TWI392229B - 切換調整器軟啟動系統及方法 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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Description

切換調整器軟啟動系統及方法
本發明總的涉及開關型調節器，尤其涉及在啟動過程中用於開關型調節器的方法和方案。
在傳統的開關型調節器，例如第1圖中所示的6引腳封裝的升壓變換器中，在啟動期間，誤差放大器U1迅速為補償電容器C1充電。因此，電路以其最大的占空比對輸出電容器Cout充電。這可能導致令輸入供電過載的浪湧，或者導致在輸出端產生過電壓。利用軟啟動控制器使C1處的電壓緩慢地斜線上升，並限制輸送到Cout的能量，這個浪湧可以被避免。
第2圖顯示了現有技術的軟啟動方法。在電源斷開階段，電容器C1和C2對地GND放電。當調節器啟動時，C2由來自電晶體MP3的小電流緩慢地充電。誤差放大器U1的輸出被電晶體Q1箝位，後者的基極端子與C2和引腳SS耦接。Q1調節U1的輸出電壓，使其以與C2和SS處的電壓相同的速率上升。這種方法使得電路能以最小占空比緩慢啟動輸出電壓，並且避免過壓浪湧問題。然而，這種方法需要額外的電容器和額外的引腳，在引腳數量有限和/或者電容器因過大而不能集成在單個積體電路封裝內的情況下，就會成為一個問題。
第3圖顯示了現有技術的另一種軟啟動方法，這種方法不需要第2圖所示電路中的SS引腳和電容器C2。在電 源斷開期間，電容器C1通過電晶體MN3對地放電。當系統啟動時，誤差放大器ERROR AMP U1的輸出端子與電阻器R1和補償電容器C1所組成的補償電路斷開。引腳COMP通過電晶體MP4與一個小的上拉(pull up)電流源連接，該電流源緩慢地對補償電容器C1充電，從而使得COMP的電壓緩慢上升，以限制傳輸到輸出端的能量。當引腳FB的電壓等於比較器U3的基準電壓時，U3的輸出將觸發器RSFF U4置位，從而使得COMP通過MP4與上拉電流斷開，同時誤差放大器U1通過被啟動的電晶體MN5和MP5與COMP連接，以進行正常操作。這種方法的缺點在於，在啟動期間，雖然誤差放大器U1與COMP保持斷開，但它的輸出為高軌(high rail)。在軟啟動周期結束處，當誤差放大器U1的輸出端與COMP連接時可能引起COMP的電壓跳高很多，並可能導致輸出端的電壓過沖(overshot)。
為解決上述問題，本發明提供了一種用於軟啟動開關型調節器的方法，該開關型調節器包括誤差放大器、補償電容器、觸發器、比較器和偏置電流調節電路，該方法包括：監視所述開關型調節器的輸出端子的反饋電壓；當所述開關型調節器處於禁用、欠熱或過熱、欠壓或過壓狀況時，提供關閉訊號以將所述觸發器重置，其中該觸發器具有置位端子、重置端子和輸出端子；回應所述關閉訊號使得所述補償電容器放電；通過所述比較器將所述反饋電壓與第一基準電壓進行比較，如果所述反饋電壓變得高於所 述第一基準電壓時，所述比較器的輸出訊號將所述觸發器置位；回應所述反饋電壓和所述觸發器的輸出訊號，通過所述偏置電流調節電路調節所述誤差放大器的偏置電流如下：(1)如果所述反饋電壓低於所述第一基準電壓，將所述誤差放大器的偏置電流調節到一小數值，以確保所述開關型調節器的軟啟動；(2)如果所述反饋電壓高於所述第一基準電壓，使得所述誤差放大器的偏置電流具有其正常工作狀態下的正常值；其中當偏置電流由所述小數值切換到正常值時，所述誤差放大器在閉環條件下工作。
在上述方法中，所述第一基準電壓低於連接至所述誤差放大器的第二基準電壓，因此可在所述反饋電壓增加到所述第二基準電壓的數值之前，所述比較器進行切換。
在上述方法中，所述偏置電流調節電路可包括：第一電流鏡，用於提供第一電流I0；第二電流鏡，與所述第一電流鏡耦接，用於提供第二電流N×I0；第三電流鏡，與所述第一和第二電流鏡二者耦接，用於提供第三電流I0；第一電晶體對，由第一和第二電晶體組成，其中這些電晶體的源極端子耦接至所述第二電流鏡的汲極端子，所述第一電晶體的閘極端子連接至所述反饋電壓，所述第二電晶體的閘極端子連接至所述第二基準電壓；第二電晶體對，由第三和第四電晶體組成，其中所述第三電晶體的閘極端子、汲極端子和源極端子分別耦接至所述觸發器的輸出端子、所述第一電晶體的汲極端子和地；所述第四電晶體的源極端子接地，且其閘極端子連接其汲極端子、一功率電 晶體的閘極端子、所述第二電晶體和所述第三電流鏡的汲極端子；所述功率電晶體具有與所述第四電晶體相同的汲極電流，並對所述誤差放大器提供所述偏置電流。
本發明還提供了一種開關型調節器，該開關型調節器包括：關閉電路，用於當所述開關型調節器在禁用、欠熱或過熱、欠壓或過壓狀況下，提供關閉訊號；反饋電路，耦接至所述開關型調節器的輸出端子，用於提供反饋電壓；補償電容器；比較器，連接至所述反饋電壓和第一基準電壓；誤差放大器，連接至所述反饋電壓和第二基準電壓，並向所述補償電容器提供充電電流；觸發器，具有置位端子、重置端子和輸出端子，其中所述觸發器由所述比較器的輸出訊號置位，而由所述關閉訊號重置；偏置電流調節電路，其回應所述反饋電壓和所述觸發器的輸出訊號，調節所述誤差放大器的偏置電流；其中，如果所述反饋電壓低於所述第一基準電壓，所述誤差放大器的偏置電流被調節到一小數值，以確保所述開關型調節器的軟啟動；其中，當所述反饋電壓高於所述第一基準電壓時，所述誤差放大器的偏置電流具有正常工作狀態下的正常值；其中，當偏置電流從所述小數值切換到正常值時，所述誤差放大器在閉環條件下工作。
在上述開關型調節器中，所述第一基準電壓可低於所述誤差放大器的第二基準電壓，因此可在所述反饋電壓增加到所述第二基準電壓的數值之前，所述比較器進行切換。
在上述開關型調節器中，所述偏置電流調節電路可包 括：第一電流鏡，用於提供第一電流I0；第二電流鏡，與所述第一電流鏡耦接，用於提供第二電流N×I0；第三電流鏡，與所述第一和第二電流鏡二者耦接，用於提供第三電流I0；第一電晶體對，由第一和第二電晶體組成，其中這些電晶體的源極端子耦接至所述第二電流鏡的汲極端子，所述第一電晶體的閘極端子耦接至所述反饋電壓，所述第二電晶體的閘極端子耦接至所述第二基準電壓；第二電晶體對，由第三和第四電晶體組成，其中所述第三電晶體的閘極端子、汲極端子和源極端子分別耦接至所述觸發器的輸出端子、所述第一電晶體的汲極端子和地；所述第四電晶體的源極端子接地，且其閘極端子耦接至其汲極端子、一功率電晶體的閘極端子、及所述第二電晶體和所述第三電流鏡的汲極端子；所述功率電晶體具有與所述第四電晶體相同的汲極電流，並對所述誤差放大器提供所述偏置電流。
由於本發明的誤差放大器總是在閉環條件下工作，從而實現了從軟啟動到正常工作的平穩過渡。
本說明書詳細描述了一種系統和方法的實施例，該系統和方法使用軟啟動開關型調節器和相關的電路，達到從軟啟動到正常工作狀態的平穩過渡。在接下來的說明中，一些具體的細節，例如實例電路和這些電路中元件的實例值，都用於對本發明的實施例提供透徹的理解。本領域技術人員可以理解，即使在缺少一個或多個特定細節或者與 其他方法、元件、材料等結合的情況下，本發明也可以被實現。
通過結合具有代表性和舉例性的系統、電路和方法，舉例說明下列的實施例和方案。在不同的實施例中，上述的問題已經被減少或消除了，同時另外的實施例目的在於其他的改進。
本發明涉及用於軟啟動開關型調節器的電路和方法。根據本發明的開關型調節器，其電路可以監視開關型調節器輸出端子的反饋電壓，並且調節誤差放大器的偏置電流，從而實現軟啟動以及從軟啟動到正常工作的平穩過渡。
第4圖舉例說明了本發明開關型調節器的一個實施例。一個反饋電路與輸出端子耦接，給反饋引腳FB提供反饋電壓。引腳FB與誤差放大器ERROR AMP(U1)的負極端子耦接，該誤差放大器的正極端子與基準電壓VREF耦接。誤差放大器ERROR AMP的輸出端子與脈寬調製比較器PWM COMP(U2)的補償引腳COMP耦接，並且通過電阻R1與補償電容器C1耦接。FB也與比較器SS COMP(U3)的正極端子耦接，比較器SS COMP的負極端子與基準電壓VREF×0.95耦接。SS COMP的輸出端子與具有置位端子、重置端子和輸出端子的觸發器RSFF(U4)耦接。
當調節器為禁用、欠熱或過熱、欠壓或過壓狀態時，與此狀態相應的關閉訊號為高電平，它重置RSFF並且導通電晶體MN4使得C1對地放電。MN4的汲極端子與COMP連接，其源極端子接地。
本發明的一個實施例用於降低啟動過程中ERROR AMP的偏置電流IB。第4圖中，IB由偏置電流調節電路監視和控制，該偏置電流調節電路包括第一電流鏡MP1、第二電流鏡MP2、第三電流鏡MP3、第一電晶體MP4、第二電晶體MP5、第三電晶體MN1、第四電晶體MN2和功率電晶體MN3，並且第一電晶體MP4與第二電晶體MP5構成第一電晶體對，第三電晶體MN1與第四電晶體MN2構成第二電晶體對。假設流經MP1汲極端子的電流是I0。流經MP3和MP2汲極端子的電流分別是I0和N×I0。MP4和MP5的源極端子都與MP2的汲極端子耦接。MP4的閘極端子耦接至FB，同時其汲極端子耦接至MN1的汲極端子。MN1的閘極端子耦接至RSFF的輸出端子，其源極端子接地。MP5的閘極端子耦接至VREF，其汲極端子耦接至MN2的閘極和汲極端子。MN2的源極端子接地，且其汲極端子耦接至其閘極端子、MP3和MP5的汲極端子以及MN3的閘極端子。MN3的源極端子接地，且其汲極端子耦接至ERROR AMP，用於提供偏置電流。
由於MN3和MN2構成電流鏡，MN3的汲極電流等於MP5和MP3的汲極電流的總和。當關閉訊號是低電平並且FB的電壓低於0.95×VREF時，MP4會帶走幾乎所有來自的MP2的電流。IB約等於流經MP3的電流I0。因此，ERROR AMP緩慢地對補償電容器C1充電。COMP的緩慢斜率(slew rate)迫使調節器在低占空比周期運行。當FB的電壓高於0.95×VREF時，SS COMP的輸出將RSFF置位，使 得MN1截止。MP2的所有電流開始流經MP5。IB和MN3的汲極電流都變為(N+1)×I0，這是正常工作狀態下的正常偏置電流。本發明可防止COMP的電壓在軟啟動結束時跳高和可能的輸出電壓過沖。而且，本發明不需要額外的引腳和額外的大電容器。
第5圖示出第4圖中軟啟動開關型調節器在啟動階段，誤差放大器的偏置電流與FB的電壓之間的關係。當FB的電壓低於0.95×VREF時，偏置電流等於I0，當FB的電壓大於0.95×VREF時，偏置電流等於(N+1)×I0。
在本發明中，開關型調節器的軟啟動是通過監視輸出端子的反饋電壓、並調節誤差放大器的偏置電流完成的。偏置電流是由耦接至一組電流鏡的電晶體提供的，電流鏡由反饋電壓和一個觸發器的輸出訊號調節。當反饋電壓低於基準電壓時，小偏置電流迫使調節器以低占空比周期工作，並且緩慢地對補償電容器充電。當反饋電壓高於基準電壓時，開關型調節器恢復正常工作。由於誤差放大器總是在閉環條件下工作，本發明實現了從軟啟動到正常工作的平穩過渡。
上述本發明的說明書和應用僅僅是示例性的，並不用於限定本發明的範圍。對公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中各個元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
FB,COMP‧‧‧引腳
VREF‧‧‧基準電壓
RSFF‧‧‧觸發器
MN1~MN5,MP1~MP5‧‧‧電晶體
Cout‧‧‧輸出電容器
C1,C2‧‧‧電容器
U1‧‧‧誤差放大器
R1‧‧‧電阻器
U2‧‧‧PWM COMP
U3‧‧‧比較器
IB‧‧‧偏置電流
下列圖式例舉了本發明的實施例。這些圖式和實施例以非限制和非窮舉的方式提供了本發明的實例。
第1圖為現有技術的6引腳封裝升壓變換器的示意圖。
第2圖為現有技術的軟啟動開關型調節器的示意圖。
第3圖為現有技術的另一種軟啟動開關型調節器的示意圖。
第4圖為根據本發明一個實施例的軟啟動開關型調節器的示意圖。
第5圖示出第4圖的開關型調節器在啟動期間，其誤差放大器的偏置電流與引腳FB處的電壓之間的關係。
FB,COMP‧‧‧引腳
VREF‧‧‧基準電壓
RSFF‧‧‧觸發器
MN1~MN4,MP1~MP5‧‧‧電晶體
C1‧‧‧電容器
U1‧‧‧誤差放大器
R1‧‧‧電阻器
U2‧‧‧PWM COMP
U3‧‧‧比較器
IB‧‧‧偏置電流

Claims (6)

  1. 一種用於軟啟動開關型調節器的方法，該開關型調節器包括一誤差放大器、一補償電容器、一觸發器、一比較器和一偏置電流調節電路，該方法包括：監視所述開關型調節器的輸出端子的反饋電壓；當所述開關型調節器處於禁用、欠熱或過熱、欠壓或過壓狀況時，提供一關閉訊號以將所述觸發器重置，其中該觸發器具有一置位端子、一重置端子和一輸出端子；回應所述關閉訊號使得所述補償電容器放電；通過所述比較器將所述反饋電壓與一第一基準電壓進行比較，如果所述反饋電壓變得高於所述第一基準電壓時，所述比較器的輸出訊號將所述觸發器置位；及回應所述反饋電壓和所述觸發器的輸出訊號，通過所述偏置電流調節電路調節所述誤差放大器的偏置電流如下：(1)如果所述反饋電壓低於所述第一基準電壓，將所述誤差放大器的偏置電流調節到一小數值，以確保所述開關型調節器的軟啟動；(2)如果所述反饋電壓高於所述第一基準電壓，使得所述誤差放大器的偏置電流具有其正常工作狀態下的一正常值；其中當所述偏置電流由所述小數值切換到所述正常值時，所述誤差放大器在閉環條件下工作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述第一基 準電壓低於連接至所述誤差放大器的一第二基準電壓，因此在所述反饋電壓增加到所述第二基準電壓的數值之前，所述比較器進行切換。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，所述偏置電流調節電路包括：一第一電流鏡，用於提供一第一電流I0；一第二電流鏡，與所述第一電流鏡耦接，用於提供一第二電流N×I0：一第三電流鏡，與所述第一和所述第二電流鏡二者耦接，用於提供一第三電流I0；一第一電晶體對，由一第一電晶體和一第二電晶體組成，其中所述第一電晶體和所述第二電晶體的源極端子耦接至所述第二電流鏡的汲極端子，所述第一電晶體的閘極端子連接至所述反饋電壓，所述第二電晶體的閘極端子連接至所述第二基準電壓；一第二電晶體對，由一第三電晶體和一第四電晶體組成，其中所述第三電晶體的閘極端子、汲極端子和源極端子分別耦接至所述觸發器的輸出端子、所述第一電晶體的汲極端子和地；所述第四電晶體的源極端子接地，且其閘極端子連接其汲極端子、一功率電晶體的閘極端子、所述第二電晶體和所述第三電流鏡的汲極端子；及所述功率電晶體具有與所述第四電晶體相同的汲極電流，並對所述誤差放大器提供所述偏置電流。
  4. 一種開關型調節器，包括： 一關閉電路，用於當所述開關型調節器在禁用、欠熱或過熱、欠壓或過壓狀況下，提供一關閉訊號；一反饋電路，耦接至所述開關型調節器的輸出端子，用於提供一反饋電壓；一補償電容器；一比較器，連接至所述反饋電壓和一第一基準電壓；一誤差放大器，連接至所述反饋電壓和一第二基準電壓，並向所述補償電容器提供一充電電流；一觸發器，具有一置位端子、一重置端子和一輸出端子，其中所述觸發器由所述比較器的輸出訊號置位，而由所述關閉訊號重置；及一偏置電流調節電路，其回應所述反饋電壓和所述觸發器的輸出訊號，調節所述誤差放大器的偏置電流；其中，如果所述反饋電壓低於所述第一基準電壓，所述誤差放大器的偏置電流被調節到一小數值，以確保所述開關型調節器的軟啟動；其中，如果所述反饋電壓高於所述第一基準電壓，所述誤差放大器的偏置電流具有正常工作狀態下的一正常值；及其中，當所述偏置電流從所述小數值切換到所述正常值時，所述誤差放大器在閉環條件下工作。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的開關型調節器，其中，所述第一基準電壓低於所述誤差放大器的第二基準電壓，因此在所述反饋電壓增加到所述第二基準電壓的數值之 前，所述比較器進行切換。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的開關型調節器，其中，所述偏置電流調節電路包括：一第一電流鏡，用於提供一第一電流I0；一第二電流鏡，與所述第一電流鏡耦接，用於提供一第二電流N×I0；一第三電流鏡，與所述第一和第二電流鏡二者耦接，用於提供一第三電流I0；一第一電晶體對，由一第一電晶體和一第二電晶體組成，其中這些電晶體的源極端子耦接至所述第二電流鏡的汲極端子，所述第一電晶體的閘極端子耦接至所述反饋電壓，所述第二電晶體的閘極端子耦接至所述第二基準電壓；一第二電晶體對，由一第三電晶體和一第四電晶體組成，其中所述第三電晶體的閘極端子、汲極端子和源極端子分別耦接至所述觸發器的輸出端子、所述第一電晶體的汲極端子和地；所述第四電晶體的源極端子接地，且其閘極端子耦接至其汲極端子、一功率電晶體的閘極端子、及所述第二電晶體和所述第三電流鏡的汲極端子；及所述功率電晶體具有與所述第四電晶體相同的汲極電流，並對所述誤差放大器提供所述偏置電流。
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