CN105830325B - 电源转换器软启动电路 - Google Patents

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Abstract

给出PWM控制电路及其软启动电路***，其中，在启动期间，根据内部软启动电路斜坡信号和外部连接的电容器端电压中较低的一个，源极跟随器电路提供输入到脉冲发生器误差放大器，其中，连接到源极跟随器的电流源限制供应到外部连接的电容器的充电电流。

Description

电源转换器软启动电路
技术领域
本公开涉及软启动DC-DC转换器以及用于其的脉冲宽度调制(PWM)控制器。
背景技术
DC-DC转换器通常包括一个或更多个开关，其被选择性致动以基于接收的DC输入提供受控的DC输出电压或电流。通过控制脉冲宽度或根据误差信号提供至转换器的一个或更多个开关的信令的时间，调节输出功率，误差信号表示实际输出电压或电流和期望值(脉冲宽度调制或PWM)之间的差值。电容器通常与受驱动负载并联连接在转换器输出处，从而稳定转换器输出电压且提供用于负载电流的源。然而，上电时，输出电容器被首先放电，且输出电压和期望值之间的差值可以是大的，导致脉冲宽度调节控制提供大量电流至输出。输出电容器可以因此在启动期间经历涌入电流的高电平，这可以毁坏输出电容器或使输出电容器退化。软启动技术可以被用于限制在启动期间提供至输出电容器的涌入电流量，包括在脉冲宽度调制控制器中提供自载的(on-board)(内部)软启动电路***。然而，内部软启动电路通常提供固定或预定的软启动时间，在该软启动时间期间，输出电流被限制，并且针对不同应用，期望的软启动时序规范可以不同。例如，涌入电流的最大容忍电平可由所使用的特定输出电容器命令。因此，可以使用内部软启动电路***和外部软启动电路***的组合，允许用户应用内部软启动电路和相关的固定的软启动时间或将一个或更多个外部组件连接到脉冲宽度调制控制器，以设定不同的(如，更长的)软启动时间，从而进一步限制输出电容器涌入电流。内部软启动电路***和外部软启动电路***通常连接到闭合环路反馈误差放大器电路，以便人为修改(如，降低)误差信号，一个或更多个PWM切换控制信号根据该误差信号生成。然而，适应内部软启动电路***和外部软启动电路***二者需要用于误差放大器电路***的两个附加输入。误差放大器的输入晶体管通常具有非常大的尺寸，以最小化输入偏移，并且因此如果使用四个误差放大器输入，则需要更大的集成电路管芯尺寸。此外，误差放大器的输入晶体管通常是严密匹配的，诸如在比较设定点或参考值与反馈值时使用的差动输入级实施方式中，并且提供大量误差放大器输入可导致由于大的装置尺寸而引起的匹配困难。因此，存在对改进的控制电路的持续需求，改进的控制电路用于具有内部软启动电路以及外部软启动电路的DC-DC转换器的脉冲宽度调制控制，而没有增加装置尺寸和与常规控制电路相关的装置匹配问题。
发明内容
本公开提供用于控制DC-DC转换器的PWM控制电路***，其包括脉冲生成电路***以及内部软启动控制特征和外部软启动控制特征。脉冲生成电路包括具有三个输入和输出的误差放大器，该三个输入分别用于接收软启动输入信号、参考信号和反馈信号，该输出提供表示反馈信号与软启动信号和参考信号中较小者之间的差值的误差信号。比较器电路接收误差放大器输出信号以及周期斜坡信号，并且提供因此用于操作DC-DC转换器的一个或更多个开关的PWM输出信号。控制电路包括内部软启动电路，其在启动期间提供上升的输出信号至第一误差放大器输入，并且外部软启动端子也连接到第一误差放大器输入，以允许外部电容器的连接在启动期间至少部分控制第一误差放大器输入电压的上升时间。以此方式，不需要第四误差放大器输入，从而减小控制电路尺寸并避免或减轻装置不匹配问题，同时允许通过将一个或更多个外部软启动电路组件连接到控制器来使用预定内部软启动时间或可配置的软启动时间。
在某些实施例中，内部软启动电路包括内部斜坡电路，如，电容器放大器，其具有连接到电流源的第一电容器，以在控制电路启动期间提供具有大致固定的电压变化率的上升电压。内部软启动电路包括输出电路***，其至少部分根据第一电容器两端的电压，提供上升的内部软启动电路输出信号至第一误差放大器输入。在某些实施例中，软启动输出电路包括源极跟随器晶体管，其具有连接到第一电容器的栅极端子和连接到第一误差放大器输入的源极端子。电流镜电路可被提供以汇集(sink)来自源极跟随器的源极端子的电流，以在启动期间基于第一电容器的电压设定源极跟随器晶体管栅极-源极电压。此外，在某些实施方式中，软启动输出电路包括另一个电流源，其提供电流至源极跟随器晶体管的漏极以限制连接到外部软启动端子的任何电容器的充电电流，其中，此附加电流源不直接连接到外部软启动端子。
因此，在各种实施例中，提供至第一误差放大器输入的软启动电路输出信号在启动期间将大体上跟踪内部软启动电路第一电容器的上升电压，除非相当大的外部电容器连接到外部软启动端子，在这种情况下，提供至第一误差放大器输入的信号将以较慢的速率上升。因此，用户能够利用自载的软启动电路***来实现预定软启动时间，或可选择性地连接外部电容器以配置所期望的更长软启动时间，并且不需要附加误差放大器输入被提供以实施组合的内部软启动电路功能和外部软启动电路功能。结果，控制电路尺寸被减小，并且相比于利用四个误差放大器输入的设计而言，有利地缓和误差放大器输入组件匹配问题。
附图说明
下列说明书和附图详细陈述本公开的某些例示性实施方式，其示出在其中本公开的各种原理可被实施的若干示例性方式。然而，图解的示例不穷举本公开的许多可能实施例。当结合附图考虑时，将在以下具体实施方式中陈述本公开的其它目标、优势以及新颖特征，其中：
图1是根据本公开的一个或更多个方面图解具有带有软启动电路***的PWM控制电路的示例性DC-DC转换器的示意图；
图2是图解图1中的控制电路的软启动电路***和脉冲生成电路***的进一步的细节的示意图；
图3和图4是图解图1和图2的控制电路中的示例性回路补偿电路的示意图；
图5是图解图1和图2的控制电路中的示例性软启动电路输出信号和反馈信号的图；
图6是图解图1和图2的控制电路中作为外部连接的电容的函数的软启动时间的图；和
图7是图解另一个软启动电路架构的示意图，其使用用于外部连接的软启动电容的专用的电流源和误差放大器输入。
具体实施方式
结合附图在下文中描述一个或更多个示例或实施方式，其中，相同附图标记自始至终用于指代相同元件，并且其中，各特征不必按比例绘制。本公开提供功率转换器控制电路，用于DC-DC转换器的PWM控制。结合降压转换器类型的***，在下文中图解且描述各种示例性示例，虽然可以关联任何类型的DC-DC转换器架构来使用本公开的各种概念。此外，虽然所图解的示例利用高侧开关装置和低侧开关装置的互补PWM控制，但是所描述的概念能够在仅使用单个开关装置的开关转换器中实施，并且/或者在应用多于两个脉冲宽度调制的开关的转换器中实施。
首先参考图1和图2，图解示例性脉冲宽度调制控制电路100，其可以实施为具有各种端子或引脚102、104、106、108、110、112、114的集成电路，如图所示，用于与DC-DC转换器***的其它组件互连。此外，在图1的示例中，集成电路100包括自载的功率转换装置S1和S2，以及对应的高侧驱动器124和低侧驱动器126，虽然在其它可能示例中，这些组件中的一些或所有可以在集成电路100的外部。类似地，所图解的控制电路100提供端子106、108和112，以连接到外部降压转换器输出电感器L1、输出电容器C4、自举电容器C3以及反馈电路R2、R3和C5，但是其它实施例是可能的，其中，这些组件中的一个或更多个被提供在集成电路100中。
图1中示出的***实施由集成电路100操作的峰值电流模式降压转换器，其中，控制电路100提供组合的内部软启动控制和外部软启动控制的优点以及输出电压VOUT的闭合回路反馈控制，输出电压VOUT被提供至与输出电容器C4并联的负载107。此外，在此实施方式中，根据内部参考电压VREF调节输出电压VOUT，但其它实施方式是可能的，其中，控制电路100提供外部引脚或端子(未示出)，用于根据外部供应的设定点信号调节输出。通过DC电压VIN至电力输入端子102的连接，输入电力提供至电路100，且电路100还包括电源地线连接端子104，以连接至电路地线。此外，电路100包括用于接收启用信号EN的启用输入端子110，允许电路100以及因此DC-DC转换器的操作被选择性地启用或禁用。施米特触发器116接收启用信号EN，并提供逻辑输出(在一个示例中是高态有效)以激活电压参考电流偏置电路118，其进而提供参考电压VREF，用于调节DC-DC转换器输出(如，在一个示例中约0.8V)。来自引脚102的输入电压VIN还连接至低压降(LDO)调节器电路120，其提供输出(如，在一个示例中6V)，以为开关驱动器124和126供电，其中，高侧驱动器124经由二极管D3连接至调节器电路120的输出用于自举操作。
高侧输出开关S1和低侧输出开关S2彼此串联在输入电压端子102和电源地线端子104之间。输出开关S1和S2是具有如图1中所示那样连接的对应二极管D1和D2的NMOS晶体管，虽然其它实施例是可能的，其中使用不同类型的开关，并且/或者开关可以在集成电路100的外部。脉冲宽度调制的栅极控制信号分别由对应的高侧驱动器124和低侧驱动器126提供至开关S1和S2，其中，驱动器124和126分别从控制器122的对应输出HSDR和LSDR接收高侧驱动器信号和低侧驱动器信号。电感器输出端子106(LX)便于控制电路100和负载107之间的外部电感器L1的连接，其中输出端子106连接到高侧输出开关S1和低侧输出开关S2的共同连接，如图所示。
提供自举端子112(BST)，用于输出端子106(LX)和由高侧驱动器124使用的上部电源导轨之间的自举电容器C3的连接。在此例子中，高侧开关S1为NMOS装置，且因此，栅极电压需要高于LX端子106处的输出电压，以导通S1。在工作时，当导通低侧开关S2时，C3的下部端子接地，并且C3的上部端子通过二极管D3连接至LDO调节器输出电压(如，6伏)，导致电容器C3充电达到调节的电压输出(减去D3的二极管压降)。当随后导通高侧开关S1并且关闭S2时，LX端子106处(C3的下部端子处)的电压连接至输入电压VIN，而BST端子112处的电压将为超过输入电压VIN约6V。高侧驱动器124被连接至此更高的电压，并且因此，驱动器124能够提供栅极信号至S1，其具有充足的电压导通高侧开关S1。
振荡器128提供时钟信号用于操作控制器122，并且还可以驱动斜坡发生器电路(未示出)以提供周期斜坡信号至坡补偿电路134。降压转换器***的PWM操作通过振荡器128输出的时钟信号同步，且高侧驱动器信号HSDR在每个振荡器时钟输出的每个周期导通一次。在一个示例中，PWM频率是约400kHz至约2.0MHz，并且能够被调节。此外，如图1中所示，可以提供电流传感器130和132以感测高侧电流和低侧电流，其中，高侧电流反馈信号被电流采样电路131采样以经由坡补偿电路134选择性偏移斜坡信号。在此例子中，坡补偿电路134被用于使峰值电流模式降压转换器操作方便，同时保持电流回路稳定，虽然本公开未严格要求。坡补偿电路134提供周期斜坡信号135至比较器136，比较器136提供脉冲宽度调制的输出信号136a至控制器122，并且控制器122可使用由传感器132提供的低侧电流信号。
如在图1中进一步示出的，控制电路100包括脉冲生成电路，其包括误差放大器140、回路补偿电路138和比较器136，并且还包括内部软启动电路142以及外部软启动端子114。误差放大器140提供误差放大器输出信号141作为输入至比较器136，以与由偏移电路134提供的周期斜坡信号135比较。经由内部软启动电路142和外部软启动端子114将单个(第一)输入143共享至误差放大器140，电路100有利地便于内部软启动功能和外部软启动功能二者的组合。如关于图2进一步在下面描述的，在某些实施方式中，误差放大器140的差动输入仅包括三个输入，由此相比于如图7中示出的四输入的实施方式，集成电路管芯尺寸能够被保留，并且能够改善输入组件匹配性能。
误差放大器140包括接收软启动输入信号SS的第一输入143(+)以及接收参考电压信号VREF的第二误差放大器输入144(+)和接收反馈信号FB的第三误差放大器输入146(-)，反馈信号FB表示DC-DC转换器的输出情况(如，在此示例中为输出电压VOUT)。误差放大器140具有提供误差放大器输出信号141的输出，信号141表示反馈信号FB和软启动输入信号SS与参考电压信号VREF中较小一个之间的差值。在工作时，误差放大器140放大在第三(反相)输入146处提供的反馈信号FB和提供至(非反相)输入143和144的软启动信号和参考信号中较小者之间的差值，以生成误差放大器输出信号141。进而，输出信号141可选地连接到回路补偿电路138(如，下面的图3和图4)并作为输入提供至比较器136，以与斜坡信号135比较。比较器电路136具有接收误差放大器输出信号141的第一输入(+)、从坡补偿电路134接收斜坡信号135的第二输入(-)以及根据误差放大器输出信号141和周期斜坡信号135提供脉冲宽度调制的输出信号136a的输出。在工作时，当误差放大器输出信号141大于周期斜坡信号135时，PWM输出信号136a为高，否则为低，且比较器可提供某个水平的滞后。结果，脉冲流将被提供在输出信号136a中，其中，脉冲宽度(信号136a为高的时间百分比)将大体上与误差放大器输出信号141的电平成比例。
此外，在DC-DC转换器***的稳态操作中，误差放大器输出信号141的电平将表示误差，其指示输入146处的反馈信号和输入144处的参考信号之间的差值。在所图解的实施方式中，电阻除法器电路由外部电阻器R2和R3以及稳定或滤波电容器C5提供，以经由端子108通过R2和C5至负载107处的输出电压的连接(如图1中的虚线所指示的)提供反馈信号FB至第三误差放大器输入146。控制器122接收来自比较器136的PWM控制信号136a以及来自振荡器128的脉冲流信号，并且生成互补的高侧驱动器信号MSDR和低侧驱动器信号LSDR，这两个信号作为输入被分别提供至高侧驱动器124和低侧驱动器126。此闭合回路配置允许调整输出信号136a中的脉冲宽度来驱动负载107处的输出电压VOUT，从而与由参考电压VREF表示的参考电平相对应。
然而，在启动期间，图1中的输出电容器C4在放电状态下开始，并且因此，严格根据反馈信号FB的闭合回路操作可导致电容器C4处的过度的涌入电流电平。因此，电路100包括内部软启动电路142，其提供输出至第一误差放大器输入143。此外，外部软启动端子114直接连接到第一误差放大器输入143，允许用户将外部电容器Cext连接在第一误差放大器输入143和电路地线之间，以在控制电路100的启动期间至少部分控制第一误差放大器输入143处的电压的上升时间。实际上，内部软启动电路142提供信号SS至第一误差放大器输入143，其具有在电路100的启动期间大体上升的电压，其中，如果没有外部电容器连接至端子114或如果连接相对小的外部电容器，则信号电压的变化率将是第一(大体固定的)速率。然而，大的电容Cext在软启动端子114和电路地线之间的连接将导致提供至第一误差放大器输入143的软启动信号的斜坡速率长于内部生成的软启动信号的速率。
还参考图2，示例性内部软启动电路142和误差放大器电路140的进一步的细节被图解说明，其中，内部软启动电路142包括电容器放大器电路142a和输出电路142b。尽管所图解的软启动电路142提供电容器放大器142a，但是其他实施例是可能的，其中，内部软启动电路142提供另一种类型的内部斜坡电路，其在控制电路100的启动期间生成具有固定变化率的上升的内部软启动电压信号。在所图解的实施例中，电容器放大器电路142a包括第一电容器C1，其具有连接至电流源I1的上部第一端子和连接至由NMOS晶体管M1和M2形成的第一电流镜的下部第二端子。电容器放大器电路142a在控制电路100的启动期间在第一电容器C1的第一端子处提供上升电压，其中，电流源I1提供充电电流以在电路100加电时从初始零电压充电第一电容器C1。输出电路142b在控制电路100的启动期间至少部分基于第一电容器C1两端的电压提供上升内部软启动电路输出信号至第一误差放大器输入143，并且直接连接至第一误差放大器输入143的外部软启动端子114允许外部电容器Cext在第一误差放大器输入143和电路地线之间的连接，以在控制电路100的启动期间至少部分控制第一误差放大器输入143处的电压的上升时间。
内部软启动输出电路142b包括由NMOS晶体管M3和M4形成的第二电流镜，其中M3连接在第一电流镜的M2和C1的上部端子之间的，并且M4连接在第一电容器C1和第一误差放大器输入143之间，其中M3和M4的栅极连接至C1的上部端子，如图所示。在此配置中，流过M2和M3的电流与第一电流源I1的电平成比例，其中在此示例中的M1和M2之间的比(1∶49)提供用于充电电容器C1的电流为约I1的1/50，其中来自I1的电流的剩余部分流过M2和M3。电容器C1的上部端子处的电压等于C1两端电压加上M2的栅源极电压。进而，M2的VGS根据流过M2和M3的电流设定，并且该电流的电平由流过M4和M5的电流借助M3和M4的电流镜配置确定。在图2中的内部软启动电路142的输出电路142b还包括由M5和另一个NMOS晶体管M6(比：1∶1)形成的第三电流镜电路，从而流过M5的电流提供尾电流用于晶体管M4。此外，PMOS晶体管M7连接在第二电流源I2(其中，在此示例中，I1＝I2＝0.5μA)和M6的栅极和漏极之间，其中，M7的栅极连接至C1的上部端子。因此，在控制电路100的启动期间，根据上部端子C1处的电压操作M7，以控制从第二电流源I2流向第三电流镜电路M5、M6的电流来维持第二电流镜电路M3、M4的第二晶体管M4的传导状态。因此，如图2中所示，M4被配置为源极跟随器，其具有连接至第三电流镜电路的第二晶体管M5和连接至第一误差放大器输入143的源极端子。此外，在所图解的实施方式中，输出滤波电容器C2(如，1pF)被提供在第一误差放大器输入143和电路地线之间。
在工作时，在没有外部电容器或仅一个小的电容器Cext连接至外部软启动端子114的情况下，在控制电路100的启动期间，M4作为源极跟随器操作以提供上升的内部软启动电路输出信号至第一误差放大器输入143，该输出信号具有大体上等于第一电容器C1两端电压的电压。就这点而言，C1的上部端子处的电压等于C1两端电压加上M2的栅源极电压，并且源极跟随器晶体管M4的栅源极电压与M2的大致相等。结果，在源极跟随器操作中，M4的源极处的电压信号SS(作为第一误差放大器输入143提供的)大致等于C1两端的电压。在所图解的实施方式中，1ms内部软启动时间通过电容器放大器电路142a结合源极跟随器晶体管M4和第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路的操作提供。内部软启动时间因此由以下公式(1.1)给出，用于其中未安装外部电容器Cext或Cext相对小的情况，其中，M4作为源极跟随器工作：
tss_int＝(VREF×C1)/(I1/(49+1)) (1.1)
此外，输出电路142b的电流镜在启动期间通过PMOS晶体管M7的操作供电，M7的栅极电压由C1的上部端子处的电压控制。结果，M7在电路100通电时导通，并且将来自电流源I2的电流提供至电流镜电路M5、M6。随后，当C1两端的电压上升时，M7最终关断，从而停止来自I2的电流流动，由此，仅在电路100的通电期间，输出电路142b的配置消耗来自正电压供应端子V+的电力。
如在图2中进一步所见，所图解的输出电路142b还包括第三电流源I3，其提供电流(在一个示例中为5.5μA)至M4的漏极，以限制外部电容器Cext(如果连接至端子114)的充电电流，其中，M4提供软启动电路输出信号SS至第一误差放大器输入143，该信号具有大体上等于第一电容器C1两端的电压和外部电容器Cext两端的电压中较小者的电压。因此，M4作为源极跟随器工作以在Cext小或未连接的情况下根据C1的充电提供上升的内部软启动电路输出信号SS。相比之下，如果连接的外部电容器Cext相对大，则M4的栅极电压倾斜上升得比M4的源极处的电压快，且M4作为开关工作，以选择性将电流从第三电流源I3导通至外部软启动端子114来给Cext充电。此外，注意，在此示例中，第三电流源I3不直接连接到外部软启动端子114，其不是以下图7的实施方式中的情况。提供至图2的电路中的Cext的充电电流通过此配置被限制为5uA，包括减去由M5经由M5和M6的镜连接汇集的0.5μA电流和当M7在启动期间导通时电流源I2的0.5μA值。结果，在此例子中，软启动时间主要由外部电容器Cext根据以下公式(1.2)确定：
tss_ext＝(VREF×Cext)/(I3-I2). (1.2)
继续参考图2，在此实施例中，误差放大器40包括第四电流源I4，其提供电流以在三个PMOS误差放大器晶体管M9、M10和M11之间共享，M9、M10和M11形成差动级。第一晶体管M9具有连接至I4的源极以及直接连接到所述内部软启动输出电路142b的M4的源极和还直接连接到端子114的栅极端子，以提供第一误差放大器输入143(+)并且接收软启动输入信号SS。第二误差放大器晶体管M10的源极还连接到I4，并且M10的栅极被连接以提供第二误差放大器输入144(+)并且接收参考电压信号VREF，其中，M9和M10的漏极连接至PMOS晶体管M12，PMOS晶体管M12和另一个PMOS晶体管M15构成了电流镜，如图2中所示的。以此方式，M9和M10在误差放大器140的输入处提供差动对的非反相(+)侧。
误差放大器差动输入的反相(-)侧由第三误差放大器晶体管M11(PMOS)提供，该第三误差放大器晶体管M11具有连接至I4的源极、经连接以提供所述第三误差放大器输入146并且接收所述反馈信号FB的栅极和连接至PMOS晶体管M13的漏极，该PMOS晶体管M13和另一个PMOS晶体管M14构成电流镜，如图所示。流过M13、M14的镜像电流被提供至具有连接至电源电压V+的源极的另一(PMOS)电流镜M16、M17，以在连接M17和M15的漏极的节点处提供单端误差放大器输出信号141，如图所示。这个单端误差放大器输出信号141随后被提供至比较器136的正(+)输入，以与斜坡信号135比较，从而生成脉冲宽度调制的比较器输出信号136a。
还参考图3和图4，误差放大器输出信号141被连接至回路补偿电路138并且被连接至比较器136的正输入。如图3中所示，一个可能的回路补偿电路138包括电阻器R4，其与电容器C7串联连接在误差放大器输出141和电路地线之间，其中，电容器C6与R4和C7的串联组合并联。图4示出另一个非限制实施例，其中，回路补偿电路138包括电阻器R4和电容器C7，其二者彼此串联连接在误差放大器140的输出141和反馈输入146之间，其中电容器C6与R4和C7的串联组合并联。
现在参考图5和图6，图5示出图解在上述控制电路100中的提供至第一误差放大器输入143的示例性软启动电路输出信号(SS)以及提供至第三误差放大器输入146的示例反馈信号(FB)的图150。一般来说，软启动输出信号SS是线性增加的斜坡信号，如图所示，并且误差放大器140的操作使误差放大器输出141追踪输入146处的反馈信号FB和第二误差放大器输入144处的参考电压VREF以及第一输入143处的软启动电路输出信号SS中较小者之间的差值。因此，如图5中所示，电路100根据输入143处的软启动信号SS工作达启动或软启动时间152(在此图解的示例中约为1.3ms，其中相对小的外部电容器Cext连接至端子114)。一旦输入143处的软启动信号达到参考电压值VREF，脉冲生成电路***的闭合回路操作就驱动输出电压以试图追踪参考值。再次注意，在此例子中，使用恒定的参考电压VREF(来自在图1中的电压参考电流偏置电路118)，但是外部生成的设定点值可能作为输入提供至误差放大器140，其中，在软启动信号SS达到设定点电平之后，输出电压追踪供应的设定点值。
图6提供图解毫秒级的软启动时间的图160，软启动时间是控制电路100中的任何外部连接的电容器Cext的函数。如在图160中所示的，在所图解的示例中，针对没有外部连接的电容器或针对连接在端子114和电路地线之间的非常小的电容器，软启动时间152约为1ms，并且针对高至约6nF的外部电容器Cext，软启动时间152稍微渐进地上升至约1.2ms。因此，如所看到的，内部软启动电路142主要控制外部电容值的第一范围162中的软启动时间152，其中，上述图2中的晶体管M4主要作为源极跟随器工作。在另外的电容范围164中的更大的Cext值使软启动时间152通常线性增加，其中，晶体管M4(上述图2)作为开关工作以将电流从第三电流源13传导至端子114，用于更慢地为外部电容器Cext充电。
还参考图7，相比于使用单独的误差放大器输入用于内部软启动电路和外部软启动电路，上述在图1和图2中的控制电路100和软启动电路***提供明显优点。特别地，图7示出另一个PWM控制电路200，其具有内部软启动电路242和误差放大器240。在此例子中，电流源1201、电容器C201和电流镜M201、M202构成电容器放大器，其中M201和M202形成第一电流镜、PMOS晶体管M203和M204形成第二电流镜以及NMOS晶体管M205和M206形成第三电流镜，第三电流镜根据控制PMOS晶体管M207和第二电流源1202工作，以提供内部软启动输出信号SSINT至误差放大器240的输入243a。在此例子中，晶体管M204提供源极跟随器配置，其具有连接至电源轨V+的漏极和提供内部软电路输出信号至PMOS晶体管M208的栅极处的误差放大器输入243a的源极，PMOS晶体管M208具有连接至共享电流源1204的源极。
不同于图1和图2的实施例，在图7中，单独的电流源1203连接至外部电容器端子或引脚214，以提供用于充电外部电容器Cext(如果连接的话)的充电电流。此外，外部电容器端子214被连接以提供单独的输入信号SSEXT至PMOS晶体管M209的栅极处的误差放大器240的另一个软启动输入243b。如图2的实施方式，另外的非反相PMOS晶体管M210接收参考电压作为至误差放大器的另一个输入244，并且输入信号243a、243b、244中较小的一个与提供至另一个PMOS晶体管M211的栅极处的第四输入246的反馈信号相比。在此例子中，四个输入晶体管M208至M211根据其各自的输入竞争来自源极1204的电流，其中，根据输入246处的反馈信号和其它输出信号243a、243b和244中较小者之间的差值确定所得的误差放大器输出(在此例子中还是单端的)。然而，在此例子中，误差放大器240需要包括四个输入PMOS晶体管M208至M211，并且这些晶体管通常具有明显大的装置尺寸，以便控制偏移，从而与图7的电路200相比，以上图1和图2的电路100提供明显的管芯尺寸节约。
此外，如上面所提到的，通过使用图7中的误差放大器240的差动输入级中的四个晶体管M208至M211，匹配问题被加重，并且这些匹配问题通过使用以上图2中的仅仅三个误差放大器输入143、144、146而减缓或减少。因此，本公开的各种概念提供内部软启动电路***和外部软启动电路***，其使用共享的误差放大器输入143，在简单的方案中，通过共享的误差放大器输入143能够解决装置尺寸和匹配问题。
而且，在图7中，M204的漏极连接至V+，并且因此，通过M204的电流不被限制。另一方面，在图1和图2的新颖的电路100中，当大的外部电容Cext连接至端子114时M4如开关一样工作，因为C1两端的电压(并且因此M4的栅极)快速倾斜增加。M4的源极至外部电容器Cext的连接对最大电流提供限制以将外部电容器Cext充电为约5.0μA，并且因此，软电路节点SS的C2两端的电压的最大斜率由I3(连接至M4)和Cext限制。例如，如果外部电容器Cext非常大，其中用户期望相对长的软启动时间(如，长于1ms的内部软启动电路设定)，则针对提供至图2中的输入143的软启动电路信号的斜率限制特别有利。因此，针对大的外部电容器Cext，软启动的电路斜率由I3和Cext控制。
因此，本公开提供内部软启动电路142，并且也允许用户通过将外部电容器连接至端子114来设定定制的软启动时间，以在DC-DC转换器***的启动期间控制或限制输出电容器C4所见的涌入电流。在软启动操作完成之后，当软启动输出信号超过参考电压电平VREF时，软启动电路***142进入低功率模式，并且降压转换器输出实质上根据输入146处的反馈信号以闭合回路模式被控制。
上述示例仅例示本公开的各个概念的若干可能实施例，其中本领域技术人员在阅读和理解本说明和附图时将想到等价替换和/或修改。此外，虽然可能已经相对于多个实施方式的仅一个而公开本公开的具体特征，但是当可能需要且有利于任何给定或具体应用时，这种特征可结合其它实施例的一个或更多个其它特征。而且，就用在具体实施方式中和/或权利要求书中的术语“包括”(including、includes)、“具有”(having、has、with)或其变体来说，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式包含。

Claims (20)

1.一种用于提供DC-DC转换器的脉冲宽度调制控制即PWM控制的控制电路(100)，所述控制电路(100)包括：
脉冲生成电路，其包括：
误差放大器(140)，其包括接收软启动输入信号(SS)的第一误差放大器输入(143)、接收参考电压信号(VREF)的第二误差放大器输入(144)、接收表示所述DC-DC转换器的输出情况的反馈信号(FB)的第三误差放大器输入(146)以及提供误差放大器输出信号(141)的输出(141)，所述误差放大器输出信号(141)表示所述软启动输入信号(SS)与所述参考电压信号(VREF)中较小者和所述反馈信号(FB)之间的差值，以及
比较器电路(136)，其包括接收所述误差放大器输出信号(141)的第一输入(+)、接收周期斜坡信号(135)的第二输入(﹣)以及根据所述误差放大器输出信号(141)和所述周期斜坡信号(135)提供脉冲宽度调制输出信号(136a)的输出；
内部软启动电路(142)，其包括：
电容器放大器电路(142a)，其包括具有连接到第一电流源(I1)的第一端子和连接到第一电流镜电路(Ml，M2)的第二端子的第一电容器(C1)以在所述控制电路(100)启动期间在所述第一电容器(C1)的所述第一端子处提供上升电压，
输出电路(142b)，其在所述控制电路(100)启动期间至少部分基于所述第一电容器(C1)两端的电压，提供上升的内部软启动电路输出信号至所述第一误差放大器输入(143)；以及
外部软启动端子(114)，其直接连接到所述第一误差放大器输入(143)以允许外部电容器(Cext)连接在所述第一误差放大器输入(143)和电路地线之间，以在所述控制电路(100)启动期间至少部分控制在所述第一误差放大器输入(143)处的电压的上升时间。
2.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括配置为源极跟随器的源极跟随器晶体管(M4)，其具有连接到所述第一电容器(C1)的所述第一端子的控制端子(G)和直接连接到所述第一误差放大器输入(143)的源极端子(S)。
3.根据权利要求2所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括另一个电流镜电路(M5，M6)，该另一个电流镜电路(M5，M6)包括汇集来自所述源极跟随器晶体管(M4)的所述源极端子(S)的电流的第一晶体管(M5)，以在所述控制电路(100)启动期间根据所述第一电容器(C1)两端的所述电压至少部分控制所述源极跟随器晶体管(M4)的栅源极电压。
4.根据权利要求3所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括第二电流源(I2)，其控制所述第一晶体管(M5)中电流的电平大体上等于所述第一电流源(I1)的电流。
5.根据权利要求4所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括第三电流源(I3)，其提供电流至所述源极跟随器晶体管(M4)的漏极端子(D)，以限制连接到所述外部软启动端子(114)的所述外部电容器(Cext)的充电电流。
6.根据权利要求5所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
第四电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述内部软启动电路(142)的所述输出电路以提供所述第一误差放大器输入(143)并且接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子以及被连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
7.根据权利要求3所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括第三电流源(I3)，其提供电流至所述源极跟随器晶体管(M4)的漏极端子(D)，以限制连接到所述外部软启动端子(114)的所述外部电容器(Cext)的充电电流。
8.根据权利要求3所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
第四电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述内部软启动电路(142)的所述输出电路以提供所述第一误差放大器输入(143)并且接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子以及经连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
9.根据权利要求2所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括第三电流源(I3)，其提供电流至所述源极跟随器晶体管(M4)的漏极端子(D)，以限制连接到所述外部软启动端子(114)的所述外部电容器(Cext)的充电电流。
10.根据权利要求9所述的控制电路(100)，其中所述第三电流源(I3)不直接连接到所述外部软启动端子(114)。
11.根据权利要求2所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
第四电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述内部软启动电路(142)的所述输出电路以提供所述第一误差放大器输入(143)并且接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子以及经连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
12.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
第四电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述内部软启动电路(142)的所述输出电路以提供所述第一误差放大器输入(143)并且接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子以及被连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
13.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括：
第二电流镜电路(M3，M4)，其包括连接在所述第一电流镜电路(M1，M2)与所述第一电容器(C1)的所述第一端子之间的第一晶体管(M3)和连接在所述第一电容器(C1)的所述第一端子与所述第一误差放大器输入(143)之间的第二晶体管(M4)，所述第二电流镜电路的所述第一和第二晶体管(M3，M4)具有连接到所述第一电容器(C1)的所述第一端子的控制端子；
第三电流镜电路(M5，M6)，其包括第一晶体管(M6)和连接至所述第二电流镜电路(M3，M4)的所述第二晶体管(M4)的第二晶体管(M5)；以及
第二电流源(I2)；
连接在所述第二电流源(I2)与所述第三电流镜电路的所述第一晶体管(M6)之间的晶体管(M7)，所述晶体管(M7)具有连接到所述第一电容器(C1)的所述第一端子的控制端子并且可操作以控制从所述第二电流源(I2)至所述第三电流镜电路(M5，M6)的电流流动，从而在所述控制电路(100)启动期间维持所述第二电流镜电路(M3，M4)的所述第二晶体管(M4)的导电状态。
14.根据权利要求13所述的控制电路(100)，其中所述第二电流镜电路的所述第二晶体管(M4)被配置为源极跟随器，其具有连接到所述第三电流镜电路的所述第二晶体管(M5)和所述第一误差放大器输入(143)的源极端子，其中在所述控制电路(100)启动期间，当没有外部电容器(Cext)连接至所述外部软启动端子(114)时，所述第二电流镜电路的所述第二晶体管(M4)作为源极跟随器工作，以提供所述上升的内部软启动电路输出信号至所述第一误差放大器输入(143)，所述第一误差放大器输入(143)具有大致等于所述第一电容器(C1)两端的所述电压的电压。
15.根据权利要求14所述的控制电路(100)，其中所述内部软启动电路(142)的所述输出电路(142b)包括第三电流源(I3)，其提供电流至所述第二电流镜电路的所述第二晶体管(M4)的漏极端子(D)，以在如果所述外部电容器(Cext)连接到所述外部软启动端子(114)的情况下限制所述外部电容器(Cext)的充电电流，其中所述第二电流镜电路的所述第二晶体管(M4)提供所述软启动电路输出信号至所述第一误差放大器输入(143)，所述第一误差放大器输入(143)具有大致等于所述第一电容器(C1)两端的所述电压和所述外部电容器(Cext)两端的电压中较小者的电压。
16.根据权利要求15所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
第四电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述内部软启动电路(142)的所述输出电路以提供所述第一误差放大器输入(143)并且接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述第四电流源(I4)的源极端子以及经连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
17.根据权利要求15所述的控制电路(100)，其中所述第三电流源(I3)不直接连接到所述外部软启动端子(114)。
18.一种用于提供DC-DC转换器的脉冲宽度调制控制即PWM控制的控制电路(100)，所述控制电路(100)包括：
脉冲生成电路，其包括：
误差放大器(140)，其包括接收软启动输入信号(SS)的第一误差放大器输入(143)、接收参考电压信号(VREF)的第二误差放大器输入(144)、接收表示所述DC-DC转换器的输出情况的反馈信号(FB)的第三误差放大器输入(146)以及提供误差放大器输出信号(141)的输出(141)，所述误差放大器输出信号(141)表示所述软启动输入信号(SS)以及所述参考电压信号(VREF)中较小者和所述反馈信号(FB)之间的差值，以及
比较器电路(136)，其包括接收所述误差放大器输出信号(141)的第一输入(+)、接收周期斜坡信号(135)的第二输入(﹣)以及根据所述误差放大器输出信号(141)和所述周期斜坡信号(135)提供脉冲宽度调制输出信号(136a)的输出；
软启动电路(142，114)，其包括：
包括第一电容器(C1)的内部斜坡电路(142a)，其提供上升的内部软
启动电压信号，在所述控制电路(100)的启动期间，所述上升的内部软启动电压信号具有固定的变化率，
源极跟随器晶体管(M4)，其具有直接连接到所述上升的内部软启动电压信号的栅极端子和直接连接到所述第一误差放大器输入(143)的源极端子，以及
外部软启动端子(114)，其直接连接到所述源极跟随器晶体管(M4)的所述源极端子和所述第一误差放大器输入(143)，以允许外部电容器(Cext)连接在所述第一误差放大器输入(143)和电路地线之间，
其中如果所述外部电容器(Cext)连接到所述外部软启动端子(114)，则所述软启动电路(142，114)提供信号至所述第一误差放大器输入(143)，所述第一误差放大器输入(143)具有大致等于所述第一电容器(C1)两端的所述电压和所述外部电容器(Cext)两端的电压中较小者的电压。
19.根据权利要求18所述的控制电路(100)，其中，所述软启动电路(142，114)包括电流源(I3)，其提供电流至所述源极跟随器晶体管(M4)的漏极端子(D)，以在所述外部电容器(Cext)连接到所述外部软启动端子(114)的情况下限制所述外部电容器(Cext)的充电电流。
20.根据权利要求18所述的控制电路(100)，其中所述误差放大器(40)包括：
电流源(I4)；以及
差动级，其包括：
第一误差放大器晶体管(M9)，其具有连接到所述电流源(I4)的源极端子、直接连接到所述第一误差放大器输入(143)以接收所述软启动输入信号(SS)的栅极端子，以及漏极端子，
第二误差放大器晶体管(M10)，其具有连接到所述电流源(I4)的源极端子、经连接以提供所述第二误差放大器输入(144)并且接收所述参考电压信号(VREF)的栅极端子以及连接到所述第一误差放大器晶体管(M9)的所述漏极端子的漏极端子，以及
第三误差放大器晶体管(M11)，其具有连接到所述电流源(I4)的源极端子以及经连接以提供所述第三误差放大器输入(146)并且接收所述反馈信号(FB)的栅极端子。
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