CN102419608A - 基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路，主要解决现有技术无法在输出电压从异常状态恢复的过程中提供软启动保护的缺点。该电路包括恒流源I₁和电容C_S，恒流源I₁对电容C_S充电，以产生一个斜坡向上爬升的软启动信号V_S，在启动时代替基准电压，使输出电压平稳上升，恒流源I₁与电容C_S的输出端连接有软启动信号箝位电路，以在异常情况下对软启动信号V_S进行箝位，该箝位电路的控制端A连接有输出电压监测电路，用于监测输出电压，控制箝位电路的工作状态。本发明能够在输出电压向正常值爬升或恢复的各种情况下，监测出输出电压的状态，为稳压电路提供主动软启动保护，可应用于各类稳压电路中。

Description

基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路，可用于各类电源管理芯片中。

背景技术

各类稳压电路一般通过采样输出电压，利用误差放大器和参考电压来反馈调节输出电压值。稳压电路启动阶段，由于输出电压远低于设定输出值，反馈环路中的误差放大器处于非平衡态，输出级电路的驱动能力达到极限值，将尽快的提升输出电压，从而导致输入浪涌电流。浪涌电流不但会导致电源线路电压突降，影响线路上其它电路的正常工作，而且有可能损坏稳压电路中功率管和其他器件。另外，由于环路响应速度限制，浪涌电流灌入输出级，往往会导致输出电压过冲，损坏输出端的负载器件。因此，软启动电路应运而生。

软启动电路的设计思想主要是在电路启动阶段，控制一个软启动信号以一定的速率爬升，代替基准的作用，从而控制输出慢速爬升。当软启动信号高过基准信号后，软启动信号的控制作用消失，由基准电压对输出电压进行精细调节。软启动消除了浪涌电流，避免了输出电压过冲。

实际应用中，除了使能启动和上电启动过程外，当稳压电路从异常状态恢复时，输出电压也会经历一个从低到高的过程。如果不进行软启动，在恢复过程中，由于输出电压值低于正常值，环路的驱动输出能力达到最大，也会出现浪涌电流和输出电压过冲的现象。综上分析认为，当输出电压从低于正常值，向正常值调节恢复的过程中都需要进行软启动。这包括：

1)使能启动过程；

2)上电启动过程；

3)过温保护后的恢复过程；

4)过载后的恢复过程；

5)输入过压或是欠压关断后的恢复过程。

带传统的软启动电路的稳压电路如图1所示，包含软启动产生电路、误差放大器EA、调节器及反馈电阻R₁和R₂。通过电流源I₁给电容C_S充电，产生逐渐上升软启动信号V_S。该信号连接到误差放大器EA的输入端，软启动过程中，V_S小于基准电压V₁，代替基准的作用，控制输出慢速爬升。启动结束后，V_S高于基准电压V₁，对环路不再具备控制作用。传统的软启动电路只能在上电启动和使能启动阶段被动的作用，由于其不能监测输出电压的状态，当稳压电路从异常状态恢复时，传统的软启动电路不能够主动作用，无法消除恢复过程中浪涌电流和输出电压过冲现象，因此不能为稳压电路提供完备的软启动保护功能。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提供了一种基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路，以在输出电压向正常值爬升或恢复的各种情况下，监测出输出电压的状态，为稳压电路提供主动软启动保护。

为实现上述目的，本发明的软启动电路包括恒流源I₁和电容C_S，恒流源I₁对电容C_S充电，用于产生一个斜坡向上爬升的软启动信号V_S，在稳压电路启动时代替基准电压，使输出电压平稳上升，其特征在于：恒流源I₁与电容C_S的输出端连接有软启动信号箝位电路，用于在异常情况下对软启动信号V_S进行箝位，该箝位电路的控制端A连接有输出电压监测电路，用于监测输出电压，控制箝位电路的工作状态。

所述的软启动信号箝位电路，包括运算放大器OP和NMOS管M₁，NMOS管M₁的源极接地，栅极接运算放大器OP的输出端，同时作为箝位电路的控制端，运算放大器OP的反向输入端接输出反馈电压V_FB，正向输入端接NMOS管M₁的漏极，并连接到电容C_S上，用于在异常状态下限制软启动信号V_S的最大值。

所述的输出电压监测电路，包括比较器COMP和NMOS开关M₂，比较器COMP用于比较输出反馈电压V_FB和参考电压V₂的大小，其输出端连接在NMOS开关M₂的栅极；该NMOS开关M₂的源极接地，漏极接软启动信号箝位电路的控制端A，用于保证箝位电路在输出电压正常的情况下不工作，在输出电压异常的情况下工作。

所述软启动信号箝位电路中的运算放大器OP，包括尾电流源I₂，输入对管M₃、M₄，有源电流镜M₅、M₆及NMOS管M₇；输入对管M₃、M₄的源极相接，并连接到尾电流源I₂的输出端，该M₃的栅极作为运算放大器OP的反向输入端，该M₄的栅极作为运算放大器OP的正向输入端；该输入对管M₃的宽长比与M₄的宽长比的比例为1∶n，n为大于1的整数，用于使运算放大器OP的输入端产生可控的失调电压V_OS；该NMOS管M₇的栅极与源极相接，并连接到输入对管M₃的漏极，作为运算放大器OP的输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明的由于采用了软启动信号箝位电路，在稳压电路输出异常时，利用输出反馈电压V_FB箝位软启动信号V_S，保证在输出电压恢复过程中，输出电压能追随软启动电压平稳上升，从而主动的提供了软启动保护功能，为稳压电路提供了更加完备的保护。

2)本发明由于在软启动信号箝位电路的控制端连接有输出电压监测电路，能够监测出输出电压的状态，保证箝位电路在输出电压正常的情况下不工作，在输出电压异常的情况下工作，从而使箝位电路不会影响稳压电路正常的工作。

附图说明

图1是利用传统软启动电路的稳压电路原理图；

图2是利用本发明软启动电路的稳压电路原理图；

图3是本发明软启动电路中的失调电压产生实施例。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图2，利用本发明软启动电路的稳压电路主要包括反馈电阻R₁、R₂，软启动信号产生电路，输出电压监测电路，软启动信号箝位电路，误差放大器EA和调节器。其中：

反馈电阻R₁和R₂串联后连接在输出电压和地之间，R₂上的电压即为输出反馈电压V_FB。

软启动信号产生电路，包括恒流源I₁和电容C_S，通过恒流源I₁对电容C_S充电，产生一个斜坡向上爬升的软启动信号V_S，该信号连接到误差放大器的输入端，以在稳压电路启动阶段，代替基准电压V₁，使输出电压平稳上升。

误差放大器EA，包含三个输入信号，其正向输入信号为基准电压V₁和软启动信号V_S，反向输入信号为输出反馈电压V_FB，误差放大器的输出信号由较小的正向输入信号min(V₁，V_S)和输出反馈电压V_FB之间的差值决定。误差放大器的输出连接到调制器，通过调制器的精细调节，使输出电压维持稳定。

输出电压监测电路，包括比较器和NMOS开关管M₂，比较器的正向输入端接输出反馈电压V_FB，反向输入端接基准电压V₂，基准电压V₂小于基准电压V₁，输出端连接在NMOS开关管M₂的栅极；NMOS开关管M₂的源极接地，漏极接软启动信号箝位电路的控制端A；比较器通过比较输出反馈电压V_FB和基准电压V₂的大小，判断输出电压的状态是否处于异常状态。当输出反馈电压V_FB低于基准电压V₂，比较器输出为低，NMOS开关管M₂源截止；当输出反馈电压V_FB高于基准电压V₂，比较器输出为高，NMOS开关管M₂源导通。

软启动信号箝位电路，包括运算放大器OP和NMOS管M₁，NMOS管M₁的源极接地，栅极接运算放大器OP的输出端并作为箝位电路的控制端A，该控制端连接到输出监测电路中的NMOS开关管M₂的漏极；当M₂导通时，控制端A被拉至低电平，NMOS管M₁截止，软启动信号箝位电路停止工作；当NMOS开关管M₂截止时，释放对NMOS管M₁栅极的控制权，软启动信号箝位电路正常工作。运算放大器OP的反向输入端接输出反馈电压V_FB，正向输入端接NMOS管M₁的漏极，并连接到电容C_S上，以在异常状态下限制软启动信号V_S的最大值。运算放大器OP的输入端存在一定的失调电压V_OS，该失调电压通常处于10mV到100mV之间。软启动信号箝位电路开始正常工作时，如果软启动信号V_S低于输出反馈电压V_FB加上失调电压V_OS后的值V_FB+V_OS，软启动箝位电路调节作用无效；如果软启动信号V_S高于V_FB+V_OS，则软启动箝位电路将软启动信号V_S限制为：

V_S＝V_FB+V_OS。    (1)

图3给出了一种简单的失调电压产生实施例。软启动信号箝位电路的运算放大器OP包括尾电流源I₂，输入对管M₃、M₄，有源电流镜M₅、M₆及NMOS管M₇；该NMOS管M₇的栅极与源极相接，并连接到输入对管M₃的漏极，作为运算放大器OP的输出。M₇和NMOS管M₁组成电流镜，镜像比例为1∶10，以放大运算放大器OP的下拉电流，保证对软启动信号具有足够的箝位能力。输入对管M₃、M₄的源极相接，并连接到尾电流源I₂的输出端，该M₃的栅极作为运算放大器OP的反向输入端，该M₄的栅极作为运算放大器OP的正向输入端；该输入对管M₃的宽长比与M₄的宽长比的比例为1∶n，n为大于1的整数，用于使运算放大器OP的输入端产生可控的失调电压V_OS；I₃和I₄分别为流经M₃和M₄的电流。

考虑I₃＝I₄时有：

$\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}-\frac{W}{L}{(V_3-V_S-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2=\frac{I_2}{2}---\left(2\right)$

$\frac{n}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}{(V_3-V_{\mathrm{FB}}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2=\frac{I_2}{2}---\left(3\right)$

其中μ_P为PMOS载流子迁移率；C_OX为PMOS单位面积栅氧电容；W和L分别为PMOS沟道的宽和长；V₃为对管公共源端电压；V_THP为差分对管阈值电压；I₂为差分对管的尾电流。

由式(2)、(3)可得，失调电压V_OS为：

$V_{\mathrm{OS}}=V_S-V_{\mathrm{FB}}=(1-n^{-1/2})\sqrt{\frac{I_{2}L}{{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}W}}---\left(4\right)$

当稳压电路工作异常，输出反馈电压V_FB降至基准电压V₂以下，比较器输出为低，NMOS管M₂截止，软启动信号箝位电路正常工作，将软启动信号V_S箝位在电平V_FB+V_OS处。

本发明的工作原理如下：

在上电启动或使能启动时，V_FB随软启动信号V_S缓慢上升，软启动信号V_S低于V_FB+V_OS，软启动信号箝位电路箝位作用无效，恒流源I₁对电容C_S正常充电，软启动信号V_S从零电位开始以正常速率爬升，直至完成软启动，稳压电路开始正常工作；由于此时输出反馈电压V_FB已经高于基准电压V₂，输出电压监测电路中的比较器输出为高，NMOS开关管M₂导通，使软启动信号箝位电路停止工作，软启动电压可上升至远大于基准电压V₁的电位，从而不会影响稳压电源的正常工作。

当稳压电路工作状态出现异常时，输出反馈电压V_FB降至基准电压V₂以下，比较器输出为高，NMOS开关M₂截止，失去对NMOS管M₁栅极的控制，进而软启动信号箝位电路开始正常工作；由于此时V_S远高于反馈电压V_FB，箝位电路便将软启动信号V_S拉低箝位在V_FB+V_OS处；在异常状态移除后，由于软启动信号V_S大于输出反馈电压V_FB，经过反馈环路调节，输出电压能够平稳上升，软启动信号V_S也随之上升；由于失调电压V_OS通常只有几十毫伏，在输出向正常值恢复时，输出反馈电压V_FB迅速追随上软启动信号V_S，从而使软启动信号V_S不再受到箝位作用而以设定的速度上升，进入正常的软启动过程；当输出反馈电压V_FB高于基准电压V₂，比较器输出为低，NMOS开关管M2导通，将NMOS管M₁栅极拉低，使软启动信号箝位电路停止工作，从而不会影响稳压电路的正常工作。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (6)

1.一种基于反馈电压箝位软启动信号的软启动电路，包括恒流源I₁和电容C_S，恒流源I₁对电容C_S充电，用于产生一个斜坡向上爬升的软启动信号V_S，在稳压电路启动时代替基准电压，使输出电压平稳上升，其特征在于：恒流源I₁与电容C_S的输出端连接有软启动信号箝位电路，用于在异常情况下对软启动信号V_S进行箝位，该箝位电路的控制端A连接有输出电压监测电路，用于监测输出电压，控制箝位电路的工作状态。

2.根据权利要求书1所述的软启动电路，其特征在于软启动信号箝位电路，包括运算放大器OP和NMOS管M₁，NMOS管M₁的源极接地，栅极接运算放大器OP的输出端，同时作为箝位电路的控制端，运算放大器OP的反向输入端接输出反馈电压V_FB，正向输入端接NMOS管M₁的漏极，并连接到电容C_S上，用于在异常状态下限制软启动信号V_S的最大值。

3.根据权利要求书1所述的软启动电路，其特征在于所述的输出电压监测电路，包括比较器COMP和NMOS开关M₂，比较器COMP用于比较输出反馈电压V_FB和参考电压V₂的大小，其输出端连接在NMOS开关M₂的栅极；该NMOS开关M₂的源极接地，漏极接软启动信号箝位电路的控制端A，用于保证箝位电路在输出电压正常的情况下不工作，在输出电压异常的情况下工作。

4.根据权利要求书2所述的软启动电路，其特征在于所述软启动信号箝位电路中的运算放大器OP，包括尾电流源I₂，输入对管M₃、M₄，有源电流镜M₅、M₆及NMOS管M₇；输入对管M₃、M₄的源极相接，并连接到尾电流源I₂的输出端，该M₃的栅极作为运算放大器OP的反向输入端，该M₄的栅极作为运算放大器OP的正向输入端。

5.根据权利要求书4所述的软启动电路，其特征在于所述的输入对管M₃的宽长比与M₄的宽长比的比例为1∶n，n为大于1的整数，用于使运算放大器OP的输入端产生可控的失调电压V_OS。

6.根据权利要求书4所述的软启动电路，其特征在于所述NMOS管M₇的栅极与源极相接，并连接到输入对管M₃的漏极，作为运算放大器OP的输出。

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