CN109889029A - 一种用于开关电源的软启动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于开关电源的软启动电路，其特征在于：该电路结构简单、稳定性强、易于集成、功耗较低，不仅能有效地抑制DC‑DC开关电源在启动时产生的浪涌电流，而且能避免电压过冲现象，保证输出电流上升的稳定性和可靠性。该电路采用0.5μm CMOS工艺进行设计，已成功集成到一款升压式DC‑DC开关电源芯片内。测试结果表明，在输入电压为3.6V，输出电流为100mA的工作状态下，输出电流分四段台阶平稳上升、无电压过冲现象，启动时间控制在140μs以内。

Description

一种用于开关电源的软启动电路

技术领域

本发明涉及一种用于开关电源软启动电路技术领域，属于开关电源技术领域。

背景技术

目前，随着各种便携式设备被广泛应用，有着输出电流大、转换效率高、静态电流低等优点的 DC-DC(直流/直流)开关电源也得到迅速发展。由于电路中有输出滤波电容，传统的 DC-DC 开关电源在电容充电时很容易产生浪涌电流，从而使通过功率管的电流过大，损毁整个电路系统。为了避免启动过程中产生大的浪涌电流，需要对电流进行一定的限制，于是可在开关电源芯片中加入不同的软启动电路。

如今，开关电源中主要应用的软启动电路有以下两类：一类是运用电阻和电容，由于电容在充电时电压成指数上升，可有效控制输出电压的上升过程，但是这类软启动电路必须加入恒流电流和外部电容用于充电，而且所需电容值较大，不容易集成；另一类是基于数字 DAC 控制的集成式 CMOS软启动电路，它通过数字 DAC 控制软启动输出电流以实现内部集成，但因为软启动电压是直接加在反馈电阻上，对反馈电阻会有一定的限制作用，因此不适合用于变化较大的反馈电阻。为了避免上述缺点，本论文设计了一款不同的软启动电路，该电路不但启动时间短、结构简单、稳定性强，而且功耗低、易于在片内集成，并已成功集成到一款高性能的 DC-DC 开关电源芯片内。

传统的软启动电路工作过程为：系统刚上电时，电容上的电压为0，此时电流源对电容C进行充电，误差放大器输出端口信号被钳制在低电位，使电感电流和开关的占空比受到限制。随着电容的逐渐上升也逐渐升高，电感电流和开关的占空比也逐渐增大至设定值，即软启动结束。为了使启动过程非常缓慢，需要很大的电容或者极小的充电电流。考虑到工艺等因素，较大的电容很难在片内实现，充电电流也很难做到非常小，外接电容就增加了外围电路的复杂度,且成本也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于开关电源的软启动电路，该电路结构简单、稳定性强、易于集成、功耗较低，不仅能有效地抑制DC-DC开关电源在启动时产生的浪涌电流，而且能避免电压过冲现象，保证输出电流上升的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种用于开关电源的软启动电路，其特征在于：所述的软启动电路模块，其内部包括电流偏置模块、电阻分压模块、开关控制模块、延时控制模块。

所述电流偏置模块为整个软启动提供偏置电流。

所述电阻分压模块为输出电压提供偏置。

所述开关控制模块控制电阻大小。

所述延时控制模块控制电路开启和关断时间，使控制模块能控制电流偏置电路和延时控制电路。

所述滤波整流单元用全桥式整流电路，用4个二极管，4个滤波电容。

所述滤波电容一般用聚酯薄膜电容，差模电容大小通常为0.01~0.1uF。选取的电容值很小，因为只有这样才不会导致产生冲击电流，比较安全。

所述输出整流元件通常选择超快恢复二极管或肖特基二极管。超快恢复二极管正向导通压降是0.8-1.1V，反向恢复时间是40-90ns。

所述PWM控制器包括振荡器、触发器、脉宽调制比较器。

所述开关电源包括主电路和控制电路。

所述主电路包括储能电感 L、功率开关管NM1和 NM2、输出滤波单元C和二极管、电阻和LED管。

所述控制电路由带频率补偿的误差放大器、PWM 调制器、过压保护单元、振荡器和斜坡补偿电路、控制逻辑与驱动单元、电阻反馈网络、过流保护单元等组成。

所述触发器需要建造一个相当于有放大功能的电路来驱动4个场效应管同时工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明提供一种用于开关电源的软启动电路，该电路结构简单、稳定性强、易于集成、功耗较低，不仅能有效地抑制DC-DC开关电源在启动时产生的浪涌电流，而且能避免电压过冲现象，保证输出电流上升的稳定性和可靠性。

（2）相比传统软启动电路，本发明电路采用0.5μm CMOS工艺进行设计，已成功集成到一款升压式DC-DC开关电源芯片内。在输入电压为 3.6 V，输出电流为 100 mA 的工作状态下，输出电流分四段台阶平稳上升、无电压过冲现象，启动时间控制在140μs以内。

附图说明

图1是本发明的理想的升压型电流模式PWM DC-DC开关电源原理图；

图2是本发明的软启动电路模块示意图；

图3是本发明的延时模块电路示意图；

图4是本发明的软启动电路理性波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图2为本发明所设计的软启动电路模块图，其内部的电流偏置模块为整个软启动提供偏置电流，电阻分压模块为输出电压提供偏置，开关控制模块控制电阻大小，延时控制模块控制电路开启和关断时间，使控制模块能控制电流偏置电路和延时控制电路。

所述开关电源包括主电路和控制电路。

所述主电路包括储能电感 L、功率开关管NM1和NM2、输出滤波单元C和二极管、电阻和LED管。

所述控制电路由带频率补偿的误差放大器、PWM调制器、过压保护单元、振荡器和斜坡补偿电路、控制逻辑与驱动单元、电阻反馈网络、过流保护单元等组成。

所述的电阻反馈网络，其特征在于：所述电阻反馈网络将反馈信号采样到误差放大器的反相输入端，然后误差放大器将反馈电压信号与基准电压比较后输出直流信号，脉宽调制比较器 PWM再将与 进行比较，以调节输出脉冲占空比D，达到控制输出电压的效果。其中为检测到的反馈电阻网络电流值转换而成的电压值，为与斜坡补偿信号进行叠加而成的信号。

该软启动电路的工作步骤如下：

（1）图3是本发明的延时模块电路示意图。首先，使能控制端输出EN信号为低电平，第一延时模块的复位电位Rset也为高电平，第一延时模块的输出端 Out0 输出也为高电平，同理第二、第三、第四延时模块输出都为高电平，NM1、NM2、NM3、NM4管都导通并且工作在深线性区，R2、R3、R4、R5被短路，此时输出端电压值最小。然后，使能控制端输出EN信号继续保持为低电平，复位电位Rset由高电平突变为低电平。第一延时模块的输出端Out0输出也为低电平，此时NM1管关断，经过第一延时模块延时T,上升至：

（2）接着，第一延时模块的输出端Out0低电平作为第二延时模块的复位信号输入，再经过第二延时模块延时T ，第二延时模块输出低电平, NM2管关断，上升至:

（3）然后经过第三延时模块延时T，第三延时模块输出低电平，将NM3管关断，上升至:

（4）最后，经过第四个延时模块延时T ，Out3输出低电平，NM4管关断，上升至：

如此，分四个台阶逐步上升。 在输出电压达到其预设值之后，软启动电路工作已经完成,整个过程十分平稳并最终保持在预设值。

由软启动电路图可以看出，上一级的延时模块输出端信号作为下一级延时模块的复位信号。软启动电路内部的每一个延时模块具体电路如图，由输入信号 EN和Rset共同控制电路的工作状态。例如，当EN、Rset都为低电平时，OR1输出也为低电平，此时NM9管关断，VDD通过PM9管对电容进行充电使电压逐渐升高，NM11管导通，PM12的栅极电压被拉低，PM12管也导通，其漏端电压升高最后经过反相器INV2在Out端输出低电平；而当 EN 为低电平、Rset为高电平时，OR1输出高电平，此时NM13管导通，其漏端电压被拉至低电平，经过INV2之后在Out端输出高电平；以此类推，可以得到，EN、Rset 的电平变化与对应的输出端电平Out对应逻辑关系。

通过使能控制模块逐步调整4个延时模块的工作状态，使得输出电压分四个台阶逐步平稳地抬高至所需电压值，从而使电流缓慢上升到驱动 LED 所需电流值。图4是本发明的软启动电路理性波形示意图。

最后应当说明的是：以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于开关电源的软启动电路，其特征在于：所述软启动电路存在于开关电源中，还包括主电路和控制电路，该电路采用0.5μm CMOS工艺进行设计，已成功集成到一款升压式DC-DC开关电源芯片内，测试结果表明，在输入电压为3.6 V，输出电流为100mA的工作状态下，输出电流分四段台阶平稳上升、无电压过冲现象，启动时间控制在140μs以内，该电路不但启动时间短、结构简单、稳定性强，而且功耗低、易于在片内集成，并已成功集成到一款高性能的DC-DC开关电源芯片内。

2.根据权利要求1所述的主电路，其特征在于：所述主电路包括储能电感 L、功率开关管NM1和 NM2、输出滤波单元C和二极管、电阻和LED管。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述控制电路由带频率补偿的误差放大器、PWM 调制器、过压保护单元、振荡器和斜坡补偿电路、控制逻辑与驱动单元、电阻反馈网络、过流保护单元等组成。

4.根据权利要求1所述的电阻反馈网络，其特征在于：所述电阻反馈网络将反馈信号采样到误差放大器的反相输入端，然后误差放大器将反馈电压信号与基准电压比较后输出直流信号，脉宽调制比较器 PWM再将与 进行比较，以调节输出脉冲占空比D，达到控制输出电压的效果，其中为检测到的反馈电阻网络电流值转换而成的电压值，为与斜坡补偿信号进行叠加而成的信号。