CN103280962A

CN103280962A - 一种短路恢复软启动电路

Info

Publication number: CN103280962A
Application number: CN2013102471692A
Authority: CN
Inventors: 蒋浩
Original assignee: DIOO MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Dior Microelectronics Co., Ltd
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103280962B

Abstract

本发明公开一种短路恢复软启动电路，包括：软启动使能信号发生器，其输入端连接一短路状态指示信号，其对输入其中的短路状态指示信号的上升沿或下降沿作延时处理，并将处理后的信号与原信号作逻辑运算以产生一软启动使能信号；软启动电路及参考电压重置电路，其接收所述软启动使能信号发生器产生的软启动使能信号并将软启动参考电压下拉至零释放，再使得整个系统的电压缓慢上升。本发明可以克服折返式电流限制以及打嗝式短路恢复软启动电路的缺点的简单有效的短路恢复软启动电路，即短路时不改变开关电源的限流值能有效带载启动恢复；同时在短路状态移除时实时使能软启动电路，使得开关电源芯片能够以完整的软启动周期启动，既节省硅片面积节约芯片成本又能有效控制浪涌电流及输出过冲电压。

Description

一种短路恢复软启动电路

技术领域

本发明涉及一种软启动电路，更确切地说是一种可以有效控制浪涌电流及输出过冲电压的短路恢复软启动电路。

背景技术

随着电子产品在通信、计算机及消费类电子等领域中的不断增长，对电源管理类IC的需求也呈上升趋势，例如DC-DC开关电源得到广泛应用。同时随着电子系统复杂化提高，例如在机顶盒、电脑、手机等系统中具有多组供电电源，同时每一组电源输出可能同时给多个负载供电，例如数字芯片core、RF模块、基带模块等等。负载芯片增多意味着负载电流增大以及发生负载短路等异常的几率增大。同时为了满足负载的电流需求，势必增加开关电源的驱动能力。由此带来的问题是：负载短路恢复时开关电源可输出的浪涌电流随驱动能力增强而增大，输出电压的过冲也更大，很有可能超出负载芯片的额定电压范围或者耐压值，对负载芯片造成损伤。所以为了负载芯片的安全与可靠性，目前的大功率开关电源芯片都会集成短路恢复软启动电路，以限制浪涌电流及输出电压过冲。

短路恢复软启动电路目前主要有两种方式：如图1所示，其为现有技术的折返式电流限制短路恢复软启动电路的结构示意图，其包括一软启动电路，所述软启动电路的输出端输出到一误差放大器的同向输入端，所述误差放大器的输出端输出到一调制电路的输入端，所述调制电路的输出端连接一并联的第一电阻R1’和第二电阻R2’，所述第二电阻R2’的输出端接地，还包括一电容C1’，所述电容C1’并联于所述第一电阻R1’和第二电阻R2’的两端，所述调制电路，所述调制电路包括PWM比较器、电流检测电路、振荡器、逻辑电路、驱动电路，其与误差放大器共同形成负反馈环路以调整输出电压到额定值；还包括一短路检测器，所述短路检测器的输入端连接于所述第一电阻R1’和第二电阻R2’之间，所述短路检测器输入端还输入一短路参考电压，所述短路检测器的输出端连接所述软启动电路的输入端和一限流电路的输入端，所述限流电路的输出端连接所述调制电路的输入端，短路检测器主要由电压比较器构成，其两输入信号分别是短路参考电压和反馈电压，其中反馈电压由输出电压经电阻R1和R2分压所得；所述误差放大器的同向输入端还输入一参考电压，所述误差放大器的反向输入端连接于所述第一电阻R1’和第二电阻R2’之间。该折返式电流限制短路恢复软启动电路以开关电源的输出电流为控制目标，当输出电流达到最大限流值后，随着输出电压下降，过流时的限流阈值同时下降，它的缺点是它不具有彻底的自动恢复能力，短路状态移除时，若是带载启动，芯片有可能进入闩锁状态。如图2所示，其为现有技术中的hiccup模式短路恢复软启动电路的结构示意图，如图所示，包括一输出调整电路，所述输出调整电路的输出端连接一负载及一串联的第一电阻R1’和第二电阻R2’,所述第二电阻的另一端接地，一电容连接于第一电阻R1’和第二电阻R2’；还包括一短路检测器，所述短路检测器的输入端连接于所述第一电阻R1’和第二电阻R2’之间，短路检测器主要由电压比较器构成，其两输入信号分别是短路参考电压和反馈电压，其中反馈电压由输出电压经电阻R1和R2分压所得，且所述短路检测器输入端还连接一短路参考电压，且其输出端连接一打嗝模式控制电路，所述打嗝模式控制电路的输出端连接一软启动电路，所述软启动电路的输出端连接一误差放大器的同向输入端，所述误差放大器还设有一连接参考电压的同向输入端，所述误差放大器的同向输入端连接于所述第一电阻R1’和第二电阻R2’之间，所述误差放大器的输出端连接于所述输出调整电路的输入端，所述输出调整电路包括PWM比较器、电流检测电路、振荡器、逻辑电路、驱动电路，其与误差放大器共同形成负反馈环路以调整输出电压到额定值。该hiccup模式短路恢复软启动电路检测到输出过流时，开关电源进入休眠模式，等休眠时间结束，软启动电路开始工作重新启动开关电源芯片，若短路状态并未移除，则重复上述过程；该技术的缺点有两点，一是休眠时间需要较大硅片面积的RC计时电路或者较大面积的数字循环计数器；二是不管外部短路状态是否移除，软启动电路都在按循环自动工作，软启动的效果与外部短路状态移除的时机相关，若短路移除发生在芯片休眠期则需等待启动，具有不佳的实时启动能力，再者若短路移除发生在软启动电路开始工作的早期则软启动效果明显，反之短路移除发生在软启动电路工作末期则软启动效果大打折扣，并不能有效防止浪涌大电流以及过冲电压对负载芯片的冲击。

发明内容

本发明的目的是提供一种短路恢复软启动电路，其可以解决现有技术中不具有彻底的自动恢复能力，短路状态移除时，若是带载启动，芯片有可能进入闩锁状态，或是不能有效防止浪涌大电流以及过冲电压对负载芯片的冲击的缺点。

本发明采用以下技术方案：

一种短路恢复软启动电路，包括：

软启动使能信号发生器，其输入端连接一短路状态指示信号，其对输入其中的短路状态指示信号的上升沿或下降沿作延时处理，并将处理后的信号与原信号作逻辑运算以产生一软启动使能信号；

软启动电路及参考电压重置电路，其接收所述软启动使能信号发生器产生的软启动使能信号并将软启动参考电压下拉至零释放，再使得整个系统的电压缓慢上升。

所述软启动使能信号发生器包括第一反相器，所述第一反相器的输入端接收所述短路检测器的信号，且其输出端连接一延时电路，所述延时电路的输出端连接一第二反相器的输入端，一第一或非门的输入端连接所述第二反相器的输出端，且其另一输入端接收短路恢复输入信号，所述第一或非门的输出端连接一第三反相器的输入端，所述第三反相器的输出端连接一逻辑运算电路的一输入端，所述逻辑运算电路的输出端输出软启动使能信号。

所述延时电路为RC延时电路或数字时钟计数延时器中的一种。

所述RC延时电路包括一第三电阻，所述第三电阻的两端分别连接于所述第一反相器的输出端及所述第二反相器的输入端；还包括一第二电容，所述第二电容的一端连接于所述第二反相器的输入端，且所述第二电容的另一端接地。

所述逻辑运算电路包括一第四反相器，所述第四反相器的输入端输入原始跳变信号，且其输出端连接一第一与非门一输入端，所述第一与非门的另一输入端连接所述第三反相器的输出端；还包括一第五反相器，所述第五反相器的输入端连接所述第三反相器的输出端，且其输出端连接一第二与非门的一输入端，所述第二与非门的另一输入端输入原始跳变信号；所述第一与非门及所述第二与非门的输出端分别连接一第六反相器及第七反相器的输出端，所述第六反相器及所述第七反相器的输出端均连接一第二或非门的输入端，所述第二或非门的输出端连接一第八反相器的输入端输出一软启动使能信号。

所述软启动电路及参考电压重置电路包括施密特触发器，所述施密特触发器的输入端连接一充电恒流源，且其输出端连接一第三或非门的一输入端，所述第三或非门的另一输入端输入经过一第九反相器反相后的软启动使能信号，所述第三或非门的输出端连接一重置开关的栅极，所述重置开关的源极连接所述充电恒流源，且所述重置开关的漏极接地，所述重置开关的衬底与所述漏极连接，所述重置开关源极与漏极之间连接一参考电压储能电容，所述重置开关的源极输出一软启动参考电压。

还包括一短路检测器，所述短路检测器检测到短路状态并输出所述短路状态指示信号。

还包括一输出调整电路，所述输出调整电路的输出端连接一负载芯片及一第一电阻，所述第一电阻的另一端串联一第二电阻，所述第二电阻的另一端接地，所述第一电阻和所述第二电阻的两端并联一第一电容；所述短路检测器的一输入端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，所述短路检测器的另一输入端连接一短路参考电压，且其输出端连接所述软启动使能信号发生器；所述软启动电路及参考电压重置电路的输出端连接一误差放大器的同向输入端，所述误差放大器的另一同向输入端连接一参考电压，且所述误差放大器的输出端连接所述输出调整电路。

本发明的优点是：可以克服折返式电流限制以及打嗝式短路恢复软启动电路的缺点的简单有效的短路恢复软启动电路，即短路时不改变开关电源的限流值能有效带载启动恢复；同时在短路状态移除时实时使能软启动电路，使得开关电源芯片能够以完整的软启动周期启动，既节省硅片面积节约芯片成本又能有效控制浪涌电流及输出过冲电压。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是现有技术的折返式电流限制短路恢复软启动电路的结构示意图。

图2是现有技术的hiccup模式短路恢复软启动电路的结构示意图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是图3中的软启动使能信号发生器电路的结构示意图。

图5是图4中的延时电路的结构示意图。

图6是图4中的逻辑电路的结构示意图。

图7是图3中的软启动电路及参考电压重置电路的结构示意图。

图8是图1中各电信号的结流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式：

本发明对于短路恢复软启动电路的要求是对开关电源输出电压状态进行监控，若发生短路则记录短路状态以备在短路移除时使能软启动电路，启动过程中既需要维持正常的驱动能力满足负载带载启动，又需要防止在负载芯片空载或者轻载启动时出现较大的浪涌电流以控制过冲电压对负载芯片的损伤。短路恢复软启动电路的使能时机需要与短路状态移除时机契合，防止软启动电路在启动中介入时间过晚，使得芯片错过了大部分的软启动过程，其结果是不能有效控制浪涌电流及防止过冲。本发明在于有效利用并处理短路检测器在短路状态移除后发出的短路恢复信号，产生软启动参考电压重置信号，并使能软启动电路，达到了一旦短路状态移除，软启动电路即时介入的目的。

如图3所示，一种短路恢复软启动电路，其包括软启动使能信号发生器、软启动电路及参考电压重置电路和短路检测器。

所述软启动使能信号发生器，其输入端连接一短路状态指示信号，其对输入其中的短路状态指示信号的上升沿或下降沿作延时处理，并将处理后的信号与原信号作逻辑运算以产生一软启动使能信号；软启动电路及参考电压重置电路，其接收所述软启动使能信号发生器产生的软启动使能信号并将软启动参考电压下拉至零释放，再使得整个系统的电压缓慢上升;所述短路检测器，所述短路检测器检测到短路状态并输出所述短路状态指示信号。

如图4所示，其为本发明中的软启动使能信号发生器的结构示意图，所述软启动使能信号发生器包括第一反相器，所述第一反相器的输入端接收所述短路检测器的信号，且其输出端连接一延时电路，所述延时电路的输出端连接一第二反相器的输入端，一第一或非门的输入端连接所述第二反相器的输出端，且其另一输入端接收短路恢复输入信号，所述第一或非门的输出端连接一第三反相器的输入端，所述第三反相器的输出端连接一逻辑运算电路的一输入端，所述逻辑运算电路的输出端输出软启动使能信号。其中所述延时电路为RC延时电路，如图5所示，本发明中的延时电路也可以采用数字时钟计数延时器。

如图5所示，其为本发明的延时电路的一实施例的结构示意图，所述RC延时电路包括一第三电阻R3，所述第三电阻的两端分别连接于所述第一反相器的输出端及所述第二反相器的输入端；还包括一第二电容C2，所述第二电容的一端连接于所述第二反相器的输入端，且所述第二电容的另一端接地。

如图6所示，其为本发明的逻辑运算电路的结构示意图，其包括一第四反相器5，所述第四反相器的输入端输入原始跳变信号，且其输出端连接一第一与非门7一输入端，所述第一与非门的另一输入端连接所述第三反相器的输出端；还包括一第五反相器，所述第五反相器6的输入端连接所述第三反相器的输出端，且其输出端连接一第二与非门8的一输入端，所述第二与非门的另一输入端输入原始跳变信号；所述第一与非门及所述第二与非门的输出端分别连接一第六反相器及第七反相器的输出端，所述第六反相器9及所述第七反相器10的输出端均连接一第二或非门的输入端，所述第二或非门的输出端连接一第八反相器的输入端输出一软启动使能信号。

如图7所示，其为本发明的软启动电路及参考电压重置电路的结构示意图，所述软启动电路及参考电压重置电路包括施密特触发器，所述施密特触发器的输入端连接一充电恒流源，且其输出端连接一第三或非门的一输入端，所述第三或非门的另一输入端输入经过一第九反相器反相后的软启动使能信号，所述第三或非门的输出端连接一重置开关的栅极，所述重置开关的源极连接所述充电恒流源，且所述重置开关的漏极接地，所述重置开关的衬底与所述漏极连接，所述重置开关源极与漏极之间连接一参考电压储能电容，所述重置开关的源极输出一软启动参考电压。

如图3所示，本发明还包括一输出调整电路，所述输出调整电路的输出端连接一负载芯片及一第一电阻，所述第一电阻的另一端串联一第二电阻，所述第二电阻的另一端接地，所述第一电阻和所述第二电阻的两端并联一第一电容；所述短路检测器的一输入端连接于所述第一电阻R1和第二电阻R2之间，所述短路检测器的另一输入端连接一短路参考电压，且其输出端连接所述软启动使能信号发生器，短路检测器主要由电压比较器构成，其两输入信号分别是短路参考电压和反馈电压，其中反馈电压由输出电压经电阻R1和R2分压所得；所述软启动电路及参考电压重置电路的输出端连接一误差放大器的同向输入端，所述误差放大器的另一同向输入端连接一参考电压，且所述误差放大器的输出端连接所述输出调整电路，所述输出调整电路包括PWM比较器、电流检测电路、振荡器、逻辑电路、驱动电路，其与误差放大器共同形成负反馈环路以调整输出电压到额定值。

如图8所示，其为本发明中的信号的流程示意图：当发生短路时，短路检测器检测到短路，并根据输出短路与否输出高电平或低电平的短路状态指示信号，在短路状态发生时，该检测电路输出或由低变高或由高变低的单次跳变信号，此信号在短路状态移除时由高电平跳变为低电平并保持；软启动使能信号发生器接收到短路检测器发出的短路状态移除信号，此单次翻转信号经过第一反相器1整形后输入到延时电路，延时电路输出信号再通过第二反相器2整形输入到或第一非门3的输入端A，同时原单次翻转信号输入到第一或非门1的输入端B，第一或非门3的输出的信号经过第三反相器4整形输入到逻辑运算电路，与原单次翻转信号做逻辑运算得到一个脉冲宽度在100ns左右且其宽度为t1的单次正脉冲信号标识为“软启动使能信号”，此“软启动使能信号”经过第九反相器13整形后输出到第三或非门的输入端B；储能电容CSS上存储的电压信号标识为“软启动参考电压”经过施密特处理后标识为“参考电压重置结束”信号，当“软启动参考电压”高于施密特触发器的高阈值时“参考电压重置结束”为低电平，当输出“软启动参考电压”低于施密特触发器的低阈值时“参考电压重置结束”为高电平；“参考电压重置结束”输出到第三或非门14的输入端A，第三或非门14的输出标识为“重置开关栅极信号”作为软启动参考电压重置开关管NM1的栅极控制信号，在短路恢复前VSS为电源电压，施密特触发器输出“参考电压重置结束”为低电平，第三或非门14不能屏蔽“软启动使能信号”，当短路状态移除时“软启动使能信号”变为宽度为t1的单次高电平脉冲，经过第九反相器14整形后得到宽度为t1的单次低电平脉冲，此单次低电平脉冲与“参考电压重置结束”作或非运算得到宽度为t2的单次高电平脉冲作为“重置开关栅极信号”，其在高电平阶段打开重置开关NM1（NMOS）将储能电容CSS的电荷释放掉，当高电平结束时关闭NM1，电流源再次为CSS充电，“软启动参考电压”信号缓慢上升，使得系统重新进入软启动阶段，其中t2的大小取决于“参考电压重置结束”重新翻转为高电平的时机。

图4中的反相器与或非门的个数及组合方式取决于输入的短路状态移除信号的跳变类型，且该实例中是对由高到低的跳变信号做处理，而对由低到高的跳变信号不做处理；如果采用不同的组合逻辑相应处理不同跳变类型的输入信号同样可以实现本应用实例的功能，所以电路形式并不受限于本应用实例。

本发明图五所示的延时电路，分别通过第一反相器1和第二反相器2做输入信号及输出信号的整形，同时包括第三电阻R3和第二电容C2组成的一阶滤波，第三电阻R3和第二电容C2构成的RC时间常数取决于本发明软启动电路及参考电压重置电路中的参考电压重置开关NM1的导通阻抗RNM1和参考电压蓄能CSS的容值所决定的放电时间常数，通常要求R3*C2远大于RNM1*CSS以保证有足够宽度的脉冲能将CSS储存的电荷放掉。且本实施例中在保证R3*C2数值的前提下，第三电阻R3和第二电容C2各自取值大小取决于电阻和电容的工艺类型以达到获得最小硅片面积的目的；本应用实例中采用多晶硅高阻与MOS电容的组合实现延时，但其并非本发明中可应用的唯一RC组合类型。另外应用于本发明中的延时电路不仅仅局限于RC延时电路，其他延时方法也可应用于本发明，例如数字时钟计数延时也是方法之一。

本发明图6所示的逻辑运算电路，主要由一个简单的异或逻辑构成，两个输入信号分别是原始的短路状态信号、短路状态延时信号。图中所示的异或逻辑仅作为本发明中逻辑运算的一种应用实例，其并不具有唯一性，它也可以通过触发器实现本发明所需的运算功能。

本发明图7所示的软启动电路及参考电压重置电路，由反相器、或非门、施密特触发器、重置开关组成。其工作方式是：如前所述t1的大小必须保证重置开关在t1时间内将CSS储存的电荷释放完成，否则会导致“软启动参考电压”不是由零开始上升，最坏情况下系统不能实现软启动，其也可以采用不同的逻辑组合和重置方式，此处不再一一列举。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种短路恢复软启动电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，所述软启动使能信号发生器包括第一反相器，所述第一反相器的输入端接收所述短路检测器的信号，且其输出端连接一延时电路，所述延时电路的输出端连接一第二反相器的输入端，一第一或非门的输入端连接所述第二反相器的输出端，且其另一输入端接收短路恢复输入信号，所述第一或非门的输出端连接一第三反相器的输入端，所述第三反相器的输出端连接一逻辑运算电路的一输入端，所述逻辑运算电路的输出端输出软启动使能信号。

3.根据权利要求2所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，所述延时电路为RC延时电路或数字时钟计数延时器中的一种。

4.根据权利要求3所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，所述RC延时电路包括一第三电阻，所述第三电阻的两端分别连接于所述第一反相器的输出端及所述第二反相器的输入端；还包括一第二电容，所述第二电容的一端连接于所述第二反相器的输入端，且所述第二电容的另一端接地。

5.根据权利要求2所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，所述逻辑运算电路包括一第四反相器，所述第四反相器的输入端输入原始跳变信号，且其输出端连接一第一与非门一输入端，所述第一与非门的另一输入端连接所述第三反相器的输出端；还包括一第五反相器，所述第五反相器的输入端连接所述第三反相器的输出端，且其输出端连接一第二与非门的一输入端，所述第二与非门的另一输入端输入原始跳变信号；所述第一与非门及所述第二与非门的输出端分别连接一第六反相器及第七反相器的输出端，所述第六反相器及所述第七反相器的输出端均连接一第二或非门的输入端，所述第二或非门的输出端连接一第八反相器的输入端输出一软启动使能信号。

6.根据权利要求1所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，所述软启动电路及参考电压重置电路包括施密特触发器，所述施密特触发器的输入端连接一充电恒流源，且其输出端连接一第三或非门的一输入端，所述第三或非门的另一输入端输入经过一第九反相器反相后的软启动使能信号，所述第三或非门的输出端连接一重置开关的栅极，所述重置开关的源极连接所述充电恒流源，且所述重置开关的漏极接地，所述重置开关的衬底与所述漏极连接，所述重置开关源极与漏极之间连接一参考电压储能电容，所述重置开关的源极输出一软启动参考电压。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，还包括一短路检测器，所述短路检测器检测到短路状态并输出所述短路状态指示信号。

8.根据权利要求7所述的短路恢复软启动电路，其特征在于，还包括一输出调整电路，所述输出调整电路的输出端连接一负载芯片及一第一电阻，所述第一电阻的另一端串联一第二电阻，所述第二电阻的另一端接地，所述第一电阻和所述第二电阻的两端并联一第一电容；所述短路检测器的一输入端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，所述短路检测器的另一输入端连接一短路参考电压，且其输出端连接所述软启动使能信号发生器；所述软启动电路及参考电压重置电路的输出端连接一误差放大器的同向输入端，所述误差放大器的另一同向输入端连接一参考电压，且所述误差放大器的输出端连接所述输出调整电路。