CN101295922A - 一种可实现线性控制的软启动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现线性控制的软启动装置，工作电路包含直流电源，负载电容，连接在直流电源和负载电容之间的功率管以及反馈电路，功率管具有控制端，还包括软启动电路和启动控制电路；软启动电路包括启动后输出电压逐步增加的电压发生器、一输入端与该电压发生器输出端相连的误差放大器，该误差放大器的一输入端连接到功率管电流输出端与地之间，该误差放大器的输出端连接到功率管的控制端；启动控制电路检测到启动开始时，将软启动电路置为正常工作状态，将反馈电路置为非工作状态。采用本发明的装置，可以避免在电路通电瞬间电源对负载电容充电时的浪涌电流，可以复用原电路结构中现有的误差放大器，可节省芯片面积和功耗。

Description

一种可实现线性控制的软启动装置

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种软启动装置。

背景技术

如图1所示，Step-Down降压变换器(Buck)电路的主要包括：电源V_BAT、主功率管Q2、同步整流开关Q1(Q1也可以由整流二极管或肖特基二极管代替)、电感L、以及负载R_LOAD和负载电容C_OUT。其中，反馈环路包括：接在输出端V_OUT和地V_SS之间的两个分压电阻R_F1和R_F2，误差放大器EA，比较器COMP和驱动电路(Drive Circuit)。通过分压电阻R_F1和R_F2采样输出电压得到V_FB，V_FB与基准电压V_REF分别输入误差放大器的两个输入端，其输出信号V_EAO在经过斜坡补偿(Slope Comp)后输入比较器的反向输入端，与一个固定斜率的三角波信号相比较产生占空比可以变化的PWM(脉冲宽度调制)信号，该PWM信号经过驱动电路后直接控制两个功率管的开启时间和关断时间，来稳定输出电压V_OUT为设定值。

输出电压与V_REF和分压电阻R_F1和R_F2的关系如下式：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})$

同时输出电压和输入电压在稳态时的关系为：

V_OUT＝D×V_BAT

稳态时，反馈环路的增益保证了误差放大器输入端的两个信号相同，即V_REF＝V_FB，从而得到稳定的输出电压V_OUT；其中D为表示V_OUT和V_BAT比例关系的参数。

该电路在启动时有时会造成负载电容或负载损坏，同时对于驱动能力有限的电源来说，启动时电压被拉得很低，会影响其他电路的正常工作。事实上，对于采用功率管对电容负载进行通断控制的工作电路来说，在启动时都会存在类似的问题，例如上述情况在Step-Up升压变换器(Boost)等电路中也会出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现线性控制的软启动装置，避免电路通电瞬间电源对负载电容充电时产生的浪涌电流。

申请人对上述电路进行了分析，在电路刚通电的瞬间，负载电容C_OUT上的电压V_OUT为零，而基准电压V_REF可以很快稳定，这样将导致比较器输出百分百占空比的PWM信号，使Q2完全导通，电源直接给负载电容C_OUT充电。对于电池供电的便携式***来说，电池有限的驱动能力将导致电源电压在芯片启动时被拉得很低，有可能会影响其他电路的正常工作，同时负载电容上的巨大浪涌电流(Inrush Current)和负载电容的电压过冲(overshoot)，有可能会造成负载电容或负载损坏。

为了克服上述已有技术的缺陷，需要在这些电路中设置有软启动电路来限制启动时电源的浪涌电流。本发明采用一种线性控制的软启动装置来实现这一功能。所述线性控制的方式是指在电路软启动时间内，使用连续电流为负载电容充电，注意，这里的“线性控制”是区别于在启动时采用较小占空比PWM(脉冲宽度调制)信号控制驱动电路，为负载提供不连续的启动电流的场合，并不代表输出电压V_OUT在启动时的增长必须是线性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种可实现线性控制的软启动装置，包括一工作电路，所述工作电路包含一直流电源，一负载电容，连接在该直流电源和负载电容之间的一功率管以及一反馈电路，该功率管具有一控制端，其特征在于，还包括软启动电路和启动控制电路；其中：

所述软启动电路包括一启动后输出电压逐步增加的电压发生器、一输入端与该电压发生器输出端直接或间接相连的第一误差放大器，该第一误差放大器的另一输入端连接到所述功率管电流输出端与地之间，该第一误差放大器的输出端直接或间接连接到所述功率管的控制端；

所述启动控制电路用于检测到启动开始时，将所述软启动电路置为正常工作状态，将所述反馈电路置为非工作状态，在检测到启动结束时，将该软启动电路置为非工作状态，将所述反馈电路置为正常工作状态。

进一步地，所述启动控制电路又包括启动检测电路，第一控制电路和第二控制电路，其中：

所述启动检测电路，用于检测工作电路的启动状态，向所述第一控制电路和第二控制电路发送软启动开始信号或软启动结束信号；

所述第一控制电路，与所述软启动电路连接，用于在收到软启动开始信号后，将所述软启动电路置为正常工作状态，在收到软启动结束信号时，将所述软启动电路置为非工作状态；

所述第二控制电路，与所述反馈电路连接，用于在收到软启动开始信号后，将所述反馈电路置为非工作状态，在收到软启动结束信号时，将所述反馈电路置为正常工作状态。

进一步地，所述启动检测电路包括第一比较器，所述第一比较器的一输入端输入一参考电压，另一输入端连接到所述功率管电流输出端、或所述功率管电流输出端与地之间的电路的一中间接点，其输出端输出软启动开始信号或软启动结束信号。

进一步地，所述第一控制电路与所述启动检测电路和所述第一误差放大器连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，使能所述第一误差放大器；收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，去使能所述第一误差放大器。

进一步地，所述反馈电路包括第二误差放大器、第二比较器和驱动电路；

所述第二控制电路包括分别与所述第二误差放大器、第二比较器和驱动电路中的一个或多个器件连接的一个或多个子控制电路，所述子控制电路均与所述启动检测电路连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，去使能与其连接的上述器件，在收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，使能与其连接的上述器件。

进一步地，所述第一控制电路包括第一选择器和第二选择器，

所述第一选择器，其第一输入端与所述电压发生器的输出端相连，第二输入端输入所述反馈电路中的参考电压信号，输出端与所述第一误差放大器相连，第一选择器控制端与所述启动检测电路的输出端相连，所述第一选择器控制端收到软启动开始信号后，输出所述第一输入端的信号，所述第一选择器控制端收到软启动结束信号后，输出所述第二输入端的信号；

所述第二选择器，其第一输入端与所述第一误差放大器的输出端相连，其使能控制端与所述启动检测电路的输出端相连，第二选择器使能控制端收到软启动开始信号后，所述第二选择器输出所述第一输入端的信号，所述使能控制端收到软启动结束信号后，所述第二选择器输出端停止输出信号。

进一步地，所述反馈电路包括连接在所述功率管电流输出端与地之间的分压电路、第二误差放大器、第二比较器和驱动电路，所述第二误差放大器的一输入端与所述第一选择器的输出端相连，另一输入端与所述分压电路的中间接点相连，且由多个级联的误差放大器组成，其中与所述第一选择器输出端相连的第一级误差放大器复用为所述第一误差放大器；

所述第二控制电路包括所述第一选择器，还包括分别与所述第二误差放大器中除第一级外的其它误差放大器、第二比较器和驱动电路中的一个或多个器件连接的一个或多个子控制电路，所述子控制电路均与所述启动检测电路连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，去使能与其连接的上述器件，在收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，使能与其连接的上述器件。

进一步地，所述电压发生器连接于所述工作电路输出端和地之间，包括串接的恒定电流源和软启动电容，所述电压发生器输出端为恒定电流源和软启动电容的接点处。

进一步地，所述电压发生器连接于所述工作电路输出端和地之间，包括串接的电阻和软启动电容，所述电压发生器输出端为电阻和软启动电容的接点处。

进一步地，所述工作电路为Buck变换器电路和Boost变换器电路。

采用本发明的装置，可以避免在电路通电瞬间电源对负载电容充电时的浪涌电流，且本发明中电路的实现可以复用原电路结构中现有的误差放大器，可节省芯片面积和功耗。

附图说明

图1是现有技术中Buck电路的结构图；

图2是实施例一中采用恒定电流源的软启动电路应用于Buck电路的软启动装置结构图；

图3是实施例三中采用恒定电流源的软启动电路应用于Boost电路的软启动装置结构图；

图4是实施例四中电压发生器中采用恒定电流源、且不复用Buck电路的误差放大器的软启动装置结构图；

图5是实施例五中电压发生器中采用非恒定电流、且不复用Buck电路的误差放大器的软启动装置结构图。

具体实施方式

本发明提供的可实现线性控制的软启动装置，采用线性控制方式对开关电源变换器实施软启动控制，通过控制软启动电容的值和对软启动电容的充电电流，可以有效控制电源对负载电容的充电电流。

在第一实施例中，如图2所示，是采用恒定电流源的软启动电路应用于Buck电路的软启动装置，相比与图1，本装置除了包括如图1所示的原工作电路外，还包括电压发生器、第一比较器COMPS、第一选择器MUX1、第二选择器MUX2；图中EA为原工作电路中第二误差放大器，由多个级联的误差放大器组成，其中与第一选择器MUX1输出端相连的第一级误差放大器复用为第一误差放大器gm1；

电压发生器连接在电路输出端和地之间，包括串接的恒定电流源和软启动电容，其输出端为恒定电流源(直流电源)和软启动电容的接点处；

第一比较器COMPS的反向输入端连接在分压电路的输出端(分压电阻R_F1和R_F2的接点处)，其正向输入端输入一参考电压信号kV_REF，第一比较器COMPS的输出端分别与第一选择器MUX1的控制端、第二选择器MUX2的控制端相连，第一比较器COMPS的正向输入端电压大于其反向输入端电压时，输出软启动开始信号；其反向输入端电压大于其正向输入端电压时，输出软启动结束信号；

为了在检测到启动开始时，将所述软启动电路置为正常工作状态，可以利用第一比较器COMPS的输出信号对第一误差放大器gm1进行控制，该控制可以通过一个第一控制电路来实现，该第一控制电路可以连接在第一比较器COMPS和第一误差放大器之间，或者直接利用误差放大器的内部控制电路，图2中将其作为误差放大器的内部电路，其输入端即为Ctrl或Ctrl。在收到软启动开始信号后，该第一控制电路使能所述误差放大器；收到软启动结束信号后，该第一控制电路去使能所述误差放大器。第二控制电路对第二比较器COMP和驱动电路的控制也同此。

第一选择器MUX1的第一输入端与电压发生器的输出端相连，第二输入端输入原工作电路反馈电路中的参考电压信号V_REF，其控制端与所述第一比较器COMPS的输出端相连，第一选择器控制端输入的信号为软启动开始信号时，第一选择器选通第一输入端；第一选择器控制端输入的信号为软启动结束信号时，第一选择器选通第二输入端即输出参考电压信号V_REF；

第二选择器MUX2的输入端与第一误差放大器gm1的输出端相连，输出端与功率管的控制端相连，其控制端与第一比较器COMPS的输出端相连，第二选择器控制端输入的信号为软启动开始信号时，第二选择器MUX2选通输入端；第二选择器控制端输入的信号为软启动结束信号时，第二选择器MUX2停止输出信号。第二选择器MUX2可以设置为单路选择器或控制开关。

原有的工作电路中的比较器COMP和驱动电路(Drive Circuit)中均增加了一具有控制端Ctrl的控制电路(可视为比较器和驱动电路的一部分)，在控制端Ctrl输入软启动结束信号时控制比较器COMP和驱动电路处于工作状态，在控制端Ctrl输入软启动开始信号时控制比较器COMP和驱动电路处于非工作状态。如果比较器和驱动电路中本身带有这样的控制电路和控制端也可以直接使用。当然，也可以在反馈电路的其它位置设置一个或多个该通断电路，只要能够撤消驱动电路输出到功率管控制端的电压即使该反馈电路暂时失效即可。

其中，软启动电路中利用了恒定电流源的恒定电流I_S对电容C_S充电，电容C_S的电压将线性增加，电路中复用第一误差放大器gm1。在电路通电瞬间，负载电容C_OUT上的电压V_OUT为零，分压电阻R_F2的电压V_FB也为零，第一比较器COMPS首先判断出输出电压低的状态(kV_REF＞V_FB，0＜k＜1)，然后MUX1和MUX2分别选通V_S和V_S0，同时COMP比较器和驱动电路关断。此时恒定电流源开始以恒定电流I_S对电容C_S充电，电容电压V_S线性升高，V_S＝I_S×t/C_S(I_S为固定启动电流，t为设定的软启动时间，由于t的线性特性，所以V_S也是线性增加)。利用两级误差放大器的EA中的第一级增益gm1(单级误差放大器驱动Q2，可减小环路的增益，保持放大器稳定工作)，迫使V_FB跟随V_S电压线性升高。

当V_FB升高到kV_REF后(如k＝0.85)，第一比较器COMPS输出信号为低电平，控制第一选择器MUX1输出参考电压V_REF，控制第二选择器MUX2停止输出信号，软启动电路停止工作，软启动结束，此时输出电压V_OUT达到其稳态值的k倍，***反馈环路正常工作，输出电压由***控制环路稳定在设定的电压值。第一比较器COMPS输出的Ctrl信号也可以作为电路的一使能输出信号，表示此时输出电压已经准备好。其中，选择器MUX1或MUX2可以有两个使能端即正向使能端Ctrl和反向使能端Ctrl，也可以只有一个使能端即Ctrl。

整个软启动过程可以表示为：

$V_{\mathrm{FB}}=V_{\mathrm{OUT}}\frac{R_{F2}}{R_{F1}+R_{F2}}=V_S=\frac{\mathrm{Is}\×t}{\mathrm{Cs}}$

从而得到：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{Is}}{\mathrm{Cs}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})t$

从上式可知，式中只有线性变化的时间变量t，所以输出电压V_OUT将随时间的推移线性升高。

由于输出电压V_OUT是电容上的电压，所以线性升高的V_OUT电压通过恒定的充电电流实现，所以恒定的充电电流I_C为：

$C_{\mathrm{OUT}}{V}_{\mathrm{OUT}}=C_{\mathrm{OUT}}\frac{\mathrm{Is}\×t}{\mathrm{Cs}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})=I_{C}t$

$I_C=\mathrm{Is}\frac{C_{\mathrm{OUT}}}{\mathrm{Cs}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})$

调整Is和Cs的值，可以得到适当的启动时间和启动电流的大小。利用误差放大器的钳位作用，使负载电容上形成恒定电流充电和线性上升的电压。在启动过程中随着输出电压V_OUT的上升，负载R_LOAD也会吸收一部分电流，但是由于V_OUT线性升高，所以R_LOAD吸收的电流也是线性升高，负载电容C_OUT上的充电电流仍然是线性电流，软启动电流I_C也是线性电流。

在实施例二中，软启动电路与图2所示电路的区别是采用电阻代替恒定电流源。即电压发生器包括串接的软启动电阻和软启动电容，其输出端为软启动电阻和软启动电容的接点处。在此电路中，使用电容电阻的RC常数来设定软启动的时间，则可以得到指数上升的输出电压V_OUT，此时的V_OUT满足以下关系式：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{BAT}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})\exp (-\frac{t}{R_S{C}_S})$

设定足够大的时间常数τ＝RsCs，即可以减小输出电压和输入电流的过冲。

在实施例三中，如图3所示，是将依据图2描述的采用恒定电流源的软启动电路应用于Boost电路的结构图，且实施例三的另一变换实施例为，软启动电路中的电压发生器包括串接的软启动电阻和软启动电容，其输出端为软启动电阻和软启动电容的接点处。两者的工作原理与上述依据图2描述的方法同理，此处不再赘述。

在实施例四中，该实施例的软启动电路没有与原工作电路的误差放大器EA复用，如图4所示，相比与图1，本装置除了包括如图1所示的原工作电路外，还包括电压发生器、第一比较器COMPS，带有控制端Ctrl的第一误差放大器gm，第二误差放大器EA带有反向控制端Ctrl，第二比较器COMPS带有反向控制端Ctrl、驱动电路(Drive Circuit)带有反向控制端Ctrl；

电压发生器连接在电路输出端和地之间，包括串接的恒定电流源和软启动电容，其输出端为恒定电流源和软启动电容的接点处；

第一比较器COMPS的反向输入端连接在分压电路的输出端(分压电阻R_F1和R_F2的接点处)，正向输入端输入一参考电压信号kV_REF，第一比较器COMPS的输出端与第一误差放大器gm的控制端相连，第一比较器COMPS的正向输入端电压大于其反向输入端电压时，输出软启动开始信号；其反向输入端电压大于其正向输入端电压时，输出软启动结束信号；

第一误差放大器gm，其正向输入端连接在分压电路的输出端(分压电阻R_F1和R_F2的接点处)，反向输入端与电压发生器的输出端相连。其控制端输入软启动开始信号时，使能第一误差放大器gm处于工作状态；其控制端输入软启动结束信号时，去使能第一误差放大器gm处于非工作状态。

原有的工作电路中的第二误差放大器EA、第二比较器COMP和驱动电路(Drive Circuit)中均增加了一具有反向控制端Ctrl的控制电路，在其反向控制端Ctrl输入软启动开始信号时，去使能比较器COMP和驱动电路处于非工作状态；在其反向控制端Ctrl输入软启动结束信号时，去使能比较器COMP和驱动电路处于工作状态。

第二误差放大器EA、第二比较器COMP和驱动电路采用反向控制端Ctrl，保证了误差放大器gm和比较器COMP和驱动电路(Drive Circuit)不同时工作。第二比较器COMP和驱动电路也可以采用正向控制端Ctrl，则比较器COMP和驱动电路从其正向输入端接收到软启动开始信号时，控制其处于非工作状态，接收到软启动结束信号时，控制其处于工作状态。

第五实施例中的软启动装置，如图5所示与图4所示实施例的区别是电压发生器采用串接的电阻和软启动电容。第四实施例和第五实施例的工作原理与第一实施例和第二实施例中描述的同理，此处不再赘述。

第四实施例和第五实施例的软启动装置同样适用于Boost电路中。

上述装置可以很好的避免在电路通电瞬间电源对负载电容充电时的浪涌电流，且本电路的实现可以复用原电路结构中现有的误差放大器，可节省芯片面积和功耗。

上述软启动电路也适用于直流/直流(DC/DC)变换器，如Buck电路和Boost电路。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

电压发生器产生的电压逐步增加包括两种方式(1)固定电流给电容充电，此时电压发生器输出的电压是线性增长的(2)电源通过电阻对电容充电，此时电压发生器输出的电压是非线性的。但这两种情况下都是使用的线性控制方式，而不是开关控制方式。

Claims (10)

1、一种可实现线性控制的软启动装置，包括一工作电路，所述工作电路包含一直流电源，一负载电容，连接在该直流电源和负载电容之间的一功率管以及一反馈电路，该功率管具有一控制端，其特征在于，还包括软启动电路和启动控制电路；其中：

所述软启动电路包括一启动后输出电压逐步增加的电压发生器、一输入端与该电压发生器输出端直接或间接相连的第一误差放大器，该第一误差放大器的另一输入端连接到所述功率管电流输出端与地之间，该第一误差放大器的输出端直接或间接连接到所述功率管的控制端；

所述启动控制电路用于检测到启动开始时，将所述软启动电路置为正常工作状态，将所述反馈电路置为非工作状态，在检测到启动结束时，将该软启动电路置为非工作状态，将所述反馈电路置为正常工作状态。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述启动控制电路又包括启动检测电路，第一控制电路和第二控制电路，其中：

所述启动检测电路，用于检测工作电路的启动状态，向所述第一控制电路和第二控制电路发送软启动开始信号或软启动结束信号；

所述第一控制电路，与所述软启动电路连接，用于在收到软启动开始信号后，将所述软启动电路置为正常工作状态，在收到软启动结束信号时，将所述软启动电路置为非工作状态；

所述第二控制电路，与所述反馈电路连接，用于在收到软启动开始信号后，将所述反馈电路置为非工作状态，在收到软启动结束信号时，将所述反馈电路置为正常工作状态。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述启动检测电路包括第一比较器，所述第一比较器的一输入端输入一参考电压，另一输入端连接到所述功率管电流输出端、或所述功率管电流输出端与地之间的电路的一中间接点，其输出端输出软启动开始信号或软启动结束信号。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述第一控制电路与所述启动检测电路和所述第一误差放大器连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，使能所述第一误差放大器；收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，去使能所述第一误差放大器。

5、如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述反馈电路包括第二误差放大器、第二比较器和驱动电路；

所述第二控制电路包括分别与所述第二误差放大器、第二比较器和驱动电路中的一个或多个器件连接的一个或多个子控制电路，所述子控制电路均与所述启动检测电路连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，去使能与其连接的上述器件，在收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，使能与其连接的上述器件。

6、如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，

所述第一控制电路包括第一选择器和第二选择器，

所述第一选择器，其第一输入端与所述电压发生器的输出端相连，第二输入端输入所述反馈电路中的参考电压信号，输出端与所述第一误差放大器相连，第一选择器控制端与所述启动检测电路的输出端相连，所述第一选择器控制端收到软启动开始信号后，输出所述第一输入端的信号，所述第一选择器控制端收到软启动结束信号后，输出所述第二输入端的信号；

所述第二选择器，其第一输入端与所述第一误差放大器的输出端相连，其使能控制端与所述启动检测电路的输出端相连，第二选择器使能控制端收到软启动开始信号后，所述第二选择器输出所述第一输入端的信号，所述使能控制端收到软启动结束信号后，所述第二选择器输出端停止输出信号。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述反馈电路包括连接在所述功率管电流输出端与地之间的分压电路、第二误差放大器、第二比较器和驱动电路，所述第二误差放大器的一输入端与所述第一选择器的输出端相连，另一输入端与所述分压电路的中间接点相连，且由多个级联的误差放大器组成，其中与所述第一选择器输出端相连的第一级误差放大器复用为所述第一误差放大器；

所述第二控制电路包括所述第一选择器，还包括分别与所述第二误差放大器中除第一级外的其它误差放大器、第二比较器和驱动电路中的一个或多个器件连接的一个或多个子控制电路，所述子控制电路均与所述启动检测电路连接，在收到所述第一比较器输出的软启动开始信号后，去使能与其连接的上述器件，在收到所述第一比较器输出的软启动结束信号后，使能与其连接的上述器件。

8、如权利要求2、3、4、5或7所述的装置，其特征在于，

所述电压发生器连接于所述工作电路输出端和地之间，包括串接的恒定电流源和软启动电容，所述电压发生器输出端为恒定电流源和软启动电容的接点处。

9、如权利要求2、3、4、5或7所述的装置，其特征在于，

所述电压发生器连接于所述工作电路输出端和地之间，包括串接的电阻和软启动电容，所述电压发生器输出端为电阻和软启动电容的接点处。

10、如权利要求1、2、4、5或7所述的装置，其特征在于，

所述工作电路为Buck变换器电路和Boost变换器电路。

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