CN103631303A

CN103631303A - 用于稳压电源芯片的软启动电路

Info

Publication number: CN103631303A
Application number: CN201310643899.4A
Authority: CN
Inventors: 来新泉; 王涛; 邵丽丽; 刘晨
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-12-01
Filing date: 2013-12-01
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-12-01
Also published as: CN103631303B

Abstract

本发明公开了一种用于稳压电源芯片的软启动电路，主要解决现有的软启动电路占用芯片面积大、额外增加功率消耗的问题。其包括一个PMOS管M1和两个NMOS管M2、M3；该PMOS管M1的源极接电源VDD，栅极接控制信号ONX，漏极接第一NMOS管M2的漏极和第二NMOS管M3的栅极；该第一NMOS管M2的源极接地，栅极接基准电压V_REF；该第二NMOS管M3的源极接地，漏极接基准电压V_REF。高电平控制信号ONX关断PMOS管M1，使其漏极电压缓慢降低，削弱第二NMOS管M3的导通能力，进而使其对基准电压V_REF的短路作用减弱，实现基准电压V_REF从零缓慢上升到预设值。本发明延长了基准电压V_REF的建立时间，使其与稳压电源芯片的输出电压V_OUT同步建立，有效地抑制了稳压电源芯片启动过程中的浪涌电流。

Description

用于稳压电源芯片的软启动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别是一种软启动电路，可用于模拟集成电路的线性稳压器及开关电源。

背景技术

在电源管理领域，采用基准电压信号与反馈电压率管或开关管的导通状态。在稳态工作模式下，基准电压信号与反馈电压信号基本相等，然而开关稳压电源芯片在上电的过程中，内部的基准电压优先于输出电压建立，即当内部的基准电压达到稳态值时，输出电压还保持为零，输出电压的反馈电压信号维持为零。误差运算放大器EA输出的控制电压致使开关稳压电源以浪涌电流的形式向外输出电流。通常此电流的峰值远大于正常的稳态输出电流值，会损耗甚至直接损坏稳压芯片。

目前，减弱甚至消除浪涌电流的电路主要有两种方案：

第一种方案是：利用渐变的输出电流限制阈值以钳位最大输出电流，但该方案增加了芯片的功耗，损害了其低静态功耗的特点并增加了整体电路的复杂程度。

第二种方案是：利用一个变化的电压来取代误差运算放大器EA正向输入端的基准电压，该变化的电压通常采用电流源给较大的电容充电或利用复杂的数字电路实现。图1给出一个典型的线性稳压器应用拓扑结构，其包括线性软启动电路，误差运算放大器EA，功率管M4，输出电压反馈电阻R1、R2，输出电容C2，寄生电阻R3，输出电阻R4。所示信号分别为电源VDD，从零开始增加的线性电压V_line，基准电压V_REF，误差运算放大器EA的输出电压V_DR，线性稳压器的输出电压V_OUT及该电压的反馈电压V_FB。其中的线性软启动电路在上电过程中，通过电流源I1给电容C1充电，在电容C1上形成一个从零开始增加的线性电压V_line，用此线性电压V_line取代基准电压V_REF与输出反馈电压V_FB进行比较，使得输出电压缓慢上升，实现限制浪涌电流的目的。然而，此种软启动电路由于需采用的电容面积能达到稳压电源芯片内部其他所有电容面积的总和，极大的增加了芯片面积，甚至由于电容面积过大，需采用稳压芯片外部连接的方式，损害芯片的可集成特性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有软启动电路的不足，提供一种结构简单，占用芯片面积微小，且无静态损耗的软启动电路，实现对稳压电源芯片浪涌电流的抑制。

实现本发明目的技术思路：通过利用CMOS器件自身的导通特性得到一个缓慢变化的控制电压，利用该控制电压改变MOS管的导通特性，使得该MOS管对基准电压V_REF的短路效用逐步减弱、最终消失，以实现基准电压V_REF从零缓慢增加到预设值。

本发明的软启动电路，其特征在于包括一个PMOS管M1和两个NMOS管M2、M3；

所述PMOS管M1，其源极接电源VDD，其栅极接外部控制信号ONX，其漏极分别接到第一NMOS管M2的漏极和第二NMOS管M3的栅极；

所述第一NMOS管M2，其源极接地，其栅极接基准电压V_REF；

所述第二NMOS管M3，其源极接地，其漏极接基准电压V_REF。

作为优选所述PMOS管M1和两个NMOS管M2、M3，均采用源、漏极之间耐压值小于或等于5V的低压管。

作为优选第二NMOS管M3的漏极与基准电压V_REF之间连接有调节电阻R1，用于调节软启动时间及浪涌电流值，该调节电阻R1的参数根据软启动时间及允许的浪涌电流值进行选择。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明的软启动电路仅采用三个MOS管，相较于现有的利用电容线性结构或利用多个D触发器数字结构，结构简单，减小了芯片面积。

（2）本发明的软启动电路在软启动过程中无需额外增加软启动电流，不会产生逻辑门翻转毛刺电流，且在软启动结束后各支路均处于截止状态，无功率损耗，相较于现有的利用电容线性结构或利用多个D触发器数字结构，减小了芯片的功率损耗。

附图说明

图1是传统线性软启动电路原理图；

图2是本发明的第一实施例电路原理图；

图3是本发明的第二实施例电路原理图；

图4是本发明第一实施例的应用实例图；

图5是本发明第二实施例的应用实例图；

具体实施方式

以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图2，本发明软启动电路包括：一个源、漏极之间耐压值小于或等于5V的低压PMOS管M1，两个源、漏极之间耐压值小于或等于5V的低压NMOS管M2、M3；

电源VDD接低压PMOS管M1的源极，控制信号ONX接低压PMOS管M1的栅极，基准电压V_REF分别接到第一低压NMOS管M2的栅极和第二低压NMOS管M3的漏极，低压PMOS管M1的漏极分别接到第一低压NMOS管M2的漏极和第二低压NMOS管M3的栅极，第一低压NMOS管M2的源极与第二低压NMOS管M3的源极接地。

图4给出一个典型的线性稳压器应用拓扑结构，其包括框2所示的软启动电路，误差运算放大器EA，功率管M4，输出电压反馈电阻R1、R2，输出电容C2，寄生电阻R3，输出电阻R4。所示信号分别为电源VDD，控制信号ONX，基准电压V_REF，误差运算放大器EA的输出电压V_DR，线性稳压器的输出电压V_OUT及该电压的反馈电压V_FB。

参照图4，本实例的工作原理如下：

在线性稳压器未使能的情况下，线性稳压器不工作，基准电压V_REF未建立，其电压值为零，线性稳压器无输出电流。控制信号ONX维持低电平，低压PMOS管M1线性导通，第一低压NMOS管M2截止，低压PMOS管M1的漏极电压为高电平VDD,该电压使得第二低压NMOS管M3线性导通，维持基准电压V_REF电压值为零。

线性稳压器使能后，控制信号ONX由低电平翻转为高电平，软启动电路工作，即控制信号ONX关断低压PMOS管M1，此时基准电压V_REF电压值为零，第一低压NMOS管M2截止，使得低压PMOS管M1的漏极处于等效悬空状态。由于第一低压NMOS管M2的漏极-衬底存在的漏电流，低压PMOS管M1漏极的电压缓慢降低，该电压直接控制第二低压NMOS管M3的导通状态，随着低压PMOS管M1漏端电压的降低，第二低压NMOS管M3的导通能力逐步下降，其短路作用逐步减弱，实现基准电压V_REF从零缓慢上升，最终到达预设值。从零缓慢升高的基准电压V_REF与输出反馈电压V_FB经误差运算放大器EA差分放大，输出电压V_DR，该电压控制线性稳压器的功率管M4实现输出反馈电压V_FB与基准电压V_REF同步变化。由于输出电压V_OUT经反馈电阻R1、R2分压后得到的输出反馈电压V_FB，输出反馈电压V_FB与基准电压V_REF同步变化，保证了输出电压V_OUT与基准电压V_REF同步变化。可见，通过本发明的软启动电路可延长基准电压V_REF的建立时间，实现基准电压V_REF与线性稳压器的输出电压V_OUT同步建立。避免了基准电压V_REF与反馈电压V_FB差值过大而造成运算放大器EA输出电压V_DR出现极限最小值的状况，实现抑制浪涌电流的功能。

当低压PMOS管M1漏端的电压降低致小于第二低压NMOS管M3的导通阈值电压时，第二低压NMOS管M3完全截止，软启动过程结束。此时，低压PMOS管M1维持截止状态，第一低压NMOS管M2维持线性导通状态，第二低压NMOS管M3维持截止状态。第二低压NMOS管M3截止,其不再对基准电压V_REF产生影响，软启动作用完全消失，不再对线性稳压器输出电压与电流产生影响。

实施例2

参照图3，在图2所示软启动电路基础上增加低压调节电阻R5，连接到第二NMOS管M3的漏极与基准电压V_REF之间，该调节电阻R5用于调节软启动时间及浪涌电流值，该调节电阻R1的参数根据软启动时间及允许的浪涌电流值进行选择，例如R5等于60kΩ，所需启动时间1.5ms，最大浪涌电流等于0.6A；R5等于180kΩ，所需启动时间500us，最大浪涌电流等于1.2A。

图5给出一个典型的线性稳压器应用拓扑结构，其包括框3所示的软启动电路，误差运算放大器EA，功率管M4，输出电压反馈电阻R1、R2，输出电容C2，寄生电阻R3，输出电阻R4。所示信号分别为电源VDD，控制信号ONX，基准电压V_REF，误差运算放大器EA的输出电压V_DR，线性稳压器的输出电压V_OUT及该电压的反馈电压V_FB。

参照图5，本实例的工作原理如下：

线性稳压器使能后，控制信号ONX由低电平翻转为高电平，软启动电路工作，即控制信号ONX关断低压PMOS管M1，此时基准电压V_REF电压值为零，第一低压NMOS管M2截止，使得低压PMOS管M1的漏极处于等效悬空状态。由于第一低压NMOS管M2的漏极-衬底存在的漏电流，低压PMOS管M1漏极的电压缓慢降低，随着低压PMOS管M1漏端电压的降低，第二低压NMOS管M3的导通能力逐步下降。该管导通能力的下降会致使第二低压NMOS管M3与低压电阻R5串联支路的短路功能逐步减弱。随着第二低压NMOS管M3与低压电阻R5串联支路短路作用的减弱，基准电压V_REF从零缓慢上升，最终到达预设值。基准V_REF从零上升到预设值的时间可同过改变低压电阻R5的阻值进行调节。改变低压电阻R1的阻值，即改变第二低压NMOS管M3与低压电阻R5串联支路的等效阻抗值，该等效阻抗的阻值直接影响第二低压NMOS管M3与低压电阻R5串联支路的短路作用，从而影响软启动时间。从零缓慢升高的基准电压V_REF与输出反馈电压V_FB经误差运算放大器EA差分放大，输出电压V_DR，该电压控制线性稳压器的功率管M4实现输出反馈电压V_FB与基准电压V_REF同步变化。由于输出电压V_OUT经反馈电阻R2、R3分压后得到的输出反馈电压V_FB，输出反馈电压V_FB与基准电压V_REF同步变化，保证了输出电压V_OUT与基准电压V_REF同步变化。可见，通过本发明的软启动电路可延长并调节基准电压V_REF的建立时间，实现基准电压V_REF与线性稳压器的输出电压V_OUT同步建立。避免了基准电压V_REF与反馈电压V_FB差值过大而造成运算放大器EA输出电压V_DR出现极限最小值的状况，实现抑制浪涌电流的功能。

以上描述仅是本发明的两个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种应用于稳压电源芯片的软启动电路，其特征在于包括一个PMOS管M1和两个NMOS管M2、M3；

所述第一NMOS管M2，其源极接地，其栅极接基准电压V_REF；

所述第二NMOS管M3，其源极接地，其漏极接基准电压V_REF。

2.根据权利要求所述的软启动电路，其特征在于所述PMOS管M1和两个NMOS管M2、M3，均采用源、漏极之间耐压值小于或等于5V的低压管。

3.根据权利要求1所述的软启动电路，其特征在于第二NMOS管M3的漏极与基准电压V_REF之间连接有调节电阻R1，用于调节软启动时间及浪涌电流值。

4.根据权利要求3所述的软启动电路，其特征在于调节电阻R1的参数根据软启动时间及允许的浪涌电流值进行选择。