CN105915042A - 一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路 - Google Patents

一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路。本发明的电路主要是在系统上电时利用电流源给SS端软启动电容CSS充电产生缓慢上升的斜坡电压VSS_OUT参与和反馈电压VFB的比较，使VFB跟随VSS_OUT缓慢上升，以实现输出电压的缓慢上升，避免浪涌电流和输出电压过冲。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/软关断电路，在软启动阶段保证了输出电压的缓慢上升，防止浪涌电流；在软关断阶段使输出电压缓慢下降，使芯片缓慢关断。

Description

一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路。
背景技术
随着便携式电子产品在通讯、计算机以及消费类电子产品等领域的广泛应用，对电源管理IC的需求不断上升。而DC-DC开关电源在宽输入电压范围、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。开关电源是通过将误差信号转换为占空比控制信号，以驱动开关。DC-DC开关电源如果没有软启动保护，在启动阶段，此时误差放大器处于非平衡状态，功率管驱动信号PWM输出占空比达到100％。功率管开启之后，对输出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，其设计思想是通过限制PWM输出的占空比，缓慢提高输出电压，驱动信号PWM占空比从最小值开始逐渐变化，不会使功率管在较长时间内一直导通，从而避免了浪涌电流与输出电压过冲。另外软关断过程与软启动过程相反，当芯片通过使能信号EN关断时，不会立马关断芯片，通过软关断电路使芯片缓慢关断，可以有效地保护芯片。
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变换器的软启动和软关断电路。
本发明的技术方案是：如图1所示，一种用于Buck变换器的控制电路，包括第一POMS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、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、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3、第四电流源I4、第五电流源I5、第六电流源I6、第七电流源I7、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第一电容C1、第二电容CS和缓冲器；第一电流源的输入接电源，输出接第一PMOS管MP1的源极；第一PMOS管MP1的栅极接第一传输门的输出端和第二传输门的输出端；第二NMOS管MN2的漏接和栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第二PMOS管MP2的源极接第二NMOS管MN2的漏极，第二PMOS管MP2的栅极接第一NMOS管MN1的源极，第二PMOS管MP2的漏极接地；第一NMOS管MN1的漏极接第五电流源I5的输出，第五电流源I5的输入接电源，第一NMOS管MN1的栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第三PMOS管MP3的源极接第一NMOS管MN1的漏极，第三PMOS管MP3的栅极接基准电压，其源极接地；第三NMOS管MN3的漏极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第四NMOS管MN4的漏极接第七电流源I7的输出，第七电流源I7的输入接电源；第四NMOS管MN4的栅极与其漏极互连，第四NMOS管MN4的栅极接第二传输门的一个输入端，第二传输门的另一个输入端接第五NMOS管MN5的漏极、第三传输门的一个输入端、第二NMOS管MN2源极、第二PMOS管MP2的源极和第八NMOS管MN8的漏极；第三传输门的另一个输入端接第一PMOS管MP1的漏极；第五NMOS管MN5的栅极接第一传输门的输出端和第二传输门的输出端，第五NMOS管MN5的源极接第二电流源I2的输入，第二电流源I2的输出接地；第二电容CS的一端接第二PMOS管MP2的源极，另一端接地；第三NMOS管MN3的源极接第三电流源I3的输入，第三电流源I3的输出接地；第四NMOS管MN4的源极接缓冲器的负输入端；缓冲器的正输入端接反馈电压，其输出端接第一传输门的一个输入端，缓冲器的输出端还与其负输入端互连；第一传输门的另一个输入端接第三电流源I3的输入端；第一电容C1与第三电流源I3并联；第七NMOS管MN7的漏接接第一PMOS管MP1的漏接，第七NMOS管MN7的栅极接控制信号，其源极接地；第八NMOS管MN8的漏接接第二NMOS管MN2的源极，第八NMOS管MN8的栅极接控制信号，其源极接地；第三NMOS管MN3源极与第三电流源I3的连接点为控制电路的输出端。
本发明总的技术方案，主要是在系统上电时利用电流源给SS端软启动电容CSS充电产生缓慢上升的斜坡电压VSS_OUT参与和反馈电压VFB的比较，使VFB跟随VSS_OUT缓慢上升，以实现输出电压的缓慢上升，避免浪涌电流和输出电压过冲。软关断电路实现了两种软关断方式，一种是系统发生过流之后的软关断；另一种是系统在EN关断下的软关断芯片。其中，软启动阶段通过恒定的电流源I 1对SS电容CSS充电，产生一个稳定缓慢上升的斜坡电压VSS_OUT，在软启动阶段代替Vref参与和反馈电压VFB的比较，VFB跟随VSS_OUT缓慢上升，当VSS_OUT充到0.6V时，软启动结束，但VSS_OUT还会继续充电到3V左右，其具体过程如图2所示。本发明有两种软关断方式，一种是EN关断之后，此阶段通过传输门TG3把VFB传送给VSS_OUT，通过恒定电流源I2对SS电容CSS放电，VSS_OUT缓慢降低，直到芯片关断，软关断完成，其具体过程如图3所示；另一种是系统过流并且过流计数完成之后，过流标志信号跳高，X点和Y点电压迅速拉到地，通过恒定电流源I3对电容C1放电，VSS_OUT缓慢降低，由于I3>I2,C1<CSS,这种放电速度比EN关断时放点速度要快很多，因为系统发生过流是紧急情况，芯片需要快速关断软启动模块，这样能够更好保护芯片。
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/软关断电路，在软启动阶段保证了输出电压的缓慢上升，防止浪涌电流；在软关断阶段使输出电压缓慢下降，使芯片缓慢关断。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为软启动波形示意图；
图3为软关断波形示意图；
图4为软启动/软关断电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
为消除启动阶段的浪涌电流，本发明在软启动阶段利用斜坡电压VSS_OUT与VFB做比较，实现输出软启动。在软关断阶段使输出电压缓慢下降，使芯片缓慢关断。下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的软启动/软关断具体电路结构图如图4所示，其中I1为软启动/软关断模块恒定充电电流，用来产生稳定的斜坡VSS_OUT；I2为软启动/软关断模块恒定放电电流(EN关断后)，使VSS_OUT缓慢降低，直到芯片关断，软关断完成；I3也为软启动/软关断模块恒定放电电流(系统过流且过流计数完成后)，使VSS_OUT缓慢降低。恒定充电电流I1大小由PMOS管MP2、MP7的尺寸与偏置电流I决定，从图4中我们可以得到：
I 1 = ( W L ) M P 7 ( W L ) M P 2 I
当系统上电、使能有效后，软启动/软关断模块控制信号A点电压为低，MP8开启，MP5关断，MN10关断，TG1、TG2和TG3都关闭，此时VSS_OUT点电压很低，MP10关断，充电支路导通，恒定电流I 1对CSS充电，产生稳定的斜坡VSS_OUT，在软启动阶段代替Vref参与和反馈电压VFB的比较，VFB跟随VSS_OUT缓慢上升，当VSS_OUT充到0.6V时，软启动结束，但VSS_OUT还会继续充电到Vref+VSGP11+VSGP10左右。
恒定放电电流I2、I2大小由电流镜像关系可以得到：
I 2 = ( W L ) M N 7 ( W L ) M N 2 ( W L ) M P 2 ( W L ) M P 1 I
I 3 = ( W L ) M N 9 ( W L ) M N 2 ( W L ) M P 2 ( W L ) M P 1 I
当使能信号EN关断后，软启动/软关断模块控制信号A点电压为高，MN8开启，MP5开启，MP8关断，放电支路导通，同时TG1、TG2和TG3都打开，其中TG2、TG3只打开一小段时间，TG1在软关断阶段一直都打开。让传输门TG3把VFB传送给VSS_OUT，Buffer的带宽要足够大才能把FB电压快速传递到电容C1端，Buffer的摆率其中Is为Buffer的尾电流源，把VFB传送给VSS_OUT需要的时间因此我们要合理设置电容C1的值，确保传输门TG3打开的时间要大于时间t，确保VFB能够传送给VSS_OUT。因此VSS_OUT从VFB开始放电，通过恒定电流源I2对SS电容CSS放电，使VSS_OUT缓慢降低，VFB跟随VSS_OUT一起下降；由于MP5开启，当VSS_OUT降到很低时，MN3关断，MP5这条支路镜像的电流对电容C0充电，充电一段时间使Smit1翻转，软关断标志信号变高，MP3可以加速软关断标志信号变高，软关断标志信号为高会使全局使能无效，直到芯片完全关断；我们可以设置电容C0大小，使这段时间大于软关断时间，保证软关断完成之后再使全局使能无效，芯片完全关断。
当系统过流并且过流计数完成之后，过流标志信号跳高，MN0开启，MN1开启，X点和Y点电压迅速拉到地，通过恒定电流源I3对电容C1放电，因为VSS_OUT最终会充电到Vref+VSGP11+VSGP10左右，因此VSS_OUT从Vref+VSGP11+VSGP10左右开始放电，VSS_OUT缓慢降低到地，软关断完成。
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，在软启动阶段利用斜坡电压VSS_OUT与VFB做比较，实现输出软启动。有两种软关断方式，一种是EN关断之后，使VFB跟随VSS_OUT缓慢降低，直到芯片关断，软关断完成；另一种是系统过流并且过流计数完成之后，使VSS_OUT缓慢降低，可以有效地保护芯片。

Claims (1)

1.一种用于Buck变换器的软启动和软关断电路，包括第一POMS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、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、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3、第四电流源I4、第五电流源I5、第六电流源I6、第七电流源I7、第一传输门、第二传输门、第三传输门、第一电容C1、第二电容CS和缓冲器；第一电流源的输入接电源，输出接第一PMOS管MP1的源极；第一PMOS管MP1的栅极接第一传输门的输出端和第二传输门的输出端；第二NMOS管MN2的漏接和栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第二PMOS管MP2的源极接第二NMOS管MN2的漏极，第二PMOS管MP2的栅极接第一NMOS管MN1的源极，第二PMOS管MP2的漏极接地；第一NMOS管MN1的漏极接第五电流源I5的输出，第五电流源I5的输入接电源，第一NMOS管MN1的栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第三PMOS管MP3的源极接第一NMOS管MN1的漏极，第三PMOS管MP3的栅极接基准电压，其源极接地；第三NMOS管MN3的漏极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第四NMOS管MN4的漏极接第七电流源I7的输出，第七电流源I7的输入接电源；第四NMOS管MN4的栅极与其漏极互连，第四NMOS管MN4的栅极接第二传输门的一个输入端，第二传输门的另一个输入端接第五NMOS管MN5的漏极、第三传输门的一个输入端、第二NMOS管MN2源极、第二PMOS管MP2的源极和第八NMOS管MN8的漏极；第三传输门的另一个输入端接第一PMOS管MP1的漏极；第五NMOS管MN5的栅极接第一传输门的输出端和第二传输门的输出端，第五NMOS管MN5的源极接第二电流源I2的输入，第二电流源I2的输出接地；第二电容CS的一端接第二PMOS管MP2的源极，另一端接地；第三NMOS管MN3的源极接第三电流源I3的输入，第三电流源I3的输出接地；第四NMOS管MN4的源极接缓冲器的负输入端；缓冲器的正输入端接反馈电压，其输出端接第一传输门的一个输入端，缓冲器的输出端还与其负输入端互连；第一传输门的另一个输入端接第三电流源I3的输入端；第一电容C1与第三电流源I3并联；第七NMOS管MN7的漏接接第一PMOS管MP1的漏接，第七NMOS管MN7的栅极接控制信号，其源极接地；第八NMOS管MN8的漏接接第二NMOS管MN2的源极，第八NMOS管MN8的栅极接控制信号，其源极接地；第三NMOS管MN3源极与第三电流源I3的连接点为控制电路的输出端。
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