CN103378718A - 一种多模式降压型dc-dc转换器片内软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多模式降压型DC-DC转换器在启动阶段对芯片实施保护作用的软启动电路。在DC-DC转换器的启动阶段的大过冲电流容易造成功率开关的损坏，并且增加了芯片的功率损耗。本发明利用一个充电电流发生器为一个电容充电，用限流电路实时检测电容上的电压来输出限流电压，保证芯片的安全软启动。通过软启动过程结束判断电路，本发明使芯片实时的工作在软启动和正常工作状态下，关断电路根据芯片的调制模式可关断芯片的部分非工作电路。本发明所提供的软启动方案能有效抑制启动阶段的过冲电流，从而保护芯片的功率开关，并提高芯片的效率。

Description

一种多模式降压型DC-DC转换器片内软启动电路

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，尤其是一种多模式降压型DC-DC(直流-直流)转换器片内软启动电路。

背景技术

制约便携式通信及娱乐电子终端发展的一个主要因素就是电池的工作时间，电源系统从待机状态到工作状态的快速平稳切换可以降低电源由于启动带来的功率损耗，从而延长电池的工作时间。由于在启动过程中，电压管理芯片的输出电容需要从0V充电到所期望的电压值，这会在充电过程中造成较大的过冲电流(Kimio SHIBATA，Cong-Kha PHAM，ADC-DCConverter Using A High Speed Soft-Start Control Circuit，Circuits and Systems(ISCAS)Proceeding of 2010 IEEE International Symposium OnPage(s)833-836)；充电电流过冲的持续时间会高达数毫秒，这严重影响电池的工作时间以及电源管理电路本身的工作寿命。过冲电流不仅消耗了额外的功耗，而且对电源管理电路的功率器件，以及外围的电容电感造成不可逆转的损坏；因此，软启动的方式为多数电源管理电路采用(X.Lai，J.Guo.W Yu and Y.Cao，“A Novel Digital Soft-Start Circuit for DC-DCSwitching Regulator，”Proc.of 6th International Conference On ASICON2005，Vol.2，pp.554-558，Oct.2005)。软启动的方式可以使脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)工作的DC-DC转换器在启动阶段的开关占空比设置在较小的比率，从而抑制过冲电流的增加；随着输出电压的上升，启动电流逐渐释放对占空比的控制，实现软启动的功能(NationalSemiconductor Corporation，“LM3677，3MHz，600mA Miniature Step-DownDC-DC Converter for Ultra Low Voltage Circuits，”Data Book，Mar.2007)。

由于软启动电路的引入，传统的电源管理芯片需要增加额外的焊盘以及额外的片外软启动电容，这不仅增加了电路的应用成本，同时也增加PCB(printed circuit board印刷电路板)的面积。为了降低成本和PCB面积，无需额外焊盘和片外电容的片上软启动电路成为设计者及用户的选择(United States Patent，Patent Number：6.100，677，Aug.8，2000，“Switchingcontroller chip with internal but not external soft start circuitry and DC to DCconverter including such a controller chip，”Douglas Robert Farrenkopf，National Semiconductor Corporation.)。多数片上集成的软启动电路采用DAC(Digital to Analog Converter)数模转换器产生斜波电压或阶梯电压来实现软启动功能，但这种方式的软启动时间受到DAC的限制，且电路的复杂程度和芯片的面积都不利于这种方式的广泛应用。

发明内容

在DC-DC转换器的启动阶段，当输出还未达到稳定状态时，会有较大的过冲电流流过功率开关，如果过冲电流过大，同时输出达到稳定需要的时间过长，则容易造成功率开关的损坏，并且增加了芯片的功率损耗。为了在启动阶段对芯片提供保护，同时降低功率损耗，高性能的软启动电路是非常必要的。为了解决开关型DC-DC变换器中启动阶段由过冲电流导致的可能的电路及外围器件的损坏，同时对系统功率造成的损耗，本发明的目的是提供一种可集成于芯片内部的快速低功耗的软启动电路。

本发明提供的一种多模式降压型直流-直流转换器片内软启动电路，其特征在于，该电路包括：软启动限流电压充电电流发生器，软启动过程结束判断电路，产生软启动过程结束后部分电路关断信号S的关断电路和产生软启动过程中限流电压Vs_Ref的限流电路、软启动电容Cs、以及MOS管MC和MD，其中，

所述判断电路包括比较器，所述关断电路包括D触发器Dff，所述限流电路包括运算放大器；

偏置电流经过所述充电电流发生器后产生充电电流，所述充电电流发生器的输出端连接MOS管MC的漏极，MC的漏极与栅极相连，MC的源极连接软启动电容Cs的上极板，Cs的下极板接地，Cs的上极板的电压为Vc；

所述软启动电容Cs的上极板分别连接所述比较器和运算放大器的正输入端以及MOS管MD的漏极，MD的源端接地，所述运算放大器的负端与其输出端相连，其输出为Vs_ref，所述比较器的负输入端连接芯片内部的基准电压Vref，所述比较器的输出端连接D触发器Dff的输入端Clk，Dff的D端接电源，使得Dff具有锁存功能，Dff的输出QB连接所述充电电流发生器的复位端，作为所述充电电流发生器的复位信号，输出Q作为所述关断信号S；

复位信号与使能信号经过逻辑与门后输入到D触发器Dff的复位端和MOS管MD的栅极，作为Dff和MD的复位信号，关断信号S与使能信号经过逻辑与门后作为比较器的使能信号。

本发明所提供的软启动方案能有效抑制启动阶段的过冲电流，通过动态的控制限流电压，提供0.8～1ms的软启动时间，从而保护芯片的功率开关，提高芯片的整体效率。

附图说明

图1是本发明的软启动电路在降压型DC-DC转换器中的应用电路示意图。

图2是本发明软启动电路的总体电路图。

图3是本发明软启动电路的信号波形图。

图4是实现软启动限流电压Vs_Ref对过冲电流的限制电路图。

图5是限流电路的波形图。

图6是无限流电压时的电流波形图。

图7是部分关断信号S实现对系统保护的组合逻辑电路图。

图8是描述图7的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明所提出的一种多模式降压型DC-DC(直流-直流)转换器片内软启动电路的典型应用如图1所示，其中，片外器件用来设定芯片的应用环境，片内器件主要包括脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)模块，脉冲频率调制(PFM，Pusle Frequency Modulation)模块，脉冲跳跃调制(PSM，Pulse Skip Modulation)模块，控制以上调制模式的模式控制器；用于控制片内的PSM模块、PFM模块、PWM模块及调制模式选择信号的逻辑控制模块；用于驱动功率开关的驱动器；以及用于检测电感电流的电流检测器；本发明提出的软启动电路与需要进行启动控制的片内器件相连，用于为芯片在启动阶段提供保护及限流信号，保证芯片平稳启动，防止片上器件尤其是功率开关损坏，同时提高芯片的整体效率。

图2是本发明软启动电路的总体电路图，如图2所示，本发明所提出的一种多模式降压型DC-DC(直流-直流)转换器片内软启动电路主要包括：软启动限流电压充电电流发生器，软启动过程结束判断电路，产生软启动过程结束后部分电路关断信号S的关断电路和产生软启动过程中限流电压Vs_Ref的限流电路、软启动电容Cs、以及MOS管MC和MD。

所述软启动限流电压充电电流发生器包括多个MOS管，所述软启动过程结束判断电路主要包括比较器，所述产生软启动过程结束后部分电路关断信号S的关断电路主要包括D触发器Dff，所述产生软启动过程中限流电压Vs_Ref的限流电路主要包括运算放大器。

具体地，如图2所示，使用芯片内部基准电流作为偏置电流来偏置所述软启动限流电压充电电流发生器；所述偏置电流经过所述软启动限流电压充电电流发生器后产生充电电流；所述软启动限流电压充电电流发生器的另一输入端连接电源，所述软启动限流电压充电电流发生器的输出端连接MOS管MC的漏极，MC的漏极与栅极相连，MC的源极连接软启动电容Cs的上极板，Cs的下极板接地，Cs的上极板的电压为Vc；所述Cs的上极板分别连接所述比较器和运算放大器的正输入端，以及开关MOS管MD的漏极，所述运算放大器的负端与其输出端相连，所述运算放大器作为电压跟随器，其输出为Vs_ref；所述比较器的负输入端连接芯片内部的基准电压Vref，所述比较器的输出端连接D触发器Dff的输入端Clk，Dff的D端接电源，使得Dff具有锁存功能，Dff的输出QB连接所述充电电流发生器的复位端，作为所述充电电流发生器的复位信号，输出Q作为软启动过程结束后部分电路的关断信号S。复位信号与使能信号均为芯片内部信号，复位信号与使能信号经过逻辑与门后输入到Dff的复位端和到开关MOS管MD的栅极，作为Dff和开关MOS管MD的复位信号，关断信号S与使能信号经过逻辑与门后作为比较器的使能信号。开关MOS管MD的源端接地，通过复位信号和使能信号控制MD的状态，可实现对电压Vc的复位。芯片内部基准电流作为偏置电流经过所述软启动限流电压充电电流发生器后得到充电电流，得到的充电电流经过MOS管MC为软启动电容Cs充电，随着软启动时间的增加，软启动电容Cs上的电压Vc增加，这会降低加在所述软启动限流电压充电电流发生器上的电压，从而减小充电电流，使得软启动电容Cs上的电压Vc缓慢上升。

软启动过程结束判断电路由比较器来实现，所述比较器的正输入端连接软启动电容Cs的上极板，负输入端接芯片内部基准电压Vref。在软启动电路开始工作时，软启动电容Cs上的电压Vc为0，所述比较器的输出为低电平，软启动电路处于使能状态。当电压Vc值经过所述充电电流的充电上升至超过基准电压后，比较器的输出变为高电平。这时，比较器输出的上升沿触发D触发器Dff，由于Dff的输入D与电源电压相连，触发后的Dff输出状态将被锁存，直到复位信号R为高后才解除输出锁存状态。也就是说，Dff的输出QB在比较器输出为高电平后被锁存为低电平，这时充电电流发生器被低电平的QB关断，充电电流发生器就不再为软启动电容Cs提供充电电流，软启动过程结束。Dff的输出QB被触发锁存后，其输出Q被锁存为高电平，其状态一直保持到下一个软启动过程开始后再被复位。

在软启动过程中，Cs上的电压经过由运算放大器构成的电压跟随器后输出限流电压Vs_ref。当软启动过程结束后，Cs上电压Vc等于基准电压，因此限流电压Vs_ref也等于基准电压，并且Cs上电压Vc保持不变，直到下一个软启动过程开始。在软启动过程中，运算放大器构成的电压跟随器作为产生限流电压Vs_Ref的限流电路。

该软启动电路的全局使能信号和Dff的输出Q经过与门后作为软启动过程结束状态判断比较器的使能信号。当软启动过程结束时，输出Q为高电平，因此将比较器关断，可降低软启动电路在DC-DC转换器工作状态下的静态电流，提高系统的整体效率。Dff与逻辑与门组成了产生软启动过程结束后部分电路关断信号S的关断电路。

当输出QB被锁存为低电平后，充电电流发生器被关断，电容Cs停止充电，Vs_ref被保持在Vc值，作为DC-DC反馈系统的内部基准电压；如果Cs被继续充电，Vc将持续上升，会造成严重的系统误差。

图2中，S信号为软启动状态信号，S为低电平表明软启动过程正在进行中，系统被设置在软启动工作状态；S为高电平时表明软启动过程已经结束，系统将被设置在正常工作状态。系统的工作状态(软启动工作状态和正常工作状态)设置由软启动电路的S信号与系统的其他信号决定，比如芯片的调制电路产生的调制信号，即保护电路产生的保护信号。

当系统要求被重新启动时，复位信号R将Dff的输出Q和QB分别置为低电平与高电平。QB为高电平，则MOS管MD导通，将Cs放电至0V，使得启动过程中Vc是由0V开始上升，确保每一个启动过程平稳上升，有效抑制过冲电流。同时，软启动结束状态判断电路中的比较器开始工作，以便随后判断当次软启动过程的结束与否。

图3为一个软启动过程中软启动电路各信号的波形图。

图4为软启动输出限流电压Vs_ref对系统的限流控制电路图(所述限流控制电路为Vs_ref信号的下一级电路)。图4中，限流比较器的正端接限流电流与限流电阻的乘积电压VLimit，负端接Vs_ref，比较器的输出与系统电压环路的输出组合得到系统的调制信号PWM(Pulse WidthModulation)信号。由于Vs_ref缓慢上升，所以限流比较器可在启动阶段对系统的输出电流进行抑制，使得输出电流缓慢上升，抑制了过冲电流的产生，从而保护系统的开关和片外容性和感性器件。

图5为图4所示电路的信号波形图。

图6为当无软启动电路时在启动过程中的输出电流波形图，输出电流在启动阶段的每一个周期都将达到系统能提供的最大电流，这种过冲电流可对系统的器件造成非逆转损害，同时消耗大量的能量。

图7是部分关断信号S实现对系统保护的组合逻辑电路图，显示了控制系统在软启动过程中及软启动过程结束后的调制模式。在软启动过程中，状态信号S为低电平，经过反向器和与门后，调制模式信号B、C为高电平；系统的保护信号为低电平时，调制模式信号A为低电平；调制模式信号低电平有效，所以在启动过程中，系统的调制模式将被设置在PWM模式。启动过程结束后，S信号被锁存为高电平，系统的调制模式将由系统的调制模式选择信号PWM选择、PSM选择和PSM选择决定。

图8为描述图7的时序图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多模式降压型直流-直流转换器片内软启动电路，其特征在于，该电路包括：软启动限流电压充电电流发生器，软启动过程结束判断电路，产生软启动过程结束后部分电路关断信号S的关断电路和产生软启动过程中限流电压Vs_Ref的限流电路、软启动电容Cs、以及MOS管MC和MD，其中，

所述判断电路包括比较器，所述关断电路包括D触发器Dff，所述限流电路包括运算放大器；

偏置电流经过所述充电电流发生器后产生充电电流，所述充电电流发生器的输出端连接MOS管MC的漏极，MC的漏极与栅极相连，MC的源极连接软启动电容Cs的上极板，Cs的下极板接地，Cs的上极板的电压为Vc；

所述软启动电容Cs的上极板分别连接所述比较器和运算放大器的正输入端以及MOS管MD的漏极，MD的源端接地，所述运算放大器的负端与其输出端相连，其输出为Vs_ref，所述比较器的负输入端连接芯片内部的基准电压Vref，所述比较器的输出端连接D触发器Dff的输入端Clk，Dff的D端接电源，使得Dff具有锁存功能，Dff的输出QB连接所述充电电流发生器的复位端，作为所述充电电流发生器的复位信号，输出Q作为所述关断信号S；

复位信号与使能信号经过逻辑与门后输入到D触发器Dff的复位端和MOS管MD的栅极，作为Dff和MD的复位信号，关断信号S与使能信号经过逻辑与门后作为比较器的使能信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述偏置电流为芯片内部基准电流。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述复位信号与使能信号均为芯片内部信号，通过所述复位信号和使能信号控制MOS管MD的状态，以对电压Vc进行复位。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述软启动电路开始工作时，软启动电容Cs上的电压Vc为0，所述比较器的输出为低电平，软启动电路处于使能状态；

所述充电电流发生器输出的充电电流经过MOS管MC为Cs充电，随着软启动时间的增加，Cs上的电压Vc增加，从而降低所述充电电流发生器上的电压，减小充电电流，使得Cs上的电压Vc缓慢上升；

当电压Vc值超过基准电压后，所述比较器的输出变为高电平，所述比较器输出的上升沿触发D触发器Dff，由于Dff的输入D与电源相连，触发后的Dff的输出QB被锁存为低电平，这时所述充电电流发生器被低电平的QB关断，充电电流发生器不再为Cs提供充电电流，软启动过程结束。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，直至复位信号为高时，所述触发后的D触发器Dff的输出QB才被解除锁存状态。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，D触发器Dff的输出QB被锁存后，其输出Q被锁存为高电平，其状态一直保持到下一个软启动过程开始后再被复位。

7.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，在软启动过程中，软启动电容Cs上的电压经过运算放大器后输出限流电压Vs_ref；软启动过程结束后，Cs上电压Vc等于基准电压，因此限流电压Vs_ref也等于基准电压，并且Cs上电压Vc保持不变，直到下一个软启动过程开始。

8.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，当软启动过程结束时，D触发器Dff的输出Q为高电平，从而将比较器关断，以降低软启动电路在直流-直流转换器工作状态下的静态电流，提高系统的整体效率。

9.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，当D触发器Dff的输出QB被锁存为低电平后，所述充电电流发生器被关断，软启动电容Cs停止充电，限流电压Vs_ref被保持在Vc值，作为直流-直流反馈系统的内部基准电压，以减小系统误差。

10.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，当系统要求被重新启动时，复位信号将D触发器Dff的输出Q和QB分别置为低电平与高电平，QB为高电平，则MOS管MD导通，将软启动电容Cs放电至0V，使得启动过程中电压Vc是由0V开始上升，确保每一个启动过程平稳上升，有效抑制过冲电流。

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