CN112290787A - 开关模式电源的启动 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种开关模式电源的启动。使用以下各项来执行用于启动包括开关模式电源的电源电路的过程：第一阶段，在第一阶段期间，如果开关模式电源的输出电压低于第一电压，则开关模式电源以脉宽调制模式操作来将其输出电压增大至所述第一电压；以及当输出电压已达到第一电压时的第二阶段，在第二阶段期间，开关模式电源以旁路模式操作。

Description

开关模式电源的启动

相关申请的引用

本申请要求于2019年7月22日提交的法国专利申请号1908288的优先权权益，该申请的内容在法律允许的最大程度内通过整体引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及电子电路和设备，并且更特别地，涉及电子电路和设备的电源。本公开特别涉及一种包括至少一个开关模式电源(SMPS)的电源电路。

背景技术

存在几种类型的电源电路，其能够将电流/电压对递送给电子电路、或设备、或系统，或更一般地递送给负载。线性电源和开关模式电源是电源电路的示例。

不同类型的电源电路各自具有特定的特征，并且将其多个进行组合可能是有益的。开关模式电源和电压调节器的组合是电源电路中的通常组合。

开关模式电源是被配置为从输入电压递送DC电压的电源电路。尽管开关模式电源通常是接收DC电压作为输入的DC/DC转换器，但是某些开关模式电源可以包括整流级，使得这些开关模式电源能够接收AC电压(例如干线)作为输入。

期望能够至少部分地改进包括开关模式电源的已知电源电路的某些方面。

在本领域中需要包括开关模式电源的高性能电源电路。

在本领域中更特别地需要具有更快启动阶段的电源电路。

在本领域中还需要具有消耗较少功率的启动阶段的电源电路。

发明内容

实施例克服了包括开关模式电源的已知电源电路的全部或部分缺点。

实施例提供了一种启动包括开关模式电源的电源电路的方法，该方法包括：第一阶段，在该第一阶段期间，如果开关模式电源的输出电压低于第一电压，则开关模式电源以脉宽调制操作来将其输出电压增大至所述第一电压；以及当输出电压已达到第一电压时的第二旁路阶段。

根据实施例，第一电压是在旁路模式期间由开关模式电源递送的电压。

根据实施例，第一电压是在开关模式电源的输入处被注入的DC电压。

根据实施例，第一电压是在电源电路的输入处注入的DC电压。

根据实施例，在所述第一阶段之前的第三阶段期间，将所述输出电压与低于第一电压的第二电压进行比较。

另一实施例提供了一种用于启动开关模式电源的电路，该电路被配置为实现前述方法。

根据实施例，电路包括比较器电路，该比较器电路被配置为将输出电压与第三电压进行比较。

根据实施例，在第一阶段期间，第三电压等于第一电压。

根据实施例，在第三阶段期间，第三电压等于第二电压。

根据实施例，电路进一步包括状态机。

根据实施例，比较器电路由状态机控制。

附图说明

将结合附图在特定实施例的以下非限制性描述中详细讨论前述和其他特征和优点，在附图中：

图1以框图形式示意性地示出电源电路；

图2以框图形式示意性地示出开关模式电源的实施例；

图3以框图形式示意性地示出用于启动图2的开关模式电源的电路的实施例；

图4示出图示电源电路启动方法的实施例的流程图；以及

图5示出图3的启动电路的信号时序图和电压曲线。

具体实施方式

在不同的附图中，已用相同的附图标记指定相同的元件。特别地，不同实施例共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记指定并且可以具有相同的结构、尺寸和材料属性。

为清楚起见，仅示出并详述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，开关电源的一般操作未被详述。所描述的实施例和实现与通常的开关模式电源兼容。

贯穿本公开，术语“连接”被用于指定在电路元件之间除了导体之外没有中间元件的直接电连接，而术语“耦合”被用于指定在电路元件之间可以是直接的或可以经由一个或多个其他元件的电连接。

在以下描述中，除非另有说明，否则当提及限定绝对位置(诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)、或相对位置(诸如术语“之上”、“之下”、“上部”、“下部”等)的术语、或提及限定方向的术语(诸如术语“水平”、“竖直”等)时，所指代的是附图的定向。

术语“约”、“大致”、“基本上”和“大约”在本文中被用于指定所讨论的值的正或负10％、优选地正或负5％的公差。

在本公开中提及的信号是包括分别与逻辑数据“1”和“0”对应的高态和低态的模拟信号。除非另外提及，否则高态表示等于电源电压的电压电平。除非另外提及，否则低态表示等于参考电压(例如接地)的电压电平。

图1以框图形式示意性地示出了电源电路10。

电路10包括串联的开关模式电源(SMPS)100和电压调节器电路110(例如低压降—LDO—调节器电路)。电路10接收输入电源电压Vin和控制信号(图1中未示出)作为输入，并输出了输出电源电压Vout和例如其他控制信号(图1中未示出)。电压Vin更特别地由开关模式电源100接收，并且电压Vout更特别地由电压调节器110递送。开关模式电源100将DC电源电压VFB作为输出递送给电压调节器电路110的输入。

电路10类型的电路可以具有多个操作模式。

电路10的常规操作模式如下。开关模式电源以脉宽调制操作，并递送与其接收作为输入的电压Vin不同的电压VFB。然后，电压VFB由调节器电路110进行平滑。

电路10的另一操作模式是开关模式电源100的所谓旁路模式，其中开关模式电源100被旁路。换句话说，开关模式电源将等于输入电压Vin的输出电压VFB递送给调节器电路110的输入。为此，该开关模式电源不以脉宽调制操作，而是被迫输出等于输入电压Vin的电压。因此，在该操作模式中，电压VFB等于输入电压Vin。将在图2中进一步详述该操作模式。

图2以框图形式示意性地示出了开关模式电源200的实施例的结构，该开关模式电源200被配置为用于图1中所示的电路10的类型的电源电路中。

开关模式电源200包括N沟道MOS晶体管201N和P沟道MOS晶体管201P。晶体管201P和201N串联连接。更特别地，晶体管201N的漏极耦合，优选地连接至晶体管201P的漏极。晶体管201P的源极耦合，优选地连接至接收输入电压Vin的端子。晶体管201N的源极耦合，优选地连接至接收低电源电压VSS_POWER的端子。低电源电压VSS_POWER例如是接地。

开关模式电源200进一步包括电感线圈和电容器Cext。电感线圈的第一端子耦合，优选地连接至晶体管201N和201P的漏极。电感线圈的第二端子耦合，优选地连接至电容器Cext的第一端子。电容器Cext的第二端子耦合，优选地连接至接收参考电压GND(例如接地)的端子。参考电压GND例如等于低电源电压VSS_POWER。电感线圈的第二端子递送开关模式电源200的输出电压VFB。

开关模式电源200进一步包括状态机203(SM)，该状态机递送信号GP和GN，使得能够分别控制晶体管201P和201N的栅极。状态机203接收下文中详述的控制信号STARTUP_CMD和PWM_CMD作为输入。

开关模式电源200进一步包括脉宽调制电路205(PWM)，该脉宽调制电路被配置为以脉宽调制模式实现开关模式电源200的操作。电路205尤其接收开关模式电源200的输出电压VFB和控制信号PWM_EN作为输入。电路205将至少控制信号PWM_CMD作为输出递送给状态机203。开关模式电源以脉宽调制来操作是常见的，并且本文对其不再进行描述。

开关模式电源200进一步包括启动电路207(STARTUP)。电路207尤其接收输出电压VFB和控制信号STARTUP_EN作为输入。电路207在其输出端处将控制信号STARTUP_CMD递送给状态机203。在图3中更详细地示出电路207。

图3以框图形式示意性地示出了图2中所示的开关模式电源200的启动电路207的结构。

电路207接收开关模式电源200的输出电压VFB、比较电压VCOMP、电源电压VDD和控制信号STARTUP_EN作为输入。信号STARTUP_EN包括用于启用启动电路207的信号ENA和用于启用开关模式电源200的旁路模式的信号BYPASS-EN。

电路207输出信号STARTUP_CMD，该信号包括状态信号SD_RDY、用于启用状态机203的信号EN_SM，以及用于启用开关模式电源200的旁路模式的状态信号BYPASS_RDY。

电路207包括两个开关SW1和SW2。开关SW1在第一端子上接收电压VFB，并且使第二端子耦合，优选地连接至节点A。开关SW2在第一端子上接收电压VCOMP，并且使第二端子耦合，优选地连接至节点A。开关SW1和SW2由信号SW_CMD1和SW_CMD2控制。

电路207进一步包括开关SW3和电流源2071。开关SW3的第一端子耦合，优选地连接至节点A，并且开关SW3的第二端子耦合，优选地连接至电流源2071的第一端子。电流源2071的第二端子接收电源电压VDD。开关SW3由信号SW_CMD3控制。

电路207进一步包括电容器Cstart。电容器Cstart的电极耦合，优选地连接至节点A，并且电容器Cstart的第二电极耦合，优选地连接至接收参考电压GND的端子。

电路207进一步包括比较器电路2072(COMP)。电路2072被配置为将节点A的电压(表示为VSTART)与电压VCOMP进行比较。电路2072由信号ENA_COMP控制，并输出状态信号CMP_RDY和输出信号OUT_CMP。

电路207进一步包括状态机2073(SM)，该状态机接收以下信号作为输入：使能信号ENA；用于启用开关模式电源的旁路模式的信号BYPASS_EN；信号CMP_RDY；以及信号OUT_CMP。

状态机2073输出以下信号：用于控制开关SW1、SW2和SW3的信号SW_CMD1、SW_CMD2和SW_CMD3；用于启用比较器电路2072的信号ENA_COMP；状态信号SD_RDY；使能信号EN_SM；以及状态信号BYPASS_RDY。

在旁路模式中电路207使得尤其能够直接启动开关模式电源200。在图4中详述电路207的操作和实现模式。

图4是图示在旁路模式中启动开关模式电源200的上下文中，图3中所示的启动电路207的实现模式的流程图。当开关模式电源的输出电压VFB等于输入电压Vin时且当状态信号BYPASS_RDY处于高电平时，认为该开关模式电源处于旁路模式。

在步骤301(BYPASS START)处，请求以旁路模式启动开关模式电源200。为此，使能信号ENA切换至指示电源200启动的高电平，并且信号BYPASS_EN也切换至指示触发开关模式电源200的旁路模式的高电平。

在步骤303(VSTART＝VFB)处，状态机2073将开关SW1控制为接通状态，并且将开关SW2和SW3控制为关断状态。然后，电压VSTART等于电压VFB，并且电容器Cstart由电压VFB充电。比较器电路2072被启动。

在步骤305(COMP READY)处，信号COMP_RDY切换至高电平，比较器就绪以待使用。状态机2073将三个开关SW1、SW2和SW3控制为关断状态。比较电压VCOMP首先等于第一低阈值电压VREF。然后，电容器Cstart递送电压VFB。

在步骤307(VSTART>VREF？)处，比较器电路将电压VSTART与仍等于电压VREF的电压VCOMP进行比较。该比较的结果被编码在比较器电路的输出信号OUT_COMP中。更特别地，如果电压VSTART低于电压VCOMP(输出N)，则输出信号OUT_COMP处于低态，并且下一步骤为步骤309(PWM MODE)。如果电压VSTART高于电压VCOMP(输出Y)，则输出信号OUT_COMP处于高态，并且下一步骤为步骤311(RISE VCOMP)。

在步骤309处，以脉宽调制模式启动开关模式电源，来增大其输出电压VFB，直到电压VFB等于输入电压Vin为止。然后，下一步骤是步骤313(BYPASS READY)，其中开关模式电源200的输出电压VFB等于输入电压Vin，并且其中信号BYPASS_RDY切换至高电平。

在步骤311处，使能信号SD_RDY切换为高态。信号VCOMP增加至输入电压Vin的值。比较器电路2072停止，信号COMP_RDY切换为低态，并且比较器电路被重新启动。

在步骤315(COMP READY)处，比较器就绪以待使用，信号COMP_RDY切换至高电平。状态机2073将三个开关SW1、SW2和SW3控制为关断状态。比较电压VCOMP等于电压Vin。

在步骤317(VSTART>Vin？)处，比较器电路将仍等于输出电压VFB的电压VSTART与然后等于电压Vin的电压VCOMP进行比较。该比较的结果被编码在比较器电路的输出信号OUT_COMP中。更特别地，如果电压VSTART大于电压VCOMP(输出Y)，则输出信号OUT_COMP处于低态，并且下一步骤为步骤319(ALRDY BYPASS)。如果电压VSTART低于电压VCOMP(输出N)，则输出信号OUT_COMP处于高态，并且下一步骤为步骤321(PWM MODE)。

在步骤319处，开关模式电源的输出电压VFB已经处于大于或等于输入电压Vin的电平的电平。状态机2073将开关SW1和SW3控制为关断状态，并且将开关SW2控制为接通状态。通过接通开关SW2，电容器Cstart被用作电压VDD与参考电压GND之间的耦合电容器。信号BYPASS_RDY切换为高态。然后，下一步骤为步骤313。

在步骤321处，输出电压VFB还不够高，以至于开关模式电源200处于旁路模式。然后，以脉宽调制模式启动开关模式电源200，来增大其输出电压VFB，直到电压VFB等于输入电压Vin为止。电压VFB沿着缓慢的斜坡，以避免通过向其太快地发送太高的电压而导致损坏开关模式电源200的晶体管201P。

然后，状态机2073将开关SW1和SW2控制为关断状态，并且将开关SW3控制为接通状态。通过接通开关SW3，对电容器Cstart进行充电。进一步地，一旦电压VFB为电压Vin，则电容器Cstart被充电，并且然后将开关SW3再次关断。信号BYPASS_RDY切换为高态。然后，下一步骤为步骤313。

在步骤313处，开关模式电源200具有大于或等于输入电压Vin的输出电压VFB。在其操作期间，输出电压VFB将稳定在输入电压Vin处，并且然后开关模式电源将处于旁路模式。

图5是示出控制信号的时序图和开关模式电源200的电压曲线的图。更特别地，所示的时序图和曲线图示了在开关模式电源的输出电压VFB高于第一阈值电压VREF、且低于输入电压Vin的情况下，开关模式电源200(图2中所示)的启动方法(图4中所示)。

图5的曲线图更特别地示出：旁路模式使能信号BYPASS_EN的时序图；比较器电路2072的输出电压OUT_COMP的时序图；比较器电路2072的状态信号COMP_RDY的时序图；用于启用比较器电路2072的信号ENA_COMP的时序图；旁路模式的状态信号BYPASS_RDY的时序图；比较电压VCOMP的曲线；开关模式电源200的输出电压VFB的曲线；以及开关模式电源200的启动电路207的节点A的电压VSTART曲线。

在初始时间t0之前，启用比较器电路2072，信号ENA_COMP处于高态。然而，比较器电路2072尚未就绪来比较其在其输入处接收的信号，由此信号COMP_RDY处于低态。输出信号OUT_COMP任意地处于低态或高态。开关模式电源200未处于旁路模式，由此信号BYPASS_RDY处于低态，但也未处于脉宽调制模式。然而，请求启用旁路模式，并且信号BYPASS_EN处于高态。在本文中图示的情况下，开关模式电源200的输出电压VFB处于例如等于2V的电压电平。比较电压VCOMP等于第一阈值电压，在图5中所图示的情况下，该比较电压低于电压VFB，例如等于1.2V。电压VSTART等于输出电压VFB。

在初始时间t0时，比较器电路2072就绪，并且将信号VFB与比较信号VCOMP进行比较(图4的步骤305和307)，信号COMP_RDY切换为高态。如先前所提及的，电压VFB大于比较电压VCOMP，并且因此比较器2072的输出信号处于高态。

在时间t1时，将比较器电路2072复位，将信号ENA_COMP相继切换为低态并且然后切换为高态。然后，比较器电路不再准备执行比较，信号COMP_RDY切换为低态。比较器电路2072的输出信号OUT_COMP切换为低态。增大比较电压VCOMP的电平，直到其达到开关模式电源200的例如等于图5中的2.6V的输入电压Vin的电平(图4的步骤311)为止。

在时间t2时，比较器电路2072就绪以待使用，信号COMP_RDY切换为高态。如先前所提及的，电压VFB低于电压Vin，因此输出信号OUT_COMP处于低态。

然后，开关模式电源200进入脉宽调制模式，并逐渐增大输出电压VFB。然后，电压VSTART也根据斜坡增大。

在时间t3时，电压VSTART达到电压Vin(图4的步骤317)，比较器电路2072的输出信号OUT_COMP切换为高态。状态机2073停用比较器电路2072，由此信号ENA_COMP和COMP_RDY都切换为低态。

然后，开关模式电源200处于旁路模式，信号BYPASS_RDY切换为高态。脉宽调制模式的电压VSTART降低至低电平，例如接地。

这种启动方法的优点在于，它比常规的旁路模式启动方法更快且功耗更低。实际上，因为开关模式电源的输出电压电平在任何时候都是未知的，所以启动模式可能要等到开关模式电源的输出电压达到低阈值电压之后，然后才将其增加回至所需的电压。这种启动模式将更慢并且功耗更高。

已经描述了各种实施例和变型。本领域的技术人员将理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以被组合，并且本领域的技术人员将想到其他变型。特别地，开关模式电源的输入电压可以是AC电压，但是在该情况下，开关模式电源将包括整流级，以将AC输入电压转换为DC输入电压。在该情况下，一旦开关模式电源的输出电压等于DC输入电压，该开关模式电源便处于旁路模式。

最后，基于上文给出的功能性指示，所描述的实施例和变型的实际实现在本领域的技术人员的能力之内。

这种更改、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前述描述仅作为示例，而并不旨在进行限制。本发明仅受限于所附权利要求及其等同物中所限定的范围。

Claims (8)

1.一种启动包括开关模式电源的电源电路的方法，包括：

在第一阶段中操作所述电源电路，其中所述开关模式电源被旁路以从输入电压生成输出电压；

生成等于所述输出电压的起始电压；

然后在第二阶段中操作所述电源电路，其中所述开关模式电源被控制为使用脉宽调制以引起所述输出电压的增大；

当在所述第二阶段时，根据斜坡增大所述起始电压；

在所述第二阶段中将所述斜坡起始电压与比较电压进行比较；以及

当所述斜坡起始电压达到所述比较电压时，然后在第三阶段中操作所述电源电路，其中所述开关模式电源被旁路以从所述输入电压生成所述输出电压。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当在所述第一阶段中操作所述电源电路时，将所述比较电压设置为小于所述输入电压的第一电平。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：当在所述第二阶段中操作所述电源电路时，将所述比较电压切换为等于所述输入电压的第二电平。

4.一种电源电路，包括：

开关模式电源，接收输入电压并且生成输出电压；以及

电路，被配置为通过以下各项来启动所述电源电路：

在第一阶段中操作，其中所述开关模式电源被旁路以从所述输入电压生成所述输出电压；

生成等于所述输出电压的起始电压；

然后在第二阶段中操作，其中所述开关模式电源被控制为使用脉宽调制以引起所述输出电压的增大；

在所述第二阶段期间，根据斜坡增大所述起始电压；

在所述第二阶段期间，将所述斜坡起始电压与比较电压进行比较；以及

当所述斜坡起始电压达到所述比较电压时，然后在第三阶段中操作，其中所述开关模式电源被旁路以从所述输入电压生成所述输出电压。

5.根据权利要求4所述的电源电路，其中所述电路包括状态机。

6.根据权利要求4所述的电源电路，其中所述电路包括比较器电路，所述比较器电路具有接收所述比较电压的输入，并且其中在所述第一阶段期间，所述比较电压处于小于所述输入电压的第一电平。

7.根据权利要求6所述的电源电路，其中在所述第二阶段期间，所述比较电压处于等于所述输入电压的第二电平。

8.根据权利要求7所述的电源电路，其中所述电路包括状态机，并且其中所述比较器电路由所述状态机控制。

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