CN101217252B - 一种脉宽调制dc-dc开关电源的软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路，包括分频计数模块，电流阈值模块，电流采样模块，限流比较器，二输入或门，振荡器，RS触发器。在外部开关整流管导通时采样功率电感上的电流，通过限制其峰值电流分阶段由小到大变化，来控制占空比阶梯型变化，使输出电压分阶段缓慢上升，避免了启动过程中的浪涌电流，实现软启动功能。本发明不需要在外部加入大电容，不需要用微控制器控制，能集成到大规模集成电路内部；直接限制负载电流，软启效果好，并且可以适用于电压控制模式和电流控制模式；采用电流选通网络，电路相对简单；软启动时间能根据不同的负载自动调节。

Description

一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路

技术领域

本发明属于集成电路芯片技术，具体涉及一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路。

背景技术

DC-DC开关电源在启动过程中，由于输入电压从最小值上升到最大值，开关管的PWM控制信号的占空比从最大值开始变化，逐渐变小。由于电路中有电容存在，对电容充电容易产生浪涌电流，此时通过开关管的电流可以达到很大，容易损坏电路系统。为了避免这种情况，需要在开关电源芯片中加入软启动电路。

软启动电路是用来控制电源输入电压上升过程中PWM脉冲波形的占空比从最小值逐步变化到正常工作时所需要的值，从而控制输出电压逐步变化。由于占空比是从最小值开始逐步变化，不会使开关管较长时间一直导通，避免了浪涌电流的产生。在目前应用的开关电源软启动电路中主要有以下几类：一类是采用电容和电阻，利用电容充电时电压指数上升的特性来控制电压上升过程。这种软启动电路需要加入充电的恒流源和外部电容，而且需要的电容值较大，一般需要几十nF到几μF，这样的大电容不容易集成到大规模集成电路芯片内部。另一类是采用微控制器来控制启动过程的纯数字控制。这种软启动电路虽然能够集成到芯片内部，但是由于是需要另外的微控制器控制且需要在电源电路部分上电前就已经开始工作。对于一般用途的开关电源，过于复杂，成本也太高。

美国专利U.S.6,337,480 B1中描述了一种输出电压分阶段上升的新型软启动电路。这种软启动电路不使用外部电容和微控制器，由振荡器、数字控制、PWM比较器、电阻网络等几个部分组成。PWM比较器负端接振荡器输出，正端接电阻网络的分压值。PWM比较器通过比较电阻的分压值和振荡器输出的三角波信号，产生PWM脉宽控制信号控制功率开关管的导通。数字计数部分采样振荡器的三角波信号并计数，计数达到设定值就通过控制开关来改变电阻网络的分压值，使得分压从0开始按阶梯上升，从而使占空比由最小分阶段上升，实现软启动功能。这种电路弥补了前两种电路的缺点但是也带来了新的不足。第一，这种电路采样电压控制，只适合于电压控制模式，不适合电流控制模式。第二，由于采用的是电阻分压网络，当需要适当地增加软启动上升阶段来达到更好的软启动效果时，电路太复杂。第三，软启动时间由数字计数部分和输出电压决定，不能根据不同的负载电流自动调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路，该软启动电路可以适用于电压控制模式和电流控制模式，电路相对简单，软启动时间能根据不同的负载自动调节。

为了实现上述目的，本发明提供的脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路包括分频计数模块，电流阈值模块，电流采样模块，限流比较器，二输入或门，振荡器，RS触发器；

RS触发器的

输出端连接外部开关整流管的栅级，控制开关整流管的导通与关断，RS触发器的S端接振荡器的输出，R端接二输入或门的输出；开关电源电路的脉宽调制信号和限流比较器的输出接到二输入或门的两个输入端；限流比较器的输入正端和负端分别连电流阈值模块的输出端和电流采样模块的输出端；

分频计数模块的输入端分别接清零信号、置位信号和开关整流管的栅极驱动信号，通过对开关整流管的栅极驱动信号的分频和编码产生第一至第三编码信号，分别与电流阈值模块的三个输入端相连；开关整流管的一端接电源电压，另一端和开关整流管的栅极接电流采样模块的两个输入端。

本发明软启动电路不需要在外部加入大电容，不需要用微控制器控制，能集成到大规模集成电路内部；直接限制负载电流，软启效果好，并且可以适用于电压控制模式和电流控制模式；采用电流选通网络，电路相对简单；软启动时间能根据不同的负载自动调节。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)本发明脉宽调制DC-DC开关电源时，在外部开关整流管导通时采样功率电感上的电流，通过限制其峰值电流分阶段由小到大变化，来控制占空比阶梯型变化，使输出电压分阶段缓慢上升。由于该电路是限制外部电感的峰值电流，直接避免了启动过程中的浪涌电流，软启动效果好。

(2)限流比较器比较采样到的外部电感上的电流与电流阈值模块提供的电流阈值，并只是在软启过程中与振荡器共同控制开关电源电路的占空比，而在软启动结束后，限流比较器只是起到限制最大输出电流的作用，并不参与控制开关电源电路的占空比，功能相对独立，因此既能用于电压控制模式，又能用于电流控制模式。

(3)本发明通过分频计数模块对外部开关整流管的栅级驱动信号分频计数，并对分频信号进行编码，输出到电流阈值模块中，选通不同的电流支路来改变电流阈值。分频计数模块和电流选通网络的设计相对灵活，可以通过简单更改结构来改变软启上升的阶段数和每一阶段的时间。

(4)分频计数模块的置位端的作用是当检测到开关电源输出电压上升到所需电压值后，通过改变输出编码的值将电流阈值设为最高，软启动结束，电路进入正常工作模式。软启动时间与分频计数模块、输出电压以及负载电流有关。例如在轻负载情况下，由于正常工作情况下的输出负载电流很小，软启动或许只需历经一两个阶段，输出电压就达到电路正常工作时的所需电压值，从而进入正常工作模式。

附图说明

图1为本发明软启动电路的结构示意图；

图2为本发明软启动电路应用于开关电源Buck结构中的结构示意图；

图3为本发明软启动电路在软启动过程中电流阈值的变化示意图；

图4为图1中分频计数模块4的一种结构示意图；

图5为图1中电流阈值模块3的一种结构示意图；

图6为图1中电流采样模块2的一种结构示意图；

图7为软启动过程中关键控制信号的时序图；

图8为开关电源输出VOUT在软启动过程中的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的软启动电路30包括以下几个部分：分频计数模块4，电流阈值模块3，电流采样模块2，限流比较器1，二输入或门5，振荡器7，RS触发器6。

下面以外部开关整流管采用功率PMOS管8为例说明本发明的具体结构。

RS触发器6的

输出端连接外部开关整流管功率PMOS管8的栅级，控制功率PMOS管8的导通与关断，从而控制开关电源电路的占空比。RS触发器6的S端接振荡器7的输出，R端接二输入或门5的输出；开关电源电路的脉宽调制信号VPWM和限流比较器1的输出接到二输入或门5的两个输入端；限流比较器1的正输入端和负输入端分别接电流阈值模块3的输出端V1和电流采样模块2的输出端V2；分频计数模块4受外部清零信号RST、置位信号LD和功率PMOS管8的栅级驱动信号VP控制，通过对功率PMOS管8的栅级驱动信号VP的分频和编码产生三个编码信号D0、D1、D2，分别与电流阈值模块3的三个输入端相连；电流采样模块2受功率PMOS管8的栅级驱动信号VP控制，在功率PMOS管8导通时采样功率PMOS管8的漏极SW处的电压值，实际上是采样了功率PMOS管8上的导通电流值。在软启动电路中，清零信号RST是开关电源电路中欠压保护模块的输出，而当采样到开关电源电路的输出电压VOUT大于其正常工作所需要的输出电压时，置位信号LD由“0”跳“1”。

图2为本发明软启动电路应用于开关电源Buck结构中的结构示意图。外部开关整流管功率PMOS管8，电感L0，电容C0，续流二级管D0构成开关电源Buck结构。开关电源电路的输出是VOUT，负载是ROUT。

清零信号RST控制着软启动的开始。芯片上电之后，欠压保护模块的输出信号RST触发软启动开始工作，而这时振荡器7已开始工作，产生脉冲信号，通过RS触发器6来开启功率PMOS管8，续流二级管D0的偏置电压反偏，所以D0不导通。此时功率PMOS管8上电流开始上升，同时电流采样模块2也开启，采样外部电感L0上的电流值也是逐渐升高的，当电流值上升到电流阈值模块3所设定的电流阈值时，限流比较器1输出跳变为高电平并通过二输入或门5接到了RS触发器6的R端，输出信号VP为高电平，关断功率PMOS管8，外部电感L0上的电流值降低，而此时电流采样模块2受信号VP控制，并不采样当前功率PMOS管8上的电流。当下一个振荡器输出脉冲到达时，RS触发器6的输出VP又跳为低电平，功率PMOS管8再次开启，进行下一个周期的控制。电流阈值模块3提供的电流阈值由分频计数电路4来控制，电流阈值分阶段上升。这样，软启动电路很好的限制外部电感L0上的峰值电流，从而限制了浪涌电流，并使开关电源的输出VOUT分阶段缓慢上升，达到软启动的效果。

如图3所示，当电路结束欠压保护状态，软启动电路开始工作，分频计数模块4设置第一阶段的电流阈值大小2*I0和时间tsoft1。在这一阶段中，功率PMOS管8开启并工作在深线性区，此时PMOS管8等效为线性区电阻且阻值R_ON在环境温度一定时是确定不变的。电流采样模块2采样SW处的电压值，对应与外部电感L0上电流值，其输出端V2与限流比较器1的负输入端相连，限流比较器1的正输入端同电流阈值模块3的输出端V1相连，输出端V1处的电压值由分频计数模块4设定。在tsoff1时间内，外部电感L0上的峰值电流将不能超过分频计数模块4对于电流阈值模块3所设定的电流阈值，功率PMOS管8的栅极驱动信号VP的占空比也会限定在一个比较小的值。到达tsoft2时，分频计数模块4改变电流阈值为4*I0，外部电感L0上的峰值电流可以上升到更高的数值，按照第一阶段的工作过程，功率PMOS管8的栅极驱动信号VP的占空比也上升到更高的一个数值。这样，功率PMOS管8栅极驱动信号VP的占空比由小到大变化，控制输出电压VOUT分阶段上升，直到输出电压值达到开关电源电路正常工作所需的电压值为止。

下面举例说明分频计数模块4、电流采样模块2和电流阈值模块3的一种具体实现电路。

如图4所示，分频计数模块4包括：分频器51，编码器52，二输入与非门48、49；分频器51由n个D触发器构成，n由所设计的电路的软启动时间来确定，8≤n≤12，下面以n＝10为例说明其结构。

10个D触发器的清零信号接RST，时钟信号CLK接第一级D触发器的时钟端，D触发器的

输出端接自身的输入端D端，并接入下一级D触发器的时钟端，这10个D触发器按此接法串接成分频器51，D触发器38、39的输出信号Q8、Q9分别是时钟信号CLK的512分频和1024分频。分频信号Q8、Q9输入到二输入与非门48，二输入与非门48的输出信号与外部功率PMOS管8的栅极驱动信号VP经二输入与非门49输出时钟信号CLK。编码器52由二输入或非门40、41、45，非门42、43、46、47和二输入与非门44构成。D触发器38的输出信号Q8和置位信号LD输入到二输入或非门40再经过非门42输出信号L80，D触发器39的输出信号Q9和置位信号LD输入到二输入或非门41--再经过第二非门43输出信号L60，非门42的输出信号L80送到输出端D1，非门43的输出信号L60和非门42的输出信号L80输入到二输入与非门44再经过非门46送到输出端D0，非门43的输出信号L60和非门42的输出信号L80输入到二输入或非门45再经过非门47送到输出端D2。当置位信号LD为“0”时，编码D0D1D2在分频信号Q8、Q9的变化过程中依次按照000，001，011，111变化，而当置位信号LD为“1”时，编码D0D1D2跳为111，并不再受分频信号Q8、Q9的影响。在软启过程中，当分频信号Q8、Q9未同时跳到“1”时，时钟信号CLK采样功率PMOS管8的栅极控制信号VP，当分频信号Q8、Q9同时跳到“1”时，时钟信号CLK恒为“1”，屏蔽了功率PMOS管8的栅极控制信号VP，并使编码D0D1D2跳为111，选定最高的电流阈值，软启动结束。置位信号LD是当检测到开关电源输出电压VOUT上升到所需电压值后置“1”，当接轻负载时，软启动过程不需要通过四个阶段就能使输出电压VOUT上升到额定的电压值，只需要更少的两个或者三个阶段就完成软启动。

如图5所示，电流阈值模块3的结构为：PMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN6、MN8、MN9，恒流源I0和电阻R1构成电流镜结构。输出端V1为PMOS管MN2的漏极。PMOS管MN5与PMOS管MN6串联，PMOS管MN7与PMOS管MN8串联，PMOS管MN9与PMOS管MN10串联，都接于输出端V1和地之间。D0接PMOS管MN5的栅极控制PMOS管MN6所在电流支路的导通和关断，D1接PMOS管MN7的栅极控制PMOS管MN8所在电流支路的导通和关断，D2接PMOS管MN9的栅极控制PMOS管MN10所在电流支路的导通和关断。

在软启动过程中，编码D0D1D2的变化分别控制电流支路依次导通，从而控制电阻R1所在支路上的电流I_R1的变化。不妨设MN4、MN6、MN8和MN10的宽长比分别是MN3宽长比的2倍、8倍、4倍和2倍，那么当编码D0D1D2按000、001、011、111变化时，流过电阻R的电流依次变为2I₀，4I₀，8I₀，16I₀，则输出到限流比较器1正端的电压为：

V1＝VIN-I_R1*R1

如图6所示，电流采样模块2的结构为：电流采样支路由电阻R10和PMOS管MP12串连构成，MP12管的漏级接输出端V2。二极管连接的MP11接到电源电压VIN和MP12的源级之间、二极管连接的MN19接到MP12的源级和地之间，起到保护电路的作用。控制信号VP连到MP12，MP13的栅极，并通过第五非门16连到MP14的栅极。MP13和MP14串连后和电容C12并联，连入电源电压VIN和输出端V2之间，电容C11和MP13并联。当控制信号VP为低电平时，即功率PMOS管8导通时，MP12和MP13导通，MP14关断，采样通过功率PMOS管8上的电流I_L，输出V2，并在电容C12上存储了电荷。外部功率PMOS管工作在深线性区，等效为线性区电阻R_ON，忽略采样支路上工作在饱和区管MP12上的压降，得到的输出到限流比较器1负端的电压为：

V2＝VIN-I_L*(R_ON+R10)

那么令V1＝V2，得：

$I_{L0}=\frac{I_{R1}*R1}{(\mathrm{RON}+R10)}$

即当采样到外部功率PMOS管8上的电流I_L大于设定电流阈值I_L0时，限流比较器1的输出由“0”跳“1”。

芯片上电时，限流比较器1输出初始值为“0”，振荡器7的输出使控制信号VP跳“0”，功率PMOS管8开启，外部电感L0上的电流I_L上升，采样V2值减小，当I_L值上升超过设定的阈值时，限流比较器1输出跳“1”，使控制信号VP跳“1”，关闭功率PMOS管8，控制开关电源占空比。

当控制信号VP跳为高电平后，MP12和MP13关断，MP14导通，V2并不采样功率PMOS管8上的电流I_L，电源电压VIN通过C11拉高输出端V2的值，使限流比较器1的输出跳回为“0”。功率PMOS管8将在振荡器7的上升沿到来时再次开启，重复以上过程直到电流阈值上升到下一阶段的电流值，软启动也进入到下一个阶段，直到开关电源电路的输出电压VOUT上升到正常工作时所需要的电压值。

图7为软启动过程中关键控制信号的时序图。分频信号Q8、Q9分别是功率PMOS管8的栅级驱动信号VP的512分频和1024分频，D0，D1，D2则是通过对分频信号Q8、Q9进行编码得到的。

图8为开关电源电路在软启动过程中的输出VOUT的波形图。可以看到VOUT分阶段缓慢上升，很好的限制了浪涌电流。

虽然本发明经具体实施例作为例示加以说明，但是应该明确的是，本发明并不限于此处所公开的实施例，也不能被认为是对本发明权利要求的限制。如果其他人员依据本发明做出了非实质性的改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路，其特征在于：该电路包括分频计数模块(4)，电流阈值模块(3)，电流采样模块(2)，限流比较器(1)，二输入或门(5)，振荡器(7)，RS触发器(6)；

RS触发器(6)的

输出端连接外部开关整流管的栅级，控制开关整流管的导通与关断，RS触发器(6)的S端接振荡器(7)的输出，R端接二输入或门(5)的输出；开关电源电路的脉宽调制信号和限流比较器(1)的输出接到二输入或门(5)的两个输入端；限流比较器(1)的输入正端和负端分别连电流阈值模块(3)的输出端(V1)和电流采样模块(2)的输出端(V2)；

分频计数模块(4)的输入端分别接清零信号(RST)、置位信号(LD)和开关整流管的的栅极驱动信号(VP)，通过对开关整流管的栅极驱动信号(VP)的分频和编码产生第一至第三编码信号(D0、D1、D2)，分别与电流阈值模块(3)的三个输入端相连；开关整流管的源极接电源电压，开关整流管的漏极(SW)和栅极分别接电流采样模块(2)的两个输入端。

2.根据权利要求1所述的软启动电路，其特征在于：分频计数模块(4)包括分频器(51)、第一、第二二输入与非门(48、49)和编码器(52)；

分频器(51)由n个D触发器构成，8≤n≤12，各D触发器的清零端接清零信号(RST)，第一级D触发器的时钟端接第二二输入与非门(49)输出的时钟信号(CLK)，第一级至第n-1级各D触发器的

输出端接自身的输入端D端，并接入下一级D触发器的时钟端，第n级D触发器的

输出端接自身的输入端D端，第n级D触发器的Q输出端接第一二输入与非门(48)的一个输入端，各D触发器按此接法串接构成分频器(51)，第n-1级和第n级D触发器的Q端输出信号(Q8，Q9)分别是时钟信号(CLK)的2^n-1分频和2ⁿ分频；

第n-1级和第n级D触发器的Q端输出信号(Q8，Q9)接第一二输入与非门(48)的两个输入端，第一二输入与非门(48)的输出信号和开关整流管的栅极驱动信号(VP)输入到第二二输入与非门(49)中，输出时钟信号(CLK)；

编码器(52)包括第一至第三或非门(40、41、45)，第一至第四非门(42、43、46、47)，以及与非门(44)；

置位信号(LD)和分频器(51)的第n-1级D触发器的Q端输出端(Q8)所提供的时钟信号(CLK)的2^n-1分频信号共同输入到第一或非门(40)、再经第一非门(42)输出信号(L80)，

置位信号(LD)和分频器(51)的第n级D触发器的Q端输出端提供的时钟信号(CLK)的2ⁿ分频信号依次通过第二或非门(41)和第二非门(43)输出信号(L60)；

第一非门(42)输出信号(L80)和第二非门(43)输出信号(L60)经与非门(44)再经过第三非门(46)的输出作为第一编码信号(D0)；

第一非门(42)输出信号(L80)的输出作为第二编码信号(D1)；

第二非门(43)输出信号(L60)和第一非门(42)输出信号(L80)经第三或非门(45)再经过第四非门(47)的输出作为第三编码信号(D2)。

3.根据权利要求1或2所述的软启动电路，其特征在于：电流阈值模块(3)的结构为：

PMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN6、MN8、MN9加上恒流源I0和电阻R1构成电流镜结构；

PMOS管MN5与PMOS管MN6串联，PMOS管MN7与PMOS管MN8串联，PMOS管MN9与PMOS管MN10串联，均接于电流阈值模块(3)的输出端(V1)和地之间；

第一编码信号(D0)接PMOS管MN5的栅极，控制PMOS管MN6所在电流支路的导通和关断；第二编码信号D1接PMOS管MN7的栅极，控制PMOS管MN8所在电流支路的导通和关断；第三编码信号D2接PMOS管MN9的栅极，控制PMOS管MN10所在电流支路的导通和关断。

4.根据权利要求1或2所述的软启动电路，其特征在于：电流采样模块(2)的结构为：

电阻R10和PMOS管MP12串联，PMOS管MP12的漏级接电流采样模块(2)的输出端(V2)；

PMOS管MP11和MP19均为二极管连接，PMOS管MP11接到电源电压VIN和MP12的源级之间，PMOS管MN19接到PMOS管MP12的源级和地之间；

PMOS管MP12，MP13的栅极接开关整流管的栅极驱动信号(VP)，并通过第五非门(16)连到PMOS管MP14的栅极；

PMOS管MP13和MP14串连后和电容C12并联，连入电源电压(VIN)和电流采样模块(2)的输出端(V2)之间，电容C11和PMOS管MP13并联。

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