CN113922654B - 软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备 - Google Patents

软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及开关电源技术，提出了一种软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备，用于减少系统原副边压力，其中，软启动电路部分包括窄脉冲宽度时钟模块、第一功率开关管、第一电流源、第一电容单元、第二电容单元，所述第一功率开关管的控制端连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，所述第一功率开关管的第一端连接至所述第一电容单元的一端和用于连接至所述比较器的第二输入端，所述第一电容单元的另一端连接至地端，所述第一功率开关管的第二端连接至所述第一电流源的一端和所述第二电容单元的一端，所述第一电流源的另一端用于连接至电源端，所述第二电容单元的另一端连接至所述地端。

Description

软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备
技术领域
本申请涉及开关电源技术领域，尤其涉及到了一种软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备。
背景技术
电源适配器在系统起机的过程中，不控制输出端的反馈电压(CS电压)的话，由于环路的作用，系统会尝试以最大的峰值电流工作，带来较大的原副边应力。为解决这一问题，需要软启动电路。
如图1，为电源适配器加了软启动电路后的电路示意图，包括AC整流101，变压器102，驱动功率级电路103，软启动比较器SS_CMP104和软启动电路105。在软启动阶段，LPCLK上升沿到来时，通过驱动功率级电路103，打开功率开关管(图中未示出)，为储能电容Cout补充能量。SOCP上升沿到来时，通过驱动功率级电路103，关闭功率开关管，停止对Cout补充能量。图1中，系统起机时，Vsoft电压从0V缓慢上升目标值，电压Vcs代表变压器102初级电感的电流值，可知电压Vcs与变压器102初级电感的电流值IP成线性关系。当Vcs大于Vsoft电压时，比较器的输出信号SOCP发出高电平，通过驱动功率级电路103关断功率开关管，以禁止变压器101的初级电感电流进一步上升。由于Vsoft电压是比较缓慢的由0V上升，所以变压器102的初级电感电流的峰值也是缓慢的增大，从而启动软启动的目的，Vsoft、Vcs和IP的具体波形如图2示。
发明人研究发现，目前的电路版图中，一般都存在版图寄生电容Cpa，版图寄生电容Cpa通常由电路中的MOS器件、版图走线以及布局引起的，通常在10fF左右，包括由MOS器件引入的寄生电容约为3fF左右，由版图走线以及布局引起的寄生电容约为7fF左右。当然，不同的版图走线和布局，这部分差别可能会比较大，这导致软启动电路设计的电路性能，对版图设计具有严重的依懒性，由于此版图设计电容的影响，会使得Vsoft电压升上过快，这导致Vcs电压上升过快，给电路系统带来较大原副边应力。
发明内容
本申请涉及开关电源技术领域，尤其涉及到了一种软启动电路、开关电源电路、开关电源设备和电子设备。
第一方面，提供了一种软启动电路，用于开关电源电路中，开关电源电路包括比较器和驱动功率级电路，比较器的输出端与驱动功率级电路的输入端相连，比较器的第一输入端与驱动功率级电路的输出端相连；
其中，软启动电路包括窄脉冲宽度时钟模块、第一功率开关管、第一电流源、第一电容单元、第二电容单元，功率开关管的控制端连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，第一功率开关管的第一端连接至第一电容单元的一端和用于连接至比较器的第二输入端，第一电容单元的另一端连接至地端，第一功率开关管的第二端连接至第一电流源的一端和第二电容单元的一端，第一电流源的另一端用于连接至电源端，第二电容单元的另一端连接至地端。
在一实施方式中，软启动电路还包括电压控制电路，电压控制电路被配置为限制第一功率开关管的第一端与第二端之间的电压差。
在一实施方式中，电压控制电路包括第二电流源和第二功率开关管，第二功率开关管的控制端连接至第一功率开关管的第一端，第二功率开关管的第一端和第二电流源的一端共接后连接至第一功率开关管的第二端，第二功率开关管的第二端连接至地端。
在一实施方式中，第二功率开关管采用P型绝缘栅场效应管，P型绝缘栅场效应管的栅极连接至第一功率开关管的第一端，P型绝缘栅场效应管的源极和第二电流源的一端共接后连接至第一功率开关管的第二端，P型绝缘栅场效应管的漏极连接至地端。
在一实施方式中，第一功率开关管采用N型绝缘栅场效应管，N型绝缘栅场效应管的栅极连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，N型绝缘栅场效应管的源极连接至第一电容单元的一端和用于连接至比较器的第二输入端，N型绝缘栅场效应管的漏极连接至第一电流源的一端和第二电容单元的一端。
在一实施方式中，第一电流源包括第一电流镜。
在一实施方式中，第二电流源包括第二电流镜。
第二方面，提供了一种开关电源电路，包括AC整流电路、变压器、驱动功率级电路，比较器和如前述任一项的软启动电路，其中，比较器的输出端与驱动功率级电路的输入端相连，比较器的第一输入端与驱动功率级电路的输出端相连，比较器的第二输入端与软启动电路相连。
第三方面，提供了一种开关电源设备，包括前述提及的开关电源电路。
第四方面，提供了一种电子设备，包括如前述提及的开关电源电路或前述提及的开关电源设备。
本申请实施例中，用于开关电源电路中，开关电源电路包括比较器和驱动功率级电路，比较器的输出端与驱动功率级电路的输入端相连，比较器的第一输入端与驱动功率级电路的输出端相连；
其中，软启动电路包括窄脉冲宽度时钟模块、第一功率开关管、第一电流源、第一电容单元、第二电容单元，第一功率开关管的控制端连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，第一功率开关管的第一端连接至第一电容单元的一端和用于连接至比较器的第二输入端，第一电容单元的另一端连接至地端，第一功率开关管的第二端连接至第一电流源的一端和第二电容单元的一端，第一电流源的另一端用于连接至电源端，第二电容单元的另一端连接至地端。通过增加第二电容单元，降低寄生电容Cpa对电路性能的影响，增强了电路设计的一致性和可靠性，大幅降低了电路设计性能甚至是功能对版图设计的依赖性，因此能有效地避免Vsoft电压升上过快，不会使CS电压上升过快，减少电路系统中的原副边应力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是电源适配器加了软启动电路后的电路结构示意图；
图2是Vsoft、Vcs和IP的波形关系示意图；
图3是本申请一种实施例提供的一种软启动电路的一结构示意图；
图4是本申请一种实施例提供的一种软启动电路的另一结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本申请实施例提供了一种软启动电路105，该软启动电路105用于开关电源电路中，该开关电源电路包括变压器102、比较器104和驱动功率级电路103，比较器104(如SSCMP比较器)的输出端与驱动功率级电路103的输入端相连，比较器104的第一输入端(-端)与驱动功率级电路103的输出端(Vcs电压)相连。在一实施例中，还可以包括AC整流电路101。
需要说明的是，本申请实施例提供的开关电源电路包括但不局限于反激式开关电源电路、正激或者其他类型的开关电源电路，具体不做限定，AC整流电路101用于将交流电转为直流电，在经过变压器102和驱动功率级电路103构成的功率变换模块进行变换后，可以得到所需的直流输出。
开关电源电路起机时，Vsoft电压从0V缓慢上升目标值，电压Vcs代表变压器102初级电感的电流值，可知电压Vcs与变压器102初级电感的电流值IP成线性关系。当Vcs大于Vsoft电压时，比较器的输出端的输出信号SOCP用于发出高电平，通过驱动功率级电路103关断功率开关管，以禁止变压器101的初级电感电流进一步上升。由于Vsoft电压是比较缓慢的由0V上升，所以变压器102的初级电感电流的峰值也是缓慢的增大。
为减少或避免电路中版图走线以及布局引起的寄生电容使得Vsoft电压升上过快，最终导致CS电压上升过快，给电路系统带来较大原副边应力的问题，如图3所示，本申请提供了一种软启动电路105，本申请提供的软启动电路105包括窄脉冲宽度时钟模块、第一功率开关管M1、第一电流源I1、第一电容单元C1和版图寄生电容Cpa，第一功率开关管M1的控制端连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，第一功率开关管M1的第一端连接至第一电容单元C1的一端和用于连接至比较器104的第二输入端(+端)，第一电容单元C1的另一端连接至地端，第一功率开关管M1的第二端连接至第一电流源I1的一端和版图寄生电容Cpa的一端，版图寄生电容Cpa的另一端接地端，第一电流源I1的另一端用于连接至电源端(V5V电源端，一般取5V)。
在一实施方式中，第一功率开关管M1可以采用N型绝缘栅场效应管(NMOS)，N型绝缘栅场效应管的栅极(g极)连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，N型绝缘栅场效应管的源极(s极)连接至第一电容单元C1的一端和用于连接至比较器104的第二输入端，N型绝缘栅场效应管的漏极(d极)连接至第一电流源I1的一端和版图寄生电容Cpa的一端，版图寄生电容Cpa的另一端接地端。需要说明的是，第一功率开关管M1也可以采用其他类型的开关管，如三极管等，只要使得变换后的开关管能够实现NMOS管一样的功能即可，具体不做限定。
需要说明的是，寄生电容Cpa在电路线路设计中是不存在的，是由MOS器件、版图走线以及布局引起的，通常在10fF左右，包括由开关管器件引入的寄生电容约为3fF左右，由版图走线以及布局引起的寄生电容约为7fF左右。当然，不同的版图走线和布局，这部分差别可能会比较大，这里是为便于分析版图寄生电容Cpa的影响，这里特在图3中标出。而电流源I1通常为10nA级别。第一电容单元C1一般取10pF左右。窄脉宽时钟模块的输出信号为CLK，其高电平脉冲宽度为ns级别，一般取20ns左右。需要说明的是，上述具体数值在这里仅为示例性说明，并不对本申请实施例造成限定。
发明人研究发现，窄脉宽时钟模块产生的CLK为低电平时，NMOS管M1关断，V1电压为模拟电源电压，即V5V，一般取5V，因此，由于NMOS管M1关断，Vsoft初始电压为0V。当CLK高电平脉冲到来后，NMOS管M2导通。电路设计上，电流源I1包括可以通常使用第一电流镜实现，其电流建立时间通常也可以为20ns左右，再加上其电流值很小，所以，当NMOS管M1导通后，是节点V1和节点Vsoft的电荷进行重新分配的过程，电流源I1对第一电容单元C1的充电可以忽略不计。
综上，NMOS管M2每导通一次，Vsoft的上升电压为：其中，Vstep是节点Vsoft每周期的上升电压。C1是表示第一电容单元C1的电容值，Cpa是表示版图寄生电容Cpa的电容值，V1和Vsoft是窄脉宽时钟CLK每周期为低电平时的电压，初始时，V1是5V，Vsoft是0V。由上述公式可知，由于寄生电容Cpa的存在，这样不仅导致前后仿真Vstep的差别非常大，而且导致此电路对版图设计具有强依懒性，假如设计目标是Vsoft在系统起机的前4ms，由0V上升至1V。而前仿真也确实达到了此目标，如果模拟设计工程师没有进行后仿真，实际芯片的测试效果，很可能是电源系统起机前1ms，Vsoft电压就由0V上升到了1V，也即Vsoft电压上升过快，这导致CS电压上升过快，给系统带来较大原副边应力，因此，如图3所示，发明人在电路基础上加上第二电容单元和电压控制电路。
具体地，如图4所示，本申请提供的软启动电路105还包括第二电容单元C2，第一功率开关管M1的第二端还连接至第二电容单元C2的一端，第二电容单元C2的另一端连接至地端，以第一功率开关管M1为NMOS管为例，也即NMOS管M2的d极还连接至第二电容单元C2的一端。由图4可以看出，通过上述第二电容单元C2的连接关系，第二电容单元C2相当于与版图寄生电容Cpa并接，这样，由上述计算公式可知，NMOS管M1每导通一次，Vsoft的上升电压为：由于第二电容单元C2的加入，此公式可以更正为：C2是表示第一电容单元C2的电容值.
示例性的，第二电容单元C2取值可以50fF左右，可以看出，50fF远大于由于版图设计而引入的寄生电容Cpa的电容值10fF，增强了电路设计的一致性和可靠性，大幅降低了电路设计性能甚至是功能对版图设计的依赖性，也就是说，在V1节点，增加一个电容单元C2，以降低寄生电容Cpa对电路性能的影响，降低电路设计对版图设计的依懒性，因此，能有效地避免Vsoft电压升上过快，不会使CS电压上升过快，减少电路系统中的原副边应力。
如图3所示，在一实施例中，软启动电路还包括电压控制电路，电压控制电路被配置为限制第一功率开关管M1的第一端与第二端之间的电压差，以第一功率开关管M1为NMOS管为例，也就是电压控制电路被配置限制NMOS管的d极和s极之间的电压，这样，通过电压控制电路减小V1和Vsoft之间的电压差，确保在V1节点增加第二电容单元C2后，第一电容单元C1不需要大幅加大，从而也不会增加电路的设计成本。
在一实施例中，如图4所示，本申请实施例提供了一种具体的电压控制电路，电压控制电路包括第二电流源I2和第二功率开关管M2，第二功率开关管M2的控制端连接至第一功率开关管M1的第一端，第二功率开关管M2的第一端和第二电流源I2的一端共接后连接至第一功率开关管的M1第二端，第二功率开关管M2的第二端连接至地端，第二电流源I2的另一端接到电源端(V5V)。
在一实施例中，第二功率开关管采用P型绝缘栅场效应管(PMOS)，该P型绝缘栅场效应管的栅极(g极)连接至第一功率开关管M1的第一端，P型绝缘栅场效应管的源极(s极)和第二电流源I2的一端共接后连接至第一功率开关管M1的第二端，P型绝缘栅场效应管的漏极(d极)连接至地端。以第一功率开关管M1为NMOS管为例，也即是，PMOS管M2的s极与NMOS管的d极和第二电流源I2的一端连接，PMOS管M2的g极与NMOS管的s极和第一电容单元C1的一端连接，PMOS管M2的d极连接至地端。需要说明的是，第二功率开关管M2也可以采用其他类型的开关管，如三极管等，只要使得变换后的开关管能够实现PMOS管一样的功能即可，具体不做限定。
在该实施例中，通过在V1节点增加了第二电流源I2，PMOS管M2，以及第二电容单元C2，可以有效地保证在时钟信号CLK为低电平时，也就是NMOS管M1处于关断状态时，由于电压控制电路的存在，限制了V1和Vsoft的压差，可使得V1-Vsoft始终小于0.7V，这样，通过上述公式和电路图关系可知，可以避免由于第二电容单元C2的引入，而需要把第一电容单元C1成倍加大的问题，有效地保证了电路设计的成本没有增加。
在一实施例中，第二电流源包括第二电流镜，也就是说，该第二电流源可以采用第二电流镜来实现，具体不做限定。另外，第二电流源I2可取值为100nA左右，具体不做限定，可依据实际电路参数确定。
在一实施例中，本申请提供了一种开关电源电路，如图1所示，该开关电源电路包括AC整流电路101、变压器102、驱动功率级电路103，比较器04和软启动电路105，其中，该软启动电路105为如前述实施例提及的任一项的软启动电路，其中，比较器104的输出端(SOCP)与驱动功率级电路103的输入端相连，比较器的第一输入端(-端)与驱动功率级电路的输出端(Vcs)相连，比较器的第二输入端(+端)与软启动电路105相连，也即与软启动电路105的输出端Vsoft相连。需要说明的是，本申请提供的软启动电路的具体电路，可参阅前述描述，这里不再重复描述。
其中，关于该开关电源电路的工作原理如下：
在软启动阶段，LPCLK上升沿到来时，通过驱动功率级电路103，打开开关电源电路的功率开关管(图中未示出)，为储能电容Cout补充能量。SOCP上升沿到来时，通过驱动功率级电路103，关闭功率开关管，停止对Cout补充能量。系统起机时，Vsoft电压从0V缓慢上升目标值，电压Vcs代表变压器102初级电感的电流值，可知电压Vcs与变压器102初级电感的电流值IP成线性关系。当Vcs大于Vsoft电压时，软启动比较器SSCMP的输出信号SOCP发出高电平，通过驱动功率级电路103关断功率开关管，以禁止变压器101的初级电感电流进一步上升。由于Vsoft电压是比较缓慢的由0V上升，所以变压器102的初级电感电流的峰值也是缓慢的增大，起到软启动的作用，避免带来较大的原副边应力，同时，由于本申请中的软启动电路105中加入了第二电容单元C2和电压控制电路，一方面在软启动电路105的V1节点，增加一个第二电容单元C2，可以降低寄生电容Cpa对电路性能的影响，降低电路设计对版图设计的依懒性，从而还能减少由于寄生电容Cpa所带来的原副边压力，另一方面，通过电压控制电路减小可以减少V1和Vsoft之间的电压差，确保在V1节点增加第二电容单元C2后，第一电容单元C1不需要大幅加大，也不会增加电路设计成本。
在一实施例中，提供了一种开关电源设备，包括前述提及的开关电源电路。在一实施例中，提供了一种电子设备，包括如前述实施例所提及的开关电源电路或开关电源设备。可见，采用了上述开关电源电路的开关电源设备，或者采用了上述开关电源电路或开关电源设备的电子设备，一方面具有软启动功能而且有效地减少原副边压力，另一方面不会增加过大的设计成本，具有较高的实用性。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种软启动电路，其特征在于，用于开关电源电路中，所述开关电源电路包括比较器和驱动功率级电路，所述比较器的输出端与驱动功率级电路的输入端相连，所述比较器的第一输入端与所述驱动功率级电路的输出端相连；
其中，所述软启动电路包括窄脉冲宽度时钟模块、第一功率开关管、第一电流源、第一电容单元、第二电容单元，所述第一功率开关管的控制端连接至窄脉冲宽度时钟模块的输出端，所述第一功率开关管的第一端连接至所述第一电容单元的一端和用于连接至所述比较器的第二输入端，所述第一电容单元的另一端连接至地端，所述第一功率开关管的第二端连接至所述第一电流源的一端和所述第二电容单元的一端，所述第一电流源的另一端用于连接至电源端，所述第二电容单元的另一端连接至所述地端；
所述软启动电路还包括电压控制电路，所述电压控制电路被配置为限制所述第一功率开关管的第一端与所述第二端之间的电压差；所述电压控制电路包括第二电流源和第二功率开关管，所述第二功率开关管的控制端连接至所述第一功率开关管的第一端，所述第二功率开关管的第一端和所述第二电流源的一端共接后连接至所述第一功率开关管的第二端，所述第二功率开关管的第二端连接至所述地端，所述第二电流源的另一端与所述电源端相连。
2.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述第二功率开关管采用P型绝缘栅场效应管，所述P型绝缘栅场效应管的栅极连接至所述第一功率开关管的第一端，所述P型绝缘栅场效应管的源极和所述第二电流源的一端共接后连接至所述第一功率开关管的第二端，所述P型绝缘栅场效应管的漏极连接至所述地端。
3.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述第一功率开关管采用N型绝缘栅场效应管，所述N型绝缘栅场效应管的栅极连接至所述窄脉冲宽度时钟模块的输出端，所述N型绝缘栅场效应管的源极连接至所述第一电容单元的一端和用于连接至所述比较器的第二输入端，所述N型绝缘栅场效应管的漏极连接至所述第一电流源的一端和所述第二电容单元的一端。
4.如权利要求1-3任一项所述的软启动电路，其特征在于，所述第一电流源包括第一电流镜。
5.如权利要求1-3任一项所述的软启动电路，其特征在于，所述第二电流源包括第二电流镜。
6.一种开关电源电路，其特征在于，包括AC整流电路、变压器、驱动功率级电路、比较器和如权利要求1-5任一项所述的软启动电路，其中，所述比较器的输出端与所述驱动功率级电路的输入端相连，所述比较器的第一输入端与所述驱动功率级电路的输出端相连，所述比较器的第二输入端与所述软启动电路相连。
7.一种开关电源设备，其特征在于，包括如权利要求6所述的开关电源电路。
8.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求6所述的开关电源电路或如权利要求7所述的开关电源设备。
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