专利名称：采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路的制作方法
技术领域：
本发明属于便携式电子产品的开关电源设计技术领域，特别涉及开关电源的集成控制芯片的设计。
背景技术：
实现开关电源软启动的技术多种多样，但是，都有许多的不足之处。有的软启动电路判断电路是否发生电流浪涌(或电流过冲)现象，给出了一个固定的阈值，只要电流超出这个阈值，软启动电路就输出控制信号，切断充电电流，同时整个电源重新进入启动状态。该方法的不足之处是当充电过程到某一阶段时，充电电流也逐渐上升到一定水平时，容易因为偶尔的过流使得电源多次重新启动。例如典型的直流/直流开关电源在启动过程中，容易产生浪涌电流，可能对电子系统产生损伤，为此，消除电源启动过程中可能出现的过流现象是必要且必须的。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，可以使判断是否发生电流浪涌现象的阈值随启动过程充电时间的增加而缓慢地增加。使充电过程尽可能地保持稳定，而不会发生多次重新启动的现象。使电子系统不会产生损伤。
本发明提出的一种采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，由充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路、过流比较器和开关电源四个模块组成；其连接关系为启动信号EN1连于所说的充电计时和补偿电压产生电路的输入端口，该充电计时和补偿电压产生电路的补偿电压Vc输出端口与电平移位电路输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的软启动失败指示信号F输出端口与开关电源模块的输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的使能信号EN2输出端口与过流比较器的输入端相连；该开关电源模块的信号HL和LL输出端口与电平移位电路的输入端相连；该电平移位电路的输出信号A和B的端口与过流比较器的两个比较信号输入端口相连；该过流比较器的输出信号E的端口与开关电源的输入端相连；充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路和过流比较器模块共用工作电压Vin1，而开关电源模块的输入电源为Vin2。
本发明的特点在于，所采用的电压补偿技术可以使判断是否发生电流浪涌现象的阈值随启动过程充电时间的增加而缓慢地增加。因为在开关电源电路中，随着充电时间的增加，通过电感为输出电容充电的电流逐渐增加。而此时本发明中通过电压补偿技术使判断电感电流是否发生过流的阈值也在缓慢增加，于是本发明可使充电过程尽可能地保持稳定，而不会发生多次重新启动的现象。
图1为本发明的功能模块结构示意图。
图2为本发明的软启动电路结构实施例示意图。
图3为本发明实施例中的过流比较器的一个实施例示意图。
图4为没有软启动电路，启动时产生的电流浪涌和电压过冲曲线图。
图5为利用本发明启动电路，启动过程中的电感电流和输出电压随时间变化的曲线图。
具体实施例方式
本发明设计的一种采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路结合实施例及附图详细说明如下本发明设计的结构如图1所示，由充电计时和补偿电压产生电路I、电平移位电路II、过流比较器III和开关电源IV四个模块组成。其连接关系为启动信号EN1连于充电计时和补偿电压产生电路的输入端口，该充电计时和补偿电压产生电路的补偿电压Vc输出端口与电平移位电路输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的软启动失败指示信号F输出端口与开关电源模块的输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的使能信号EN2输出端口与过流比较器的输入端相连；该开关电源模块的信号HL和LL输出端口与电平移位电路的输入端相连；该电平移位电路的输出信号A和B的端口与过流比较器的两个比较信号输入端口相连；该过流比较器的输出信号E的端口与开关电源的输入端相连。充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路和过流比较器模块共用工作电压Vin1(范围3.3-5V)，而开关电源模块的输入电源为Vin2(范围5.5-30V)。
本发明的工作原理为EN1为启动信号，使得充电计时和补偿电压产生电路开始工作，充电计时和补偿电压产生电路产生的输出补偿电压Vc输入到电平移位电路；同时，充电计时和补偿电压产生电路产生输出信号F，为软启动失败指示信号，当软启动失败时，使得开关电源的输出放电到地，等待重新启动；还有，充电计时和补偿电压产生电路输出使能信号EN2，输入到过流比较器，控制过流比较器的工作与否。由开关电源模块输出的信号HL和LL是对过流的检测信号，输入到电平移位电路。电平移位电路的输出信号为A和B，输入到过流比较器的两个比较信号输入端口。过流比较器输出信号E，信号E输入到开关电源用于控制给输出端Vout充电，使输出电压缓慢上升。
本发明设计中重要的是其拓扑结构和通过这种拓扑结构实现的补偿方法，在本发明提到的拓扑结构中，主要有四个模块组成。对电路设计工程师而言，该各个模块的设计和实现是很容易的，而且可以有很多种实现方法。本发明的补偿方法是通过充电计时和补偿电压产生电路模块产生补偿电压，对输入到过流比较器模块的两个输入信号中的一个进行补偿，使得判断是否发生电流浪涌现象的阈值随启动过程充电时间的增加而缓慢地增加。进而使开关电源的启动过程尽可能地保持稳定，不发生因为过流而多次重新启动的现象。
本发明的充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路、过流比较器和开关电源这四个模块可以有许多种电路工艺实施方案，如利用CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺，双极型工艺，BiCMOS(双极型-互补金属氧化物半导体)工艺等实现，甚至可以用不同的材料来实现，如GaAs(砷化镓)和SiGe(锗硅)。而且本发明可应用于不同结构的开关电源，如升压型开关电源，降压型开关电源等。所有上述这些都属于本发明的延伸和适用范围。
本发明的一个实施例是同步整流的降压型开关稳压电源的软启动电路，其具体结构如图2所示，由充电计时和补偿电压产生电路I、电平移位电路II、过流比较器III和开关电源IV四个模块组成。在本实施例中，充电计时和补偿电压产生电路I、电平移位电路II、过流比较器III共用的工作电压为5V；开关电源IV的输入电源为10V。各模块的具体实现电路由虚线框区分开，其组成分别详细说明如下本实施例的充电计时和补偿电压产生电路I由电流源I4，晶体管m14和mx，晶体管T4和T6，电阻R5，R6，R8，R10和R11，电容C2，反相器inv1，inv2和inv3组成；其连接关系是电流源I4一端连接在电源5V上，另一端连接在晶体管m14的源端。晶体管m14的栅连接在反相器inv1的输出端，而晶体管m14的漏端连接在电阻R5的一端。该模块的输入信号EN1连接在反相器inv1的输入端。反相器inv1的输出除连接在晶体管m14的栅输入端以外，还连接在晶体管mx的栅输入端。晶体管T4的集电极连接在电源5V，其发射极连接在电阻R11的一端，而其基极同时连接在电阻R5的一端，反相器inv2的输入端，晶体管T6的发射极，晶体管mx的漏极和电容C2的一端。晶体管T6的集电极连接在电阻R8的一端，其基极连接在电阻R10的一端。R10的另一端连接在一个2.5V的基准电压上。R8的另一端接地。晶体管mx的源端接地，其栅极连接在反相器inv1的输出端。电容C2的一端连接晶体管T4的基极，另一端接地。补偿电阻R6的一端接地，另一端连接电阻R11上，并且输出补偿电压Vc到电平移位电路模块。反相器inv2的输出连接在反相器inv3的输入端，并且连接在输出信号EN2上。反相器inv3的输出端连接在输出信号F上。
电平移位电路II是一个对称的结构，包括晶体管t1，t2和T3，晶体管m1，m2，m3，m4，m5，m9，m10和m11，电阻R1，R2，R3，R4和R9以及电流沉I3；其连接关系是晶体管T3的集电极和基极连接在电源5V，其发射极连接在晶体管m3、m4和m5的源端。晶体管m3、m4和m5共栅，而且晶体管m5的漏端和它自己的栅极连接在一起，并且连接到晶体管m9的漏极。m3的漏极连接在电阻R4的一端，并且连接在晶体管t1的发射极。m4的漏极连接电阻R3的一端，并且连接到晶体管t2的发射极。电阻R3的另外一端连接在电阻R1的一端，并且连接在输出信号A上。电阻R4的另外一端连接在电阻R2的一端，并且连接在输出信号B上。电阻R1的另外一端连接在晶体管m1的漏极，并且连接在输入信号HL上。电阻R2的另外一端连接在晶体管m2的漏极，并且连接在输入信号LL上。晶体管m1，m2，m9，m10和m11共栅，也即连接在软启动使能信号EN1上。晶体管m1的源极和晶体管m11的漏极连接在一起，且连接在晶体管t2的基极，晶体管m2的源极连接晶体管m10的漏极，并且连接在晶体管t1的基极。晶体管m11的源极连接在电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地。晶体管m10的源极连接在输入补偿电压信号Vc上。晶体管m9的源极连接在电流沉I3的一端，电流沉I3的另一端接地。晶体管t1和晶体管t2的集电极全都接地。
过流比较器采用高精度的电压比较器comp，之所以称为过流比较器是因为输入到电压比较器的信号电压是对电流值的采样，当过流现象发生时，比较器的输出发生反转；其一个典型的实施例如图3所示。该电路模块由电流源I1，晶体管M1-M9，反相器inv1-inv3所组成，其连接关系为晶体管M1和晶体管M2共栅，而且晶体管M1的栅极和其自身的漏极相连接。晶体管M1-M3的源极都连接在电源电压vdd上。晶体管M1的漏极还连接在晶体管M4的漏极。晶体管M2的漏极连接在晶体管M5的漏极，同时连接在晶体管M8的栅极。晶体管M4和晶体管M5的栅极分别连接比较器的正、负输入端。晶体管M4和晶体管M5的源极同时连接在晶体管M6的漏极。晶体管M6的源极接地。晶体管M6和晶体管M7共栅。晶体管M7的源极也接地，且其栅极和漏极连接在一起。晶体管M7的漏极和晶体管M9的漏极连接在一起。晶体管M9的源极和电流源I1的一端连接在一起。电流源I1的另外一端连接在电源电压vdd上。晶体管M9的栅极连接在反相器inv1的输出端上。反相器inv1的输入连接在输入信号EN上。晶体管M3的栅极和其自身的漏极连接在一起。晶体管M3的漏极同时连接在晶体管M8的漏极。晶体管M8的源极接地。晶体管M8的漏极连接在反相器inv2的输入端。反相器inv2的输出端连接在反相器inv3的输入端。反相器inv3的输出端连接在输出信号OUT上，即比较器的输出信号。
本实施例的同步整流结构的降压型开关电源IV包括晶体管M2x、M2x1，电感L1，电阻R14和电容C1。其连接关系是晶体管M2x的漏极连接在输入电压Vin上，晶体管M2x的栅极连接在输入信号E上，晶体管M2x的源极连接在晶体管M2x1的漏极，并且连接在电感L1的一端。晶体管M2x1的栅极连接在输入信号F上，晶体管M2x1的源极接地。电感L1的另一端连接在电阻R14的一端，同时连接在输出信号HL上。电阻R14的另一端连接在输出电容C1的一端，同时连接在输出信号LL和输出信号Vout上。电容C1的另一端接地。
本实施例整体的电路的连接关系如图2所示首先，从同步整流结构的降压型开关电源模块中的电阻R14两端引出采样信号HL和LL，信号HL和LL之间电压差的大小就反映了电阻R14中流过电流的大小，也即流过电感电流的大小。该输出信号HL和LL连接到电平移位电路的相应的输入端HL和LL。充电计时和补偿电压产生电路所产生的补偿电压VC通过电平移位电路的电阻R6而接入电平移位电路，用于补偿电流采样信号HL和LL信号对中的LL端。电平移位电路的输出信号通过结点A和B连接到过流比较器comp的反相和正相输入端，过流比较器comp的输出E连接到M2x的栅输入端，控制M2x的导通和截止，进而控制流过电阻R14的电流峰值。充电计时和补偿电压产生电路在输入使能信号EN1有效后，整个电路就进入软启动状态。
其工作过程如下如图2所示。首先，EN1信号为低电平，通过mx使C2两端的电压初始化为0V；之后，EN1信号为高电平。这时，一方面，m14导通，电流源I4通过m14开始给电容C2充电，在C2的电压充到2.5V之前，inv2的输出EN2就一直为高电平(因为inv2的反转阈值是2.5V，且T6，R10和R8可以保证C2的电压可以充到2.5V以上)，高电平使能的过流比较器comp开始工作(正常情况下，比较器输出E为高电平，控制开关电源模块给输出Vout充电)；另一方面，m1，m2，m10和m11也导通，电平移位电路开始工作。在此过程中，检测电感电流的灵敏电阻R14的两端引出两个检测信号HL和LL反馈到电平移位电路中，(HL和LL之间的电压差就反映了电感电流的水平，通过限制该电压差的大小，就可以限制电流浪涌现象的发生。)过流比较器就是对HL和LL两端电压差值大小的判断，如果差值较大，结点E为低电平，反之结点E为高电平。结点E控制同步整流管的高端管M2x(靠近电源输入端的开关管)。如果电感电流过流，灵敏电阻R14两端的压差增大，使结点E为低电平，则高端开关管关断，电感过流现象得到控制。这样，由灵敏电阻R14提供反馈信号，加上过流比较器comp的控制，就可以使电感电流缓慢上升而不会发生过流。
随着时间的增加，电感的电流增大到一定水平，就会使灵敏电阻R14两端的压差在某一时间内保持很高的值，使结点E较长时间保持高电平，减缓了软启动的速度。为此，给电平移位电路的一端(LL反馈输入端)引入了补偿电压VC，使输入到过流比较器两端的压差维持在一个相对稳定的水平。保证了电感电流的持续缓慢增加和输出电压的线性增加。电压补偿是通过R6提供的，由于电阻R6的电流包括两部分一个是电平移位电路提供的和R9相同的电流，一个是T4的发射极流过的电流，该部分电流由于电容C2上电压的增加而增加(C2电压的增加是由于恒流源I4给充电的缘故)。于是R6上的电压就缓慢增加。由图2可知，VC最大的补偿电压是2.5V*R6/(R11+R6)。
如果电容C2两端的电压超过了2.5V，而开关电源的输出电压仍然没有达到系统所设定的值时，认为软启动失败。此时，反相器inv2的输出EN2为低电平，使同步整流结构的降压型开关电源模块中高端开关管M2x关断，低端开关管M2x1导通，输出电压放电到地，系统重新启动。为防止开关电源的重启动，在电路设计时，就必须设计好C2和I4的值，使得在电容C2的电压达到2.5V之前，开关电源输出端电容C1的电压应该已经提前达到系统设计的阈值。系统检测到开关电源的输出电压达到该阈值时，系统就输出信号给EN1，使软启动电路停止工作，同时启动开关电源的控制核心，一般用有限状态机实现(不属于本实施例的范畴)，由该有限状态机代替软启动电路保持输出电压的稳定。
把本实施例的软启动电路，用于一个具体的输出电压为3.3V降压型开关电源系统中，经HSPICE模拟表明如果不使用软启动电路，而直接给开关电源输出端的电容充电，模拟的结果如图4所示，其中(a)是电感电流随时间的变化曲线，(b)是开关电源的输出电压随时间的变化曲线。可知，产生了浪涌电流(电流过冲)，电流可达到近10A，这有可能对电子系统造成损伤。如使用本实施例的软启动电路，结果如图5所示，其中(a)是电感电流随时间的变化曲线，(b)是开关电源的输出电压随时间的变化曲线。可知，电感电流缓慢上升，开关电源输出端的电压也在逐渐上升，符合设计目标。
权利要求
1.一种采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，由充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路、过流比较器和开关电源四个模块组成；其连接关系为启动信号EN1连于所说的充电计时和补偿电压产生电路的输入端口，该充电计时和补偿电压产生电路的补偿电压Vc输出端口与电平移位电路输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的软启动失败指示信号F输出端口与开关电源模块的输入端相连，充电计时和补偿电压产生电路的使能信号EN2输出端口与过流比较器的输入端相连；该开关电源模块的信号HL和LL输出端口与电平移位电路的输入端相连；该电平移位电路的输出信号A和B的端口与过流比较器的两个比较信号输入端口相连；该过流比较器的输出信号E的端口与开关电源的输入端相连；充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路和过流比较器模块共用工作电压Vin1，而开关电源模块的输入电源为Vin2。
2.如权利要求1所述的采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，所说的充电计时和补偿电压产生电路由电流源I4，晶体管m14和mx，晶体管T4和T6，电阻R5，R6，R8，R10和R11，电容C2，反相器inv1，inv2和inv3组成；其连接关系是电流源I4一端连接在电源5V上，另一端连接在晶体管m14的源端；晶体管m14的栅连接在反相器inv1的输出端，而晶体管m14的漏端连接在电阻R5的一端；该模块的输入信号EN1连接在反相器inv1的输入端；反相器inv1的输出端分别连接在晶体管m14的栅输入端和晶体管mx的栅输入端；晶体管T4的集电极连接在电源5V，其发射极连接在电阻R11的一端，而其基极同时连接在电阻R5的一端、反相器inv2的输入端、晶体管T6的发射极、晶体管mx的漏极和电容C2的一端；晶体管T6的集电极连接在电阻R8的一端，其基极连接在电阻R10的一端；电阻R10的另一端连接在一个2.5V的基准电压上，R8的另一端接地；晶体管mx的源端接地，其栅极连接在反相器inv1的输出端；电容C2的一端连接晶体管T4的基极，另一端接地；补偿电阻R6的一端接地，另一端连接电阻R11上，并且输出补偿电压Vc到电平移位电路模块；反相器inv2的输出连接在反相器inv3的输入端和输出信号EN2上；反相器inv3的输出端连接在输出信号F上。
3.如权利要求1所述的采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，所说的电平移位电路包括晶体管t1，t2和T3，晶体管m1，m2，m3，m4，m5，m9，m10和m11，电阻R1，R2，R3，R4和R9以及电流沉I3；其连接关系是晶体管T3的集电极和基极连接在电源5V，其发射极连接在晶体管m3、m4和m5的源端；晶体管m3、m4和m5共栅，而且晶体管m5的漏端和它自己的栅极连接在一起，并且连接到晶体管m9的漏极；晶体管m3的漏极连接在电阻R4的一端和晶体管t1的发射极；晶体管m4的漏极连接到电阻R3的一端和晶体管t2的发射极；电阻R3的另外一端连接在电阻R1的一端和输出信号A上；电阻R4的另外一端连接在电阻R2的一端和输出信号B上；电阻R1的另外一端连接在晶体管m1的漏极和输入信号HL上；电阻R2的另外一端连接在晶体管m2的漏极和输入信号LL上；晶体管m1，m2，m9，m10和m11共栅，并连接在软启动使能信号EN1上；晶体管m1的源极和晶体管m11的漏极连接在一起，且连接在晶体管t2的基极，晶体管m2的源极连接晶体管m10的漏极，并且连接在晶体管t1的基极；晶体管m11的源极连接在电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地；晶体管m10的源极连接在输入补偿电压信号Vc上；晶体管m9的源极连接在电流沉I3的一端，电流沉I3的另一端接地；晶体管t1和晶体管t2的集电极全都接地。
4.如权利要求1所述的采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，所说的过流比较器由电流源，晶体管M1-M9，反相器inv1-inv3所组成，其连接关系为晶体管M1和晶体管M2共栅，而且晶体管M1的栅极和其自身的漏极相连接；晶体管M1-M3的源极都连接在电源电压vdd上；晶体管M1的漏极还连接在晶体管M4的漏极；晶体管M2的漏极连接在晶体管M5的漏极，同时连接在晶体管M8的栅极；晶体管M4和晶体管M5的栅极分别连接比较器的正、负输入端；晶体管M4和晶体管M5的源极同时连接在晶体管M6的漏极；晶体管M6的源极接地；晶体管M6和晶体管M7共栅；晶体管M7的源极也接地，且其栅极和漏极连接在一起；晶体管M7的漏极和晶体管M9的漏极连接在一起；晶体管M9的源极和电流源I1的一端连接在一起；电流源I1的另外一端连接在电源电压vdd上；晶体管M9的栅极连接在反相器inv1的输出端上；反相器inv1的输入连接在输入信号EN上；晶体管M3的栅极和其自身的漏极连接在一起；晶体管M3的漏极同时连接在晶体管M8的漏极；晶体管M8的源极接地；晶体管M8的漏极连接在反相器inv2的输入端；反相器inv2的输出端连接在反相器inv3的输入端；反相器inv3的输出端连接在输出信号OUT上。
5.如权利要求1所述的采用电压补偿的直流/直流开关电源软启动电路，其特征在于，所说的开关电源包括晶体管M2x、M2x1，电感L1，电阻R14和电容C1；其连接关系是晶体管M2x的漏极连接在输入电压Vin上，晶体管M2x的栅极连接在输入信号E上，晶体管M2x的源极连接在晶体管M2x1的漏极，并且连接在电感L1的一端；晶体管M2x1的栅极连接在输入信号F上，晶体管M2x1的源极接地；电感L1的另一端连接在电阻R14的一端，同时连接在输出信号HL上；电阻R14的另一端连接在输出电容C1的一端，同时连接在输出信号LL和输出信号Vout上；电容C1的另一端接地。
全文摘要
本发明属于便携式电子产品的开关电源设计技术领域,由充电计时和补偿电压产生电路、电平移位电路、过流比较器和开关电源四个模块组成;本发明可以使判断是否发生电流浪涌现象的阈值随启动过程充电时间的增加而缓慢地增加。使充电过程尽可能地保持稳定,而不会发生多次重新启动的现象。使电子系统不会产生损伤。
文档编号H02M3/00GK1347189SQ0113625
公开日2002年5月1日 申请日期2001年10月12日 优先权日2001年10月12日
发明者李永明, 陈弘毅, 王海永 申请人:清华大学