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CN119343860A - 半导体装置和开关电源 - Google Patents

半导体装置和开关电源 Download PDF

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CN119343860A
CN119343860A CN202380040743.9A CN202380040743A CN119343860A CN 119343860 A CN119343860 A CN 119343860A CN 202380040743 A CN202380040743 A CN 202380040743A CN 119343860 A CN119343860 A CN 119343860A
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China
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terminal
switching
capacitor
resistor
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Application number
CN202380040743.9A
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冈岛健一
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Rohm Co Ltd
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Rohm Co Ltd
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Abstract

一种半导体装置10包括：第一驱动器162，所述第一驱动器162构成为驱动构成开关输出级SWO的输出元件M1；自举电路BST的至少一部分，所述自举电路BST构成为生成高于从所述开关输出级SWO输出的开关电压Vsw的启动电压Vb并将所述启动电压Vb馈送到所述第一驱动器162；以及启动电压检测电路1E，所述启动电压检测电路1E构成为在所述输出元件M1关断的情况下感测到所述启动电压Vb与所述开关电压之间的差(Vb‑Vsw)变得低于下限检测值时对所述启动电压Vb充电。所述启动电压检测电路1E在与所述输出元件M1一起构成所述开关输出级SWO的整流元件M2接通的情况下通过电阻分压感测所述启动电压Vb，并且在所述整流元件M2关断的情况下通过电容分压感测所述启动电压Vb。

Description

半导体装置和开关电源
技术领域
本公开涉及一种半导体装置和一种采用半导体装置的开关电源。
背景技术
自举(bootstrap)电路通常且广泛地用作用于内部电源来驱动N沟道输出晶体管的单元。
与刚才已经提到的内容相关的已知技术的一个示例见于下面标识的专利文献1中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-133916号公报
发明内容
发明解决的课题
不方便的是，在防止自举电路生成的启动电压(boot voltage)的下降方面存在改进的空间。
解决课题的手段
例如，根据本文公开的内容的一个方面，一种半导体装置包括：第一驱动器，所述第一驱动器构成为驱动构成开关输出级的输出元件；自举电路的至少一部分，所述自举电路构成为生成高于从所述开关输出级输出的开关电压的启动电压并将所述启动电压馈送到所述第一驱动器；以及启动电压检测电路，所述启动电压检测电路构成为在所述输出元件关断的情况下感测到所述启动电压与所述开关电压之间的差变得低于下限检测值时对所述启动电压充电。所述启动电压检测电路在与所述输出元件一起构成所述开关输出级的整流元件接通的情况下通过电阻分压感测所述启动电压，并且在所述整流元件关断的情况下通过电容分压感测所述启动电压。
其他特征、元件、步骤、益处和特性通过结合与它们相关的附图对本发明的实施例的以下描述将变得更加清楚。
发明效果
根据本公开，可以提供一种能够防止由自举电路生成的启动电压的下降的半导体装置，并且可以提供一种采用这种半导体装置的开关电源。
附图说明
图1是示出开关电源的总体结构的示意图。
图2是示出根据第一实施例(比较例)的开关电源的示意图。
图3是示出第一实施例中的开关操作(在Vb正常的情况下)的示意图。
图4是示出第一实施例中的开关操作(在Vb下降的情况下)的示意图。
图5是示出根据第二实施例的开关电源的示意图。
图6是示出第二实施例中的开关操作的示意图。
图7是示出根据第三实施例的开关电源的示意图。
图8是示出第三实施例中的开关操作的示意图。
图9是示出根据第四实施例的开关电源的示意图。
图10是示出第四实施例中的开关操作的示意图。
图11是示出根据第五实施例的开关电源的示意图。
图12是示出第五实施例中的开关操作的示意图。
具体实施方式
<开关电源(总体结构)>
图1是示出开关电源的总体结构的示意图。该结构例的开关电源X是对输入电压Vin进行降压以产生期望的输出电压Vout的降压型(step-down)DC/DC转换器。在示意图中所示的内容中，开关电源X包括半导体装置10和外部地连接到其的各种分立部件(电容器C1至C6、电感器L1以及电阻器R1和R2)。
半导体装置10是全面控制开关电源X的操作的主要代理(所谓的功率控制IC(集成电路))。半导体装置10具有多个外部端子(在示意图中，引脚-1至引脚-16)作为用于建立与该装置外部的电连接的单元。
引脚-1和引脚-2用作输入电压Vin施加到的电源系统供应端子PVIN。引脚-3和引脚-4用作电源系统接地端子PGND。引脚-5是模拟系统接地端子AGND。引脚-6是反馈输入端子FB。引脚-7是频率设置端子FREQ。引脚-8是模式设置端子MODE。引脚-9是软启动设置端子SS。引脚-10、引脚-11和引脚12用作开关输出端子SW。引脚13是自举(bootstrap)端子BOOT。引脚14是功率良好输出端子PGD。引脚15是使能输入端子EN。引脚16是模拟系统供应端子AVIN。
接下来，将描述半导体装置10外部的互连。电容器C1的第一端子连接到模拟系统供应端子AVIN。电容器C1的第二端子连接到接地端子(例如，模拟系统接地端子AGND)。电容器C2的第一端子连接到电源系统供应端子PVIN(即，用于输入电压Vin的施加端子)。电容器C2的第二端子连接到接地端子(例如，电源系统接地端子PGND)。电容器C3的第一端子连接到自举端子BOOT。电容器C3的第二端子和电感器L1的第一端子都连接到开关输出端子SW。电感器L1的第二端子和电阻器R1以及电容器C4和C5的第一端子都连接到用于输出电压Vout的施加端子。电阻器R1和电容器C5的第二端子以及电阻器R2的第一端子都连接到反馈输入端子FB(即，用于反馈电压Vfb的施加端子)。电容器C4和电阻器R2的第二端子都连接到接地端子(例如，电源系统接地端子PGND)。电容器C6的第一端子连接到软启动设置端子SS。电容器C6的第二端子连接到接地端子(例如，模拟系统接地端子AGND)。
<半导体装置>
仍然参考图1，将详细描述半导体装置10的内部结构。该结构例的半导体装置10包括集成在其中的误差放大器11、比较器12、接通时间设置电路13、纹波生成电路14、加法器电路15、驱动控制电路16、软启动电路17、基准电压生成电路18、功率良好检测电路19、过热保护电路1A、低输入保护电路1B、过电流/短路保护电路1C、过零检测电路1D、电容器C7、二极管D1、输出元件M1、同步整流元件M2和晶体管M3。
误差放大器11生成误差电压Vc，该误差电压Vc对应于分别馈送到误差放大器11的两个非反相输入端子(+)的基准电压Vref和软启动电压Vss中的更低者与馈送到误差放大器11的反相输入端子(-)的反馈电压Vfb之间的差。如果反馈电压Vfb低于基准电压Vref和软启动电压Vss中的更低者，则误差电压Vc升高，并且如果反馈电压Vfb高于基准电压Vref和软启动电压Vss中的更低者，则误差电压Vc降低。
比较器12通过比较馈送到比较器12的反相输入端子(-)的斜坡电压Vslp和馈送到比较器12的非反相输入端子(+)的误差电压Vc来生成比较信号Sc。如果斜坡电压Vslp低于误差电压Vc，则比较信号Sc处于高电平，并且如果斜坡电压Vslp高于误差电压Vc，则比较信号Sc处于低电平。比较器12可以被给予滞后特性。
接通时间设置电路13生成控制信号S0，以便在比较信号Sc上升到高电平之后在接通时间Ton内保持输出元件M1接通。接通时间设置电路13可以被给予根据外部地馈送到频率设置端子FREQ的频率设置信号SFREG来设置开关频率fsw的功能。
纹波生成电路14与控制信号S0同步地生成模拟输出电压Vout中的纹波分量的纹波电压Vr。
加法器电路15通过将反馈电压Vfb和纹波电压Vr相加来生成斜坡电压Vslp。
驱动控制电路16通过生成栅极驱动信号G1和G2来执行基本输出反馈控制，以便通过底部检测固定接通时间方案保持输出电压Vout等于预定目标值。
驱动控制电路16具有根据过热保护信号SA、低输入保护信号SB和过电流/短路保护信号SC强制暂停输出元件M1和同步整流元件M2中的每一个的开关驱动的功能。
驱动控制电路16还具有在轻负载状况下根据过零检测信号SD暂停输出元件M1和同步整流元件M2中的每一个的开关驱动的功能。例如，当在输出元件M1关断并且同步整流元件M2接通的情况下过零检测信号SD上升到高电平时，即，当感测到开关电压Vsw高于过零检测值(例如，PGND)时，驱动控制电路16可以关断同步整流元件M2。
驱动控制电路16还可以具有根据从外部地馈送到模式设置端子MODE的模式设置信号SMODE来设置半导体装置10的操作模式的功能。
软启动电路17生成软启动电压Vss，该软启动电压Vss在半导体装置10启动之后逐渐上升。在软启动电压Vss开始上升之后直到它变得高于基准电压Vref所经过的时间(软启动时间)可以根据外部地连接到软启动设置端子SS的电容器C6的电容值根据需要进行调整。
基准电压生成电路18生成预定基准电压Vref(对应于反馈电压Vfb的目标值并且因此对应于输出电压Vout的目标值)。
功率良好检测电路19通过感测反馈电压Vfb是否高于预定功率良好检测阈值来生成栅极驱动信号G3。
过热保护电路1A通过感测半导体装置10(特别地，输出元件M1)的结温Tj是否高于预定的过热保护阈值来生成过热保护信号SA。
低输入保护电路1B(所谓的UVLO(欠电压锁定电路))通过感测输入电压Vin是否高于预定的低输入保护阈值来生成低输入保护信号SB。低输入保护电路1B根据从外部地馈送到使能输入端子EN的使能信号SEN在使能和禁用状态之间切换。
过电流/短路保护电路1C通过监测开关电压Vsw生成过电流/短路保护信号SC。
过零检测电路1D通过监测同步整流元件M2两端的端子间电压(对应于开关电压Vsw)来检测通过同步整流元件M2的电感器电流IL的过零(反向流动)。
例如，如示意图中所示，过零检测电路1D可以利用具有滞后的比较器来实施，该比较器通过将馈送到其非反相输入端子(+)的开关电压Vsw与馈送到其反相输入端子(-)的接地电压PGND进行比较来生成过零检测信号SD。在这种情况下，如果Vsw<PGND，则过零检测信号SD处于低电平，并且如果Vsw>PGND，则过零检测信号SD处于高电平。
作为用于防止误差放大器11振荡的相位补偿单元，电容器C7连接在误差放大器11的输出端子和接地端子(例如，模拟系统接地端子ANGD)之间。
二极管D1的阳极连接到电源系统供应端子PVIN。二极管D1的阴极连接到自举端子BOOT。如此连接，二极管D1与上述电容器C3一起构成自举电路BST。自举电路BST生成比开关电压Vsw高出电容器C3两端的端子间电压的启动电压Vb，以将启动电压Vb馈送到驱动控制电路16(特别地，稍后将描述的驱动器162)。二极管D1可以利用肖特基势垒二极管来适当地实施。
输出元件M1(例如，NMOSFET(N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管))用作从输入电压Vin生成开关电压Vsw的开关输出级SWO中的高侧开关。输出元件M1的漏极连接到电源系统供应端子PVIN。输出元件M1的源极连接到开关输出端子SW。输出元件M1的栅极连接到用于栅极驱动信号G1的施加端子。如果栅极驱动信号G1处于高电平，则输出元件M1接通，并且如果栅极驱动信号G1处于低电平，则输出元件M1关断。
同步整流元件M2(例如，NMOSFET)用作开关输出级SWO中的低侧开关。同步整流元件M2的漏极连接到开关输出端子SW。同步整流元件M2的源极连接到电源系统接地端子PGND。同步整流元件M2的栅极连接到用于栅极驱动信号G2的施加端子。如果栅极驱动信号G2处于高电平，则同步整流元件M2接通，并且如果栅极驱动信号G2处于低电平，则同步整流元件M2关断。
整流元件可以利用整流二极管(例如，肖特基势垒二极管)而不是同步整流元件M2来实施，该整流二极管的阴极连接到开关输出端子SW并且该整流二极管的阳极连接到电源系统接地端子PGND。
输出元件M1和同步整流元件M2可以在外部地连接到半导体装置10。在这种情况下，代替开关输出端子SW，需要用于开关电压Vsw的外部输入端子以及分别用于栅极驱动信号G1和G2的外部输出端子。
在高电压施加到开关输出级SWO的情况下，输出元件M1和同步整流元件M2可以利用诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SiC装置或GaN装置的高耐压装置来实施。
晶体管M3用作开漏输出级。晶体管M3的漏极连接到功率良好输出端子PGD(即，用于功率良好信号SPGD的施加端子)。晶体管M3的源极连接到接地端子(例如，模拟系统接地端子AGND)。晶体管M3的栅极连接到用于栅极驱动信号G3的施加端子。如果栅极驱动信号G3处于高电平，则晶体管M3接通，并且如果栅极驱动信号G3处于低电平，则晶体管M3关断。
<开关电源(第一实施例)>
图2是示出根据第一实施例的开关电源X的示意图(作为将与稍后描述的第一至第五实施例进行比较的比较例)。该实施例的开关电源X基于先前描述的总体结构(图1)，并且包括修改的自举电路BST。
在示意图中所示的内容，自举电路BST包括晶体管M4(例如PMOSFET(P沟道MOSFET))而不是先前描述的二极管D1。晶体管M4的源极连接到用于内部电源电压Vreg的施加端子。晶体管M4的漏极连接到用于启动电压Vb的施加端子。晶体管M4的栅极连接到用于栅极驱动信号PG的施加端子。如果栅极驱动信号PG处于高电平，则晶体管M4关断，并且如果栅极驱动信号PG处于低电平，则晶体管M4接通。
在该结构例的自举电路BST中，电容器C3结合在半导体装置10中。这有助于减少外部地连接到半导体装置10的分立部件的数量。然而，与电容器C3外部地连接到半导体装置10的结构相比，电容器C3具有更低电容值。这需要对防止启动电压Vb下降的措施的研究(细节将稍后给出)。
该示意图示出了作为驱动控制电路16的特定部件的控制器161以及驱动器162和163。
控制器161通过生成栅极控制信号S1和S2来执行基本输出反馈控制，以便通过底部检测固定接通时间方案保持输出电压Vout等于预定目标值。
控制器161生成栅极驱动信号PG作为用于自举电路BST的控制信号。栅极驱动信号PG基本上是栅极控制信号S2的逻辑反相信号。具体地，如果栅极控制信号S2处于高电平，则栅极驱动信号PG处于低电平，并且如果栅极控制信号S2处于低电平，则栅极驱动信号PG处于高电平。也就是说，当同步整流元件M2接通时，晶体管M4接通，并且当同步整流元件M2关断时，晶体管M4关断。
驱动器162通过根据栅极控制信号S1生成栅极驱动信号G1来驱动输出元件M1。例如，如果栅极控制信号S1处于高电平，则栅极驱动信号G1处于高电平(＝Vb)，并且如果栅极控制信号S1处于低电平，则栅极驱动信号G1处于低电平(＝Vsw)。以这种方式，驱动器162通过被供应有启动电压Vb来操作，并且可以可靠地接通输出元件M1。
驱动器163通过根据栅极控制信号S2生成栅极驱动信号G2来驱动同步整流元件M2。例如，如果栅极控制信号S2处于高电平，则栅极驱动信号G2处于高电平(＝Vreg)，并且如果栅极控制信号S2处于低电平，则栅极驱动信号G2处于低电平(＝PGND)。
开关输出级SWO互补地接通和关断被连接以便构成半桥的输出元件M1和同步整流元件M2，并且由此生成在输入电压Vin和接地电压PGND之间脉冲驱动的开关电压Vsw。
在本说明书中，术语“互补地”不仅涵盖输出元件M1和同步整流元件M2的接通/关断状态完全反转的操作，而且涵盖其接通/关断转变被延迟(即，提供同时关断时段)的操作。
电感器L1和电容器C4用作以矩形波形对开关电压Vsw进行整流和平滑以产生输出电压Vout的LC滤波器。
电阻器R1和R2用作从它们之间的连接节点输出与输出电压Vout(即，输出电压Vout的分压电压)相对应的反馈电压Vfb的反馈电压生成电路(分压电路)。尽管在示意图中未具体示出，但是加速(speeding-up)电容器C5(参见图1)可以在其端子与电阻器R1并联连接，以用于开关电源X的平滑启动。在输出电压Vout落入半导体装置10的输入动态范围内的情况下，可以省略电阻器R1和R2，并且可以将输出电压Vout直接馈送到反馈输入端子FB。
图3是示出第一实施例中的开关操作(在启动电压Vb正常的情况下)的示意图，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)以及栅极驱动信号G1、G2和PG。该示意图示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
如在时间t11和t12之间观察到的，当栅极驱动信号G1处于高电平并且栅极驱动信号G2处于低电平时，输出元件M1接通并且同步整流元件M2关断。因此，电感器电流IL在从电源系统供应端子PVIN(即，用于输入电压Vin的施加端子)经由输出元件M1和电感器L1通向用于输出电压Vout的施加端子的方向上通过。因此，输出电压Vout上升。开关电压Vsw处于高电平(＝Vin-IL×Ron(M1)，其中Ron(M1)是输出元件M1的接通电阻)。
当栅极驱动信号G2处于低电平时，栅极驱动信号PG处于高电平，并且因此自举电路BST中的晶体管M4关断。因此，启动电压Vb具有比开关电压Vsw高出电容器C3两端的端子间电压的电压值。
相比之下，如在时间t13和t14之间观察到的，当栅极驱动信号G1处于低电平并且栅极驱动信号G2处于高电平时，输出元件M1关断并且同步整流元件M2接通。在这种状态下，电感器L1(其中感应有电动势)使电感器电流IL保持在与之前相同的方向上通过。也就是说，电感器电流IL保持在从电源系统接地端子PGND经由同步整流元件M2和电感器L1通向用于输出电压Vout的施加端子的方向通过。因此，输出电压Vout继续上升。开关电压Vsw处于低电平(＝PGND-IL×Ron(M2)，其中Ron(M2)是同步整流元件M2的接通电阻。
当栅极驱动信号G2处于高电平时，栅极驱动信号PG处于低电平，并且因此自举电路BST中的晶体管M4接通。因此，从用于内部电源电压Vreg的施加端子经由晶体管M4通过的电流对电容器C3充电，并且因此启动电压Vb上升。
在此之后，在时间t14处，当电感器L1中的电动势变得如此低以至于检测到通过同步整流元件M2的电感器电流IL的过零点时，栅极驱动信号G2从高电平下降到低电平。因此，输出元件M1和同步整流元件M2都保持关断，使开关输出端子SW处于高阻抗状态。这里，开关电压Vsw几乎等于输出电压Vout。
当栅极驱动信号G2下降到低电平时，栅极驱动信号PG升高到高电平，并且因此自举电路BST中的晶体管M4关断。因此，在开关输出级SWO的驱动暂停时段中(即，在时间t14和t15之间)，启动电压Vb保持在比开关电压Vsw高出电容器C3两端的端子间电压的电压值。
然而，如果Vb+Vf>Vreg(其中Vf是伴随晶体管M4的体二极管两端的正向压降)，则电容器C3不被充电。因此，在开关输出级SWO的驱动暂停时段中，启动电压Vb通过自发放电而下降。
当在时间t15处输出电压Vout(以及因此反馈电压Vfb)下降到底部检测值时，栅极驱动信号G1升高到高电平，并且因此输出元件M1接通。因此，输出电压Vout开始重新上升。
如示意图中所示，只要在开关输出级SWO的驱动暂停时段(即，在时间t14和t15之间)中的启动电压Vb的下降很小，它就不会损害输出元件M1在时间t15处的接通转变。
图4是示出第一实施例中的开关操作(其中启动电压Vb下降)的示意图，与先前参考的图3类似，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)以及栅极驱动信号G1、G2和PG。该示意图还示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
然而，与先前参考的图3相比，该示意图描绘了在开关输出级SWO的驱动暂停时段(即，在时间t21和t22之间)中的启动电压Vb的下降相对较大的情况下观察到的行为。在这种情况下，当在时间t22处感测到输出电压Vout已经下降到底部检测值时，电容器C3两端的端子间电压(＝Vb-Vsw)可能低于输出元件M1的接通阈值。在这种情况下，栅极驱动信号G1没有充分上升，从而阻止输出元件M1接通。
如果没有感测到栅极驱动信号G1上升，如在时间t23和t24之间观察到的，则栅极驱动信号G2升高到高电平，并且栅极驱动信号PG下降到低电平。因此，电容器C3被充电，并且启动电压Vb上升。因此，在时间t24处，栅极驱动信号G1可以升高到高电平，使得输出元件M1接通。
然而，响应于栅极驱动信号G1没有充分上升而执行上述重启操作序列，并且因此输出元件M1的接通定时晚于假定的接通定时(从时间t22延迟到时间t24)。因此，输出电压Vout下降到低于底部检测值。
此外，如果在启动电压Vb不够高的情况下，同步整流元件M2接通，则由于驱动器162的能力不足，随着开关电压Vsw下降，输出元件M1的栅极-源极电压可能上升。因此，不仅同步整流元件M2而且输出元件M1可能接通，并且过大的直通电流可能通过开关输出级SWO。
在将电容器C3结合在半导体装置10中的情况下，难以给予电容器C3足够的电容值。因此，在开关输出级SWO的驱动暂停时段中，启动电压Vb表现出相对大的下降。这往往使上述问题变得显著。
在开关输出级SWO采用二极管整流方案的情况下也观察到上述问题。
下面提出的是为了解决上述问题而设计的实施例。
<开关电源(第二实施例)>
图5是示出根据第二实施例的开关电源X的示意图。该实施例的开关电源X基于先前描述的第一实施例(图2)，并且还包括启动电压检测电路1E。
启动电压检测电路1E生成重新启动控制信号SE，以便在输出元件M1关断的情况下感测到启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)变得低于下限检测值时对启动电压Vb充电。
例如，如果差(Vb-Vsw)高于下限检测值，则重启控制信号SE处于低电平(即，对应于未检测到BOOTVULO的逻辑电平)，并且如果(Vb-Vsw)低于下限检测值，则重启控制信号SE处于高电平(即，对应于检测到BOOTVULO的逻辑电平)。
在开关输出级SWO的驱动暂停时段中，当重启控制信号SE上升到高电平时，控制器161接通同步整流元件M2和晶体管M4以对启动电压Vb充电。
图6是示出第二实施例中的开关操作的示意图，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)、栅极驱动信号G1、G2和PG以及重启控制信号SE。该示意图还示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
在开关输出级SWO的驱动暂停期间(G1＝G2＝L)，启动电压Vb下降，并且当在时间t31处启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)变得低于下限检测值时，重启控制信号SE上升到高电平。因此，如在时间t31和t32之间观察到的，栅极驱动信号G2升高到高电平，并且栅极驱动信号PG下降到低电平。因此，电容器C3被充电，并且启动电压Vb上升。因此，可以在输出元件M1接通之前充分升高启动电压Vb。
注意，在时间t31和t32之间，同步整流元件M2保持接通以对电容器C3充电，并且因此，如在先前描述的第一实施例中(图4，在时间t13和t14之间)，输出电压Vout下降。然而，与先前描述的第一实施例(图4)不同，不响应于输出元件M1的接通转换失败，而是当启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)变得低于下限检测值时没有延迟地执行上述重启操作的序列。因此，输出元件M1的接通定时比先前描述的第一实施例(图4)中被延迟的可能性更小，并且这减少了输出电压Vout的下降。
<开关电源(第三实施例)>
图7是示出根据第三实施例的开关电源X的示意图。该实施例的开关电源X基于先前描述的第二实施例(图5)，并且还包括电荷泵1F。
电荷泵1F根据重启控制信号SE生成高于输入电压Vin的升压电压Vcp，并将升压电压Vcp馈送到用于启动电压Vb的施加端子。
在开关输出级SWO采用二极管整流方案的情况下，该实施例是特别优选的。
注意，不期望电荷泵1F始终将启动电压Vb保持在高于输入电压Vin的电压值；它只需要具有足以在启动电压Vb下降时略微升高启动电压Vb的电流能力。因此，由于可以共享电荷泵1F，所以例如提供现有的电荷泵以在开关输出级SWO以100％的占空比被驱动时保持启动电压Vb。
图8是示出第三实施例中的开关操作的示意图，与前面提到的示意图6类似，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)、栅极驱动信号G1、G2和PG以及重启控制信号SE。该示意图还示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
在开关输出级SWO的驱动暂停时段(G1＝G2＝L)中，启动电压Vb下降，并且当在时间t41处启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)变得低于下限检测值时，重启控制信号SE上升到高电平。现在，电荷泵1F被驱动，并且因此，如在时间t41和t42之间观察到的，电容器C3被充电，并且启动电压Vb上升。因此，可以在输出元件M1接通之前充分升高启动电压Vb。
注意，在时间t41和t42之间，与在先前描述的第二实施例中(图6，在时间t31至t32之间)不同，不接通同步整流元件M2对电容器C3充电。因此，可以比在先前描述的第二实施例(图6)中进一步减小输出电压Vout的下降。
<开关电源(第四实施例)>
图9是示出根据第四实施例的开关电源X的示意图(作为将与稍后描述的第五实施例进行比较的公共结构例)。在该实施例的开关电源X中，启动电压检测电路1E包括施密特缓冲器E11、电平移位器E12、晶体管M11和M12(例如，都是NMOSFET)以及电阻器R11。
电阻器R11的第一端子和晶体管M11的栅极都连接到用于启动电压Vb的施加端子。电阻器R11的第二端子和晶体管M11的漏极都连接到施密特缓冲器E11的输入端子(即，用于节点电压S11的施加端子)。晶体管M11的源极连接到晶体管M12的栅极和漏极。晶体管M12的源极连接到用于开关电压Vsw的施加端子。
如果启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)高于下限检测值2×Vgs(其中Vgs表示晶体管M11和M12中的每一个的接通阈值)，则晶体管M11和M12都接通。因此，内部电流I11通过从用于启动电压Vb的施加端子经由电阻器R11和晶体管M11和M12通向用于开关电压Vsw的施加端子的电流路径。因此，节点电压S11处于低电平。相比之下，如果启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)低于下限检测值2×Vgs，则晶体管M11和M12都关断。因此没有内部电流I11通过，并且因此节点电压S11处于高电平(＝Vb)。
施密特缓冲器E11被馈送有节点电压S11以输出节点电压S12。例如，如果节点电压S11处于高电平(＝Vb)，则节点电压S12处于高电平(＝Vb)，并且如果节点电压S11处于低电平(＝Vsw)，则节点电压S12处于低电平(＝Vsw)。施密特缓冲器E11可以被给予滞后特性。
电平移位器E12使节点电压S12的电平移位以生成重启控制信号SE。例如，如果节点电压S12处于高电平(＝Vb)，则重启控制信号SE处于高电平(＝Vreg)，并且如果节点电压S12处于低电平(＝Vsw)，则重启控制信号SE处于低电平(＝AGND)。
图10是示出第四实施例中的开关操作的示意图，与前面提到的示意图6类似，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)、栅极驱动信号G1、G2和PG以及重启控制信号SE。该示意图还示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
在该实施例的开关电源X中，当启动电压Vb和开关电压Vsw之间的差(Vb-Vsw)高于下限检测值时，启动电压检测电路1E中的内部电流I11保持从用于启动电压Vb的施加端子流到用于开关电压Vsw的施加端子。
因此，在开关输出级Swo的驱动暂停期间(即，在时间t51至t52之间)，启动电压Vb具有高下降速度。
下面提出的是为了解决上述问题而设计的新颖实施例。
<开关电源(第五实施例)>
图11是示出根据第五实施例的开关电源X的示意图。在该实施例的开关电源X中，启动电压检测电路1E包括分压电路DIV1和DIV2、偏移添加电路E21和比较器E22。
分压电路DIV1对启动电压Vb进行分压以产生分压电压V21。分压电路DIV1中的分压比可以是1/2。在示意图中所示的内容中，分压电路DIV1包括晶体管M21(对应于第一开关，例如PMOSFET)、晶体管M22(对应于第二开关，例如NMOSFET)、电阻器R21和R22以及电容器C21和C22。
晶体管M21的源极和电容器C21的第一端子都连接到用于启动电压Vb的施加端子。晶体管M21的漏极连接到电阻器R21的第一端子。电阻器R21和电容器C21的第二端子以及电阻器R22和电容器C22的第一端子都连接到用于分压电压V21的施加端子。电阻器R22的第二端子连接到晶体管M22的漏极。晶体管M22的源极和电容器C22的第二端子都连接到接地端子(例如，模拟系统接地端子AGND)。
晶体管M21的栅极连接到用于栅极驱动信号POFF的施加端子。因此，如果栅极驱动信号POFF处于低电平，则晶体管M21接通，并且如果栅极驱动信号POFF处于高电平，则晶体管M21关断。
晶体管M22的栅极连接到用于栅极驱动信号NON的施加端子。因此，如果栅极驱动信号NON处于高电平，则晶体管M22接通，并且如果栅极驱动信号NON处于低电平，则晶体管M22关断。
分压电路DIV2对开关电压Vsw进行分压以产生分压电压V22。分压电路DIV2中的分压比可以是1/2。在示意图中所示的内容中，分压电路DIV2包括电阻器R23和R24以及电容器C23和C24。可以省略电容器C23和C24。
电阻器R23和电容器C23的第一端子都连接到用于开关电压Vsw的施加端子。电阻器R23和电容器C23的第二端子以及电阻器R24和电容器C24的第一端子都连接到用于分压电压V22的施加端子。电阻器R24和电容器C24的第二端子都连接到接地端子(例如，模拟系统接地端子AGND)。
偏移添加电路E21使分压电压V22偏移并将结果馈送到比较器E22的非反相输入端子(+)。偏移添加电路E21可以替代地使分压电压V21偏移并将结果输出到比较器E22的反相输入端子(-)。注意，如果添加到分压电压V22的偏移为正，则添加到分压电压V21的偏移为负。
比较器E22将馈送到其反相输入端子(-)的分压电压V21与馈送到其非反相输入端子(+)的已经偏移的分压电压V22进行比较，以产生重启控制信号SE。例如，如果分压电压V21高于偏移之后的分压电压V22，则重启控制信号SE处于低电平，并且如果分压电压V21低于偏移之后的分压电压V22，则重启控制信号SE处于高电平。
图12是示出第五实施例中的开关操作的示意图，从上到下描绘了输出电压Vout、开关电压Vsw(实线)和启动电压Vb(虚线)、栅极驱动信号G1、G2、PG、NON和POFF以及重启控制信号SE。该示意图还示出了轻负载状况下的间歇开关操作波形。
如在时间t61和t62之间观察到的，在输出元件M1关断(G1＝L)并且同步整流元件M2接通(G2＝H)的情况下，栅极驱动信号NON处于高电平并且栅极驱动信号POFF处于低电平。因此，晶体管M21和M22都接通。因此，分压电路DIV1通过利用电阻器R21和R22对启动电压Vb的电阻分压来产生分压电压V21。因此，时间t61至t62之间的时段对应于启动电压Vb的电阻分压时段。
另一方面，如在时间t62和t63之间观察到的，在输出元件M1和同步整流元件M2都关断(G1＝G2＝L)的情况下，栅极驱动信号NON处于低电平并且栅极驱动信号POFF处于高电平。因此，晶体管M21和M22都关断。因此，分压电路DIV1通过利用电容器C21和C22对启动电压Vb的电容分压来产生分压电压V21。因此，时间t62和t63之间的时段对应于启动电压Vb的电容分压时段。
在上述电容分压时段中(在时间t62和t63之间)，在分压电路DIV1内不存在从用于启动电压Vb的施加端子通向用于开关电压Vsw的施加端子的电流路径。这有助于在开关输出级SWO的驱动暂停时段中(即，在时间t62和t63之间)保持启动电压Vb的下降速度较低。
可以通过总是通过电容分压感测启动电压Vb来实现简单地降低启动电压Vb的下降速度。不方便的是，这种结构具有缺点：如果噪声等引起分压电路DIV1中的分压比的偏差，则无法消除它。
另一方面，在如上所述的电容分压时段(在时间t62和t63之间)之前是电阻分压时段(在时间t61和t62之间)的结构中，每当开关输出级SWO被驱动以进行开关时，都可以重新设置(刷新)分压电路DIV1中的分压比。因此，即使噪声等引起分压电路DIV中的分压比的偏差，也可以迅速消除它。
<概述>
以下是上述各种实施例的概述。
例如，根据本文公开的内容的一个方面，一种半导体装置包括：第一驱动器，所述第一驱动器构成为驱动构成开关输出级的输出元件；自举电路的至少一部分，所述自举电路构成为生成高于从所述开关输出级输出的开关电压的启动电压并将所述启动电压馈送到所述第一驱动器；以及启动电压检测电路，所述启动电压检测电路构成为在所述输出元件关断的情况下感测到所述启动电压与所述开关电压之间的差变得低于下限检测值时对所述启动电压充电。所述启动电压检测电路在与所述输出元件一起构成所述开关输出级的整流元件接通的情况下通过电阻分压感测所述启动电压，并且在所述整流元件关断的情况下通过电容分压感测所述启动电压。(第一结构)
在上述第一结构的半导体装置中，所述整流元件可以是构成为与所述输出元件互补地驱动的同步整流元件。(第二结构)
上述第二结构的半导体装置还可以包括：第二驱动器，所述第二驱动器构成为驱动所述同步整流元件；以及控制电路，所述控制电路构成为互补地驱动所述输出元件和所述同步整流元件，并且当在所述输出元件关断并且所述同步整流元件接通的情况下检测到所述开关电压变得高于过零检测值时关断所述同步整流元件。(第三结构)
在上述第二或第三结构的半导体装置中，所述启动电压检测电路可以在检测到所述启动电压和所述开关电压之间的差变得低于所述下限检测值时接通所述同步整流元件。(第四结构)
在上述第一至第四结构中的任何一个的半导体装置中，所述启动电压检测电路可以在检测到所述启动电压与所述开关电压之间的差变得低于所述下限检测值时，将高于馈送到所述开关输出级的输入电压的升压电压施加到用于所述启动电压的施加端子。(第五结构)
在上述第一至第五结构中的任何一个的半导体装置中，所述启动电压检测电路可以包括：第一分压电路，所述第一分压电路构成为对所述启动电压进行分压以产生第一分压电压；第二分压电路，所述第二分压电路构成为对所述开关电压进行分压以产生第二分压电压；以及比较器，所述比较器构成为将所述第一分压电压和所述第二分压电压彼此进行比较。(第六结构)
在上述第六结构的半导体装置中，所述第一分压电路可以包括第一开关、第二开关、第一电阻器、第二电阻器、第一电容器和第二电容器。所述第一开关的第一端子和所述第一电容器的第一端子可以都连接到用于所述启动电压的施加端子。所述第一开关的第二端子可以连接到所述第一电阻器的第一端子。所述第一电阻器的第二端子、所述第一电容器的第二端子、所述第二电阻器的第一端子和所述第二电容器的第一端子可以都连接到用于所述第一分压电压的施加端子。所述第二电阻器的第二端子可以连接到所述第二开关的第一端子。所述第二开关的第二端子和所述第二电容器的第二端子可以都连接到接地端子。(第七结构)
在上述第六或第七结构的半导体装置中，所述第二分压电路可以包括第三电阻器、第四电阻器、第三电容器和第四电容器。所述第三电阻器的第一端子和所述第三电容器的第一端子可以都连接到用于所述开关电压的施加端子。所述第三电阻器的第二端子、所述第三电容器的第二端子、所述第四电阻器的第一端子和所述第四电容器的第一端子可以都连接到用于所述第二分压电压的施加端子。所述第四电阻器的第二端子和所述第四电容器的第二端子可以都连接到接地端子。(第八结构)
在上述第六至第八结构中的任何一个的半导体装置中，所述启动电压检测电路还可以包括偏移添加电路，所述偏移添加电路构成为使所述第一分压电压或所述第二分压电压偏移，以向所述比较器馈送已经经历偏移的所述第一分压电压或所述第二分压电压。(第九结构)
例如，根据本文公开的内容的另一方面，一种开关电源包括根据上述第一至第九结构中的任何一个的半导体装置，并且通过驱动所述开关输出级从输入电压生成期望的输出电压。(第十结构)
<其他变形例>
本文公开的各种技术特征可以以除了如上述实施例中之外的任何方式实施，并且在脱离其技术创新的精神的情况下允许许多修改。也就是说，上述实施例应当被理解为在每个方面都是说明性的而不是限制性的，并且本发明的技术范围不是由上述实施例的描述限定，而是由所附权利要求限定，并且应当被理解为包含与这些权利要求等同的范围和意义内的任何修改。
附图标记说明
10半导体装置(电源控制IC)
11误差放大器
12 比较器
13 接通时间设置电路
14 纹波生成电路
15 加法器电路
16 驱动控制电路
161 控制器
162、163 驱动器
17 软启动电路
18 基准电压生成电路
19 功率良好检测电路
1A 过热保护电路
1B 低输入保护电路
1C过电流/短路保护电路
1D 过零检测电路
1E 启动电压检测电路
1F 电荷泵
BST 自举电路
C1-C7、C21-C24电容器
D1二极管
DIV1、DIV2分压电路
E11 施密特缓冲器
E12 电平移位器
E21 偏移添加电路
E22 比较器
L1 电感器
M1输出元件(NMOSFET)
M2同步整流元件(NMOSFET)
M3、M11、M12、M22晶体管(NMOSFET)
M4、M21晶体管(PMOSFET)
R1、R2、R11、R21-R24电阻器
SWO开关输出级
X开关电源。

Claims (10)

1.一种半导体装置，包括：
第一驱动器，所述第一驱动器构成为驱动构成开关输出级的输出元件；
自举电路的至少一部分，所述自举电路构成为生成高于从所述开关输出级输出的开关电压的启动电压，并将所述启动电压馈送到所述第一驱动器；以及
启动电压检测电路，所述启动电压检测电路构成为在所述输出元件关断的情况下感测到所述启动电压与所述开关电压之间的差变得低于下限检测值时，对所述启动电压充电，
其中，所述启动电压检测电路
在与所述输出元件一起构成所述开关输出级的整流元件接通的情况下，通过电阻分压感测所述启动电压，并且
在所述整流元件关断的情况下，通过电容分压感测所述启动电压。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述整流元件是构成为与所述输出元件互补地驱动的同步整流元件。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，还包括：
第二驱动器，所述第二驱动器构成为驱动所述同步整流元件；以及
控制电路，所述控制电路构成为：
互补地驱动所述输出元件和所述同步整流元件，并且
当在所述输出元件关断并且所述同步整流元件接通的情况下检测到所述开关电压变得高于过零检测值时，关断所述同步整流元件。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其中，
所述启动电压检测电路在检测到所述启动电压和所述开关电压之间的差变得低于所述下限检测值时，接通所述同步整流元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
所述启动电压检测电路在检测到所述启动电压与所述开关电压之间的差变得低于所述下限检测值时，将高于馈送到所述开关输出级的输入电压的升压电压施加到用于所述启动电压的施加端子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体装置，其中，
所述启动电压检测电路包括：
第一分压电路，所述第一分压电路构成为对所述启动电压进行分压以产生第一分压电压；
第二分压电路，所述第二分压电路构成为对所述开关电压进行分压以产生第二分压电压；以及
比较器，所述比较器构成为将所述第一分压电压和所述第二分压电压彼此进行比较。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中，
所述第一分压电路包括第一开关、第二开关、第一电阻器、第二电阻器、第一电容器和第二电容器，
所述第一开关的第一端子和所述第一电容器的第一端子都连接到用于所述启动电压的施加端子，
所述第一开关的第二端子连接到所述第一电阻器的第一端子，
所述第一电阻器的第二端子、所述第一电容器的第二端子、所述第二电阻器的第一端子和所述第二电容器的第一端子都连接到用于所述第一分压电压的施加端子，
所述第二电阻器的第二端子连接到所述第二开关的第一端子，并且
所述第二开关的第二端子和所述第二电容器的第二端子都连接到接地端子。
8.根据权利要求6或7所述的半导体装置，其中
所述第二分压电路包括第三电阻器、第四电阻器、第三电容器和第四电容器，
所述第三电阻器的第一端子和所述第三电容器的第一端子都连接到用于所述开关电压的施加端子，
所述第三电阻器的第二端子、所述第三电容器的第二端子、所述第四电阻器的第一端子和所述第四电容器的第一端子都连接到用于所述第二分压电压的施加端子，并且
所述第四电阻器的第二端子和所述第四电容器的第二端子都连接到接地端子。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的半导体装置，其中，
所述启动电压检测电路还包括偏移添加电路，所述偏移添加电路构成为使所述第一分压电压或所述第二分压电压偏移，以向所述比较器馈送已经经历偏移的所述第一分压电压或所述第二分压电压。
10.一种开关电源，包括根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，所述开关电源通过驱动所述开关输出级从输入电压生成期望的输出电压。
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