CN201928185U - 一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路，它涉及到集成电路中开关电源软启动电路，本实用新型提供的软启动电路是一种体积小、成本低的软启动电路，用于依据一外部时钟信号和一基准电压信号产生一第一电压信号，其包括：一计数器，依据一外部时钟信号产生一控制信号；一反相器，依据一控制信号产生一驱动信号；一开关单元，依据一驱动信号实现短路和开路；一电阻器，依据一开关单元的短路和开路结合一基准电压发生器产生一第一电压信号。本实用新型提供的开关电源软启动电路能驱使第一电压信号的电压随外部时钟信号缓慢上升，从而避免了在开关电源在启动过程中出现的尖峰电流。

Description

一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路

技术领域

本实用新型属于集成电路(IC)技术，涉及一种开关电源集成电路(IC)的数字控制软启动电路。

背景技术

开关电源以体积小、性能好和使用方便等特点，在通信、网络、工业控制和消费电子领域得到了广泛的应用。如今，开关电源技术已经广泛应用于大功率发光二极管(LED)驱动领域。众所周知，开关电源的控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式，相对电压模式而言，电流模式有动态响应快、调节性好的优点。无论哪种控制模式，在开关电源系统的启动过程中都有较大的浪涌电流。当芯片电源开启完成后，反馈的阈值达到额定值。开关电源的启动工作情况可以分为两种情况：1.开关电源以最大占空比工作，直到输出电流(压)达到额定电流(压)；2.开关电源的开关管一直导通，直到输出电流(压)达到额定电流(压)。对于第二种方法会使负载的电流(压)从0变到额定电流(压)。这样上电时负载的电流(压)变化量ΔI(V)很大，通常情况下，负载对纹波电流(压)是有要求的，这样很容易会对负载造成不工作或者损坏。而且两种方法开关电源开启时的输入电流都很大，会产生过大的浪涌电流，对供电电网造成污染，同时影响电源系统寿命。为了避免这种情况，所以要在开关电源中加入软启动功能。

在目前应用的开关电源控制芯片中，应用的软启动电路有以下几种：采用恒流源对电容充电，利用电容充电电压指数上升的特性使电源输出指数上升，实现软启动，这样需要电容，且其电容值较大，不易集成到芯片内部。采用微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)实现电源的数字控制，这种方法可以实现不同的软启动需要，达到很好的软启动效果，但是需要额外的时钟电路和供电电路，大多数微控制器和FPGA为复杂数字电路，成本偏高，一般用于高端复杂电源领域。

发明内容

本实用新型的目的是为了提出一种可以减小开关电源的体积，降低制造成本，能广泛应用于电源领域的软启动电路。

特提供一种开关电源IC的数字控制软启动电路，该电路用于依据一外部时钟信号(CLK)和一基准电压信号(Vref)产生一第一电压信号(Vsoft)，其包括：一计数器，依据一外部时钟信号产生一控制信号，依据一外部清零信号，在软启动电 路工作前实现计数器清零，在上电后，计数器首先清零，然后根据时钟的个数输出不同的控制信号；一反相器，依据一控制信号产生一驱动信号，实现对控制信号的取反，满足软启动电路的逻辑要求；一开关单元，依据一驱动信号实现短路和开路，从而将与其并联的电阻器短接到地与否，调节电阻器的分压比例，实现对第一电压信号的控制；一电阻器，多个电阻串联，一端接地，另一端接基准电压信号。该电路依据时钟信号驱使第一电压信号的电压缓慢上升。有效减小开关电源在上电启动过程中的尖峰电流。

由此可见，本实用新型软启动电路在开关电源上电后，根据外部时钟信号，控制与电阻器连接的开关单元，使软启动电路输出第一电压信号的电压缓慢上升，从而避免了在开关电源启动过程中的尖峰电流。而且本实用新型结构简单，使用方便，可以广泛用于各电源领域的软启动电路。

附图说明：

图1为采用了本实用新型软启动电路的电源控制芯片的BUCK拓扑图；

图2为本实用新型软启动电路的结构示意图；

图3为图2中计数器的一种结构示意图；

图4为图2中反相器、开关单元和电阻器的结构示意图；

图5为本实用新型软启动电路在软启动过程中的第一电压信号(Vsoft)的变化示意图；

图6为本实用新型软启动电路在软启动过程中开关功率管电流变化示意图。

具体实施方式

通过下面结合附图进一步说明本实用新型的原理特征。

如图2所示，本实用新型软启动电路200用于依据一外部时钟信号(CLK)和一基准电压信号(Vref)产生一第一电压信号(Vsoft)，其包括：一计数器，一反相器、一开关单元以及一电阻器。在本实施例中，计数器用于依据外部时钟信号(CLK)产生不同的控制信号，依据外部清零信号(CLR)实现计数器清零。反相器用于对控制信号的取反，产生的驱动信号控制开关单元的开启和关闭，从而调节电阻器的分压比例，实现第一电压信号(Vsoft)随外部时钟信号缓慢变化。

如图3所示，本实用新型软启动电路中的计数器300用于依据外部时钟信号(CLK)产生不同的控制信号，依据外部清零信号(CLR)实现计数器清零。该模块有D触发器305～314，均为上升沿触发，二输入与门315～324，三输入与门 302～304，三输入与非门301，反相器325。D触发器314连接为分频器，其输出信号为输入时钟信号(CLK)的二分频，输出接反相器325的输入端。二输入与门315～324的一端输入为反相器的输出端，另一端输入为对应D触发器输出端口Q非，其输出端接对应D触发器的输入时钟端，其用作是当D触发器输出端口Q为低电平时，输出端口Q非为高电平，反相器325的输出信号可以通过二输入与门传输到D触发器的输入时钟端，当D触发器输出端口Q输出高电平时，输出端口Q非端输出低电平，反相器325的输出信号无法通过二输入与门传输到D触发器的输入时钟端。三输入与门302～304，三输入与非门301的作用是当D1～D9均输出高电平时，D触发器314一直处于清零状态，输出低电平时，计数器工作结束。

该计数器工作过程为：上电时，CLR信号有效使305～314清零，输出Q均为0信号，Q非为1信号，313的输入端为其Q非为1信号。当CLK第一个上升沿到来时，314的输出Q变为1，反相器325的输出变为0。当第二个时钟上升沿到来时，314的输出Q变为0，反相器325的输出变为1，313的输入时钟信号变为1，313的输出Q变为1，并传递到312的输入端上，313的输出Q非变为0，由于二输入与门的作用，非门输出信号无法传输到313的时钟输入端，313的输出Q不再变化。当第三个时钟上升沿到来时，314的输出Q变为1，反相器325的输出变为0。当第四个时钟上升沿到来时，314的输出端Q变为0，反相器325的输出变为1，312的输入时钟信号变为1，312的输出Q变为1，并传递到312的输入端上，313的输出Q非变为0，由于二输入与门的作用，非门输出信号无法传输到313的时钟输入端，313的输出Q不再变化。和上面同样的道理，每当两个时钟上升沿到来之后，使得下一个D触发器锁存一个1信号输出。这个模式的顺序为从D触发器313到D触发器305。当313～305的Q输出都为1后，D1～D9的与非结果为0，在和CLR信号相与后输入到314的清零端，使得314的输出一直为0，计数器不在工作，此时软启动结束。

如图4所示，本实用新型软启动电路中的反相器、开关单元和电阻器400用于依据驱动信号和基准电压信号(Vref)产生一第一电压信号(Vsoft)。其包括反相器421～429，开关单元为N型MOS晶体管412～420，电阻器401～411。反相器421～429的输入端分别接计数器输出D1～D9，输出分别接开关单元的控制端。N型MOS晶体管412～420的漏极分别接到电阻器403～411的上端，源极接地，基准电压信号(Vref)经电阻器401～411串联到地。

400的工作模式为：当D1～D9触发器输出均为低电平时，通过反相器后使得N型MOS晶体管412～420均导通。电阻器401～411没有电流流过。输出第 一电压信号(Vsoft)为：

$V_{\mathrm{soft}}=V_{\mathrm{ref}}\×\frac{R_{402}}{R_{402}+R_{401}}$

D1触发器输出变为高电平时，D2～D9触发器仍然为低电平。N型MOS晶体管412断开，电阻403有电流流过。此时第一电压信号(Vsoft)升高为：

$V_{\mathrm{soft}}=V_{\mathrm{ref}}\×\frac{R_{403}+R_{402}}{R_{403}+R_{402}+R_{401}}$

与上面同理，D1～D9触发器输出均为高电平时。N型MOS晶体管412～420全部关断。此时第一电压信号(Vsoft)为：

$V_{\mathrm{soft}}=V_{\mathrm{ref}}\×\frac{R_{411}+R_{410}+R_{409}+R_{408}+R_{407}+R_{406}+R_{405}+R_{404}+R_{403}+R_{402}}{R_{411}+R_{410}+R_{409}+R_{408}+R_{407}+R_{406}+R_{405}+R_{404}+R_{403}+R_{402}+R_{401}}.$

通过上面的的关系可以看出通过改变D1～D9触发器输出的状态可以得到不同的第一电压信号(Vsoft)电压值。

如图1所示，该图中100为电源控制芯片系统的结构图，振荡器101，两输入或门102，RS触发器103，驱动电路104，功率晶体管105，比较器106，软启动电路107，电压基准源108，偏置电路109和采样电流电阻110。

结合图2，图3和图4该软启动电路的工作方式是：在电路上电过程中由偏置电路109输出一个清零信号让软启动电路200中的计数器300清零。当上电结束后，系统开始正常工作。刚开始时，计数器300输出D1～D9均为0，软启动电路的第一电压信号(Vsoft)最低，当振荡器103达到时间给RS触发器101的S端输入一个高电平后，RS触发器输出高电平，此时计数器300的CLK端输入一个上升沿，功率晶体管105开启，电流开始增大，电流采样电阻111的电压大于软启动电路107输出给比较器106负相端的电压时，比较器106输出一个高电平到RS触发器101的R端，RS触发器输出低电平，使功率晶体管105关闭。当振荡器103再一次达到时间给RS触发器101的S端输入一个高电平，RS触发器再次输出高电平，此时计数器300输入第二个上升沿，晶体管105开启。如此往复，当计数器300输入第三个上升沿后计数器输出开始变化，之后每输入两个上升沿，计数器300输出发生一次变化，即时钟上升沿输入的奇数次(从第三次开始)计数器300输出发生一次变化，使得反相器、开关单元和电阻器400输出给比较器106的负相端的电压提高一个台阶。当功率晶体管105的电流增大到采 样电流电阻111大于比较器106负相端的电压时功率晶体管105又一次关闭。令电路这样周而复始的开启一次关闭一次为一个周期，使得反相器、开关单元和电阻器400每两个周期输出给比较器106的负相端的电压提高一个台阶，当计数器输出D1～D9均为1时，反相器、开关单元和电阻器400输出给比较器106的负相端的电压稳定在一个值上，软启动完成。图1为采用了本实用新型软启动电路的电源控制芯片的典型应用。

从实际应用电路图1的仿真结果图5可以看出第一电压信号(Vsoft)的电压在上电工作后，随驱动信号个数的增加而逐渐变大，得到了电路的软启动所需要的控制电压第一电压信号(Vsoft)。

从实际应用电路图1的仿真结果图6可以看出开关管上的电流逐渐上升实现了电路的软启动。

虽然本软启动实用新型的技术内容已经以较佳的实施例公开如上，然而并非用以限定本实用新型，如果本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本实用新型权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路(200)，它用于依据一外部时钟信号(CLK)和一基准电压信号(Vref)产生一第一电压信号(Vsoft)，其特征在于该电路是由一计数器、一反相器、一开关单元和电阻器构成，其中计数器依据依据外部清零信号(CLR)实现计数器的上电清零，依据一外部时钟信号(CLK)产生一控制信号进入反相器，反相器实现对控制信号的取反，产生的驱动信号控制开关单元的开启和关闭，从而调节电阻器的分压比例，实现第一电压信号(Vsoft)随时钟信号缓慢上升，实现电路的软启动。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路，其特征在于，计数器(300)模块用于依据一外部信号产生不同的控制信号，依据一个外部清零信号实现计数器的清零，该模块包括有D触发器(305～314)，二输入与门(314～324)，三输入与门(302～304)，三输入与非门(301)和反相器(325)，D触发器连接分频器，其输出信号为输入时钟信号的二分频，输出信号接反相器(325)的输入端，而输入与门(315～324)一端输入为反相器的输入端，另一端输入对应D触发器输出端口Q非，其输出端接对应D触发器的输入时钟，用作当D触发器输出信号Q为低电平时，输出端口Q非为高电平，反相器(325)的输出信号可以通过二输入与门传输到D触发器的输入时钟端，当D触发器的输出信号Q为高电平时，反相器(325)的输入时钟信号无法通过二输入与门到达D触发器的输入时钟端，三输入与门(302～304)、三输入与非门的作用是当D1～D9均为输出高电平时，D触发器(314)一直处于清零状态，输出低电平时计数器工作结束。

3.根据权利要求1所述的一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路，其特征在于反相器、开关单元和电阻器(400)模块用于依据驱动信号和基准电压信号(VREF)产生一第一电压信号(Vsoft)，模块上包含有反相器(421～429)、开关单元N型MOS(412～420)，电阻器(401～411)，反相器(421～429)的输入端分别接计数器中D触发器(D0～D9)输出，输出分别接开关单元中MOS的栅极，N型MOS晶体管(412～420)的漏极分别接到电阻器的(403～411)的上端、源极接地、基准电压信号(Vref)经电阻器(401～411)串联到地。

4.根据权利要求3所述的一种开关电源集成电路的数字控制软启动电路，其特征在于结合计数器(300)模块和反相器、开关单元和电阻器(400)模块，当D触发器D1～D9输出信号Q均为零时，通过反相器后获得的N型MOS晶体管(412～420)均导通，电阻器(401～411)没有电流通过，则输出的第一电压信号为：

D1触发器输出变为高电平时，D2～D9触发器仍然为低电平时，N型MOS晶体管(412)断开，电阻403有电流流过，此时第一电压信号(Vsoft)升高为：

与上面同理，D1～D9触发器输出均为高电平时，N型MOS晶体管(412～420)全部关断，此时第一电压信号(Vsoft)为： 

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