CN102545572A - 一种采用电容复用的软启动电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容复用的软启动电路及其方法，包括：误差放大器，其被耦合以接收系统的反馈信号和参考电压信号作为输入，以提供开关信号；一复用单元；选通开关，根据误差放大器提供的开关信号，切换选择连接一软启动微电流源或误差放大器的输出，选通开关的输出耦合连接接地的复用单元；PWM模式比较器，其被耦合以接收复用单元的电压作为反向输入端的输入；电路软启动时，选通开关切换到软启动微电流源的输出，复用单元用作充电用，电路软启动结束后，选通开关切换为误差放大器的输出，复用单元作为补偿用。本发明利用系统固有的误差放大器进行状态判定，加上简单的逻辑控制，可以在基本不增加额外器件的情况下实现精确的软启动时间控制，极大地降低了系统成本。

Description

一种采用电容复用的软启动电路及方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源电路的软启动实现方法，该方法的特点是软启动计时使用系统必需的补偿电容，同时利用系统固有的误差放大器进行状态判定，而不像别的启动方式，需要引入额外的集成电路器件。本发明属于微电子领域模拟集成电路设计。

背景技术

开关电源在输入电路合闸瞬间，会有很大的瞬时浪涌电流产生，所以一般开关电源电路都采用软启动方式进行逐步分流。

软启动可以在电路的很多地方实现，比较常见的是在误差放大器的输出端实现，这样可以逐步控制系统总限定电流，达到逐步放开总电流的目的。可以先看看开关电源的工作过程：当开关电源输入电压上电以后，芯片内的初级线性电压源为片内各模块提供电源和偏置。当电源稳定后，片内的软启动电路开始工作。软启动电路一方面控制充电过程，给输出端的电容充电；另一方面，软启动电路要消除大的浪涌电流。当输出电压达到某一阈值时，转由片内的控制回路来控制输出端电容的充、放电过程，以保持输出电压的稳定，软启动电路的作用到此结束。这就是电源系统启动时的工作过程。

在这个过程中，时间控制是比较重要的。它决定了系统为了软启动，而额外增加的电路规模。常规方式要么使用计数器，要么使用固定用途的电容。而本发明仅仅使用系统必需的补偿电容和误差放大器，达到了节省电路面积之目的。

常规方式中，为了得到软启动的时间控制，一般都是采用图1或者图2的方式。

其中，图1是传统的采用计数器201对固定的时钟进行计数的电路图。包括误差放大器101、补偿电容103和电阻104、软启动结束选通开关105以及PWM模式比较器102，以虚线框标示出来的是涉及启动的电路部分。其中的计数器201有n个输出端Q1、Q2……Qn，它们每个之间的时延可以是等间隔的，也可以是不等间隔的，它们分别控制不同的开关221、222……22n，当最后一个开关22n切换之后，设定的时间到了，开关105将误差放大器101的输出接入电路，整个软启动过程结束。这种方法比较简单也最常见，但需要大量的D触发器和译码电路。

图2是另一种传统的采用电流源301给专门的电容304充电来完成软启动的时间控制电路图，其中包括，误差放大器101、补偿电容103和电阻104、软启动结束选通开关105以及PWM模式比较器102，以虚线框标示出来的是涉及启动的电路部分。当系统总输出电压到达一定值之后，反馈电压比参考电压高之后，比较判决单元即比较器302输出一个控制信号，将充电支路断开。和上面的方式相比，系统限流是线性上升的。这种方式中，如果电容304是片内的话，它会大大增加芯片面积，如果是片外的话，系统的成本也会大大上升。

发明内容

本发明是一种改进了的软启动控制方法。考虑到一般误差放大器输出端是电路主极点，此处有一个大电容，于是可以将这个电容也用于软启动控制之中。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种复用的软启动电路，应用于一开关电源系统中，其特征在于，包括：

一误差放大器，其被耦合以接收所述系统的反馈信号和参考电压信号作为输入，以提供开关信号；一复用单元；一选通开关，根据所述误差放大器提供的所述开关信号，切换选择连接一软启动微电流源或所述误差放大器的输出，所述选通开关的输出耦合连接所述复用单元并接地；一PWM模式比较器，其被耦合以接收所述复用单元的电压作为反向输入端的输入；其中，所述电路软启动时，所述选通开关切换到所述软启动微电流源的输出，所述复用单元用作充电用，当所述电路软启动结束后，所述选通开关切换为所述误差放大器的输出，所述复用单元作为补偿用。

比较好的是，所述软启动电路进一步包括：

一控制逻辑单元，其被耦合以接收所述误差放大器的输出，并用以控制所述选通开关的切换。

比较好的是，所述控制逻辑单元包括一个施密特触发器。

比较好的是，所述复用单元包括一个电容，

比较好的是，所述复用单元进一步包括与所述电容串联的一电阻。

比较好的是，所述复用单元是一高阶的低通滤波器。

本发明公开了一种采用电容复用的软启动电路的方法，包括：

产生一开关信号，所述开关信号用于切换选择一微电流源或一误差放大器的输出；当软启动时，所述开关信号选通接入所述微电流源，所述软启动电路的反馈节点电压上升；当所述反馈节点电压高于一参考电压时，所述误差放大器输出逻辑低电压，所述开关信号选通接入所述误差放大器，软启动结束。

比较好的是，所述电路软启动时，所述复用单元用作充电用，当所述电路软启动结束后，所述复用单元作为补偿用。

本发明的软启动时间由电流给电容充电来控制，软启动使用的充电电容和系统正常的补偿电容是同一电容，由简单的判决逻辑来判定这个过程的开始和结束。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是传统的采用计数器对固定的时钟进行计数的软启动电路；

图2是采用电流源301给专门的电容304充电来完成软启动的时间控制电路；

图3是本发明的电路示意图；

图4是图3的电路波形示意图。

具体实施方式

下面结合图3，给出本发明的一个具体实施例子，并予以详细说明。

本发明的采用电容复用的软启动电路，包括误差放大器101、PWM模式比较器102、电阻103和电容104组成的复用单元，以及软启动控制开关105，并在此基础上，还加上一个微电流源306和逻辑控制单元307构成的。此图只是一个具体的实施方式，对这个方式所做的简单修改、等效变化或者修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

当该电路上电时，软启动控制开关105默认将电流源306接入回路，于是PWM模式比较器102正向输入端，即节点501的电压随时间逐步上升，而这个值也控制了系统的限流值，使系统总电流逐步上升。这样，系统输出电压由于输出电流给输出电容充电而上升，导致反馈节点511处电压上升。误差放大器101在整个软启动过程中，工作在非线性状态，即误差放大器101此处作为比较器工作。在软启动过程结束前，反馈节点511处电压比系统的参考电压VREF，即参考电压输入端510处电压要低，于是误差放大器101输出始终为电源电压，即逻辑高；只有软启动结束后，由于反馈电压大于参考电压而使误差放大器输出逻辑低电压。

随着时间推移，节点501电压越来越高，输出电压也越来越高，反馈电压VFB也随之升高。当反馈电压VFB升高到比参考电压VREF要高时，误差放大器101输出发生了变化，节点500电压跳到了低电压。

而其后的控制逻辑单元307检测到了这个变化后，将软启动控制开关105切换至误差放大器101的输出端，这样整个系统的软启动过程完成。逻辑控制单元307比较典型且简单的实现是采用施密特触发器。

图4是上述整个过程的波形示意图。在这里和下面的分析之中，忽略了斜率补偿和静态偏置部分的影响。PWM模式比较器102的同相输入端电压Vcomp在微电流源306给补偿支路103、104充电的作用下逐步升高；Vcomp电压逐步升高导致输出电感平均电流IL升高，这样输出点电压Vout由于电流给输出电容Cout充电而升高，输出点电压Vout升高导致参考电压VFB电压升高，当参考电压VFB升高到大于参考电压VREF时，控制逻辑307检测到了这个变化，它发出一个信号，将PWM模式比较器102的同向输入端切换到误差放大器101的输出端，软启动过程完成。

忽略斜率补偿和静态偏置部分的影响，可以推导在这个发明中，软启动控制的时间：

如果微电流源306的电流值为Is，补偿电阻为Rc，补偿电容为Cc，则有：

V_comp＝I_s*(R_c+t/C_c)                               ……(1)

而电感电流I_L通过采样反应到PWM模式比较器的反向输入端，记采样系数为R_i，则：

V_comp＝R_i*I_L                                ……(2)

输出电压Vout是电感电流I_L对输出电容Cout的充电，这样：

$\mathrm{Vout}=\frac{\∫I_L\mathrm{dt}}{\mathrm{Cout}}=\frac{{\∫V}_{\mathrm{comp}}\mathrm{dt}}{R_i*\mathrm{Cout}}......\left(3\right)$

VFB电压是Vout电压分压得到的，记分压比为β，则当VFB＝VREF，即β*Vout＝VREF时软启动结束，联立以上各式，得到软启动的时间Tsst为：

$\mathrm{Tsst}\≈\sqrt{\frac{2*V_{\mathrm{REF}}*\mathrm{Cout}*R_i*C_C}{\mathrm{\β}*\mathrm{Is}}}......\left(4\right)$

以某个项目实际设计值代入，VREF＝0.8V，Cout＝44uF，Ri＝0.4，Cc＝1nF，β＝0.32，Is＝250nA，代入计算得到软启动的时间Tsst为592us，实际值控制在500us左右。

实际的时间比这个要略小，因为忽略了PWM模式比较器的直流点和斜率补偿的影响。

从整个过程可以看出，系统的软启动时间由微电流源，补偿电容、系统输出电容充电速率和参考电压这几个方面来决定的。改变微电流源就可以在较大范围内改变系统总的软启动时间，而这个是很容易做到的，并且不影响系统正常工作时的功耗。此外，本发明基本没有引入额外的电路单元，极大地降低了系统的成本。

以上所述的，仅为本发明的一个实例，并非用以限定本发明的范围。比如比较判决单元，此处虽然复用了系统固有的误差放大器，但是具体实施中，也可以用一个专门的比较器来实现这个功能，甚至也可以使用单个非门或者其他一切具有比较器性质的电路单元来实现；而逻辑控制单元，此处虽然以施密特触发器作为实例，但是它也可以是单个非门或者其他任何具有完整逻辑功能的电路单元；补偿器件，在具体应用中，有可能只是单个电容，或者是电容和电阻的混合结构，也可能是高阶的低通滤波器结构。总之，凡是对这个启动方式所做的简单修改、等效变化或者修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (8)

1.一种采用电容复用的软启动电路，应用于一开关电源系统中，其特征在于，包括：

一误差放大器，其被耦合以接收所述系统的反馈信号和参考电压信号作为输入，以提供开关信号；

一复用单元；

一选通开关，根据所述误差放大器提供的所述开关信号，切换选择连接一软启动微电流源或所述误差放大器的输出，所述选通开关的输出耦合连接接地的所述复用单元；

一PWM模式比较器，其被耦合以接收所述复用单元的电压作为反向输入端的输入；

其中，所述电路软启动时，所述选通开关切换到所述软启动微电流源的输出，所述复用单元用作充电用，当所述电路软启动结束后，所述选通开关切换为所述误差放大器的输出，所述复用单元作为补偿用。

2.根据权利要求1所述的一种采用电容复用的软启动电路，其特征在于，所述软启动电路进一步包括：

一控制逻辑单元，其被耦合以接收所述误差放大器的输出，并用以控制所述选通开关的切换。

3.根据权利要求2所述的一种采用电容复用的软启动电路，其特征在于，所述控制逻辑单元包括一个施密特触发器。

4.根据权利要求3所述的一种采用电容复用的软启动电路，其特征在于，所述复用单元包括一个电容。

5.根据权利要求4所述的一种采用电容复用的软启动电路，其特征在于，所述复用单元进一步包括与所述电容串联的一电阻。

6.根据权利要求5所述的一种采用电容复用的软启动电路，其特征在于，所述复用单元是一高阶的低通滤波器。

7.一种采用电容复用的软启动电路的方法，包括：

产生一开关信号，所述开关信号用于切换选择一微电流源或一误差放大器的输出；

当软启动时，所述开关信号选通接入所述微电流源，所述软启动电路的反馈节点电压上升；

当所述反馈节点电压高于一参考电压时，所述误差放大器输出逻辑低电压，所述开关信号选通接入所述误差放大器，软启动结束。

8.根据权利要求7所述采用电容复用的软启动电路的方法，其特征在于，

所述电路软启动时，所述复用单元用作充电用，当所述电路软启动结束后，所述复用单元作为补偿用。

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