CN113949257A

CN113949257A - 一种基于平均电流模控制系统的软启动电路

Info

Publication number: CN113949257A
Application number: CN202111214121.2A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏志; 李进
Original assignee: Zhuhai Zhirong Technology Co ltd
Current assignee: Zhuhai Zhirong Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-01-18

Abstract

本发明涉及一种基于平均电流模控制系统的软启动电路。所述软启动电路包括：运算放大器和PMOS管；所述PMOS管分别与所述运算放大器的输出端、所述运算放大器的负极输入端和平均电流模控制系统连接，所述运算放大器的正极输入端用于输入控制电压。本发明可以实现平均电感电流采样值的控制，防止电流过大引起电压过大导致器件受损。

Description

一种基于平均电流模控制系统的软启动电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种基于平均电流模控制系统的软启动电路。

背景技术

平均电流模控制系统如图1所示，Vout表示系统的输出电压，Iout表示系统的输出电流，Vin表示系统的输入电压，Iin表示系统的输入电流，图中Vc2送到系统控制级，系统控制级通过控制NMOS管的开关来控制系统功率级的输出电压Vout或者输出电流Iout或者输入电流Iin，一般情况下，平均电流模控制系统中的DC-DC开关电源在上电初期，基准电压模块会很快建立并输出精确的基准电压给误差放大器的正向端，而此时输出电压还没有完全建立，因此输出电压分压给误差放大器的反向端的反馈电压FB_Vout非常小，导致误差放大器端输出的误差电压非常大。误差电压通过一系列的控制电路，会使功率开关管一直处于导通状态。因为输出电容初始无电荷存储，会造成电流浪涌，同时可能引起滤波电感与电容产生谐振，进而产生数倍于输入电压的过冲电压。电流浪涌和电压过冲可能会损害DC-DC开关电源和负载设备，造成系统的失效。因此，所有的开关型DC-DC开关电源中，软启动电路是必须的。目前根据占空比或者开关电流的思想，软启动电路的设计方法主要有三种：第一种是对误差放大器输出端进行电压钳位，在启动的时候限制DC-DC的最大占空比，避免功率开关管长时间导通；第二种是在启动的时候用一个缓慢上升的电压来代替输入到误差放大器的带隙参考电压，使得输出电压缓慢上升；第三种是在启动时候，让系统的时钟降频到一个比较低的频率来减小功率开关管在启动时期的开关次数，但是根据这些方法制造的软启动电路无法实现对平均电感电流采样值的控制，容易造成电流过大进而导致电压过大损坏器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，可以实现对平均电流模控制系统中平均电感电流采样值的控制防止电流过大引起电压过大导致器件受损。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，包括：

运算放大器和PMOS管；所述PMOS管分别与所述运算放大器的输出端、所述运算放大器的负极输入端和平均电流模控制系统连接，所述运算放大器的正极输入端用于输入控制电压。

可选的，所述PMOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；所述PMOS管的源极分别与所述运算放大器的负极输入端和所述平均电流模控制系统连接；所述PMOS管的漏极接地。

可选的，所述基于平均电流模控制系统的软启动电路，还包括：电阻；所述PMOS管的漏极与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地。

可选的，所述基于平均电流模控制系统的软启动电路，还包括：基准电压切换电路；所述基准电压切换电路的输入端用于输入所述控制电压，所述基准电压切换电路的输出端与所述运算放大器的正极输入端连接。

可选的，所述基准电压切换电路包括：串联的译码器和开关模块；所述开关模块包括多个并联的开关，所述译码器的输入端用于输入所述控制电压；所述开关模块的输出端与所述运算放大器的正极输入端连接。

可选的，所述译码器为3-8译码器。

可选的，所述平均电流模控制系统包括：电压环路、限流环路和电流环路；所述PMOS管分别与所述电压环路的输出端、所述限流环路的输出端和所述电流环路的输入端连接。

可选的，所述电压环路、所述限流环路和所述电流环路均为误差放大器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于平均电流模控制系统的软启动电路，包括：运算放大器和PMOS管；PMOS管分别与运算放大器的输出端、运算放大器的负极输入端和平均电流模控制系统连接，运算放大器的正极输入端用于输入控制电压，通过运算放大器正极和负极端电压值的大小与PMOS管配合可以实现对平均电流模控制系统平均电感电流采样值的控制，防止电流过大引起电压过大导致器件受损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为现有的平均电流模控制系统与DC-DC控制系统的连接关系电路图；

图2为本发明实施例提供的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路的电路图；

图3为开关模块的电路图；

图4为3-8译码器的管脚图；

图5为本发明实施例提供的软启动电路工作过程中各数据的变化图。

符号说明：

Vout-系统的输出电压、Iout-系统的输出电流、Vin-系统的输入电压、Iin-系统的输入电流、EA_V-电压环路、EA_I-限流环路、EA2-电流环路、M1-PMOS管、V_{ref_V}-基准电压、FB_Vout-电压反馈信号、V_{ref_I}-基准电流、I_{sense_out}-输出采样电流采样值、I_{sense_in}-输入采样电流采样值、V_c1-第一电压信号、I_avg-平均电感电流采样值、V_c2-第二电压信号、V_{ref_sw}-控制电压、OP-运算放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

开关电源DC-DC控制模式中，平均电流模控制系统通过在电流环引入一个高增益的集成电流运放来实现对电流的精确跟随，环路控制信号反映了电流的当前值，可以通过对环路信号的控制，达到控制电流的目的。通过以上分析，本发明提出基于平均电流模控制系统的一种软启动电路，通过对DC-DC开关电源中平均电流的控制，实现软启动过程。如图2所示，所述软启动电路，包括：运算放大器OP和PMOS管M1；所述PMOS管M1分别与所述运算放大器OP的输出端、所述运算放大器OP的负极输入端和平均电流模控制系统连接，所述运算放大器OP的正极输入端用于输入控制电压。

作为一种可选的实施方式，所述PMOS管M1的栅极与所述运算放大器OP的输出端连接；所述PMOS管M1的源极分别与所述运算放大器OP的负极输入端和平均电流模控制系统连接；所述PMOS管M1的漏极接地。

作为一种可选的实施方式，所述软启动电路，还包括：电阻；所述PMOS管M1的漏极与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地。

作为一种可选的实施方式，所述软启动电路，还包括：基准电压切换电路；所述基准电压切换电路的输入端用于输入所述控制电压，所述基准电压切换电路的输出端与所述运算放大器OP的正极输入端连接。

作为一种可选的实施方式，所述基准电压切换电路包括：串联的译码器和开关模块；所述开关模块包括多个并联的开关如图3所示，所述译码器的输入端用于输入所述控制电压；所述开关模块的输出端与所述运算放大器OP的正极输入端连接。

作为一种可选的实施方式，所述译码器为3-8译码器如图4所示。

作为一种可选的实施方式，所述平均电流模控制系统包括：电压环路EA_V、限流环路EA_I和电流环路EA2；所述PMOS管M1分别与所述电压环路EA_V的输出端、所述限流环路EA_I的输出端和所述电流环路EA2的输入端连接，如图1所示，现有的平均电流模控制系统对DC-DC控制系统进行控制时，DC-DC控制系统产生基准电压V_{ref_V}、基准电流V_{ref_I}、平均电感电流采样值I_avg、系统的输入电流Iin的采样值(输入电流采样值I_{sense_in})和系统的输出电流Iout的采样值(输出电流采样值I_{sense_out})。电压环路EA_V正端连接基准电压V_{ref_V}，负端连接系统的输出电流V_out的分压反馈(电压反馈信号FB_Vout)，限流环路EA_I正端连接基准电流V_{ref_I}，负端连接输入/输出电流采样值I_sense(输入电流采样值I_{sense_in}和输出电流采样值I_{sense_out})。电压环路EA_V的输出和限流环路EA_I的输出连接EA2的正端；EA2的输入为第一电压信号V_c1与平均电感电流采样值I_avg，EA2输出第二电压信号V_c2，V_c2会经过DC-DC控制系统，实现对系统的输出电压Vout、系统的输入电流Iin或系统的输出电流Iout的稳定控制。

作为一种可选的实施方式，所述电压环路EA_V、所述限流环路EA_I和所述电流环路EA2均为误差放大器。

本实施例提供的软启动电路的工作过程如下：

EA_V与EA_I输出短接，输出第一电压信号V_c1，EA2的输入为V_c1与平均电感电流采样值I_avg，EA2输出第二电压信号V_c2，V_c2会经过DC-DC开关电源变换器一系列控制电路，实现对输出电压Vout、输入电流Iin或输出电流Iout的稳定控制。

当DC-DC变换器受电压环路EA_V控制时(限流环路EA_I不起作用)，EA_V输入相等，即V_{ref_V}等于FB_VOUT，EA2输入相等，即V_c1等于I_avg，V_c1反应了电流的当前值。

当DC-DC变换器受限流环路EA_I控制时(电压环路EA_V不起作用)，EA_I输入相等，即基准电压V_{ref_I}等于Isense_out或者Isense_in，EA2输入相等，即V_c1等于I_avg，V_c1反应了电流的当前值。

PMOS管M1的源端通过对V_c1的最大值钳位实现软启动过程。在确定的控制电压V_{ref_sw}下，若V_c1的值小于V_{ref_sw}，即OP负端输入小于正端输入，OP输出为高，使M1关闭，不对V_c1产生下拉控制，V_c1不会被钳位。若V_c1的值大于V_{ref_sw}，即OP负端输入大于正端输入，OP输出为低，使M1打开，对M1产生下拉控制，V_c1的值减小。当V_c1与V_{ref_sw}相等时，OP输出一固定电压值，控制M1下拉电流固定，V_c1值钳位在V_{ref_sw}处。软启动电流限制电路中，通过对V_c1最大值的控制，达到电流环路EA2最大值钳位的目的。

基于对V_c1最大值的控制，需要对V_{ref_sw}的值逐步改变才能达到软启动的目的，如图5所示，译码器输入控制电压D0/D1/D2时序逻辑信号，高低电平可看做1和0的bit值，D0/D1/D2均为占空比50％的脉冲信号，D1信号由D0信号1/2分频产生，D2信号由D1信号1/2分频产生，3-8译码器输出信号S0～S7控制图3中八个开关，S0～S7控制的开关分别对应递增的基准电压V_ref1～V_ref8。软启动过程中，信号D0/D1/D2从000～111，每变化一个bit值3-8译码器输出依次使S0～S7信号变高，V_{ref_sw}依次短接V_ref1～V_ref8，实现了V_{ref_sw}的值逐步增加。

本实施例软启动电流控制的完整过程如下：

开关电源DC-DC变换器启动后，软启动电路开始第一个bit值，即D0/D1/D2＝000时，3-8译码器输出S0为高电平，V_{ref_sw}等于第一基准电压V_ref1，对应的电流最大钳位值I_{max_clp}等于I1，持续T₀时间后进位到下一bit；第二个bit值，即D0/D1/D2＝001时，3-8译码器输出S1为高电平，V_{ref_sw}等于第二基准电压V_ref2，对应的电流最大钳位值I_{max_clp}等于I2，持续T₀时间后进位到下一bit值；以此类推进位到第八个bit值，即D0/D1/D2＝111时，3-8译码器输出S7为高电平，V_{ref_sw}等于第八基准电压V_ref8，对应的电流最大钳位值I_{max_clp}等于I8，持续T₀时间后SS_FINISH信号置高(表示软启动结束)，同时D0/D1/D2置高。

例如，平均电流模控制系统中电压环路EA_V设置的输出目标电压为VOUT1，DC-DC开关电源启动过程中，首先软启动电路中的电流钳位电路会将最大电流钳位于I1，此时以I1的平均电感电流采样值I_avg给输出电容充电，若第一个T₀时间段内输出电压未到达输出目标电压VOUT1；软启动电路进入第二个电流钳位阶段，会将最大平均电感电流采样值I_avg钳位于I2，此时以I2的平均电感电流采样值I_avg给输出电容充电，若第二个T₀时间段内输出电压到达VOUT1，则DC-DC开关电源控制电路工作在EA_V控制的电压环路EA_V，EA_V输入相等。软启动过程中的电流钳位电路在T₀时间后，仍然会将最大平均电感电流采样值I_avg钳位值I_{max_clp}增加到I3直至I8，最后SS_FINISH信号置高(软启动结束)，但是此时环路已经处于电压环路EA_V工作状态，软启动电流限制电路不起作用。

例如，平均电流模控制系统控制的DC-DC开关电源限流环路EA_I设置限流值为I_sense1(限流环路EA_I以I_sense1工作时对应的平均电感电流采样值I2<I_avg<I3)，DC-DC开关电源启动过程中，首先软启动电路中的电流钳位电路会将最大平均电感电流采样值I_avg钳位于I1，此时并未到达限流值，DC-DC开关电源中的电流环路EA2控制平均电感电流采样值I_avg为I1；T₀时间后电流钳位电路到达第二个电流钳位阶段，会将最大平均电感电流采样值I_avg钳位于I2，此时同样未到达限流值，DC-DC开关电源中的电流环路EA2控制平均电感电流采样值I_avg为I2；接着T₀时间后电流钳位电路到达第三个电流钳位阶段，此时电流环路EA2钳位的最大平均电感电流采样值I_avg至I3，由于限流环路EA_I工作时平均电感电流采样值I2<I_avg<I3，故已达到DC-DC开关电源中的限流环路EA_I，此时DC-DC开关电源就会工作在限流环路EA_I中，EA_I输入相等。软启动过程中的电流钳位电路在T₀时间后，仍然会将最大平均电感电流采样值I_avg钳位值I_{max_clp}增加到I4直至I8，最后SS_FINISH信号置高(软启动结束)，但是此时环路已经处于限流环路EA_I工作状态，软启动电流限制电路不起作用。

本发明提出的平均电流模控制系统的软启动电路实现了对平均电流模控制系统中平均电感电流采样值的精确控制，电路简单，软启动时间可灵活调整，并解决了输出电流浪涌和过冲电压的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，所述PMOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；所述PMOS管的源极分别与所述运算放大器的负极输入端和所述平均电流模控制系统连接；所述PMOS管的漏极接地。

3.根据权利要求2所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，还包括：电阻；所述PMOS管的漏极与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，还包括：基准电压切换电路；所述基准电压切换电路的输入端用于输入所述控制电压，所述基准电压切换电路的输出端与所述运算放大器的正极输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，所述基准电压切换电路包括：串联的译码器和开关模块；所述开关模块包括多个并联的开关，所述译码器的输入端用于输入所述控制电压；所述开关模块的输出端与所述运算放大器的正极输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，所述译码器为3-8译码器。

7.根据权利要求1所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，所述平均电流模控制系统包括：电压环路、限流环路和电流环路；所述PMOS管分别与所述电压环路的输出端、所述限流环路的输出端和所述电流环路的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于平均电流模控制系统的软启动电路，其特征在于，所述电压环路、所述限流环路和所述电流环路均为误差放大器。