CN208581165U - 一种适用于开关电源的软启动电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于开关电源的软启动电路，包括具有一定占空比的脉冲式电流源、电容C1、单向钳压的电压跟随器和误差放大器，具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端与电容C1的一端和单向钳压的电压跟随器的输入端连接，电容C1的另一端接地，单向钳压的电压跟随器的输出端与误差放大器的输出端连接。能明显的减小电容面积，保证启动过程完成后，不影响开关电源的正常工作；实现误差放大器输出的缓慢上升。

Description

一种适用于开关电源的软启动电路
技术领域
本实用新型涉及开关电源技术领域，具体涉及一种适用于开关电源的软启动电路。
背景技术
随着便携式设备的集成度越来越高，对电源管理IC的效率要求越来越高，所以开关电源凭借其高效率的特点而得到快速发展。而为了提高集成度，开关电源的开关频率越来越高，外围元器件中所用到的电感感值和电容容值越来越小；为了能快速的处理负载电流、输入电压等的变化，开关电源的响应速度越来越快。所以在开关电源的启动过程中，如果没有专门的软起动电路，会导致电感和功率管上的电流迅速上升，从而也导致输出电容上出现电压过冲。减缓电流和电压过快上升的关键是降低开关电源中误差放大器输出电压的上升速度，实现软启动的目的。
在开关电源的启动过程中，输出采样反馈电压VFB通常从0开始上升，与VREF电压相差较大。而开关电源的误差放大器(Error Amplifier，EA)的作用是放大VREF与VFB之间的电压差，且误差放大器EA具有较高的增益，使得误差放大器EA的输出迅速上升。误差放大器EA的输出端去控制开关电源功率管开关的占空比，EA输出电压迅速上升会导致功率管的电流迅速上升，从而也导致输出电压迅速上升。所以在开关电源中通常都需要加入软启动电路。传统软启动电路为了得到足够长的软启动时间，往往采用恒定充电电流或电阻，结合一个非常大的电容以及电压跟随器等电路实现VREF电压或误差放大器输出电压的缓慢上升，此片内电容面积很大甚至需要采用外置电容。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种适用于开关电源的软启动电路，能明显的减小电容面积，保证启动过程完成后，不影响开关电源的正常工作；实现误差放大器输出的缓慢上升。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种适用于开关电源的软启动电路，包括具有一定占空比的脉冲式电流源、电容C1、单向钳压的电压跟随器和误差放大器，具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端与电容C1的一端和单向钳压的电压跟随器的输入端连接，电容C1的另一端接地，单向钳压的电压跟随器的输出端与误差放大器的输出端连接。
按照上述技术方案，单向钳压的电压跟随器包括一个PMOS管PM1，PMOS管PM1的栅极与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，PMOS管PM1的源极与误差放大器的输出端连接，PMOS管PM1的漏极接地。
按照上述技术方案，单向钳压的电压跟随器包括一个一个PNP管Q1，PNP管Q1的基极与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，PNP管Q1的发射极与误差放大器的输出端连接，PNP管Q1的集电极接地。
按照上述技术方案，单向钳压的电压跟随器包括一个运算放大器A1和NMOS管NM1，运算放大器A1的负极输入端与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，运算放大器(A1)的输出端与NMOS管NM1的栅极连接，NMOS管NM1的源极接地，NMOS管NM1的漏极与运算放大器A1的正极输入端和误差放大器的输出端连接。
按照上述技术方案，具有一定占空比的脉冲式电流源包括第一电流镜和开关S1，第一电流镜的输入端连接有电流沉，第一电流镜的输出端与开关S1的一端连接，开关S1的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制，开关S1的另一端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端。
按照上述技术方案，开关S1的一端与第一电流镜的输入端连接，开关S1的另一端与电流沉连接，第一电流镜的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端。
按照上述技术方案，具有一定占空比的脉冲式电流源包括第一电流镜和第二电流镜，第二电流镜的输入端依次连接有开关S1和电流源连接，第二电流镜的输出端与第一电流镜的输入端连接，第一电流镜的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端，开关S1的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制。
按照上述技术方案，第一电流镜包括PMOS管PM2和PMOS管PM3，PMOS管PM2的源极与PMOS管PM3的源极连接，PMOS管PM3的漏极与PMOS管PM2的栅极和PMOS管PM3的栅极连接，并作为电流镜的输入端，PMOS管PM2的漏极作为电流镜的输出端。
按照上述技术方案，第二电流镜包括NMOS管NM2和NMOS管NM3，NMOS管NM2的源极和NMOS管NM3的源极均接地，NMOS管NM2的漏极与NMOS管NM2的栅极和NMOS管NM3的栅极连接，并作为第二电流镜的输入端，NMOS管NM3的漏极与第一电流镜的输入端连接，并作为第二电流镜的输出端。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型利用一个具有脉冲式电流输出能力的电流源给电容充电，实现电容电压阶梯式的缓慢上升；相比较传统的恒定电流充电方式，在相等时间内上升相同的电容电压，所需要的电容大小可以根据脉冲电流的占空比成比例的缩小，能明显的减小电容面积；电容连接到一个具有单向钳电压功能的电压跟随器，此电压跟随器的输出与开关电源的误差放大器的输出相连接，最终实现启动过程中误差放大器输出的缓慢上升；单向钳压的电压跟随器，保证启动过程完成后，不影响开关电源的正常工作；电压跟随器的输出接到开关电源误差放大器EA的输出，实现误差放大器输出的缓慢上升。
附图说明
图1是本实用新型实施例中适用于开关电源的软启动电路的电路原理图；
图2是本实用新型实施例一中适用于开关电源的软启动电路的电路原理图；
图3是本实用新型实施例二中适用于开关电源的软启动电路的电路原理图；
图4是本实用新型实施例三中适用于开关电源的软启动电路的电路原理图；
图5是本实用新型实施例四中具有一定占空比的脉冲式电流源的电路原理图；
图6是本实用新型实施例五中具有一定占空比的脉冲式电流源的电路原理图；
图7是本实用新型实施例六中具有一定占空比的脉冲式电流源的电路原理图；
图8是本实用新型实施例中软启动电路中电容电压随开关S1状态的变化曲线；
图中，100-具有一定占空比的脉冲式电流源，200-电容C1，300-单向钳压的电压跟随器，400-误差放大器，101-具有一定占空比的脉冲电压信号，102-第一电流镜，103-电流沉，104-开关S1，105-电流源，106-第二电流镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
参照图1所示，本实用新型提供的一种实施例中适用于开关电源的软启动电路，包括具有一定占空比的脉冲式电流源100、电容C1 200、单向钳压的电压跟随器300和误差放大器400，具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端与电容C1 200的一端和单向钳压的电压跟随器300的输入端连接，电容C1 200的另一端接地，单向钳压的电压跟随器300的输出端与误差放大器400的输出端连接，并作为开关电源的软启动电路的输出端；所述的具有一定占空比的脉冲式电流源100提供充电电流，所述电容充电后产生随时间阶梯上升的电压，具有一定占空比的脉冲式电流源100的输入端连接有电源电压VDD，误差放大器400的正极输入端连接有VREF端，负极输入端连接有VFB端。
进一步地，如图2所示，单向钳压的电压跟随器300包括一个PMOS管PM1，PMOS管PM1的栅极与电容C1 200的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端连接，PMOS管PM1的源极与误差放大器400的输出端连接，PMOS管PM1的漏极接地。
进一步地，如图3所示，单向钳压的电压跟随器300包括一个PNP管Q1，PNP管Q1的基极与电容C1 200的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端连接，PNP管Q1的发射极与误差放大器400的输出端连接，PNP管Q1的集电极接地。
进一步地，如图4所示，单向钳压的电压跟随器300包括一个运算放大器A1和NMOS管NM1，运算放大器A1的负极输入端与电容C1 200的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端连接，运算放大器A1的输出端与NMOS管NM1的栅极连接，NMOS管NM1的源极接地，NMOS管NM1的漏极与运算放大器A1的正极输入端和误差放大器400的输出端连接；图2～图4是公开了关于单向钳压的电压跟随器的3种不同实施案例。
进一步地，如图5所示，具有一定占空比的脉冲式电流源100包括第一电流镜102和开关S1 104，第一电流镜102的输入端连接有电流沉103，第一电流镜102的输出端与开关S1104的一端连接，开关S1 104的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制，开关S1104的另一端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端。
进一步地，所述的具有一定占空比的脉冲电压，可来自外部其他电路，也可由具有一定占空比的脉冲式电流源内部产生。
进一步地，如图6所示，开关S1 104移至第一电流镜102的输入端，开关S1 104的一端与第一电流镜102的输入端连接，开关S1 104的另一端与电流沉103连接，第一电流镜102的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端。
进一步地，如图7所示，具有一定占空比的脉冲式电流源100包括第一电流镜102和第二电流镜106，第二电流镜106的输入端依次连接有开关S1 104和电流源105连接，第二电流镜106的输出端与第一电流镜102的输入端连接，第一电流镜102的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出端，开关S1 104的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制。
进一步地，如图5～图7所示，第一电流镜102包括PMOS管PM2和PMOS管PM3，PMOS管PM2的源极与PMOS管PM3的源极连接，并连接有电源电压VDD，作为具有一定占空比的脉冲式电流源100的输入端，PMOS管PM3的漏极与PMOS管PM2的栅极和PMOS管PM3的栅极连接，并作为电流镜的输入端，PMOS管PM2的漏极作为电流镜的输出端。
进一步地，如图7所示，第二电流镜106包括NMOS管NM2和NMOS管NM3，NMOS管NM2的源极和NMOS管NM3的源极均接地，NMOS管NM2的漏极与NMOS管NM2的栅极和NMOS管NM3的栅极连接，并作为第二电流镜106的输入端，NMOS管NM3的漏极与第一电流镜102的输入端连接，并作为第二电流镜106的输出端。
进一步地，图5～图7是公开了关于具有一定占空比的脉冲式电流源的3种不同实施案例。
进一步地，电流沉103接地，电流源105连接有电源电压VDD。
本实用新型的工作原理：
如图1所示，本实用新型的一种适用于开关电源的软启动电路，包括顺次电性连接的具有一定占空比的脉冲式电流源100、电容C1 200，单向钳压的电压跟随器300，以及开关电源的误差放大器400。
脉冲式电流源100的输出电流基本上是呈脉冲式的，在一个周期TS时间内，只在一定时间t1内输出电流IOUT，则脉冲式输出电流的占空比Duty Cycle可以表示为：
Duty Cycel，D＝t1/TS
此具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出接到电容C1 200和单向钳位的电压跟随器300，而电压跟随器300的输入电流很小，几乎可以忽略。则当脉冲式电流源100的输出电流几乎全部通过电荷的方式储存在电容C1上产生电压VA，当软启动时间tSS远大于周期TS时，tSS可以近似计算得到：
tSS＝VA×(C1/D)/IOUT
占空比D<1，而且容易设置的非常小，所以相比较传统的软启动电路，本实用新型能显著的减小所需要的电容大小。
提供的实施例一中，如图2所示，单向钳压的电压跟随器300，由一个PMOS管PM1组成，PM1管PM1有较强的下拉能力。在开关电源的启动阶段，VFB从0开始上升，误差放大器400的输入压差较大，如果PM1管PM1的输出不与误差放大器400的输出相连接，误差放大器400的输出电压将迅速上升。而接入PM1管PM1的输出以后，误差放大器400的输出电压将跟随电容C1 200的电压缓慢上升，实现软启动的功能。因为PM1管PM1只具有下拉能力，所以当电容C1 200上的电压加上PM1管PM1的阈值电压超过误差放大器400的正常输出电压时，PM1管PM1不再钳位误差放大器400的输出电压，软启动电路不影响正常工作模式。
提供的实施例二中，如图3所示，单向钳压的电压跟随器300，由一个PNP管Q1组成，PNP管Q1有较强的下拉能力。具体实施原理与图2相同。在开关电源的启动阶段，VFB从0开始上升，误差放大器400的输入压差较大，如果PNP管Q1的输出不与误差放大器400的输出相连接，误差放大器400的输出电压将迅速上升。而接入PNP管Q1的输出以后，误差放大器400的输出电压将跟随电容C1 200的电压缓慢上升，实现软启动的功能。因为PNP管Q1只具有下拉能力，所以当电容C1 200上的电压加上PNP管Q1的开启电压超过误差放大器400的正常输出电压时，PNP管Q1不再钳位误差放大器400的输出电压，软启动电路不影响正常工作模式。
提供的实施例三中，如图4所示，单向钳压的电压跟随器300，由运算放大器A1和NMOS管NM1组成，运算放大器A1的反向输入端接电容C1 200，正向输入端接NMOS管NM1的漏极，运算放大器A1的输出端接NMOS管NM1的栅极，NMOS管NM1的源极接地，NMOS管NM1的漏极作为单向钳压的电压跟随器300的输出端，与开关电源的误差放大器400的输出相接，NMOS管NM1有较强的下拉能力。在开关电源的启动阶段，VFB从0开始上升，误差放大器400的输入压差较大，如果NMOS管NM1的输出不与误差放大器400的输出相连接，误差放大器400的输出电压将迅速上升。而接入NMOS管NM1的输出以后，如果误差放大器400将输出电压上拉高于电容C1 200的电压，运算放大器A1的输出电压将抬高NMOS管NM1的栅极电压，增大NMOS管NM1的下拉能力，保证误差放大器400的输出电压紧跟电容C1 200的电压缓慢上升，实现软启动的功能。因为NMOS管NM1只具有下拉能力，所以当电容C1 200上的电压超过误差放大器400的正常输出电压时，NMOS管NM1不再钳位误差放大器400的输出电压，软启动电路不影响正常工作模式。
如图2～图4所说明的具体实施案例中，输出电压VOUT与电容C1 200上的电压VA的关系在软启动阶段可以概括描述为：
VOUT＝VA+V0
对于图2所说明的具体实施案例，V0＝VSG；对于图3所说明的具体实施案例，V0＝VEB；对于图4所说明的具体实施案例，V0＝VOS。
提供的实施例四中，如图5所示，具有一定占空比的脉冲式电流源100包括由两个PMOS管PM3和PM2组成第一电流镜102，PM3的栅极与其漏极连接，并作为第一电流镜102的输入端接电流沉103，PM3的源极接电源VDD，PM2的栅极接PM3的栅极，PM2的源极也接到电源VDD，PM2的漏极作为第一电流镜102的输出，与开关S1 104的一端连接。开关S1 104可以由NMOS管或PMOS管组成，开关S1104的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压信号101控制，开关S1 104的另一端作为此具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出。第一电流镜102将电流沉103的电流镜像输出，当开关S1 104闭合时，产生输出电流；当开关S1 104断开时则不输出电流。此具有一定占空比的脉冲式电流源100输出电流的占空比与脉冲电压信号101的占空比相关。作为一种优选实施方案，此方案其中PM3和PM2组成的简单电流镜102可由PMOS管组成的Cascode电流镜替换。
提供的实施例五中，如图6所示，具有一定占空比的脉冲式电流源100包括由两个PMOS管PM3和PMOS管PM2组成第一电流镜102，PMOS管PM3的栅极与其漏极连接，并作为第一电流镜102的输入端接开关S1 104的一端，开关S1 104的另一端接电流沉103，PMOS管PM3的源极接电源VDD，PMOS管PM2的栅极接PMOS管PM3的栅极，PMOS管PM2的源极也接到电源VDD，PMOS管PM2的漏极作为电流镜102的输出，同时也作为此具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出。开关S1 104可以由NMOS管或PMOS管组成，开关S1 104的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压信号101控制。当开关S1 104闭合时，电流沉103的电流作为第一电流镜102的输入电流，并被镜像输出；当开关S1 104断开时则电流沉103与第一电流镜102断开连接，电流镜无法产生输出电流。此具有一定占空比的脉冲式电流源100输出电流的占空比与脉冲电压信号101的占空比相关。作为一种优选实施方案，此方案其中PMOS管PM3和PMOS管PM2组成的简单第一电流镜102可由PMOS管组成的Cascode电流镜替换。
提供的实施例六中，如图7所示，具有一定占空比的脉冲式电流源100包括由两个NMOS管NM2和NMOS管NM3组成第二电流镜106，NMOS管NM2的栅极与其漏极连接，并作为第二电流镜106的输入端接开关S1 104的一端，开关S1 104的另一端接电流源105，NMOS管NM2的源极接地，NMOS管NM3的栅极接NMOS管NM2的栅极，NMOS管NM3的源极也接地，NMOS管NM3的漏极作为第二电流镜106的输出；两个PMOS管PM3和PMOS管PM2组成第一电流镜102，PMOS管PM3的栅极与其漏极连接，并作为第一电流镜102的输入端接第二电流镜106的输出即NMOS管NM3的漏极，PMOS管PM3的源极接电源VDD，PMOS管PM2的栅极接PMOS管PM3的栅极，PMOS管PM2的源极也接到电源VDD，PMOS管PM2的漏极作为电流镜102的输出，同时也作为此具有一定占空比的脉冲式电流源100的输出。开关S1 104可以由NMOS管或PMOS管组成，开关S1 104的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压信号101控制。当开关S1 104闭合时，电流源105的电流作为第二电流镜106的输入电流，并被镜像输出至第一电流镜102，第一电流镜102再将第二电流镜106的输出电流镜像输出；当开关S1 104断开时则电流源105与第二电流镜106断开连接，则第二电流镜106和第一电流镜102无法产生输出电流。此具有一定占空比的脉冲式电流源100输出电流的占空比与脉冲电压信号101的占空比相关。作为一种优选实施方案，此方案其中PM3和PM2组成的简单第一电流镜102可由PMOS管组成的Cascode电流镜替换；NM3和PM2组成的简单第二电流镜106可由NMOS管组成的Cascode电流镜替换。
对于图5～图7所说明的具体实施案例，图8描述了其中电容C1 200上的电压VA与开关S1 104状态变化的关系，以及随时间变化的曲线。当开关S1 104闭合的时间tON内，脉冲式电流源100产生输出电流IOUT给电容C1 200充电，电容C1 200上的电压上升ΔV，且
ΔV＝IOUT×tON/C1＝IOUT×(D×TS)/C1
当开关S1 104断开的时间TS-tON内，电容C1 200上的电压则维持不变。则一个周期内电容C1 200电压上升速率为
(ΔV/TS)＝IOUT/(C1/D)
当软启动时间tSS远大于周期TS时，软启动时间tSS可以近似计算为：
tSS＝VA×(C1/D)/IOUT
VA电压的大小由开关电源系统自适应得到。即实现了图1所示的本实用新型的方案。
综上，本实用新型通过一个脉冲式电流源产生充电电流至电容，然后电容电压通过具有单向钳压功能的电压跟随器来控制开关电源误差放大器的输出电压上升速度，来实现输出电压的缓慢上升；软启动时间可以通过脉冲式电流源输出电流的占空比调节，大大减小了所需要的电容大小；单向钳压的电压跟随器保证开关电源误差放大器的输出电压在软启动阶段跟随电容电压缓慢上升，并在完成软启动以后放开对开关电源系统环路的控制。
以上的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，包括具有一定占空比的脉冲式电流源、电容C1、单向钳压的电压跟随器和误差放大器，具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端与电容C1的一端和单向钳压的电压跟随器的输入端连接，电容C1的另一端接地，单向钳压的电压跟随器的输出端与误差放大器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，单向钳压的电压跟随器包括一个PMOS管PM1，PMOS管PM1的栅极与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，PMOS管PM1的源极与误差放大器的输出端连接，PMOS管PM1的漏极接地。
3.根据权利要求1所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，单向钳压的电压跟随器包括一个PNP管Q1，PNP管Q1的基极与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，PNP管Q1的发射极与误差放大器的输出端连接，PNP管Q1的集电极接地。
4.根据权利要求1所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，单向钳压的电压跟随器包括一个运算放大器A1和NMOS管NM1，运算放大器A1的负极输入端与电容C1的一端和具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端连接，运算放大器(A1)的输出端与NMOS管NM1的栅极连接，NMOS管NM1的源极接地，NMOS管NM1的漏极与运算放大器A1的正极输入端和误差放大器的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，具有一定占空比的脉冲式电流源包括第一电流镜和开关S1，第一电流镜的输入端连接有电流沉，第一电流镜的输出端与开关S1的一端连接，开关S1的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制，开关S1的另一端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端。
6.根据权利要求5所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，开关S1的一端与第一电流镜的输入端连接，开关S1的另一端与电流沉连接，第一电流镜的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端。
7.根据权利要求1所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，具有一定占空比的脉冲式电流源包括第一电流镜和第二电流镜，第二电流镜的输入端依次连接有开关S1和电流源连接，第二电流镜的输出端与第一电流镜的输入端连接，第一电流镜的输出端作为所述的具有一定占空比的脉冲式电流源的输出端，开关S1的断开和闭合受一个具有一定占空比的脉冲电压控制。
8.根据权利要求5～7中任意一项所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，第一电流镜包括PMOS管PM2和PMOS管PM3，PMOS管PM2的源极与PMOS管PM3的源极连接，PMOS管PM3的漏极与PMOS管PM2的栅极和PMOS管PM3的栅极连接，并作为电流镜的输入端，PMOS管PM2的漏极作为电流镜的输出端。
9.根据权利要求7所述的适用于开关电源的软启动电路，其特征在于，第二电流镜包括NMOS管NM2和NMOS管NM3，NMOS管NM2的源极和NMOS管NM3的源极均接地，NMOS管NM2的漏极与NMOS管NM2的栅极和NMOS管NM3的栅极连接，并作为第二电流镜的输入端，NMOS管NM3的漏极与第一电流镜的输入端连接，并作为第二电流镜的输出端。
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