CN111865063A - 一种开关电源启动电路及电源供应模块 - Google Patents

一种开关电源启动电路及电源供应模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开关电源启动电路，第一电流通路的信号输入端接收外部电源信号，第二电流通路包括多个并联的第二电流通路元件，与第一电流通路形成多个电流源，其信号输出端提供电源电压输出信号。开关电路包括多个开关元件，分别与第二电流通路元件对应相连。参考电压电路与开关电路相连，用于提供参考电压信号。移位寄存器与开关电路相连，用于根据预设时钟信号对开关元件依次进行开启设置。反馈电路实时检测电源电压输出信号，并与参考电压信号的预定倍数值做比较，从而控制外部电源信号的上电与否。本发明在预设的上电时间内调整其内部的电流值，使得电源输出电压信号跟随参考电压信号线性上升，同时控制电流峰值，使其保持较低的水平。

Description

一种开关电源启动电路及电源供应模块
技术领域
本发明实施例涉及驱动电源技术领域，特别涉及一种开关电源启动电路及电源供应模块。
背景技术
一般来说，SOC(System on Chip)系统级电源供应模块芯片具有休眠期和唤醒期两个周期，且芯片的每次休眠/唤醒对上电时间的要求也非常高。传统的DC/DC电源转换器多采用反馈控制恒定电流的方式，限制启动电流以此来保护输入电源或电池，但是不同的输入电压，不同的输出电感或电容器件会导致输出电压的建立时间偏差非常大，不适用于定时休眠/唤醒中对每次上电时间要求高的应用场景。对于系统级芯片来说，输出电压的建立时间不可控制是致命的。
参考图1与图2，图1为传统的DC/DC电源转换器，图2为图1中各信号的工作时序波形图。其中，DC/DC电源转换器接收外部输入电源信号Vin、参考电压信号Vref以及使能信号en，通过内部的直流电压转换输出电压信号Vout。使能信号en高电平表示芯片唤醒状态，低电平表示芯片休眠状态，且其周期性的在上述两个状态之间切换。传统的输出电压信号Vout流程大致如下：外部启动模块将参考电压信号Vref拉升至指定数值，为输出电压信号Vout提供参考；同时在输出电压信号Vout缓慢上升至所需数值期间内，将整个电路中的电流信号i瞬间拉升至一可接受的数值Fixed，从而等待电容CL充电时长t达到要求。
根据公式C*V＝i*t(其中，C代表输出电容CL的电容值，V代表输出电压Vout的电压值，i代表流经电容C的电流值，t代表输出电容CL的充电时间)，由于每个DC/DC电源转换器中不同的输出电容CL值，使得其充电时间t不可控，也就是输出电压信号Vout建立的时间不可控制；同时，SOC系统级电源供应模块芯片也无法保证持续为充电过程提供稳定的、达到要求的电流。其次，对于一些小型电池，例如：纽扣电池、薄膜电池、太阳能电池或是过于老旧且供电能力不强的电池，由于电池自身的局限性，流经其的电流i需要缓慢上升，瞬间拉高会使得电池内耗过高，从而无法进行供电。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种开关电源启动电路及电源供应模块，在一可控且恒定的上电时间范围内，将整个电源电路中的电流值不会瞬间拉高，而是将其平均值保持在一个较低的水平，同时，还能保证输出电压值能够达到所需数值。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种开关电源启动电路，包括：
第一电流通路，其信号输入端接收外部的电源信号；
第二电流通路，包括多个相互并联的第二电流通路元件，其中，所述多个第二电流通路元件同时连接至所述第一电流通路，并与所述第一电流通路组成多个电流源，所述第二电流通路的信号输出端用于提供电源电压输出信号；
开关电路，包括多个开关元件，分别与所述第二电流通路元件对应相连；
参考电压电路，与所述开关电路相连，用于给所述开关电源启动电路提供参考电压信号；
移位寄存器，与所述开关电路相连，用于根据预设时钟信号对所述多个开关元件依次进行开启设置；以及
反馈电路，跨接于所述第一电流通路信号输入端与所述第二电流通路信号输出端之间，用于实时检测所述电源电压输出信号，并与所述参考电压信号的预定倍数值做比较，从而控制所述外部电源信号的上电与否。
进一步地，所述第一电流通路包括：
第一PMOS管，其漏极做为所述第一电流通路的信号输入端，用以接收所述外部电源信号，其栅极与源极相连；以及
参考电流源，连接于所述第一PMOS管的源极与地之间，用于提供参考电流信号。
进一步地，所述多个第二电流通路元件为多个第二PMOS管，其中，所述多个第二PMOS管的栅极相连，并共同连接至所述第一PMOS管的栅极，所述多个第二PMOS管的漏极均与所述第一PMOS管的漏极相连，且做为所述第二电流通路的信号输出端，用以提供所述电源电压输出信号，所述多个第二PMOS管的源极与所述开关电路相连。
进一步地，所述反馈电路连接于所述第一PMOS的漏极与所述多个第二PMOS的漏极之间。
进一步地，所述开关电路中多个开关元件的一端对应与所述第二电流通路中多个PMOS管的源极相连。
进一步地，所述参考电压电路包括一个电阻，连接于所述多个开关元件的另一端与地之间，用于提供所述参考电压信号。
进一步地，所述移位寄存器与所述多个开关元件的一端相连，用于根据所述预设时钟信号开启对应的开关元件。
进一步地，还包括一个输出电容，连接于所述多个第二PMOS管的漏极与地之间。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电源供应模块，包括以上所述的开关电源启动电路。
本发明实施方式中的一种开关电源启动电路，在一预设的上电时间内来调整电源电路内部的电流值，使得电源输出电压信号跟随参考电压信号线性上升至预设值，不仅控制电流峰值，使其保持较低的水平，同时使得电源输出电压信号的建立时间在一可控范围内。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是现有的DC/DC电源转换器；
图2是图1中各信号工作的时序波形图；
图3是本发明实施方式中一种开关电源启动电路的模块图；
图4是本发明实施方式中一种开关电源启动电路的具体电路图；以及
图5是本发明图3中各信号工作的时序波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
图3为本发明实施方式中一种开关电源启动电路模块图，其包括第一电流通路10、第二电流通路20、开关电路30、参考电压电路40、移位寄存器50以及反馈电路60。其中，第二电流通路20包括多个相互并联的第二电流通路元件201、202、...、20n。第一电流通路10的信号输入端接收外部的电源信号Vin，第二电流通路20与第一电流通路10相连，即，多个第二电流通路元件201、202、...、20n同时连接至第一电流通路10，其与第一电流通路10组成多个电流源，且其信号输出端用于提供电源电压输出信号Vout。本实施方式中，输出电容C连接于第二电流通路20的信号输出端与地之间。开关电路30与第二电流通路20相连，其包括多个开关元件301、302、...、30n，所述开关元件301、302、...、30n分别对应与第二电流通路元件201、202、...、20n相连，即，开关元件301与第二电流通路元件201相连，开关元件302与第二电流通路元件202相连，...，开关元件30n与第二电流通路元件20n相连。参考电压电路40与开关电路30相连，用于给开关电源启动电路提供参考电压信号Vref。移位寄存器50与开关电路30相连，用于根据预设时钟信号对开关元件301、302、...、30n依次进行开启设置，从而使得对应的第二电流通路元件201、202、...、20n依次连续导通。反馈电路60连接于第一电流通路10的信号输入端与第二电流通路20的信号输出端之间，用于实时检测电源电压输出信号Vout，并与参考电压信号Vref的预定倍数值做比较，从而控制外部电源信号Vin的上电与否。本实施方式中，根据公式Vout＝λ*Vref(其中，λ为给定的预定倍数，其值可调)，当电源电压输出信号Vout达到参考电压倍数值λ*Vref时，整个电路停止上电，当电源电压输出信号Vout未达到参考电压倍数值λ*Vref时，整个电路正常运作。
同时参考图5，为本发明图3中各个信号的波形时序图。为了对电源电压输出信号Vout的建立时间Tramp进行严格控制，本发明放弃传统的上电期间对流经电路的电流量i的控制，转而控制时间变量，将时间Tramp预设在一恒定范围，并将该预设时间过程内的平均电流保持一个较低值。再根据公式Vout＝λ*Vref，使得电源电压输出信号Vout随着参考电压信号Vref缓慢单调上升。
本实施方式中，当使能信号en由低电平变至高电平时，整个DC/DC电源转换器处于唤醒上电状态，在规定的时间Tramp范围内，参考电压电路40提供一个缓慢上升的参考电压信号Vref。即，移位寄存器50根据其预设时钟信号依次连续打开开关元件301、302、...、30n，从而使得第二电流通路元件201、202、...、20n依次被接入至第一电流通路10，形成多个电流源通路，此时，流经参考电压电路40的电流也会持续增加，进而使得参考电压信号Vref缓慢上升。再根据上述公式Vout＝λ*Vref，电源输出电压信号Vout也跟着参考电压Vref缓慢单调上升。同时，流经输出电容C的电流信号i也处于上升阶段，在此期间内，反馈电路60检测实时的电源输出电压信号Vout与λ*Vref做比较，当检测到的实时的电源输出电压信号Vout小于λ*Vref值，整个电路继续运作；当检测到的实时的电源输出电压信号Vout等于或大于λ*Vref值，关断外部电源信号Vin，即停止上电，从而电流i下降，因此，电流信号i形成了图5的波形。如此反复，在时间段Tramp内，开关电源启动电路的外部电源信号Vin多次小幅上电，直至电源输出信号Vout达到所需的数值，以此达到控制输出电压建立时间的效果。
图4是本发明实施方式中开关电源启动电路的具体电路图，第一电流通路10包括一个第一PMOS管Q21和一个参考电流源Is，第一PMOS管Q21的漏极做为第一电流通路10的信号输入端，接收外部电源信号Vin，其源极通过参考电流源Is接地，同时，其栅极与源极相连。第二电流通路20中的多个第二电流通路元件201、202、...、20n均为第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n，其相互并联，且与第一PMOS管Q21相连。即，第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n的栅极相连，且共同连接至第一PMOS管Q21的栅极，第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n的漏极同时连接至第一PMOS管Q21的漏极，并做为第二电流通路20的信号输出端，提供电源电压输出信号Vout，其源极分别与开关电路30中的开关元件301、302、...、30n的一端相连。参考电压电路40包括一个电阻R，其连接于开关元件301、302、...、30n的另一端与地之间，用于提供参考电压信号Vref。移位寄存器50与开关元件301、302、...、30n的一端相连，用于根据其预设时钟信号对应依次连续开启所连接的开关元件301、302、...、30n，从而使得与开关元件301、302、...、30n对应相连的第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n可以依次连续导通。反馈电路60连接于第一PMOS管Q21的漏极与第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n的漏极之间，用于实时检测电源电压输出信号Vout的值。输出电容C连接于第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n的漏极与地之间。本实时方式中，移位寄存器50与反馈电路60均以传统的电路来实现，在此不再赘述。
本实施方式中，移位寄存器50根据预设时钟信号控制开关元件301、302、...、30n依次连续开启导通，从而控制第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n可以依次连续导通。也就是说，当第1时钟信号来临时，开关元件301导通；当第2时钟信号来临时，开关元件302继续导通；...；以此类推，当第n个时钟信号来临时，开关元件30n继续导通。由于开关元件301、302、...、30n根据时钟依次连续被开启导通，从而第二PMOS管Q31、Q32、...、Q3n也依次连续被连接至第一PMOS管Q21，继而流经电阻R的电流也逐渐增加，参考电压信号Vref呈图5中缓慢上升。根据公式Vout＝λ*Vref，电压输出信号Vout也随着参考电压Vref的增长而线性增长。
本实施方式中的开关电源启动电路，将上电时间Tramp调整在一预设范围内，控制参考电压信号Vref在该时间段内缓慢上升，反馈电路60控制电源输出电压信号Vout跟踪参考电压信号Vref上升过程，确保其也在Tramp时间内单调上升至预设值。同时，开关电源启动电路的内部电流i在Tramp时间内，被控制不会瞬间拉升至一个较高值，从而控制峰值电流，来适应于小型电池，例如：纽扣电池、薄膜电池、太阳能电池等。
本发明还提供了一种电源供应模块，该电源供应模块包括前述的开关电源启动电路以及电池。其中，该电源供应模块的电池包括但不限于纽扣电池、薄膜电池、太阳能电池等。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种开关电源启动电路，其特征在于，包括：
第一电流通路，其信号输入端接收外部的电源信号；
第二电流通路，包括多个相互并联的第二电流通路元件，其中，所述多个第二电流通路元件同时连接至所述第一电流通路，并与所述第一电流通路组成多个电流源，所述第二电流通路的信号输出端用于提供电源电压输出信号；
开关电路，包括多个开关元件，分别与所述多个第二电流通路元件对应相连；
参考电压电路，与所述开关电路相连，用于给所述开关电源启动电路提供参考电压信号；
移位寄存器，与所述开关电路相连，用于根据预设时钟信号对所述多个开关元件依次进行开启设置；以及
反馈电路，连接于所述第一电流通路的信号输入端与所述第二电流通路的信号输出端之间，用于实时检测所述电源电压输出信号，并与所述参考电压信号的预定倍数值做比较，从而控制所述外部电源信号的上电与否。
2.根据权利要求1所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述第一电流通路包括：
第一PMOS管，其漏极做为所述第一电流通路的信号输入端，用以接收所述外部电源信号，其栅极与源极相连；以及
参考电流源，连接于所述第一PMOS管的源极与地之间，用于提供参考电流信号。
3.根据权利要求2所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述多个第二电流通路元件为多个第二PMOS管，其中，所述多个第二PMOS管的栅极相连，并共同连接至所述第一PMOS管的栅极，所述多个第二PMOS管的漏极均与所述第一PMOS管的漏极相连，且做为所述第二电流通路的信号输出端，用以提供所述电源电压输出信号，所述多个第二PMOS管的源极与所述开关电路相连。
4.根据权利要求3所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述反馈电路连接于所述第一PMOS的漏极与所述多个第二PMOS的漏极之间。
5.根据权利要求3所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述开关电路中多个开关元件的一端分别对应与所述第二电流通路中多个PMOS管的源极相连。
6.根据权利要求5所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述参考电压电路包括一个电阻，连接于所述多个开关元件的另一端与地之间，用于提供所述参考电压信号。
7.根据权利要求6所述的开关电源启动电路，其特征在于，所述移位寄存器与所述多个开关元件的一端相连，用于根据所述预设时钟信号开启对应的开关元件。
8.根据权利要求1所述的开关电源启动电路，其特征在于，还包括一个输出电容，连接于所述多个第二PMOS管的漏极与地之间。
9.一种电源供应模块，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的开关电源启动的电路。
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