CN107276384A - 一种基于脉冲充电的软启动电路 - Google Patents

一种基于脉冲充电的软启动电路 Download PDF

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Abstract

一种基于脉冲充电的软启动电路，属于电力电子技术领域。包括脉冲信号产生单元、充电单元和误差放大器单元，脉冲信号产生电路对时钟信号clk进行数字处理，得到了窄脉冲信号Vpulse；充电单元通过窄脉冲信号Vpulse实现对软启动电容C的缓慢充电，得到了缓慢上升的上升电压Vraise，由于平均充电电流较小，所以软启动电容C不必太大，可以做到片内；通过缓慢上升的上升电压Vraise控制误差放大器单元输出的软启动电压Vout缓慢上升，实现了软启动，并且当输出的软启动电压Vout稳定后充电单元产生停止信号作用脉冲信号产生单元，从而关闭软启动电路。本发明减少了芯片引脚数与板级空间，且无需对误差放大器的输入进行切换，有效减小了毛刺，实现了平稳过渡。

Description

一种基于脉冲充电的软启动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及使用时钟信号产生的脉冲信号对片内电容进行充电，使得误差放大器的输出的软启动电压缓慢上升并应用到后级电路的软启动电路，主要应用于DC-DC开关变换器领域。
背景技术
在DC-DC开关变换器的四种基本电路中，以Buck变换器为例，Buck变换器有着输出电压小于输入电压、不隔离直流的特点，又被称为降压式变换器，因此被广泛应用于移动便携设备中。然而Buck电路在上电瞬间易产生电压过冲和电流浪涌现象，有可能导致Buck电路和电子设备的损坏，因此，需要引用软启动电路，用一缓慢上升的电压控制误差放大器输出电压的缓慢上升，从而使得Buck电路输出电压缓慢上升，到达预定值后，***才进入正常工作状态。避免了上述电压过冲和电流浪涌现象对***造成的损坏。
传统的软启动电路是通过电流源对电容进行充电，以限制误差放大器输出电压，从而限制占空比，进而限制启动阶段Buck电路输出电压。典型的软启动电路为电流源充电方案，采用μA量级电流对nF级片外电容进行充电，这种方法的缺点是增加了芯片引脚数和需要一个片外软启动电容，这将增加应用成本和应用板级空间。
现有的一些解决方案是利用数字模拟转换器DAC控制的方式来产生斜坡电压，即通过多位计数器来控制电流镜阵列流过的电阻得到斜坡电压，或通过多位计数器控制电流源流过电阻阵列得到斜坡电压，但其电路较复杂且有毛刺出现。
发明内容
针对已有技术中对软启动电容的充电电路的不足之处，本发明提供一种基于脉冲充电的软启动电路，该电路更加稳定且毛刺较少，将软启动电容做到片内以减少芯片引脚数与板级空间，进而减少应用成本和应用板级空间。
本发明的技术方案为：
一种基于脉冲充电的软启动电路，包括脉冲信号产生单元、充电单元和误差放大器单元，
脉冲信号产生单元包括第一与门AND1、第二与门AND2、第一与非门NAND1、第一缓冲器BUFFER1和第一非门INV1，
第一与门AND1的第一输入端连接使能信号VEN，其输出端输出控制信号VE并连接第一与非门NAND1的第一输入端；第一与非门NAND1的第二输入端连接时钟信号clk，其输出端连接第一缓冲器BUFFER1的输入端和第一非门INV1的输入端；第二与门AND2的第一输入端连接第一缓冲器BUFFER1的输出端，其第二输入端连接第一非门INV1的输出端，其输出端输出窄脉冲信号Vpulse；
充电单元包括第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一施密特反相器SINV1和软启动电容C，
第二反相器INV2的输入端连接控制信号VE，其输出端连接第一PMOS管P1的栅极；第三反相器INV3的输入端连接使能信号VEN，其输出端连接第二NMOS管N2的栅极；第一NMOS管N1的栅极连接窄脉冲信号Vpulse，其漏极连接第一PMOS管P1的漏极，其源极连接第二NMOS管N2的漏极、第二PMOS管P2的漏极和第一施密特反相器SINV1的输入端并作为充电单元的输出端输出上升电压Vraise；第一施密特反相器SINV1的输出端连接第二PMOS管P2的栅极并输出停止信号连接脉冲信号产生单元中第一与门AND1的第二输入端；软启动电容C接在第二PMOS管P2的漏极和地之间，第二NMOS管N2的源极接地，第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的源极接电源电压VDD；
所述误差放大器单元的正向输入端连接基准电压Vref，其负向输入端连接反馈电压VFB，其控制端连接充电单元产生的上升电压Vraise，其输出端输出软启动电压Vout。
具体的，误差放大器单元包括第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6、第七PMOS管P7、第八PMOS管P8、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8和基准电流源Iref，
第七PMOS管P7的栅极作为误差放大器单元的负向输入端，其漏极连接第四NMOS管N4的栅极、第五NMOS管N5的栅极和漏极；第八PMOS管P8的栅极作为误差放大器单元的正向输入端，其漏极连接第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极和漏极；第七PMOS管P7和第八PMOS管P8的源极相连并连接第六PMOS管P6的漏极；
第三NMOS管N3的栅极作为误差放大器单元的控制端，其漏极连接第五PMOS管P5的栅极、第四PMOS管P4的栅极和漏极，其源极连接第四NMOS管N4的漏极和第六NMOS管N6的源极；
第三PMOS管P3的栅漏短接并连接第六PMOS管P6的栅极，第五PMOS管P5的漏极连接第六NMOS管N6的漏极和栅极以及第八NMOS管N8的漏极并作为误差放大器单元的输出端；基准电流源Iref接在第三PMOS管P3的漏极和地之间；
第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6的源极接电源电压VDD，第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第七NMOS管N7和第八NMOS管N8的源极接地。
本发明的工作原理为：本发明通过脉冲信号产生电路中第一缓冲器BUFFER1对时钟信号clk进行微小延迟处理，再通过数字逻辑处理，得到了窄脉冲信号Vpulse；充电单元通过窄脉冲信号Vpulse实现对软启动电容C的缓慢充电，得到了缓慢上升的上升电压Vraise，由于平均充电电流较小，所以软启动电容C不必太大，可以做到片内；通过缓慢上升的上升电压Vraise控制误差放大器单元输出的软启动电压Vout缓慢上升，实现了软启动，并且当输出的软启动电压Vout稳定后充电单元产生停止信号作用脉冲信号产生单元，从而关闭软启动电路。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于脉冲充电的软启动电路在实现软启动电压缓慢上升的同时减小了软启动电容，将软启动电容做到片内，减少了芯片引脚数与板级空间，进而减少应用成本和应用板级空间；且该电路无需对误差放大器的输入进行切换，有效减小了毛刺，实现了平稳过渡。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于脉冲充电的软启动电路整体结构。
图2为图1中脉冲信号产生单元的电路结构。
图3为图1中充电单元的具体电路。
图4为实施例中图1中的误差放大器单元的一种具体电路结构。
图5为软启动电路正常工作时脉冲信号产生电路时序图。
图6为软启动电路正常工作时输出电压图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示为本发明提出的基于脉冲充电的软启动电路的具体示意图，包括脉冲信号产生单元、充电单元和误差放大器单元，其中脉冲信号产生单元的具体电路图如图2所示，脉冲信号产生单元包括第一与门AND1、第二与门AND2、第一与非门NAND1、第一缓冲器BUFFER1和第一非门INV1，第一与门AND1的第一输入端连接使能信号VEN，其输出端输出控制信号VE并连接第一与非门NAND1的第一输入端；第一与非门NAND1的第二输入端连接时钟信号clk，其输出端连接第一缓冲器BUFFER1的输入端和第一非门INV1的输入端；第二与门AND2的第一输入端连接第一缓冲器BUFFER1的输出端，其第二输入端连接第一非门INV1的输出端，其输出端输出窄脉冲信号Vpulse。充电单元的具体电路图如图3所示，充电单元包括第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第一施密特反相器SINV1和软启动电容C，第二反相器INV2的输入端连接控制信号VE，其输出端连接第一PMOS管P1的栅极；第三反相器INV3的输入端连接使能信号VEN，其输出端连接第二NMOS管N2的栅极；第一NMOS管N1的栅极连接窄脉冲信号Vpulse，其漏极连接第一PMOS管P1的漏极，其源极连接第二NMOS管N2的漏极、第二PMOS管P2的漏极和第一施密特反相器SINV1的输入端并作为充电单元的输出端输出上升电压Vraise；第一施密特反相器SINV1的输出端连接第二PMOS管P2的栅极并输出停止信号连接脉冲信号产生单元中第一与门AND1的第二输入端；软启动电容C接在第二PMOS管P2的漏极和地之间，第二NMOS管N2的源极接地，第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的源极接电源电压VDD；误差放大器单元的正向输入端连接基准电压Vref，其负向输入端连接反馈电压VFB，其控制端连接充电单元产生的上升电压Vraise，其输出端输出软启动电压Vout。
本实施例中的误差放大器单元的具体电路图如图4所示，包括第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6、第七PMOS管P7、第八PMOS管P8、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8和基准电流源Iref，第七PMOS管P7的栅极作为误差放大器单元的负向输入端，其漏极连接第四NMOS管N4的栅极、第五NMOS管N5的栅极和漏极；第八PMOS管P8的栅极作为误差放大器单元的正向输入端，其漏极连接第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极和漏极；第七PMOS管P7和第八PMOS管P8的源极相连并连接第六PMOS管P6的漏极；第三NMOS管N3的栅极作为误差放大器单元的控制端，其漏极连接第五PMOS管P5的栅极、第四PMOS管P4的栅极和漏极，其源极连接第四NMOS管N4的漏极和第六NMOS管N6的源极；第三PMOS管P3的栅漏短接并连接第六PMOS管P6的栅极，第五PMOS管P5的漏极连接第六NMOS管N6的漏极和栅极以及第八NMOS管N8的漏极并作为误差放大器单元的输出端；基准电流源Iref接在第三PMOS管P3的漏极和地之间；第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6的源极接电源电压VDD，第四NMOS管N4、第五NMOS管N5、第七NMOS管N7和第八NMOS管N8的源极接地。
本实施例的工作过程为：
软启动电路启动之前使能信号VEN为低电平，停止信号～stop为高电平，停止信号～stop为低电平有效。
充电单元开始工作之前，使能信号VEN为低电平，使得第三反相器INV3输出为高电平，从而使第二NMOS管N2开启。此时控制信号VE为低电位，使得第二反相器INV2输出端为高电位，从而使得第一PMOS管P1关闭，并且停止信号～stop为高电位，第二PMOS管P2关闭，从而使得上升电压Vraise为低电位。
当使能信号VEN由低电平跳变为高电平时，脉冲信号产生单元开始工作，产生窄脉冲信号Vpulse，信号时序图如图5所示；控制信号VE为高电位，第二反相器INV2的输出为低电平，第一PMOS管P1开启，并且使能信号VEN为高电平，使得第三反相器INV3输出为低电平，从而使第二NMOS管N2关闭。脉冲信号产生电路产生的窄脉冲信号Vpulse控制着第一NMOS管N1周期性地短暂开启，对软启动电容C进行周期性的短暂充电，使得上升电压Vraise电位缓慢上升，当其上升到第三NMOS管N3的开启电压后，误差放大器单元中的第三NMOS管N3开启，并且软启动电压Vout随着上升电压Vraise电位的上升而缓慢上升，并逐渐稳定。
当t1时刻上升电压Vraise电位继续上升至第一施密特反相器SINV1上阈值VH时，其输出电压翻转，停止信号～stop变为低电位，使得第二PMOS管P2开启，上升电压Vraise端口被拉至高电位，并且通过停止信号～stop关闭脉冲信号产生单元，实现了误差放大器单元输出稳定后的软启动电路的关闭。上升电压Vraise与软启动电压Vout如图6所示，由于时钟频率很大，因此在ms量级的时间轴上无法看出电位的阶梯上升，而是连续上升。
根据上述的说明，本实施例的软启动电路通过脉冲产生单元对时钟信号clk进行数字处理，得到了微小的脉冲信号，利用充电单元通过微小的脉冲信号实现对软启动电容C的缓慢充电，得到了缓慢上升的上升电压Vraise，通过缓慢上升的上升电压Vraise控制误差放大器单元输出的软启动电压缓慢上升，实现了软启动，并且当输出电压稳定后软启动电路关闭。减小了软启动电容，便于集成，并有效减小了毛刺，实现了平稳过渡。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于脉冲充电的软启动电路，其特征在于，包括脉冲信号产生单元、充电单元和误差放大器单元，
所述脉冲信号产生单元包括第一与门(AND1)、第二与门(AND2)、第一与非门(NAND1)、第一缓冲器(BUFFER1)和第一非门(INV1)，
第一与门(AND1)的第一输入端连接使能信号(VEN)，其输出端输出控制信号(VE)并连接第一与非门(NAND1)的第一输入端；第一与非门(NAND1)的第二输入端连接时钟信号(clk)，其输出端连接第一缓冲器(BUFFER1)的输入端和第一非门(INV1)的输入端；第二与门(AND2)的第一输入端连接第一缓冲器(BUFFER1)的输出端，其第二输入端连接第一非门(INV1)的输出端，其输出端输出窄脉冲信号(Vpulse)；
所述充电单元包括第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第一PMOS管(P1)、第二PMOS管(P2)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)、第一施密特反相器(SINV1)和软启动电容(C)，
第二反相器(INV2)的输入端连接所述控制信号(VE)，其输出端连接第一PMOS管(P1)的栅极；第三反相器(INV3)的输入端连接使能信号(VEN)，其输出端连接第二NMOS管(N2)的栅极；第一NMOS管(N1)的栅极连接所述窄脉冲信号(Vpulse)，其漏极连接第一PMOS管(P1)的漏极，其源极连接第二NMOS管(N2)的漏极、第二PMOS管(P2)的漏极和第一施密特反相器(SINV1)的输入端并作为所述充电单元的输出端输出上升电压(Vraise)；第一施密特反相器(SINV1)的输出端连接第二PMOS管(P2)的栅极并输出停止信号连接所述脉冲信号产生单元中第一与门(AND1)的第二输入端；软启动电容(C)接在第二PMOS管(P2)的漏极和地之间，第二NMOS管(N2)的源极接地，第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)的源极接电源电压(VDD)；
所述误差放大器单元的正向输入端连接基准电压(Vref)，其负向输入端连接反馈电压(VFB)，其控制端连接所述充电单元产生的上升电压(Vraise)，其输出端输出软启动电压(Vout)。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲充电的软启动电路，其特征在于，所述误差放大器单元包括第三PMOS管(P3)、第四PMOS管(P4)、第五PMOS管(P5)、第六PMOS管(P6)、第七PMOS管(P7)、第八PMOS管(P8)、第三NMOS管(N3)、第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第六NMOS管(N6)、第七NMOS管(N7)、第八NMOS管(N8)和基准电流源(Iref)，
第七PMOS管(P7)的栅极作为所述误差放大器单元的负向输入端，其漏极连接第四NMOS管(N4)的栅极、第五NMOS管(N5)的栅极和漏极；第八PMOS管(P8)的栅极作为所述误差放大器单元的正向输入端，其漏极连接第八NMOS管(N8)的栅极、第七NMOS管(N7)的栅极和漏极；第七PMOS管(P7)和第八PMOS管(P8)的源极相连并连接第六PMOS管(P6)的漏极；
第三NMOS管(N3)的栅极作为所述误差放大器单元的控制端，其漏极连接第五PMOS管(P5)的栅极、第四PMOS管(P4)的栅极和漏极，其源极连接第四NMOS管(N4)的漏极和第六NMOS管(N6)的源极；
第三PMOS管(P3)的栅漏短接并连接第六PMOS管(P6)的栅极，第五PMOS管(P5)的漏极连接第六NMOS管(N6)的漏极和栅极以及第八NMOS管(N8)的漏极并作为所述误差放大器单元的输出端；基准电流源(Iref)接在第三PMOS管(P3)的漏极和地之间；
第三PMOS管(P3)、第四PMOS管(P4)、第五PMOS管(P5)、第六PMOS管(P6)的源极接电源电压(VDD)，第四NMOS管(N4)、第五NMOS管(N5)、第七NMOS管(N7)和第八NMOS管(N8)的源极接地。
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