CN103647440A - 一种软启动电路及包括该软启动电路的dc-dc电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软启动电路及包括该软启动电路的DC-DC电路，在DC-DC电路中通过误差放大器来控制脉宽调制比较器的输出，可最终输出一稳定的输出电压，同时在软启动电路中，通过开关阻容电路来控制软启动输出的基准源电压，使得基准源电压缓慢上升最终稳定为参考电压，并使得DC-DC输出电压跟随软启动输出的基准源电压缓慢上升，避免了在启动过程中产生过冲电压，实现软启动功能，更好的保护电路。

Description

一种软启动电路及包括该软启动电路的DC-DC电路

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，确切的说，涉及一种软启动电路及包括该软启动电路的DC-DC电路。

背景技术

伴随着便携式设备的广泛成用，DC-DC（直流/直流转换电路）转换器凭借其高效率、大输出电流、低静态电流的特点而迅速发展。传统的DC/DC开关电源在上电过程中，输出电压从零上升到最大值。由于负反馈的作用，功率管的PWM（(Pulse Width Modulation，脉宽调制比较器）控制信号的占空比从最大值开始变化，逐渐减小，直到电路稳定。由于电路中输出滤波电容的存在，对电容充电容易产生浪涌电流，此时通过功率管的电流可以达到很大，容易损毁电路系统。为了在启动过程屮防止大的浪涌电流对电路系統的损坏，在电路启动过程中需要对电流进行限制，即需要在开关电源芯片中加入软启动电路。

DC-DC开关电源在上电工作的初期，电源输出电压从零逐渐上升。DC-DC芯片通过内部开关的导通对外部电感充电，电感积累能量，同时负载上的端电压也上升。如果负载较小，而电感中的能量释放较缓慢，则容易对负载造成较大的冲击。为了避免输出电压过冲的情况，提高电路工作的可靠性和寿命，需要在开关电源芯片电路中增加软启动功能。

软启动电路控制电源电压的输出，缓慢地从零电压上升到设定值，从而不会对负载造成损害。目前，常用的软启动有几类：

第一类是电阻或者采用恒流方式对电容充电，电容的端电压缓慢上升，输出电压跟随电容端电压也缓慢上升，电路原理如图1所示。此种方法需要较大的电容来实现，实际应用时，常常需要在芯片外部接电阻和电容元件，增加了应用的复杂程度。如果延时时间太短的话，软启动效果不明显，而当需要产生毫秒极的延时的情况下，此种方式的电路实现代价较高；

第二类是采用分段控制的方式，把电压的上升过程分成几个阶段，通过几个电压比较器来判断，再控制连接电容的电阻值的大小，改变电容的充电速度，达到缓慢上升的目的，但是其控制方式复杂，实现成本也较大；

第三类是数字控制数模转换器来实现参考电压缓慢上升的方法，

如图2所示，这种方法控制起来很复杂，芯片实现的成本也较高。

中国专利（CN 103023316 A）公开了一种能使多个DC-DC变换部均等地动作来生成直流输出电压的DC-DC转换器。本发明的DC-DC转换器具备：多个DC-DC变换部，输出矩形波电压；多个电感器元件，与所述多个DC-DC变换部的每一个相对应地各设置一个，一端与对应的DC-DC变换部的输出端子连接，另一端与公共的外部输出端子连接；多个占空检测电路，在所述多个DC-DC变换部的输出端子上分别各连接一个，对从对应的DC-DC变换部输出的矩形波电压的占空比进行检测；和占空调整电路，基于将所述多个占空检测电路的输出信号以每2个为一组而对每个组进行比较后的结果，对与各组内的一个占空检测电路连接的DC-DC变换部的占空比进行调整，使得各组的矩形波电压的占空比相等。

但是该专利是对DC-DC变换部的占空比进行调整，并不能对输出电压进行调整，输出的电压可能无法达到一想要的稳定电压值，进而无法调整。

综上，在现有技术中，若要实现将零电压缓慢地上升到设定值，其成本较高，而且控制方式也比较复杂，因此本领域技术人员一直致力研究如何在保证成本的前提下，最好的实现软启动电路的功能，以保护电路。

发明内容

本发明提供了一种DC-DC软启动电路，通过较小的实现成本，从而实现较大的延时输出的效果。

本发明采用的技术方案为：

一种DC-DC电路，所述DC-DC电路应用于CMOS的启动电路中，所述电路提供一输出电压，其中，包括：带隙基准源电路、振荡器、软启动电路、误差放大器和脉宽调制比较器；

所述带隙基准源电路连接所述振荡器，并提供一参考电压至所述软启动电路；

所述软启动电路提供一基准源电压连接所述误差放大器的一输入端，所述误差放大器的输出端连接脉宽调制比较器的其中一输入端；

所述振荡器分两路方波输出，一路输出OCS1至脉宽调制比较器的一输入端，另一路输出OSC2至软启动电路；

其中，所述电路提供一反馈电压至所述误差放大器的其中一输入端，以控制输出一稳定的输出电压。

上述的DC-DC电路，其中，所述振荡器输出两路方波输出，一路为占空比为50%的方波输出OSC1连接所述脉宽调制比较器的输入端，另一路为占空比为5%脉冲方波输出OSC2连接软启动电路。

上述的DC-DC电路，其中，所述脉宽调制比较器的输出端连接一开关逻辑器的输入端。

上述的DC-DC电路，其中，所述开关逻辑控制器的SP输出端接外部开关整流管的栅极，SN输出端接外部续流管的栅极；

所述整流管的源极连接电源电压，所述续流管的源极接地端。

上述的DC-DC电路，其中，所述整流管和续流管的漏极连接的节点有一电感，该电感的另一端连接输出电压。

上述的DC-DC电路，其中，所述电路还包括两个串联的分压电阻，以及与该两个分压电阻并联的外接电容，其中一电阻接地端，两个所述分压电阻之间的节点提供所述反馈电压。

上述的软启动电路，其中，所述软启动电路包括比较器电路、与非门电路和开关阻容电路，

所述比较器电路包括镜像电流管单元及一差分输入极；

所述与非门电路包括一选择电路，该选择电路包括至少一对并联的选择晶体管（M10，M11），其中一选择晶体管（M10）的栅极连接比较器电路的输出端，该并联的另一差分晶体管（M11）的漏极连接所述振荡器的OSC2输出；

所述开关阻容电路包括一模拟开关电路，该模拟开关电路包括至少一对并联的模拟开关管（M14，M15），每个两个开关管的源极和衬底连接所述参考电压，其中一开关管（M14）的栅极连接比较器电路的输出端，另一开关管（M15）的栅极连接所述与非门电路的输出端；

所述开关阻容电路提供一反馈电流至差分输入极的输入端，并通过所述模拟开关电路来控制输出所述基准源电压。

上述的软启动电路，其中，所述镜像电流管单元包括多个镜像电流管，所述差分输入极包括至少一对并联的差分晶体管（M3，M4）；

每个所述差分晶体管（M3，M4）的源极皆连接其中一镜像晶体管的漏极。

上述的软启动电路，其中，每个所述镜像电流管的源极连接电源电压。

上述的软启动电路，其中，所述比较器电路还提供一偏置电流源，该偏置电流源提供一偏置电流至其中一所述镜像电流管（M1）的漏极，且该镜像电流管（M1）的栅极和漏极相连接。

上述的软启动电路，其中，所述选择电路的其中一选择晶体管串联有多个晶体管，且该选择晶体管（M11）的栅极和与其中一个该选择晶体管串联的晶体管（M13）的栅极相连；

所述选择电路通过所述串联的晶体管连接电源电压和接地端。

上述的软启动电路，其中，开关阻容电路还包括一电阻（R3）和电容（C1），所述电阻的一端连接所述模拟开关的其中一开关管（M15）的漏极，且该电阻的另一端与所述电容之间输出所述基准源电压。

由于本发明采用了以上技术方案，通过误差放大器来控制脉宽调制比较器的输出，可最终输出一稳定的输出电压，同时在软启动电路中，通过开关阻容电路来控制软启动输出的基准源电压，使得基准源电压缓慢上升最终稳定为参考电压，并使得DC-DC输出电压跟随软启动输出的基准源电压缓慢上升，避免了在启动过程中产生过冲电压，实现软启动功能，更好的保护电路。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有技术中使用阻容方式实现的软启动电路；

图2为现有技术中利用数字控制数模转换器实现软开关功能的电路图；

图3为本发明提供的一种DC-DC电路结构图；

图4为本发明提供的一种软启动电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图3为本发明提供的一种DC-DC电路示意图，如图所示，一种DC-DC电路，包括带隙基准源电路、振荡器、软启动电路、误差放大器、脉宽调制比较器和开关逻辑控制器；

带隙基准源电路连接振荡器，并提供一参考电压VBG至软启动电路；

振荡器输出两路方波输出，一路为占空比为50%的方波输出OSC1连接脉宽调制比较器（Pulse Width Modulation，即图示PWM比较器）的输入端，另一路为占空比为5%脉冲方波输出OSC2连接软启动电路；

软启动电路提供一基准源电压VREF至误差放大器的其中一输入端，误差放大器的输出端连接脉宽调制比较器的其中一输入端；

脉宽调制比较器的输出端连接开关逻辑控制器的输入端，脉宽调制比较器的输出端与振荡器的输出端OSC1连接到开关逻辑控制器的输入端；

开关逻辑控制器的SP输出端连接外部开关整流管MP1的栅极，SN输出端连接外部续流管MN1的栅极，整流管MP1和续流管MN1的漏极相连接，整流管MP1的源极连接电源电压VDD，续流管MN1的源极接地端GND；

进一步的，参照图3所示，整流管MP1和续流管MN1的漏极连接有一电感L1，该电感L1的另一端输出电压VOUT；

此外，还包括两个分压电阻（R1，R2），以及与该两个分压电阻并联的电容C0，电阻R1的一端位于电感L1与输出电压VOUT之间的节点，电容C0与R2接地；

电阻R1和电阻R2连接的节点提供反馈电压VFB至误差放大器的其中输入端。

本发明还提供了一种应用于DC-DC的软启动电路图，如图4所示，该软启动电路包括比较器电路与非门电路和开关阻容电路；

比较器电路包括多个镜像电流管（M1、M2、M7）组成的镜像电流管单元，以及至少一对并联的晶体管（M3、M4）组成的差分输入极，镜像电流管M1、M2、M7的栅极相互连接，且每个镜像电流管的源极皆连接电源电压VDD；

晶体管M3、M4源极连接镜像电流管M2的漏极，同时，晶体管M4的栅极连接至基准电压VBG，晶体管M5、晶体管M6、晶体管M8的源极连接接地端GND；

晶体管M3和晶体管M5、晶体管M4和晶体管M6以及晶体管M7和晶体管M8的漏极分别相连；

晶体管M5和晶体管M6栅极连接的节点与晶体管M3的漏极相连接，晶体管M4和晶体管M6漏极与晶体管M8的栅极相连接。

同时，该比较器电路还包括提供有一偏置电流源，该偏置电流源提供一偏置电流IBIAS至镜像电流管M1的漏极，且该镜像电流管M1的栅极和漏极相连。

如图4所示，该软启动电路还包括一与非门电路，与非门电路包括由至少一对并联的选择晶体管（M10，M11）组成的选择电路；

该选择电路的其中一个选择晶体管M11串联有多个晶体管（M9、M12、M13），晶体管M9的源极连接电源电压VDD，且该晶体管M9的栅极和漏极相连，晶体管M11和晶体管M13的栅极连接振荡器的OSC2路输出；

选择晶体管M10的栅极连接晶体管M12的栅极，并与比较器电路的输出端相连接；

晶体管M9的漏极连接晶体管10和晶体管M11的源极，晶体管M11的漏极连接晶体管M12的漏极，晶体管12的源极连接晶体管M13的漏极，晶体管M13的源极接地端GND。

如图4所示，开关阻容电路包括由至少一对并联的模拟开关管（M14、M15）组成的模拟开关电路，该模拟开关电路用于控制基准源电压VREF的输出，开关管M14和开关管M15的源极和衬底皆连接参考电压VBG；开关管M14的栅极连接比较器电路的输出端，开关管M15的栅极连接与非门电路中的晶体管M11和M12漏极连接的节点；

同时该开关阻容电路还包括一串联的电阻R3和电容C1，电阻R3和电容C1之间提供基准源电压VREF，晶体管M3的栅极连接至电阻R3与电容C1之间的节点，电容C1接地端GND。

具体的，参照图4所示，振荡器的OSC2路输出会以一定的占空比控制流入开关阻容电路的电荷量，通过与非门电路的选择电路使得开关管M15导通，并关闭开关管M14，以实现控制对电容C1的充电，致使基准源电压VREF的电压呈线性增长，而避免基准源电压VREF电压陡升造成电路损坏；

经过对电容C1一段时间的充电后，开关阻容电路输出的基准源电压VREF逐渐上升并接近带隙基准源电路产生的基准电压VBG，此时，电压比较器电路产生逻辑低电平，关闭振荡器的OSC2路输出对开关管M15的控制功能，关闭开关管M15，打开开关管M14，由开关管M14直接导通。之后，基准源电压VREF逐渐稳定接近为带隙参考电压VBG。

进一步的，参照图3所示，软启动电路输出一与带隙参考电压VBG非常接近的基准源电压VREF至误差放大器的输入端，同时误差放大器的输入端的另一输入端有一反馈电压，用于提供一输出电压的反馈电压至误差放大器，误差放大器会对反馈电压和软启动电路输出的基准源电压VREF之间的差值进行一定倍数的放大，以控制脉宽调制比较器的输出电压，进而最终输出一稳定的电压VOUT。

综上所述，由于本法采用了以上技术方案，可保证软启动电路输出的基准源电压VREF缓慢上升，最终使得基准源电压VREF与参考电压VBG非常接近，然后通过误差放大器的不断调整，并最终使得DC-DC输出端VOUT的电压跟随基准源电压VREF缓慢上升，避免了启动过程中的过冲电压，实现了软启动的功能，进而避免器件在上电过程中，由于电压上升较快，进而对电路和器件造成损坏。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种DC-DC电路，所述DC-DC电路应用于CMOS的启动电路中，所述电路提供一输出电压，其特征在于，包括：带隙基准源电路、振荡器、软启动电路、误差放大器和脉宽调制比较器；

所述带隙基准源电路连接所述振荡器，并提供一参考电压至所述软启动电路；

所述软启动电路提供一基准源电压连接所述误差放大器的一输入端，所述误差放大器的输出端连接脉宽调制比较器的其中一输入端；

所述振荡器分两路方波输出，一路输出OCS1至脉宽调制比较器的一输入端，另一路输出OSC2至软启动电路；

其中，所述电路提供一反馈电压至所述误差放大器的其中一输入端，以控制输出一稳定的输出电压。

2.根据权利要求1所述的DC-DC电路，其特征在于，所述振荡器输出两路方波输出，一路为占空比为50%的方波输出OSC1连接所述脉宽调制比较器的输入端，另一路为占空比为5%脉冲方波输出OSC2连接软启动电路。

3.根据权利要求1所述的DC-DC电路，其特征在于，所述脉宽调制比较器的输出端连接一开关逻辑器的输入端。

4.根据权利要求3所述的DC-DC电路，其特征在于，所述开关逻辑控制器的SP输出端接外部开关整流管的栅极，SN输出端接外部续流管的栅极；

所述整流管的源极连接电源电压，所述续流管的源极接地端。

5.根据权利要求4所述的DC-DC电路，其特征在于，所述整流管和续流管的漏极连接的节点有一电感，该电感的另一端连接输出电压。

6.根据权利要求3所述的DC-DC电路，其特征在于，所述电路还包括两个串联的分压电阻，以及与该两个分压电阻并联的外接电容，其中一电阻接地端，两个所述分压电阻之间的节点提供所述反馈电压至所误差放大器。

7.一种如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述软启动电路包括相互并联的比较器电路、与非门电路和开关阻容电路，

所述比较器电路包括镜像电流管单元及一差分输入极；

所述与非门电路包括一选择电路，该选择电路包括至少一对并联的选择晶体管（M10，M11），其中一选择晶体管（M10）的栅极连接比较器电路的输出端，该并联的另一差分晶体管（M11）的漏极连接所述振荡器的OSC2输出；

所述开关阻容电路包括一模拟开关电路，该模拟开关电路包括至少一对并联的模拟开关管（M14，M15），每个两个开关管的源极和衬底连接所述参考电压，其中一开关管（M14）的栅极连接比较器电路的输出端，另一开关管（M15）的栅极连接所述与非门电路的输出端；

所述开关阻容电路提供一反馈电流至差分输入极的输入端，并通过所述模拟开关电路来控制输出所述基准源电压。

8.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述镜像电流管单元包括多个镜像电流管，所述差分输入极包括至少一对并联的差分晶体管（M3，M4）；

每个所述差分晶体管（M3，M4）的源极皆连接其中一镜像晶体管的漏极。

9.如权利要求8所述的软启动电路，其特征在于，每个所述镜像电流管的源极连接电源电压。

10.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述比较器电路还提供一偏置电流源，该偏置电流源提供一偏置电流至其中一所述镜像电流管（M1）的漏极，且该镜像电流管（M1）的栅极和漏极相连接。

11.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述选择电路的其中一选择晶体管串联有多个晶体管，且该选择晶体管（M11）的栅极和与其中一个该选择晶体管串联的晶体管（M13）的栅极相连；

所述选择电路通过所述串联的晶体管连接电源电压和接地端。

12.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述开关阻容电路还包括一电阻（R3）和电容（C1），所述电阻的一端连接所述模拟开关的其中一开关管（M15）的漏极，且该电阻的另一端与所述电容之间输出所述基准源电压。

Images