CN1980024B - 开关型调节器和用于软启动开关型调节器的方法 - Google Patents

开关型调节器和用于软启动开关型调节器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关型调节器以及对开关型调节器提供软启动的方法。该开关型调节器包括误差放大器、补偿电容器、触发器、比较器和偏置电流调节电路，其中所述误差放大器接收所述开关型调节器的输出端子的反馈电压以及一第二基准电压，并向所述补偿电容器提供充电电流，该方法涉及用于软启动开关型调节器的方法。根据本发明的开关型调节器，其电路可以监视开关型调节器输出端子的反馈电压，并且调节误差放大器的偏置电流，由于误差放大器总是在闭环条件下工作，本发明同样能够实现软启动到正常工作状态的平稳过渡。

Description

开关型调节器和用于软启动开关型调节器的方法
技术领域
本发明总的涉及开关型调节器，尤其涉及在启动过程中用于开关型调节器的方法和方案。 
背景技术
在传统的开关型调节器，例如图1中所示的6引脚封装的升压变换器中，在启动期间，误差放大器U1迅速为补偿电容器C1充电。因此，电路以其最大的占空比对输出电容器Cout充电。这可能导致令输入供电过载的浪涌，或者导致在输出端产生过电压。利用软启动控制器使C1处的电压缓慢地斜线上升，并限制输送到Cout的能量，这个浪涌可以被避免。 
图2显示了现有技术的软启动方法。在电源断开阶段，电容器C1和C2对地GND放电。当调节器启动时，C2由来自晶体管MP3的小电流缓慢地充电。误差放大器U1的输出被晶体管Q1箝位，后者的基极端子与C2和引脚SS耦接。Q1调节U1的输出电压，使其以与C2和SS处的电压相同的速率上升。这种方法使得电路能以最小占空比缓慢启动输出电压，并且避免过压浪涌问题。然而，这种方法需要额外的电容器和额外的引脚，在引脚数量有限和/或者电容器因过大而不能集成在单个集成电路封装内的情况下，就会成为一个问题。 
图3显示了现有技术的另一种软启动方法，这种方法不需要图2所示电路中的SS引脚和电容器C2。在电源断开期间，电容器C1通过晶体管MN3对地放电。当系统启动时，误差放大器ERROR AMPU1的输出端子与电阻器R1和补偿电容器C1所组成的补偿电路断开。引脚COMP通过晶体管MP4与一个小的上拉(pull up)电流源连接，该电流源缓慢地对补偿电容器C1充电，从而使得COMP的电压缓慢上升，以限制传输到输出端的能量。当引脚FB的电压等于比较器U3的基准电压时，U3的输出将触发器RSFF U4置位，从而使得COMP通过MP4与上拉电流断开，同时误差放大器U1通过 被激活的晶体管MN5和MP5与COMP连接，以进行正常操作。这种方法的缺点在于，在启动期间，虽然误差放大器U1与COMP保持断开，但它的输出为高轨(high rail)。在软启动周期结束处，当误差放大器U1的输出端与COMP连接时可能引起COMP的电压跳高很多，并可能导致输出端的电压过冲(overshot)。 
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于软启动开关型调节器的方法，该开关型调节器包括误差放大器补偿电容器、触发器、比较器和偏置电流调节电路，其中所述误差放大器接收所述开关型调节器的输出端子的反馈电压以及一第二基准电压，并向所述补偿电容器提供充电电流，该方法包括：监视所述开关型调节器的输出端子的反馈电压；当所述开关型调节器处于禁用、欠热或过热、欠压或过压时，提供关闭信号以将所述触发器复位，该触发器具有置位端子、复位端子和输出端子；响应所述关闭信号使得所述补偿电容器放电；通过所述比较器将所述反馈电压与第一基准电压进行比较，如果所述反馈电压变得高于所述第一基准电压时，所述比较器的输出信号将所述触发器置位；响应所述反馈电压和所述触发器的输出信号，通过所述偏置电流调节电路调节所述误差放大器的偏置电流如下：(1)如果所述反馈电压低于所述第一基准电压，将所述误差放大器的偏置电流调节到一小数值，以确保所述开关型调节器的软启动；(2)如果所述反馈电压高于所述第一基准电压，使得所述误差放大器的偏置电流具有其正常工作状态下的正常值；其中当偏置电流由所述小数值切换到正常值时，所述误差放大器在闭环条件下工作。 
在上述方法中，所述第一基准电压可低于所述误差放大器的第二基准电压，因此可在所述反馈电压增加到所述第二基准电压的数值之前，所述比较器进行切换。 
在上述开关型调节器中，所述偏置电流调节电路可包括：第一电流镜，用于提供第一电流I0；第二电流镜，与所述第一电流镜耦接，用于提供第二电流N×I0；第三电流镜，与所述第一和第二电流镜二者耦接，用于提供第三电流I0；第一晶体管对，由第一和第二晶体管组成，这些晶体管的源极端子耦接至所述第二电流镜的漏极端子，其中所述第一晶 体管的栅极端子连接至所述反馈电压，所述第二晶体管的栅极端子连接至所述第二基准电压；第二晶体管对，由第三和第四晶体管组成，其中所述第三晶体管的栅极端子、漏极端子和源极端子分别耦接至所述触发器的输出端子、所述第一晶体管的漏极端子和地；所述第四晶体管的源极端子接地，且其栅极端子连接其漏极端子、一功率晶体管的栅极端子、所述第二晶体管和所述第三电流镜的漏极端子；所述功率晶体管具有与所述第四晶体管相同的漏极电流，并对所述误差放大器提供偏置电流。 
本发明还提供了一种开关型调节器，该开关型调节器包括：关闭电路，用于当所述开关型调节器在禁用、欠热或过热、欠压或过压状况下，提供关闭信号；反馈电路，耦接至所述开关型调节器的输出端子，用于提供反馈电压；补偿电容器；比较器，连接至所述反馈电压和第一基准电压；误差放大器，连接至所述反馈电压和第二基准电压，并向所述补偿电容器提供充电电流；触发器，具有置位端子、复位端子和输出端子，其中所述触发器由所述比较器的输出信号置位，而由所述关闭信号复位；偏置电流调节电路，其响应所述反馈电压和所述触发器的输出信号，调节所述误差放大器的偏置电流；其中，如果所述反馈电压低于所述第一基准电压，所述误差放大器的输出信号被调节到一小数值，以确保所述开关型调节器的软启动；其中，当所述反馈电压高于所述第一基准电压时，所述误差放大器的偏置电流具有正常工作状态下的正常值；其中，当偏置电流从所述小数值切换到正常值时，所述误差放大器在闭环条件下工作。 
在上述开关型调节器中，所述第一基准电压可低于所述误差放大器的第二基准电压，因此可在所述反馈电压增加到所述第二基准电压的数值之前，所述比较器进行切换。 
在上述开关型调节器中，所述偏置电流调节电路可包括：第一电流镜，用于提供第一电流I0；第二电流镜，与所述第一电流镜耦接，用于提供第二电流N×I0；第三电流镜，与所述第一和第二电流镜二者耦接，用于提供第三电流I0；第一晶体管对，由第一和第二晶体管组成，这些晶体管的源极端子耦接至所述第二电流镜的漏极端子，其中所述第一晶体管的栅极端子耦接至所述反馈电压，所述第二晶体管的栅极端子耦接 至所述第二基准电压；第二晶体管对，由第三和第四晶体管组成，其中所述第三晶体管的栅极端子、漏极端子和源极端子分别耦接至所述触发器的输出端子、所述第一晶体管的漏极端子和地；所述第四晶体管的源极端子接地，且其栅极端子耦接至其漏极端子、一功率晶体管的栅极端子、及所述第二晶体管和所述第三电流镜的漏极端子；所述功率晶体管具有与所述第四晶体管相同的漏极电流，并对所述误差放大器提供偏置电流。 
由于本发明的误差放大器总是在闭环条件下工作，从而实现了从软启动到正常工作的平稳过渡。 
附图说明
下列附图例举了本发明的实施例。这些附图和实施例以非限制和非穷举的方式提供了本发明的实例。 
图1为现有技术的6引脚封装升压变换器的示意图。 
图2为现有技术的软启动开关型调节器的示意图。 
图3为现有技术的另一种软启动开关型调节器的示意图。 
图4为根据本发明一个实施例的软启动开关型调节器的示意图。 
图5示出图4的开关型调节器在启动期间，其误差放大器的偏置电流与引脚FB处的电压之间的关系。 
具体实施方式
本说明书详细描述了一种系统和方法的实施例，该系统和方法使用软启动开关型调节器和相关的电路，达到从软启动到正常工作状态的平稳过渡。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实例电路和这些电路元件的实例值，都用于对本发明的实施例提供透彻的理解。本领域技术人员可以理解，即使在缺少一个或多个特定细节或者与其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明也可以被实现。 
通过结合具有代表性和举例性的系统、电路和方法，举例说明下列的实施例和方案。在不同的实施例中，上述的问题已经被减少或消除了，同时另外的实施例目的在于其他的改进。 
本发明涉及用于软启动开关型调节器的电路和方法。根据本发明的开关型调节器，其电路可以监视开关型调节器输出端子的反馈电压，并且调节误差放大器的偏置电流，从而实现软启动以及从软启动到正常工作的平稳过渡。 
图4举例说明了本发明开关型调节器的一个实施例。一个反馈电路与输出端子耦接，给反馈引脚FB提供反馈电压。引脚FB与误差放大器ERRORAMP(U1)的负极端子耦接，该误差放大器的正极端子与基准电压VREF耦接。误差放大器ERROR AMP的输出端子与PWM COMP(U2)的补偿引脚COMP耦接，并且通过电阻R1与补偿电容器C1耦接。FB也与比较器SSCOMP(U3)的正极端子耦接，比较器SS COMP的负极端子也与基准电压VREF×0.95耦接。SS COMP的输出端子与具有置位端子、复位端子和输出端子的触发器RSFF(U4)耦接。 
当调节器为禁用、欠热或过热、欠压或过压状态时，与此状态相应的关闭信号即SHUTDOWN信号将RSFF复位。当关闭信号是高电平，它复位RSFF并且导通晶体管MN4使得C1对地放电。MN4的漏极端子与COMP连接，其源极端子接地。 
本发明的一个实施例用于降低启动过程中ERROR AMP的偏置电流IB。图4中，IB由一组电流镜监视和控制，这组电流镜包括晶体管MP1(第一电流镜)、MP2(第二电流镜)、MP3(第三电流镜)、MP4、MP5、MN1、MN2和MN3，并且晶体管MP4与晶体管MP5构成第一晶体管对，晶体管MN1与晶体管MN2构成第二晶体管对。假设流经MP1漏极端子的电流是I0。流经MP3和MP2漏极端子的电流分别是I0和N×I0。MP4和MP5的源极端子都与MP2的漏极端子耦接。MP4的栅极端子耦接至FB，同时其漏极端子耦接至MN1的漏极端子。MN1的栅极端子耦接至RSFF的输出端子，其源极端子接地。MP5的栅极端子耦接至VREF，其漏极端子耦接至MN2的栅极/漏极端子。MN2的源极端子接地，且其漏极端子耦接至其栅极端子、MP3和MP5的漏极端子以及MN3的栅极端子。MN3的源极端子接地，且其漏极端子耦接至ERROR AMP，用于提供偏置电流。 
由于MN3和MN2构成电流镜，MN3的漏极电流等于MP5和MP3的漏极电流的总和。当关闭信号SHUTDOWN是低电平并且FB的电压低于0.95 ×VREF时，MP4会带走几乎所有来自的MP2的电流。IB等于流经MP3的电流I0。因此，ERROR AMP缓慢地对补偿电容器C1充电。COMP的缓慢斜率(slew rate)迫使调节器在低占空比周期运行。当FB的电压接近VREF，MP2的电流开始被MP4和MP5分流。当FB的电压高于0.95×VREF时，SSCOMP的输出将RSFF置位，使得MN1截止。MP2的所有电流开始流经MP5。IB和MN3的漏极电流都变为(N+1)×I0，这是正常工作状态下的正常偏置电流。本发明防止COMP的电压在软启动结束时跳高和可能的输出电压过冲。同样，本发明不需要额外的引脚和额外的大电容器。 
图5示出图4中软启动开关型调节器在启动阶段，误差放大器的偏置电流与FB的电压之间的关系。当FB的电压低于或者不接近于0.95×VREF时，偏置电流等于I0，当FB的电压大于0.95*VREF时，偏置电流等于(N+1)×I0。 
在本发明中，开关型调节器的软启动是通过监视输出端子的反馈电压、并调节误差放大器的偏置电流完成的。偏置电流是由耦接至一组电流镜的晶体管提供的，电流镜由反馈电压和一个触发器的输出信号调节。当反馈电压低于基准电压时，小偏置电流迫使调节器以低占空比周期工作，并且缓慢地对补偿电容器充电。当反馈电压高于基准电压时，开关型调节器恢复正常工作。由于误差放大器总是在闭环条件下工作，本发明实现了从软启动到正常工作的平稳过渡。 
上述本发明的说明书和应用仅仅是示例性的，并不用于限定本发明的范围。对公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中各个元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。 

Claims (6)

1.一种用于软启动开关型调节器的方法，该开关型调节器包括误差放大器、补偿电容器、触发器、比较器和偏置电流调节电路，该方法包括：
监视所述开关型调节器的输出端子的反馈电压；
当所述开关型调节器处于禁用、欠热或过热、欠压或过压时，提供关闭信号以将所述触发器复位，该触发器具有置位端子、复位端子和输出端子；
响应所述关闭信号使得所述补偿电容器放电；
通过所述比较器将所述反馈电压与第一基准电压进行比较，如果所述反馈电压变得高于所述第一基准电压时，所述比较器的输出信号将所述触发器置位；
响应所述反馈电压和所述触发器的输出信号，通过所述偏置电流调节电路调节所述误差放大器的偏置电流，其调节过程如下：
(1)如果所述反馈电压低于所述第一基准电压，将所述误差放大器的偏置电流调节到一小数值，以确保所述开关型调节器的软启动；
(2)如果所述反馈电压高于所述第一基准电压，使得所述误差放大器的偏置电流具有其正常工作状态下的正常值；
其中当偏置电流由所述小数值切换到正常值时，所述误差放大器在闭环条件下工作。
2.根据权利要求1所述的开关型调节器，其特征在于，所述第一基准电压低于所述误差放大器的第二基准电压，因此在所述反馈电压增加到所述第二基准电压的数值之前，所述比较器进行切换。
3.根据权利要求2所述的开关型调节器，其特征在于，所述偏置电流调节电路包括：
第一电流镜，用于提供第一电流I0；
第二电流镜，与所述第一电流镜耦接，用于提供第二电流N×I0，其中，所述第二电流镜包括一晶体管；
第三电流镜，与所述第一和第二电流镜二者耦接，用于提供第三电流I0，其中，所述第三电流镜包括一晶体管；
第一晶体管对，由第一和第二晶体管组成，这些晶体管的源极端子耦接至所述第二电流镜的晶体管的漏极端子，其中所述第一晶体管的栅极端子连接至所述反馈电压，所述第二晶体管的栅极端子连接至所述第二基准电压；
第二晶体管对，由第三和第四晶体管组成，其中所述第三晶体管的栅极端子、漏极端子和源极端子分别耦接至所述触发器的输出端子、所述第一晶体管的漏极端子和地；所述第四晶体管的源极端子接地，且其栅极端子连接其漏极端子、一功率晶体管的栅极端子、所述第二晶体管和所述第三电流镜的晶体管的漏极端子；
所述功率晶体管具有与所述第四晶体管相同的漏极电流，并对所述误差放大器提供偏置电流。
4.一种开关型调节器，包括：
关闭电路，用于当所述开关型调节器在禁用、欠热或过热、欠压或过压状况下，提供关闭信号；
反馈电路，耦接至所述开关型调节器的输出端子，用于提供反馈电压；
补偿电容器；
比较器，连接至所述反馈电压和第一基准电压；
误差放大器，连接至所述反馈电压和第二基准电压，并向所述补偿电容器提供充电电流；
触发器，具有置位端子、复位端子和输出端子，其中所述触发器由所述比较器的输出信号置位，而由所述关闭信号复位；
偏置电流调节电路，其响应所述反馈电压和所述触发器的输出信号，调节所述误差放大器的偏置电流；
其中，如果所述反馈电压低于所述第一基准电压，所述误差放大器的输出信号被调节到一小数值，以确保所述开关型调节器的软启动；
其中，如果所述反馈电压高于所述第一基准电压，所述误差放大器的偏置电流具有正常工作状态下的正常值；
其中，当偏置电流从所述小数值切换到正常值时，所述误差放大器在闭环条件下工作。
5.根据权利要求4所述的开关型调节器，其特征在于，所述第一基准电压低于所述误差放大器的第二基准电压，因此在所述反馈电压增加到所述第二基准电压的数值之前，所述比较器进行切换。
6.根据权利要求4所述的开关型调节器，其特征在于，所述偏置电流调节电路包括：
第一电流镜，用于提供第一电流I0；
第二电流镜，与所述第一电流镜耦接，用于提供第二电流N×I0，其中，所述第二电流镜包括一晶体管；
第三电流镜，与所述第一和第二电流镜二者耦接，用于提供第三电流I0，其中，所述第三电流镜包括一晶体管；
第一晶体管对，由第一和第二晶体管组成，这些晶体管的源极端子耦接至所述第二电流镜的晶体管的漏极端子，其中所述第一晶体管的栅极端子连接至所述反馈电压，所述第二晶体管的栅极端子耦接至所述第二基准电压；
第二晶体管对，由第三和第四晶体管组成，其中所述第三晶体管的栅极端子、漏极端子和源极端子分别耦接至所述触发器的输出端子、所述第一晶体管的漏极端子和地；所述第四晶体管的源极端子接地，且其栅极端子耦接至其漏极端子、一功率晶体管的栅极端子、所述第二晶体管和所述第三电流镜的晶体管的漏极端子；
所述功率晶体管具有与所述第四晶体管相同的漏极电流，并对所述误差放大器提供偏置电流。
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