CN102195461B - 一种dc-dc软启动控制电路 - Google Patents

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本发明涉及一种DC-DC软启动控制电路，它包括一续流管关断比较器、一误差放大器、一采样模块、一数模转换模块和一PWM信号产生模块，其中，所述续流管关断比较器的同相输入端接收一第二基准电压信号，其反相输入端与所述误差放大器的反相输入端连接，并接收一输出电压反馈信号，其输出端通过一第一或非门输出一续流管关断信号，所述第一或非门的输入端还接收一从所述PWM信号产生模块输出的信号；所述误差放大器的同相输入端接收一第一基准电压信号，并输出一电压误差信号。本发明可以良好地抑制浪涌电流及消除输出电压过冲，且对DC-DC转换器的正常工作没有影响。

Description

一种DC-DC软启动控制电路
技术领域
本发明涉及集成电路，尤其涉及一种用于电流模DC-DC(直流-直流)开关电源转换器(以下简称DC-DC转换器)芯片内的DC-DC软启动控制电路。
背景技术
众所周知，DC-DC转换器在上电启动时，转换器的输出端会有较大的浪涌电流以及输出电压过冲，从而会对供电电源及负载电子系统造成不良影响，因此需要通过软启动电路来实现DC-DC转换器的平稳启动，以达到限制浪涌电流及消除输出电压过冲的目的。
然而，当前大部分软启动控制电路通常需要充电电流源、专用引脚及外接电容来实现软启动功能，这会造成PCB(集成电路)板空间浪费和DC-DC转换器芯片使用成本升高的问题；现有技术中，转换器芯片内虽然已集成有软启动电路，但由于启动时间与充电电容成正比，且软启动要求有足够的启动时间，因此在芯片内仍需较大的电容，因此需要占用较大的芯片面积。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种可以集成在开关电源转换器芯片内部的DC-DC软启动控制电路，以较少的转换器芯片面积实现片内DC-DC软启动控制、限制浪涌电流及消除输出电压过冲，降低芯片成本，并提高其可靠性。
本发明所述的一种DC-DC软启动控制电路，它包括一续流管关断比较器、一误差放大器、一采样模块、一数模转换模块和一PWM信号产生模块，其中，
所述续流管关断比较器的同相输入端接收一第二基准电压信号，其反相输入端与所述误差放大器的反相输入端连接，并接收一输出电压反馈信号，其输出端通过一第一或非门输出一续流管关断信号，所述第一或非门的输入端还接收一从所述PWM信号产生模块输出的信号；
所述误差放大器的同相输入端接收一第一基准电压信号，并输出一电压误差信号；
所述采样模块接收一电压输入信号，并输出一电感电流采样电压信号；
所述数模转换模块接收一输入时钟信号，并输出一软启动门限控制信号；
所述PWM信号产生模块的输入端分别与所述误差放大器、采样模块和数模转换模块的输出端连接，并接收一峰值限流控制电压信号，输出一PWM信号。
在上述的DC-DC软启动控制电路中，所述PWM信号产生模块包括一PWM比较器、一峰值限流比较器、一软启动限流比较器和一第二或非门，其中，
所述PWM比较器的反相输入端接收所述的电压误差信号，其同相输入端分别与所述峰值限流比较器以及软启动限流比较器的同相输入端连接，并接收所述的电感电流采样电压信号；
所述峰值限流比较器的反相输入端接收所述的峰值限流控制电压信号；
所述软启动限流比较器的反相输入端接收所述的软启动门限控制信号；
所述第二或非门的输入端分别与所述PWM比较器、峰值限流比较器以及软启动限流比较器的输出端连接，其输出端一方面通过一第一非门输出所述的PWM信号，另一方面与所述第一或非门的输入端连接。
在上述的DC-DC软启动控制电路中，所述PWM信号产生模块包括一镜像电流源以及第四至第十三MOS管，其中，
所述镜像电流源的输入端接收所述电压输入信号，其输出端分别与所述的第六MOS管和第七MOS管连接，该第六MOS管的两端依次并联连接所述的第五MOS管和第四MOS管，且所述的第六MOS管和第七MOS管分别串联所述的第九MOS管和第十MOS管后接地；
所述第四至第七MOS管的栅极分别接收所述电压误差信号、软启动门限控制信号、峰值限流控制电压信号和电感电流采样电压信号，所述第九MOS管的栅极连接到其与第六MOS管的连接端，第十MOS管的栅极连接到其与第七MOS管的连接端；
所述第十二MOS管、第十三MOS管、第十一MOS管和第八MOS管首尾相连，所述第十二MOS管和第十三MOS管的连接端接收所述电压输入信号，且该第十二MOS管的栅极一方面连接到其与第八MOS管的连接端，另一方面与第十三MOS管的栅极连接，所述第八MOS管和第十一MOS管的连接端接地，且该第八MOS管的栅极还与所述第九MOS管的栅极连接，该第十一MOS管的栅极还与所述第十MOS管的栅极连接，第十三MOS管和第十一MOS管的连接端依次通过一第六非门和一第七非门输出所述的PWM信号。
在上述的DC-DC软启动控制电路中，所述采样模块包括并联连接的斜坡补偿电流源和电感采样电流源，且该斜坡补偿电流源和电感采样电流源的输入端同时接收所述的电压输入信号，它们的输出端同时通过一第一电阻接地，并输出所述的电感电流采样电压信号。
在上述的DC-DC软启动控制电路中，所述的数模转换模块包括依次串联在所述电压输入信号端与地之间的置位电流源、第二电阻、第三电阻、置位电阻和第三MOS管以及依次串联的第一与非门、第一至第四D触发器，且该第一与非门接收所述的输入时钟信号，其中，
所述第二电阻和第三电阻的两端分别并联有一第一MOS管和一第二MOS管；
所述第三D触发器的输出端一方面通过一第二非门与所述第一MOS管的栅极连接，另一方面与一第二与非门的一输入端连接，所述第四D触发器的输出端一方面通过一第三非门与所述第二MOS管的栅极连接，另一方面与所述第二与非门的另一输入端连接，且该第二与非门的输出端一方面连接到所述第一与非门的输入端，另一方面依次通过一第四非门和一第五非门与所述第三MOS管的栅极连接。
在上述的DC-DC软启动控制电路中，所述的第一至第四D触发器分别接收一计数器清零信号，且该第一至第四D触发器的D端分别和其QB端连接，所述第一D触发器的CLK端与所述第一与非门的输出端连接，其Q端与所述第二D触发器的CLK端连接，该第二D触发器的Q端与所述第三D触发器的CLK端连接，该第三D触发器的QB端与所述第四D触发器的CLK端连接，所述第三D触发器和第四D触发器的Q端分别连接到所述第二与非门的两个输入端。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过采用数模转换模块和PWM信号产生模块来实现DC-DC转换器的软启动控制，且该PWM信号产生模块可利用复合比较器电路实现，本发明无需电容，且将通常需要至少3个比较器实现的软启动优化成由一个比较器实现，因此，本发明不仅结构简单，易于实现而且节约了电流模DC-DC开关电源转换器芯片面积，减少了芯片管脚数目，降低了芯片的功耗。
附图说明
图1是本发明一种DC-DC软启动控制电路的结构示意图；
图2是本发明一种DC-DC软启动控制电路中数模转换模块的电路框图；
图3是本发明一种DC-DC软启动控制电路中PWM信号产生模块的较佳实施例的电路框图；
图4是本发明一种DC-DC软启动控制电路中数模转换模块的工作时序图；
图5是具有本发明一种DC-DC软启动控制电路的DC-DC转换器的工作时序图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明，即一种DC-DC软启动控制电路，包括一续流管关断比较器COMP、一误差放大器EA、一采样模块1、一数模转换模块2和一PWM信号产生模块3，其中，
续流管关断比较器COMP的同相输入端接收一第二基准电压信号VREF’，其反相输入端与误差放大器EA的反相输入端连接，并接收一输出电压反馈信号VFB，其输出端通过一第一或非门41输出一续流管关断信号，第一或非门41的输入端还接收一从PWM信号产生模块3输出的信号；
误差放大器EA的同相输入端接收一第一基准电压信号VREF，并输出一电压误差信号VC；第一基准电压信号VREF等于两倍的第二基准电压信号VREF’；
采样模块1接收一电压输入信号VIN，并输出一电感电流采样电压信号VRAMP；
数模转换模块2接收一输入时钟信号CLK，并输出一软启动门限控制信号VSS；
PWM信号产生模块3的输入端分别与误差放大器EA、采样模块1和数模转换模块2的输出端连接，并接收一峰值限流控制电压信号VIH，输出一PWM信号。
具体地说，采样模块1包括并联连接的斜坡补偿电流源ISLOPE和电感采样电流源ISENSE，其中，电感采样电流源ISENSE的值＝实际的电感电流IL/K，K为电感电流采样系数；斜坡补偿电流源ISLOPE和电感采样电流源ISENSE的输入端同时接收电压输入信号VIN，它们的输出端同时通过一第一电阻R1接地，并输出电感电流采样电压信号VRAMP。
PWM信号产生模块3包括一PWM比较器ICOMP、一峰值限流比较器ILCOMP、一软启动限流比较器ISCOMP和第二或非门42，其中，
PWM比较器ICOMP的反相输入端接收电压误差信号VC，其同相输入端分别与峰值限流比较器ILCOMP以及软启动限流比较器ISCOMP的同相输入端连接，并接收电感电流采样电压信号VRAMP；
峰值限流比较器ILCOMP的反相输入端接收峰值限流控制电压信号VIH；
软启动限流比较器ISCOMP的反相输入端接收软启动门限控制信号VSS；
第二或非门42的输入端分别与PWM比较器ICOMP、峰值限流比较器ILCOMP以及软启动限流比较器ISCOMP的输出端连接，其输出端一方面通过一第一非门51输出PWM信号，另一方面与第一或非门41的输入端连接。
如图2所示，本发明中的数模转换模块2包括依次串联在电压输入信号VIN端与地之间的置位电流源ISET、第二电阻R2、第三电阻R3、置位电阻RSET和第三MOS管M3以及依次串联的第一与非门61、第一至第四D触发器21至24，且该第一与非门61接收输入时钟信号CLK，其中，
第二电阻R2和第三电阻R3的两端分别并联有一第一MOS管M1和一第二MOS管M2；
第一至第四D触发器21至24分别接收一计数器清零信号RESET，且该第一至第四D触发器21至24的D端分别和其QB端连接，第一D触发器21的CLK端与第一与非门61的输出端连接，接收其输出的计数器时钟信号CLK2，其Q端与第二D触发器22的CLK端连接，该第二D触发器22的Q端与第三D触发器23的CLK端连接，该第三D触发器23的QB端与第四D触发器24的CLK端连接，所述第三D触发器和第四D触发器的分别连接到所述第二与非门的两个输入端。
第三D触发器23的Q端一方面通过一第二非门52与第一MOS管M1的栅极连接，另一方面与一第二与非门62的一输入端连接，第四D触发器24的Q端一方面通过一第三非门53与第二MOS管M2的栅极连接，另一方面与第二与非门62的另一输入端连接，且该第二与非门62的输出端一方面向第一与非门61的输入端输出一计数器时钟关断控制信号SHUT，另一方面依次通过一第四非门54和一第五非门55与第三MOS管M3的栅极连接。
如图3所示，本发明中PWM信号产生模块3的控制逻辑实际中可以利用一个复合比较器实现，即PWM信号产生模块3包括一镜像电流源IBIAS以及第四至第十三MOS管M4至M13，其中，
镜像电流源IBIAS的输入端接收电压输入信号VIN，其输出端分别与第六MOS管M6和第七MOS管M7连接，该第六MOS管M6的两端依次并联连接第五MOS管M5和第四MOS管M4，且第六MOS管M6和第七MOS管M7分别串联第九MOS管M9和第十MOS管M10后接地；
第四至第七MOS管M4至M7的栅极分别接收电压误差信号VC、软启动门限控制信号VSS、峰值限流控制电压信号VIH和电感电流采样电压信号VRAMP，第九MOS管M9的栅极连接到其与第六MOS管M6的连接端，第十MOS管M10的栅极连接到其与第七MOS管M7的连接端；
第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十一MOS管M11和第八MOS管M8首尾相连，第十二MOS管M12和第十三MOS管M13的连接端接收电压输入信号VIN，且该第十二MOS管M12的栅极一方面连接到其与第八MOS管M8的连接端，另一方面与第十三MOS管M13的栅极连接，第八MOS管M8和第十一MOS管M11的连接端接地，且该第八MOS管M8的栅极还与第九MOS管M9的栅极连接，该第十一MOS管M11的栅极还与第十MOS管M10的栅极连接，第十三MOS管M13和第十一MOS管M11的连接端依次通过一第六非门56和一第七非门57输出PWM信号。
请参阅图4至图5，本发明的工作原理如下：
当DC-DC转换器处于软启动过程中，数模转换模块2输出阶段上升的软启动门限控制信号VSS，并通过PWM信号产生模块3中的软启动限流比较器ISCOMP将其与电感电流采样电压信号VRAMP进行比较；此时，输出电压反馈信号VFB过低，误差放大器EA输出的电压误差信号VC会达到其最大值，因此，PWM比较器ICOMP的输出信号对控制逻辑不起作用；另外，此时软启动门限控制信号VSS小于峰值限流控制电压信号VIH，因此峰值限流比较器ILCOMP被软启动限流比较器ISCOMP屏蔽，从而仅软启动限流比较器ISCOMP控制软启动过程中的电感电流IL，即电感电流IL仅被软启动门限控制信号VSS决定。
当软启动完成后，数模转换模块2中的第二与非门62输出计数器时钟关断控制信号SHUT，此时，复位电流源ISET将软启动门限控制信号VSS拉高至电源电压(即电压输入信号VIN)，数模转换模块2实现自关断；此时，软启动门限控制信号VSS大于峰值限流控制电压信号VIH，软启动限流比较器ISCOMP对控制逻辑不再作用。续流管关断比较器COMP检测输出电压反馈信号VFB，当输出电压反馈信号VFB电压小于第二基准电压信号VREF’时，将强制关断续流管，从而增大启动时电感电流IL的下降斜率，进一步防止电感电流IL过冲。
当DC-DC转换器正常工作时，PWM比较器ICOMP产生PWM比较信号，而峰值限流比较器ILCOMP(峰值限流比较器ILCOMP只在DC-DC转换器发生短路过流时起限流作用)和软启动限流比较器ISCOMP均不起作用；当PWM信号产生模块3输出的PWM信号为高时将关断DC-DC转换器芯片的主开关管。
本发明工作在各阶段时的各比较器输入电压信号与电感电流IL的峰值限流值的对应情况见表1：
表1
Figure GDA0000019911360000071
Figure GDA0000019911360000081
其中，K为电感电流采样系数；R为第一电阻R1的值。
综上所述，本发明可以良好地抑制浪涌电流及消除输出电压过冲，且对DC-DC转换器的正常工作没有影响。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种DC-DC软启动控制电路，其特征在于，所述控制电路包括一续流管关断比较器、一误差放大器、一采样模块、一数模转换模块和一PWM信号产生模块，其中，
所述续流管关断比较器的同相输入端接收一第二基准电压信号，其反相输入端与所述误差放大器的反相输入端连接，并接收一输出电压反馈信号，其输出端通过一第一或非门输出一续流管关断信号，所述第一或非门的输入端还接收一从所述PWM信号产生模块输出的信号；
所述误差放大器的同相输入端接收一第一基准电压信号，并输出一电压误差信号；
所述采样模块接收一电压输入信号，并输出一电感电流采样电压信号；
所述数模转换模块接收一输入时钟信号，并输出一软启动门限控制信号；
所述PWM信号产生模块的输入端分别与所述误差放大器、采样模块和数模转换模块的输出端连接，并接收一峰值限流控制电压信号，输出一PWM信号，
所述PWM信号产生模块包括一PWM比较器、一峰值限流比较器、一软启动限流比较器和一第二或非门，其中，
所述PWM比较器的反相输入端接收所述的电压误差信号，其同相输入端分别与所述峰值限流比较器以及软启动限流比较器的同相输入端连接，并接收所述的电感电流采样电压信号；
所述峰值限流比较器的反相输入端接收所述的峰值限流控制电压信号；
所述软启动限流比较器的反相输入端接收所述的软启动门限控制信号；
所述第二或非门的输入端分别与所述PWM比较器、峰值限流比较器以及软启动限流比较器的输出端连接，其输出端一方面通过一第一非门输出所述的PWM信号，另一方面与所述第一或非门的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的DC-DC软启动控制电路，其特征在于，所述PWM信号产生模块包括一镜像电流源以及第四至第十三MOS管，其中，
所述镜像电流源的输入端接收所述电压输入信号，其输出端分别与所述的第六MOS管和第七MOS管连接，该第六MOS管的两端依次并联连接所述的第五MOS管和第四MOS管，且所述的第六MOS管和第七MOS管分别串联所述的第九MOS管和第十MOS管后接地；
所述第四至第七MOS管的栅极分别接收所述电压误差信号、软启动门限控制信号、峰值限流控制电压信号和电感电流采样电压信号，所述第九MOS管的栅极连接到其与第六MOS管的连接端，第十MOS管的栅极连接到其与第七MOS管的连接端；
所述第十二MOS管、第十三MOS管、第十一MOS管和第八MOS管首尾相连，所述第十二MOS管和第十三MOS管的连接端接收所述电压输入信号，且该第十二MOS管的栅极一方面连接到其与第八MOS管的连接端，另一方面与第十三MOS管的栅极连接，所述第八MOS管和第十一MOS管的连接端接地，且该第八MOS管的栅极还与所述第九MOS管的栅极连接，该第十一MOS管的栅极还与所述第十MOS管的栅极连接，第十三MOS管和第十一MOS管的连接端依次通过一第六非门和一第七非门输出所述的PWM信号。
3.根据权利要求1或2所述的DC-DC软启动控制电路，其特征在于，所述采样模块包括并联连接的斜坡补偿电流源和电感采样电流源，且该斜坡补偿电流源和电感采样电流源的输入端同时接收所述的电压输入信号，它们的输出端同时通过一第一电阻接地，并输出所述的电感电流采样电压信号。
4.根据权利要求1或2所述的DC-DC软启动控制电路，其特征在于，所述的数模转换模块包括依次串联在所述电压输入信号端与地之间的置位电流源、第二电阻、第三电阻、置位电阻和第三MOS管以及依次串联的第一与非门、第一至第四D触发器，且该第一与非门接收所述的输入时钟信号，其中，
所述第二电阻和第三电阻的两端分别并联有一第一MOS管和一第二MOS管；
所述第三D触发器的输出端一方面通过一第二非门与所述第一MOS管的栅极连接，另一方面与一第二与非门的一输入端连接，所述第四D触发器的输出端一方面通过一第三非门与所述第二MOS管的栅极连接，另一方面与所述第二与非门的另一输入端连接，且该第二与非门的输出端一方面连接到所述第一与非门的输入端，另一方面依次通过一第四非门和一第五非门与所述第三MOS管的栅极连接。
5.根据权利要求4所述的DC-DC软启动控制电路，其特征在于，所述的第一至第四D触发器分别接收一计数器清零信号，且该第一至第四D触发器的D端分别和其QB端连接，所述第一D触发器的CLK端与所述第一与非门的输出端连接，其Q端与所述第二D触发器的CLK端连接，该第二D触发器的Q端与所述第三D触发器的CLK端连接，该第三D触发器的QB端与所述第四D触发器的CLK端连接，所述第三D触发器和第四D触发器的Q端分别连接到所述第二与非门的两个输入端。
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