑化电容器使用的DC/DC转换器。该DC/DC转换器(1)，通过使开关元件(14)开闭，从而经线圈(16)从输入电源(V
文档编号H02M3/158GK1879285SQ20048003326
公开日2006年12月13日 申请日期2004年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者梅本清贵, 竹村兴 申请人:罗姆股份有限公司