CN104038041B

CN104038041B - 一种用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路

Info

Publication number: CN104038041B
Application number: CN201410306923.XA
Authority: CN
Inventors: 周泽坤; 董渊; 赵倬毅; 柯普仁; 石跃; 明鑫; 王卓; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104038041A

Abstract

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体的说涉及一种用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路的设计。本发明包括基准电压切换电路和误差放大器偏置电路，利用箝位反馈原理，实现软启动过程从开始到结束的平稳切换。本发明的有益效果为，具有普遍适用性，可同时满足双极型误差放大器和MOS型误差放大器的输入要求，并且该电路在上电过程中不会出现毛刺电压，可实现平滑过渡，从而提高系统的稳定性和可靠性。本发明尤其适用于开关电源软启动电路。

Description

一种用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体的说涉及一种适用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路的设计。

背景技术

软启动电路是模拟集成电路设计中一种常用的集成电路模块。它主要用于开关电源芯片中，芯片在上电的瞬间会因为输出采样电压和基准电压较大的差值造成开关管长时间导通或者比较大的尖峰毛刺电压，这会使开关管损坏从而对系统造成不可恢复的破坏，软启动电路的作用就是限制功率管驱动电压上电时的占空比，使输出电压平滑上升，从而确保芯片在上电过程中能够正常工作，提高芯片的稳定性和可靠性。

软启动电路的通常做法是开关电源芯片设置软启动管脚，外置软启动电容，通过内部电流源给软启动电容充电，使软启动管脚电压逐渐上升，同时在软启动阶段将软启动管脚电压作为基准电压，使占空比逐渐增大，输出电压也随之逐渐升高，当软启动阶段结束后，电路切换至固定基准电压，开关电源芯片正常工作，输出稳定电压。

传统的软启动电路是通过比较器检测软启动管脚的电压是否达到阈值，当达到阈值时则比较器翻转，控制开关切换至固定基准电压，完成软启动过程，开关电源正常工作。这种方式虽然简单，但是缺点同样很明显：首先，在开关切换的过程中会产生毛刺电压，这种毛刺电压会耦合到误差放大器的基准电压上，从而影响开关电源的输出；其次，软启动阶段，软启动电路提供给系统的参考信号往往是从零电位逐渐上升到基准参考电压的一个缓变信号，这一缓变信号通常需要作为运算放大器的输入端，而由于运算放大器存在一定的输入共模范围的要求，无法保证完全涵盖这一缓变信号的全部变化范围，所以这种结构通常无法满足误差放大器共模输入范围的要求，引起非线性问题；再次，很多快速响应系统中采用双极型误差放大器以满足比较大的跨导要求，而传统的软启动电路无疑无法给双极型器件提供输入偏置电流。因此，传统型的软启动电路具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述现有软启动电路结构简单，稳定性差，适用性有限的问题，提出一种用于快速响应系统的软启动电路。

本发明的技术方案是，一种用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路，其特征在于，包括基准电压切换电路和误差放大器偏置电路；所述基准电压切换电路由第一运算放大器OP1，第二运算放大器OP2，NMOS管MNA1、MNA2、MNA3、MNA4、MNA5，PMOS管MPA1、MPA3、MPA5、MPA6，第一偏置电流源I_B1，电容C_SS构成；其中，第一运算放大器OP1的同相输入端接偏置电流源I_B1的输出端，其反相输入端接MNA1的源极，其输出端接MNA1的栅极和MNA3的栅极；偏置电流源I_B1的输出端通过电容C_SS后接地；第二运算放大器OP2的同相输入端接外部基准电压VREF2，其反相输入端与其输出端互连，其输出端接MPA1的漏极和MNA1的漏极；MPA1的源极接电源VCC，其栅极接MPA3的栅极，其漏极接MNA1的漏极；MNA1的源极接MNA2的漏极；MNA2的源极接地VSS，其栅极接MNA4的栅极和MNA5的栅极；MNA4的源极接地VSS，其栅极接MNA5的栅极，其漏极接MNA3的源极；MNA3的漏极接MPA3的漏极；MPA3的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连；MPA5的源极接电源VCC，其漏极接MPA6的源极；MPA6的栅极接第一运算放大器的输出端，其漏极接MNA5的漏极；MNA5的栅极和漏极互连，其源极接地VSS；

所述误差放大器电路由PMOS管MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA16、MPA17、MPA18、MPA19、MPA20、MPA21、MPA22，NMOS管MNA7、MNA8、MNA11、MNA12，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电阻RA1，第二偏置电流源I_B2构成；其中，MPA7的源极接电源VCC，其栅极接MPA5的栅极，其漏极通过电阻RA1接MPA22的源极；MPA22的栅极和漏极接地VSS；MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA19的栅极互连；MPA9的源极接电源VCC，其漏极接MPA10的源极；MPA10、MNA11、MNA12、MPA16的栅极互连；MPA10的漏极接D1的正极和MNA11的漏极作软启动电路的第一输出端；D1的负极接D5的正极；D1的负极与D5的正极的连接点接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D5和D3的负极接第一运算放大器OP1的反相输入端；MPA11的源极接电源VCC；MNA11的源极接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D3的负极接MPA20的栅极；MPA20的源极接MPA7的漏极与电阻RA1的连接点，其漏极接MNA7的漏极；MNA7的栅极和漏极互连，其栅极接MNA8的栅极，其源极接地VSS；MNA8的源极接地VSS，其漏极接MPA21的漏极；MPA21的栅极接第一运算放大器OP1的输出端，其源极接MPA18的漏极；MPA18的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其栅极接MPA17的栅极；MPA17的源极接电源VCC，其漏极接MPA16的漏极；MPA16的源极接MPA15的漏极，其漏极与D6的正极和MNA12的漏极的连接点为软启动电路的第二输出端；MPA15的源极接电源VCC；MNA12的源极与D2的正极的连接点接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D6的负极接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D2的负极接D4的负极；MPA13的源极接电源VCC；MPA19的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其漏极接第二偏置电流源I_B2的正极，第二偏置电流源I_B2的负极接地VSS。

本发明的有益效果为，具有普遍适用性，可同时满足双极型误差放大器和MOS型误差放大器的输入要求，并且该电路在上电过程中不会出现毛刺电压，可实现平滑过渡，从而提高系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1传统的开关电源软启动电路；

图2为本发明的用于快速响应系统的软启动电路；

图3为本发明的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

现有的传统软启动电路利用比较器和开关切换原理，如图1所示，当芯片刚上电时，C_SS1端电位V_SS1＝0，与此同时直流电流源I_B11开始对C_SS1充电，使V_SS1电压逐渐升高，此时V_REF1>V_SS1，比较器COM2输出高电平，开关管MN1打开，比较器COM1输出低电平，开关管MN2关断，误差放大器将V_SS1的电压作为基准电压，利用环路反馈原理调节开关管驱动波形的占空比，使得开关电源的输出电压逐渐升高，当C_SS1端电压V_SS1升高至V_REF1时，比较器COM2被触发，输出由高电平翻转到低电平，开关管MN1关断，COM1输出由低电平翻转到高电平，开关管MN2打开，误差放大器将稳定参考电压V_REF1作为基准电压，系统完成软启动过程，开始正常工作。然而这种结构存在不稳定的因素，首先，比较器在翻转的过程中因为有限的斜率会使开关管在比较器输出上升或者下降过程中出于饱和状态，这无疑会使误差放大器的基准电压不确定，影响系统输出的稳定性；其次，这种结构无法在双极型误差放大器的系统中应用，因为双极型输入器件需要一定的基极电流，所以有可能改变参考电压V_REF1的大小；再次，当为了满足高跨导的要求而使用N型输入差分对管时，这种结构无法满足误差放大器对于共模输入范围的要求。

针对这个问题，本发明提出利用箝位反馈原理，实现软启动过程从开始到结束的平稳切换，同时巧妙地应用二极管和固定偏置电流，为后级误差放大器的输入管提供偏置，使得本发明能够应用于N型差分对管的误差放大器，提高了本发明的应用范围。

如图2所示，为本发明的电路结构示意图，包括基准电压切换电路和误差放大器偏置电路；所述基准电压切换电路由第一运算放大器OP1，第二运算放大器OP2，NMOS管MNA1、MNA2、MNA3、MNA4、MNA5，PMOS管MPA1、MPA3、MPA5、MPA6，第一偏置电流源I_B1，电容C_SS构成；其中，第一运算放大器OP1的同相输入端接偏置电流源I_B1的输出端，其反相输入端接MNA1的源极，其输出端接MNA1的栅极和MNA3的栅极；偏置电流源I_B1的输出端通过电容C_SS后接地；第二运算放大器OP2的同相输入端接外部基准电压VREF，其反相输入端与其输出端互连，其输出端接MPA1的漏极和MNA1的漏极；MPA1的源极接电源VCC，其栅极接MPA3的栅极，其漏极接MNA1的漏极；MNA1的源极接MNA2的漏极；MNA2的源极接地VSS，其栅极接MNA4的栅极和MNA5的栅极；MNA4的源极接地VSS，其栅极接MNA5的栅极，其漏极接MNA3的源极；MNA3的漏极接MPA3的漏极；MPA3的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连；MPA5的源极接电源VCC，其漏极接MPA6的源极；MPA6的栅极接第一运算放大器的输出端，其漏极接MNA5的漏极；MNA5的栅极和漏极互连，其源极接地VSS；

所述误差放大器偏置电路由PMOS管MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA16、MPA17、MPA18、MPA19、MPA20、MPA21、MPA22，NMOS管MNA7、MNA8、MNA11、MNA12，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电阻RA1，第二偏置电流源I_B2构成；其中，MPA7的源极接电源VCC，其栅极接MPA5的栅极，其漏极通过电阻RA1接MPA22的源极；MPA22的栅极和漏极接地VSS；MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA19的栅极互连；MPA9的源极接电源VCC，其漏极接MPA10的源极；MPA10、MPA6、MNA11、MNA12、MPA16的栅极互连；MPA10的漏极接D1的正极和MNA11的漏极作软启动电路的第一输出端；D1的负极接D5的正极；D1的负极与D5的正极的连接点接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D5和D3的负极接第一运算放大器OP1的反相输入端；MPA11的源极接电源VCC；MNA11的源极接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D3的负极接MPA20的栅极；MPA20的源极接MPA7的漏极与电阻RA1的连接点，其漏极接MNA7的漏极；MNA7的栅极和漏极互连，其栅极接MNA8的栅极，其源极接地VSS；MNA8的源极接地VSS，其漏极接MPA21的漏极；MPA21的栅极接第一运算放大器OP1的输出端，其源极接MPA18的漏极；MPA18的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其栅极接MPA17的栅极；MPA17的源极接电源VCC，其漏极接MPA16的漏极；MPA16的源极接MPA15的漏极，其漏极与D6的正极和MNA12的漏极的连接点为软启动电路的第二输出端；MPA15的源极接电源VCC；MNA12的源极与D2的正极的连接点接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D6的负极接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D2的负极接D4的负极；MPA13的源极接电源VCC；MPA19的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其漏极接第二偏置电流源I_B2的正极，第二偏置电流源I_B2的负极接地VSS。

本发明的软启动电路与后级误差放大器的连接方式如图3所示，下面根据上电过程描述本发明的工作原理：

1.上电软启动过程

当芯片一上电时，I_B1开始给C_SS充电，C_SS上的电压V_SS2逐渐上升，运放OP1与MNA1构成钳位反馈电路使V_A＝V_SS2，此时，V_B-V_A＝V_REF2-V_A>V_out1-V_A-V_THN，即NMOS管MNA1工作在饱和区，所以A点电压V_A不受B点电压V_B影响。此时V_OUT1输出电压较低，PMOS管MPA6打开，MPA5镜像偏置电流I_B2流入MNA5，给MOS管MNA4和MNA2提供偏置，使得偏置二极管D3，D5的电流能够通过A点流入MNA2。在偏置电路部分，当芯片上电时，V_OUT1电压比较低，开关管MPA10和MPA16打开，MNA11和MNA12关断，因此MPA15和MPA9镜像I_B2分别流入偏置二极管D1和D6，流经MPA9和MPA11的两股相等电流流入D3和D5，流经MPA13和MPA15的两股相等电流流入D2和D4，所以可得：

∵I_D3＝I_D5＝I_B2∴V_D3＝V_D5＝V_D1＝V_D6＝V_D

V_INP＝V_A+V_D5+V_D1＝V_A+2V_D

同理可得：

V_INN＝V_FB+V_D2+V_D6＝V_FB+2V_D

式中，I_D3，I_D5分别为二极管D3，D5上的电流，I_B2为偏置电流源，V_D1,V_D2,V_D3,V_D5,V_D6分别为二极管D1，D2，D3，D5，D6上的压降，V_A为A点电压，V_FB为反馈电压，软启动电路的第一输出端V_INP和软启动电路的第二输出端V_INN分别连接误差放大器的正输入端和负输入端。又因为V_D1＝V_D6，V_D2＝V_D5，所以利用开关电源反馈原理，可调节V_FB＝V_A＝V_SS2，从而不但满足了上电时稳定性的要求，也通过两个二极管压降满足了后级误差放大器共模输入的要求。图2中MPA7，RA1，MPA22，MPA20，MNA7，MNA8，MPA21，MPA18，MPA17构成初始状态补偿电路。其作用是，当芯片刚上电时，因为流经二极管D1，D3与D5的电流需要流过晶体管MNA2，所以V_A>0，V_FB＝0，这种状态有可能会造成软启动过程异常，影响系统的正常启动，为了解决这个问题，加入初始化补偿电路，设置电阻RA1的值使V_SGP20＝V_C-V_A>|V_THP|，其中V_SGP20为MPA20的源-栅电压，V_C为C点的电压。MPA20上产生的电流通过电流镜像流入V_INN，抬高V_INN的电位，保证系统在上电初始能够正常启动。随着启动过程的逐渐建立，MPA20的栅极电位，即A点电位，逐渐抬升，使得流过MPA20的电流逐渐减小，最终消除VINP与VINN之间的失调电压。

2.软启动结束过程

当V_A随着V_SS2逐渐增大直至接近V_B时，MNA1会进入线性区，此时V_A＝V_B＝V_REF2，即A点电压被钳位在V_A＝V_REF2处无法随V_SS2继续增大，所以运放OP1输出高电平，完成软启动结束的切换。此时，MOS管MPA6，MPA10，MPA16，MPA21关断，开关管MNA11，MNA12打开进行线性区，因此可得：

V_INP＝V_DSN11+V_D5+V_A≈V_D'+V_REF2

V_INN＝V_DSN12+V_D2+V_FB≈V_D'+V_FB

式中，V_DSN11为此时MNA11的漏源电压，V_DSN12为MNA12的漏源电压，V_D’为此时二极管上的压降，又因为V_D2＝V_D5＝V_D’，所以利用开关电源反馈原理，可调节V_FB＝V_REF2，从而在满足系统稳定输出要求的基础上，通过一个二极管压降满足了后级误差放大器共模输入的要求。

综合以上分析可得，本发明的软启动电路采用箝位反馈软切换的原理，不但可以保证系统稳定地完成软启动过程，在芯片内部实现基准电压电平转换和偏置电流输出，使之同时满足N型MOS和双极型误差放大器的输入要求。此外，本发明提出的电路可以有效地避免电路初始电位对系统的影响，实现更为理想的软启动过程。

Claims

1.一种用于双极型误差放大器的开关电源软启动电路，其特征在于，包括基准电压切换电路和误差放大器偏置电路；所述基准电压切换电路由第一运算放大器OP1，第二运算放大器OP2，NMOS管MNA1、MNA2、MNA3、MNA4、MNA5，PMOS管MPA1、MPA3、MPA5、MPA6，第一偏置电流源I_B1，电容C_SS构成；其中，第一运算放大器OP1的同相输入端接偏置电流源I_B1的输出端，其反相输入端接MNA1的源极，其输出端接MNA1的栅极和MNA3的栅极；偏置电流源I_B1的输出端通过电容C_SS后接地；第二运算放大器OP2的同相输入端接外部基准电压VREF2，其反相输入端与其输出端互连，其输出端接MPA1的漏极和MNA1的漏极；MPA1的源极接电源VCC，其栅极接MPA3的栅极，其漏极接MNA1的漏极；MNA1的源极接MNA2的漏极；MNA2的源极接地VSS，其栅极接MNA4的栅极和MNA5的栅极；MNA4的源极接地VSS，其栅极接MNA5的栅极，其漏极接MNA3的源极；MNA3的漏极接MPA3的漏极；MPA3的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连；MPA5的源极接电源VCC，其漏极接MPA6的源极；MPA6的栅极接第一运算放大器的输出端，其漏极接MNA5的漏极；MNA5的栅极和漏极互连，其源极接地VSS；

所述误差放大器偏置电路由PMOS管MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA16、MPA17、MPA18、MPA19、MPA20、MPA21、MPA22，NMOS管MNA7、MNA8、MNA11、MNA12，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电阻RA1，第二偏置电流源I_B2构成；其中，MPA7的源极接电源VCC，其栅极接MPA5的栅极，其漏极通过电阻RA1接MPA22的源极；MPA22的栅极和漏极接地VSS；MPA7、MPA9、MPA10、MPA11、MPA13、MPA15、MPA19的栅极互连；MPA9的源极接电源VCC，其漏极接MPA10的源极；MPA10、MNA11、MNA12、MPA16的栅极互连；MPA10的漏极接D1的正极和MNA11的漏极作软启动电路的第一输出端；D1的负极接D5的正极；D1的负极与D5的正极的连接点接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D5和D3的负极接第一运算放大器OP1的反相输入端；MPA11的源极接电源VCC；MNA11的源极接D3的正极与MPA11的漏极的连接点；D3的负极接MPA20的栅极；MPA20的源极接MPA7的漏极与电阻RA1的连接点，其漏极接MNA7的漏极；MNA7的栅极和漏极互连，其栅极接MNA8的栅极，其源极接地VSS；MNA8的源极接地VSS，其漏极接MPA21的漏极；MPA21的栅极接第一运算放大器OP1的输出端，其源极接MPA18的漏极；MPA18的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其栅极接MPA17的栅极；MPA17的源极接电源VCC，其漏极接MPA16的漏极；MPA16的源极接MPA15的漏极，其漏极与D6的正极和MNA12的漏极的连接点为软启动电路的第二输出端；MPA15的源极接电源VCC；MNA12的源极与D2的正极的连接点接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D6的负极接MPA13的漏极与D4的正极的连接点；D2的负极接D4的负极；MPA13的源极接电源VCC；MPA19的源极接电源VCC，其栅极和漏极互连，其漏极接第二偏置电流源I_B2的正极，第二偏置电流源I_B2的负极接地VSS。