启动模块、开关电源芯片及系统的制作方法

本发明涉及开关电源的技术领域，特别涉及一种启动模块、开关电源芯片及系统。

背景技术：

现有技术中，开关电源系统输出端接有采样电阻，采样电阻采样系统输出电压vout来产生反馈电压fb，该反馈电压fb通过反馈电压fb输入端送入芯片内误差放大器中与基准电压vref进行比较运算，误差放大器正相输入端与反相输入端间电压差为△v，当误差放大器的增益gm一定时，误差放大器输出电流i=△v/gm。该电流i给误差放大器输出端电容进行充放电从而产生误差信号ve。误差信号ve再与锯齿波信号saw进行比较，并最终转化成pwm信号来控制功率管的开启与关断，达到调整系统输出电压vout的目的。

但在开关电源系统上电初期，由于系统输出电压vout的建立需要时间，所以在系统输出电压vout到达设定值前，反馈电压fb低于基准电压vref，因此芯片中误差放大器正相输入端与反相输入端间电压差较大，误差放大器输出电流i较大，误差信号ve上升速度较快，使功率管以较大的占空比进行开启与关断，从而导致系统输出电压vout超出设定值，即输出过冲，严重时会造成输出端电路的损毁。

此外若开关电源芯片的开启电压和关断电压一致，在实际系统应用中可能会存在芯片反复开关的情况，严重时会造成整个开关电源系统的损坏。

技术实现要素：

本发明为了克服背景技术中提到的开关电源系统上电初期反馈电压fb低于基准电压vref，从而导致误差信号ve上升速度过快系统输出电压vout超出设定值的问题以及开关电源芯片开启电压和关断电压一致造成芯片反复开关的问题，提供一种启动模块、开关电源芯片及系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种启动模块，包括：偏置电路、软启动电路；所述偏置电路一端与vcc电压输入端相连，根据电流源在电流镜上产生第一偏置电流，根据内部电源电路产生稳定电压v1，并通过偏置电路第一输出端为软启动电路提供第一偏置电流、稳定电压v1；所述软启动电路包括pmos管m25、nmos管m24、m26、电容c2、三极管q3、电阻r2，其中m24源极、m25漏极、m26源极、c2第二端、q3集电极分别与gnd端相连，m24栅极与vdd电压输入端相连，m24漏极与偏置电路第一输出端相连，m26栅极与m24漏极相连，m26漏极分别与c2第一端、m25栅极、q3基极相连，r2第一端与vdd电压输入端相连，r2第二端与q3发射极相连，m25源极与误差信号ve输出端相连。

可选的，还包括：滞回开关模块，滞回开关模块采用模拟集成电路工艺实现，包括：nmos管m19、m20、m21、m22、m23，三极管q1、q2，电阻r1，反相器inv1、inv2；m19源极、m21源极、r1第二端、q2发射极分别与gnd端相连，m19漏极与m19源极相连，m19漏极与偏置电路第二输出端相连，m19栅极与m21栅极相连，m20栅极与m20源极相连，m20源极与偏置电路第三输出端相连，m20漏极分别与en使能输入端、m21漏极相连，m22栅极与m20源极相连，m22漏极与偏置电路第四输出端相连，m22源极分别与q1基极、q1集电极、m23漏极相连，q1发射极分别与m23源极、q2基极、r1第一端相连，q2集电极分别与偏置电路第五输出端、inv1输入端相连，inv1输出端分别与m23栅极、inv2输入端相连，inv2输出端输出系统开关信号on来控制开关电源芯片内部稳压源和基准电压模块。

可选的，所述m19、m20、m21为高压nmos管。

可选的，所述m21宽长比为m19的三倍。

可选的，所述电流镜具体包括：pmos管m1、m2、m3、m11、m12、m13、m14、m15、m17，nmos管m16、m18，电流源，其中m1源极、m2源极、m3源极、m17源极分别与vcc电压输入端相连，m1栅极分别与m1漏极、m2栅极、m3栅极、m17栅极相连，m1漏极与电流源第一端相连，电流源第二端、m16源极、m18源极分别与gnd端相连，m2漏极作为偏置电路第二输出端向m19输出第二偏置电流，m3漏极与内部电源电路一端相连，m11源极、m12源极、m13源极、m14源极、m15源极分别与m10源极相连，m11栅极与m12栅极、m13栅极、m14栅极、m15栅极相连，m15栅极与m15漏极相连，m15漏极与m16漏极相连，m16栅极分别与m18栅极、m18漏极相连，m18漏极与m17漏极相连，m11漏极作为偏置电路第三输出端向m20、m22输出第三偏置电流，m12漏极作为偏置电路第四输出端与m22漏极相连，m13漏极与作为偏置电路第五输出端分别与q2集电极、inv1输入端相连，m14漏极作为偏置电路第一输出端向m26输出第一偏置电流。

可选的，所述第二偏置电流与所述第三偏置电流大小相等。

可选的，所述内部电源电路包括nmos管m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10以及电容c1，m4、m5、m6、m7、m8、m9栅漏短接并依次串联在m3漏极与gnd端之间，m10栅极与m4漏极相连，m10漏极与vcc电压输入端相连，m10栅极与c1第一端相连并输出稳定电压v1，c1第二端与gnd端相连。

可选的，所述nmos管m4、m5、m6、m7、m8、m9具有相同的几何尺寸和相同的第一导通压降，第一导通压降为0.8v，m10具有第二导通压降为0.7v，稳定电压v1为4.1v。

本发明实施例还提供了一种开关电源芯片，包括上述的启动模块。

本发明实施例还提供了一种开关电源系统，包括上述的开关电源芯片。

综上所述，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供一种启动模块、开关电源芯片及系统，在开关电源芯片上电启动时，通过启动模块控制误差信号ve缓慢上升，使得误差信号ve与锯齿波信号saw在比较时，误差信号ve与锯齿波信号saw的交点逐周期缓慢后移，从而使系统占空比逐步增大，避免了上电输出过冲，从而实现了开关电源芯片的软启动。

本发明实施例提供一种启动模块、开关电源芯片及系统，其中启动模块采用模拟电路实现，相比现有技术中采用数字电路搭配模拟电路来设计的软启动电路具有结构简单、可靠性高、功耗低、成本低的特点，启动模块在软启动完成后大部分器件内部无电流流过，可以有效降低整个开关电源芯片的内部功耗。此外，本发明的提供的一种启动模块还包括一种无比较器的具有滞回开关功能的滞回开关模块，相较于依靠比较器实现滞回功能的电路，具有明显的成本优势。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种开关电源系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种本开关电源芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种开关电源芯片中软启动功能仿真图；

图4为本发明实施例提供的一种开关电源芯片中滞回开关功能仿真图；

图5为本发明实施例提供的一种启动模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种启动模块的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例首先提供了一种开关电源系统，请参考图1，包括电源电路10、开关电源芯片20、输出电路30。其中开关电源芯片20的一端与电源电路10相连，开关电源芯片20的另一端与输出电路30相连。

在本实施例中，所述电源电路10包括输入电源101和并联连接的输入滤波电容102。

所述输出电路30包括：肖特基二极管301、储能电感302、第一采样电阻303、第二采样电阻304、输出滤波电容305。其中肖特基二极管301正极与gnd端相连，肖特基二极管301负极与储能电感302第一端相连，肖特基二极管301的作用是在开关电源芯片20内部功率管关断周期时为储能电感302提供续流回路。储能电感302第一端与开关电源芯片20的sw功率输出端相连，储能电感302第二端与系统输出端相连。第一采样电阻303、第二采样电阻304串联在系统输出端与gnd端之间并组成开关电源芯片20外部分压网络。输出滤波电容305第一端与系统输出端相连，输出滤波电容305第二端与gnd端相连。

在本实施例中，所述电源电路10和输出电路30仅仅为一种开关电源系统的实现方式，本领域技术人员根据需要可以选择不同的电源电路和输出电路，在此不做赘述。

在本实施例中，开关电源芯片20包括vcc电压输入端、使能信号en输入端、反馈电压fb输入端、sw功率输出端。vcc电压输入端与电源电路10相连用来接收电源电路提供的vcc电压。使能信号en输入端用来控制开关电源芯片20开启与关闭。反馈电压fb输入端通过第一采样电阻303与系统输出端相连，第一采样电阻303将采样到的反馈电压fb送入芯片反馈电压fb输入端，芯片根据反馈电压fb调整功率管开关占空比，并通过sw功率输出端向输出电路30进行输出。

本发明实施例的开关电源系统采用了具有软启动功能的开关电源芯片20，从而使系统输出端电压vout不会高于设定值，有效保护了后端输出电路30。

请参考图2，开关电源芯片200包括启动模块201、稳压源和基准电压模块202、振荡器203、误差放大器204、比较器205、功率输出模块206、误差放大器输出电阻107、误差放大器输出端电容108。

在本发明实施例中，启动模块201第一端与vcc电压输入端相连用来获取外部电源电路提供的vcc电压，启动模块201第二端与误差放大器204的输出端相连，在开关电源芯片200上电启动时，通过启动模块201第二端控制误差信号ve缓慢上升，使得误差信号ve与锯齿波信号saw在比较时，误差信号ve与锯齿波信号saw的交点逐周期缓慢后移，从而系统占空比逐步增大，避免了上电输出过冲，从而实现了开关电源芯片200的软启动。

在本发明实施例中，启动模块201还作为外部输入使能信号en的接收电路，当使能信号en高于开启设定阈值vh时，通过启动模块向稳压源和基准电压模块输出开启信号开启开关电源芯片200；芯片开启后，当使能信号en低于芯片关闭设定阈值vl时，通过启动模块向稳压源和基准电压模块输出关闭信号关闭开关电源芯片200；从而避免一些情况下，外部输入电压不稳定造成开关电源芯片反复开关的问题。

稳压源和基准电压模块202一端与vcc电压输入端相连来接收vcc电压，当使能信号en高于开启设定阈值vh时，稳压源和基准电压模块202建立开关电源芯片200内部的工作电压vdd与基准电压vref，工作电压vdd还为振荡器电路203、误差放大器204以及比较器205提供工作电压，为了图像简洁明了，这一部分连接关系未在框图中体现。

振荡器203，接收基准电压vref，并根据基准电压vref产生固定频率的周期锯齿波信号saw和方波信号osc，其中方波信号osc和锯齿波信号saw具有相同频率，并且当锯齿波saw信号为上升沿时，方波信号osc为高电平，当锯齿波saw信号为下降沿时，osc信号为低电平。

误差放大器204，获取反馈电压vfb、基准电压vref，并根据反馈电压vfb与基准电压vref的误差值生成输出端电流，输出端电流通过误差放大器输出电阻107给误差放大器输出端电容108充电，从而产生误差信号ve。

比较器205，正相输入端获取误差信号ve，反相输入端获取锯齿波信号saw，并将误差信号ve与锯齿波信号saw进行比较，当误差信号ve小于锯齿波信号saw时，比较器205输出高电平，当误差信号ve大于锯齿波信号saw时，比较器205输出低电平。锯齿波信号saw上升起始时间至锯齿波信号saw与误差信号ve相交的时间与锯齿波信号saw整个周期的比值为本周期的占空比。当误差信号ve增大时，锯齿波信号saw与误差信号ve的交点后移，占空比增加，整个周期功率管导通时间增加。基准电压vref与反馈电压fb的差值减小时，误差信号ve减小，锯齿波信号saw与误差信号ve的交点前移，整个周期功率管导通时间减小。

功率输出模块206，将比较器205输出电平信号out与方波信号osc进行处理得到驱动信号，并根据驱动信号驱动芯片内置功率管开启或关断，进而对sw功率输出端外部连接的储能电感302进行储能与放能。其中方波信号osc为功率输出模块206提供时钟信号。在osc信号为低电平时，关断功率管，防止信号saw下降沿与误差放大信号ve有交点时，误开启功率管，使得功率管在单个开关周期内只开启一次。

本发明实施例的开关电源芯片在上电启动时，通过启动模块控制误差信号ve缓慢上升，使得误差信号ve与锯齿波信号saw在比较时，误差信号ve与锯齿波信号saw的交点逐周期缓慢后移，因为锯齿波信号saw上升起始时间至锯齿波信号saw与误差信号ve相交的时间与锯齿波信号saw整个周期的比值为本周期的占空比，请参考图3，锯齿波信号saw与误差信号ve的交点逐周期缓慢后移，占空比逐周期缓慢增加，功率管导通时间逐渐缓慢增加，避免了上电输出过冲，从而实现了开关电源芯片的软启动。

本发明实施例的开关电源芯片还具有滞回开关功能，通过向开关电源芯片的使能信号en输入端输入使能信号en来实现，请参考图4，当使能信号于高于芯片开启电压设定阈值vh时，开关电源芯片开启，当使能信号低于芯片关闭设定阈值vl时，开关电源芯片关闭，从而避免开关电源芯片输入电压不稳定造成整个开关电源芯片反复开关。

在本发明实施例中，请参考图5，启动模块201包括偏置电路2011、软启动电路2012；所述偏置电路2011、软启动电路2012采用模拟集成电路工艺实现。

所述偏置电路2011一端与vcc电压输入端相连，根据电流源在电流镜上产生第一偏置电流，根据内部电源电路产生稳定电压v1，并通过偏置电路2011第一输出端为软启动电路2012提供第一偏置电流、稳定电压v1。

所述软启动电路2012包括pmos管m25、nmos管m24、m26、电容c2、三极管q3、电阻r2，其中m24源极、m25漏极、m26源极、c2第二端、q3集电极分别与gnd端相连，m24栅极与vdd电压输入端相连，m24漏极与偏置电路第一输出端相连，m26栅极与m24漏极相连，m26漏极分别与c2第一端、m25栅极、q3基极相连，r2第一端与vdd电压输入端相连，r2第二端与q3发射极相连，m25源极与误差信号ve输出端相连。

在本发明实施例中，请参考图6，启动模块201还包括滞回开关模块2013；滞回开关模块2013采用模拟集成电路工艺实现。

具体的，滞回开关模块2013包括：nmos管m19、m20、m21、m22、m23，三极管q1、q2，电阻r1，反相器inv1、inv2；m19源极、m21源极、r1第二端、q2发射极分别与gnd端相连，m19漏极与m19源极相连，m19漏极与偏置电路2011第二输出端相连，m19栅极与m21栅极相连，m20栅极与m20源极相连，m20源极与偏置电路2011第三输出端相连，m20漏极分别与en使能输入端、m21漏极相连，m22栅极与m20源极相连，m22漏极与偏置电路2011第四输出端相连，m22源极分别与q1基极、q1集电极、m23漏极相连，q1发射极分别与m23源极、q2基极、r1第一端相连，q2集电极分别与偏置电路2011第五输出端、inv1输入端相连，inv1输出端分别与m23栅极、inv2输入端相连，inv2输出端输出系统开关信号on来控制开关电源芯片内部稳压源和基准电压模块。

在本实施例中，所述m19、m20、m21为高压nmos管。

在本实施例中，所述m21宽长比为m19的三倍，在其他实施例中，m21宽长比可以为m19宽长比的其他相应倍数，只需满足m21宽长比大于m19宽长比这一条件就能实现en使能输入端悬空时，为低电平状态。

具体的，偏置电路2011中电流镜包括：pmos管m1、m2、m3、m11、m12、m13、m14、m15、m17，nmos管m16、m18，电流源，其中m1源极、m2源极、m3源极、m17源极分别与vcc电压输入端相连，m1栅极分别与m1漏极、m2栅极、m3栅极、m17栅极相连，m1漏极与电流源第一端相连，电流源第二端、m16源极、m18源极分别与gnd端相连，m2漏极作为偏置电路第二输出端向m19输出第二偏置电流，m3漏极与内部电源电路一端相连，m11源极、m12源极、m13源极、m14源极、m15源极分别与m10源极相连，m11栅极与m12栅极、m13栅极、m14栅极、m15栅极相连，m15栅极与m15漏极相连，m15漏极与m16漏极相连，m16栅极分别与m18栅极、m18漏极相连，m18漏极与m17漏极相连，m11漏极作为偏置电路第三输出端向m20、m22输出第三偏置电流，m12漏极作为偏置电路第四输出端与m22漏极相连，m13漏极与作为偏置电路第五输出端分别与q2集电极、inv1输入端相连，m14漏极作为偏置电路第一输出端向m26输出第一偏置电流。

在本实施例中，所述第二偏置电流与所述第三偏置电流大小相等。

具体的，偏置电路2011中内部电源电路包括：nmos管m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10以及电容c1，m4、m5、m6、m7、m8、m9栅漏短接并依次串联在m3漏极与gnd端之间，m10栅极与m4漏极相连，m10漏极与vcc电压输入端相连，m10栅极与c1第一端相连并输出稳定电压v1，c1第二端与gnd端相连。

在本发明实施例中，所述nmos管m4、m5、m6、m7、m8、m9具有相同的几何尺寸和相同的第一导通压降，第一导通压降为0.8v，m10具有第二导通压降为0.7v，稳定电压v1为4.1v，该稳定电压v1为本发明实施例mos管工艺、规格下，全部nmos管导通所需的电压阈值。

在其他实施例中，可改变内部电源电路中栅漏短接的nmos管数量,从而调整稳定电压v1的大小，来适应不同mos管工艺、规格下全部nmos管导通所需的电压阈值。

本发明实施例的启动模块工作原理为：

请参考图5和图6，偏置电路2011为软启动电路2012和滞回开关电路2013提供偏置电流和一个稳定的供电电压v1，偏置电路2011中电流源为m1、m2、m3、m17组成的电流镜提供偏置电流。

m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、c1组成一个简易供电电源，其原理是利用nmos管栅漏短接时压降是固定的特性，在设定好m3这一路的电流后，可以根据mos管电流公式id=0.5μncox*(w/l)*(vgs-vth)²来设计合适的mos管压降（mos管源漏短接时vgs=vds，可以根据计算vgs来算vds）。在本发明实施例中，m4~m9可以采用相同尺寸相同类型的mos管，设定的典型值为0.8v，从而使m10栅极电压为4.8v，这样m10源极电压为4.8-vth10，vth10典型值在0.7v，这样v1的电压为4.1v。此外偏置电路2011中m2、m11、m12、m13、m14、m15、m16、m17、m18组成电流镜支路并为软启动电路2012和滞回开关电路2013提供偏置电流。

软启动电路2012一端与vdd电压输出端相连，并接收稳压源基准电压模块提供的工作电压vdd。开关电源芯片上电后，vdd电压建立，m24开启、m26关闭。q3的基极电流给电容c2缓慢充电，其中q3的基极电流为r2两端电流的1/(β+1)倍，故c2第一端电压vss缓慢上升，pmos管m25源极与误差信号ve输出端相连，m25导通的条件是源极电压比栅极电压高且差值大于其vth。故当误差信号ve增大时，m25的|vgs|上升，当m25的|vgs|大于m25开启电压阈值时，m25开启并对误差信号ve输出端进行放电，误差信号ve被钳位在vth+vss。故开关电源芯片上电初期，软启动电路2012把误差放大信号ve转变为随c2第一端电压vss缓慢上升的信号，这样误差信号ve与锯齿波信号saw的交点也会缓慢提升，既整个系统逐周期缓慢增加占空比，功率管导通的时间缓慢增加，这样系统输出端不会出现过冲，从而实现软启动。

系统输出端电压vout达到预设值，则误差信号ve也达到预设值，此时c2第一端电压vss高于误差信号ve，m25关断，此时软启动电路2012对ve信号无影响，当c2第一端电压vss上升值vdd-vbeq3时，此时q3关断，此时r2、q3、m25、m26均无电流流过，此时只有m14处有小电流经m24到gnd端。实际设计中m14这一路电流可以设计的非常小，本发明的软启动电路2012在系统启动结束后，几乎没有损耗，具有结构简单功耗低的优点。

当使用en脚控制芯片关机，则内部稳压源关闭，vdd电压为零，m24关断，此时m14给m26栅极端充电，m26的vgs大于其开启电压时，m26给电容c2放电，确保下一次启动时软启动电路可以正常工作；当系统输入端断电时，vcc电压会持续降低，当vcc电压将至一定值时，内部稳压源关闭，vdd电压为零，此时由于vcc电压仍是3v以上，所以m26可以正常导通，将c2的电荷瞬间泄放完毕，确保下一次启动时软启动电路2012可以正常工作。

滞回开关电路2013为中m21漏极与en使能信号输入端相连，通过调整电流镜尺寸设计，可以实现i1=i2，m19源漏短接工作在饱和区，m19为m21提供偏置，两个mos管的vgs相同，其对应支路的偏置电流也相同，m21的尺寸大于m19，本发明实施例m21宽长比为m19的三倍。在大小相同的偏置电流且en使能信号输入端无外接电源供电的情况下，m21、m19具备相同的vgs和偏置电流，又因为m21的尺寸为m19尺寸的三倍，所以理论上流过m21的电流是m19电流的三倍，但i1=i2，所以i2电流小于m21允许通过的电流，i2可以全部通过m21流入gnd端，在m21的源极上不会产生压降，m21的源极电压为0v，即en端无外接电源供电的情况下，en端为低电平。

m20为高压nmos管，实际应用中，mos管具备源漏可以互换的特性，在这里从源极栅极到漏极看，其可以看成是一个二极管，从漏极到栅源极看可以视作是断开的，从而利用高压nmos管漏源耐压的特性，使得可以将vcc电压输入en使能信号输入端来控制芯片开启或关闭。

当en使能信号输入端外加高电平信号时，此高电平信号的电流能力通常大于3倍的i1，使m21进入饱和区工作。此时a点电平为en+vth20，当en+vth20大于vth22(m22开启电压)+vbeq1（q1导通电压）+vbeq2(q2导通电压)时，此时m12、m22、q1、q2这一路有电流流过，q2开启，inv1输出b点电压由低变高，inv2输出on电压由高变低，整个系统开启。

此时b点电压为高，m23开启，m23开启后会短路掉q1，en使能信号输入端关断电压比开启电压降低了vbeq1，实现了滞回功能。

当en使能信号输入端电压继续上升大于v1-vth20时，m20关断，此时m22栅极电压为v1（4.1v），此时q2会将c点电压钳位至0.7v，q2仍然是导通的。此时m21饱和电流全部由en使能信号输入端提供。

采用这种结构设计的滞回开关电路2013，在实际应用中只需要使用m19、m20、m21三个高压器件，就可以通过en使能信号输入端来直接用vcc电压进行控制芯片的开启和关断，大大的降低了应用成本。

当m22、m23完全开启时，只有当a点电压下降至vth22+vbeq2时，on信号才会由低变高关断芯片，此时对应的en使能信号输入端电压为vth22+vbeq2-vth20，既整个开关电源芯片的开启设定电压为vth22+vbeq1+vbeq2-vth20，关闭设定电压为vth22+vbeq2-vth20，之间相差vbeq1，同时具备滞回功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。