CN107294369B - 一种应用于升压变换器的恒流启动电路 - Google Patents

一种应用于升压变换器的恒流启动电路 Download PDF

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Abstract

一种应用于升压变换器的恒流启动电路，属于电子技术领域。包括功率级、恒流启动模块、偏置电路模块和使能模块，所述偏置电路模块用于产生恒定的第一偏置电流和第二偏置电流提供给所述恒流启动模块，所述使能模块用于产生使能信号EN控制偏置电路模块与恒流启动模块的开启和关断；所述恒流启动模块利用电流镜和恒定偏置电流将功率级的充电电流限制为固定值。本发明采用将充电电流即电感电流箝位为固定值的方法，实现了软启动阶段的恒流充电，消除了升压变换器电路启动阶段的浪涌电流。

Description

一种应用于升压变换器的恒流启动电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种应用于Boost(升压变换器)转换器的恒流启动电路的设计。
背景技术
Boost转换器由于其小巧轻便高效的特点，广泛应用于电子计算机，各种电子终端设备，通讯设备中。
典型的Boost转换器架构如图1所示，主要由开关功率管MN、MP，储能电感L、输出电容Cout、负载Rload组成。基本工作原理是：利用电感和电容的能量存储特性，在开关管MN导通、MP关断时，电流经过电感并转化为磁能并存储在电感中；MN关断、MP导通时，电感通过MP放电，将存储的能量通过电流传递给输出电容，利用电容的整流特性和开关信号的占空比实现直流电压转换。
传统的Boost转换器在上电启动的过程中，误差放大器处于非平衡状态，开关信号的占空比为100％，MN恒定关断、MP恒定导通，电流经过储能电感L和MP直接给输出电容充电，直至Vout上升到所需大小。在这一启动过程中，流过电感的充电电流iL与电感值L、输入电压Vin、输出电压Vout满足以下等式：
启动时，输出电压过低，则输入输出压差较大，电感电流上升的斜率非常大，会使启动时产生较大的浪涌电流，有可能损坏开关管MP、储能电感L或其他器件，导致电路系统工作异常。此外，在实际应用中，Boost转换器通常直接连接到便携式电子设备的电池，电池由于其内阻、发热等问题，瞬间的浪涌电流更会存在使电池有烧毁的风险。因此，Boost转换器需要在启动时对充电电流进行限制，以保护转换器不会因为充电电流过大而损坏。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提出了一种应用于升压变换器的恒流启动电路，通过利用固定偏置电流和电流镜，将上电启动时输入电压对输出电容的充电电流大小固定在恒定值，达到避免浪涌电流，防止电路系统工作异常的目的。
本发明的技术方案为：
一种应用于升压变换器的恒流启动电路，包括功率级、恒流启动模块、偏置电路模块和使能模块，所述偏置电路模块用于产生恒定的第一偏置电压和第二偏置电压，所述使能模块用于产生使能信号EN；
所述功率级包括NMOS功率开关管MN、PMOS功率开关管MP、储能电感L、输出电容Cout和负载电阻Rout，PMOS功率开关管MP的源极通过储能电感L后接输入电压Vin，其漏极连接NMOS功率开关管MN的漏极并通过的输出电容Cout和负载电阻Rout并联结构后接地；NMOS功率开关管MN栅极接开关信号Q，其源极接地，其漏极作为所述升压变换器的输出端；
所述恒流启动模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第七PMOS管MP7、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，
第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3的栅极连接所述第一偏置电压，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的栅极连接所述第二偏置电压，第一NMOS管MN1的源极接第二NMOS管MN2的漏极，第三NMOS管MN3的源极接第四NMOS管MN4的漏极，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的源极接地；
第一PMOS管MP1的栅漏短接并连接第一NMOS管MN1的漏极和第四PMOS管MP4的栅极，第四PMOS管MP4的源极接第三PMOS管MP3的漏极，其漏极连接第三NMOS管MN3漏极、第七PMOS管MP7和所述功率级中PMOS功率开关管MP的栅极，第七PMOS管MP7和所述PMOS功率开关管MP构成一对有源电流镜，其镜像比为1：K1；第七PMOS管MP7的漏极接第三PMOS管MP3的源极，其源极接输入电压Vin；第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的栅极接所述使能信号EN的反向信号第二PMOS管MP2的源极接所述PMOS功率开关管MP的漏极，其漏极接第一PMOS管MP1的源极。
具体的，所述第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3、第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4分别构成两对共源共栅有源电流镜，其镜像比都为1：1。
具体的，所述偏置电路模块包括第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和恒定电流源IBIAS，
第九NMOS管MN9与所述恒流启动模块中的第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4分别构成两对有源电流镜，镜像比都为1：K2；
第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6构成一对有源电流镜，镜像比为1：K3；第五PMOS管MP5的栅漏短接并连接第六PMOS管MP6的栅极和第七NMOS管MN7的漏极，第六PMOS管MP6的漏极连接第八NMOS管MN8的漏极和第九NMOS管MN9的栅极并输出第二偏置电压，第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的源极接电源电压VCC；
第十NMOS管的栅极连接使能信号EN，其漏极连接恒定电流源IBIAS，其源极连接第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8的栅极以及第六NMOS管MN6的漏极并输出第一偏置电压，第八NMOS管MN8的源极连接第九NMOS管MN9的漏极；
第六NMOS管MN6和第七NMOSMN7管构成一对有源电流镜，镜像比为1：K4，第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7和第九NMOS管MN9的源极接地。
具体的，所述使能模块包括比较器，所述比较器的同相输入端接输入电压Vin，其反相输入端接所述NMOS功率开关管MN的漏极，所述比较器反相输入端和所述NMOS功率开关管MN的漏极之间还设置有一个失调电压offset，所述比较器的输出端输出使能信号EN。
本发明的有益效果为：本发明在升压变换器上电启动的时候，利用精准匹配的电流镜给功率级提供了一个恒定的充电电流，消除了升压变换器电路启动阶段的浪涌电流。
附图说明
图1为典型的BOOST转换器结构图；
图2为本发明提出的升压变换器恒流启动电路完整电路图；
图3为本发明正常工作时充电电流与输出电压的瞬态波形图。
具体实施方式
为消除启动阶段的浪涌电流，本发明采用将充电电流箝位为固定值的方法，在软启动阶段利用电流镜和恒定偏置电流将充电电流限制为固定值，实现了软启动阶段的恒流充电。下面结合图示对本发明的具体实施方式与原理做进一步阐述。
如图2所示为本发明提出的升压变换器恒流启动电路的一种电路实现结构，包括功率级、恒流启动模块、偏置电路模块和使能模块，偏置电路模块产生恒定的第一偏置电压和第二偏置电压，为恒流启动模块提供精准的恒定电流，使能模块产生使能信号EN；功率级包括NMOS功率开关管MN、PMOS功率开关管MP、储能电感L、输出电容Cout和负载电阻Rout，PMOS功率开关管MP的源极通过储能电感L后接输入电压Vin，其漏极连接NMOS功率开关管MN的漏极并通过的输出电容Cout和负载电阻Rout并联结构后接地；NMOS功率开关管MN栅极接开关信号Q，其源极接地，其漏极作为升压变换器的输出端；恒流启动模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第七PMOS管MP7、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4，第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3、第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4分别构成一对共源共栅有源电流镜，本实施例中其镜像比都为1：1，使两股通路电流相等，保证第七PMOS管MP7的漏极电压VX对输出电压Vout箝位相等；第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3的栅极连接第一偏置电压，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的栅极连接第二偏置电压，第一NMOS管MN1的源极接第二NMOS管MN2的漏极，第三NMOS管MN3的源极接第四NMOS管MN4的漏极，第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4的源极接地；第一PMOS管MP1采用二极管接法，使得正常工作时，第一PMOS管MP1与第三PMOS管MP3的源端电位钳位相等，第一PMOS管MP1的栅漏短接并连接第一NMOS管MN1的漏极和第四PMOS管MP4的栅极，第四PMOS管MP4的源极接第三PMOS管MP3的漏极，其漏极连接第三NMOS管MN3漏极、第七PMOS管MP7和功率级中PMOS功率开关管MP的栅极，第七PMOS管MP7和PMOS功率开关管MP构成一对有源电流镜，其镜像比为1：K1，用于在上电启动时将偏置电流镜像到功率级；第七PMOS管MP7的漏极接第三PMOS管MP3的源极，其源极接输入电压Vin；第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的栅极接使能信号的反向信号使能信号EN为高时，第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3导通且导通阻抗可忽略，使能信号EN为低时恒流启动模块关闭；第二PMOS管MP2的源极接PMOS功率开关管MP的漏极，其漏极接第一PMOS管MP1的源极，恒定启动模块在电路上电启动时将偏置电流镜像到功率级，实现启动电流恒定。
本实施例中偏置电路模块包括第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和恒定电流源IBIAS，第九NMOS管MN9与恒流启动模块中的第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4分别构成两对有源电流镜，镜像比都为1：K2，其作用是将偏置电流镜像到恒流启动模块；第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6构成一对有源电流镜，镜像比为1：K3；第五PMOS管MP5的栅漏短接并连接第六PMOS管MP6的栅极和第七NMOS管MN7的漏极，第六PMOS管MP6的漏极连接第八NMOS管MN8的漏极和第九NMOS管MN9的栅极并输出第二偏置电压，第八NMOS管MN8和第九NMOS管MN9构成共源共栅电流镜结构；第五PMOS管MP5和第六PMOS管MP6的源极接电源电压VCC；第十NMOS管的栅极连接使能信号EN，其漏极连接恒定电流源IBIAS，为整个电路提供恒定偏置电流，第十NMOS管的源极连接第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7和第八NMOS管MN8的栅极以及第六NMOS管MN6的漏极并输出第一偏置电压，第十NMOS管MN10起使能开关的作用，M16漏极接电流源；第六NMOS管MN6和第七NMOSMN7管构成一对有源电流镜，镜像比为1：K4，第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7和第九NMOS管MN9的源极接地。
第六NMOS管MN6为栅漏短接的二极管接法，为第八NMOS管MN8、第一NMOS管MN1和第三NMOS管MN3提供直流偏置点。
本实施例中使能模块包括比较器，比较器的同相输入端接输入电压Vin，其反相输入端接NMOS功率开关管MN的漏极，比较器反相输入端和NMOS功率开关管MN的漏极之间还设置有一个失调电压offset，用于调控比较器的翻转点；比较器的输出端输出使能信号EN，用于判断电路是否处于启动阶段。当Vout小于于Vin-Voffset时，判断为电路正在启动，使能信号EN为高电平，恒流启动电路正常工作；当Vout上升到Vin-Voffset时，判断为电路已经启动完成，使能信号EN为低电平，恒流启动电路关闭。
本实施例的工作原理为：图2中I2、I3为恒流启动模块支路电流，I1为软启动阶段充电电流，用来对输出电容Cout充电，将输出电压Vout从0抬升到正常值。电路上电启动阶段，PMOS功率开关管MP导通，NMOS功率开关管MN关断，输入电压Vin经过I1直接对输出电容Cout充电。
当电路上电启动，使能信号EN跳高，则第二PMOS管MP2管导通，其导通阻抗可忽略。输出电压Vout从0开始上升，在启动刚开始时输出电压Vout为0，在输出电压Vout小于Vin-Voffset期间，恒流启动电路使能有效。此时I3＝0，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2均工作在线性区，第一PMOS管MP1工作在截止区或亚阈区；第一PMOS管MP1与第四PMOS管MP4构成的电流镜不起作用，第七PMOS管MP7的漏极电压VX与输出电压Vout无法钳位相等。功率级中将产生一个比预期值稍微偏大的电流对输出电容Cout进行充电，直至输出电压Vout上升至能够使第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2都工作在饱和区，这一阶段为预启动阶段。该切换可以表示为：
Vout＝VSGP1+VOVN1+VOVN2
其中VSGP1表示第一PMOS管MP1的栅源电压，VOVN1、VOVN2表示第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的过驱电压，本实施例中Vout约为1.2V，此时第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1等均工作在饱和区，电路进入恒流启动阶段，此时电感电流由第七PMOS管MP7的电流镜像，为恒定电流，电感两端的电压差为零。
在恒流启动阶段，由MOS管饱和区电流公式可以得到I1：
其中βP代表漏极电流表达式的系数，VGSP为栅源电压，VthP为阈值电压，λ为沟道调制系数，W/L为宽长比，μP为空穴迁移率，COX为栅氧电容单位容值。同理可得I2：
由于PMOS功率开关管MP和第七PMOS管MP7栅极、源极电位相同，因此VGSP＝VGSN5，且有VthN5＝VthP，因此将I1与I2相除可得：
在非理想MOS管中存在有效沟道长度调制效应，λ即为长度调制效应因子。为了实现I1与I2的匹配，需要将上述等式中的(1+λVDS)项消除，因此引入了第二PMOS管MP2、第一PMOS管MP1、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2所构成的电压箝位结构，该通路的电流为I3。I2与I3的大小关系由第一NMOS管MN1和第三NMSO管MN3、第二NMOS管MN2和第四NMOS管MN4构成的电流镜所决定，电流镜镜像比为1:1，因此I2＝I3。由MOS管电流公式变形可以得到：
由于第一PMSO管MP1、第四PMOS管MP4尺寸参数匹配，且I2＝I3，因此VSGP1＝VSGP4。同时，由于第一PMSO管MP1和第四PMOS管MP4尺寸参数匹配，且栅极电压相同；第二PMOS管MP2与第三PMOS管MP3的导通阻抗均可忽略，可以得到：
VX＝Vout-VSGP1+VSGP4＝Vout
因此有：
VDSN5＝VDSP
可得：
即：
I1＝K1·I2
由于I2为来自恒定偏置电流的镜像电流，其大小恒定，因此上电启动时I1的大小也是恒定的，实现了恒流启动，此时输出电压Vout继续抬升，当Vout上升到超过Vin-Voffset，即接近输入电压Vin时，比较器判定软启动结束，输出使能信号翻转为低以关闭启动电路模块，Boost转换器进入环路控制的工作状态。
综上所述，Boost转换器上电启动的时候，本发明利用精准匹配的电流镜给功率级提供了一个恒定的充电电流，消除了Boost转换器电路启动阶段的浪涌电流。
图3为本发明的瞬态仿真结果图示，启动时电感电流IL即为充电电流，如图所示在预启动阶段IL较大，Vout随电流充电而上升，当Vout上升到(|VGS|+2Vov)时，恒流启动模块正常工作，IL大小恒定。当Vout上升到(Vin-Voffset)时，启动结束，恒流启动模块关闭，转换器工作由环路控制。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用于升压变换器的恒流启动电路，其特征在于，包括功率级、恒流启动模块、偏置电路模块和使能模块，所述偏置电路模块用于产生恒定的第一偏置电压和第二偏置电压，所述使能模块用于产生使能信号(EN)；
所述功率级包括NMOS功率开关管(MN)、PMOS功率开关管(MP)、储能电感(L)、输出电容(Cout)和负载电阻(Rout)，PMOS功率开关管(MP)的源极通过储能电感(L)后接输入电压(Vin)，其漏极连接NMOS功率开关管(MN)的漏极并通过的输出电容(Cout)和负载电阻(Rout)并联结构后接地；NMOS功率开关管(MN)栅极接开关信号(Q)，其源极接地，其漏极作为所述升压变换器的输出端；
所述恒流启动模块包括第一NMOS管(MN1)、第二NMOS管(MN2)、第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第七PMOS管(MP7)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)，
第一NMOS管(MN1)和第三NMOS管(MN3)的栅极连接所述第一偏置电压，第二NMOS管(MN2)和第四NMOS管(MN4)的栅极连接所述第二偏置电压，第一NMOS管(MN1)的源极接第二NMOS管(MN2)的漏极，第三NMOS管(MN3)的源极接第四NMOS管(MN4)的漏极，第二NMOS管(MN2)和第四NMOS管(MN4)的源极接地；
第一PMOS管(MP1)的栅漏短接并连接第一NMOS管(MN1)的漏极和第四PMOS管(MP4)的栅极，第四PMOS管(MP4)的源极接第三PMOS管(MP3)的漏极，其漏极连接第三NMOS管(MN3)漏极、第七PMOS管(MP7)和所述功率级中PMOS功率开关管(MP)的栅极，第七PMOS管(MP7)和所述PMOS功率开关管(MP)构成一对有源电流镜，其镜像比为1：K1；第七PMOS管(MP7)的漏极接第三PMOS管(MP3)的源极，其源极接输入电压(Vin)；第二PMOS管(MP2)和第三PMOS管(MP3)的栅极接所述使能信号(EN)的反向信号第二PMOS管(MP2)的源极接所述PMOS功率开关管(MP)的漏极，其漏极接第一PMOS管(MP1)的源极。
2.根据权利要求1所述的应用于升压变换器的恒流启动电路，其特征在于，所述第一NMOS管(MN1)和第三NMOS管(MN3)、第二NMOS管(MN2)和第四NMOS管(MN4)分别构成两对共源共栅有源电流镜，其镜像比都为1：1。
3.根据权利要求1或2所述的应用于升压变换器的恒流启动电路，其特征在于，所述偏置电路模块包括第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第八NMOS管(MN8)、第九NMOS管(MN9)、第十NMOS管(MN10)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)和恒定电流源(IBIAS)，
第九NMOS管(MN9)与所述恒流启动模块中的第二NMOS管(MN2)和第四NMOS管(MN4)分别构成两对有源电流镜，镜像比都为1：K2；
第五PMOS管(MP5)和第六PMOS管(MP6)构成一对有源电流镜，镜像比为1：K3；第五PMOS管(MP5)的栅漏短接并连接第六PMOS管(MP6)的栅极和第七NMOS管(MN7)的漏极，第六PMOS管(MP6)的漏极连接第八NMOS管(MN8)的漏极和第九NMOS管(MN9)的栅极并输出第二偏置电压，第五PMOS管(MP5)和第六PMOS管(MP6)的源极接电源电压(VCC)；
第十NMOS管的栅极连接使能信号(EN)，其漏极连接恒定电流源(IBIAS)，其源极连接第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)和第八NMOS管(MN8)的栅极以及第六NMOS管(MN6)的漏极并输出第一偏置电压，第八NMOS管(MN8)的源极连接第九NMOS管(MN9)的漏极；
第六NMOS管(MN6)和第七NMOS(MN7)管构成一对有源电流镜，镜像比为1：K4，第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)和第九NMOS管(MN9)的源极接地。
4.根据权利要求3所述的应用于升压变换器的恒流启动电路，其特征在于，所述使能模块包括比较器，所述比较器的同相输入端接输入电压(Vin)，其反相输入端接所述NMOS功率开关管(MN)的漏极，所述比较器反相输入端和所述NMOS功率开关管(MN)的漏极之间还设置有一个失调电压(offset)，所述比较器的输出端输出使能信号(EN)。
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