专利名称：一种用于电压调整器中的软启动电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种用于电压调整器中的软启动电路的设计。
背景技术：
电压调整器是一种完成电源由一种直流形式到另一种直流形式的转换，实现输出电压幅值大于或者小于输入电压幅值等功能的系统。电压调整器有很多种控制模式，包括电压模控制、电流模控制、恒定导通时间控制(COT (Constant-on-time)控制)等。COT控 制模式以其控制环路结构简单，系统响应速度快等优点而被广泛应用。为了防止芯片上电过程中出现电感电流浪涌和输出电压过冲，都会在设计芯片时设计一个软启动模块，使芯片从启动阶段平滑的过度到稳定工作状态。图I给出了没有软启动电路的COT控制系统在启动过程中的波形图，从图中可以看很明显的电感电流浪涌和输出电压过冲现象，并且系统开关频率变化剧烈。COT控制模式的传统软启动电路如图2，在启动阶段只控制环路比较器，使环路比较器的参考电平，随着时间逐渐上升，防止电感电流出现过大浪涌电流和输出电压过冲，但是由于0n_Timer定时器定时时间Tm固定不变,所以在芯片开始启动时电感电流会出现浪涌现象从而导致输出电压Vo存在一个台阶，而且在启动期间系统的工作频变化比较大，如图3所示，这将导致不必要的功率损耗，降低芯片的转换效率，增加EMI (Electro Magnetic Interference)的处理难度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的COT控制模式的传统软启动电路存在的上述问题，提出了一种用于电压调整器中的软启动电路。本发明的技术方案是一种用于电压调整器中的软启动电路，具体包括第一偏置电流源、第二偏置电流源、第一电容、第一电阻、第一运算放大器和开关装置，其中，第一偏置电流源连接于外部电源和第一运算放大器的同相输入端之间；开关装置和第一电容并接于第一运算放大器的同相输入端与地电位之间，开关装置的控制端作为所述软启动电路的控制端；第二偏置电流源接于外部电源和第一电阻的第一端子的之间，第一电阻的第一端子作为所述软启动电路的输出端，第一电阻第二端子与第一运算放大器的负相输入端、第一运算放大器的输出端相连。作为一种优选方案，本发明的软启动电路还包括第一 PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第三偏置电流源；其中，第六电阻和第七电阻串联在所述电压调整器的输出电压和地电位之间，第六电阻和第七电阻组成电阻分压网路对系统输出电压进行采样；第一 PMOS管的栅极连接到第六电阻和第七电阻的分压节点处，第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的漏极和第三PMOS管的漏极均连接于地电位，第三电阻的第一端子与第一 PMOS管的源极相连接，第三电阻的第二端子与第二电阻的第一端子相连接，第三偏置电流源连接在第二电阻的第二端子与外部电源之间；第四电阻和第五电阻串联连接在第二 PMOS管的源极与第二电阻的第二端子之间；第二 PMOS管的栅极连接于外部基准电压源，第二 PMOS管的漏极连接于地电位；第三PMOS管的源极连接于第四电阻和第五电阻串联连接点处、第三PMOS管的栅极与第一运算放大器的输出端相连。本发明的有益效果本发明的软启动电路不仅能够防止在启动过程中出现电感电流浪涌和输出电压过冲，而且可以减小系统开关频率在软启动过程中的变化范围，降低系统EMI的处理难度，从而能够使输出电压平滑上升到稳定工作值，避免启动期间的稳定性问题。本发明提出的软启动电路，除了控制环路比较器外，还控制0n_Timer(导通时间定时器)定时器，使0n_Timer定时器产生的功率管开启时间在软启动期间逐步加长，同时在环路比较器中设计了消除输出电压台阶的电路，能够避免传统软启动电路在上电时电感电流的浪涌现象和输出电压的台阶问题；而且使得控制0n_Timer定时器定时时间Ton逐渐增大，这样能够减小软启动过程中系统频率的变化，从而降低系统EMI的处理难度和避免软启动期间出现稳定性问题。本发明的软启动电路可应用于高性能、低功耗COT控制模式的DC-DC变换器的系统中。
图I为没有软启动电路的COT控制系统在启动过程中的波形图。图2为COT控制电压调整器的传统软启动电路的结构示意图。图3为采用传统软启动电路的COT控制系统在启动过程中的波形图。图4为本发明所述的用于电压调整器中的软启动电路的结构示意图。图5为采用本发明所提供的软启动电路的COT控制电压调整器在启动过程中的波形图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提出的软启动电路的原理、工作过程进行详细阐述。图4给出了采用了本发明软启动电路的电压调整器的整体框图，除包括软启动电路Soft_Start模块外,还包括0n_Timer定时器模块和环路比较器Loop_Comp模块。如图4所示，Soft_Start模块包括开关装置SW1、电容Css、电阻R1、偏置电流源Ibiasl和Ibias2、运算放大器0P,其中，OP连接成负反馈的形式组成一个Buffer,将OP的输出端L73电位嵌位到和电容Css上面的电位相等。具体连接关系为开关装置SWl和电容Css接在OP的同相输入端与地电位之间、偏置电流源Ibiasl连接在电源电压Vdd和OP的同相输入端、OP的反相输入端连接到OP的输出端L73、电阻Rl连接在节点L107和L73之间、偏置电流源Ibias2连接在电源电压Vdd和节点L107之间。本模块的作用是产生两个随着时间线性上升的电压信号分别为Vutl7和Vm，在本实施例中它们之间的差值为0. 4V左右，Vutl7和Vm这两个信号在软启动期间分别作为0n_Timer定时器的比较器和Loop_Comparator的参考电平。这里，偏置电流源Ibiasl和Ibias2相互独立。0n_Timer定时器模块包括开关装置SW2、电容Con、比较器C0MP1、偏置电流源Ibias4，具体连接关系为开关装置SW2和电容Con连接在比较器COMPl的同相输入端和地之间、偏置电流源Ibias3连在在电源电压Vdd和COMPl的同相输入端、COMPl的两个反相输入端分别接L107和基准电源VREF2。本模块的功能是通过恒定电流源对电容Con充电，来计时产生一个固定的功率管导通时间Ton。当计时时间到了，则本模块输出的信号Aco由低电平翻转为高电平，并通知电压调整器关闭功率管。在软启动期间由于比较器COMPl的参考电平是随时间逐步上升的，所以在软启动期间导通时间Ton是逐步增加的，这是本发明提供的软启动电路的一大优势。环路比较器Loop_Comp模块包括三个PMOS管MP1、MP2、MP3、六个电阻Rfbl、Rfb2、R2、R3、R4、R5、偏置电流源Ibias3、比较器C0MP2，这里的三个PMOS管MPI、MP2 、MP3、六个电阻1 31、1 32、1 2、1 3、1 4、1 5、一个偏置电流源Ibias3同时也作为软启动电路的组成部分，其目的在于消除由于软启动模块中的Buffer电路的共模输出范围的限制而引入的电压台阶，从而不对电压调整器的输出电压产生影响。具体连接关系为电阻Rfbl和Rfb2组成电阻分压网路对电压调整器的输出电压Vo进行采样，采样得到的电平与参考电平进行比较，从而达到监测输出电压Vo的目的；四个电阻R2、R3、R4、R5、三个PMOS管MP1、MP2、MP3、偏置电流源Ibias3组成消除输出电压台阶的电路。它们的连接关系为，电阻Rfbl和Rfb2串联在输出电压Vo和地之间、PMOS管MPl的栅极连接到电阻Rfbl和Rfb2的分压节点处、PMOS管MPl的漏极连接地电位、偏置电流源Ibias3连接在电源电压Vdd和节点C之间、电阻R2和R3串联连接在PMOS管MPl的源和节点C之间、电阻R4和R5串联连接在PMOS管MP2的源极和节点C之间、PMOS管MP2的栅极接外部基准电源VREF1、PMOS管MP2的漏极接地电位、PMOS管MP3的源极接节点B处、PMOS管MP3的栅极接节点L73、PM0S管MP3的漏极接地电位、比较器C0MP3的同相输入端和反相输入端分别连接到节点A和节点B。本模块的功能是，通过比较器C0MP2的参考电平来设定电压调整器的输出电压Vo，当输出电压Vo低于预先设定的值时，本模块的输出信号Vfb由低电平翻转为高电平，并通知系统开启功率管。在软启动期间由于比较器的参考电平是逐步上升的，所以电压调整器的输出电压Vo也是逐步升高，最终达到稳定的电压值。在图4中，Soft_Start模块电容Css上面的电压通过一个Buffer得到两个线性上升的电压Vm和VUQ7，由于受Buffer电路输出摆幅的限制，Vm不能从零开始增加，而存在一个初始台阶。在软启动过程中，由于0n_Timer比较器的参考电平是Vutl7，所以在软启动期间0n_Timer定时器定时时间Tm =ConX-^
him 4式中Cm表示0n_Timer定时器中的定时电容。因为Vutl7在启动期间是逐步增加的，所以Tm也是逐步增加，这样能够避免启动时电感电流出现浪涌现象，具体原因为电感电流在一个周期内的增加量Aktasd为ML(nse) =(I--^)XToh式中L表示电压调整器的外接电感。由于在软启动初期，输出电压Vo较小，所以电感电流的上升斜率较大，通过控制时间Tm，让其逐步增加，从而达到控制电感电流增量AImisd的目的，如果设置合适可以保持在软启动期间每个周期内电感电流的增量A IL(rise)相等，从而消除启动时电感电流的浪涌现象。此外，电感电流的下降量为= —X Tgff 式中的Ttjff表示电压调整器的关断时间。由于在软启动初期，输出电压Vo较小，所以电感电流的下降斜率较小，也即是需要达到相同的电感电流变化量，则需要的Ttjff时间较长，并且Ttjff时间随着软启动的进行而逐渐减小。如果采用传统的COT软启动方式，则会使得电压调整器的频率随着软启动的进行而逐渐增加，并且频率变化范围较宽。而本发明的软启动电路通过逐渐增加Tm，可以从一定程度上抵消Ttrff的改变对系统频率变化的影响，缩小整个过程中电压调整器频率变化的范围。启动完成后0n_Timer定时器的参考电平替换为Vkef2，所以功率管的导通时间Tm，是一个固定的常数，具体为=QnXyizi-
bias ^在启动期间，Loop_Comp的参考电平是Vm，所以在软启动期间输出电压Vo为F0 =(1 + |^) X (Fi71-AF)
八(bl其中，A V表示L00p_C0mp比较器电路中用于消除八73的初始台阶而设计的，从而消除传统启动电路在启动时输出电压Vo的台阶。AV = ^Ibias3XR4由于Vm在软启动期间是逐步上升的，所以输出电压Vo也是逐步升高的，这样可以保证输出电压Vo从零开始逐步上升到电压调整器预先设定的值V0 =(1+ -^l) X Vrefi
^lbl本发明提供的软启动电路,结合对0n_Timer定时器时间Ton的控制和Loop_Comp对输出电压Vo的控制，能够使电感电流IL和输出电压No在启动过程中逐步平滑的过度到稳态值，而且不会出现上电时电感电流浪涌和输出电压台阶；此外可以缩减电压调整器的频率变化范围。图3和图5分别是采用传统启动电路的COT控制电压调整器在启动期间的波形图和采用本发明提出的软启动电路的COT控制电压调整器在启动期间的波形图。对比两图可以发现本发明提出的软启动电路改善了电压调整器在启动时电感电流浪涌和输出电压Vo台阶的问题，提高了电压调整器在启动阶段的性能。此外，传统软启动电路的Ton时间固定不变，而本发明提出的软启动电路在启动期间控制Ton时间由小逐渐变大，随着软启动过程的进行，输出电压逐渐增加，同时电压调整器的占空比也逐渐增加，在达到相同占空比增量的情况下，本发明提出的启动电路在启动期间的频率变化范围较窄，所以能够提高电压调整器的稳定性和降低EMI的处理难度。综上可以看出，本发明提供的软启动电路在软启动期间增加了对功率管导通时间Tm的控制，同时优化了环路比较器的设计，从而消除了传统软启动电路在启动时出现的电感电流浪涌和输出电压Vo的台阶问题，同时本发明提出的软启动电路在启动期间频率变化范围较窄提高了电压调整器的稳定性和降低了 EMI的处理难度。本发明提供的启动电路适用于所有采用COT控制模式的电压调整器。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的 普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于电压调整器中的软启动电路，具体包括第一偏置电流源、第一电容和开关装置，其特征在于，还包括第二偏置电流源、第一电阻、第一运算放大器，其中，第一偏置电流源连接于外部电源和第一运算放大器的同相输入端之间；开关装置和第一电容并接于第一运算放大器的同相输入端与地电位之间，开关装置的控制端作为所述软启动电路的控制端；第二偏置电流源接于外部电源和第一电阻的第一端子的之间，第一电阻的第一端子作为所述软启动电路的输出端，第一电阻第二端子与第一运算放大器的负相输入端、第一运算放大器的输出端相连。
2.根据权利要求I所述的软启动电路，其特征在于，还包括第一PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第三偏置电流源；其中，第六电阻和第七电阻串联在所述电压调整器的输出电压和地电位之间，第六电阻和第七电阻组成电阻分压网路对系统输出电压进行采样；第一 PMOS管的栅极连接到第六电阻和第七电阻的分压节点处，第一 PMOS管的漏极、第二 PMOS管的漏极和第三PMOS管的漏极均连接于地电位，第三电阻的第一端子与第一 PMOS管的源极相连接，第三电阻的第二端子与第二电阻的第一端子相连接，第三偏置电流源连接在第二电阻的第二端子与外 部电源之间；第四电阻和第五电阻串联连接在第二 PMOS管的源极与第二电阻的第二端子之间；第二 PMOS管的栅极连接于外部基准电压源，第二 PMOS管的漏极连接于地电位；第三PMOS管的源极连接于第四电阻和第五电阻串联连接点处、第三PMOS管的栅极与第一运算放大器的输出端相连。
全文摘要
本发明公开了一种用于电压调整器中的软启动电路，具体包括第一偏置电流源、第一电容、开关装置、第二偏置电流源、第一电阻和第一运算放大器，第二偏置电流源接于外部电源和第一电阻的第一端子的之间，第一电阻的第一端子作为所述软启动电路的输出端，第一电阻第二端子与第一运算放大器的负相输入端、第一运算放大器的输出端相连。本发明的软启动电路不仅能够防止在启动过程中出现电感电流浪涌和输出电压过冲，而且可以减小系统开关频率在软启动过程中的变化范围，降低系统EMI的处理难度，从而能够使输出电压平滑上升到稳定工作值，避免启动期间的稳定性问题。
文档编号H02M1/36GK102751858SQ20121021339
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者代高强, 周泽坤, 张波, 明鑫, 石跃, 谢海武, 邱实, 黄建刚 申请人:电子科技大学