CN102280994B - 利用脉频和脉宽调制的软启动电路及软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路及软启动方法，该电路包括脉宽调制电流源电路，脉频调制电流源电路，振荡器电路，时序控制电路，采样反馈电路；所述脉宽调制电流源电路用以控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比；所述脉频调制电流源电路用以控制所述振荡器电路输出脉冲的频率；所述振荡器电路用以产生脉宽和频率都逐步扩大的脉冲，进而控制时序控制电路；所述时序控制电路用以分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；所述采样反馈电路用以采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制或脉频调制的工作方式。本发明既可以起到软启动的作用，又可以在系统运行中根据负载的轻重选择脉频调制或脉宽调制的工作方式。

Description

利用脉频和脉宽调制的软启动电路及软启动方法

技术领域

本发明属于电子电路领域，涉及一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路及软启动方法。

背景技术

在集成电路的启动过程中，集成电路芯片内部不同电路模块的工作顺序是非常重要的，有时会影响芯片的功能，特别是对于电源管理芯片。如果启动时的脉冲电流太大，在芯片的启动过程中这种瞬态脉冲大电流会把芯片烧坏。特别是对于控制大电流工作的芯片，这种现象会更加严重。所以为了芯片的安全工作，一般在电源管理芯片内部设有软启动电路。

软启动电路的设计方法很多。一种方法是对设定的电容充电，当电容上的电压充到一定值时，内部电路的工作点建立，驱动开关闭合，电路开始正常工作；另一种方法是采用计数的方法，每计数一次，电压升高一个水平，逐步升高控制电压的大小，直到完成计数，控制电压达到最大，电路开始正常工作。在开关电源电路中，为了避免功率管承受瞬态大电流的冲击，需要芯片控制电路输出的信号，进而控制功率管中的电流逐步增大，这也是一种软启动方法。为了实现这个功能，普遍的做法是采用脉宽调制方法，逐步增大控制脉冲的占空比，直到电路正常工作。在脉宽调制的软启动电路中，如果脉冲速度过大，或者开始时占空比太大，功率管中也会产生大的瞬态起始电流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路，该电路可以防止在电路启动时产生瞬态大电流；

此外本发明还提供一种利用脉频和脉宽调制的软启动方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路包括脉宽调制电流源电路，脉频调制电流源电路，振荡器电路，时序控制电路，采样反馈电路；所述脉宽调制电流源电路与一振荡器电路相连，用以控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；所述脉频调制电流源电路与一振荡器电路相连，用以控制所述振荡器电路输出脉冲的频率，使频率逐步扩大；所述振荡器电路与一时序控制电路相连，用以产生脉宽和频率都逐步扩大的脉冲，进而控制所述时序控制电路；所述时序控制电路与所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路分别相连，用以分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；所述采样反馈电路的输入端与所述振荡器电路的输出端相连，采样反馈电路的输出端与所述时序控制电路相连，用以采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制的工作方式或脉频调制的工作方式。

作为本发明的一种优选方案，所述脉宽调制电流源电路包括NMOS管MN1，NMOS管MN2，电流镜电路A，PMOS管MP1；NMOS管MN1的漏极与一电流源的正极相连；NMOS管MN2的漏极与NMOS管MN1的源极相连；电流镜电路A分别与所述NMOS管MN1、NMOS管MN2的栅极相连；PMOS管MP1的漏极与所述电流镜电路A的输出端相连，PMOS管MP1的源极与所述电流源的负极相连。

作为本发明的另一种优选方案，所述脉频调制电流源电路包括2路镜像电路；其中一路镜像电路用以为所述振荡器电路的充放电电容C提供充电电流，包括一与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP3；另一路镜像电路用以为所述振荡器电路的充放电电容C提供放电通路，包括PMOS管MP2，NMOS管MN3，NMOS管MN4，电流镜电路B；其中，PMOS管MP2与所述PMOS管MP1镜像连接；NMOS管MN3的漏极与所述PMOS管MP2的漏极相连；NMOS管MN4的漏极与所述NMOS管MN3的源极相连；电流镜电路B的输入端分别与所述NMOS管MN3和NMOS管MN4的栅极相连。

作为本发明的再一种优选方案，所述采样反馈电路包括驱动电路，PMOS管MP；驱动电路与所述振荡器电路的输出端相连；PMOS管MP的栅极与驱动电路的输出端相连，PMOS管MP的源极与所述时序控制电路相连。

一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，电路启动，脉宽调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；脉频调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的频率，使频率逐步扩大；

步骤二，振荡器电路在所述脉宽调制电流源电路和所述脉频调制电流源电路的控制下产生脉宽和频率都逐步扩大的输出脉冲；

步骤三，时序控制电路接收所述振荡器电路的输出脉冲，然后分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；

步骤四，启动结束，系统稳定工作时，采样反馈电路采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制的工作方式或脉频调制的工作方式。

作为本发明的一种优选方案，步骤一中，脉宽调制电流源电路中的电流源提供的基准电流I分别通过NMOS管MN1和NMOS管MN2流入电流镜电路A，电流镜电路A的输出电流在PMOS管MP1中产生镜像电流M×I，用以为振荡器电路的充放电电容C充电；M的大小是由时序控制电路的输出脉冲DM控制的。

作为本发明的另一种优选方案，步骤一中，所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP3输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的N倍，即N×M×I；PMOS管MP3输出的电流为振荡器电路的充放电电容C充电；N的大小是由时序控制电路的输出脉冲DN控制的；

所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP2输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的K倍，即K×M×I；PMOS管MP2输出的电流通过NMOS管MN3和NMOS管MN4镜像转换到电流镜电路B中，为振荡器电路的充放电电容C放电。

作为本发明的再一种优选方案，所述振荡器电路的充放电电容C的充电时间为：

其中VH和VL分别是振荡器电路中比较器的参考高电平和参考低电平；

所述振荡器电路的充放电电容C的放电时间为：

作为本发明的再一种优选方案，当所述充放电电容C充电到高电平VH时，振荡器电路的输出翻转，PMOS管MP3关闭，电流镜电路B开始工作，为电容C提供放电电流通路。

本发明的有益效果在于：本发明既可以起到软启动的作用，又可以在系统运行中根据负载的轻重选择脉频调制的工作方式或脉宽调制的工作方式。

附图说明

图1为本发明所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的电路图。

主要组件符号说明：

100、脉宽调制电流源电路；200、脉频调制电流源电路；

300、振荡器电路；        400、时序控制电路；

500、采样反馈电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路，如图1所示，它包括脉宽调制电流源电路100、脉频调制电流源电路200、振荡器电路300以及时序控制电路400和采样反馈电路500。

【脉宽调制电流源电路】

脉宽调制电流源电路100的基准电流I通过NMOS管MN1、NMOS管MN2和电流镜电路A，在PMOS管MP1中产生的镜像电流是M×I，M的大小是由时序控制电路400的输出脉冲DM控制的。PMOS管MP1为振荡器电路300的充放电电容C提供可变的充电电流。脉宽调制电流源电路100中的电流源的电流是由时序控制电路400发出的脉冲DM控制的，电流源的电流逐次减小。对振荡器电路300的充放电电容C的充电电流也是逐渐减小的。这使得振荡器电路300输出的振荡频率的占空比开始是最小的，占空比随充电电流的减小而逐步增加。

【脉频调制电流源电路】

脉频调制电流源电路200有两路镜像电路。

一路通过PMOS管MP 3镜像PMOS管MP1中的电流，PMOS管MP3的电流是PMOS管MP1中电流的N倍，即：N×M×I。该路镜像电路为振荡器电路300的充放电电容C提供充电电流，充电电流的大小是由电流镜电路A控制的。

另一路通过PMOS管MP2镜像PMOS管MP1中的电流，PMOS管MP2中的镜像电流是PMOS管MP1的K倍，即：K×M×I。PMOS管MP2中的电流通过NMOS管MN3和NMOS管MN4镜像转换到电流镜电路B中，为振荡器电路充放电电容C提供放电通路。放电电流的大小由时序控制电路400的输出脉冲DN控制。

【振荡器电路】

VH和VL分别是振荡器电路300中的比较器比较的参考高电平和参考低电平。

对充电电容C从电压VL充电到电压VH的时间是：

$T_{\mathrm{on}}=\frac{C\×(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}{M\×N\×I}---\left(1\right)$

当充电到高电平VH时，振荡器电路300的输出翻转，关闭充电电流镜PMOS管MP 3。脉频调制电流源电路200的电流镜电路B开始工作，为电容C提供放电通路。从高电平VH放电到低电平VL的时间是：

$T_{\mathrm{off}}=\frac{C\×(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}{M\×N\×L\×I}---\left(2\right)$

充放电的周期是：

T＝T_on+T_off    (3)

充放电的频率是： $f=\frac{1}{T}---\left(4\right)$

方程(1)代表的是振荡器输出的脉冲宽度，设置基本控制参数是M，M是由脉冲DM控制的，初始值很大。在脉冲DM的控制下M逐步减小，T_on逐步增大，实现了脉宽调制。同时该脉宽通过采样电路500中的驱动电路使功率开关PMOS管MP打开，在启动阶段功率开关PMOS管MP的工作时间是逐步增大的。

方程(2)表示振荡器输出脉冲为低电平的时间，也是采样反馈电路500中功率开关PMOS管MP的关闭时间。它受两个控制参数控制：M和L。在启动阶段M是逐步减小的，如果L保持不变，那么T_off是逐步加长的。本发明中设置L是逐步增大的，受脉冲DN控制。初始设置L大于M，使放电的速度逐步加快，T_off的时间逐步缩短。

【采样反馈电路】

所述采样反馈电路500包括驱动电路，PMOS管MP；驱动电路与所述振荡器电路的输出端相连；PMOS管MP的栅极与驱动电路的输出端相连，PMOS管MP的源极与所述时序控制电路相连。

在上电初期，振荡器电路振荡后，脉宽调制电流源电路控制输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；同时脉频调制电路使整个启动电路输出的脉冲频率很低，频率逐步扩大。这两个调制电路控制软启动电路输出的脉冲脉宽和脉冲频率都逐步扩大，避免了电路启动时大的瞬态启动电流对后续电路的损害，实现了电路的软启动。启动完成后，采样反馈电路根据负载的情况决定整个系统以脉宽调制(PWM)的方式还是以脉频调制(PFM)的方式继续工作。

该发明电路既可以起到软启动的作用，又可以在系统运行中根据负载的轻重选择脉频调制的工作形式，或者脉宽调制的工作形式。

实施例二

本实施例提供的是实施例一所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，电路启动，脉宽调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；脉频调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的频率，使频率逐步扩大；

脉宽调制电流源电路中的电流源提供的基准电流I分别通过NMOS管MN1和NMOS管MN2流入电流镜电路A，电流镜电路A的输出电流在PMOS管MP1中产生镜像电流M×I，用以为振荡器电路的充放电电容C充电；M的大小是由时序控制电路的输出脉冲DM控制的；

所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP3输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的N倍，即N×M×I；PMOS管MP3输出的电流为振荡器电路的充放电电容C充电；N的大小是由时序控制电路的输出脉冲DN控制的；

所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP2输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的K倍，即K×M×I；PMOS管MP2输出的电流通过NMOS管MN3和NMOS管MN4镜像转换到电流镜电路B中，为振荡器电路的充放电电容C放电；

步骤二，振荡器电路在所述脉宽调制电流源电路和所述脉频调制电流源电路的控制下产生脉宽和频率都逐步扩大的输出脉冲；

步骤三，时序控制电路接收所述振荡器电路的输出脉冲，然后分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；当所述充放电电容C充电到高电平VH时，振荡器电路的输出翻转，PMOS管MP3关闭，电流镜电路B开始工作，为电容C提供放电电流通路。

步骤四，启动结束，系统稳定工作时，采样反馈电路采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制的工作方式或脉频调制的工作方式。

启动初期振荡器输出的脉冲频率很低，而且脉宽很小。频率和脉宽逐步增大，实现了脉频和脉宽调制的软启动过程。

脉频调制电流源电路中电流源的电流也是由时序控制电路发出的脉冲控制的，电流源的电流逐次增加，对振荡器充放电电容C的放电电流也是逐渐增加的，使得振荡器电路输出的振荡频率的低电平开始最大，随着放电电流的增加，输出频率的低电平的时间逐步减小，频率增大。

时序控制电路的输入时钟是振荡器电路的输出频率，振荡器电路的输出调制脉频调制电流源电路和脉宽调制电流源电路。脉宽调制电流源电路、脉频调制电流源电路、振荡器电路这三个电路的组合使得启动时振荡器电路的输出频率的占空比最小。这个输出频率作为功率开关的主要控制信号，开始启动时导通时间最小，然后逐步扩大，实现了功率系统的软启动。

脉宽调制电流源电路、脉频调制电流源电路起始都有一个初始的启动电流，这个两个初始的启动电流使振荡器电路输出的振荡频率占空比最小。

启动结束，系统稳定工作时，采样反馈电路采样系统的负载状况，根据采样信号，系统选择脉宽调制的工作方式，或者脉频调制的工作方式。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (9)

1.一种利用脉频和脉宽调制的软启动电路，其特征在于，所述软启动电路包括：

脉宽调制电流源电路，与一振荡器电路相连，用以控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；

脉频调制电流源电路，与一振荡器电路相连，用以控制所述振荡器电路输出脉冲的频率，使频率逐步扩大；

振荡器电路，与一时序控制电路相连，用以产生脉宽和频率都逐步扩大的脉冲，进而控制所述时序控制电路；

时序控制电路，与所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路分别相连，用以分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；

采样反馈电路，采样反馈电路的输入端与所述振荡器电路的输出端相连，采样反馈电路的输出端与所述时序控制电路相连，用以采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制的工作方式或脉频调制的工作方式。

2.根据权利要求1所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路，其特征在于，所述脉宽调制电流源电路包括：

NMOS管MN1的漏极与一电流源的正极相连；

NMOS管MN2的漏极与NMOS管MN1的源极相连；

电流镜电路A分别与所述NMOS管MN1、NMOS管MN2的栅极相连；

PMOS管MP1的漏极与所述电流镜电路A的输出端相连，PMOS管MP1的源极与所述电流源的负极相连。

3.根据权利要求2所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路，其特征在于：所述脉频调制电流源电路包括2路镜像电路；

其中一路镜像电路用以为所述振荡器电路的充放电电容C提供充电电流，包括：

PMOS管MP3，与所述PMOS管MP1镜像连接；

另一路镜像电路用以为所述振荡器电路的充放电电容C提供放电通路，包括：

PMOS管MP2，与所述PMOS管MP1镜像连接；

NMOS管MN3的漏极与所述PMOS管MP2的漏极相连；

NMOS管MN4的漏极与所述NMOS管MN3的源极相连；

电流镜电路B的输入端分别与所述NMOS管MN3和NMOS管MN4的栅极相连。

4.根据权利要求1所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路，其特征在于，所述采样反馈电路包括：

驱动电路，与所述振荡器电路的输出端相连；

PMOS管MP的栅极与驱动电路的输出端相连，PMOS管MP的源极与所述时序控制电路相连。

5.根据权利要求1所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，电路启动，脉宽调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的占空比，使占空比逐步增大；

脉频调制电流源电路控制所述振荡器电路输出脉冲的频率，使频率逐步扩大；

步骤二，振荡器电路在所述脉宽调制电流源电路和所述脉频调制电流源电路的控制下产生脉宽和频率都逐步扩大的输出脉冲；

步骤三，时序控制电路接收所述振荡器电路的输出脉冲，然后分别调控所述脉宽调制电流源电路和脉频调制电流源电路；

步骤四，启动结束，系统稳定工作时，采样反馈电路采样系统的负载状况，进而使系统选择脉宽调制的工作方式或脉频调制的工作方式。

6.根据权利要求5所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，其特征在于：步骤一中，脉宽调制电流源电路中的电流源提供的基准电流I分别通过NMOS管MN1和NMOS管MN2流入电流镜电路A，电流镜电路A的输出电流在PMOS管MP1中产生镜像电流M×I，用以为振荡器电路的充放电电容C充电；M的大小是由时序控制电路的输出脉冲DM控制的。

7.根据权利要求6所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，其特征在于：步骤一中，

所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP3输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的N倍，即N×M×I；PMOS管MP3输出的电流为振荡器电路的充放电电容C充电；N的大小是由时序控制电路的输出脉冲DN控制的；

所述脉频调制电流源电路中的与所述PMOS管MP1镜像连接的PMOS管MP2输出的电流是PMOS管MP1输出的电流的K倍，即K×M×I；PMOS管MP2输出的电流通过NMOS管MN3和NMOS管MN4镜像转换到电流镜电路B中，为振荡器电路的充放电电容C放电。

8.根据权利要求7所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，其特征在于：

所述振荡器电路的充放电电容C的充电时间为：

其中VH和VL分别是振荡器电路中比较器的参考高电平和参考低电平；

所述振荡器电路的充放电电容C的放电时间为：其中，M和L为两个控制参数，初始设置L大于M，使放电的速度逐步加快，T_off的时间逐步缩短。

9.根据权利要求8所述的利用脉频和脉宽调制的软启动电路的软启动方法，其特征在于：当所述充放电电容C充电到高电平VH时，振荡器电路的输出翻转，PMOS管MP3关闭，电流镜电路B开始工作，为所述充放电电容C提供放电电流通路。

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