CN104980012A - 一种快速软启动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快速软启动电路，通过电感峰值电流关断、固定关断时间的方式，实现快速软启动；该电路设置N位电流控制位用于调节电感峰值电流值，以适应宽范围负载的启动。一种快速软启动电路包括：电流检测模块、控制电压生成模块、比较器模块、固定关断时间模块、选择器、驱动电路、软启动检测模块和参考电压模块。控制电压模块接收电流控制位信号，生成对应的控制电压；电流检测电路采样电感电流，并生成检测电压；当检测电压大于控制电压时，即电感峰值电流大于预设电流值时，软启动电路关断开关管，并持续关断固定关断时间，而后开关管开启，反复上述过程实现启动。
Description
技术领域：
本发明涉及DC-DC开关电源领域，提供了一种快速软启动电路。
背景技术：
DC-DC开关电源因效率高、体积小、易携带等优点，而广泛应用于医疗、汽车和消费电子产品等领域。然而，DC-DC开关电源在启动过程中会产生浪涌电，造成输出过冲。因而常常需要在开关电源中设置软起动电路，以减小或消除启动过程中因浪涌电而造成的输出过冲。传统软起动电路多为恒流源给电容充电，电容电压缓慢上升，使得控制电压缓慢上升，电感电流缓慢上升，输出电压缓慢上升，而实现软启动。因而，传统软起动电路具有启动时间长、需要大电容、不利于集成的缺点。
发明内容：
本发明通过限制电感峰值电流、开关管固定关断时间的方式，实现快速软启动；通过电流控制位调节峰值电流值，实现不同负载下的快速软启动，提供一种快速软启动电路。
本发明为了实现上述目的采用以下技术方案：一种快速软启动电路，包括电流检测模块、控制电压生成模块、比较器模块、固定关断时间模块、选择器、驱动电路、软启动检测模块以及参考电压模块；其中电流检测模块输入端连接电流检测端口，输出端连接比较器模块正向端，比较器模块负向端连接控制电压生成模块，比较器输出端连接固定关断时间模块，固定关断时间模块连接选择器，选择器连接输入信号，选择器连接软启动检测模块，选择器连接驱动电路，驱动电路连接开关管，参考电压模块连接控制电压生成模块，参考电压模块连接软启动检测模块，控制电压生成模块输入端连接电流控制位。
所述的控制电压生成模块包括N位译码器、运放OP1、MOS管MN1、2N个串联电阻、2N个开关；N位译码器输入端连接N位电流控制位，输出端分别接2N个开关；2N个电阻串联，第一个电阻接地，最后一个电阻接OP的负向端和MN1的源端，串联电阻的公共端分别连接2N-1个开关，最后一个电阻的另一端接第2N个开关，2N个开关另一端共同连接比较器模块负向端；OP正向端接参考电压模块，OP输出端连接MN1的栅端；MN1的漏端连接电源。
所述的N位译码器为N-2N译码器。
所述的固定关断时间模块包括一个或门、两个或非门、一个反相器、一个电容、一个电流源和一个NMOS管MN2；其中，或门两输入端分别接比较器输出端和软启动检测模块，或门输出端接第一或非门和MN2的栅端，MN2的源端接地，MN2的漏断接电流源，MN2的漏端接电容，MN2的漏端接第二或非门；电流源另一端接电源；电容另一端接地；第一或非门的输出端接第二或非门输入端和反向器输入端，第一反相器输出端接选择器；第二或非门输出端接第一或非门输入端。
所述的软启动检测模块包括电阻R1、R2，迟滞比较器COMP2、COMP3；其中R1一端连接R2和COMP2的负向端和COMP3的正向端，电阻R1另一端接地，电阻R2另一端接电源；COMP2正向端连接VREF2，COMP2输出接固定关断时间模块；COMP3负向端接VREF3，COMP端输出接选择器。
所述的选择器包括三个与非门、一个反向器；其中，第一与非门一输入端连接比较器模块，另一输入端接软起动检测模块和第二反向器输入端，输出端连接第三与非门一输入端；第二与非门一输入端接第二反向器输出端，另一输入端连接固定关断时间模块，输出端连接第三与非门；第三与非门输出端连接驱动电路。
所述的电流检测模块包括电阻Rsense、R3、R4、R5，一个运放和NMOS管MN3；其中，电阻Rsense一端接电流检测正端和R4一端，电阻Rsense另一端接电流检测负端和R5一端，R4另一端接MN2的漏端和OP正端，R5另一端接接OP负端；OP输出接MN3的栅端，MN3的源端串联电阻到地，MN3的源端连接比较器正端。
所述的比较器模块为高速比较器电路，可快速比较控制电压生成模块的输出电压和电流检测模块的输出电压。
本发明因为采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：本发明在系统启动过程中，通过限制电感峰值电流、固定关断时间，实现快速软启动；可通过改变电流控制位的值，实现不同负载条件下的快速软启动。
附图说明
图1为本发明的框图；
图2为本发明的电路图；
图3本发明电流检测模块图；
图4为本发明比较器模块图；
图5为本发明的关断时间模块图；
图6为本发明的选择器电路图。
具体实施方式
参照图1，一种快速软启动电路，包括电流检测模块、比较器模块、固定关断时间模块、选择器、驱动电路、软启动检测模块、参考电压模块以及控制电压生成模块；其中电流检测模块输入端连接电流检测端口，输出连接比较器正向端，比较器负向端连接控制电压生成电路，比较器输出端连接固定关断时间模块，固定关断时间模块连接选择器，选择器连接输入信号，选择器连接软启动检测，选择器连接驱动电路，驱动电路连接开关管，参考电压模块连接控制电压生成模块，参考电压模块连接软启动检测模块，控制电压生成模块连接电流控制位。
图3中，假设电感电流为IL，采样生成电流为ISENSE，R5=R4=R3/N，那么检测电阻Rsense两端压降为：△V=IL*Rsense；由OP两端电压相等可得：R4*ISENSE=△V，所以ISENSE电流为：ISENSE=IL*Rsense/R4；因此，采样电流生成的电压为：VSENSE=N*IL*RSENSE。
图2中的控制电压生成电路中，假设Rs1~Rs2N电阻阻值相等，那么参考电压VREF1被分为2N等分，开关S1、S2…S2N分别一端接电位VREF1/2N，2*VREF1/2N，VREF1。
图2中N位译码器为N-2N译码器，例如2-4译码器、3-8译码器等，通过电流控制位的不同组合译码选择控制电压。
图4为比较器模块的一个实例电路，该电路为一高速比较器，具体工作过程如下：
MP0，MP1是比较器输入对管，当VP端电压高于VN端电压时，流过MP1的电流减小，流过MP0的电流增大，同时，Y点电压升高，X点电压降低，使得流过M8的电流减小，流过MN5的电流增大，进一步促使流过MP0的电流更多流过MN5，同样，流过MP1的电流被MN7分走更多，流过MN8的电流进一步减小，经过MN5，MN6和MN8，MN9这两组电流镜镜像后，流过MP2的电流远大于流过MN9的电流，从而使输出电压VOUT被拉为高电平。同理，若VP电压低于VN端电压，通过类似分析可得VOUT端电压被拉低。
图2中软启动检测模块，包含两个迟滞比较器，输入比较器COMP2负端和COMP3正端的电压为：VDIV=VOUT*R2/(R1+R2)；当VDIV<VREF2、即 VOUT<VREF2(1+R1/R2)时，比较器COMP2输出信号SHORT为高电平，表示输出短路；当VOUT>VREF2(1+R1/R2)时，比较器COMP3输出信号SS_END为高电平，表示软启动结束。
图6为选择器电路，包含三个与非门和一个反相器。在软起动过程中，SS_END信号变为低电平，选择ILIM信号控制开开关管开启和关断；当软启动结束后，SS_END信号变为高电平，切换到正常工作模式由PWL信号控制开关管开启关断。
图5为关断时间模块。当输出短路时，SHORT信号为高电平，OR1输出高电平，NOR1输出低电平；当SHORT为低电平时，若比较器模块输出信号CPO为高电平，则NOR1输出低电平；当SHORT为低电平时，若CPO由高电平变为低电平，则OR1输出为低电平，关闭MN3管，电流源I为电容C0充电，随着充电时间增加C0上极板电压逐渐升高，当充电时间达到Toff后，C0上极板电压达到或非门NOR2的翻转阈值，NOR2输出低电平，NOR1输出高电平。上述Toff时间即为固定的关断时间。
如图2所示，通过外部电流控制位设置控制电压VC，电流检测模块通过检测电感电流生成电压VSENSE。当电感电流IL大于预设电流时，VSENSE大于VC，比较器模块输出先好CPO翻转为高电平，关断模块输出端信号ILIM翻转为低电平，通过驱动电路关断开关管；开关管关断后，电感电流IL下降，电流检测模块输出电压VSENSE下降，并小于VC，比较器模块输出信号CPO翻转为低电平，此时ILIM信号仍为低电平。CPO信号保持低电平Toff时间，ILIM信号翻转为高电平，通过驱动电路开启开关管，电感电流开始上升；反复上述过程，对输出端充电，完成启动过程。由于在启动过程中，电感电流峰值始终保持一较高值，可保证对输出端快速充电；通过外部电流控制位设置峰值电流限制值，可确保在不同负载条件下实现快速启动和输出过冲限制。例如轻载时，可设置外部电流控制位将控制电压VC设置为一较小的参考电压值，使得启动过程中电感峰值电流较小，可有效限制输出过冲和电感电流过冲；重载时，将VC值设置较高，保证重在启动时的电感峰值电流。
图2中的参考电压模块，可由带隙基准电路和分压电阻组成，产生三个零温度系数的参考电压。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种快速软启动电路，其特征在于：包括电流检测模块、比较器模块、固定关断时间模块、选择器、驱动电路、软启动检测模块、参考电压模块以及控制电压生成模块；其中电流检测模块输入端连接电流检测端口，输出连接比较器正向端，比较器负向端连接控制电压生成电路，比较器输出端连接固定关断时间模块，固定关断时间模块连接选择器，选择器连接输入信号，选择器连接软启动检测模块，选择器连接驱动电路，驱动电路连接开关管，参考电压模块连接控制电压生成模块，参考电压模块连接软启动检测模块，控制电压生成模块连接电流控制位。
2.根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的控制电压生成模块进一步包括N位译码器、运放OP1、MOS管MN1、2N个串联电阻、2N个开关；N位译码器输入端连接N位电流控制位，输出端分别接2N个开关；2N个电阻串联，第一个电阻接地，最后一个电阻接OP的负向端和MN1的源端，串联电阻的公共端分别连接2N-1个开关，最后一个电阻的另一端接第2N个开关，2N个开关另一端共同连接比较器模块负向端；OP正向端接参考电压模块，OP输出端连接MN1的栅端；MN1的漏端连接电源。
3.根据权利要求2所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的N位译码器为N-2N译码器。
4.根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的固定关断时间模块包括一个或门、两个或非门、一个反相器、一个电容、一个电流源和一个NMOS管；其中，或门两输入端分别接比较器输出端和软启动检测端口，或门输出端接第一或非门和MN2的栅端，MN2的源端接地，MN2的漏断接电流源，MN2的漏端接电容，MN2的漏端接第二或非门；电流源另一端接电源；电容另一端接地；第一或非门的输出端接第二或非门输入端和反向器输入端，反相器输出端接选择器；第二或非门输出端接第一或非门输入端。
5.根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的软启动检测模块进一步包括电阻R1、R2，迟滞比较器COMP2、COMP3；其中R1一端连接R2和COMP2的负向端和COMP3的正向端，电阻R1另一端接地，电阻R2另一端接电源；COMP2正向连接VREF2，COMP2输出接固定关断时间模块；COMP3负向端接VREF3，COMP端输出接选择器。
6. 根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述电流检测模块包括电阻Rsense、R3、R4、R5，一个运放和NMOS管MN3；其中，电阻Rsense一端接电流检测正端和R4一端，电阻Rsense另一端接电流检测负端和R5一端，R4另一端接MN2的漏端和OP正端，R5另一端接接OP负端；OP输出接MN3的栅端，MN3的源端串联电阻到地，MN3的源端连接比较器正端。
7.根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的选择器包括三个与非门、一个反向器；其中，第一与非门一输入端连接比较器模块，另一输入端接软起动检测模块和第二反向器输入端，输出端连接第三与非门一输入端；第二与非门一输入端接第二反向器输出端，另一输入端连接固定关断时间模块，输出端连接第三与非门输入端；第三与非门输出端连接驱动电路，用于启动完成后的模式切换。
8.根据权利要求1所述的一种快速软启动电路，其特征在于：所述的比较器模块为高速比较器电路，可快速比较控制电压生成模块的输出电压和电流检测模块的输出电压。
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