发明内容
本发明的目的在于提供一种数模转换控制的DC-DC开关电源软启动电路,该软启动电路可以适用于任何一种电压控制模式或者电压加电流控制模式,电路相对简单,软启动时间精确控制,工作稳定可靠。
本发明采用如下技术方案:
一种数模转换控制的DC-DC开关电源软启动电路,该电路包括振荡器,计数器,数模转换器,误差放大器6,PWM比较器4,开关控制器5;
开关控制器的Q输出端接外部开关整流管的栅级,控制开关整流管的导通与关断,QN输出端接外部续流管的栅级,当开关整流管关断时为外部电感提供续流电流;
PWM比较器的输出端与振荡器的输出端连接到开关控制器的输入端,共同控制外部开关整流管和续流管的开关,PWM比较器的输入端分别接振荡器的输出端和误差放大器的输出端,其作用是比较误差放大器的输出电压值和振荡器输出斜波电压值大小,当误差放大器的输出电压值小于于振荡器输出斜波电压时,产生关断信号给开关控制器;
误差比较器的输入一端是输出经过外部第一采样电阻和第二采样电阻产生的采样电压,另外一端是输入数模转换器产生的数模转换电压,误差比较器的输出端输出的是采样电压和数模转化电压的差值放大信号,作为PWM比较器的输入端;
数模转换器的输入一端是基准电压,另外一输入端连接的是计数器产生的8位并行信号,输出的数模转换电压在8位并行总线信号控制下对基准电压进行比例分压得到;
计数器的一端连接的是振荡器的输出端,另外一端是清零信号,输出是8位并行信号,振荡器提供计数器的输入方波信号和PWM比较器的输入斜波信号。
所述数模转换器包括权电阻网络、二选一电路,
权电阻网络由14个电阻组成,电阻分别由第一电阻和第二电阻的电阻组成,第二电阻分别接二选一电路中第一二选一开关、第二二选一开关、第三二选一开关、第四二选一开关、第五二选一开关、第六二选一开关、第七二选一开关的输入端;
二选一电路由8个相同结构的二选一开关组成,由计数器输出的8位并行信号:第八位信号、第七位信号、第六位信号、第五位信号、第四位信号、第三位信号、第二位信号、第一位信号信号控制,第一位信号控制第一二选一开关,第二位信号控制第二二选一开关,第三位信号控制第三二选一开关,第四位信号控制第四二选一开关,第五位信号控制第五二选一开关,第六位信号控制第六二选一开关,第七位信号控制第七二选一开关,根据信号的高低电平不同来控制二选一开关接低电平还是接基准电压,第八位信号控制第八二选一开关,控制数模转换电压接权电阻网络的输出端还是接基准电压。
计数器的结构由8个D触发器组成,各个D触发器的清零端接清零信号,第一级D触发器的输入时钟CK端连接振荡器的输出端,输出端输出信号第一位,同时第一级D触发器的输出QN端接到第二级D触发器的输入时钟CK端,同时输出信号第二位,第二级D触发器)的输出QN端接到下一级D触发器的输入时钟CK端,依此类推,各D触发器按此法构成计数器,输出信号第八位信号、第七位信号、第六位信号、第五位信号、第四位信号、第三位信号、第二位信号、第一位信号。
有益效果:本发明软启动电路不要外加大电容,也不需要复杂的数字控制,可以很方便的集成到DC-DC开关电源内部,直接限制电路加电时输出的电压,使之受电路内部控制缓慢上升到预设电压值,软启动效果好,并且可以适用于电压模式的DC-DC开关电路和电压加电流模式的DC-DC开关电路,采用计数器控制数模转换器3输出缓慢上升的数模转换电压。具体而言,本发明具有以下技术特点:
本发明DC-DC开关电源,当电源加电时由于采样电压的值很小,如果不加控制电路,直接使数模转换器的输出数模转换电压等于基准电压,采样电压和数模转换电压的电压差很大,因为误差放大器是对采样电压和数模转换电压的电压差值进行比较放大,所以误差放大器的输出会使与相连的PWM比较器的输出控制开关控制器,使开关控制器的输出一直使大功率管处于导通状态,外部连接的电感一直出于充电状态。电感的能量积聚的结果是使输出的芯片设定电压上升,当上升到设定电压值时误差放大器和PWM比较器会控制开关控制器,使开关控制器的输出关断大功率管,停止对电感的充电,但这种控制需要一定的反应时间,在这段反应时间内电感还是处于充电状态,造成的结果就是在这段时间芯片设定电压VOUT过冲。这种过冲会影响到系统工作的稳定性以及电路的可靠性。
本发明加入数模转换控制软启动电路,通过控制电路上电时候数模转换器输出的数模转换电压的电压值,使数模转换电压的值在上电时候不是立刻等于基准电压的值,而是在振荡器、计数器、数模转换器的控制下把基准电压的电压等分,在振荡器的控制下,每过一个时钟数模转换电压的值上升一点,此时芯片设定电压也随之上升,芯片设定电压经过第一采样电阻和第二采样电阻的分压产生采样电压电压也随之上升,因为采样电压和数模转换电压同时上升,采样电压和数模转换电压的压差很小,所以不会出现上述没加软启动电路产生的芯片设定电压过冲现象。当128个时钟周期过后,数模转换电压的值等于基准电压,此时的芯片设定电压等于预设电压值,输出电压正常,没有过冲。
具体实施方式
下面参照附图,对本发明的具体实施方式加以详细描述:
一种数模转换控制的DC-DC开关电源软启动电路,该电路包括振荡器1,计数器2,数模转换器3,误差放大器6,PWM比较器4,开关控制器5;
开关控制器5的Q输出端接外部开关整流管P1的栅级,控制开关整流管的导通与关断,QN输出端接外部续流管N1的栅级,当开关整流管P1关断时为外部电感L1提供续流电流;
PWM比较器4的输出端与振荡器1的输出端连接到开关控制器5的输入端,共同控制外部开关整流管P1和续流管N1的开关,PWM比较器4的输入端分别接振荡器1的输出端和误差放大器6的输出端,其作用是比较误差放大器6的输出电压值和振荡器1输出斜波电压值大小,当误差放大器6的输出电压值小于于振荡器1输出斜波电压时,产生关断信号给开关控制器5
误差放大器6的输入一端是芯片设定电压VOUT经过外部第一采样电阻R1和第二采样电阻R2产生的采样电压V1,另外一端是输入数模转换器3产生的数模转换电压V2,误差放大器6的输出端输出的是采样电压V1和数模转换器3产生的数模转换电压V2的差值放大信号,作为PWM比较器4的输入端;
数模转换器3的输入一端是基准电压Vbg,另外一输入端连接的是计数器2产生的8位并行信号(D7~D0),输出数模转换电压V2的值在8位并行信号(D7~D0)对基准电压Vbg进行比例分压得到;
计数器2的一端连接的是振荡器1的输出端,另外一端是清零信号RST,输出是8位的并行信号第八位信号D7、第七位信号D6、第六位信号D5、第五位信号D4、第四位信号D3、第三位信号D2、第二位信号D1、第一位信号D0,振荡器1提供计数器2的输入方波信号和PWM比较器4的输入斜波信号。
数模转换器3包括权电阻网络10、二选一电路11。
权电阻网络10由14个电阻组成,电阻阻值分别由第一电阻R和第二电阻2R的电阻组成,第二电阻2R一共有7个,分别接到二选一电路11中第一二选一开关K0、第二二选一开关K1、第三二选一开关K2、第四二选一开关K3、第五二选一开关K4、第六二选一开关K5、第七二选一开关K6的输入端;
二选一电路11由8个二选一电路组成,由计数器2输出的的并行信号第八位信号D7、第七位信号D6、第六位信号D5、第五位信号D4、第四位信号D3、第三位信号D2、第二位信号D1、第一位信号D0信号控制,第一位信号D0控制第一二选一开关K0,第二位D1信号控制第二二选一开关K1,第三位信号D2控制第三二选一开关K2,第四位信号D3控制第四二选一开关K3,第五位信号D4控制第五二选一开关K4,第六位信号D5控制第六二选一开关K5,第七位信号D6控制第七二选一开关K6,根据这七个信号的高低电平不同来控制权电阻网络10中的第二电阻2R接电源低电平还是接基准电压Vbg,第八位信号D7控制第八二选一开关K7,控制数模转化电压V2接权电阻网络10的输出端还是接基准电压Vbg。
计数器2的结构由8个D触发器50、51、52、53、54、55、56、57组成,各个D触发器的清零端接清零信号RST,第一级D触发器50的输入时钟端连接振荡器1的输出端,输出端输出信号第一位信号D0,同时第一级D触发器50的输出QN端接到第二级D触发器51的CK端,同时输出信号第二位信号D1,第二级D触发器51的输出QN端接到下一级D触发器52的CK端,依此类推,各D触发器按此法构成计数器,输出8位并行信号:第八位信号D7、第七位信号D6、第六位信号D5、第五位信号D4、第四位信号D3、第三位信号D2、第二位信号D1、第一位信号D0。
振荡器1产生计数器2所需要的方波信号以及PWM比较器4所需要的斜升波信号,振荡频率为一固定频率,频率占空比固定。
计数器2对振荡器1输出的方波信号进行计数,输出端为信号第八位信号D7、第七位信号D6、第六位信号D5、第五位信号D4、第四位信号D3、第三位信号D2、第二位信号D1、第一位信号D0。这八个输出端从第八位信号D7到第一位信号D0转化成二进制数后的范围从00000000到10000000,第一位信号D0为最低位,第八位信号D7为最高位,,用以设定后面连接的数模转换器3的输出电压值,当第八位信号D7位是1时代表数模转换已经结束。
数模转换器3的输入为计数器2的输出以及基准电压Vbg,数模转换器3的输出按照计数器2的输出8位并行信号(D7~D0)所表示的二进制数对基准电压Vbg分压,具体输出的数模转换电压V2的表达式为,V2=Vbg*(D0*20+D1*21+D2*22+D3*23+D4*24+D5*25+D6*26+D7)/128,前式根据8位并行信号(D7~D0)电平的高低转换成1或者0。所以根据前式输出数模转换电压V2的最小值为0,最大值为基准电压Vbg。数模转换电压V2的数值在电路上电时候从0上升到基准电压Vbg,采样电压V1的值跟随数模转换电压V2的值也从0上升到基准电压Vbg,因为采样电压V1为DC-DC开关电源芯片设定电压VOUT通过第一采样电阻R1和第二采样电阻R2的分压,最终可以推出DC-DC开关电源最终输出芯片设定电压VOUT也从0上升到设定值。
误差放大器6是一个运算放大器,其作用是放大数模转换器3的输出数模转换电压V2的电压值与芯片设定电压VOUT经过第一采样电阻R1和第二采样电阻R2产生的采样电压V1的电压值,输出给PWM比较器4做比较电平。
PWM比较器4是一个电压比较器,其作用是比较误差放大器6的输出电压与振荡器1输出的斜升波电压的大小,输出高低电平控制开关控制器5的输出。
开关控制器5的作用是按照振荡器1输出的时钟信号和PWM比较器4输出的高低电平信号控制外部开关管P1和续流管N1的开启和关断。
方案中由振荡器1,计数器2,数模转换器3,误差放大器6,PWM比较器4,开关控制器5和外部开关管P1,续流管N1,以及电感L1,第一采样电阻R1,第二采样电阻R2组成控制环路,始终使芯片设定电压VOUT经过采样后的采样电压V1和数模转换器3输出的数模转换电压V2保持一致,从而使芯片设定电压VOUT电压与模转换器3输出的数模转换电压V2保持线性关系。
如图1所示,本发明提供的软启动电路30包括以下几个部分:包括振荡器1,计数器2,数模转换器3,误差放大器6,PWM比较器4,开关控制器5。
下面以接入功率管P1和续流管N1来说明本发明的具体结构。
开关控制器5的Q输出端接功率管P1的栅极,控制功率管P1的导通和关断,从而控制开关信号的占空比。QN端接续流管N1,当功率管P1关断时续流管N1导通。开关控制器5的输入端分别接振荡器1的输出端和PWM比较器4的输出端,在这两个信号的共同作用下控制功率管P1和续流管N1的导通与关断。PWM比较器4的输入是振荡器1输出的斜波电压和误差放大器6的输出,作用是比较这两个输出电压的高低,当误差放大器6的输出小于振荡器1输出的斜波电压时,PWM比较器4的输出控制开关控制器5,使功率管P1关断,续流管N1导通;反之当误差放大器6的输出大于振荡器1输出的斜波电压时,PWM比较器4的输出控制开关控制器5,使功率管P1导通,续流管N1关断。振荡器1的输出方波信号给计数器2计数,输出8位并行控制信号D7~D0给数模转换器3做数模转换输出电压从0上升到基准电压Vbg的数模转换电压V2,数模转换电压V2与芯片设定电压VOUT的采样电压V1接入到误差放大器6的输入,误差放大器6放大芯片设定电压VOUT经过采样后的采样电压V1和数模转换器3输出的数模转换电压V2的差值作为PWM比较器4的一个输入电压。
图2为本发明软启动电路应用与DC-DC开关电源结构中的结构示意图。功率管P1,续流管N1,外接电感L1,芯片设定电压VOUT,第一采样电阻R1和第二采样电阻R2。开关电源的输出是芯片设定电压VOUT。
芯片上电之后,振荡器1开始输出振荡信号,计数器2开始对振荡器1输出的方波信号进行计数,数模转换器3根据计数器2输出的8位并行信号D7~D0和基准电压Vbg,进行数模转换,数模转换电压V2从0上升到基准电压Vbg;芯片上电时芯片设定电压VOUT为0,经过第一采样电阻R1和第二采样电阻R2分压产生采样电压V1,因为采样电压V1和数模转换电压V2都是从0开始上升,采样电压V1信号跟随数模转换电压V2上升,所以两者的电压差很小,经过误差放大器6输出到PWM比较器4,PWM比较器4的输出控制开关控制器5输出开关信号,因为采样电压V1和数模转换电压V2的电压差很小,由误差比较器6和PWM比较器4和开关控制器5控制的开关信号处于正常的开关状态。外部电感L1上的充电电流呈周期性的上升下降。此时芯片设定电压VOUT呈近似线性上升。始终跟随数模转换电压V2的变化。当计数器2计到128个周期后,数模转换电压V2信号等于基准电压Vbg,此时芯片设定电压VOUT信号等于由基准电压Vbg和第一采样电阻R1和第二采样电阻R2决定的设定电压,VOUT=Vbg*(R1+R2)/R2。软启动完成,芯片设定电压VOUT到达预先设定电压后电路开始正常工作。输出电压始终保持在预先设定的电压VOUT=Vbg*(R1+R2)/R2上。
如图3所示,当电路加电后,软启动电路开始工作。数模转换器3根据计数器2输出的8位并行信号D7~D0信号进行数模转换,转换的基准为基准电压Vbg。在第一个时钟周期,8位并行信号D7~D0都为低电平,转化成二进制数为00000000,输出的数模转换电压V2为Vbg*0/128=0,在第二个时钟周期8位并行信号D7~D0中的第一位信号D0为1,其余各位为0,转化成二进制数为00000001,输出V2为Vbg*1/128,第三个时钟周期,8位并行信号D7~D0中的第二位信号D1为1,其余各位为0,转化成二进制数为00000010,输出的数模转换电压V2为Vbg*2/128,依此类推,每过一个时钟二进制数加一,第n个时钟周期(0≤n≤128),输出的数模转换电压V2的值为Vbg*n/128,数模转换电压V2呈阶梯状上升。因为芯片设定电压VOUT经过采样的采样电压V1跟随数模转换电压V2的变化,所以芯片设定电压VOUT也成阶梯状上升,当计到128个周期后,数模转换电压V2等于基准电压Vbg,输出VOUT=Vbg*R1+R2/R2。
如图4所示是振荡器1的一种结构示意图,其结构为:PMOS管MP1,MP2,MP3,MP4,MP5,MP6的源端都是连接电源VDD,栅端都连接在PMOS管MP1的漏端,MP1的漏端连接到电流源I0。PMOS管MP2的漏端连接到NMOS管MN2的栅端,电容C0的一端,NMOS管MM1的栅端和漏端和NMOS管MN6的漏端。PMOS管MP3的漏端连接到NMOS管MN2的漏端,PMOS管MP4的漏端连接到NMOS管MN3的漏端和NMOS管MN4,电容C1的一端,PMOS管MP7的栅端和NMOS管MN5的漏端。PMOS管MP5的漏端连接到NMOS管MN4的漏端。PMOS管MP6的漏端连接到NMOS管MP7的源端。NMOS管MN1,MN2,MN3,MN4,MN5,MN6的源端都是连接到地。反向器40的输入端连接到PMOS管MP5和NMOS管MN4的漏端,输出端连接到或非门42的输入端;反相器41的输入端连接到PMOS管MP3和NMOS管MN2的漏端,输出端连接到或非门43的输入端。反相器44输入端是或非门42的输出,输出连接到NMOS管MN5的栅端。或非门42,43组成RS触发器。工作原理为,电流源I0在MP1上产生基准电流,MP2,MP3,MP4,MP5,MP6因为和MP1的栅源电压一致,所以流过MP2,MP3,MP4,MP5,MP6的电流和I0一致。MP2,MP3,MN1,MN2,MM6,C0组成充放电电路,当MN6的栅电压为低电平时,电容C0上的电压缓慢上升,当此电压上升到使MN2管导通时,MN2和MP3组成的输出电路通过反向器41对或非门42和或非门43组成的RS触发器置位,输出OSC为高电平,此时由MP4,MP5,MN3,,MN4,MN5和电容C1组成的充方电电路开始充电,电容C1上的电压线性上升,经过MP6,MP7组成的电平移位电路产生斜升波电压,当电容C1上的电压大于MN4的开启电压时,MP5和MN4组成的输出电路经过反向器40对或非门42和或非门43组成的RS触发器复位,输出OSC为低电平,这时MP2,MP3,MN1,MN2,MM6,C0组成充放电电路又开始充电,如此周而复始,OSC端产生周期性方波信号,RAMP端产生周期性斜升波电压。
如图5所示,计数器2的结构示意图为:8个D触发器50、51、52、53、54、55、56、57组成计数单元,RST信号接到每个D触发器的清零端,CK信号为振荡器1输出的方波信号,接到触发器50的时钟CK端。每个D触发器的输出QN端接到下级触发器的CK端,当电路加电时候,RST信号先给每个D触发器清零,然后在时钟信号CK的作用下8个D触发器开始计数,输出8位控制信号D7~D0按照二进制数的关系从00000000到00000001到00000010一直计数到10000000,每个时钟CK变化一次,每次变化在上次的变化基础上加1。当计数到二进制数10000000时,计数停止。
如图6所示,数模转换器3的结构为:由第一电阻R和第二电阻2R电阻共14个电阻组成权电阻网络10,二选一开关K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6组成选择电路,控制每路接到地还是接到基准电压Vbg,第一二选一开关K0由第一位信号D0控制,当第一位信号D0为低电平时,开关选通左边一路接地,当第一位信号D0为高电平时,开关选通右边一路接到基准电压Vbg,第二二选一开关K1由第二位信号D1控制,第三二选一开关K2由第三位信号D2控制,第四二选一开关K3由第四位信号D3控制,第五二选一开关K4由第五位信号D4控制,第六二选一开关K5由第六位信号D5控制,第七二选一开关K6由第七位信号D6控制,控制方法和第一位信号D0控制第一二选一开关K0的方法相同。第八二选一开关K7由第八位信号D7控制,当第八二选一开关K7为低电平时,开关选通权电阻网络10的输出,当第八二选一开关K7为高电平时,开关选通接到基准电压Vbg,从图中可以看出,输出的数模转换电压V2的表达式可表示为:V2=Vbg*(D0*20+D1*21+D2*22+D3*23+D4*24+D5*25+D6*26+D7)/128,式中第一位信号D0为低电平时用0替代,第一位信号D0为高电平是用1替代,其余各位D7~D1的表示方法和第一位信号D0的表示方法相同。
如图7所示,软启动过程中计数器2在振荡器1控制下的输出时序图如图所示,在时钟信号CK的驱动下,输出的8位并行信号D7~D0输出转化成二进制数后,每来一个CK信号。输出8位并行信号D7~D0按每位低电平为0,高电平为1的方式由00000000开始累加,直到计数到10000000为止。
图8为开关电源电路在软启动过程中芯片设定电压VOUT的波形图,可以看出芯片设定电压VOUT从小到大按阶梯状上升,当上升到预设电压时稳定输出,很好的抑制了过冲电压。
虽然本发明经过具体实例作为例示加以说明,但是本发明并不限制于此处公开的实例,也不能被认为是对本发明权利要求的限制。如果其他人根据本发明做出了非实质性的改变或改进,都应该属于本发明权利要求保护的范围。