专利名称：一种用于开关电源的软启动电路的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种模拟的集成电路设计，特别的是涉及一种开关电源中启动电路的
设计。
背景技术：
由于VLSI的不断发展，电源芯片的集成得到了迅猛的发展，并广泛应用于各种设 备中，尤其是便携式电子产品，诸如手机、MP3、 PDA、 PMP、 DSC等。 开关电源(DC-DC)是电源IC中的一个重要分支，和低压差线性稳压器相比，它具 有效率高的优点，是便携式产品的首选供电系统之一。 对于供电系统而言，由于各种不当的使用，都会造成电源系统的受损，尤其是对于 片上系统更是严重，电源的损毁直接导致整个芯片的崩溃。因此，在电源的保护功能中，一 般都需要软启动电路，以防止在电源上电时电感电流过大而损坏电源以及负载。
DC-DC开关电源在上电过程中，输出电压从零上升到最大值，由于负反馈的作用， 功率管的P丽(脉宽调制)控制信号的占空比从最大值开始变化，逐渐减小，直到电路稳定。 由于电路中输出滤波电容的存在，对电容充电容易产生浪涌电流，此时通过功率管的电流 可以达到很大，容易损毁电路系统。为了在启动过程中防止大的浪涌电流，对电路系统的损 坏，在电路启动过程中需要对电流进行限制，即需要在开关电源芯片中加入软启动电路。
软启动电路是用来控制电源输入电压上升过程中P丽脉冲波形的占空比从最小 值逐渐变化到正常工作时所需要的值，从而控制输出电压逐步变化。由于占空比是从最小 值开始逐渐变化，不会使功率管在较长一段时间一直导通，从而避免了浪涌电流的产生，保 证了电路系统的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于开关电源中的软启动电路，该电路 采用简单的结构，不需要接入大电容即可实现一种既可以用于电压控制模式又可用于电流 控制模式的软启动电路。 为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于开关电源中的软启动电路，该电路 包括振荡器、分频计数模块、电阻网络、电流采样模块、电流源12、电阻R100、脉宽调制比较 器、反相器、RS触发器和功率PMOS管Pl ，其中，复位信号与振荡器的输出时钟一起输入至分 频计数模块和RS触发器的S端，该分频计数模块的输出信号控制电阻网络得到输出电压接 脉宽调制比较器的一负输入端，脉宽调制比较器另一负输入端接误差电压，正输入端接电 流采样模块的输出电流与电流源12叠加后经电阻R100得到的电压，脉宽调制比较器的输 出端经反相器反相后输入至RS触发器的R端，该RS触发器的反相输出端接功率PMOS管Pl 的栅极和电流采样模块的输入端。 所述电流源12为作斜坡补偿的三角波电流源。所述脉宽调制比较器包括五个PMOS管M600、 M601、 M602、 M603、 M606，以及三个NM0S管M604、 M605、 M607，其中PMOS管M601、 M602和M603为一组差分对管，PMOS管M601 与NMOS管M604串联至地，PMOS管M602和M603的漏极相连后与NMOS管M605串联至地， NMOS管M604和NMOS管605镜像连接，且NMOS管M604栅漏极相连，三个PMOS管M601、M602 和M603的源极相连后与PMOS管M600的漏极相连，PMOS管M600与M606镜像连接，PMOS管 M606和NMOS管M607串联至地，NMOS管M607的栅极与NMOS管的漏极相连，该脉宽调制比 较器的输出信号VPWM自NMOS管M607的漏极输出。 所述分频计数模块包括两个两输入或非门Gl和G2、 n个T触发器、一反相器和一 RS触发器，其中输入清零端clear经反相器后的输出端分别接至n个T触发器的清零端，该 n个T触发器依次串联，后一个T触发器的时钟输入端接前一个T触发器的Q输出端，其中 第n-l个T触发器的5端输出信号D0，第n个T触发器的5端输出信号Dl，且输出信号DO 和Dl输入至一或非门Gl的两输入端，该或非门Gl的输出端和清零端clear作为RS触发 器的两输入端，该RS触发器的输出端和所述时钟信号elk作为另一或非门G2的两输入端， 该或非门G2的输出端接第一个T触发器时钟输入端，其中n为自然数。
所述电阻网络包括M-l个NM0S管和M个电阻，电源Vin、电流源L和电流源l3，其中 M个电阻与电流源L串联至电源Vin和地之间，将从电源Vin开始的M-1个电阻中每个电阻 并联一个NMOS管，通过NMOS管的导通和关断控制与该NMOS管并联的电阻是否接入电路， 进而控制输出的电压值V"电流源I3自电源Vin经第M个电阻连接至地，其中M为自然数。
所述电流源12和电流源13输出的电流相同。 本发明的有益效果为本发明所述软启动电路不需要增加额外的输入输出接口来 接入大电容，不需要用微控制器控制，而且能集成到芯片内部，直接限制电感电流，软启动 效果好，并且既可支持电压控制模式，又可支持电流控制模式。同时，本发明具体实施方式
中所述脉宽调制比较器的结构将脉宽调制器和限流比较器相结合，从而为系统节省了限流 比较器，使电路结构更简单，更节省芯片面积。
图1是本发明具体实施方式
中软启动电路的结构示意图； 图2是本发明具体实施方式
中所述软启动电路应用于开关电源BUCK结构中的结 构示意图； 图3是本发明具体实施方式
中分频计数模块的一种电路结构图；
图4是本发明具体实施方式
中电阻网络的一种结构示意图；
图5是本发明具体实施方式
中电流采样模块的一种电路结构图；
图6是本发明具体实施方式
中脉宽调制比较器的一种电路结构图；
图7是本发明具体实施方式
中软启动过程中的关键信号波形图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明具体实施方式
作详细说明。 如图l所示，为本发明具体实施方式
中软启动电路的结构示意图，该电路包括振 荡器101、分频计数模块102、电阻网络103、脉宽调制比较器104和一反相器、电流采样模块 105、电流源12、电阻1 100、 RS触发器106和功率PM0S管P1，其中，振荡器101输出的时钟信号elk输入至分频计数模块102和RS触发器106的S端，分频计数模块102的另一输入 端为清零端clear,其两个输出端DO和Dl控制电阻网络103中电阻的接入个数，从而控制 电阻网络103的输出电压V1的值，该电压V1和开关电源中误差放大器的输出V^接脉宽调 制比较器104的负输入端，其正输入端输入的是电流采样模块105的输出电流与电流源I2 叠加后经电阻R100得到电压V2，该电流采样模块105的两输入端分别接RS触发器106的 ^输出端和电感电流的采样点SW，脉宽调制比较器104的输出端经反相器后输入至RS触发 器106的R端，RS触发器106的5端输出信号VP控制功率PMOS管PI的导通与关断，从而
控制了整个开关电源电路的占空比。其中，电流源I2为三角波电流源，起斜坡补偿的作用。
如图2所示为本发明具体实施方式
所述的软启动电路应用于开关电源BUCK结构 中的结构示意图，其中由功率PMOS管Pl、电感L和电容C。组成的LC低通滤波网络、以及续 流二极管D组成的结构为本发明具体实施方式
中开关电源BUCK结构，此开关电源电路的负 载电阻为R^d，其输出电压用V。ut表示。 该带软启动电路的BUCK结构开关电源电路中，清零信号clear是开关电源上电复 位模块的输出，电源上电通过该信号对分频计数模块102清零，重新开始计数分频，从而控 制整个电路开始工作，此时振荡器101也开始工作，产生时钟信号clk，为整个电路提供时 钟信号；同时分频计数模块102通过将输入的时钟信号进行分频后得到输出信号DO和Dl， 该两个数字信号控制电阻网络103中接入的电阻个数，使输出的电压V1按照一定的台阶增 加。其中，当该台阶上升的电压V1小于误差电压L时，电压V1作为脉宽调制比较器104 的负端阈值电压，当该台阶上升电压VI变化到大于误差电压VM时，则逐渐由VM作为脉宽 调制比较器104的负端阈值电压，从而完成所述开关电源电路的软启动。同时，对于一定的 负端阈值电压，整个电路的工作过程如下所述。 当振荡器101开始工作产生时钟信号elk时，通过RS触发器106开启功率PMOS管 Pl，此时由于续流二极管处于反偏状态，不导通，根据电感电流公式，电感电流线性上升，则 功率PMOS管PI的电流也线性上升，此时电流采样模块也已经启动，开始采样电感上的电流 值，采样得到的电流值也是线性上升的，当电流值上升使电流采样模块105的输出电压V2 达到所述一定的负端阈值电压时，脉宽调制比较器104的输出跳变为高电平，使功率PMOS 管关断。根据电感的特性，此时电感电流开始降低。由于电流采样模块受信号Vp的控制， 此时不采样功率PMOS管的电流值。当振荡器101输出的下一个时钟clk到达时，RS触发 器的5输出端被置位为低电平，即Vp为低电平，功率PMOS管重新导通，电路进入下一个周期 的控制。软启动的过程中，电流的阈值分阶段的上升，从而限制了电感电流上的峰值电流， 抑制了浪涌电流的产生，而且开关电源的输出电压V。ut也分阶段上升，达到软启动的效果。
以下对如图1所示是软启动结构图中的各个模块的具体实施方式
作详细说明。
如图3所示为本发明具体实施方式
中分频计数模块102的一种实施电路，该电路 包括两个两输入或非门Gl和G2、 n个T触发器、一反相器和一 RS触发器，其中n个T触发 器的清零端均接至清零端clear经反相器后的输出端，该n个T触发器依次串联，后一个T 触发器的时钟输入端接前一个T触发器的Q输出端，第n-1个T触发器的5端输出信号D0， 第n个T触发器的^端输出信号Dl，且输出信号DO和Dl输入至一或非门Gl的两输入端， 该或非门Gl的输出端和清零端clear作为RS触发器的两输入端，该RS触发器的输出端和所述时钟信号elk作为另一或非门G2的两输入端，该或非门G2的输出端接第一个T触发 器时钟输入端。 本具体实施方式
中，以n = 12为例来说明其分频计数过程，则12级T触发器可将 输入时钟信号elk进行212分频，如图所示，输出信号DO为输入时钟信号的211分频，输出信 号D1为输入时钟信号的2"分频，则在D1的一个时钟周期内，DO和D1的变化过程为11， 01， 10，00。当DO和Dl跳变为00时，则或非门Gl输出l，从而使时钟信号elk的选通信号 即RS触发器输出高电平，从而通过或非门G2使时钟信号clk被屏蔽，分频结束。
图4所示为本发明具体实施方式
中电阻网络103的具体电路图，该电阻网络103 包括NMOS管M401和M402，电阻R1、 R2、 R3，以及电源I丄和13，其中，电流源I!、电阻R3、 R2 和Rl依次串联在电源和地之间，NMOS管M401和M402分别串联在电阻R2和R3两端，控制 电阻R2和R3是否被短路，为使软启动电路工作在电流模式下，给输出电压增加一锯齿波电 流源偏置13，且该电流源偏置13与如图1所示的电流源12输出的电流相同。本具体实施电 路中电阻R3的阻值为电阻Rl阻值的两倍，电阻Rl和电阻R2的阻值相等。
值得注意的是，所述分频计数电路中T触发器的个数n决定了分频得到的时钟频 率的大小，从而决定了阈值电压V1每级台阶的时间，因此，本发明具体实施方式
所述分频 计数模块102的实施电路中T触发器的个数并不局限于本具体实施方式
所述的12，而是由 所设计的电路的输出电压来确定，满足使分频后在得到的阈值电压V1的台阶时间内软启 动达到开关电路所需的输出电压。 另外，所述电阻网络103中电阻的个数并不局限于所述的三个电阻，其中NMOS管 控制的电阻的个数决定了软启动时台阶的个数，也即NMOS管控制接入电路中电阻的个数 及接入电路中电阻的阻值，得到^电压值的个数即软启动台阶的个数，因此，本发明具体实 施方式所述电阻网络103中电阻的个数及阻值分配不局限于图4所示的电路结构，具体的 应用中可根据需要的台阶个数及台阶间的电压差分配电阻的个数及阻值，且满足接入电路 的电阻串联链中与地相连接的电阻两端不需并联NMOS管，电流源13经该电阻连接到地。
所述电流采样模块105可以采用如图5所示的电路结构图，该电路包括电感L和 电容C。、两个开关管MS501和MS502、由三个镜像连接的NMOS管MN501、 MN502和MN503、两 个镜像连接的电流检测管MP501和MP502及两个镜像连接的PMOS管MP503和MP504组成 的镜像电路、基准电流源I"采样电流管MR、功率管P1，以及续流管丽504。
其中，电流检测电路所在DC/DC降压转换器部分电感L和电容C。串联，功率管Pl 和续流管MN504串联，所述三组镜像管中电流检测管MP501、 PMOS管MP503、 NMOS管MN503 依次串联，电流检测管MP502、 PMOS管MP504、 NMOS管MN502也依次串联，基准电流源^与 NM0S管MN501串联提供所述镜像管的电流；开关管MS501与功率管Pl串联且共栅连接后， 与开关管MS502并联连接且栅电压相反，采样电流I，从采样电流管MR的漏极输出，所述 采样电流管MR的源极连接在电流检测管MP501的漏极，栅极与PMOS管MP504的漏极相连。
另外，所述电路还包括一补偿电容Cc，该补偿电容Cc连接于电流检测管MP502的 源极和PMOS管MP504的漏极之间。 所述图5所示电路中，电感电流的检测过程分为以下两种情况 当VQ = 0时，通过检测功率管Pl的电流从而得到电感电流。以下对所述检测电
路具体的实现方法作详细分析。
由于VQ为低，则功率管PI和开关管MS501均导通，续流管MN504和开关管MS502 均截止，由于电流检测管MP501和电流检测管MP502镜像连接，同时PM0S管MP503和MP504 镜像连接，NMOS管MN501 、MN502和MN503也镜像连接，则电流^也镜像，本具体实施电路中 电流源L为小电源，且各组镜像MOS管的宽长比相同，则镜像PMOS管MP503和MP504的源 端电压相等，即VA = VB，由于电流检测管MP501、电流检测管MP502、功率管P1都工作在线 性区，即所述三个管子的电阻分别用R。n—MP5Q1、R。n—iP5。2、R。n—P1表示，如图5所示，PMOS管MP501 和MP502的电流分别为；^和Ip功率管Pl的电流为Iw，则由欧姆定律可得到公式(1): Ip50lR。n—MP501 — IplR。n—Pl + IlR。n—MP502 又Ip2 = Isen+I丄 R。n—MP501 — Ron—MP502 由公式(1)、 (2)、 (3)可知， Ipl = 1(1_，其中Isen为采样电流， 『 ^ = "^j^-
(1)
(2)
(3)
Ipl " L， L为电感电流，
『
(4) 因此，通过设计功率管Pl和电流检测管MP501的宽长比，就可以得到电感电流L
与采样电流Isen的比值K，因此，采用采样电流I，来成比例等效电感电流L，控制功率管
MP1的关断，可以高速地反馈输出电压的大小，得到高效稳定的输出电压。 值得注意的是，本发明具体实施方式
所述电流采样模块105不局限于如图5所示
电路，其它满足实现采样电感电流的电路均属于本发明保护的范围。 如图6所示为本发明具体实施方式
中脉宽调制比较器104的一种具体电路结构， 该电路包括五个PMOS管M600、M601、M602、M603、M606，以及三个NMOS管M604、M605、M607， 其中，PMOS管M601、M602和M603组成一组差分对管，M601与NMOS管M604串联至地，M602 和M603的漏极相连后与NMOS管M605串联至地，NMOS管M604和NMOS管605镜像连接，且 NMOS管M604栅漏极相连，三个PMOS管M601、M602和M603的源极相连后与PMOS管M600的 漏极相连，PMOS管M600与M606镜像连接至偏置电源Vb， PMOS管M606和NMOS管M607串 联至地，NMOS管M607的栅极与NMOS管M605的漏极相连，该脉宽调制比较器104的输出信 号VPWM自NMOS管M607的漏极输出。 当系统的软启动开始时，由于此时输出电压很低，误差放大器的输出误差信号Vea 电平很高，即Vea>> Vl，流过M2管的电流很小，可以忽略，从而通过所述脉宽调制比较器 的输出V^控制功率管的通断。随着V1阶梯性变大，输出电压也阶梯性升高，误差放大器 的输出也慢慢降低。当软启动完毕，误差放大器的输出误差信号起主要作用，而电阻网络的 电压输出VI已大于软启动之初的误差信号Vea，即此时流过PM0S管M603的电流可以忽略。 电路处于闭环状态，Vea与V2进行比较，产生一系列脉冲VPWM使电路输出电压稳定在一个 值。 如图7所示为本发明具体实施方式
所示具体电路实现软启动过程的关键控制信 号波形图，其中各个模块均采用本具体实施方式
中所例举的具体电路结构，则Dl和DO分别 是时钟信号elk的4096分频和2048分频，占空比随着电阻网络的阶梯性升高而变大，输出 电压也阶梯性升高，从而快速稳定地达到软启动的效果。
7
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
权利要求
一种用于开关电源中的软启动电路，其特征在于，该电路包括振荡器、分频计数模块、电阻网络、电流采样模块、电流源I2、电阻R100、脉宽调制比较器、反相器、RS触发器和功率PMOS管P1，其中，复位信号与振荡器的输出时钟一起输入至分频计数模块和RS触发器的S端，该分频计数模块的输出信号控制电阻网络得到输出电压接脉宽调制比较器的一负输入端，脉宽调制比较器另一负输入端接误差电压，正输入端接电流采样模块的输出电流与电流源I2叠加后经电阻R100得到的电压，脉宽调制比较器的输出端经反相器反相后输入至RS触发器的R端，该RS触发器的反相输出端接功率PMOS管P1的栅极和电流采样模块的输入端。
2. 根据权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述电流源12为作斜坡补偿的三 角波电流源。
3. 根据权利要求l所述的软启动电路，其特征在于，所述脉宽调制比较器包括五个 PMOS管M600、 M601、 M602、 M603、 M606，以及三个NMOS管M604、 M605、 M607，其中PMOS管 M601、M602和M603为一组差分对管，PMOS管M601与NMOS管M604串联至地，PMOS管M602 和M603的漏极相连后与NMOS管M605串联至地，NMOS管M604和NMOS管605镜像连接，且 NMOS管M604栅漏极相连，三个PMOS管M601、M602和M603的源极相连后与PMOS管M600的 漏极相连，PMOS管M600与M606镜像连接，PMOS管M606和NMOS管M607串联至地，NMOS管 M607的栅极与NMOS管的漏极相连，该脉宽调制比较器的输出信号VPWM自NMOS管M607的漏 极输出。
4. 根据权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述分频计数模块包括两个两输 入或非门Gl和G2、 n个T触发器、一反相器和一 RS触发器，其中输入清零端clear经反相 器后的输出端分别接至n个T触发器的清零端，该n个T触发器依次串联，后一个T触发器 的时钟输入端接前一个T触发器的Q输出端，其中第n-l个T触发器的3端输出信号D0，第 n个T触发器的5端输出信号Dl，且输出信号DO和Dl输入至一或非门Gl的两输入端，该或 非门Gl的输出端和清零端clear作为RS触发器的两输入端，该RS触发器的输出端和所述 时钟信号clk作为另一或非门G2的两输入端，该或非门G2的输出端接第一个T触发器时 钟输入端，其中n为自然数。
5. 根据权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述电阻网络包括M-l个NMOS管 和M个电阻，电源V吣电流源L和电流源13，其中M个电阻与电流源L串联至电源Vin和地 之间，将从电源Vin开始的M-l个电阻中每个电阻并联一个NMOS管，通过NMOS管的导通和 关断控制与该NMOS管并联的电阻是否接入电路，进而控制输出的电压值V15电流源I3自电 源Vin经第M个电阻连接至地，其中M为自然数。
6. 根据权利要求1或5所述的软启动电路，其特征在于，所述电流源12和电流源13输 出的电流相同。
全文摘要
本发明公开了一种用于开关电源中的软启动电路，包括振荡器、分频计数模块、电阻网络、电流采样模块、电流源I2、电阻R100、脉宽调制比较器、反相器、RS触发器和功率PMOS管P1，其中，复位信号与振荡器的输出时钟一起输入至分频计数模块和RS触发器的S端，该分频计数模块的输出信号控制电阻网络得到输出电压接脉宽调制比较器的一负输入端，另一负输入端接误差电压，正输入端接电流采样模块的输出电流与电流源I2叠加后经电阻R100得到的电压，脉宽调制比较器的输出端经反相器反相后输入至RS触发器的R端，该RS触发器的反相输出端接功率PMOS管P1的栅极。本发明软启动效果好，且电路结构简单，节省芯片面积。
文档编号H02M3/155GK101771339SQ200810241920
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者刘敬波, 吴玉强, 杨忠添, 石岭, 程涛, 胡江鸣 申请人:深圳艾科创新微电子有限公司