CN111555603A - 一种降压转换器的自校准软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降压转换器的自校准软启动电路，涉及电源技术领域，自校准软启动电路内包括爬坡控制电路，爬坡控制电路中的第一比较器获取并比较输出电压经分压电路后的输出电压反馈信号以及误差放大器的同相输入端的参考信号、输出端通过寄存器电路连接计数器的使能端和重置端且连接控制器，计数器产生的编码控制数模转换器产生基准电压作为误差放大器的同相输入端的参考信号，该自校准软启动电路可以实时监测判断输出电压是否跟随参考信号爬坡升高，如果出现异常则会即使产生保护动作，等待异常接触后再重新进行软启动过程，从而达到了在不同场景下都会有软启动过程而不会产生过冲电压的效果，安全性和可靠性更高。

Description

一种降压转换器的自校准软启动电路

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其是一种降压转换器的自校准软启动电路。

背景技术

在消费电子和汽车电子中，用电端的能量都来源于电池端，电池端提供的电压范围约为8～20V，而用电端通常为LED灯珠、传感器芯片、接口芯片和主控芯片等，这些不同规格的电子元器件和芯片对电源的要求各不相同、工作电压范围约为3～5V，因此需要使用BUCK(降压转换器)芯片将电池端电压降至用电端的额定工作电压为其供电。

请参考图1，BUCK芯片主要包括控制器、驱动上管MN1和驱动下管MN2，控制器根据PWM驱动波形控制MN1和MN2的开闭，当MN2导通时，BUCK芯片内部的电源会给自举电容C_BT充电，使其在下个周期的MN1导通的时间利用C_BT给MN1驱动电路供电。但当BUCK芯片开始启动时，因为额定参考值和实际输出电压差距较大，如果不做任何干预调制，根据BUCK芯片的调制原理，此时BUCK芯片的PWM驱动波形会超出其PWM调制范围，占空比迅速增大，使输出电流和输出电压不断增大，这就会对BUCK芯片自身及后级芯片带来极大的风险。

因此BUCK芯片内部通常会设置软启动电路，如图1中：BUCK芯片的输出电压V_OUT的输出调制参考电压V_REF经过滤波网络输入到负反馈调制的输入误差放大器EA1的同相输入端，为BUCK芯片的输出电压V_OUT连接分压电路且分压端输入到误差放大器EA1的反相输入端，误差放大器EA1的输出端连接到PWM比较器COMP1的同相输入端，PWM比较器COMP1的反相输入端连接PWM驱动波形。当BUCK芯片开始工作时，输出调制参考电压V_REF会从0升高至设定参考值VREF，V_REF经过滤波网络之后的信号V_REF1以缓慢的信号爬坡上升，因为BUCK芯片的输出电压V_OUT＝V_REF1*(R_FB1+R_FB2)/R_FB2，这样BUCK的输出电压V_OUT上的电压也会跟着V_REF1一起爬坡上升，并且在误差放大器EA1的两个输入端就不会出现压差突然变大使得输出电压和电流出现过冲的情况。当软启动完成，环路调制稳定之后，BUCK芯片的输出电压V_OUT＝VREF*(R_FB1+R_FB2)/R_FB2。

但在汽车电子中，电池端的输出并不是一个稳定的电压，特别是在发动机刚启动或是工作状态发生骤变时，电池端的电压会有很大的波动，这就对BUCK芯片的功能安全提出了很高的要求，尤其是对软启动的稳定性和可靠性的要求更高，而上述所述的图1所示结构的BUCK芯片应用于汽车电子领域时至少存在如下问题：如果BUCK芯片在启动阶段输出有较大的负载，V_OUT就会因为带载能力有限而无法跟随爬坡上升，这样当V_REF1达到设定参考值，而输出端V_OUT的负载变为轻载时，此时误差放大器EA1的两个输入端的电压V_FB和V_REF1的压差会很大，使得BUCK芯片的再次启动没有达到软启动的效果而出现输出过冲。由此可见，现有的BUCK芯片内部虽然增设了软启动电路，但无法满足汽车电子对功能安全和可靠性的需求。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种降压转换器的自校准软启动电路，本发明的技术方案如下：

一种降压转换器的自校准软启动电路，该自校准软启动电路包括误差放大器、PWM比较器、分压电路以及爬坡控制电路，分压电路的一端连接降压转换器的输出端、另一端接地，分压电路的分压反馈端连接至误差放大器的反相输入端，误差放大器的输出端连接PWM比较器的同相输入端，PWM比较器的反相输入端连接PWM驱动波形、输出端连接降压转换器内的控制器；

爬坡控制电路包括第一比较器、寄存器电路、计数器以及数模转换器，第一比较器的一个输入端连接误差放大器的同相输入端、另一个输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号，第一比较器的输出端连接寄存器电路的输入端，寄存器电路的输出端连接计数器的使能端和重置端且连接降压转换器内的控制器，计数器的时钟输入端获取时钟信号，计数器的输出端通过数模转换器连接误差放大器的同相输入端；

在软启动过程中，模数转换器将计数器的计数值转换为相应的参考信号提供给误差放大器直至计数器的计数值达到寄存器电路的设定值，同时，第一比较器比较参考信号以及输出电压反馈信号，并在输出电压反馈信号小于参考信号时且延时达到预定时长时控制计数器停止计数并清零，且向降压转换器内的控制器提供有效的软启动重启信号，控制器根据软启动重启信号控制重新开始软启动过程。

其进一步的技术方案为，寄存器电路包括第一寄存器、第二寄存器和反相器，第一比较器的输出端连接第一寄存器的输入端，第一寄存器的输出端连接第二寄存器的输入端以及计数器的使能端，第二寄存器的输出端通过反相器连接计数器的重置端以及降压转换器内的控制器；

当输出电压反馈信号小于参考信号时且延时达到第一寄存器的第一延时时长时，计数器根据使能端的信号停止计数；当继续延时达到第二寄存器的第二延时时长时，计数器根据重置端的信号清零。

其进一步的技术方案为，自校准软启动电路还包括软启动反馈电路，软启动反馈电路包括第二比较器，第二比较器的一个输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、另一个输入端获取第一预定阈值，第一预定阈值与降压转换器的输出电压设定值成正比且小于输出电压设定值；第二比较器的输出端连接降压转换器内的控制器，第二比较器在分压电路的电压反馈信号达到第一预定阈值时向控制器提供有效的启动完成信号，控制器根据启动完成信号结束软启动过程。

其进一步的技术方案为，输出电压设定值由寄存器电路设定调节。

其进一步的技术方案为，自校准软启动电路还包括软启动使能电路，软启动使能电路包括第三比较器和泄放晶体管，第三比较器的一个输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、另一个输入端获取第二预定阈值，第三比较器的输出端连接并控制泄放晶体管，泄放晶体管连接在降压转换器的输出端和接地端之间，第三比较器还连接降压转换器内的控制器；第三比较器在分压电路的电压反馈信号达到第二预定阈值时控制泄放晶体管导通泄放降压转换器的输出端的残压，第三比较器在分压电路的电压反馈信号小于第二预定阈值时保持泄放晶体管关断并向控制器提供有效的启动使能信号，控制器根据启动使能信号正常启动软启动过程。

其进一步的技术方案为，分压电路引出第一分压反馈端和第二分压反馈端，第一分压反馈端连接至误差放大器的反相输入端，第二分压反馈端连接第一比较器的输入端，第二分压反馈端处的电压大于第一分压反馈端处的电压。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种降压转换器的自校准软启动电路，该电路可以实时监测判断输出电压是否跟随参考信号爬坡升高，如果出现异常则会即使产生保护动作，等待异常接触后再重新进行软启动过程，从而达到了在不同场景下BUCK芯片的启动都会有软启动过程而不会产生过冲电压的效果，可以在不同的应用和场景中完成软启动或者保护的功能，安全性和可靠性更高。

附图说明

图1是现有的内置软启动电路的降压转换器的电路应用示意图。

图2是内置本申请的自校准软启动电路的降压转换器的电路应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种降压转换器的自校准软启动电路，该降压转换器内部的其余电路以及与外部电池和负载的连接关系可以参考图1及其他现有技术，本申请不再详细介绍，仅对其中自校准软启动电路部分进行介绍。请参考图2，该自校准软启动电路包括误差放大器EA1、PWM比较器COMP1、分压电路以及爬坡控制电路。分压电路的一端连接降压转换器的输出端获取输出电压V_OUT、另一端接地，分压电路的分压反馈端连接至误差放大器EA1的反相输入端。在本申请中，分压电路至少包括三个分压电阻R_FB1、R_FB2和R_FB3并引出两个分压反馈端分别为第一分压反馈端和第二分压反馈端，第二分压反馈端处的电压大于第一分压反馈端处的电压，在本申请中，R_FB1和R_FB2的公共端引出的第一分压反馈端电压为V_FB＝V_OUT*R_FB2/(R_FB1+R_FB2+R_FB3)，R_FB1和R_FB3的公共端引出的第二分压反馈端电压为V_{FB_UP}＝V_OUT*(R_FB1+R_FB2)/(R_FB1+R_FB2+R_FB3)，则V_{FB_UP}>V_FB，第一分压反馈端连接到误差放大器EA1的反相输入端。误差放大器EA1的输出端连接PWM比较器COMP1的同相输入端，PWM比较器COMP1的反相输入端连接PWM驱动波形、输出端连接降压转换器内的控制器。

爬坡控制电路包括第一比较器CMP1、寄存器电路、计数器以及数模转换器DAC，第一比较器CMP1的反相输入端连接误差放大器EA1的同相输入端、同相输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号。在本申请中，第一比较器CMP1的反相输入端连接分压电路的分压反馈端时，实际是连接到分压电路的第二分压反馈端并获取V_{FB_UP}。第一比较器CMP1的输出端连接寄存器电路的输入端，寄存器电路的输出端连接计数器的使能端EN和重置端RESET且通过RAMP_RSTAT端子连接降压转换器内的控制器。计数器的时钟输入端CLK获取时钟信号clk，计数器的输出端通过数模转换器DAC连接误差放大器EA1的同相输入端，计数器产生的编码控制模数转换器DAC产生基准电压作为误差放大器EA1的同相输入端的参考信号V_{REF_RAMP}，因此第一比较器CMP1的同相输入端获取到V_{FB_UP}、反相输入端获取到V_{REF_RAMP}。

在软启动过程中，该爬坡控制电路的工作原理为：本申请通过寄存器电路设定最终的稳定输出电压，也即V_OUT最终的输出电压设定值V_{REF_TERM}由寄存器电路设定调节，使得输出电压灵活可调。模数转换器DAC将计数器的计数值转换为相应的参考信号V_{REF_RAMP}提供给误差放大器EA1，直至计数器的计数值达到寄存器电路的设定值，从而达到参考信号V_{REF_RAMP}在软启动期间缓慢上升的目的。且在这一过程中，第一比较器CMP1比较参考信号V_{REF_RAMP}以及输出电压反馈信号V_{FB_UP}，当V_{FB_UP}≥V_{REF_RAMP}时，表示V_{FB_UP}随着V_{REF_RAMP}爬坡上升，也即V_OUT随着V_{REF_RAMP}爬坡上升，软启动过程正常；当V_{FB_UP}<V_{REF_RAMP}时，表示V_{FB_UP}不能跟随V_{REF_RAMP}爬坡上升，也即V_OUT不能跟随V_{REF_RAMP}爬坡上升，若经过寄存器电路延时达到预定时长仍然不能正常跟随上升，则说明很有可能超过了带载启动能力，有短路风险，此时控制计数器停止计数并清零，且向降压转换器内的控制器提供有效的软启动重启信号，控制器根据软启动重启信号控制重新开始软启动过程。在本申请中，第一比较器CMP1使用V_{FB_UP}而非V_FB与V_{REF_RAMP}进行比较，这是因为V_{FB_UP}和V_FB都是V_OUT的分压电压，其变化状态保持一致且V_{FB_UP}>V_FB，因此若检测到V_{FB_UP}随着V_{REF_RAMP}爬坡上升，则V_FB肯定也随着V_{REF_RAMP}爬坡上升，理想的状态是要求V_FB与V_{REF_RAMP}同步变化，但实际电路会有一些误差和波动，若直接使用V_FB与V_{REF_RAMP}进行比较，则会产生较多振荡，使得电路不稳定，而使用V_{FB_UP}与V_{REF_RAMP}进行比较则可以预留一定的误差范围，提高稳定性。

在本申请中，寄存器电路包括第一寄存器Deg_Block1、第二寄存器Deg_Block2和反相器INV1，第一比较器CMP1的输出端连接第一寄存器Deg_Block1的输入端，第一寄存器Deg_Block1的输出端连接第二寄存器Deg_Block2的输入端以及计数器的使能端EN，第二寄存器Deg_Block2的输出端通过反相器INV1连接计数器的重置端RESET以及引出RAMP_RSTAT端子。则上述过程具体为：当V_{FB_UP}<V_{REF_RAMP}且经过第一寄存器Deg_Block1仍然为0时，也即延时达到第一寄存器的第一延时时长T_Deg1仍然不能正常跟随斜坡爬升时，计数器根据使能端EN获取到的低电平信号停止计数，V_{REF_RAMP}停止斜坡爬升。如果经过第二寄存器Deg_Block2仍然为0时，也即继续延时达到第二寄存器的第二延时时长T_Deg2、总延时达到T_Deg1+T_Deg2但仍然不能正常跟随爬升时，则判断此时输出端有短路的风险，计数器根据重置端RESET获取到的高电平的信号清零，同时第二寄存器Deg_Block2通过RAMP_RSTAT端子向控制器提供高电平有效的软启动重启信号，控制器根据软启动重启信号在异常解除后重新开始软启动过程。

在本申请中，该自校准软启动电路还包括软启动使能电路，软启动使能电路包括第三比较器CMP3和泄放晶体管MN_PD，第三比较器CMP3的同相输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、另一个输入端获取第二预定阈值V_{START_OV}，第三比较器CMP3的输出端连接并控制泄放晶体管MN_PD，泄放晶体管MN_PD连接在降压转换器的输出端V_OUT和接地端之间。第三比较器CMP3还连接降压转换器内的控制器。在本申请中，第三比较器CMP3连接分压电路的分压反馈端时连接其第一分压反馈端并获取V_FB，第三比较器CMP3的输出端与泄放晶体管MN_PD通常还连接有缓冲器，泄放晶体管MN_PD采用NMOS管，NMOS管的栅极连接至第三比较器CMP3的输出端、源极接地、漏极连接降压转换器的输出端V_OUT。

对于图1所示的常规电路，当驱动下管MN2导通时，BUCK芯片内部的电源会给自举电容C_BT充电，使其在下个周期的驱动上管MN1导通的时间内利用C_BT的电荷给驱动上管MN1的驱动电路供电，但如果在BUCK芯片使能打开时，V_OUT端的电荷没放光有残压，则驱动下管MN2导通时，自举电容C_BT不能充到足够多的电荷，当MN1导通期间，其两端的电压不能使MN1完全导通，从而使BUCK的输出端V_OUT不能正常爬坡启动。而本申请中增加的软启动使能电路则可以很好的解决这一问题，在本申请中：当V_FB<V_{START_OV}时，表明此时输出端V_OUT上没有残压，此时保持泄放晶体管MN_PD关断并向控制器提供有效的启动使能信号，控制器根据启动使能信号可以正常启动软启动过程。在本申请中，第三比较器CMP3输出的启动使能信号高电平有效，则第三比较器CMP3实际通过反相器INV2引出EN_SFT_START端子连接到控制器。当V_FB≥V_{START_OV}时，表示此时输出端V_OUT上有残压，如果此时启动软启动过程，则会导致C_BT无法正常充电而使芯片异常，则此时泄放晶体管MN_PD会导通，将泄放降压转换器的输出端V_OUT的残压，将输出电压V_OUT拉低，并保持监测状态直至V_FB<V_{START_OV}时。

在本申请中，自校准软启动电路还包括软启动反馈电路，软启动反馈电路包括第二比较器CMP2，第二比较器CMP2的同相输入端连接分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、反相输入端获取第一预定阈值，第一预定阈值与降压转换器的V_OUT最终的输出电压设定值V_{REF_TERM}成正比且小于输出电压设定值，通常可以选定第一预定阈值为0.9*V_{REF_TERM}。第二比较器CMP2的同相输入端在连接分压电路时，实际也是连接到分压电路的第二分压反馈端获取V_{FB_UP}。第二比较器CMP2的输出端引出SOFT_OK端子连接降压转换器内的控制器。当V_{FB_UP}>0.9*V_{REF_TERM}时，则第二比较器CMP2通过SOFT_OK端子向控制器提供高电平的、有效的启动完成信号，表示软启动过程完成，控制器跳出软启动过程，等待下一次软启动过程的开启，否则继续软启动过程。同理，第二比较器CMP2使用V_{FB_UP}而非直接使用V_FB与第一预定阈值比较也可以提高稳定性。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种降压转换器的自校准软启动电路，其特征在于，所述自校准软启动电路包括误差放大器、PWM比较器、分压电路以及爬坡控制电路，所述分压电路的一端连接所述降压转换器的输出端、另一端接地，所述分压电路的分压反馈端连接至所述误差放大器的反相输入端，所述误差放大器的输出端连接所述PWM比较器的同相输入端，所述PWM比较器的反相输入端连接PWM驱动波形、输出端连接所述降压转换器内的控制器；

所述爬坡控制电路包括第一比较器、寄存器电路、计数器以及数模转换器，所述第一比较器的一个输入端连接所述误差放大器的同相输入端、另一个输入端连接所述分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号，所述第一比较器的输出端连接所述寄存器电路的输入端，所述寄存器电路的输出端连接所述计数器的使能端和重置端且连接所述降压转换器内的控制器，所述计数器的时钟输入端获取时钟信号，所述计数器的输出端通过所述数模转换器连接所述误差放大器的同相输入端；

在软启动过程中，所述模数转换器将所述计数器的计数值转换为相应的参考信号提供给所述误差放大器直至所述计数器的计数值达到所述寄存器电路的设定值，同时，所述第一比较器比较所述参考信号以及所述输出电压反馈信号，并在所述输出电压反馈信号小于所述参考信号时且延时达到预定时长时控制所述计数器停止计数并清零，且向所述降压转换器内的控制器提供有效的软启动重启信号，所述控制器根据所述软启动重启信号控制重新开始软启动过程。

2.根据权利要求1所述的自校准软启动电路，其特征在于，所述寄存器电路包括第一寄存器、第二寄存器和反相器，所述第一比较器的输出端连接所述第一寄存器的输入端，所述第一寄存器的输出端连接所述第二寄存器的输入端以及所述计数器的使能端，所述第二寄存器的输出端通过所述反相器连接所述计数器的重置端以及所述降压转换器内的控制器；

当所述输出电压反馈信号小于所述参考信号时且延时达到所述第一寄存器的第一延时时长时，所述计数器根据使能端的信号停止计数；当继续延时达到所述第二寄存器的第二延时时长时，所述计数器根据重置端的信号清零。

3.根据权利要求1所述的自校准软启动电路，其特征在于，所述自校准软启动电路还包括软启动反馈电路，所述软启动反馈电路包括第二比较器，所述第二比较器的一个输入端连接所述分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、另一个输入端获取第一预定阈值，所述第一预定阈值与所述降压转换器的输出电压设定值成正比且小于所述输出电压设定值；所述第二比较器的输出端连接所述降压转换器内的控制器，所述第二比较器在所述分压电路的电压反馈信号达到所述第一预定阈值时向所述控制器提供有效的启动完成信号，所述控制器根据所述启动完成信号结束软启动过程。

4.根据权利要求3所述的自校准软启动电路，其特征在于，所述输出电压设定值由所述寄存器电路设定调节。

5.根据权利要求1所述的自校准软启动电路，其特征在于，所述自校准软启动电路还包括软启动使能电路，所述软启动使能电路包括第三比较器和泄放晶体管，所述第三比较器的一个输入端连接所述分压电路的分压反馈端获取输出电压反馈信号、另一个输入端获取第二预定阈值，所述第三比较器的输出端连接并控制所述泄放晶体管，所述泄放晶体管连接在所述降压转换器的输出端和接地端之间，所述第三比较器还连接所述降压转换器内的控制器；所述第三比较器在所述分压电路的电压反馈信号达到所述第二预定阈值时控制所述泄放晶体管导通泄放所述降压转换器的输出端的残压，所述第三比较器在所述分压电路的电压反馈信号小于所述第二预定阈值时保持所述泄放晶体管关断并向所述控制器提供有效的启动使能信号，所述控制器根据所述启动使能信号正常启动软启动过程。

6.根据权利要求1-5任一所述的自校准软启动电路，其特征在于，所述分压电路引出第一分压反馈端和第二分压反馈端，所述第一分压反馈端连接至所述误差放大器的反相输入端，所述第二分压反馈端连接所述第一比较器的输入端，所述第二分压反馈端处的电压大于所述第一分压反馈端处的电压。

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