CN108063544A - 一种dc-dc升压转换器启动浪涌电流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DC‑DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，包括压差采样放大模块、误差放大器、开关网络和比较器；压差采样放大模块的两个输入端分别与SW和输出电压VOUT相接，输出VS与误差放大器的同相输入端相接；误差放大器的反相输入端连接固定基准电平VR，输出Co连接开关网络；开关网络的输入分别为误差放大器的输出Co、比较器的输出信号QS、XQS和脉冲控制信号DH，输出信号PH连接从开关管MP的栅极；比较器的同相输入端连接输出电压VOUT，反相输入端连接输入电压VIN，输出QS和XQS连接开关网络的输入端。控制DC‑DC升压转换器在输入电压上电后的启动过程中，限制输入端浪涌电流，实现输入电流和输出电压在DC‑DC升压转换器启动阶段的平稳变化，提高可靠性。

Description

一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路

技术领域

本发明属于电源管理技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种应用于DC-DC升压转换器的启动浪涌电流保护电路。

背景技术

升压转换器在启动过程中，输出电压从零开始上升，输出电压在启动过程的初期会低于输入电压，NMOS功率管处于最大占空比开关工作，导通时间较长，因此NMOS功率管的电流同时也是电感电流上升速度非常快且无法控制，形成浪涌冲击电流，NMOS功率管会因为过大的电流而损坏。并且因为启动初期，输出电压非常低，输入电压和输出电压压差较大，当同步的PMOS功率管导通时，会形成电感、PMOS功率管、输出电容以及负载电阻形成一个谐振回路。升压转换器启动时，输入电压从零迅速上升，此时电感两端的电压发生突变，电感中的电流迅速上升，形成浪涌冲击电流。因此NMOS功率管和PMOS功率管在启动阶段的浪涌电流共同在输入端形成了强大的浪涌冲击电流。前级给DC-DC供电的设备会因此浪涌电流而损坏。因此DC-DC升压转换器启动时的浪涌电流必须得到有效的控制，才能保证启动电流和输出电压的平稳变化。

图1是现有的DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路。输入电压V_IN经过电感L与NMOS功率管MN和PMOS功率管MP相连，功率管MP的漏级作为DC-DC升压转换器的输出端连接输出电容C和负载电阻R，这是一个典型的升压DC-DC的功率级的输出结构。在DC-DC启动阶段，NMOS栅极NH连接地，关闭NMOS管。PMOS功率管与P1组成电流镜，P1的电流由偏置电流源IR设定，因为P1和MP的镜像比为1：N。因此启动阶段流过PMOS的电流I_L为N*I_R。当输出电压上升到等于输入电压时，此浪涌电流限制电路停止工作，MP和MN由DC-DC控制进行开关动作。现有浪涌电流限制技术的缺点是启动阶段随着输出电压的不断升高，输入电流会随着其PMOS功率管MP的漏源电压差会逐渐减小而降低，会导致较大的负载无法启动，并会使得DC-DC升压变换器启动时间延迟。并且浪涌电流的控制方式是采用开环的方法，并且电流镜比例N很大，使得浪涌电流控制精度较差。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，控制DC-DC升压转换器在输入电压上电后的启动过程中，限制输入端浪涌电流，实现输入电流和输出电压在DC-DC升压转换器启动阶段的平稳变化，提高可靠性。

技术方案

一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，其特征在于包括压差采样放大模块、误差放大器、开关网络和比较器；压差采样放大模块的两个输入端分别与SW和输出电压V_OUT相接，输出V_S与误差放大器的同相输入端相接；误差放大器的反相输入端连接固定基准电平V_R，输出Co连接开关网络；开关网络的输入分别为误差放大器的输出Co、比较器的输出信号QS、XQS和脉冲控制信号DH，输出信号PH连接从开关管MP的栅极；比较器的同相输入端连接输出电压V_OUT，反相输入端连接输入电压V_IN，输出QS和XQS连接开关网络的输入端。

所述的压差采样放大模块包括电阻R₃、R₄、R_on、R₅、MOS管M1、M2、M3、电流源I1和I2；R₃的一端与输出电压V_OUT连接，另一端与M1的源极连接，M1漏极通过电流源I1接地，栅极与M2的栅极相连；R₄的一端与SW连接，另一端与M2的源极连接，M2的漏极、栅极和M1的栅极相接并通过电流源I1接地；M3的源极接M2和电阻R₄的公共节点，漏极通过电阻R₅接地，栅极与M1的漏级相连，并通过电流源I1接地；R_on的一端接于R₃和输出电压V_OUT之间，另一端接于R₄和SW之间。

所述的开关网络模块包括传输门1和传输门2；两个传输门分别有4个端口，其中1、2、3端口为输入端口，4端口为输出端口；传输门1的1输入端口连接比较器的输出端QS，传输门1的2输入端口连接比较器输出端XQS，传输门3的输入端口连接误差放大器的输出端口Co；传输门2的1输入端口接比较器的输出端XQS，传输门2的2输入端口接比较器输出端QS，传输门2的3输入端口接外电路的DH脉冲信号；传输门1和传输门2的输出端口相接合并输出为PH。

有益效果

本发明提出的一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，与现有技术相比具有以下优点：

1.采用闭环的电流控制方式，通过采集PMOS功率管的电流，最终控制PMOS功率管的栅极电压，浪涌电流限制稳定性和精度都较高。

2.在DC-DC升压转换器启动阶段，浪涌电流限制值不会随着输出电压的升高而变化。

附图说明

图1是传统的DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路图。

图2是本发明实施例一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路的功能框图。

图3是本发明实施例一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的工作原理是：

升压转换器电路启动的时候，PWM控制信号起作用之前，V_OUT很低，因此占空比很大，电感电流快速上升，没有此电路，就可能让电流过冲，把PMOS续流开关管，作为LDO限流，电感电流的大小，DC-DC升压转换器的启动浪涌电流保护电路检测从SW到V_OUT电流，即采样通过PMOS续流开关管两端的电压，将此电压与基准电压VR比较，产生C_o信号控制PMOS续流管栅极驱动的电压，以达到限流目的。

对于输出电流的采样采用一种新颖的电流采样电路，输出电流I_O流过PMOS续流开关管，因为开关管有导通阻抗，从而采样管子两端的电压，通过电流镜结构的电压-电流转换器将其转换为采样电流，实现了较小的采样比例，适于低电压大电流应用。图二中电阻R₃、和R₄的阻值相等，电流I1和I2相等，M1和M2工作于饱和区，两个管子的栅极电位相同，因此源极电压B、C两点电压一样。M3管构成了反馈回路，使得电路对B、C的电压差值能够快速响应并稳定环路。当A电的电压降低时，C点的电压也降低，进而M3管的栅极电压变低，因此M3管流过的电流加大，电阻R₄上的压降增大，B点的电压降低，直到B点的电压和C点的电压相同。M3管的漏管电流为采样电流，流过电阻R₅产生电压V_S接到误差放大器的同相输入端。

在续流阶段。PMOS续流管导通电感放电，此时对电感电流进行采样，PMOS管的导通阻抗为R_ON，导通电阻的值由工艺和管子的尺寸决定。设电感电流为I_L，流过M3管的漏端电流为I_SENSE，可得：

I_LR_ON+I₁R₃＝I_SENSER₄+I₁R₄,

由于I1和I2相等，R₃和R₄相等，所以可得：

因此，V_S和V_R的误差信号控制MP的导通，从而控制电感电流的大小，当V_OUT电压大于V_IN时，MP管的栅极控制信号有PWM控制器决定。

实现本发明的技术思路：升压电路启动的时候，PWM控制信号起作用之前，V_OUT很低，因此占空比很大，电感电流快速上升，没有此电路，就可能让电流过冲，把PMOS续流开关管，作为LDO限流，电感电流的大小，DC-DC升压转换器的启动浪涌电流保护电路检测从SW到V_OUT电流，即采样通过PMOS续流开关管两端的电压，将此电压与基准电压VR比较，产生C_o信号控制PMOS续流管栅极驱动的电压，以达到限制输入电流目的。输出高于输入时，主开关的栅极驱动信号PH由DC-DC升压转换器的控制环路提供的DH决定。

如图2所示，本发明实施例一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路的功能框图。本发明电路包括压差采样放大模块1、误差放大器2、开关网络3、比较器4。压差采样放大模块1的两个输入端分别与SW(DC-DC升压转换器开关引脚)和V_OUT(DC-DC输出电压)相接，输出V_S接误差放大器2的同相输入端；误差放大器2的同相输入端与压差采样放大模块1的输出V_S相接，反相输入端接固定基准电平V_R，输出C₀接开关网络3；开关网络3的输入分别为误差放大器2的输出C_o，比较器4的输出信号QS和XQS，脉冲控制信号DH，输出信号为PH；比较器4的同相输入端接V_OUT，反相输入端接V_IN(DC-DC输入电压)，输出QS和XQS接开关网络3的输入端，其中QS、XQS两个的相位为反相关系，比如QS为高电平，XQS为低电平。

压差采样放大模块1其主要功能是将从开关管MP源漏端电压差进行放大，将得到的采样结果，接到误差放大器2的同相输入端；误差放大模块2其主要功能是压差采样放大模块1的输出电压V_S与误差放大器2反相输入端的固定基准电平V_R的误差进行放大，输出C₀送到开关网络3的输入端。开关网络模块3其主要功能是选择从开关管MP栅极的信号PH，选择控制信号为比较器4输出的QS和XQS，被选择的信号为误差放大器2的输出C_o和PH；比较器模块4其主要功能是，通过输入和输出电压的比较产生输出脉冲QS和XQS，控制开关网络3的选择。

如图3所示，压差采样放大模块1有两个输入端V_OUT、SW和一个输出端V_S。输入端V_OUT接外电路V_OUT，SW接DC-DC升压转换器电路的开关引脚SW，输出端V_S接下一级误差放大器2同相输入端。该电路包括R₃、R₄、MOS管M1、MOS管M2、电流源I1、电流源I2、MOS管M3、R₅和R_on。V_OUT端口通过R₃接MOS管M1的源极；MOS管M1的漏极通过电流源I1接地；MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极相连；SW端通过电阻R₄接MOS管M2的源极；MOS管M2的栅极、漏极和MOS管M1的栅极相接然后通过电流源I2接地；MOS管M3的源极接MOS管M2和电阻R₄的公共节点，MOS管M3的漏极通过电阻R₅接地，M3的栅极与M1的漏级相连，并通过电流源I1接地，在V_OUT端口和R₃之间设有B端口，在SW端和R₄之间设有A端口，R_on位于A端口和B端口之间。

如图3所示，误差放大器电路2有两个输入信号分别误差放大器同相输入端和误差放大器反相输入端，有一个输出端C_o。误差放大器EA的同相输入端与压差采样放大器1的输出端V_S相接；误差放大器2的反相输入端接外电路提供的固定基准电平V_R。误差放大器的输出C_o接下一级开关网络3。

如图3所示，开关网络3包括传输门1和传输门2。两个传输门分别有4个端口，其中1、2、3端口为输入端口，4端口为输出端口。传输门1和传输门2的输出端口相接合并输出为PH。

如图3所示，传输门1。传输门1的1输入端口接比较器4的输出端QS；传输门1的2输入端口接比较器4输出端XQS；传输门3的输入端口接误差放大器2的输出端口C₀。

如图3所示，传输门2。传输门2的1输入端口接比较器4的输出端XQS；传输门2的2输入端口接比较器4输出端Q_S；传输门2的3输入端口接外电路的DH脉冲信号。

如图3所示，比较器4包括两个输入端和两个输出端。比较器同相输入端，比较器反相输入端，同相信号输出端QS，反相信号输出端XQS。比较器同相输入端接V_OUT端，比较器反相输入端接V_IN端；同相输出端QS接开关网络电路3中传输门1的1端和传输门2的2端；反相输出端XQS接开关网络电路3中传输门1的2端和传输门2的1端。

Claims (3)

1.一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，其特征在于包括压差采样放大模块、误差放大器、开关网络和比较器；压差采样放大模块的两个输入端分别与SW和输出电压V_OUT相接，输出V_S与误差放大器的同相输入端相接；误差放大器的反相输入端连接固定基准电平V_R，输出Co连接开关网络；开关网络的输入分别为误差放大器的输出Co、比较器的输出信号QS、XQS和脉冲控制信号DH，输出信号PH连接从开关管MP的栅极；比较器的同相输入端连接输出电压V_OUT，反相输入端连接输入电压V_IN，输出QS和XQS连接开关网络的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，其特征在于所述的压差采样放大模块包括电阻R₃、R₄、R_on、R₅、MOS管M1、M2、M3、电流源I1和I2；R₃的一端与输出电压V_OUT连接，另一端与M1的源极连接，M1漏极通过电流源I1接地，栅极与M2的栅极相连；R₄的一端与SW连接，另一端与M2的源极连接，M2的漏极、栅极和M1的栅极相接并通过电流源I1接地；M3的源极接M2和电阻R₄的公共节点，漏极通过电阻R₅接地，栅极与M1的漏级相连，并通过电流源I1接地；R_on的一端接于R₃和输出电压V_OUT之间，另一端接于R₄和SW之间。

3.根据权利要求1所述的一种DC-DC升压转换器启动浪涌电流保护电路，其特征在于所述的开关网络模块包括传输门1和传输门2；两个传输门分别有4个端口，其中1、2、3端口为输入端口，4端口为输出端口；传输门1的1输入端口连接比较器的输出端QS，传输门1的2输入端口连接比较器输出端XQS，传输门3的输入端口连接误差放大器的输出端口Co；传输门2的1输入端口接比较器的输出端XQS，传输门2的2输入端口接比较器输出端QS，传输门2的3输入端口接外电路的DH脉冲信号；传输门1和传输门2的输出端口相接合并输出为PH。