一种具有快速响应特性的软启动电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种具有快速响应特性的软启动电 路。
【背景技术】
[0002] 在开关电源技术领域，软启动电路是非常重要的模块，可应用在DC-DC BUCK变换 器中，其作用是为系统提供缓慢上电的过程，防止系统由于系统上电时出现浪涌电流。
[0003] 传统的软启动电路常用结构如图1所示，包括比较器SS_C0MP1，片外电容C，以及 镜像电流源I 1。
[0004] 假设电容从零点压初始状态充电，t时刻电容上的电压由下式决定：
[0005] Vss inCss= tx Iss
[0006] Is^电流源11输出电流；
[0007] 当电容上的充电电压Vss in等于软启动参考电压SS_REF时，软启动结束：
[0009] 因此得到总的软启动（Tss)时间为：
[0011] 电流直接给电容充电，可以保证充电时间最快，但由于软启动结束（VSS_IN = SS_ REF)以后，电流会继续给电容充电直到电容上的电压接近5V(镜像电流源接近线性区）。若 芯片发生故障后，NMOS管MNl栅极控制信号使MNl导通对软启动电容放电，直到VSS_IN = SS_REF，软启动比较器再次翻转。即要求软启动电容上的电压从5V放电到0. 8V软启动标志 信号才会改变，因此存在系统关闭响应时间较长，带来故障发生情况下的潜在安全性问题。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种具有快速响应特性的软启动电 路。
[0013] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014] 如图2所示，一种具有快速响应特性的软启动电路，包括第一电流源II、第二电流 源12、比较器、电容C、NM0S管丽、第一电阻RU第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一电流源Il 的一端接电源，其另一端通过第一电阻Rl后接地；第一电流源Il与第一电阻Rl的连接点 接比较器的负向输入端；第二电流源12的一端接电源，其另一端接比较器的正向输入端和 NMOS管MN的漏极；比较器的输出端为软启动标识信号；NMOS管MN的栅极接外部控制信号， 其源极接地；第二电流源12与比较器正向输入端的连接点通过第二电阻R2后接地；电容C 与第三电阻R3串联后与第二电阻R2并联，且电容C与第二电流源12与第二电阻R2的连 接点连接，第三电阻R3接地。
[0015] 本发明总的技术方案，本发明采用阶跃电流给RC并联结构充电，充电电路包括电 流源II，电流源12,片外电容C，电阻R1，电阻R2,比较器C0MP，开关管丽，电流源Il在电阻 上Rl上产生的压降输入比较器COMP的负向输入端，电流源12在电阻上R2上产生的压降 输入比较器COMP的负向输入端，电阻R2与片外软启动电容相并联，并与MNl的漏极相连； 其中电流源11在电阻Rl上产生压降Vl，作为软启动电路电压的参考点输入比较器COMP的 正向输入端；电流源12给片外电容C充电，电容上的电压V2输入比较器COMP的负向输入 端；比较器输出软启动标识信号SS_FLAG为高则标志着软启动过程结束，芯片进入正常工 作状态。
[0016] 本发明的有益效果为，适用于DC-DC变换器的软启动电路，在保证有效软启动过 程的同时，具有芯片发生故障时快速响应关断芯片的能力，且电路简单，软启动时间易于控 制。
【附图说明】
[0017] 图1为现有技术软启动电路不意图；
[0018] 图2为本发明的软启动电路结构示意图；
[0019] 图3为本发明的软启动电路核心模型示意图；
[0020] 图4为本发明的软启动电路的软启动电压随时间变化波形图；
[0021] 图5为本发明的软启动电路的软启动关断响应示意图。
【具体实施方式】
[0022] 如图2所示，本发明的一种具有快速响应特性的软启动电路，包括第一电流源II、 第二电流源12、比较器、电容C、NMOS管MN、第一电阻RU第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一 电流源Il的一端接电源，其另一端通过第一电阻Rl后接地；第一电流源Il与第一电阻Rl 的连接点接比较器的负向输入端；第二电流源12的一端接电源，其另一端接比较器的正向 输入端和NMOS管MN的漏极；比较器的输出端为软启动标识信号；NMOS管MN的栅极接外部 控制信号，其源极接地；第二电流源12与比较器正向输入端的连接点通过第二电阻R2后接 地；电容C与第三电阻R3串联后与第二电阻R2并联，且电容C与第二电流源12与第二电 阻R2的连接点连接，第三电阻R3接地。
[0023] 本发明的工作原理为：
[0024] 本发明的结构的核心电路可等效为图3的充电模型。软启动过程开始后，t时刻 电容C上的电压为：
[0026] 为简化计算，考虑t>0情况，ε (t) = 1，且取近似关系：
[0027] t = τ , V2(t) = 0. 63I2R2
[0028] t = 2 τ，V2 (t) = 0· 86I 2R2
[0029] t = 3 τ，V2 (t) = 0· 95I 2R2
[0030] t = 4 τ，V2 (t) = 0· 98I 2R2
[0031] t = 5 τ，V2 (t) = 0· 99I 2R2
[0032] 其中，τ = R2C，I2R2代表电容上的稳态电压值。
[0033] 从以上近似关系得到充电总时间Μτ (M= 1，2,3,4,5)与电容上的电压KI2R2(K = 0· 63, 0· 85, 0· 95, 0· 98, 0· 99)的--对应关系
[0034] 再由V2 = Vl = IlRl得到式子：
[0035] KI2R2= I !R1，因为 Il = 12,则 KR2= R10
[0036] 因此，若R2和Rl的比例IVR1= K确定，则充电总时间M τ也确定。以上分析说 明软启动时间由RC时间常数和Rl与R2的电阻比例共同决定。则软启动时间可通过外挂 电容C进行设定，实现软启动时间可调功能。
[0037] 上述分析实现了正常的软启动过程，考虑当芯片遇到故障需重新启动时，需对软 启动电容放电到零，将软启动标志信号拉低，等待芯片下一次启动。因此软启动的重置时间 影响系统的关断响应速度。现分析对电容放电的退出软启动过程。
[0038] 首先分析传统软启动结构的放电过程，图1中，软启动结束后，充电电压VSS_ IN~5V，当芯片出现故障时，NMOS管栅极控制信号SS_RESET = 1，丽1导通，丽1先工作在 饱和区，VSS_IN减小，当VSS_IN-VTH〈5V后工作在线性区，VSS_IN放电到VSS_IN〈SS_REF 时，软启动标识信号SS_FLAG翻转，则放电过程中Δ V = 5-0. 8 = 4. 2V。
[0039] 图2中，电容上的稳态电压保持为I2R2，由V2 = I2R>V1，待芯片遇到故障需要关断 时，首先SS_RESET信号为高，触发开关管丽1打开，软启动电容C通过开关管丽1放电。开 关管MNl导通瞬间，VGSl = 5V，VDS1 ^ 0. 8V，则VGSl-Vth>VDSl，MNl工作在线性区，流过开 关管的电流为：
[0041] 放电过程，VDSl持续减小，因此VGSl-Vth>VDSl，MNl始终工作在线性区，直到 V2〈V1，软启动标志信号拉低，标志着软启动电路重置，等待下一次芯片开启。该过程中，电 容上的电压变化量为AV = V2-V1^ 0· 83-0. 80 = 0· 03V。
[0042] 其中μ为沟道载流子迀移率；COX为单位面积的栅氧化层电容；W/L为MOS宽长 比，下标为所指代MOS管；VGSl为MOS管的栅源电压差；VTH为NMOS管的阈值电压。
[0043] 从以上分析可知道，本发明的软启动电路结构中，芯片关断时，电容上的电压放电 到VSS〈SS_REF即可拉低软启动标志信号，等待下一次芯片启动。从接收芯片关断到软启动 标志信号重置，软启动电容上的电压变化范围很小，因此放电时间很短，则大大提高了芯片 的关断响应速度。
[0044] 通过上述设计的软启动电路，在保证有效软启动过程的同时，提高芯片的关断响 应时间，且电路结构简单，软启动时间可控。
[0045] 本发明所提出的软启动电路结构，通过SPECTRE仿真说明，片内的电阻Rl和R2比 例决定了软启动时间和RC并联结构时间常数RC之间的关系；因此当集成电路设计封装好 之后，芯片的软启动时间只由片外的电容决定。当软启动时间结束以后，比较器输出逻辑 SS_FLAG为高，如图4。当芯片发生故障，需要重新启动时，SS_RESET逻辑控制开关管MNl打 开，给软启动电容C放电，直到V2 = Vl时，拉低SS_FLAG，从图5可知，从接收重置信号到软 启动标志信号拉低响应时间为IOns，响应速度很快，提高了故障情况下芯片的安全性。
【主权项】
1. 一种具有快速响应特性的软启动电路，包括第一电流源II、第二电流源12、比较器、 电容C、NMOS管丽、第一电阻Rl、第二电阻R2和第三电阻R3 ;第一电流源11的一端接电源， 其另一端通过第一电阻Rl后接地；第一电流源Il与第一电阻Rl的连接点接比较器的负 向输入端；第二电流源12的一端接电源，其另一端接比较器的正向输入端和NMOS管丽的 漏极；比较器的输出端为软启动标识信号；NMOS管MN的栅极接外部控制信号，其源极接地； 第二电流源12与比较器正向输入端的连接点通过第二电阻R2后接地；电容C与第三电阻 R3串联后与第二电阻R2并联，且电容C与第二电流源12与第二电阻R2的连接点连接，第 三电阻R3接地。
【专利摘要】本发明属于电子电路技术领域，具体的说涉及一种具有快速响应特性的软启动电路。本发明的电路，本发明采用阶跃电流给RC并联结构充电，充电电路包括电流源I1，电流源I2，片外电容C，电阻R1，电阻R2，比较器，开关管MN，电流源I1在电阻上R1上产生的压降输入比较器的负向输入端，电流源I2在电阻上R2上产生的压降输入比较器的负向输入端，电阻R2与片外软启动电容相并联，并与MN1的漏极相连；其中电流源I1在电阻R1上产生压降V1，作为软启动电路电压的参考点输入比较器的正向输入端；电流源I2给片外电容C充电，电容上的电压V2输入比较器的负向输入端；比较器输出软启动标识信号为高则标志着软启动过程结束，芯片进入正常工作状态。
【IPC分类】H02M1/36
【公开号】CN105099158
【申请号】CN201510496751
【发明人】明鑫, 艾鑫, 李天生, 付奎, 芮松鹏, 张波
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年8月13日