CN109067166A - 一种dc/dc变换器的分段控制软启动电路 - Google Patents

一种dc/dc变换器的分段控制软启动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，包括前级软启动线路和后级软启动线路，前级软启动线路在DC/DC变换器启动时产生一个从零逐渐升高的控制电平，消除启动时的浪涌电流；当前级软启动电容充电到嵌位电压，三极管P1截至，前级软启动结束，后级软启动线路接力工作，通过由稳压源和阻容元件构成的反馈控制线路，使输出电压逐渐向正常的环路控制转换，通过调整使DC/DC变换器的输出电压到达设定值。本发明通过前级软启动线路设计、后级软启动线路设计和软启动分段控制设计技术，很好的解决DC/DC变换器启动过程的浪涌电流问题，同时避免传统的软启动电路在软启动结束时出现的启动过冲现象。

Description

一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路
技术领域
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路。
背景技术
DC/DC变换器因转换效率高、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。开关电源是将误差信号转换为占空比控制信号，以驱动开关。传统DC/DC变换器在上电过程中由于启动前负载电容上没有电荷，输出电压为0V，电路瞬间开启后，输出电压反馈到误差放大器的比较电压为一个很小的值，此时误差放大器处于非平衡状态，功率管驱动信号PWM输出占空比达到最大值。功率管开启之后，对电容充电产生一个很大的浪涌电流。此时，通过功率管的电流很大，容易损毁电路系统。因此，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一直导通，从而避免了浪涌电流与过冲电压。
传统开关电源的软启动有两种：1)通过电阻给电容充电来箝位误差放大器的输入或者输出，进而限制PWM的占空比。这种软启动电路方法比较简单，但需要的电容值较大；2)采用微控制器来控制启动过程的纯数字控制。虽然这种软启动电路能够集成到芯片内部，但是由于需要另外的微控制器控制，且需要在电源电路部分上电前就已经开始工作，对于一般用途的开关电源，此类软启动电路过于复杂，成本太高。
图1为传统的RC充电软启动线路，由二极管D、电阻R1、电容C1构成的软启动线路可抑制DC/DC变换器的启动浪涌电流。DC/DC变换器刚上电时，电容C1上的电压为零，加在UC1843PWM控制器补偿端口(①脚)的电压也为零，PWM控制器输出端(⑥脚)输出低电平。随着+5V基准电压通过R1对C1充电，①脚的电压逐渐升高，⑥脚输出PWM脉冲的占空比在刚开机阶段受到限制。当C1被充电到一定电压后，二极管D截至，软启动结束。此方法理论上比较简单，然而，为了实现较长的软启动时间，需要一个大电容来产生平缓上升的斜坡电压。但是大电容不易集成，再者，这种方法在软启动结束之后的切换过程中线性度很差，电感电流与输出电压还会出现过冲现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，通过前级软启动线路设计、后级软启动线路设计和软启动分段控制设计技术，很好的解决DC/DC变换器启动过程的浪涌电流问题，同时避免传统的软启动电路在软启动结束时出现的启动过冲现象。
本发明采用以下技术方案：
一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，包括前级软启动线路和后级软启动线路，前级软启动线路在DC/DC变换器启动时产生一个从零逐渐升高的控制电平，消除启动时的浪涌电流；当前级软启动电容充电到嵌位电压，三极管P1截至，前级软启动结束，后级软启动线路接力工作，通过由稳压源和阻容元件构成的反馈控制线路，使输出电压逐渐向正常的环路控制转换，通过调整使DC/DC变换器的输出电压到达设定值。
具体的，前级软启动线路包括端口001和端口002，端口001的一端连接电压源，另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1上反向并联有二极管D1，电阻R1的另一端分别与电容C1和三极管P1的基极连接，三极管P1的发射极分两路，分别与端口002和电容C2的一端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端与三极管P1的集电极共地。
进一步的，前级软启动线路的软启时间ts1计算如下：
其中，V001为001处端口电压，R1为前级软启动电阻，C1为前级软启动电容。
进一步的，DC/DC变换器上电时，电容C1的电压为零，端口001电压源通过电阻R1对电容C1充电，端口002电压升高，PWM控制器补偿端口的电压升高，实现前级软启动；当电容C1被充电到嵌位电压后，三极管P1截至，前级软启动结束，DC/DC断电后，电容C1通过二极管D1放电。
具体的，后级软启动线路包括端口003，端口003一端与TL431稳压源的阴极K连接，另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分两路，一路依次经电阻R3和电容C3后接输出地，另一路经电阻R2接输出地。
进一步的，电容C3通过电阻R3充电，电容C3两端的电压逐渐升高，稳压源控制输出电压逐渐升高，抑制启动过冲；电容C3两端的输出电压升高到VO-IdR4-1.4，二极管D2截至，后级软启动过程结束；断电后，电容C3通过电阻R3、R2放电。
具体的，DC/DC变换器的输出电压VO计算如下：
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
DC/DC变换器启动阶段，误差放大器处于非平衡状态，使得环路处于接近于100％占空比工作，因此会引起很大的启动浪涌电流，这个电流将损坏开关管或其它器件。本发明采用前级软启和后级软启分段控制的方式，避免电源启动时出现较大浪涌电流和启动过冲的问题。
进一步的，在前级软启动线路中，R1为充电电阻，C1为软启动电容，D1为放电二极管，P1为控制用三极管。
进一步的，前级软启动可以很方便的实现前级软启动设计，抑制启动浪涌电流。
进一步的，在后级软启动线路中，R3为充电电阻，C3为软启动电容，R2为放电电阻，D2为截至二极管。
进一步的，后级软启动可以很方便的实现后级软启动设计，抑制输出电压过冲。
综上所述，本发明通过前级软启动线路设计、后级软启动线路设计和软启动分段控制设计技术，很好的解决DC/DC变换器启动过程的浪涌电流问题，同时避免传统的软启动电路在软启动结束时出现的启动过冲现象。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为RC软启动线路图；
图2为启动输入浪涌电流示意图；
图3为启动电压波形示意图；
图4为本发明前级软启线路图；
图5为本发明后级软启线路图。
具体实施方式
本发明提供了一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，利用DC/DC变换器前级软启线路和后级软启线路的分段控制，很好的抑制了启动过程中出现的浪涌电流，同时避免了传统的前级软启动电路在软启动结束时出现的启动过冲现象。
本发明一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，在DC/DC变换器刚开始启动时，前级软启动线路产生一个从零逐渐升高的控制电平，限制占空比，消除启动时的浪涌电流；当前级软启动结束时，后级软启动线路接力工作，通过由TL431和阻容元件构成的反馈控制线路，使输出电压逐渐向正常的环路控制转换，通过一定时间(上百个开关周期)的调整，输出电压平稳的到达设定值，避免了启动过冲，输出电压VO计算公式如下：
请参阅图4，端口001为电压源供电端，端口002接至UC1843PWM控制器的补偿端口(1脚)。电阻R1一端接到端口001，另一端串接电容C1，连接到PNP三极管P1的基极。二极管D1反相并联在电阻R1两端。电容C1另一端接输入地。PNP三极管P1的发射极接端口002，集电极接输入地。电容C2并接在PNP三极管P的发射极和集电极之间。
前级软启时间ts1可由下式计算：
其中，V001为001处端口电压，R1为前级软启动电阻，C1为前级软启动电容；
请参阅图5，003端口接至TL431的K端。二极管D2的阳极接端口003，二极管D2的阴极接电阻R2、R3；电阻R3串接电容C3，电容C3另一端接输出地；电阻R2并接在电阻R3和电容C3的两端。
后级软启动线路中电容C3两端的输出电压升高到VO-IdR4-1.4，经2ms后结束
以型号LFL2805S-2DC/DC变换器为例，该DC/DC变换器输入电压范围为16V～140V，输出功率为50W，输出电压5V，输出电流10A。对该产品的启动浪涌电流和启动过冲进行测试，一致性好，随输入电压及温度的变化量小，5V输出的启动浪涌电流和启动过冲测试波形见图2～图3：
请参阅图2，CH1：输入电流波形；CH2：输入电压波形，从图2波形中可以看出，当输入电压缓慢上升到电源模块欠压保护点(15V)以上，LFL2805S-2DC/DC变换器电路延迟一段时间后开始启动，此时输入电压较高，电路在非正常工作区间的工作时间缩短，同时电路在较高的电压工作区间，有足够的能量使得电路启动，因此，有效的减小了浪涌电流。同时增加的前级软启动线路，有效的减缓了电路的启动速率，降低了浪涌电流。
请参阅图3，CH1：输入电压波形；CH2：输出电压波形，在输入电压快速上升过程中，LFL2805S-2DC/DC变换器电路延迟一段时间后开始启动，输出电压平稳建立，未出现启动过冲，效果良好。该线路已在多个军用DC/DC变换器模块中使用。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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4前级软启电路中DC/DC变换器刚上电时，电容C1上的电压为零，随着001端口电压源通过R1对C1充电，002端口的电压逐渐升高，使加在UC1843PWM控制器补偿端口(1脚)的电压也逐渐升高，从而在启动过程中UC1843PWM控制器输出端(6脚)的PWM脉冲的占空比受到限制，电源启动过程中的浪涌电流被抑制，实现了软启动的功能。当C1被充电到嵌位电压，约2.3V后，三极管截至，软启动结束。DC/DC断电后,电容C1上的电压通过二极管D1快速放电，为下次软启动做好准备。
基于TL431的输出电压启动过冲限制线路如图5所示。开始时由于电容C3未充电，给控制放大器TL431的输出端的电压接近0V。随着C3通过R3充电，C3两端电压逐渐升高，TL431控制输出电压也会跟随升高，抑制启动过冲；电容C3两端的输出电压升高到VO-IdR4-1.4，二极管D2截至，软启动过程结束。断电后，电容C3通过R2放电。
选择合适的R3、C3，R2即可限制输出电压启动过冲，R3、C3构成的充电回路的时间常数要比前级软启的充电回路时间常数大一个数量级；R2为放电电阻，只要保证DC/DC变换器在两次启动间隔时间内能够使C3上的电压充分放电即可，可适当取大一些，减小损耗。一般情况下，R3取300Ω～1.0kΩ、C3取0.47μF～1.0μF，R2为100kΩ。
应注意，C3过大会导致过阻尼。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，包括前级软启动线路和后级软启动线路，前级软启动线路在DC/DC变换器启动时产生一个从零逐渐升高的控制电平，消除启动时的浪涌电流；当前级软启动电容充电到嵌位电压，三极管P1截至，前级软启动结束，后级软启动线路接力工作，通过由稳压源和阻容元件构成的反馈控制线路，使输出电压逐渐向正常的环路控制转换，通过调整使DC/DC变换器的输出电压到达设定值。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，前级软启动线路包括端口001和端口002，端口001的一端连接电压源，另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1上反向并联有二极管D1，电阻R1的另一端分别与电容C1和三极管P1的基极连接，三极管P1的发射极分两路，分别与端口002和电容C2的一端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端与三极管P1的集电极共地。
3.根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，前级软启动线路的软启时间ts1计算如下：
其中，V001为001处端口电压，R1为前级软启动电阻，C1为前级软启动电容。
4.根据权利要求3所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，DC/DC变换器上电时，电容C1的电压为零，端口001电压源通过电阻R1对电容C1充电，端口002电压升高，PWM控制器补偿端口的电压升高，实现前级软启动；当电容C1被充电到嵌位电压后，三极管P1截至，前级软启动结束，DC/DC断电后，电容C1通过二极管D1放电。
5.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，后级软启动线路包括端口003，端口003一端与TL431稳压源的阴极K连接，另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分两路，一路依次经电阻R3和电容C3后接输出地，另一路经电阻R2接输出地。
6.根据权利要求5所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，电容C3通过电阻R3充电，电容C3两端的电压逐渐升高，稳压源控制输出电压逐渐升高，抑制启动过冲；电容C3两端的输出电压升高到VO-IdR4-1.4，二极管D2截至，后级软启动过程结束；断电后，电容C3通过电阻R3、R2放电。
7.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的分段控制软启动电路，其特征在于，DC/DC变换器的输出电压VO计算如下：
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