CN100527575C

CN100527575C - 开关电源的软启动电路及软启动方法

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Publication number: CN100527575C
Application number: CNB200710138783XA
Authority: CN
Inventors: 姜凡
Original assignee: Via Technologies Inc
Current assignee: Via Technologies Inc
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: CN101102076A

Abstract

一种开关电源的软启动电路及软启动方法，特别涉及一种开关电源的软启动电路，用于依据一第一电源产生一第二电源，其包括：一控制单元，依据一外部时钟以及一软启动使能信号产生一脉冲信号、一开关控制信号以及一第一偏置信号；一偏置电路，根据第一电源产生一第一预定电位，以使开关控制信号的电位偏移至第一预定电位；一压降控制单元，根据脉冲信号与第一偏置信号，使开关控制信号的电位由第一预定电位线性下降至一第二预定电位；以及一开关单元，根据开关控制信号及第一电源产生第二电源。本发明开关电源的软启动电路驱使开关控制信号的电压持续线性下降，使得开关单元输出的第二电源线性上升，从而避免在软启动过程中出现较大的峰值电流。

Description

开关电源的软启动电路及软启动方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源，尤其涉及一种支持软启动操作的开关电源。

背景技术

开关电源用于将电力从一个电源转换到另一个电源，例如，个人计算机可通过开关电源给存储卡、数字播放器等外部设备供电。图1所示为现有技术一开关电源的示意图。如图1所示，开关电源100用于将本地电源VPP转换为外接电源VPPO，以给外部设备供电。开关电源100包含一控制单元101、一开关单元PSD以及反相器INV1与INV2。控制单元101依据一外部时钟CLK以及一软启动使能信号EN输出一时脉信号102与一开关控制信号VG。在软启动操作结束后，控制单元101会使输出的时脉信号102稳定在低电位。开关单元PSD为一P型晶体管，其源极(source)连接至本地电源VPP，漏极(drain)连接至外接电源VPPO，栅极(gate)连接至开关控制信号VG。反相器INV1将接收的时脉信号102反相后输出至反相器INV2，反相器INV2随后将反相器INV1输出的信号再次反相输出至一节点A。反相器INV1与反相器INV2可增大时脉信号102的驱动力，因而时脉信号102经过反相器INV1与INV2的处理后可驱动开关单元PSD导通或截止。由此可知，控制单元101输出的时脉信号102通过反相器INV1、INV2控制开关单元PSD的栅极电压(即开关控制信号VG)，使得开关单元PSD不断重复打开-关闭的动作，以使外接电源VPPO的电压逐渐上升。

然而，当外接电源VPPO需要给消耗较大负载电流的设备供电的时候，外接电源VPPO在上电的过程中会出现急剧的上升并产生很大的峰值电流，从而可能导致开关电源100无法正常投入工作。具体来说，如图2所示，开关控制信号VG受时脉信号控制而产生周期脉冲，使得开关单元PSD在开关控制信号VG的控制下会不断重复开关的动作，并且开关控制信号VG的电位缓慢下降。当开关控制信号VG大于本地电源VPP与开关单元PSD的阈值电压VT(Threshold Voltage)的差值时，开关单元PSD为关闭的状态，即开关单元PSD不能提供电流。另一方面，当开关控制信号VG小于本地电源VPP与开关单元PSD的阈值电压VT(Threshold Voltage)的差值时，开关单元PSD在开启的状态，即开关单元PSD提供电流至外接电源VPPO，以使外接电源VPPO的电压逐渐上升。值得注意的是，开关单元PSD提供的电流大小和开关控制信号VG的电压值有关。开关电源100在结束软启动操作时，会使控制单元输出的时脉信号102稳定在低电平，因而开关控制信号VG的电压被快速驱动至零。相应地，开关单元PSD输出的外接电源VPPO依据开关控制信号VG急剧上升到高电位，并且会因为连接消耗较大负载电流的设备而产生极大的峰值电流。

通常来说，当需要通过开关电源给外部设备供电时，开关电源必须控制其输出电源上电(power up)的速度，使输出电源在最初一段时间缓慢增加，即实现软启动(soft start)功能，以减轻各种电源元器件的压力。因此，我们希望提供一种可有效减小开关单元峰值电流的开关电源的软启动电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关电源的软启动电路，其可有效减小开关电源在软启动过程中出现的峰值电流。

根据本发明的一个方面，提供一种开关电源的软启动电路，用于依据一第一电源产生一第二电源，其包括：一控制单元，依据一外部时钟以及一软启动使能信号产生一脉冲信号、一开关控制信号以及一第一偏置信号；一偏置电路，根据所述第一电源产生一第一预定电位，以使所述开关控制信号的电位偏移至第一预定电位；一压降控制单元，耦接于该开关控制信号与一接地端之间，用于根据所述控制单元输出的脉冲信号与第一偏置信号，使所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位偏移至一第二预定电位；以及一开关单元，根据所述开关控制信号及第一电源产生所述第二电源，所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位线性下降至所述第二预定电位，使所述开关单元输出的第二电源的电压线性上升。

根据本发明的另一个方面，提供一种开关电源的软启动方法，用于依据一开关控制信号及一第一电源产生一第二电源，其包括：提供一脉冲信号，所述脉冲信号在第一时间点之前处于低电平，在第二时间点之后处于高电平，在第一时间点与第二时间点之间为周期性重复的脉冲；提供一偏置电路，驱使所述开关控制信号的电位在第一时间点下降至一第一预定电位；以及提供一压降控制单元，在第一时间点启动，并依据所述脉冲信号驱使所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位下降至一第二预定电位，以完成开关电源的软启动操作。

本发明开关电源的软启动电路驱使开关控制信号的电压持续线性下降，使得开关单元输出的第二电源在上电过程中匀速上升，从而避免在软启动过程中出现较大的峰值电流。

附图说明

图1是根据现有技术的开关电源的软启动电路的示意图；

图2是图1所示的软启动电路各个信号的时序图；

图3是根据本发明一个实施例的开关电源的软启动电路的示意图；

图4是图3所示的本发明一个实施例的开关电源的软启动电路的详细示意图；

图5是图3所示的本发明一个实施例的开关电源的软启动电路的各个信号的时序图。

具体实施方式

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其它目的和特点将会变得更加清楚。

如图3所示，本发明开关电源300用于将第一电源VPP(例如为3v)转换为第二电源VPPO输出，其包括一控制单元301、一开关单元PSD、一偏置电路303以及一压降控制单元306。于本实施例中，开关单元PSD由一PMOS管实现。控制单元301用于依据一外部时钟CLK以及一软启动使能信号EN输出一第一偏置信号Nbias、一第二偏置信号Pbias、一脉冲信号CPDN以及一开关控制信号VG。其中，第一偏置信号Nbias与第二偏置信号Pbias均为电流镜偏置信号。开关控制信号VG的初始值为高电平，其电位值与第一电源VPP相等，因而开关单元PSD初始处于关闭状态。于本实施例中，偏置电路303、压降控制单元306以及开关单元PSD共同组成开关电源300的软启动电路。其中，在开关电源300根据第一电源VPP输出第二电源VPPO时，将启动软启动操作以控制第二电源VPPO上电(power up)的速度。具体来说，开关电源300将致能软启动使能信号EN，以使控制单元301依据软启动使能信号EN以及外部时钟CLK输出脉冲信号CPDN以及高电平的开关控制信号VG，同时致能第一偏置信号Nbias以及第二偏置信号Pbias。偏置电路303接收第一电源VPP，并根据第一偏置信号Nbias以及第二偏置信号Pbias将节点A的电位(即开关控制信号VG的电位)拉低至一第一预定电位VM。于本实施例中，第一预定电位VM等于第一电源VPP与开关单元PSD的阈值电压VT(Threshold Voltage)的差值，即VM＝VPP-VT。如本领域熟练技术人员所知，当开关控制信号VG的电位降为第一预定电位VM后，开关单元PSD开始导通，使其输出的第二电源VPPO缓慢上升，并产生较小的电流I(PSD)。在开关控制信号VG的电位值降为第一预定电位VM后，压降控制单元306依据接收到的脉冲信号CPDN以及第一偏置信号Nbias启动，以使节点B的电位(即开关控制信号VG)缓慢下降至一第二预定电位VD，使得开关单元PSD输出的第二电源VPPO线性上升到一定值，进而达到软启动的目的。第二预定电位VD的值可由设计者来设定，即当控制单元或其它控制电路侦测到开关控制电压下降到一定值时，表示开关电源300已完成软启动操作。在完成软启动操作后，软启动使能信号EN失效，使得控制单元301输出的脉冲信号CPDN稳定在高电位，以通过压降控制单元306将开关控制信号VG缓慢地由第二预定电位VD拉至零，使得开关单元PSD输出的第二电源VPPO稳定在高电位。本实施例中，由于开关控制信号VG在偏置电路303以及压降控制单元306的影响下线性下降到低电位，而不是直接受脉冲信号CPDN的影响不断在高电平与低电平之间转换。因而开关电源300可以通过开关控制信号VG有效控制第二电源VPPO上电的速度，使得软启动的过程更加线性和可控。此外，即使本发明的软启动电路连接消耗较大负载电流的设备，由于开关单元PSD在开关控制信号VG的控制下可产生线性增大的电流，从而有效地减小开关电源300在结束软启动操作时的峰值电流。

图4为图3所示开关电源300软启动电路的电路图。如图所示，偏置电路303包括一P型晶体管Mp1、一N型晶体管Mn1以及两个二极管D1、D2。晶体管Mp1具有一源极连接至第一电源VPP、一漏极连接至节点A以及一栅极连接至第二偏置信号Pbias。晶体管Mn1具有一源极接地、一漏极连接至二极管D2的输出端以及一栅极连接至第一偏置信号Nbias。二极管D1、D2则串联设于节点A与晶体管Mn1的漏极之间。在开关电源300启动软启动操作时，控制单元301会输出低电平的第二偏置信号Pbias以及高电平的第一偏置信号Nbias，使得晶体管Mp1与晶体管Mn1导通。晶体管Mp1导通使得节点A的电位变为高电平，晶体管Mn1导通使其输出电压为低电平，使得位于节点A与晶体管Mn1之间的二极管D1、D2导通。也就是说，在偏置电路303接收到低电平的第二偏置信号Pbias以及高电平的第一偏置信号Nbias时，晶体管Mp1、晶体管Mn1以及二极管D1、D2均导通，并起到分压的作用，以使偏置电路303输出的电位(即节点A的电位)下降到第一预定电位VM，VM＝VPP-VT。如本领域熟练技术人员所知，第一预定电位VM可通过调整晶体管Mp1、晶体管Mn1以及二极管D1、D2的参数来产生。另一方面，如本领域熟练技术人员所知，偏置电路303可通过其它电路结构实现，且可以不依据第一偏置信号Nbias、第二偏置信号Pbias。

于本实施例中，压降控制单元306也可以看作一个电荷泵。在偏置电路303将开关控制信号VG的电压降到第一预定电位VM后，压降控制单元306依据接收到的第一偏置信号Nbias以及脉冲信号CPDN启动，因而偏置电路303与压降控制单元306会出现竞争，使得节点B的电位匀速下降。压降控制单元306由N型晶体管Mn2、Mn3组成。其中，晶体管Mn3的源极接地，栅极连接至第一偏置信号Nbias，漏极连接至晶体管Mn2的源极。晶体管Mn2的漏极与节点B相连，栅极连接至脉冲信号CPDN。晶体管Mn3在第一偏置信号Nbias的控制下一直处于打开的状态，从而可充当电荷泵的电流源。晶体管Mn2依据周期性变化的脉冲信号CPDN不断重复打开/关闭的动作，因而可看作电荷泵的开关。开关单元PSD的寄生电容充当电荷泵的充电电容。因此，节点B的电位，即开关控制信号VG的电位，在压降控制单元306对开关单元PSD的寄生电容进行充电/放电的过程中被线性下拉至第二预定电位VD。第二预定电位VD的电位值与脉冲信号CPDN的占空比成反比。当第二预定电位VD的电位值减小，开关单元PSD输出的电流I(PSD)会相应增大，也就是说，本发明开关电源300可通过调整脉冲信号CPDN的占空比来改变开关电源300能够支持的最大启动电流。

在节点B的电压下降到第二预定电位VD时，开关电源300结束软启动操作，使控制单元301输出的脉冲信号CPDN稳定在高电位。因而，节点B的电位(即开关控制信号VG的电位)被导通的晶体管Mn2以一定的速率拉到低电位。开关单元PSD则在开关控制信号VG的控制下输出稳定在高电平的第二电源VPPO。

图5为图3及图4所示开关电源各信号的时序图。请一并参阅图3至图5，由于控制单元301输出的脉冲信号CPDN在时间t1之前都处于低电位，因而压降控制单元306在时间t1之前处于关闭的状态。不同的是，在时间t1之前，偏置电路303依据接收到的第一偏置信号Nbias与第二偏置信号Pbias将开关控制信号VG的电压由高电位(3v)拉到第一预定电位VM，VM＝VPP-VT。此时，开关单元PSD导通，并依据接收到的开关控制信号VG输出电流I(PSD)以及第二电源VPPO。控制单元301输出的脉冲信号CPDN在时间t1至t2为周期性的脉冲，这使得压降控制单元306在时间t1开始工作，以将开关控制信号VG的电位线性下拉。待开关控制信号VG的电位被降到第二预定电位VD时，即时间t2所对应的开关控制信号VG的电位值，开关电源300结束软启动。控制单元301输出的脉冲信号CPDN在时间t2由周期性的脉冲变为稳定的高电平。因此，在时间t2以后，开关控制信号VG在压降控制单元306的作用下被拉到低电位，使得开关单元PSD输出稳定的第二电源VPPO。由图5可知，由于开关控制信号VG是被线性的降到低电位的，因而开关单元PSD产生的电流I(PSD)是持续且线性增大的，从而可避免在第二电源VPPO上电的过程中出现较大的峰值电流。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种开关电源的软启动电路，用于依据一第一电源产生一第二电源，其特征在于，包括：

一控制单元，依据一外部时钟以及一软启动使能信号产生一脉冲信号、一开关控制信号以及一第一偏置信号；

一偏置电路，根据所述第一电源产生一第一预定电位，以使所述开关控制信号的电位偏移至所述第一预定电位；

一压降控制单元，耦接于该开关控制信号与一接地端之间5，用于根据所述控制单元输出的脉冲信号与所述第一偏置信号，使所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位偏移至一第二预定电位；以及

一开关单元，根据所述开关控制信号及所述第一电源产生所述第二电源，所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位线性下降至所述第二预定电位，使所述开关单元输出的所述第二电源的电压线性上升。

2.根据权利要求1所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述开关单元为一P型晶体管，所述第一预定电位等于所述第一电源与所述开关单元的阈值电压的差值。

3.根据权利要求1所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述第二预定电位的值与所述脉冲信号的占空比成反比。

4.根据权利要求1所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述压降控制单元包括：

一第一晶体管，其源极接地，栅极连接至所述第一偏置信号；

一第二晶体管，其源极连接至所述第一晶体管的漏极，栅极连接至所述脉冲信号，漏极连接至所述开关控制信号。

5.根据权利要求4所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述第二晶体管依所述脉冲信号打开，使所述开关单元的寄生电容进行放电，所述开关控制信号的电位被线性下拉。

6.根据权利要求1所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述控制单元还产生一第二偏置信号，所述偏置电路根据所述第一电源、所述第一偏置信号以及所述第二偏置信号，将所述开关控制信号的电位偏移至所述第一预定电位。

7.根据权利要求1所述的开关电源的软启动电路，其特征在于，所述第一偏置信号为电流镜偏置信号。

8.一种开关电源的软启动方法，用于依据一开关控制信号及一第一电源产生一第二电源，其特征在于，包括：

提供一脉冲信号，所述脉冲信号在第一时间点之前处于低电平，在第二时间点之后处于高电平，在所述第一时间点与所述第二时间点之间为周期性重复的脉冲；

提供一偏置电路，驱使所述开关控制信号的电位在第一时间点下降至一第一预定电位；以及

提供一压降控制单元，在所述第一时间点启动，并依据所述脉冲信号驱使所述开关控制信号的电位由所述第一预定电位下降至一第二预定电位，以完成所述开关电源的软启动操作。

9.根据权利要求8所述的开关电源的软启动方法，其特征在于，提供一开关单元，若所述开关控制信号的电位下降到所述第一预定电位，则所述开关单元导通并输出所述第二电源。

10.根据权利要求8所述的开关电源的软启动方法，其特征在于，所述压降控制单元在将所述开关控制信号的电位下拉至所述第二预定电位后，继续依据所述脉冲信号将所述开关控制信号的电位下拉至零，使得所述开关单元输出稳定的所述第二电源。