CN111917307A - 一种基于电流镜限流的软启动电路 - Google Patents

一种基于电流镜限流的软启动电路 Download PDF

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Abstract

一种基于电流镜限流的软启动电路，适用于功率管源极接地的开关电源变换器电路，如推挽式变换器、反激式变换器等。本发明包括步进电流源产生模块和晶体管电流控制模块，步进电流源产生模块用于产生一个电流值逐渐递增的电流作为镜像电流源；晶体管电流控制模块将镜像电流源以较大的镜像比镜像给功率管，通过控制镜像电流源的电流值逐渐递增使启动时功率管的限流值逐渐增大，最终达到稳定工作状态，从而实现软启动，本发明限流精度高、稳定性好、且能够节省面积和减小失配；将本发明结合过流检测电路还可以实现过流保护功能，在启动或者短路保护结束后本发明的电路能够自行关闭以节省功耗。

Description

一种基于电流镜限流的软启动电路
技术领域
本发明属于开关电源软启动技术领域，涉及一种基于电流镜限流的软启动电路，能够应用于功率管源极接地的开关电源变换器电路，如推挽式变换器。
背景技术
开关电源中推挽式变换器电路结构简单，工作时磁感应变压范围广、铁芯的磁导率高、工作效率高，且具有输出电流瞬态响应速度高、电压输出特性好、电压利用率最高等优点，在低电压输入、大电流输出的DC/AC或DC/DC转换电路以及输入输出需要电气隔离的场合中推挽式变换器被广泛应用。
在推挽式变换器电路启动过程中，若输出有电容负载，启动过程需要给电容负载充电，从而使得输出电压不能很快建立，而是从0逐渐上升。输出电压通过变压器反映到原边，体现为开关管的源漏(集射)电压从电源电压逐渐减小。此时传统变换器的开关管为完全导通状态，如同对输入短路，会在推挽式变换器电路中产生上升快速的启动浪涌电流，从而可能导致输入电压跌落、干扰输入电源总线上其他设备的使用、产生较大的电磁干扰、损坏推挽式变换器电路中的器件等技术问题。故而有必要针对启动时的大电流进行限制，以避免前述问题的发生。
现有一些针对启动时大电流的解决方法，但多少存在一些不足。如发明名称为“推挽式变换器的晶体管驱动控制方法及控制器”，公开号为CN106130355A的发明专利申请中给出一种解决方法，该电路驱动方法如图1所示，其通过在每个晶体管开通时检测其导通压降，在导通压降大于设定值时认为输出短路，此时限制晶体管的驱动电压，从而使得通过晶体管的电流被限定在可靠范围内。这种针对控制推挽式变换器晶体管的栅极电压进行钳位的方法可以一定程度上实现抑制浪涌电流，提高电路可靠性的功能。但是由于晶体管特性随工艺的偏差比较大，固定的限压值使得限流值也将随着工艺有较大的变化，不利于量产时的良率控制。
发明名称为“一种推挽式变换器电路及其控制方法”，公开号为CN109067164A的发明专利申请中给出另一种解决方法，电路结构如图2所示，逻辑控制单元控制开关管组的导通级数随交替导通次数的增多逐渐增加，直到所述导通数量达到预设级数，此时开关管组的等效导通电阻随交替导通次数的增多逐渐减小，直至达到预设电阻值，从而使电流逐渐增加，实现启动限流的功能。但此电路中每个开关管都需要单独的驱动电路进行驱动，一方面这增加了版图的面积，另一方面这容易引入两个开关管组的驱动失配，增加变压器偏磁的几率。
发明内容
针对上述推挽式变换器启动时的大电流问题，以及传统解决方案中存在的可靠性和电路面积问题，本发明提出一种软启动电路，利用电流镜限流实现软启动，适用于功率管源极接地的开关电源变换器电路，如推挽式变换器、反激式变换器等，不仅能够取得很好的限流精度，同时能够节省面积、减小失配。
本发明的技术方案为：
一种基于电流镜限流的软启动电路，适用于功率管源极接地的开关电源变换器电路；
所述软启动电路包括步进电流源产生模块和晶体管电流控制模块，所述步进电流源产生模块用于产生一个电流值逐渐递增的电流作为镜像电流源；
所述晶体管电流控制模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管和控制单元，第一NMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和启动控制信号，其漏极连接第一PMOS管的漏极和第二NMOS管的栅极，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；
所述启动控制信号仅在所述开关电源变换器电路启动过程中为低电平；
第三NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和所述镜像电流源，其漏极连接电源电压，其源极连接第一PMOS管的源极；
所述控制单元包括第二PMOS管和第四NMOS管，第二PMOS管的源极连接第三NMOS管的源极，其栅极连接第四NMOS管的栅极和所述功率管的栅极控制信号，其漏极连接第四NMOS管的漏极并作为所述控制单元的输出端连接所述功率管的栅极；第四NMOS管的源极接地；
通过设置第二NMOS管与所述功率管的宽长比将所述镜像电流源的电流镜像给所述功率管，从而对所述功率管限流，实现所述开关电源变换器电路软启动。
具体的，所述步进电流源产生模块包括基准电流源、第三PMOS管和多个镜像单元，第三PMOS管的栅极和漏极连接所述基准电流源，其源极连接所述电源电压；
所述多个镜像单元分别与第三PMOS管构成电流镜结构，每个所述镜像单元包括第四PMOS管和第五NMOS管，第四PMOS管的栅极连接第三PMOS管的栅极，其源极连接所述电源电压，其漏极连接第五NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极连接所述步进电流源产生模块的输出端；通过控制多个镜像单元中的第五NMOS管依次导通，使得所述步进电流源产生模块输出电流值逐渐递增的电流。
具体的，所述步进电流源产生模块包括但不限于负反馈电流镜结构或威尔逊电流镜结构。
具体的，所述控制单元的数量由所述开关电源变换器电路中功率管的数量决定；
所述开关电源变换器电路为推挽式变换器时，所述推挽式变换器包括两个功率管，则所述晶体管电流控制模块内设置两个控制单元，两个控制单元的输出端分别连接所述推挽式变换器中两个功率管的栅极；
所述开关电源变换器电路为反激式变换器时，所述反激式变换器包括一个功率管，所述晶体管电流控制模块内设置一个输出端连接反激式变换器中功率管栅极的控制单元。
具体的，所述第二NMOS管和所述功率管采用结构相同、参数相同的同种MOS管。
具体的，在所述开关电源变换器电路启动后，所述软启动电路能够用于对所述开关电源变换器电路进行过流保护，设置过流检测电路用于实时检测所述开关电源变换器电路是否出现短路导致过流，当检测到短路情况发生时将所述启动控制信号翻低，使得所述软启动电路对所述功率管限流。
具体的，所述开关电源变换器电路的输入电源经过低压差线性稳压器产生所述电源电压。
本发明的有益效果为：本发明基于电流镜限流原理，通过电流值逐渐递增的电流作为镜像电流源，使启动时功率管的限流值逐渐增大，最终达到稳定工作状态，利用电流直接控制电流能够取得很好的限流精度且稳定性高；同时不需要多个驱动电路，能够节省面积、减小失配；此外本发明还可以结合过流检测电路实现过流保护功能，在启动或者短路保护结束后本发明的电路能够自行关闭以节省功耗。
附图说明
图1是现有的解决推挽式变换器启动时大电流的一种控制结构示意图。
图2是现有的解决推挽式变换器启动时大电流的另一种控制结构示意图。
图3是本发明提出的一种基于电流镜限流的软启动电路中步进电流源产生模块在实施例中的一种实现结构示意图。
图4是实施例中控制步进电流源产生模块内镜像单元依次导通的控制信号时序图。
图5是将本发明提出的一种基于电流镜限流的软启动电路应用于推挽式变换器时的一种结构示意图。
图6是本发明在推挽式变换器中进行控制的简化图。
图7是将本发明提出的一种基于电流镜限流的软启动电路应用于反激式变换器时的一种结构示意图。
图8是将本发明提出的一种基于电流镜限流的软启动电路应用于反激式变换器时的另一种结构示意图。
图9是将本发明提出的一种基于电流镜限流的软启动电路应用于推挽式变换器时的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。
本发明提出一种基于电流镜限流的软启动电路，能够应用于功率管源极接地的开关电源变换器电路，如推挽式变换器或者反激式变换器，下面以将本发明应用于推挽式变换器为例进行说明。
如图5所示，本发明的软启动电路包括步进电流源产生模块和晶体管电流控制模块，步进电流源产生模块用于产生一个电流值逐渐递增的电流作为镜像电流源提供给晶体管电流控制模块。步进电流源产生模块可以是普通电流镜结构、也可以是负反馈电流镜、威尔逊电流镜等结构。如图3所示是实施例中步进电流源产生模块采用的一种实现形式，包括基准电流源IREF、第三PMOS管MPS和N+1个镜像单元，N为任意正整数；第三PMOS管MPS的栅极和漏极连接基准电流源IREF，其源极连接电源电压VDD；N+1个镜像单元分别与第三PMOS管构成电流镜结构，每个镜像单元包括第四PMOS管和第五NMOS管，第四PMOS管的栅极连接第三PMOS管的栅极，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接第五NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极连接步进电流源产生模块的输出端。
通过时序电路控制产生图4所示的控制信号Ictrl0-IctrlN，利用控制信号Ictrl0-IctrlN控制图3中N+1个镜像单元中的第五NMOS管NM0-NMN以设定的方式进行逐级导通，假设每个镜像单元镜像基准电流源IREF的镜像比一致，镜像后的电流值都为I0，则N+1个镜像单元依次开启将镜像过来的电流进行叠加，步进电流源产生模块依次输出I0、2I0、3I0、……(N+1)I0，通过这种方式产生出一个阶梯型电流IB_Step，以该电流作为晶体管电流控制模块的镜像电流源。值得注意的是，时序电路产生的控制信号不局限于图4所示的情况，步进电流源产生模块产生的电流也不只是阶梯型电流形式，也可以是其他各种电流值逐渐递增的电流形式。
晶体管电流控制模块包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第一PMOS管MP1和控制单元，第一NMOS管MN1的栅极连接第一PMOS管MP1的栅极和启动控制信号ST_STRL，其漏极连接第一PMOS管MP1的漏极和第二NMOS管MN2的栅极，其源极连接第二NMOS管MN2的源极并接地；启动控制信号ST_STRL仅在开关电源变换器电路启动过程中为低电平；第三NMOS管MN3的栅极连接第二NMOS管MN2的漏极和镜像电流源，其漏极连接电源电压VDD，其源极连接第一PMOS管MP1的源极。
如图5所示，本实施例中电源电压VDD可以由开关电源变换器电路的输入电源VIN经过低压差线性稳压器LDO后产生。LDO可以使供给芯片稳定的电压，对与栅耐压比较严格的工艺可以采用此结构，经过稳压后电流镜等可以采用低压器件实现，但是此结构的缺点在于在电压较低时，第三NMOS管MN3上损失的压降会降低输入电压裕度，同时实现LDO需要一定的器件，会增加面积。因此如图9所示，一些实施例中还可以将LDO用Zener稳压代替，电源电压VDD由开关电源变换器电路的输入电源VIN提供，设置Zener管接在第三NMOS管MN3栅极和地之间，这种方式能够节省器件，但是采用Zener稳压方案时，退出限流后，栅驱动供电变为开环，同时IB_Step及第三NMOS管MN3需要采用高压器件。因此Zener稳压方案可以应用在对驱动电压精度要求不高的场合，此处只需要保证功率管在其栅极控制信号为低时能够完全开启即可，对驱动电压要求不高，因此可以采用此结构。
控制单元的数量由开关电源变换器电路中功率管的数量决定，本实施例以开关电源变换器电路为推挽式变换器为例，推挽式变换器包括两个功率管，如图5所示MN5和MN7是推挽式变换器内的两个功率管，则晶体管电流控制模块内设置两个控制单元，第一个控制单元中第二PMOS管是MP2，第四NMOS管是MN4，MP2的源极连接第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接MN4的栅极和功率管MN5的栅极控制信号VG1，其漏极连接MN4的漏极并作为第一个控制单元的输出端连接功率管MN5的栅极；MN4的源极接地。第二个控制单元中第二PMOS管是MP3，第四NMOS管是MN6，MP3的源极连接第三NMOS管MN3的源极，其栅极连接MN6的栅极和功率管MN7的栅极控制信号VG2，其漏极连接MN6的漏极并作为第二个控制单元的输出端连接功率管MN7的栅极；MN6的源极接地。
在启动期间，两个晶体管即功率管MN5和功率管MN7导通时情况相同，下面针对VG1控制的功率管MN5部分进行分析，对功率管MN7的控制同理在此不再赘述。
推挽式变换器启动期间，启动控制信号ST_CTRL为低电平，第一PMOS管MP1导通，第一NMOS管MN1关断，若功率管MN5的栅极控制信号VG1为低电平，则第一个控制单元中MP2导通，根据该过程可以将电路简化为图6，其中RPD为等效下拉电阻，LP1为变压器的原边等效电感，RLDO为低压差线性稳压器的等效电阻，电路构成典型的缓冲负反馈电流镜，通过设置第二NMOS管MN2与功率管MN5的宽长比能够可靠地以较大的镜像比将电流IB_Step镜像给功率管MN5，以实现限流，从而实现推挽式变换器的软启动。限流值为：
ILIM＝N*IB,Step
其中N为功率管MN5与第二NMOS管MN2的宽长比之比。第三NMOS管MN3的尺寸决定本发明的响应速度。
同理，如果将本发明应用于反激式变换器，如图7和图8所示，反激式变换器包括一个功率管MN8，则晶体管电流控制模块内设置一个控制单元，即MP2和MN4构成的控制单元，MP2和MN4的栅极连接反激式变换器功率管MN8的栅极控制信号VG，MP2和MN4的漏极连接反激式变换器功率管MN8的栅极控制MN8，通过设置第二NMOS管MN2与功率管MN8的宽长比将电流IB_Step镜像给功率管MN8，以实现限流，从而实现反激式变换器的软启动。图7采用LDO给芯片提供稳定的电压，经过稳压后电流镜等可以采用低压器件实现。图8采用Zener稳压代替LDO，能够节省器件，可以应用在对驱动电压精度要求不高的场合，此处只需要保证功率管MN8在其栅极控制信号VG为低时能够完全开启即可，对驱动电压要求不高。
第二NMOS管MN2和功率管采用同类型的管子，如图5和图9中第二NMOS管MN2和两个功率管MN5、MN7是结构相同、参数相同的同种MOS管，图7和图8中第二NMOS管MN2和功率管MN8是结构相同、参数相同的同种MOS管。
在开关电源变换器电路启动后，还可以将本发明的软启动电路用于对开关电源变换器电路进行过流保护，通过设置一个过流检测电路来实时检测开关电源变换器电路是否出现短路导致过流，如设置过流检测电路检测输出短路情况，当过流检测电路检测到短路情况发生时将启动控制信号ST_CTRL翻低，使得软启动电路利用电流镜结构对功率管进行限流，实现过流保护。因此启动控制信号ST_CTRL在启动时和检测到短路过流时会翻低使得晶体管电流控制模块工作，在启动或者短路保护结束后启动控制信号ST_CTRL翻高，软启动电路自行关闭以节省功耗。
综上所述，本发明提出一种软启动电路，基于电流镜实现启动限流，能够应用于功率管源极接地的开关电源变换器电路中进行软启动，采用电流镜结构对开关电源变换器电路中的功率管进行限流，通过控制电流镜电流的步进使启动时的限流值逐渐增大，最终达到稳定工作状态，以实现软启动；将本发明的结构结合过流检测还可以实现过流保护，基于本发明使用的电流镜限流方法，通过过流检测电路检测过流情况，当过流情况出现时启动本发明的电路对功率管进行限流，以实现过流保护。
本发明使用的电流镜结构不局限于普通电流镜，还包括负反馈电流镜、威尔逊电流镜等结构；本发明应用的开关电源包括推挽式变换器、反激式变换器，但实施例中的推挽式变换器、反激式变换器不用于限定本发明的应用范围，本发明提出的软启动电路还能够用于其他功率管源极接地的开关电源变换器电路，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，适用于功率管源极接地的开关电源变换器电路；
所述软启动电路包括步进电流源产生模块和晶体管电流控制模块，所述步进电流源产生模块用于产生一个电流值逐渐递增的电流作为镜像电流源；
所述晶体管电流控制模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管和控制单元，第一NMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和启动控制信号，其漏极连接第一PMOS管的漏极和第二NMOS管的栅极，其源极连接第二NMOS管的源极并接地；
所述启动控制信号仅在所述开关电源变换器电路启动过程中为低电平；
第三NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和所述镜像电流源，其漏极连接电源电压，其源极连接第一PMOS管的源极；
所述控制单元包括第二PMOS管和第四NMOS管，第二PMOS管的源极连接第三NMOS管的源极，其栅极连接第四NMOS管的栅极和所述功率管的栅极控制信号，其漏极连接第四NMOS管的漏极并作为所述控制单元的输出端连接所述功率管的栅极；第四NMOS管的源极接地；
通过设置第二NMOS管与所述功率管的宽长比将所述镜像电流源的电流镜像给所述功率管，从而对所述功率管限流，实现所述开关电源变换器电路软启动。
2.根据权利要求1所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，所述步进电流源产生模块包括基准电流源、第三PMOS管和多个镜像单元，第三PMOS管的栅极和漏极连接所述基准电流源，其源极连接所述电源电压；
所述多个镜像单元分别与第三PMOS管构成电流镜结构，每个所述镜像单元包括第四PMOS管和第五NMOS管，第四PMOS管的栅极连接第三PMOS管的栅极，其源极连接所述电源电压，其漏极连接第五NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极连接所述步进电流源产生模块的输出端；通过控制多个镜像单元中的第五NMOS管依次导通，使得所述步进电流源产生模块输出电流值逐渐递增的电流。
3.根据权利要求1所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，所述步进电流源产生模块包括但不限于负反馈电流镜结构或威尔逊电流镜结构。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，所述控制单元的数量由所述开关电源变换器电路中功率管的数量决定；
所述开关电源变换器电路为推挽式变换器时，所述推挽式变换器包括两个功率管，则所述晶体管电流控制模块内设置两个控制单元，两个控制单元的输出端分别连接所述推挽式变换器中两个功率管的栅极；
所述开关电源变换器电路为反激式变换器时，所述反激式变换器包括一个功率管，所述晶体管电流控制模块内设置一个输出端连接反激式变换器中功率管栅极的控制单元。
5.根据权利要求4所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，所述第二NMOS管和所述功率管采用结构相同、参数相同的同种MOS管。
6.根据权利要求4所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，在所述开关电源变换器电路启动后，所述软启动电路能够用于对所述开关电源变换器电路进行过流保护，设置过流检测电路用于实时检测所述开关电源变换器电路是否出现短路导致过流，当检测到短路情况发生时将所述启动控制信号翻低，使得所述软启动电路对所述功率管限流。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的基于电流镜限流的软启动电路，其特征在于，所述开关电源变换器电路的输入电源经过低压差线性稳压器产生所述电源电压。
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