CN108258895A - 软启动电路以及电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种软启动电路以及电源系统，软启动电路连接包括误差放大器的电源电路，其中，软启动电路包括比较器以及与比较器连接的放电模块，比较器的第一输入端与误差放大器的输出端连接，比较器的第二输入端与第一基准电压连接，比较器用于根据误差放大器的输出电压与第一基准电压的比较结果输出放电信号至放电模块，放电模块用于根据放电信号控制误差放大器放电；第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得误差放大器的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而可以使得电源电路输出的电流值或电压值的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升。

Description

软启动电路以及电源系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种软启动电路以及电源系统。
背景技术
伴随着便携式设备的广泛应用，开关电源由于具有小型、轻量和高效率的特点而被广泛应用。
开关电源例如Boost电源电路，一般包括升压电路以及反馈回路。
升压电路包括输入端、功率管、电感、电容、稳压管、PWM控制器等，输入端连接电感，电感与电流串联，电感与电流之间通过功率管接地。功率管的开通与关断通过PWM信号控制，功率管开通时，电感通过功率管接地，输入端为电感充能；功率管关断时，电感为电容充能；稳压管用于在功率管开通时保证电容不会通过功率管接地。
反馈回路一般包括误差放大器EA、PWM比较器，误差放大器EA用于比较输出端的输出电压值以及第二基准电压，误差放大器EA的输出端与PWM比较器的输入端连接，PWM比较器的另一个输入端输入电感电流的采样信号对应的电压值，使得电感电流的峰值与误差放大器EA的输出电压值成正比，PWM比较器的输出影响PWM信号的占空比，从而影响功率管的关断或开通状态。
但是，在上述电源电路启动阶段，由于电源电路还不稳定，极容易出现电流过冲或电压过冲的现象，由此引入了软启动电路，软启动电路通过负反馈原理对电源电路中的电压或电流进行调整，使其不会产生过冲现象。
虽然通过软启动电路可以防止电感电流或输出电压过冲，但是在开关电源的启动阶段，例如：刚开始启动时，输出端的电压太小，使得PWM信号的占空比较大，导致功率管的电流峰值较大，进一步导致电感为电容充能较多，进而导致输出电流或者输出电压突增，会损坏晶体管等器件。
发明内容
本发明的实施例提供了一种软启动电路以及电源系统，以克服上述的电源电路中输出电流或者输出电压突增的问题。
一方面，为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种软启动电路，所述软启动电路连接包括误差放大器的电源电路，其中，所述软启动电路包括比较器以及与所述比较器连接的放电模块，所述比较器的第一输入端与所述误差放大器的输出端连接，所述比较器的第二输入端与第一基准电压连接，所述比较器用于根据所述误差放大器的输出电压与所述第一基准电压的比较结果输出放电信号至所述放电模块，所述放电模块用于根据所述放电信号控制所述误差放大器放电；所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述误差放大器的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升。
另一方面，为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种软启动电路，所述软启动电路连接电源电路，所述电源电路包括功率管和控制模块，其中，所述软启动电路包括采样电路以及与所述采样电路连接的运算放大器，所述采样电路用于根据所述功率管的电流输出采样电压，所述运算放大器的第一输入端与所述采样电压连接，所述运算放大器的第二输入端与第一基准电压连接，所述运算放大器用于根据所述采样电压与所述第一基准电压的电压差输出控制信号至所述控制模块，以使所述控制模块根据所述控制信号控制所述功率管关断；所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述功率管的电流的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升。
另一方面，为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种电源系统，其包括如上所述的软启动电路以及与所述软启动电路连接的电源电路。
综上，本发明提供的一种软启动电路以及电源系统，其中，所述软启动电路包括比较器以及与所述比较器连接的放电模块，所述比较器的第一输入端与所述误差放大器的输出端连接，所述比较器的第二输入端与第一基准电压连接，所述比较器用于根据所述误差放大器的输出电压与所述第一基准电压的比较结果输出放电信号至所述放电模块，所述放电模块用于根据所述放电信号控制所述误差放大器放电；所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述误差放大器的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而可以使得电源电路输出的电流值或电压值的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，从而避免电感电流或输出电压突增的情况，此外，通过上述软启动电路，还可以使得电源电路的输出电压平滑地上升，进一步改善了电源电路的输出特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为图1为现有的一种电源系统的电路结构示意图；
图2为图1的示出的电路图中电感电流的时序图；
图3为本申请提供的一种电源系统的电路结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种电源系统的电路结构示意图；
图5为一种Boost开关电源的电路结构示意图；
图6为本实施例提供的另一种电源系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为现有的一种电源系统的电路结构示意图，电源系统包括软启动电路11与电源电路，软启动电路11与电源电路连接。
图1中示出的电路包括电源电路的升压电路，升压电路包括电感L、功率管、稳压管、电容C1、控制模块。
其中，电感L的一端作为开关电源的输入端VIN，电感L的另一端通过稳压管与电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电容C1与电感L连接的一端作为开关电源的输出端VOUT，输出端VOUT连接负载；功率管的栅极与电感L的另一端连接，功率管的源极与控制模块连接，功率管的漏极接地。
控制模块用于输出驱动信号，驱动信号控制功率管的开通或关断状态，当功率管处于开通状态时通过输入端VIN为电感L充电，稳压管用于在功率管开通时保证电容C1不会通过功率管接地，当功率管处于关断状态时，输入端VIN不再为电感L充电，由于电感电流不能突变，电感L为电容C1充电，以形成升压输出。
图1中示出的软启动电路11包括：采样电路、与采样电路连接的比较器CMP，采样电路与电源电路中的功率管连接，用于采集功率管的电流，并转换为采样电压，采样电压具体可以为VDS＝f(Rds.on*IL)，其中，Rds.on为功率管的开态电阻，IL为采样电流，f(x)为转换函数。
比较器的反相输入端连接采样电压，比较器的正相输入端输入第一基准电压，比较器根据采样电压以及第一基准电压的比较结果输出控制信号ilimit。
控制信号ilimit输出至上述控制模块，使得控制模块可以根据控制信号控制功率管的截止，以控制功率管的电流对应的采样电压小于第一基准电压。
图2为图1的示出的电路图中电感电流的时序图，如图2所示，在电源启动时，电感电流IL会先增长直至发生过冲震荡，再下降至稳定波形，通过软启动电路可以尽量限制过冲震荡的峰值。
根据图2可知，图1的电源系统中的软启动电路虽然可以尽量避免电源电路的输出电流或者电压过冲，但是会存在输出电流或输出电压突增的情况，例如电路刚刚启动时，由于PWM控制信号的占空比较大导致的电感电流峰值较大，进而导致输出电流或输出电压突增，而输出电流或者输出电压突增仍可能会导致晶体管等器件损坏。
有鉴于此，本实施例提供一种软启动电路，以避免上述的电源电路中输出电流或者输出电压突增的情况。
图3为本申请提供的一种电源系统的电路结构示意图，电源系统中包括软启动电路31以及电源电路32。
本实施例中，电源电路与现有的电源电路并无区别点，本实施例在此不再赘述。
本实施例中所述软启动电路连接包括误差放大器EA的电源电路，如图3所示，软启动电路包括：比较器以及连接所述比较器的放电模块。
所述比较器的第一输入端与所述误差放大器EA的输出端连接，所述比较器的第二输入端与第一基准电压连接，所述比较器用于根据所述误差放大器EA的输出电压与所述第一基准电压的比较结果输出放电信号至所述放电模块，所述放电模块用于根据所述放电信号控制所述误差放大器EA放电；
本实施例中，比较器可以为基于MOS管的比较器，也可以为基于晶体管的比较器，只要能够根据误差放大器EA的输出电压与所述第一基准电压的比较结果输出放电信号即可，本实施例在此不进行限定。
本实施例中，放电模块用于根据放电信号控制误差放大器EA放电，放电模块可以根据放电信号确定是否工作，当放电模块工作时，放电模块控制误差放大器EA放电，当放电模块不工作时，放电模块不对误差放大器EA产生影响，使误差放大器EA正常工作。
通过设置比较器以及放电模块，可以通过第一基准电压控制误差放大器EA的输出电压的峰值。
例如，当误差放大器EA的输出电压大于第一基准电压时，比较器输出的放电信号可以使得放电模块开始工作，控制误差比较器放电；当误差比较器的输出电压小于或等于第一基准电压时，比较器输出的放电信号可以使得放电模块不工作，进而使得误差放大器EA正常工作。综上，通过放电模块根据放电信号控制误差放大器EA放电，使得误差放大器EA的输出电压峰值为第一基准电压的电压值。
所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述误差放大器EA的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而可以使得电源电路输出的电流值或电压值的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，只要适当地调整成阶梯状上升的第一基准电压的电压值，就可以方便地限定输出电压或输出电流的峰值，从而避免输出电流或输出电压突增的情况，此外，还可以通过上述软启动电路限定输出电压或输出电流的峰值，使得电源电路的输出电压平滑地上升，进一步改善了电源电路的输出特性。
图4为本申请实施例提供的一种电源系统的电路结构示意图，电源系统包括软启动电路31以及电源电路32，如图4所示，软启动电路的比较器与电源电路的误差放大器EA连接。
误差放大器EA的正相输入端连接第二基准电压VREF，误差放大器EA的反相输入端连接反馈电压FB，误差放大器EA的输出端与补偿电容Cc的一端连接，补偿电容Cc的另一端接地，以通过补偿电容Cc防止误差放大器EA的输出端电压突变。
本实施例中，比较器311包括差分输入对管、与差分输入对管连接的电流镜单元。
所述差分输入对管用于提供所述比较器的第一输入端以及第二输入端，如图4所示，差分输入对管具体可以为PMOS管PM1以及PM2，PM1与PM2的漏极与供电电压连接，PM1的栅极为比较器的第一输入端(图4示出的比较器的正相输入端)，与误差放大器EA的输出端连接，PM2的栅极为比较器的第二输入端(图4示出的比较器的反相输入端)与第一基准电压VREFQD连接。
所述电流镜单用于为所述比较器提供有源负载。具体地，电流镜单元包括NMOS管NM1以及NM2，NM1的栅极以及漏极与PM1的源极连接，NM2的漏极与PM2的源极连接，NM2的栅极与NM1的栅极连接，NM1与NM2的源极接地。
当然，上述仅仅对比较器的结构进行了举例说明，并不作为本申请的限定。
本实施例中，所述放电模块312包括第一开关支路以及与第一开关支路连接的第二开关支路。
所述第一开关支路用于根据所述放电信号生成第一电流，所述第二开关支路用于根据所述第一开关支路的第一电流确定第二电流，以通过所述第二电流控制所述误差放大器EA放电。
具体地，第一开关支路和第二开关支路由NMOS管组成。
所述第一开关支路包括NMOS管NM3，NM3的源极接地，NM3栅极和漏极均与所述比较器的输出端连接。
所述第二开关支路包括NMOS管NM4，NM4的源极接地，NM4的栅极与NM3的栅极连接，NM4的漏极与所述误差放大器EA的输出端连接。
放电信号VL1的电压值等与或大于NM3导通电压的电压值时，NM3以及NM4导通,NM3生成第一电流，NM4复制NM3的第一电流从而确定第二电流，第二电流生成后，使得误差放大器EA的输出端通过NM4接地，并通过流经NM4的第二电流控制误差放大器EA的输出端放电。
放电信号VL1的电压值小于NM3导通电压的电压值时，NM3以及NM4截止，NM3、NM4上不存在电流，误差放大器EA的输出端不通过NM4接地，使得NM4对误差放大器EA不产生作用，进而使得误差放大器EA正常工作。
此外，本实施例中，可以在设置时使得第一电流与第二电流的电流值之比为1：n，其中n大于1。通过增加第二电流的电流值，可以增加NM4的驱动能力，使得其的驱动能力大于误差放大器EA的驱动能力，即通过NM4控制误差放大器EA放电的速度大于误差放大器EA增加电压的速度，从而更好地对误差放大器EA放电。
例如，可以在具体实现时NM3以及NM4均可由多个NMOS管代替，多个的NMOS管的参数相同，其中代替NM3的多个NMOS管的数量与代替NM4的多个NMOS管的数量之比为1：n，其中n大于1。
本实施例中，软启动电路还包括：基准电压电路313，用于生成所述第一基准电压VREFQD。基准电压电路313具体可以包括计数器以及振荡器，计数器用于控制第一基准电压VREFQD的每个阶梯持续的时长，振荡器用于根据计数器的输出提高第一基准电压的电压值，从而生成电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升的第一基准电压VREFQD，第一基准电压VREFQD各个阶梯的电压值可以为如图4所示的VREFQD1、VREFQD2...VREFQDn。
当然，本实施例中，也可以通过其他的基准电压电路生成第一基准电压，本实施例在此不进行限定。
图5为一种Boost开关电源的电路结构示意图，如图5所示，Boost开关电源包括：升压电路以及反馈回路。
升压电路的具体结构与上述图1示出的升压电路类似，在此不再赘述。
本实施例中，反馈回路包括采样电路、误差放大器EA、PWM比较器、误差放大器EA、PWM比较器。
采样电路用于对开关电源的输出端进行采样并输出至误差放大器EA。具体地，采样电路包括分压电阻R1以及分压电阻R2串联成的分压电路，分压电路的一端与输出端VOUT连接，另一端接地，用于对输出电压进行采样；分压电阻R1、分压电阻R2之间的反馈电压FB输入误差放大器EA的反相输入端。
误差放大器EA的正向输入端输入第二基准电压Vref，误差放大器EA用于放大分压电压VFB以及第二基准电压Vref之间的差值。
PWM比较器的反相输入端与误差放大器EA的输出电压COMP连接，PWM比较器的正向输入端连接电感电流的采样电压以及电感电流的斜坡，通过在PWM比较器的正向输入端增加电感电流的斜坡，可以避免在电源电路中增加斜坡分量，从而简化了电源电路的结构。
PWM比较器的输出端与控制模块连接，所述控制模块根据所述PWM比较器的输出端输出的信号控制功率管的开通或关断，以形成反馈回路。
由于PWM比较器的存在，使得误差放大器EA的输出电压COMP的电压值与电感的电流峰值成正比。
误差放大器EA的输出端连接图4示出的软启动电路，软启动电路的具体结构不再赘述。
连接图4示出的软启动电路后，可以通过软启动电路控制误差放大器EA的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而通过上述PWM比较器使得电感的电流峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而使得在刚开始启动时，可以限定一个较小的第一基准电压，使得电感电流不会过大，从而避免在开始启动时输出电流或者输出电压突增，同时通过上述软启动电路，还可以使得电源电路的输出电压平滑地上升，进一步改善了电源电路的输出特性。
当然，本申请提供的软启动电路不仅可以用于图5提供的Boost开关电源，还可以用于其他形式的电源，如buck开关电源等，本实施例对此不进行限定。
图6为本实施例提供的另一种电源系统的结构示意图，电源系统包括软启动电路41以及电源电路。
本实施例中，电源电路的结构与图1中电源电路的结构相同，本实施例在此不再赘述。
软启动电路41连接电源电路，所述电源电路包括功率管和控制模块，如图6所示，所述软启动电路包括采样电路以及与所述采样电路连接的运算放大器。
所述采样电路用于根据电源电路的功率管的电流输出采样电压。
本实施例中，采样电路具体可以对功率管的漏源电压进行采样，并根据其输出采样电压，具体的采样原理与上述图1中的采样原理相同，本实施例在此不再赘述。
本实施例中，所述运算放大器的第一输入端与所述采样电压连接，所述运算放大器的第二输入端与第一基准电压连接，所述运算放大器根据所述采样电压与所述第一基准电压的电压差输出控制信号至所述电源电路的控制模块，以使所述控制模块根据所述控制信号控制所述功率管关断。
本实施例中，运算放大器可以包括为基于MOS管的运算放大器，也可以为基于晶体管的运算放大器，只要能够根据所述采样电压与所述第一基准电压的电压差输出控制信号，本实施例在此不进行限定。
本实施例中，通过设置采样电路以及运算放大器，即可通过运算放大器输出控制信号至控制模块，控制功率管的关断。
例如，当采样电压的电压值大于第一基准电压的电压值时，运算放大器输出的控制信号可以为低电平，从而通过控制信号控制功率管关断，使得功率管的电流不再增加；当采样电压的电压值小于第一基准电压的电压值时，运算放大器输出的控制信号可以为高电平，控制模块不受运算放大器输出的控制信号的影响，使得功率管的开通或关断不受运算放大器输出的控制信号的影响。
由上所述，本实施例中，可以通过设置采样电路以及运算放大器控制功率管的电流峰值与第一基准电压的电压值相对应。
所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述功率管的电流的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，进而可以使得电源电路输出的电流值或电压值的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，从而避免输出电流或输出电压突增的情况，此外，通过上述软启动电路，还可以通过控制第一基准电压上升的电压值较小，使得电源电路的输出电压平滑地上升，进一步改善了电源电路的输出特性。
进一步地，本实施例中，当功率管处于关断状态时，流经功率管的电流值为0或极小，因此本实施例中，所述采样模块采集的所述功率管的电流为所述功率管处于开通状态时的电流。
本实施例中，软启动电路还可以包括基准电压电路，用于生成所述第一基准电压。基准电压电路的结构与上述类似，在此不再赘述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独处理，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种软启动电路，所述软启动电路连接包括误差放大器的电源电路，其特征在于，
所述软启动电路包括比较器以及与所述比较器连接的放电模块，所述比较器的第一输入端与所述误差放大器的输出端连接，所述比较器的第二输入端与第一基准电压连接，所述比较器用于根据所述误差放大器的输出电压与所述第一基准电压的比较结果输出放电信号至所述放电模块，所述放电模块用于根据所述放电信号控制所述误差放大器放电；
所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述误差放大器的输出电压的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述放电模块包括第一开关支路以及与第一开关支路连接的第二开关支路，
所述第一开关支路用于根据所述放电信号生成第一电流；
所述第二开关支路用于根据所述第一电流确定第二电流，以通过所述第二电流控制所述误差放大器放电。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述第一开关支路包括第一MOS管，所述第一MOS管的源极接地，所述第一MOS管的栅极和漏极均与所述比较器的输出端连接；
所述第二开关支路包括第二MOS管，所述第二MOS管的源极接地，所述第二MOS管的栅极与第一MOS管的栅极连接，所述第二MOS管的漏极与所述误差放大器的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，流经所述第一MOS管的电流与流经所述第二MOS管的电流的电流值之比为1：n，其中，n大于1。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，当所述误差放大器的输出端输出的电压值大于所述第一基准电压的电压值时，所述比较器输出的放电电压使得所述第一开关支路生成电流，以使得所述第二开关支路通过复制的电流控制所述误差放大器放电。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：第一基准电压电路，用于生成所述第一基准电压。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述比较器包括：差分输入对管、电流镜单元，
所述差分输入对管用于提供所述比较器的第一输入端以及第二输入端；
所述电流镜单元用于为所述比较器提供有源负载。
8.一种软启动电路，所述软启动电路连接电源电路，所述电源电路包括功率管和控制模块，其特征在于，
所述软启动电路包括采样电路以及与所述采样电路连接的运算放大器，所述采样电路用于根据所述功率管的电流输出采样电压，所述运算放大器的第一输入端与所述采样电压连接，所述运算放大器的第二输入端与第一基准电压连接，所述运算放大器用于根据所述采样电压与所述第一基准电压的电压差输出控制信号至所述控制模块，以使所述控制模块根据所述控制信号控制所述功率管关断；
所述第一基准电压的电压值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升，使得所述功率管的电流的峰值随着时间的增加从小到大成阶梯状上升。
9.一种电源系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的软启动电路以及与所述软启动电路连接的电源电路。
10.一种电源系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的软启动电路以及与所述软启动电路连接的电源电路。
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