CN106505847A - 适用于升压型dc‑dc的分段软启动电路 - Google Patents

适用于升压型dc‑dc的分段软启动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于升压型DC‑DC的分段软启动电路，主要解决升压型DC‑DC电路在启动过程中，同步开关管突然导通和误差放大器的不平衡引起电感的浪涌电流甚至输出电压过冲的问题。该电路包括软启动模块，误差放大器，脉宽调制比较器，逻辑驱动模块，其特征在于还增设有预充电单元，输出监测单元和逻辑控制单元。在芯片刚上电时，预充电单元控制同步开关管的栅压缓慢降低，导通电阻逐渐减小，输出监测单元输出软启动使能信号给逻辑控制单元以控制软启动模块的开断，使DC‑DC电路在启动过程中，输出电压平稳上升。本发明避免了因功率管导通电阻的突变而引起浪涌电流现象，保护了器件性能，可用于升压型DC‑DC电路。

Description

适用于升压型DC-DC的分段软启动电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种分段软启动电路，可用于同步升压型DC-DC开关电源转换器中。
背景技术
开关电源转换器一般利用误差放大器，将输出电压的采样信号和基准电压进行比较，来反馈调节输出电压值。在启动阶段，由于输出电容上没有电荷且电压不能突变，输出电压从零开始上升，远低于设定值，使误差放大器处于完全不平衡状态，此时电感电流会直接上升达到由箝位电压控制的峰值电流，而由于相应的负载电流较低，则会引起浪涌电流甚至输出电压的过冲，损坏电子***。因此，软启动电路应运而生。
传统的软启动电流模升压型DC-DC电路的设计思想是在启动阶段，产生一线性上升的电压代替基准电压输入到误差放大器，并与反馈电压进行比较，控制误差放大器的输出信号。当线性上升的电压高过基准电压后，误差放大器切换为基准电压和反馈电压进行比较，调节输出电压。软启动电路消除了浪涌电流，避免了输出电压的过冲。如图1所示，该电路包括电感L11，主开关管MN11，同步开关管MP11，输出电容COUT1，输出电容的等效电阻ESR1，反馈电阻R11和R12，输出负载RLOAD1，软启动模块SOFT，误差放大器EA，生成叠加电平的采样电流ISEN，斜坡电流ISLOPE，基准电流IDC和电阻R13，PWM比较器和驱动电路DRVER。输出电压VOUT经过反馈电阻R11、R12分压后形成反馈电压FB输入到误差放大器的反向输入端，误差放大器的正向输入端为基准电压。芯片刚上电时，由SOFT电路产生一线性上升的电压代替基准电压，并与反馈电压FB进行比较，输出信号接到PWM比较器的反向输入端。PWM比较器的正向输入端为叠加电平，由采样电流ISEN，斜坡补偿电流ISLOPE和基准电流IDC叠加后流入电阻R13产生。PWM比较器的输出端连接到驱动电路DRVER，由驱动电路DRVER输出驱动信号NG和PG，每个周期内控制功率管的交替导通为输出电容充电，使输出VOUT达到设定值。
电源电压通过电感L11和同步开关管MP11为输出电容Cout1充电。当由驱动电路DRVER产生的驱动信号PG突然变为逻辑0时，同步开关管MP11突然导通，MP11的导通电阻瞬间减小，导致电感电流急剧增大，出现浪涌电流。浪涌电流不仅会损坏电路中的功率管和其它器件，还会导致输出电压的过冲，损坏负载器件。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于升压型DC-DC的分段软启动电路，以实现控制同步开关管的栅极电压缓慢降低，使其导通电阻逐渐减小，流经电感的电流逐渐增大，避免由于同步开关管瞬间导通引起的电感电流的浪涌，保护器件性能。
为实现上述目的，本发明适用于升压型DC-DC的分段软启动电路，包括：软启动模块1，误差放大器2，脉宽调制比较器3和逻辑驱动模块4；误差放大器2设有两路输入，一路与软启动模块1连接，另一路与反馈电压FB连接，误差放大器2的输出端通过脉宽调制比较器3与逻辑驱动模块4相连，其特征在于，
逻辑驱动模块4的输入端与输出端之间增设有预充电单元5，用于控制DC-DC电路的同步开关管栅压PG逐渐降低，同时输出预充电关断信号pre_shut控制逻辑驱动模块4的正常工作；
软启动模块1的输出端增设有输出监测单元6和逻辑控制单元7，该输出监测单元6，输出软启动使能信号EN_SOFT给逻辑控制单元7，通过逻辑控制单元7控制软启动模块1的开与断。
进一步，所述输出监测单元6由一个运算放大器组成，该运算放大器正向输入端连接反馈电压FB，反向输入端连接参考电平VREF，该运算放大器的输出端与逻辑控制单元7连接，其输出的软启动使能信号EN_SOFT通过逻辑控制单元7控制软启动模块1的开与断。
进一步，所述预充电单元5，包括电流源I3，两个NMOS管MN31，MN32，滤波电阻R31，滤波电容C31，施密特触发器S3和锁存器T3，其中：
电流源I3的输入端连接至电源电压VCC，输出端连接至第一NMOS管MN31的漏极，作为镜像电流源；
第一NMOS管MN31的栅极与漏极相连接，同时连接到第二NMOS管MN32的栅极，用于构成电流镜，源极与第二NMOS管MN32的源极相连接并连接到地；
第二NMOS管MN32的漏极连接到DC-DC电路中同步开关管的栅极电压PG；
滤波电阻R31的一端接至同步开关管的栅极电压PG，另一端和滤波电容C31的一端连接，构成RC滤波器，滤波电容C31的另一端连接到第二NMOS管MN32的源极，用于对同步开关管的栅极电压PG进行滤波；
施密特触发器S3的输入端连接至滤波电容C31与滤波电阻R31的共同端，该端口输出信号即为同步开关管的栅极电压PG经过RC滤波之后的信号，施密特触发器S3的输出端连接至锁存器T3的输入端，锁存器T3的输出端输出预充电关断信号Pre_shut。
进一步，所述逻辑控制单元7，包括一个反相器INV4和一个NMOS开关管MN4，该反相器INV4的输入端接至输出监测单元6的输出端，输出端接至NMOS开关管MN4的栅极；开关管MN4的漏极连接软启动模块1中的输出信号，源极接地。
本发明由于在逻辑驱动模块的输入端与输出端之间增设了预充电单元，在芯片刚上电时，控制DC-DC电路中的同步开关管的栅极电压缓慢降低，使其导通电阻逐渐减小，避免了因功率管导通电阻的突变而引起的浪涌电流现象；同时由于在软启动模块的输出端增设了输出监测单元和逻辑控制单元，输出监测单元输出软启动使能信号给逻辑控制单元，通过逻辑控制单元控制软启动模块的开断，使DC-DC电路在启动过程中，输出电压平稳上升，避免了对电子***的损坏。
附图说明
图1为使用传统软启动的电流模升压型DC-DC简化电路结构图；
图2为本发明的分段软启动电路结构图；
图3为本发明中的预充电单元电路图；
图4为本发明中的逻辑控制单元电路图；
图5为使用本发明分段软启动的电流模升压型DC-DC简化结构图。
具体实施方式
以下参照说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
参照图2，本发明提供的软启动电路，包括：软启动模块1，误差放大器2，脉宽调制比较器3，逻辑驱动模块4，预充电单元5，输出监测单元6和逻辑控制单元7，其中：
软启动模块1，用于产生线性上升的电压，输出给误差放大器2；
误差放大器2，设有两路输入，一路与软启动模块1连接，另一路与反馈电压FB连接，将软启动模块1中产生的线性上升的电压与反馈电压FB进行比较，调节其输出电压；
脉宽调制比较器3，其输入连接至误差放大器2，输出连接至逻辑驱动模块4，将误差放大器2输出电压与其内部的斜坡补偿电压相比较，调节其输出，通过逻辑驱动模块4控制DC-DC电路中的主开关管和同步开关管的开与断；
逻辑驱动模块4，其设有两路输入和两路输出，输入端分别连接至脉宽调制比较器3的输出端和预充电单元5的输出端；
预充电单元5，其输入端连接至DC-DC电路中的同步开关管的栅极，使同步开关管的栅压PG通过预充电单元5缓慢放电，其输出预充电关断信号给逻辑驱动模块4，以控制逻辑驱动模块4的正常工作；
输出监测单元6，其设有两路输入，分别连接至基准电压VREF和反馈电压FB，将基准电压VREF和反馈电压FB相比较，输出软启动使能信号EN_SOFT通过逻辑控制单元7控制软启动模块1的开与断；
逻辑控制单元7，其输入端连接至输出监测单元6的输出端，其输出端接至软启动模块的输出端，用于控制软启动模块1的输出软启动信号上升与否。
参照图3，本发明所述的预充电单元5包括电流源I3，两个NMOS管MN31，MN32，滤波电阻R31，滤波电容C31，施密特触发器S3和锁存器T3，其中：
电流源I3的输入端连接至电源电压VCC，输出端连接至第一NMOS管MN31的漏极，作为镜像电流源；
第一NMOS管MN31的栅极与漏极相连接，同时连接到第二NMOS管MN32的栅极，用于构成电流镜，源极与第二NMOS管MN32的源极相连接并连接到地；
第二NMOS管MN32的漏极连接到DC-DC电路中同步开关管的栅极电压PG，使栅压PG通过第二NMOS管MN32放电，为使栅极电压PG缓慢放电，设置第一NMOS管MN31和第二NMOS管MN32的个数即m值之比为n:1；
滤波电阻R31的一端接至同步开关管的栅极电压PG，另一端和滤波电容C31的一端连接，构成RC滤波器，滤波电容C31的另一端连接到第二NMOS管MN32的源极，用于对同步开关管的栅极电压PG进行滤波；
施密特触发器S3的输入端连接至滤波电容C31与滤波电阻R31的共同端，该端口输出信号即为同步开关管的栅极电压PG经过RC滤波之后的信号，施密特触发器S3的输出端连接至锁存器T3的输入端，锁存器T3的输出端输出预充电关断信号Pre_shut。用于控制逻辑驱动模块4的正常工作。施密特触发器S3的阈值较低，约为0.4V，即当DC-DC电路中的同步开关管的栅压PG从电源电压VCC开始缓慢放电，降低到0.4V时，施密特触发器S3翻转为高电平，经过锁存器T3后输出的预充电关断信号Pre_shut信号由低翻转为高并锁存为高，控制逻辑驱动模块4开始正常工作。
参照图4，本发明所述的逻辑控制单元7，包括一个反相器INV4和一个NMOS开关管MN4，该反相器INV4的输入端接至输出监测单元6的输出信号软启动使能信号EN_SOFT，输出端接至NMOS开关管MN4的栅极；开关管MN4的源极接地，漏极连接软启动模块1中的输出信号SS。当输入软启动使能信号EN_SOFT为低电平时，开关管MN4导通，将SS信号拉为地。当输入软启动使能信号EN_SOFT翻转为高电平时，开关管MN4截止，将SS信号放开。
参照图5，本发明在电流模升压型DC-DC电路中的连接关系和工作过程原理如下：
电流模升压型DC-DC电路主要包括：电感L11，主开关管MN11，同步开关管MP11，输出电容COUT1，输出电容等效电阻ESR1，两个分压电阻R11，R12，负载电阻RLOAD1；
电感L11的一端连接至电源VCC，另一端连接至主开关管MN11的漏极和同步开关管MP11的源极；
主开关管MN11的栅极连接至逻辑驱动模块4的输出端，在逻辑驱动模块4的控制下，保持其的开与断，源极接地；
同步开关管MP11的栅极连接至逻辑驱动模块4和预充电单元5的输入端，用于栅压PG的放电，漏极连接至电阻ESR1的一端，漏极电压即为输出电压VOUT；
输出电容的等效电阻ESR1一端连接VOUT，另一端连接输出电容Cout2的一端；输出电容的另一端接地；
反馈电阻R11和R12串联后连接在VOUT和地之间，反馈电阻R12两端的电压值即为反馈电压FB；
电阻RLOAD1连接在VOUT和地之间作为负载电阻；
反馈电压FB分别连接到输出监测单元6中放大器的正向输入端和误差放大器2的反向输入端。
芯片上电启动后，主开关管MN11的栅极电压NG和同步开关管MP11的栅极电压PG的初始状态分别为低电平和高电平，故主开关管MN11和同步开关管MP11均不导通。输出监测单元6将DC-DC电路输出电压的反馈电压FB与参考电平VREF进行比较，上电启动时反馈电压FB与DC-DC电路输出电压VOUT从0开始上升，因此输出监测单元6的输出信号EN_SOFT为低，通过逻辑控制单元7将软启动信号SS拉到低电平。由于预充电关断信号Pre_shut信号初始为低电平，控制逻辑驱动模块4不能正常工作，主开关管MN11的栅极电压NG保持为低电平。同步开关管MP11的栅极电压PG通过预充电单元5放电。
预充电单元5中第一NMOS管MN31和第二NMOS管MN32的尺寸完全相同，由镜像比例可得，流经第二NMOS管MN32的源漏电流为1/nI3，同步开关管MP11的栅极电压PG通过第二NMOS管MN32缓慢放电，PG电压逐渐降低，故同步开关管MP11的导通电阻逐渐减小，电源电压通过电感L11和同步开关管MP11为输出电容COUT1充电。逐渐降低的PG电压经过由电阻R31和电容C31组成的RC滤波之后输出到施密特触发器S3，当PG电压降到施密特触发器S3的翻转阈值即0.4V时，施密特触发器S3翻转并输入到锁存器T3，锁存器T3的输出预充电关断信号Pre_shut由低翻转为高电平，并锁存为高电平，直至芯片重新上电恢复为初始状态低电平。此时DC-DC电路中的输出电压已接近其输入电压，输出监测单元6的输出信号EN_SOFT翻转为高电平，将软启动信号SS放开。
Pre_shut信号翻转为高，控制逻辑驱动模块4开始正常工作。逻辑驱动模块4输出的时钟信号控制主开关管MN11在每个周期内均导通，电源电压VCC通过主开关管MN11对L11进行充电。线性上升的软启动电压信号SS输入到误差放大器EA的正向输入端，代替基准电压VREF与反馈电压FB进行比较，输出误差信号VEA。脉宽调制比较器将误差信号VEA与叠加电平VS进行比较，输出的信号通过逻辑驱动模块4关断主开关管MN11。在主开关管MN11关断后，同步开关管MP11便会导通进行续流，给输出电容COUT1充电，直至下一个时钟周期的到来。
随着软启动信号SS线性上升，电感L11的电流峰值平稳提高，当软启动信号SS电压超过基准电压VREF时，误差放大器EA切换为基准电压与叠加电平VS进行比较，对输出电压VOUT进行精细调节，此时输出电压已接近设定值，因此电感电流实现了平稳过度，避免了浪涌电流的产生，启动过程完成。

Claims (4)

1.一种适用于升压型DC-DC的分段软启动电路，包括：软启动模块(1)，误差放大器(2)，脉宽调制比较器(3)和逻辑驱动模块(4)；误差放大器(2)设有两路输入，一路与软启动模块(1)连接，另一路与反馈电压FB连接，误差放大器(2)的输出端通过脉宽调制比较器(3)与逻辑驱动模块(4)相连，其特征在于，
逻辑驱动模块(4)的输入端与输出端之间增设有预充电单元(5)，用于控制DC-DC电路的同步开关管栅压PG逐渐降低，同时输出预充电关断信号pre_shut控制逻辑驱动模块(4)的正常工作；
软启动模块(1)的输出端增设有输出监测单元(6)和逻辑控制单元(7)，该输出监测单元(6)，输出软启动使能信号EN_SOFT给逻辑控制单元(7)，通过逻辑控制单元(7)控制软启动模块(1)的开与断。
2.根据权利要求书1所述的电路，其特征在于：所述输出监测单元(6)由一个运算放大器组成，该运算放大器正向输入端连接反馈电压FB，反向输入端连接参考电平VREF，该运算放大器的输出端与逻辑控制单元(7)连接，其输出的软启动使能信号EN_SOFT通过逻辑控制单元(7)控制软启动模块(1)的开与断。
3.根据权利要求书1所述的电路，其特征在于：所述预充电单元(5)，包括电流源I3，两个NMOS管MN31，MN32，滤波电阻R31，滤波电容C31，施密特触发器S3和锁存器T3，其中：
电流源I3的输入端连接至电源电压VCC，输出端连接至第一NMOS管MN31的漏极，作为镜像电流源；
第一NMOS管MN31的栅极与漏极相连接，同时连接到第二NMOS管MN32的栅极，用于构成电流镜，源极与第二NMOS管MN32的源极相连接并连接到地；
第二NMOS管MN32的漏极连接到DC-DC电路中同步开关管的栅极电压PG；
滤波电阻R31的一端接至同步开关管的栅极电压PG，另一端和滤波电容C31的一端连接，构成RC滤波器，滤波电容C31的另一端连接到第二NMOS管MN32的源极，用于对同步开关管的栅极电压PG进行滤波；
施密特触发器S3的输入端连接至滤波电容C31与滤波电阻R31的共同端，该端口输出信号即为同步开关管的栅极电压PG经过RC滤波之后的信号，施密特触发器S3的输出端连接至锁存器T3的输入端，锁存器T3的输出端输出预充电关断信号Pre_shut。
4.根据权利要求书1所述的电路，其特征在于：所述逻辑控制单元(7)，包括一个反相器INV4和一个NMOS开关管MN4，该反相器INV4的输入端接至输出监测单元(6)的输出端，输出端接至NMOS开关管MN4的栅极；开关管MN4的漏极连接软启动模块(1)中的输出信号，源极接地。
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