CN105048792A - 一种用于buck变换器的软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种用于DC-DC变换器的软启动电路。本发明的电路，主要为通过恒定的电流源对外挂电容充电，产生一个稳定缓慢上升的斜坡电压，在软启动阶段代替基准电压参与和反馈电压VFB的比较，当软启动完成后，斜坡电压退出；当斜坡电压大于基准电压后，控制信号会控制打开电流源，将斜坡电压迅速拉至接近电源电位。本发明的有益效果为，在软启动阶段保证了输出的缓慢上升，防止浪涌电流；当斜坡电压大于基准电压后，快速充电支路打开；在对软启动电容的放电阶段，通过大电阻限流与恒流源最终将斜坡电压拉至零电位，防止瞬间的大电流损坏电路。

Description

一种用于BUCK变换器的软启动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种用于BUCK变换器的软启动电路。

背景技术

随着手持式设备与便携式电子产品的广泛应用，对电源管理IC的需求不断上升。开关电源因转换效率高、输出电流大、静态电流小、输出负载范围宽等优点而被广泛应用。开关电源是将误差信号转换为占空比控制信号来驱动开关而工作的。在启动阶段，误差放大器处于非平衡状态，使得环路处于100％占空比工作，因此在功率管开启后，对电容充电会产生一个较大的浪涌电流。有可能损坏开关管和其他器件，导致系统电路系统异常。此外，在实际应用中，便携式电子产品的电源大都是电池，电池由于内阻、发热等问题，瞬间流过大电流会有被烧毁的危险。为此，软启动电路应运而生，它的设计思想是通过限制占空比或者限制开关电流来消除浪涌电流，避免输出电压过冲。传统开关电源的软启动有两种：1)采用微控制器来控制启动过程的纯数字控制口。虽然这种软启动电路能够集成到芯片内部。但是由于需要另外的微控制器控制，且需要在电源电路部分上电前就已经开始工作，对于一般用途的开关电源，此类软启动电路过于复杂，成本太高；2)通过恒流源给电容充电来箝位误差放大器的输入或者输出，进而限制PWM的占空比。这种软启动电路方法比较简单，但是需要加入充电用的恒流源和外部电容，；而小的充电电流抗干扰能力差，在对软启动大电容的放电阶段，瞬间的大电流可能损坏电路。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于BUCK变换器的软启动电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的技术方案，其原理如图1所示，通过恒定的电流源I1对SS外挂电容C_SS充电，产生一个稳定缓慢上升的斜坡电压V_{SS_OUT}，在软启动阶段代替V_Ref1参与和反馈电压V_FB的比较，当软启动完成后，V_{SS_OUT}退出；当V_{SS_OUT}>V_Ref2后，控制信号Ctrl1会控制打开电流I2，将V_{SS_OUT}迅速拉至接近电源电位。

本发明的一种用于BUCK变换器的软启动电路，如图2所示，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管QN1、第二三极管QN2、基准电流源IB、电容Css和比较器；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极和漏极互连，其栅极接第二PMOS管MP2的栅极、第三PMOS管MP3的栅极、第四PMOS管MP4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极、第九PMOS管MP9的栅极和第十三PMOS管MP13的栅极，其漏极接基准电流源IB的正极，基准电流源IB的负极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其漏极接第四PMOS管MP4的源极和第三PMOS管MP3的源极；第三PMOS管MP3的漏极接第四PMOS管MP4的漏极、第七PMOS管MP7的漏极和第八PMOS管MP8的漏极；第七PMOS管MP7的源极接第八PMOS管MP8的源极和第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第一控制信号；第六PMOS管MP6的栅极接第二控制信号，其源极接第五PMOS管MP5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源；第九PMOS管MP9的源极接电源，其漏极接第十一PMOS管MP11的漏极；第十一PMOS管MP11的漏极和栅极互连，其栅极接第十二PMOS管MP12的栅极，其源极接第十PMOS管MP10的漏极；第十PMOS管MP10的栅极和漏极互连，其源极接电源；第十二PMOS管MP12的源极接电源，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第十三PMOS管MP13的源极接电源，其漏极接第六NMOS管MN6的漏极；第三PMOS管MP3漏极、第四PMOS管MP4漏极、第七PMOS管MP7漏极和第八PMOS管MP8漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一三极管QN1的集电极；第一电阻R1与第一三极管QN1集电极的连接点通过电容Css后接地；第一三极管QN1的基极和集电极互连，其基极接第二三极管QN2的基极，其发射极通过第二电阻R2后接第一NMOS管MN1的漏极；第一NMOS管MN1的栅极接第四NMOS管MN4的栅极和第二控制信号，其源极接地；第四NMOS管MN4的漏极接第一三极管QN1基极与第二三极管QN2基极的连接点，其源极接第二NMOS管MN2的漏极；第二NMOS管MN2的栅极接第三NMOS管MN3的栅极、第五NMOS管MN5的栅极和第六NMOS管MN6的栅极，其源极接地；第二三极管QN2的发射极通过第三电阻R3后接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的源极接地；第五NMOS管MN5的源极接地；第六NMOS管MN6的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管QN2发射极与第三电阻R3的连接点接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端接基准电压信号，第输出端为输出软启动标识信号。

本发明的有益效果为，提供了一种适于DC-DC变换器的软启动电路，在软启动阶段保证了输出的缓慢上升，防止浪涌电流；当斜坡电压大于基准电压后，快速充电支路打开，将斜坡电压迅速拉至接近电源电位，减少外部噪声在C_SS引起的跳动对系统的影响；在对软启动电容的放电阶段，通过大电阻限流与恒流源最终将斜坡电压拉至零电位，防止瞬间的大电流损坏电路。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的软启动电路结构示意图；

图3为软启动充电阶段波形示意图。

具体实施方式

为消除启动阶段的浪涌电流，本发明采用电压限时的方法，在软启动阶段利用斜坡电压V_{SS_OUT}与V_FB做比较，实现输出软启动。在软启动结束后(V_{SS_OUT}>V_Ref2)，额外的充电支路开启，将V_{SS_OUT}迅速拉至接近电源电位。下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明的软启动具体电路结构图如图2所示，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管QN1、第二三极管QN2、基准电流源IB、电容Css和比较器；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极和漏极互连，其栅极接第二PMOS管MP2的栅极、第三PMOS管MP3的栅极、第四PMOS管MP4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极、第九PMOS管MP9的栅极和第十三PMOS管MP13的栅极，其漏极接基准电流源IB的正极，基准电流源IB的负极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其漏极接第四PMOS管MP4的源极和第三PMOS管MP3的源极；第三PMOS管MP3的漏极接第四PMOS管MP4的漏极、第七PMOS管MP7的漏极和第八PMOS管MP8的漏极；第七PMOS管MP7的源极接第八PMOS管MP8的源极和第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第一控制信号；第六PMOS管MP6的栅极接第二控制信号，其源极接第五PMOS管MP5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源；第九PMOS管MP9的源极接电源，其漏极接第十一PMOS管MP11的漏极；第十一PMOS管MP11的漏极和栅极互连，其栅极接第十二PMOS管MP12的栅极，其源极接第十PMOS管MP10的漏极；第十PMOS管MP10的栅极和漏极互连，其源极接电源；第十二PMOS管MP12的源极接电源，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第十三PMOS管MP13的源极接电源，其漏极接第六NMOS管MN6的漏极；第三PMOS管MP3漏极、第四PMOS管MP4漏极、第七PMOS管MP7漏极和第八PMOS管MP8漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一三极管QN1的集电极；第一电阻R1与第一三极管QN1集电极的连接点通过电容Css后接地；第一三极管QN1的基极和集电极互连，其基极接第二三极管QN2的基极，其发射极通过第二电阻R2后接第一NMOS管MN1的漏极；第一NMOS管MN1的栅极接第四NMOS管MN4的栅极和第二控制信号，其源极接地；第四NMOS管MN4的漏极接第一三极管QN1基极与第二三极管QN2基极的连接点，其源极接第二NMOS管MN2的漏极；第二NMOS管MN2的栅极接第三NMOS管MN3的栅极、第五NMOS管MN5的栅极和第六NMOS管MN6的栅极，其源极接地；第二三极管QN2的发射极通过第三电阻R3后接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的源极接地；第五NMOS管MN5的源极接地；第六NMOS管MN6的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管QN2发射极与第三电阻R3的连接点接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端接基准电压信号，第输出端为输出软启动标识信号。

本发明的工作原理为：

其中I₁为软启动模块恒定充电电流，用来产生稳定的斜坡电压V_{SS_OUT}；I₂为快速充电支路，用来保证系统启动后迅速使软启动电路偏置于正常工作状态以及软启动结束后将V_{SS_OUT}迅速拉高。恒定充电电流I₁大小由PMOS管MP2、MP3、MP4的尺寸与基准电流I_B决定，从图2中可以得到：

V_SG1＝V_SG2,V_SG3＝V_SG4,V_SG2＝V_SG3+V_SD2；

其中，V_SG1、V_SG2、V_SG3、V_SG4分别表示的是PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4的源端与栅端的压差，V_SD2为MP2的源端与漏端的压差。

由上式可以知道V_SG3大于V_SD2，软启动时V_SS电压比较低，所以MP2处于三极管区，MP3、MP4处于饱和区，设MP1、MP2、MP3、MP4上的电流分别是I_D1、I_D2、I_D3、I_D4，由MOS管电流公式可以得到：

$I_{D2}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}\[2(V_{SG2}-V_{th})V_{SD2}-{V_{SD2}}^2\]$

$I_{D3}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}{(V_{SG2}-V_{th})}^2$

$I_{D4}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}{(V_{SG4}-V_{th})}^2$

又I_D2＝I_D3+I_D4

所以 $I_{D2}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}\[{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}\]{(V_{SG3}-V_{th})}^2$

因此

$\frac{I_{D2}}{\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}}+\frac{I_{D2}}{\frac{1}{2}\mathrm{\β}\[{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}\]}=2(V_{SG2}-V_{th})V_{SD2}-{V_{SD2}}^2+{(V_{SG3}-V_{th})}^2$

$\frac{I_{D2}}{\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}}+\frac{I_{D2}}{\frac{1}{2}\mathrm{\β}\[{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}\]}=2(V_{SG2}-V_{th})V_{SD2}-{V_{SD2}}^2+{\[(V_{SG2}-V_{th})-V_{SD2}\]}^2$

$I_{D2}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{(V_{SG2}-V_{th})}^2$

又有

$I_B=I_{D1}=\frac{1}{2}\mathrm{\β}{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP1}{(V_{SG1}-V_{th})}^2$

那么

$I_{D2}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP1}}\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP2}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP3}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{I}_B$

其中，V_th为MOS管的阈值电压；

一般的，我们设置MP1、MP2、MP3的宽长比相同，可以得到：

$I_1=I_{D2}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP1}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{2{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP1}+{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP4}}{I}_B$

假设PMOS管MP4的宽长比相对于MP1比较小，由公式可以看出，MP4可以用来微调电流I₁，通过改变MP4的宽长比可以使电流I_B获得更大的输入范围；此外，MP2与MP3串联可以采样L更大的MOS管，减少沟道调制效应的影响，使充电电流获得更高的精度。快速充电支路I₂的电流大小由镜像关系可以得到：

$I_2=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP5}}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_{MP1}}{I}_B$

当系统上电、使能有效后，此时V_{SS_OUT}和V_SS点电压较低，迟滞比较器输出低，信号Ctrl1为高，因此MP6开启，MP7关断；同时，三极管QN1、QN2截止，LA点通过MP9工作在线性区，LA点电位为高，MP12电流很小，LB点被下拉电流拉低，MP8导通，这时快速充电支路I₂开启，充电电流I_R为I₁与I₂之和，将VSS点快速拉高至0.7V(一个V_be结压降)左右，开启三极管QN1和QN2，LA点也逐渐被拉低，MPA11上的电流逐渐升高；MP12通过MP11的镜像将LB拉高，最终关断MP8，快速充电支路被截止，电路开始正常工作。之后随着V_{SS_OUT}的线性上升，系统开始软启动过程。

软启动电路的全过程可如图3所示，系统上电后，V_SS点电压被迅速拉高至一个V_be结压降，随后V_{SS_OUT}以恒定斜率上升，系统开始软启动；这段预充电时间也可以保证系统的其它子模块在系统上电初始偏置在正常状态，为软启动做好准备。当软启动完成，后级的迟滞比较器检测到V_{SS_OUT}的电压大于V_Ref2后，软启动标志位SS_Flag跳高，软启动结束，此时Ctrl1跳低，PMOS管MP7开启，快速充电支路重新被打开，将VSS迅速上拉至接近VCC电压，V_{SS_OUT}要比V_SS低一个V_be结的压降；最终充电支路I₁和I₂上的PMOS进入线性区，此时充电支路上只有很小的静态工作电流。

当系统发生异常(如输出欠压)需要重新软启动时，控制信号Ctrl2跳高，关闭快速充电支路同时，打开放电支路，将的V_{SS_OUT}电位放电至零。电阻R1的阻值比较大，用来起到限流作用，防止MN1开启时瞬间的大电流损坏电路；最终通恒流源MN2将三极管QN2基极电位拉低至零电位，保证V_{SS_OUT}最后被拉低。

本发明的有益效果是消除了开关电源电路启动阶段的浪涌电流，采用电压限时的方法，在软启动阶段利用斜坡电压V_{SS_OUT}与V_FB做比较，实现输出软启动。在软启动结束后(V_{SS_OUT}超过V_Ref)，额外的充电支路开启，将V_{SS_OUT}迅速拉至接近电源电位，减少外部噪声在C_SS引起的跳动对系统的影响；在对软启动电容的放电阶段，通过大电阻限流与恒流源最终将V_{SS_OUT}拉至零电位，防止瞬间的大电流损坏电路。此外，软启动充电电流通过电流镜做了精确匹配，充电时间通过外挂电容可做调整。

Claims (1)

1.一种用于BUCK变换器的软启动电路，包第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管QN1、第二三极管QN2、基准电流源IB、电容Css和比较器；第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极和漏极互连，其栅极接第二PMOS管MP2的栅极、第三PMOS管MP3的栅极、第四PMOS管MP4的栅极、第五PMOS管MP5的栅极、第九PMOS管MP9的栅极和第十三PMOS管MP13的栅极，其漏极接基准电流源IB的正极，基准电流源IB的负极接地；第二PMOS管MP2的源极接电源，其漏极接第四PMOS管MP4的源极和第三PMOS管MP3的源极；第三PMOS管MP3的漏极接第四PMOS管MP4的漏极、第七PMOS管MP7的漏极和第八PMOS管MP8的漏极；第七PMOS管MP7的源极接第八PMOS管MP8的源极和第六PMOS管MP6的漏极，其栅极接第一控制信号；第六PMOS管MP6的栅极接第二控制信号，其源极接第五PMOS管MP5的漏极；第五PMOS管MP5的源极接电源；第九PMOS管MP9的源极接电源，其漏极接第十一PMOS管MP11的漏极；第十一PMOS管MP11的漏极和栅极互连，其栅极接第十二PMOS管MP12的栅极，其源极接第十PMOS管MP10的漏极；第十PMOS管MP10的栅极和漏极互连，其源极接电源；第十二PMOS管MP12的源极接电源，其漏极接第五NMOS管MN5的漏极；第十三PMOS管MP13的源极接电源，其漏极接第六NMOS管MN6的漏极；第三PMOS管MP3漏极、第四PMOS管MP4漏极、第七PMOS管MP7漏极和第八PMOS管MP8漏极的连接点通过第一电阻R1后接第一三极管QN1的集电极；第一电阻R1与第一三极管QN1集电极的连接点通过电容Css后接地；第一三极管QN1的基极和集电极互连，其基极接第二三极管QN2的基极，其发射极通过第二电阻R2后接第一NMOS管MN1的漏极；第一NMOS管MN1的栅极接第四NMOS管MN4的栅极和第二控制信号，其源极接地；第四NMOS管MN4的漏极接第一三极管QN1基极与第二三极管QN2基极的连接点，其源极接第二NMOS管MN2的漏极；第二NMOS管MN2的栅极接第三NMOS管MN3的栅极、第五NMOS管MN5的栅极和第六NMOS管MN6的栅极，其源极接地；第二三极管QN2的发射极通过第三电阻R3后接第三NMOS管MN3的漏极；第三NMOS管MN3的源极接地；第五NMOS管MN5的源极接地；第六NMOS管MN6的栅极和漏极互连，其源极接地；第二三极管QN2发射极与第三电阻R3的连接点接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端接基准电压，第输出端为输出软启动标识信号。