CN106130335A

CN106130335A - 应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路

Info

Publication number: CN106130335A
Application number: CN201610580137.8A
Authority: CN
Inventors: 宁宁; 段开锋; 俞德军; 梁孝亿
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-07-22
Also published as: CN106130335B

Abstract

本发明属于开关电源软启动技术领域，提供一种应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，用于克服现有软启动电路无效启动时间过长的问题；包括时钟模块、过零检测模块、计数器模块和数模转换模块，时钟模块产生快、慢两个时钟信号输入计数器模块；过零检测模块根据储能电感电流的大小，产生控制信号提供给计数器模块；计数器模块根据控制信号选择快时钟信号或慢时钟信号作为计数时钟，实现不同的速度进行计数，输出二进制计数值；数模转换模块将计数器输出的二进制计数值转换成模拟信号，输出按台阶依次上升的软启动基准电压。本发明引入过零检测控制信号，自适应调节软启动基准电压上升的速率，极大缩短了boost拓扑结构开关电源的无效软启动时间。

Description

应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路

技术领域

本发明属于开关电源软启动技术领域，特别涉及一种应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路。

背景技术

近年来随着便携式电子产品在通信、计算机及消费类电子等领域中不断增长，对电源管理芯片的需求也呈上升趋势，DC-DC开关电源在宽输入电压范围和宽负载范围条件下，因其具有杰出的效率表现而被广泛应用。Boost升压结构作为开关电源一种重要的拓扑，随着锂电池等低电压供电电源的广泛使用，而被大量应用于各种开关电源芯片中。PWM开关电源是通过将误差信号转换成占空比控制信号，驱动功率开关而工作，在启动阶段，误差放大器处于非平衡状态，使得环路长时间处于最大占空比状态，由此产生很大的涌浪电流灌入输出滤波电容，使得输出电压产生大的过冲，同时涌浪电流也可能损坏开关管等器件。为此软启动电路应运而生，其设计思想是通过限制启动时的占空比，从而抑制涌浪电流。传统数字软启动电路通过产生一个按固定速率缓慢上升的基准电压，以达到限制启动过程开关导通占空比的目的；然而对于boost拓扑结构开关电源，由于其输入与输出未隔离，因此在芯片上电后，开关电源输出电压以很快的速度被充电到高于输入电压；在芯片使能后，软启动基准电压开始从零伏缓慢上升，此时由于输出电压的采样值高于软启动基准电压，系统处于无效的启动状态，一直到软启动基准电压上升到高于输出电压的采样值后，开关电源才开始启动升压；因此，传统软启动电路输出按固定速率上升的软启动基准电压，其上升速度通常较慢，以达到抑制涌浪电流的目的，但也造成无效启动时间过长。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提出一种应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，该电路利用过零检测控制信号，自适应调节软启动基准电压上升的速率，在无效启动阶段控制软启动基准电压以较快的速度上升，从而极大缩短无效启动时间，在开关电源有效启动时，控制软启动基准电压恢复缓慢的上升速度，从而起到抑制开关电源启动涌浪电流的功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，包括时钟模块、过零检测模块、计数器模块和数模转换模块，其中：

时钟模块产生快时钟信号、慢时钟信号两个时钟信号分别输入计数器模块；

过零检测模块根据储能电感电流的大小，产生控制信号提供给计数器模块；

计数器模块根据控制信号选择快时钟信号或慢时钟信号作为计数时钟，从而实现不同的速度进行计数，输出二进制计数值；

数模转换模块将计数器输出的二进制计数值转换成模拟信号，输出按台阶依次上升的软启动基准电压。

进一步的，所述过零检测模块首先检测储能电感的电流大小，当电流小于预设阈值时，控制信号置为高电平；否则控制信号置为低电平，从而得到控制信号。

特别说明的是：本发明提供应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路中，时钟模块通过D触发器构成分频电路，该分频电路对输入的时钟信号CLK进行分频，从而产生具有较长时钟周期的慢时钟信号CLK_SLOW，同时也输出未分频的短周期时钟信号CLK_FAST；start_end为软启动结束控制信号，其作用是在软启动结束时，阻断时钟信号输入分频电路，从而降低启动结束后数字电路由于状态不断改变产生的功耗。

过零检测模块是同步整流型boost开关电源必要的模块，其作用在于检测储能电感的电流大小，当电感电流低于阈值时，其将输出信号UCP置为高电平，该控制电平关断同步整流管以防止电流倒灌回输入电源；在本发明中，该控制信号被用于调节软启动基准电压的上升速度，实现在不同的启动状态下，软启动基准电压的自适应调节。

计数器模块由数据选择器、D触发器、反相器、与非门和或非门构成，其根据UCP信号选择CLK_FAST或CLK_SLOW作为计数时钟，从而实现以不同的速度进行计数，并且在计数结束后输出启动结束控制信号start_end，利用该信号能实现整个软启动电路在启动结束后的零功耗。

数模转换模块采用电流舵式DAC架构，其优点在于当开关切换时，输出的电压尖峰较小，差分对称结构有利于实现数码切换时的平稳过渡，数模转换器将输入的二进制计数值转换成按台阶上升的模拟电压，经RC滤波网络滤波后作为软启动基准电压输出；当软启动结束时，start_end信号控制将VREF基准电压直接输出，并且关断数模转换器，使其在软启动结束后消耗的功耗几乎为零。

本发明的有益效果在于：引入过零检测控制信号，自适应调节软启动基准电压上升的速率，极大缩短了boost拓扑结构开关电源的无效软启动时间，在满足消除电源启动涌浪电流的前提下，实现开关电源的快速启动。

附图说明

图1为本发明应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路系统示意图。

图2为本发明实施例中时钟模块示意图。

图3为本发明实施例中计数器模块示意图。

图4为本发明实施例中数模转换模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不局限于此。

本实施例提供一种应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，其系统示意图如图1所示，该软启动电路由时钟模块、过零检测模块、计数器模块、数模转换模块组成；时钟模块利用输入的基础时钟CLK，产生高频时钟CLK_FAST(快时钟)和低频时钟CLK_SLOW(慢时钟)输入计数器模块；过零检测模块根据储能电感电流的大小，产生控制信号UCP提供给计数器模块，当电感电流低于预设阈值I₁时、UCP输出为“1，”当电感电流高于等于预设阈值I₁时、UCP输出为“0；”计数器模块根据UCP信号选择CLK_FAST或CLK_SLOW作为计数时钟，从而实现以不同的速度进行计数，输出5位二进制计数值；数模转换模块将计数器输出的二进制计数值转换成模拟信号，经滤波后输出按台阶依次上升的软启动基准电压VSOFT。由于UCP信号能控制计数器以不同的速度计数，因此实现在UCP信号的控制下自适应调节软启动基准电压按台阶上升的速度。

时钟模块如图2所示，时钟信号CLK与启动结束控制信号start_end接入或非门，或非门的输出一方面作为高频时钟CLK_FAST输出，另外也接入分频电路；分频电路由8个D触发器串联构成，每级D触发器的D输入端接反相输出端每级D触发器的时钟输入端接前一级的正相输出端Q，所有D触发器的置位端并接于使能输入端EN，从而实现D触发器的上电复位；芯片上电后，使能端EN输入先为“0，”对所有D触发器进行置位，一段时间后，使能端EN变为“1，”时钟电路开始正常工作；在软启动过程中，start_end为“0，”此时时钟CLK能有效输入，基础时钟CLK周期为T₁，高频时钟CLK_FAST的周期同样为T₁，基础时钟经过8次分频后，产生周期为2⁸的低频时钟CLK_SLOW；软启动结束后，start_end变为“1，”此时由于或非门的作用，CLK输入被阻断，后续数字电路的状态不发生改变，从而实现极低的静态功耗。

计数器模块如图3所示，时钟模块输出的高频时钟CLK_FAST和低频时钟CLK_SLOW经过二选一数据选择器输入计数器模块，数据选择器选择端是过零检测模块输出的UCP信号。当UCP为“1”(高电平)时，选择高频时钟CLK_FAST输入；当UCP为“0”(低电平)时，选择低频时钟CLK_SLOW输入；数据选择器的输出接5级串联的D触发器，D触发器同样采用分频器中的接法，即每级D触发器的D输入端接反相输出端每级D触发器的时钟输入端接前一级的正相输出端Q；每级D触发器的正相输出端Q接反相器，反相器输出端接或非门，或非门则输出二进制计数信号，其计数值从“11111”依次变化到“00000；”当计数值输出变为“00000”后，经过图中所示逻辑，将start_end置为“1，”该信号输入或非门，使计数器输出被锁定在“00000，”结束计数过程；同时start_end也被输出，用于控制其他模块。

数模转换模块如图4所示，该数模转换模块采用电流舵结构，运算放大器采用负反馈接法，其正相输入端接基准电压VREF，通过负反馈，运放反相输入端钳位到VREF，因此流过电阻R₁的电流为VREF/R₁，该电流流过采用自偏置接法的共栅共源电流镜，镜像出大小按1:2:4:8:16的二进制加权电流，采用共栅共源结构能有效提升电流镜的输出阻抗；电流镜输出的电流通过对称的互补开关分别输出到数模转换器的正相输出端OUTP和反相输出端OUTN，通过电阻R₄和R₃转换成电压输出；根据图中所示电流镜像大小关系，为了实现当所有电流都流经R₄时，正相输出电压为VREF，则R₁/R₄＝31/8；互补开关的栅极由计数模块输出的计数值和其反相信号控制，当计数模块输出“11111”时，电流镜输出的所有电流都流入反相输出端OUTN，之后计数值变为“11110，”“11101”……,则流入正相输出端OUTP的电流比例不断增大，直到计数值变为“00000，”电流镜输出的所有电流都流入正相输出端OUTP，此时OUTP输出电压变为VREF；采用差分对称结构能有效降低开关切换时输出的尖峰毛刺，OUTP输出的电压经过开关后经过RC滤波网络，使其电压毛刺被进一步滤除，从而产生平滑切换的按台阶上升的电压VSOFT，该电压即作为电源软启动过程中的基准电压；控制信号start_end通过开关选择输出到VSOFT的电压，在软启动阶段，start_end为“0，”此时数模转换器的正相输出端OUTP电压被输出；软启动结束后，start_end变为“1，”此时基准电压VREF被直接输出，作为开关电源稳定工作后的参考电压；同时当start_end变为“1”后，经过反相器和与非门，电流镜的栅极被拉到VDD，电流镜被关断，同时运算放大器也被关断，其输出为零伏，此时整个数模转换模块功耗接近为零。

本发明的工作过程为：当boost拓扑结构开关电源上电后，此时芯片内电路尚未开始工作，由于电源输入电压高于输出电压，因此对于boost拓扑结构，其输入到输出间的二极管(对于同步整流型电源，为同步整流管寄生二极管)处于正相导通状态，因此输入电源会以很大的瞬时电流对输出滤波电容充电，当输出电压高于输入电压后，储能电感的电流开始减小，一直到电感电流下降到零。此时二极管处于反相截止状态，输出电容的电压高于输入电压，并通过负载放电而缓慢下降。当芯片内电路使能有效，开始工作时，软启动基准电压开始从0V按台阶上升，此时由于输出电压的采样值高于软启动基准电压，因此误差放大器输出最小值，PWM信号保持零占空比，因此这段时间实际上没有进行升压启动，称之为无效启动阶段；一直到软启动基准电压高于输出电压的采样值，PWM信号占空比不再为零，开关电源开始升压启动过程，后一阶段称之为有效启动阶段。对于传统软启动电路，由于软启动基准电压按固定速率上升，而为了达到抑制启动涌浪电流的目的，其上升速度非常缓慢，这也造成过长的无效启动阶段时间被浪费掉。采用本发明自适应软启动电路，由于无效启动阶段，储能电感电流维持在零，过零检测电路输出UCP为高电平，计数模块以高频时钟CLK_FAST进行计数，软启动基准电压的每个台阶保持时间为T₁；在实施例中，这比只用固定时钟进行计数的方式快了256倍，即在输出电压相同的情况下，能将无效启动时间缩短到原来的1/256。当进入有效启动阶段后，电感电流增大，过零检测电路输出UCP变为低电平，计数模块以低频时钟CLK_SLOW进行计数，软启动基准电压恢复缓慢的上升速度，从而达到抑制启动过程涌浪电流的目的。本发明软启动电路能根据开关电源负载大小，自适应调节第一阶段快速启动的时间：当开关电源负载较轻时，由于输出电容通过负载放电缓慢，因此输出电压长时间保持在较高值，则软启动基准电压快速上升的时间维持较长，有效启动时间被最大程度缩短；当开关电源负载较重时，输出电容通过负载快速放电而迅速下降，则软启动基准电压快速上升的时间维持较短，有效启动时间相对延长。

在boost拓扑结构开关电源中，应用本发明软启动电路，能大幅缩短其无效启动时间，在满足抑制开关电源启动涌浪电流的前提下，实现开关电源的快速启动。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，包括时钟模块、过零检测模块、计数器模块和数模转换模块，其中：

2.按权利要求1所述应用于boost拓扑开关电源的自适应软启动电路，其特征在于，所述过零检测模块首先检测储能电感的电流大小，当电流小于预设阈值时，控制信号置为高电平；否则控制信号置为低电平，从而得到控制信号。