CN115912890A - 一种软启动电压电路及控制方法、和直流转换电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电路设计技术领域，公开一种软启动电压电路及控制方法、和直流转换电路，该软启动电压电路包括电容充电电路、钳位电路，电容充电电路包括电流源、第一开关管、第二开关管和充电电容，电流源、第一开关管的第一端和充电电容依次连接，电流源的另一端用于连接供电电压，第二开关管连接充电电容与第一开关管的第二端之间的串联节点，第一开关管的控制端用于输入一方波信号，第二开关管用于接入使能信号；钳位电路连接电流源与第一开关管的第一端之间的串联节点，钳位电路用于当电容充电电路对充电电容进行充电时，对第一开关管的第一端进行电压钳位。本申请使得软启动时间更加精准。

Description

一种软启动电压电路及控制方法、和直流转换电路

技术领域

本申请涉及电路设计技术领域，尤其是一种软启动电压电路及控制方法、和直流转换电路。

背景技术

在DCDC系统中，一般都需要软启动电路，来防止电感电流浪涌和输出电压过压；而软启动电路都需要一个软启动电压，由于寄生电容的存在，使得软启动电压不准，从而造成软启动时间很不准，使得电路无法按照预计的时间进行软启动。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提出一种软启动电压电路及控制方法、和直流转换电路。

本申请实施例提出一种软启动电压电路，包括：电容充电电路、钳位电路，所述电容充电电路包括电流源、第一开关管、第二开关管和充电电容，所述电流源、所述第一开关管的第一端和所述充电电容依次连接，所述电流源的另一端用于连接供电电压，所述第二开关管连接所述充电电容与所述第一开关管的第二端之间的串联节点，所述第一开关管的控制端用于输入一方波信号，所述第二开关管用于接入使能信号；

所述钳位电路连接所述电流源与所述第一开关管的第一端之间的串联节点，所述钳位电路用于当所述电容充电电路对所述充电电容进行充电时，对所述第一开关管的第一端进行电压钳位。

进一步地，在上述的软启动电压电路中，所述钳位电路包括第三开关管，所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端，所述第三开关管的第二端接地，所述第三开关管的控制端用于输入与所述第一开关管输入的所述方波信号相反的信号。

进一步地，在上述的软启动电压电路中，还包括一反相器，所述反相器的输入端连接所述第一开关管的控制端，输出端连接所述第三开关管的控制端。

进一步地，在上述的软启动电压电路中，所述钳位电路还包括一电阻，所述电阻与所述第三开关管的第一端或第二端串联。

进一步地，在上述的软启动电压电路中，所述第一开关管和所述第三开关管均为PMOS管，所述第二开关管为NMOS管。

进一步地，在上述的软启动电压电路中，所述电流源包括第四至第八MOS管，第四MOS管和第七MOS管的源极分别用于连接所述供电电压，所述第四MOS管的漏极连接第五MOS管的源极，所述第五MOS管的漏极连接第六MOS管的源极，所述第六MOS管的漏极连接所述第一开关管；

所述第七MOS管的栅极分别连接所述第四MOS管、所述第五MOS管的栅极、以及所述第七MOS管的漏极；所述第七MOS管的漏极连接第八MOS管的源极，所述第八MOS管的栅极分别连接所述第六MOS管的栅极、和所述第八MOS管的漏极；所述第八MOS管的漏极还接地。

本申请的另一实施例还提出一种软启动电压电路控制方法，应用于如权上述的软启动电压电路，所述控制方法包括：

当需要进行软启动充电时，控制所述第一开关管输入所述方波信号，控制所述第二开关管输入低电平信号，以及控制所述第三开关管输入与所述方波信号完全相反的信号。

进一步地，在上述的软启动电压电路控制方法中，所述方波信号中为低电平的占空比为1/16～1/14。

进一步地，在上述的软启动电压电路控制方法中，当所述方波信号输出低电平期间，所述第一开关管导通，且所述第三开关管截止，所述电流源对所述充电电容进行充电；

当所述方波信号输出高电平期间，所述第一开关管截止，且所述第三开关管导通，所述电流源对所述充电电容停止充电。

本申请的另一实施例还提出一种直流转换电路，包括：上述的软启动电压电路。

本申请的实施例具有以下的有益效果：

本申请实施例提出一种软启动电压电路，当电容充电电路对充电电容进行充电时，电路中的钳位电路对第一开关管的第一端进行电压钳位，从而消除杂散电容(寄生电容)对充电电容的影响，从而提高充电电容充电时间的准确性，从而提高电路软启动的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了传统一些实施方式的软启动电压电路的第一模块示意图；

图2示出了传统一些实施方式的软启动电压电路中的电流源模块示意图；

图3示出了本申请一些实施方式的软启动电压电路的第一模块示意图；

图4示出了本申请一些实施方式的软启动电压电路的第二模块示意图；

图5示出了本申请一些实施方式的软启动电压电路中的相反器模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

通常地，软启动电压的产生电路中，常用的一种电路为通过一个电流源Ichg给电容C充电，在电容上产生软启动电压VSS，则得到VSS＝Ichg*t/C；比如我们要得到4ms的软启动时间，而系统的基准电压VREF＝1.25V，如果Ichg＝50nA，得到C＝160pF，所需电容太大，通过时钟逻辑，产生脉冲占空比较小的方波信号；若采用的方波信号的占空比为1/16，则整个4ms的时间内，只有1/16的时间，电流在给电容C充电，其他时间开关断开，不充电，则所需的电容C减小到10pF，则大大减小电容C的成本。

但是在上述通过开关控制产生软启动电压VSS的电路中，存在一定的缺陷，导致软启动时间TSS不准。接下来进行详细分析：

如图1所示，电流源Ichg＝50nA，其产生电路，一般由其他电流镜像产生(0.5uA通过10比1镜像，产生的Ichg＝50nA)。Q1的源极接VDD，所以其阈值电压因为体效应的原因会较大，加上Q1的阈值vth＝1.6V；当CLK＝0V时，Q1导通，Ichg给CSS充电，每次充500ns，CSS上电压上升约2.5mV，此时D1电压为1.6V保持不变；栅极用于接入脉冲信号，当CLK＝VDD(一般5V等)时，Q1不导通，则Ichg把D1节点的寄生电容Cd1充电到VDD；当再次CLK＝0V时，D1电压从VDD突变到1.6V，则Cd1的电容会泄放到CSS上，造成对电容CSS有一个额外的充电，会造成TSS的时间和我们的设计值偏差很大。比如，假设Cd1＝8fF，CSS＝10pF，则Cd1上电压突变为VDD-1.6V＝3.4V，则Cd1上这部分电荷全部泄放到CSS上，造成CSS上电压增加为3.4V*8fF/10pF＝2.72mV，相当于2.5mV的约109％，即每个周期CSS被充电2.5mV+2.72mV，使得TSS比我们的设计值小了接近一半，造成软启动时间不准确。

如图2所示，为Ichg电路，则Q4、Q5和Q6的Drain(下水道)节点D3、D2和D1，都会贡献上述计算中的D1的等效电容值，而上述计算显示D1上及时只有8fF的等效节点电容，都会对TSS的时间造成1倍以上的减小，而对Q4、Q5和Q6的布局和连线，以及和其他连线的寄生等(例如Q7、Q8等)，而和其他连线的寄生还会受到其他连线信号变化的影响等，很容易造成5～10fF的偏差，使得在实际芯片工作时，这个软启动时间变化很大，甚至会随着电路中的信号变化而产生变化。

因此，本申请提出一种软启动电压电路来解决上述问题。

请参照图3，为本申请实施例提出的一种软启动电压电路的模块结构示意图。示范性地，该软启动电压电路应用于DCDC模块中。

在一些实施方式中，如图3所示，一种软启动电压电路可以包括：电容充电电路110、钳位电路120，电容充电电路110包括电流源I、第一开关管Q1、第二开关管Q2和充电电容C，电流源I、第一开关管Q1的第一端和充电电容C依次连接，电流源I的另一端用于连接供电电压，第二开关管Q2连接充电电容C与第一开关管Q1的第二端之间的串联节点。

具体地，第一开关管Q1的控制端用于输入一方波信号，第二开关管Q2用于接入使能信号。钳位电路120连接电流源I与第一开关管Q1的第一端之间的串联节点，钳位电路120用于当电容充电电路110对充电电容C进行充电时，对第一开关管Q1的第一端进行电压钳位。

在一些实施方式中，如图4所示，软启动电压电路中的钳位电路120包括第三开关管Q3，第三开关管Q3的第一端连接第一开关管Q1的第一端，第三开关管Q3的第二端接地，第三开关管Q3的控制端用于输入与第一开关管Q1输入的方波信号相反的信号。

具体地，如图4所示，当CLK的方波信号使能，第二开关管Q2的控制端输入低电平，软启动电路开始工作；当CLK＝0时，第一开关管Q1导通，由于第三开关管Q3控制端输入的信号与第一开关管Q1控制端输入的信号相反，则第三开关管Q3此时输入的信号为VCC，此时第三开关管Q3断开，若每个周期CLK＝0的时间是ton，则电流源I给充电电容C，设电流源I大小为Ichg、电容大小为Css，充电的电压为：△V1＝Ichg*ton/Css。而第一开关管Q1与电流源I串联的中心节点为SS_CALMP，设其中心节点等效的电容为Cd，每次CLK＝0导通，等效电容和充电电容C导通，产生一个电荷共享，其对充电电容C的电压变化为：△V2＝△VSS_CLAMP*Cd/Css。当CLK＝VDD时，第一开关管Q1断开，充电电容C的电压不变，一直等到下一个周期CLK＝0，再次重复上一个周期的充电过程。因此，可以推断每个周期充电电容C被充电的电压为△V1+△V2。对于软启动时间很长的情况，而软启动电压要求尽量线性，软启动电压如果阶跃太大，可能出现系统的浪涌电压，所以软启动电压的每个周期的阶跃电压较小，一般只有几个mV，如上述可知，一个充电电容C上升电压为2.5mV，而△V2也在几个mV左右，并且会受布局和旁边的信号干扰等变化，导致软启动时间在实际的系统工作时不精确，变化超过50％。

而本实施例中，节点SS_CLAMP电压一直不变，第一开关管Q1和第三开关管Q3因为体效应，其阈值电压VTH很大，一般大于1.5V，整个周期SS_CLAMP一直被钳位在VTH电压，所以△V2＝0，则软启动电压只有△V1，使得软启动电压比较精确。

可选择地，第一开关管Q1和第三开关管Q3均为PMOS管，第二开关管Q2为NMOS管。当然，第一开关管Q1至第三开关管Q3还可以为其他种类，比如IGBT、碳化硅、氮化镓等，这里不做限定。

在一些实施方式中，如图5所示，软启动电压电路还包括一反相器，反相器的输入端连接第一开关管Q1的控制端，输出端连接第三开关管Q3的控制端。

具体地，为了减少信号源数量，可以直接将第一开关管Q1和第三开关管Q3公用同一个信号源，由于两开关管所需信号是相反的等特性，则只需要加入一个反相器即可。

在一些实施方式中，如图4所示，软启动电压电路中的钳位电路120还包括一电阻R，电阻R与第三开关管Q3的第一端或第二端串联。

可选择的，可以将电阻R去掉，也可换成低电压偏置电路等，这里不做限定。

在一些实施方式中，如图2所示，电流源I包括第四MOS管Q4至第八MOS管Q8，第四MOS管Q4和第七MOS管Q7的源极分别用于连接供电电压，第四MOS管Q4的漏极连接第五MOS管Q5的源极，第五MOS管Q5的漏极连接第六MOS管Q6的源极，第六MOS管Q6的漏极连接第一开关管Q1。第七MOS管Q7的栅极分别连接第四MOS管Q4、第五MOS管Q5的栅极、以及第七MOS管Q7的漏极。第七MOS管Q7的漏极连接第八MOS管Q8的源极，第八MOS管Q8的栅极分别连接第六MOS管Q6的栅极、和第八MOS管Q8的漏极，第八MOS管Q8的漏极还接地。

本申请实施例提出一种软启动电压电路，当电容充电电路110对充电电容C进行充电时，电路中的钳位电路120对第一开关管Q1的第一端进行电压钳位，从而消除寄生电容对充电电容C的影响，从而提高充电电容C充电时间的准确性，从而提高电路软启动的准确性。

本申请的另一实施例还提出一种软启动电压电路控制方法，应用于上述的软启动电压电路，控制方法包括：

当需要进行软启动充电时，控制第一开关管Q1输入方波信号，控制第二开关管Q2输入低电平信号，以及控制第三开关管Q3输入与方波信号完全相反的信号。

可选择地，方波信号中为低电平的占空比为1/16～1/14。当然，占空比不限于此，还可以为其他的，根据实际情况选择，这里不做限定。

在一些实施方式中，在软启动电压电路控制方法中，当方波信号输出低电平期间，第一开关管Q1导通，且第三开关管Q3截止，电流源I对充电电容C进行充电。当方波信号输出高电平期间，第一开关管Q1截止，且第三开关管Q3导通，电流源I对充电电容C停止充电。

本申请另一实施例还提出一种直流转换电路，包括上述的软启动电压电路。

可以理解，本实施例的方法步骤对应于上述实施例中的软启动电压电路，其中，上述软启动电压电路的可选项同样适用于本实施例，这里不再重复描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软启动电压电路，其特征在于，包括：电容充电电路、钳位电路，所述电容充电电路包括电流源、第一开关管、第二开关管和充电电容，所述电流源、所述第一开关管的第一端和所述充电电容依次连接，所述电流源的另一端用于连接供电电压，所述第二开关管连接所述充电电容与所述第一开关管的第二端之间的串联节点，所述第一开关管的控制端用于输入一方波信号，所述第二开关管用于接入使能信号；

所述钳位电路连接所述电流源与所述第一开关管的第一端之间的串联节点，所述钳位电路用于当所述电容充电电路对所述充电电容进行充电时，对所述第一开关管的第一端进行电压钳位。

2.根据权利要求1所述的软启动电压电路，其特征在于，所述钳位电路包括第三开关管，所述第三开关管的第一端连接所述第一开关管的第一端，所述第三开关管的第二端接地，所述第三开关管的控制端用于输入与所述第一开关管输入的所述方波信号相反的信号。

3.根据权利要求2所述的软启动电压电路，其特征在于，还包括一反相器，所述反相器的输入端连接所述第一开关管的控制端，输出端连接所述第三开关管的控制端。

4.根据权利要求2所述的软启动电压电路，其特征在于，所述钳位电路还包括一电阻，所述电阻与所述第三开关管的第一端或第二端串联。

5.根据权利要求2所述的软启动电压电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第三开关管均为PMOS管，所述第二开关管为NMOS管。

6.根据权利要求1所述的软启动电压电路，其特征在于，所述电流源包括第四至第八MOS管，第四MOS管和第七MOS管的源极分别用于连接所述供电电压，所述第四MOS管的漏极连接第五MOS管的源极，所述第五MOS管的漏极连接第六MOS管的源极，所述第六MOS管的漏极连接所述第一开关管；

所述第七MOS管的栅极分别连接所述第四MOS管、所述第五MOS管的栅极、以及所述第七MOS管的漏极；所述第七MOS管的漏极连接第八MOS管的源极，所述第八MOS管的栅极分别连接所述第六MOS管的栅极、和所述第八MOS管的漏极；所述第八MOS管的漏极还接地。

7.一种软启动电压电路控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6中任一项所述的软启动电压电路，所述控制方法包括：

当需要进行软启动充电时，控制所述第一开关管输入所述方波信号，控制所述第二开关管输入低电平信号，以及控制所述第三开关管输入与所述方波信号完全相反的信号。

8.根据权利要求7所述的软启动电压电路控制方法，其特征在于，所述方波信号中为低电平的占空比为1/16～1/14。

9.根据权利要求7所述的软启动电压电路控制方法，其特征在于，当所述方波信号输出低电平期间，所述第一开关管导通，且所述第三开关管截止，所述电流源对所述充电电容进行充电；

当所述方波信号输出高电平期间，所述第一开关管截止，且所述第三开关管导通，所述电流源对所述充电电容停止充电。

10.一种直流转换电路，其特征在于，包括：权利要求1至6中任一项所述的软启动电压电路。

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