CN104079157A - 一种同步升压dc-dc转换器的超低压启动电路 - Google Patents

Abstract

一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路，包括低压启动比较器、低压启动振荡器、低压驱动电路、倍压电路和开关管VTS，低压启动比较器分别输入基准电压Vref2和输出电压VO，其输出分别连接低压启动振荡器的一个输入端和DC-DC转换器中控制逻辑电路，低压启动振荡器的另一个输入连接供电电源VIN，低压启动振荡器的输出端分别连接倍压电路和控制逻辑电路，倍压电路的两路输出分别连接低压驱动电路的供电电源端和输入信号端，低压驱动电路的输出连接开关管VTS的栅极，开关管VTS的漏极作为超低压启动电路的输出端连接DC-DC转换器中同步整流管SP和功率开关管VT的漏极。

Description

一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路

技术领域

本发明涉及电源转换器，尤其是一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路。

背景技术

同步升压式DC-DC转换器由于具有高效率、瞬态响应好、输出噪声小、外围电路简单，对外围电路干扰小等优点在手持式设备和便携式产品中得到广泛应用，但延长电池工作时间，增宽输入电压范围，降低启动电压，仍是主要存在的问题。

传统电流型PWM同步升压DC-DC转换器如图1所示，外围元器件由电感L、输出电容C_OUT、反馈电阻R1，R2及负载RL组成，芯片内部包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM COMP电路、控制逻辑电路Control Logic、同步驱动电路Driver、斜波补偿电路、电流采样电路、功率开关管VT、同步整流管SP及采样电阻RS。电流型PWM模式同步升压转换器工作原理主要是：电流环采样峰值开关电流，然后用反馈电流调整控制器的输出脉冲宽度，改变脉冲的占空比，从而调节输出电压，达到稳压的目的。电流型PWM模式升压转换器工作时，当占空比D大于50％，不论外电压反馈环的状态如何，都将带来系统的不稳定，需要斜坡补偿。如图1所示输出电压VO经过电阻网络R1、R2采样后送入误差放大器EAMP的反相输入端，EAMP的同相输入端为带隙电路提供的基准电压Vref1，两者比较经EAMP放大后，输入至PWM比较器反相端与PWM比较器同相端的电流采样信号和变化的斜坡补偿三角波形成信号U∑比较，比较器的输出经过同步驱动逻辑，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制输出电压VO。

由于受到功率管VT阈值电压及功率管栅极大的寄生电容影响，同步升压转换器的启动电压受到限制。输入VIN低于1V，如果芯片内部模块供电电源采用输入电压VIN供电，芯片的驱动电压取自输入电源VIN，芯片内部无法正常工作，DC-DC无法启动；如果芯片供电电源取自输出电压VO同样芯片无法正常启动。

发明内容

为解决传统电流型PWM同步升压DC-DC转换器的低压启动问题，本发明提供一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路，能够实现超低输入电压启动且功耗低，可带一定负载启动。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路，同步升压DC-DC转换器设有外围器件电感L、输出电容C_OUT、反馈电阻R1，R2及负载RL，芯片内部包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM比较器、控制逻辑电路Control Logic、同步驱动电路Sync Driver、斜波补偿电路、电流采样电路gm、功率开关管VT、同步整流管SP及采样电阻RS，输出电压VO经过反馈电阻R1、R2分压采样后连接误差放大器EAMP的反相输入端，误差放大器EAMP的同相输入端连接带隙电路提供的基准电压Vref1，误差放大器EAMP的输出Ve连接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端连接电流采样电路gm的输出与斜坡补偿信号叠加后的输出信号，PWM比较器的输出经过控制逻辑电路Control Logic和同步驱动电路SyncDriver后，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制输出电压VO；其特征在于：

设置超低压启动电路，将该超低压启动电路的输出连接同步整流管SP和功率开关管VT的漏极；所述超低压启动电路包括低压启动比较器Start COMP、低压启动振荡器Start up OSC、低压驱动电路LDriver、倍压电路BOOST-V和低压启动开关管VTS，低压启动比较器Start COMP同相端与反相端分别输入基准电压Vref2和输出电压VO，低压启动比较器Start COMP的输出作为控制信号分别控制低压启动振荡器Start up OSC和逻辑电路Control Logic的开启与关断，低压启动振荡器Start up OSC的供电电源是DC-DC转换器输入电压VIN，低压启动振荡器Start up OSC的输出端分别连接倍压电路BOOST-V和逻辑电路Control Logic，倍压电路BOOS-V的供电电源是DC-DC转换器输入电压VIN，倍压电路BOOST-V的两路输出分别连接低压驱动电路LDriver的供电电源端和输入信号端，低压驱动电路LDriver的输出连接低压启动开关管VTS的栅极，低压启动开关管VTS的漏极作为超低压启动电路的输出端连接同步整流管SP和功率开关管VT的漏极，低压启动开关管VTS的源极和衬底接地。

所述低压启动振荡器Start up OSC包括电阻R10、R20，电容C1、C2，NMOS管N1、N2、反相器I1、反相器I2、反相器I4、反相器I5、反相器I6、反相器I8、反相器I9、反相器I10、或非门I3和或非门I7；电阻R10和R20的一端连接输入电压VIN，R10另一端与电容C1的一端、反相器I1输入端以及NMOS管N1的漏极连接，电阻R20的另一端与电容C2的一端、反相器I5输入端以及NMOS管N2的漏极连接，NMOS管N1、N2的源极和衬底以及电容C1、C2的另一端均接地，反相器I1的输出连接反相器I2的输入，反相器I2的输出连接或非门I3的一个输入端，或非门I3的另一个输入端连接或非门I7的输出端，或非门I3的输出端连接或非门I7的一个输入端和反相器I4输入端，反相器I4输出端连接反相器I8和I9输入端，反相器I8输出端连接NMOS管N2的栅极，反相器I5的输出端连接反相器I6的输入端，反相器I6的输出端连接或非门I7的另一个输入端，反相器I9的输出端连接反相器I10的输入端，反相器I10的输出端连接NMOS管N1的栅极并作为低压启动振荡器Start up OSC的方波信号Φ输出端；

所述倍压电路BOOS-V包括反相器I11、I12、I13、I14、I15，电容C3、C4、C5以及NMOS管N3、N7、N8，NMOS管N3、N7、N8的漏极连接输入电压VIN，NMOS管N3、N7、N8的衬底接地，NMOS管N7的源极连接电容C4的一端以及NMOS管N8的栅极和NMOS管N3的栅极，NMOS管N3的源极连接电容C3的一端和NMOS管N7的栅极，NMOS管N8的源极连接电容C5的一端，反相器I11的输入端连接低压启动振荡器Start up OSC输出的方波信号Φ，反相器I11的输出端连接电容C3的另一端和反相器I12的输入端，反相器I12的输出端连接电容C4的另一端和反相器I13的输入端，反相器I13的输出端连接反相器I14的输入端，反相器I14的输出端连接反相器I15的输入端，反相器I15的输出端连接电容C5的另一端；

所述低压驱动电路LDriver包括PMOS管P1和NMOS管N4，PMOS管P1的源极和衬底连接倍压电路BOOS-V中NMOS管N8的源极与电容C5的连接端，PMOS管P1的栅极与NMOS管N4的栅极互连并连接倍压电路BOOST-V中反相器I14的输出端，PMOS管P1的漏极与NMOS管N4的漏极互连并作为低压驱动电路LDriver的输出端连接至低压启动开关管VTS的栅极，NMOS管N4的源极和衬底接地。

本发明具有如下优点及有益效果：

能够在VIN超低输入电压下启动，可以在单节电池供电情况下启动并正常工作，功耗极低且低压启动时可带一定负载。

附图说明

图1是现有技术同步升压转换器；

图2是本发明带有超低压启动电路的同步升压转换器；

图3是图2中低压振荡器Start up OSC的一种实施电路；

图4是图2中倍压电路(电荷泵升压)、低压驱动电路的一种实施例；

图5是倍压电路(电荷泵升压)的简化说明。

具体实施方式

如图2所示，超低压启动电路100的供电电源由输入电压VIN提供，包括：低压启动振荡器(Start up OSC)102、低压驱动电路(LDriver)103、低压供电电源倍压电路(BOOST-V104)、低压启动比较器(Start COMP)101、低压启动开关管(VTS)106。低压启动后，进入正常工作，部分模块电路的供电电源由VO提供，正常工作部分的电路(与现有技术图1相同)包括：误差放大器(EAMP)112、PWM比较器111、正常工作部分振荡器110(低压启动后，低压启动振荡器Start up OSC关闭)、控制逻辑电路(Control Logic)109、同步驱动电路(Driver)108、电流采样电路(gm)105、采样电阻RS、功率开关管(VT)107、同步整流管(SP)114、斜波补偿电路以及外围元器件：反馈分压电阻115(R1)、117(R2)、输出电容(C_OUT)116、电感(L)113、负载(RL)118。

低压启动比较器(Start COMP)101将基准电压Vref2(约1.8V的)与输出电压VO比较，当输出电压VO值高于基准电压Vref2时，低压启动电路结束工作，正常工作部分的电路启动。低压启动振荡器(Start up OSC)102产生一定占空比的的方波信号，为倍压电路(BOOST-V)104提供输入信号。倍压电路(BOOST-V)104为一电荷泵结构电路，将VIN电压进行倍压及低压启动振荡器(Start up OSC)输出信号进行处理，提供低压驱动模块(LDriver)103的供电电源电压和输入控制信号。低压驱动模块(LDriver)103为低压启动开关管(VTS)106提供栅极驱动信号，此驱动信号的峰值由倍压电路(BOOST-V)104确定，约为VIN电压值的两倍，高于NMOS低压启动开关管VTS的阈值电压，可实现低压开关管(VTS)106开启与关断。超低压启动电路100工作时，同步升压转换器环路为开环工作，同步整流管(SP)114的栅、源、衬底电位通过逻辑控制接与VO等电位电压。同步整流管(SP)114为二极管连接方式，低压启动阶段为非同步升压且开环工作，低压启动驱动电路(LDriver)103产生一定占空比的矩形波信号驱动低压启动开关管(VTS)106的开关，使得外接电感L能够完成能量的存储和释放，将能量不断地从输入电源转移到输出电容(C_OUT)116上，输出电压VO逐渐升高，当输出电压VO升高至基准电压Vref2时，低压启动比较器(Start COMP)101输出关断低压启动振荡器(Start up OSC)102、倍压电路(BOOST-V104)和低压驱动电路(LDriver)103，且控制逻辑模块Control Logic开启正常工作部分的电路，低压启动完成，同步升压转换器开始闭环工作，实现超低压启动。正常工作时同现有的的同步升压转换器闭环工作原理相同。

如图3所示，低压启动振荡器(Start up OSC)102包括：电阻R10、R20，电容C1、C2、NMOS管N1、N2、反相器I1、I2、I4、I5、I6、I8、I9、I10，或非门I3、I7。当输入电压VIN电压上电后，输入电压VIN通过电阻R10、R20产生电流给电容C1，电容C2充电，电容C1与R10连接端、电容C2与R20连接端电压逐渐升高，初始态由或非门I3、I7组成的触发器输出为低，经过反相器18、I9、I10传输，I8输出控制N2栅极为低，I10控制N1栅极为高，C1与R10连接端电压被拉低，控制I3输入A端为低，初始态I3输入B端为低，由I3、I7组成的触发器输出翻高，输出经反相器I4和I8传递控制N2栅极高，N1栅极为低，C2与R20连接端点被拉低，C1与R10连接端电压逐渐升高，当升高至一个阈值电压附近时，此点电压控制反相器I1输出翻转，传递I3输入A端翻高，由I3、I7组成的触发器输出翻转为低，输出传递至N2栅极翻低，N1栅极翻高。此时C2开始充电，此后周期性C1，C2交替充电，形成输出振荡方波信号。

如图4所示，倍压电路(BOOST-V)104包括反相器I11、I12、I13、I14、I15，电容C3、C4、C5，NMOS管N3、N7、N4。倍压电路(BOOST-V104)的供电电源为输入电压VIN，倍压电路(BOOST-V)104输入信号为低压振荡器(Start up OSC)102输出的方波信号，经过升压操作，输出电压为N(N>1)倍的VIN，即N*VIN，做为低压驱动电路103的供供电电源，从而提升低压启动NMOS开关管(VTS)106的栅电位，可以很好解决VIN电位无法开启低压启动开关管(VTS)106的问题且可以提升驱动能力。低压倍压电路(BOOST-V)104基本原理为一电荷泵结构，电荷泵简化电路如图5，BOOST-V控制信号Φ和分别控制开关S1、S2、S3和S4来达到将V_IN升压到VD＝NV_IN的目的，工作原理是当控制信号Φ控制S1、S4闭合，控制信号控制S2、S3打开时，输入电压VIN对电容CS1充电，使得电容上下两端电压压差V_CS1＝VIN，当控制信号Φ控制S1、S4打开，控制信号控制S2、S3闭合时，电容CS1对电容CS2进行充电，输出电压VD是CS1电压与VIN电压串联电压，实现VD输出电压倍压输入电压VIN的功能。

低压驱动电路103包括PMOS管P1和NMOS管N4，PMOS管P1的栅极与NMOS管N4的栅极互联并连接倍压电路中反相器I14的输出端，PMOS管P1的漏极与NMOS管N4的漏极互联并作为低压驱动电路103的输出端连接至开关管VTS的栅极，开关管VTS的漏极连接到外围电路电感L与同步整流管SP漏极的连接端LX。低压驱动电路103是用来直接驱动低压启动开关管(VTS)106，由于开关管106尺寸一般都比较大，寄生电容明显，为了提高响应速度，必须增加低压驱动电路103。本例低压启动驱动电路103的供电电源采用正向升压电荷泵供电，这样可以保证为低压启动开关管106的栅压提供高于输入电压VIN的电位，从而保证开关管106的开启及大驱动能力。

Claims (2)

1.一种同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路，同步升压DC-DC转换器设有外围器件电感L、输出电容C_OUT、反馈电阻R1，R2及负载RL，芯片内部包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM比较器、控制逻辑电路Control Logic、同步驱动电路Sync Driver、斜波补偿电路、电流采样电路gm、功率开关管VT、同步整流管SP及采样电阻RS，输出电压VO经过反馈电阻R1、R2分压采样后连接误差放大器EAMP的反相输入端，误差放大器EAMP的同相输入端连接带隙电路提供的基准电压Vref1，误差放大器EAMP的输出Ve连接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端连接电流采样电路gm的输出与斜坡补偿信号叠加后的输出信号，PWM比较器的输出经过控制逻辑电路Control Logic和同步驱动电路Sync Driver后，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制输出电压VO；其特征在于：

设置超低压启动电路，将该超低压启动电路的输出连接同步整流管SP和功率开关管VT的漏极；所述超低压启动电路包括低压启动比较器Start COMP、低压启动振荡器Start up OSC、低压驱动电路LDriver、倍压电路BOOST-V和低压启动开关管VTS，低压启动比较器Start COMP同相端与反相端分别输入基准电压Vref2和输出电压VO，低压启动比较器Start COMP的输出作为控制信号分别控制低压启动振荡器Start up OSC和逻辑电路Control Logic的开启与关断，低压启动振荡器Start up OSC的供电电源是DC-DC转换器输入电压VIN，低压启动振荡器Start up OSC的输出端分别连接倍压电路BOOST-V和逻辑电路Control Logic，倍压电路BOOS-V的供电电源是DC-DC转换器输入电压VIN，倍压电路BOOST-V的两路输出分别连接低压驱动电路LDriver的供电电源端和输入信号端，低压驱动电路LDriver的输出连接低压启动开关管VTS的栅极，低压启动开关管VTS的漏极作为超低压启动电路的输出端连接同步整流管SP和功率开关管VT的漏极，低压启动开关管VTS的源极和衬底接地。

2.根据权利要求1所述的同步升压DC-DC转换器的超低压启动电路，其特征在于：所述低压启动振荡器Start up OSC包括电阻R10、R20，电容C1、C2，NMOS管N1、N2、反相器I1、反相器I2、反相器I4、反相器I5、反相器I6、反相器I8、反相器I9、反相器I10、或非门I3和或非门I7；电阻R10和R20的一端连接输入电压VIN，R10另一端与电容C1的一端、反相器I1输入端以及NMOS管N1的漏极连接，电阻R20的另一端与电容C2的一端、反相器I5输入端以及NMOS管N2的漏极连接，NMOS管N1、N2的源极和衬底以及电容C1、C2的另一端均接地，反相器I1的输出连接反相器I2的输入，反相器I2的输出连接或非门I3的一个输入端，或非门I3的另一个输入端连接或非门I7的输出端，或非门I3的输出端连接或非门I7的一个输入端和反相器I4输入端，反相器I4输出端连接反相器I8和I9输入端，反相器I8输出端连接NMOS管N2的栅极，反相器I5的输出端连接反相器I6的输入端，反相器I6的输出端连接或非门I7的另一个输入端，反相器I9的输出端连接反相器I10的输入端，反相器I10的输出端连接NMOS管N1的栅极并作为低压启动振荡器Start up OSC的方波信号Φ输出端；

所述倍压电路BOOS-V包括反相器I11、I12、I13、I14、I15，电容C3、C4、C5以及NMOS管N3、N7、N8，NMOS管N3、N7、N8的漏极连接输入电压VIN，NMOS管N3、N7、N8的衬底接地，NMOS管N7的源极连接电容C4的一端以及NMOS管N8的栅极和NMOS管N3的栅极，NMOS管N3的源极连接电容C3的一端和NMOS管N7的栅极，NMOS管N8的源极连接电容C5的一端，反相器I11的输入端连接低压启动振荡器Start up OSC输出的方波信号Φ，反相器I11的输出端连接电容C3的另一端和反相器I12的输入端，反相器I12的输出端连接电容C4的另一端和反相器I13的输入端，反相器I13的输出端连接反相器I14的输入端，反相器I14的输出端连接反相器I15的输入端，反相器I15的输出端连接电容C5的另一端；

所述低压驱动电路LDriver包括PMOS管P1和NMOS管N4，PMOS管P1的源极和衬底连接倍压电路BOOS-V中NMOS管N8的源极与电容C5的连接端，PMOS管P1的栅极与NMOS管N4的栅极互连并连接倍压电路BOOST-V中反相器I14的输出端，PMOS管P1的漏极与NMOS管N4的漏极互连并作为低压驱动电路LDriver的输出端连接至低压启动开关管VTS的栅极，NMOS管N4的源极和衬底接地。