CN102447380A - 用于电源的软启动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于电源的软启动电路包括：缓冲器，被驱动于内部电源电压与接地电压之间，以在非反相端处接收初始参考电压并生成参考电压；上电复位器，被驱动于内部电源电压与接地电压之间，以输出复位电压；或门，被配置为通过接收复位电压和使能禁止信号并对复位电压和使能禁止信号执行或操作来输出复位信号；复位开关，具有连接至缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，复位开关响应复位信号(RST)而接通/断开；以及启动电容器，具有连接至缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，启动电容器储存与参考电压(VREF)相应的电荷。

Description

用于电源的软启动电路
技术领域
本发明涉及一种用于电源的软启动电路，更具体地，涉及这样一种用于电源的软启动电路，其即使在软启动电路的初始操作中(其中内部电源电压和电流源是不稳定的)也能生成稳定的参考电压，并且通过使用缓冲器的电流源作为充电电流来使电流消耗最小化。
背景技术
一般的开关模式电源(下文称为“SMPS”)将输入的交流功率转换为直流功率并通过开关将被转换的直流功率转换为高频交流功率。随后，SMPS将被转换的交流功率转换为交流电压并对被转换的交流电压的电平进行调节。随后，SMPS将交流电压转换为直流电压并输出被转换的直流电压。
通过上述原理，SMPS获得高效且稳定的输出。然而，应用于诸如PDP板的负载的SMPS需要高电压，并且该负载具有大电容。通常，从电源端的角度来说，PDP板具有150至250V的交流电压和5000至15000μF的电容。此外，PDP板的开启时间被限制为约300毫秒至1.0毫秒。因此，当PDP板的操作开始时，存在于负载中的半导体装置接收过量的电流和电压应力。
为了解决这种问题，通过根据PDP板的功率被开启时的时间始终保持输出电压的上升率，从而使过量的电流和电压应力必要地降低。为了这个目的，SMPS需要一种软启动技术以通过限定开关控制信号的功率或频率来限制输出电压的上升斜率。
图1是具有软启动电路的传统SMPS的电路图。
参照图1，在SMPS中，软启动电路40被增加至SMPS电路，从而改善了操作特性。
一般的SMPS电路是通过接收输入电压VIN并对接收到的电压进行调整来生成输出电压VO的电路。
图1所示的SMPS电路包括开关电路30、输出滤波器(L和C1)、输出电压分配单元(R1和R2)、误差放大器402、相位补偿电路(C2和R3)和PWM信号生成单元50。
开关电路30通过与输入PWM信号Vpwm同步执行开-关操作来传输或切断输入电压VIN。开关电路30生成输出电压VO，输出电压VO是通过使用由电感器L和第一电容器C1构成的滤波器对输入电压VIN的PWM波形求平均值而获得的直流电压。
反馈电压VFB通过使用电阻器R1和R2分配所生成的输出电压VO来生成，并且误差放大器402通过对反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差进行放大来生成公共电压VCOM。所生成的公共电压VCOM与通过PWM信号生成单元50调整的输出电压VO同步地被转换为PWM信号Vpwm。
在将输入电压VIN转换为所需的输出电压VO时，SPMS电路具有很小的功率损失。因此，SMPS电路时常被用作需要使功率损失最小化的***的电源。
然而，不具有软启动功能的SMPS电路具有较大的反馈环路增益。因此，当反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差较大时，在短时期内有大量输出电流流动，因此也有大量输入电流流动。
在短时期内流动的电流向装置施加应力，并且可能由于必要的输入电流的限制而出现运行故障。在严重的情况下，装置可能损坏。当反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差较大时，这种现象频繁出现在在向其供电的的装置的初始操作中。
在供电期间，输出电压通常具有0V电压。由于装置中的参考电压VREF因其特性而甚至在低电源电压下生成，该装置的操作在反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差较大的状态下实行。
如图1所示，传统SMPS电路的软启动电路40包括用于生成参考电压VREF的参考电压生成单元401和误差灯402。参考电压生成单元401包括电压调整单元406、第一电流源407、第二电流源408、第一开关403、第二开关405和启动电容器CSS。
参照图1，电流通过第一电流源407提供给启动电容器CSS。在这种情况下，参考电压VREF的是启动电容器CSS的充电电压，并且逐步增加。通过这种特性，当功率被施加时，参考电压VREF能够在初始时期从0V逐渐增加。因此，反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差变得非常小，因此少量的初始输入/输出电流流动。
为了这个目的，软启动电路40被配置为通过复位信号RST使参考电压VREF从0V开始以初始化启动电容器CSS，并且通过指定第一电流源407的量来调整参考电压的增加时间。在这种情况下，电压调整单元406是具有漏极开路型输出的二级放大器，从而生成外部参考电压VREF所需的电路被配置为负载。
在传统SMPS电路中，初始参考电压VR是在功率被输入时首先生成的。这是因为，当初始参考电压VR关联内部电源电压VCC的操作以刚好在较低的内部电源电压VCC下生成时，初始参考电压VR能够正常充当参考电压。生成参考电压VREF所需的电压调整单元406和第一电流源407关联内部电源电压VCC。复位信号RST从另一个外部装置生成，并随后提供给软启动电路40。
在传统SMPS电路中，虽然在供电时生成参考电压VREF所需的器件的操作与内部电源电压VCC关联，但没有用于软启动电路40的保护装置。
同时，当首先供给第一电流源407并随后供给复位信号RST时，参考电压VREF不从0V开始而是从任意初始电压开始。另一方面，当电压调整单元406在第一电流源407被提供之前反常工作时，初始参考电压VR变为参考电压VREF，因此，参考电压VREF不从0V开始。
在传统SMPS电路的软启动电路中，虽然复位信号RST必须首先启动，但是缺少使复位信号RST与内部电源电压VCC关联的技术。由于所有软启动电路都在复位信号RST与内部电源电压VCC关联的状态下工作，所以必须考虑内部电源电压VCC。
发明内容
因此，本发明已经作出努力来解决出现在现有技术中的问题，并且本发明的目的是提供一种用于电源的软启动电路，其即使在软启动电路的初始操作中(其中，内部电源电压和电流源是不稳定的)也能生成稳定的参考电压，并且能够通过使用缓冲器的电流源作为充电电流来使电流消耗最小化。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于电源的软启动电路，包括：缓冲器，被驱动于内部电源电压与接地电压之间，以在非反相端处接收初始参考电压并生成参考电压；上电复位器，被驱动于内部电源电压与接地电压之间，以输出复位电压；或门，被配置为通过接收复位电压和使能禁止信号并对复位电压和使能禁止信号执行或操作来输出复位信号；复位开关，具有连接至缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，复位开关响应复位信号而接通/断开；以及启动电容器，具有连接至缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，启动电容器储存与参考电压相应的电荷。
上电复位器可以包括：第一电流源，具有连接至内部电源电压的第一端；第一电容器，具有连接至内部电源电压的第一端；以及第一电流镜单元，被配置为通过对从第一电流源传输的电流进行镜像来生成第一镜像电流并将第一镜像电流传输至第一电容器的第二端，以输出复位电压。
缓冲器可以包括：第二电流源，具有连接至内部电源电压的第一端；第一双极型晶体管，具有连接至第二电流源的第二端的第一端并具有基极，初始参考电压施加至基极；第二双极型晶体管，具有连接至第二电流源的第二端的第一端并具有基极，参考电压反馈至基极；以及第二电流镜单元，被配置为通过对从第一双极型晶体管传输的电流进行镜像来生成第二镜像电流并将所生成的第二镜像电流传输至基极和第二双极型晶体管的第二端。
复位开关可以被接通以在复位信号处于逻辑高状态时对启动电容器的初始电压进行复位，复位开关被断开以在复位信号处于逻辑低状态时通过参考电压对启动电容器进行充电。
使能禁止信号可以在软启动电路不工作时具有逻辑高的电平，使能禁止信号可以在软启动电路工作时具有逻辑低的电平。
在软启动电路的初始操作中，复位电压可以在内部电源电压具有0V的值时具有逻辑高的电平，复位电压可以在内部电源电压达到正常状态并具有恒定值时具有逻辑低的电平。
通过对在第一电流源中流动的电流进行电流镜像可以获得在第二电流源中流动的电流。
的软启动电路还可以包括输出缓冲器单元，输出缓冲器单元被配置为接收参考电压并生成修正参考电压。
输出缓冲器单元可以包括：输出缓冲器，被驱动于内部电源电压与接地电压之间，以在非反相端处接收参考电压并生成修正参考电压；以及输出复位开关，具有连接至输出缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，输出复位开关响应复位信号而接通/断开。
附图说明
在阅读了结合附图的下面的详细描述之后，本发明的上述目的、以及其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是具有软启动电路的传统SMPS的电路图；
图2是根据本发明的一个实施方式的用于电源的软启动电路的电路图；
图3是示出图2所示的软启动电路的详细配置的电路图；以及
图4是根据本发明的另一个实施方式的用于电源的软启动电路的电路图。
具体实施方式
现在将更详细地参照本发明的优选实施方式，其实施例在附图中示出。无论在什么情况下，在整个附图和说明书中都将使用相同的参考标号来指代相同或相似的部件。
图2是根据本发明的实施方式的用于电源的软启动电路的电路图。
参照图2，根据这个实施方式的软启动电路200包括缓冲器210、上电复位器220、参考电压VREF的复位所需的或门230、复位开关240和充电所需的启动电容器250。
缓冲器210于内部电源电压VCC和接地电压GND的范围内被驱动。缓冲器210在非反相端处接收初始参考电压VR并且生成参考电压VREF。
上电复位器220于内部电压电源VCC与接地电压GND之间被驱动，并且生成复位电压Vrst。在初始时期，上电复位器220根据内部电源电压VCC的变化通过逻辑高的电压工作。如果预定的延迟时间期满，则上电复位器220被输出为逻辑低电压。
或门230通过接收作为上电复位器220的输出信号的复位电压Vrst和使能禁止信号ENb并对复位电压Vrst和使能禁止信号ENb执行或操作来输出复位信号RST。或门230通过输出的复位信号RST来控制复位开关240的开-关。
复位开关240使启动电容器250的初始充电复位，使得启动电容器250的初始电压在复位信号RST处于逻辑高状态时变为0V。在这种情况下，复位信号RST由使能禁止信号ENb和作为上电复位器220的输出信号的复位电压生成。
启动电容器250的第一端连接至缓冲器210的输出端，启动电容器250的第二端接地。启动电容器250储存与参考电压VREF相应的电荷。
使能禁止信号ENb是与SMPS装置的使能操作相反的信号。也就是说，当该装置不工作时，使能禁止信号ENb处于逻辑高状态。当该装置工作时，使能禁止信号ENb处于逻辑低状态。
因此，复位信号RST根据该装置的操作的存在进行作用，而不考虑复位电压Vrst的逻辑电平。因此，能够根据该装置的操作的存在生成稳定的参考电压VREF。
如果该装置被启动并且功率被施加，内部电源电压VCC从初始瞬态改变为正常状态。也就是说，内部电源电压VCC从0V增加并达到VCC，VCC是指定的值。在操作期间，作为缓冲器210的输出的参考电压VREF通过与内部电源电压VCC关联而不稳定地增加。在本发明中，由于作为上电复位器220的输出信号的复位电压Vrst在初始时期保持逻辑高状态，复位信号RST变为逻辑高状态，因此参考电压VREF依然保持为0V。
随后，当内部电源电压VCC到达正常状态时，复位电压Vrst变为逻辑低状态，因此，复位信号RST变为逻辑低状态。因此，参考电压VREF的充电从现在开始。因此，参考电压VREF使得软启动电路能够执行稳定的工作，而不考虑初始功率输入和由初始功率输入导致的初始电源电压的改变。
图3是图2所示的软启动电路的详细配置的电路图。
将参照图3描述根据这个实施方式的软启动电路200中的缓冲器210和上电复位器220的详细配置和操作。
上电复位器220包括第一电流源I1、第一电容器C1和第一电流镜单元221。
第一电流源I1的第一端连接至内部电源电压VCC，而第一电流源I1的第二端连接至第一电流镜单元221的输入端。
第一电容器C1的第一端连接至内部电源电压VCC，而第一电容器C1的第二端连接至第一电流镜单元221的输出端。
第一电流镜单元221具有第三MOS晶体管M3和第四MOS晶体管M4。第一电流镜单元221通过对从第一电流源I1传输的电流进行镜像来生成第一镜像电流，并将所生成的第一镜像电流传输至第一电容器C1的第二端。
由于通过使用第三和第四MOS晶体管对第一电流源I1的电流进行电流镜像而获得的值被用作上电复位器220的操作所需的电流，故能够通过调整电流镜像比(1∶M)轻易地获得期望的电流值，并且能够简单地配置该电流。
缓冲器210包括第二电流源I2、第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2和第二电流镜单元221。
第二电流源I2的第一端连接至内部电源电压VCC，而第二电流源I2的第二端连接至第一和第二双极型晶体管Q1和Q2的第一端。
在最初的功率输入中，第二电流源I2执行由第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2和第二电流镜单元211构成的差分放大器的电流源的功能，并且执行启动电容器250的充电电流供应源的功能。流过启动电容器250的电流量根据初始参考电压VR与参考电压VREF之间的差改变。当该差增加时，相对大量的电流流过启动电容器后250。当该差减小时，相对小量的电流流过启动电容器后250。
第一双极型晶体管Q1的第一端连接至第二电流源I2的第二端，并且初始参考电压VR被施加至第一双极型晶体管Q1的基极。第一双极型晶体管Q1的第二端连接至第二电流镜单元211的输入端。
第二双极型晶体管Q2的第一端连接至第二电流源I2的第二端，并且参考电压VREF被反馈至第二双极型晶体管Q2的基极。第二双极型晶体管Q2的第二端连接至第二电流镜单元211的输出端。
第二电流镜单元211具有第一MOS晶体管M1和第二MOS晶体管M2。第二电流镜单元211通过对从第一双极型晶体管Q1传输的电流进行镜像来生成第二镜像电流，并将所生成的第二镜像电流传输至第二双极型晶体管Q2的基极。
当电路到达正常状态时，参考电压VREF变成与初始参考电压VR相同的电压，并且第二电流源I2的电流的一半流过第一和第二MOS晶体管M1和M2中的每一个。
在电路到达正常状态之后，没有电流被用于对启动电容器250进行充电。因此，缓冲器210的操作和参考电压VREF的软启动操作能够具有非常小量的功率消耗。
在这种情况下，用于第二电流源I2的电流通过对充当参考电流源的第一电流源I1的电流进行电流镜像来获得。也就是说，第二电流源I2的电流还能够通过第一和第二电流源I1和I2的电流镜像比(1∶N)精确地使用。
图4是根据本发明的另一个实施方式的用于电源的软启动电路的电路图。
在图4所示的软启动电路中，在图2所示的软启动电路200的输出端额外设置了输出缓冲器单元300。
除了输出缓冲器单元300，其它器件都在图2和图3中示出，因此对它们的详细描述将被省略。
输出缓冲器单元300包括输出缓冲器310和输出复位开关320。
输出缓冲器310被驱动于内部电源电压VCC与接地电压GND之间。输出缓冲器310在非反相端接收图2所示的软启动电路200中所生成的参考电压VREF，并且输出修正参考电压VREF1。
输出复位开关320的第一端连接至输出缓冲器310的输出端，而第二端接地。输出复位开关320响应复位信号RST而接通/断开。也就是说，修正参考电压VREF1也受复位信号RST控制。
根据具有图1所示的软启动电路的传统SMPS，作为误差放大器402的另一个输入的反馈电压VFB充当用于分配输出电压VO的电压，因此，波纹和开关脉冲噪声被增加至反馈电压VFB。
参考电压被反馈电压VFB的噪声干扰。在严重的情况下，可能导致电源的反常操作。这是因为，用于生成参考电压VREF的电路对流进包括启动电容器CSS的电容性负载的交流噪声反应敏感。
在这种情况下，如图4所示，在软启动电路上增加了输出缓冲器单元300，从而能够限制由反馈电压VFB引起的干扰并稳定地生成参考电压VREF。
如上所述，本发明的软启动电路完全不同于传统软启动电路之处在于，本发明的软启动电路使用初始参考电压VR生成从0V逐渐增加的参考电压。
从上面的描述显而易见的是，本发明提供了一种用于电源的软启动电路，其通过逐渐增加参考电压并生成与内部电源电压关联的逻辑信号，即使在软启动电路的初始操作中也能生成稳定的参考电压。
本发明还提供了一种用于电源的软启动电路，其中参考电压的软启动操作所需的电流从缓冲器的电流源接收，从而不需要用于在正常操作中保持参考电压的额外电流源，因此使电流的消耗最小化。
虽然出于示意性目的描述了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员应理解，在不背离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、增加和替换。

Claims (9)

1.一种用于电源的软启动电路，包括：
缓冲器(210)，被驱动于内部电源电压(VCC)与接地电压(GND)之间，以在非反相端处接收初始参考电压(VR)并生成参考电压(VREF)；
上电复位器(220)，被驱动于所述内部电源电压(VCC)与所述接地电压(GND)之间，以输出复位电压(Vrst)；
或门(230)，被配置为通过接收所述复位电压(Vrst)和使能禁止信号(ENb)并对所述复位电压(Vrst)和所述使能禁止信号(ENb)执行或操作来输出复位信号(RST)；
复位开关(240)，具有连接至所述缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，所述复位开关响应所述复位信号(RST)而接通/断开；以及
启动电容器(250)，具有连接至所述缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，所述启动电容器储存与所述参考电压(VREF)相应的电荷。
2.如权利要求1所述的软启动电路，其中所述上电复位器(220)包括：
第一电流源(I1)，具有连接至所述内部电源电压(VCC)的第一端；
第一电容器(C1)，具有连接至所述内部电源电压(VCC)的第一端；以及
第一电流镜单元，被配置为通过对从所述第一电流源传输的电流进行镜像来生成第一镜像电流并将所述第一镜像电流传输至所述第一电容器(C1)的第二端，以输出所述复位电压(Vrst)。
3.如权利要求2所述的软启动电路，其中所述缓冲器包括：
第二电流源(I2)，具有连接至所述内部电源电压(VCC)的第一端；
第一双极型晶体管(Q1)，具有连接至所述第二电流源的第二端的第一端并具有基极，所述初始参考电压(VR)施加至所述基极；
第二双极型晶体管(Q2)，具有连接至所述第二电流源的第二端的第一端并具有基极，所述参考电压(VREF)反馈至所述基极；以及
第二电流镜单元，被配置为通过对从所述第一双极型晶体管(Q1)传输的电流进行镜像来生成第二镜像电流并将所生成的第二镜像电流传输至所述基极和所述第二双极型晶体管(Q2)的第二端。
4.如权利要求3所述的软启动电路，其中在所述复位信号(RST)处于逻辑高状态时，所述复位开关(240)被接通以对所述启动电容器的初始电压进行复位，在所述复位信号(RST)处于逻辑低状态时，所述复位开关(240)被断开以通过所述参考电压(VREF)对所述启动电容器进行充电。
5.如权利要求4所述的软启动电路，其中在软启动电路不工作时，所述使能禁止信号(ENb)具有逻辑高的电平，在软启动电路工作时，所述使能禁止信号(ENb)具有逻辑低的电平。
6.如权利要求4所述的软启动电路，其中在所述软启动电路的初始操作中，所述复位电压(Vrst)在所述内部电源电压具有0V的值时具有逻辑高的电平，所述复位电压(Vrst)在所述内部电源电压(VCC)达到正常状态并具有恒定值时具有逻辑低的电平。
7.如权利要求4所述的软启动电路，其中通过对在所述第一电流源中流动的电流进行电流镜像获得在所述第二电流源中流动的电流。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的软启动电路，还包括输出缓冲器单元(300)，所述输出缓冲器单元被配置为接收所述参考电压(VREF)并生成修正参考电压(VREF1)。
9.如权利要求8所述的软启动电路，其中所述输出缓冲器单元(300)包括：
输出缓冲器(310)，被驱动于所述内部电源电压(VCC)与所述接地电压(GND)之间，以在非反相端处接收所述参考电压(VREF)并生成所述修正参考电压(VREF1)；以及
输出复位开关(320)，具有连接至所述输出缓冲器的输出端的第一端以及接地的第二端，所述输出复位开关响应所述复位信号(RST)而接通/断开。
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