专利名称：切换式调节器的软启动电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种切换式调节器，具体地说，是一种切换式调节器的软启动(soft start)电路及方法。
背景技术：
许多系统中都设有软启动机制使系统在开启时平稳地启动，以减少启动时的冲 击，防止部分组件超载以及过电压的发生。在传统的软启动方法中，都是由零电压开始软启 动，然而，系统的输出端上可能存在前次操作时残留下来的电荷，使得系统在刚启动时的输 出电压不为零，传统软启动方法会先将系统输出端上残留的电荷释放后再累积，这样的方 式将使残留的电荷白白浪费了，而且也可能产生过大的负的电感电流而造成电路损毁。图1为一种让输出电压Vo由残余电压软启动的切换式调节器10，图2为其信号波 形图，用以说明残余电压小于目标值时的软启动操作，其中波形30为输出电压Vo，波形32 为斜坡信号SS_Ramp，波形34为回授信号VFBj^B 36为致能信号ENj^B 38为致能信号 Real_EN，波形40为控制信号S0urce_CTL，波形42为控制信号Sink_CTL。在切换式调节器 10中，一对串联的开关20及22受控制信号S0urce_CTL及Sink_CTL切换而将输入电压Vin 转换为输出电压Vo给负载24及26。在正常工作期间，输出电压Vo将稳定在某个目标值。 取样电路28取样输出电压Vo产生回授信号VFB给误差放大器14的反相输入。多任务器 12将参考电压Vr及斜坡信号SS_Ramp其中之一送至误差放大器14的非反相输入。当切 换式调节器10启动时，如时间tl，致能信号EN转为高准位而致能误差放大器14，同时多任 务器12将斜坡信号SS_Ramp送至误差放大器14的非反相输入，使切换式调节器10进入软 启动。在此例中，切换式调节器10的输出具有小于目标值的残余电压，故回授信号VFB不 为零。在斜坡信号SS_Ramp由零上升至回授信号VFB准位的期间，如时间tl至t2，误差放 大器14送出低准位的致能信号Real_EN关闭PWM控制器16。当斜坡信号SS_Ramp达到回 授信号VFB的大小时，如时间t2，致能信号Real_EN转为高准位而触发PWM控制器16，因此 PWM控制器16根据误差放大器14提供的误差信号Sl产生控制信号SoUrce_CTL及Sink_ CTL操作开关20及22，输出电压Vo便由残余电压的准位朝目标值上升。为了避免出现电感 电流IL逆流，软启动控制器18截住控制信号Sink_CTL使开关22维持关闭一段时间，如时 间t2至t3。软启动控制器18藉由检测斜坡信号SS_Ramp来决定是否释放控制信号Sink_ CTL0例如，软启动结束或斜坡信号SS_Ramp达到默认值时，软动控制器18才释放控制信号 Sink_CTL，如时间t3所示。虽然，切换式调节器10可以使输出电压Vo在软启动时由残余电压的准位开始变 化，避免电荷的浪费，同时还能防止负的电感电流，但是此方式需要等待斜坡信号SS_Ramp 上升至回授信号VFB的准位，因此软启动时间Tss较长。此外，由于切换式调节器10只有 往上的单方向斜坡信号SS_Ramp，因此当切换式调节器10的输出具有大于目标值的残余电 压时，软启动的效果较差。图3为图1的切换式调节器10的信号波形图，用以说明残余电 压大于目标值时的软启动操作，其中波形44为致能信号ENJ^B 46为斜坡信号SS_Ramp，波形48为回授信号VFBJ^B 50为致能信号Real_EN，波形52为控制信号SoUrce_CTL，波 形54为控制信号Sink_CTL。当切换式调节器10启动时，致能信号EN转为高准位而致能 误差放大器14，如时间t4，同时多任务器12将斜坡信号SS_Ramp送至误差放大器14的非 反相输入，使切换式调节器10进入软启动。在此例中，切换式调节器10的输出具有大于目 标值的残余电压，因此当斜坡信号SS_Ramp达到参考电压Vr的准位时，如时间t5，多任务 器12将切换参考电压Vr至误差放大器14的非反相输入，由于回授信号VFB大于参考电压 Vr,故PWM控制器16不被触发，此时，需要等负载电流释放切换式调节器10的输出上的残 余电荷，直到回授信号VFB略小于参考电压Vr后，致能信号Real_EN才转为高准位而触发 PWM控制器16，进而结束软启动。然而，当负载电流很小时，将导致软启动时间Tss过长。美国专利号7，501，805提出一种使用两个分别往上跟往下的单方向斜坡信号加 上多任务器达成双向软启动的方法，在输出电压大于目标值时也可以有较好的软启动效 果。然而，此方法需要多任务器及两个信号产生器分别提供两个往上跟往下的斜坡信号，故 需要耗费较大的电路面积来实现，此外也没有改善软启动时间过长的问题。因此已知的软启动电路及方法存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种切换式调节器的软启动电路及方法。本发明的另一目的，在于提出一种减少软启动时间的软启动电路及方法。本发明的又一目的，在于提出一种减少电路面积的软启动电路。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是一种切换式调节器的软启动电路，其特征在于包括一信号产生器，在软启动时提供斜坡信号使所述切换式调节器的输出电压由残余 电压的准位朝目标值变化；以及一比例电路耦接所述信号产生器，在触发软启动时，提供与所述残余电压相关的 比例电压给所述信号产生器，以提高所述斜坡信号的准位。本发明的切换式调节器的软启动电路还可以采用以下的技术措施来进一步实现。前述的软启动电路，其中更包括一开关连接在所述信号产生器及所述比例电路之间；以及一控制器连接所述开关，在触发软启动时，打开所述开关使所述比例电压提供给 所述信号产生器。前述的软启动电路，其中所述控制器包括比较器比较所述斜坡信号与一临界值， 在所述斜坡信号小于所述临界值时打开所述开关，在所述斜坡信号等于所述临界值时关闭 所述开关。前述的软启动电路，其中所述临界值由所述比例电路提供。前述的软启动电路，其中所述信号产生器包括一电容，连接所述信号产生器；二电流源连接所述电容，分别对所述电容充电及放电以产生所述斜坡信号；以及一磁滞比较器连接所述二电流源，根据参考电压及所述斜坡信号控制所述二电流 源对所述电容的充放电。
前述的软启动电路，其中所述比例电路在触发软启动时提供所述比例电压对所述 电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。前述的软启动电路，其中所述信号产生器包括一电容，连接所述信号产生器；以及—电压电流转换器连接所述电容，根据参考电压及在所述电容上的所述斜坡信号 的差值产生电流对所述电容充电或放电，以产生所述斜坡信号。前述的软启动电路，其中所述比例电路在触发软启动时提供所述比例电压对所述 电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。前述的软启动电路，其中所述斜坡信号的起始准位等于所述比例信号的准位。一种切换式调节器的软启动方法，其特征在于包括以下步骤(A)在触发软启动时提供斜坡信号使所述切换式调节器的输出电压由残余电压的 准位朝目标值变化；(B)根据所述残余电压得到比例电压；以及(C)藉由所述比例电压提高所述斜坡信号的准位。本发明的切换式调节器的软启动方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。前述的软启动方法，其中所述步骤A包括根据参考电压及所述斜坡信号控制电容 的充、放电以产生所述斜坡信号。前述的软启动方法，其中所述步骤C包括提供所述比例电压对所述电容充电，以 提高所述斜坡信号的准位。前述的软启动方法，其中所述步骤C更包括在所述斜坡信号小于一临界值时，提 供所述比例电压对所述电容充电，直到所述斜坡信号等于所述临界值。前述的软启动方法，其中所述步骤A包括根据所述参考电压及所述斜坡信号的差值产生电流；以及根据所述电流对电容充电或放电以产生所述斜坡信号。前述的软启动方法，其中所述步骤C包括提供所述比例电压对所述电容充电，以 提高所述斜坡信号的准位。前述的软启动方法，其中所述步骤C更包括在所述斜坡信号小于一临界值时，提 供所述比例电压对所述电容充电，直至所述斜坡信号等于所述临界值前述的软启动方法，其中所述步骤C包括让所述斜坡信号的起始准位等于所述比 例信号的准位。采用上述技术方案后，本发明的切换式调节器的软启动电路及方法具有以下优点1.缩短软启动的时间。2.减少电路面积。
图1为已知的切换式调节器；图2为图1的切换式调节器的信号波形图；图3为图1的切换式调节器的信号波形图4为本发明的第一实施例示意图；图5为图4的切换式调节器的信号波形图；图6为图4的切换式调节器的信号波形图；图7为本发明的第二实施例示意图；图8为本发明的比例电路的第一实施例示意图；以及图9为本发明的比例电路的第二实施例示意图。图中，10、切换式调节器12、多任 务器14、误差放大器16、PWM控制器18、软启动控制器20、开关22、开关24、负载26、负载 28、取样电路30、输出电压Vo的波形32、斜坡信号SS_Ramp的波形34、回授信号VFB的波形 36、致能信号EN的波形38、致能信号Real_EN的波形40、控制信号S0urce_CTL的波形42、 控制信号Sink_CTL的波形44、致能信号EN的波形46、斜坡信号SS_Ramp的波形48、回授信 号VFB的波形50、致能信号Real_EN的波形52、控制信号Source_CTL的波形54、控制信号 Sink_CTL的波形60、切换式调节器62、软启动电路64、控制电路66、输出级68、负载72、取 样电路74、信号产生器76、控制器78、比例电路80、磁滞比较器82、电流源84、电流源86、比 较器88、误差放大器90、PWM控制器92、软启动控制器94、致能信号EN的波形96、回授信号 VFB的波形98、斜坡信号Vref_SS的波形100、致能信号EN的波形102、回授信号VFB的波 形104、斜坡信号Vref_SS的波形110、切换式调节器112、软启动电路114、信号产生器116、 电压电流转换器120、运算放大器122、M0S晶体管124、节点。
具体实施例方式以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。现请参阅图4，图4是本发明的第一实施例示意图。如图所示，所述切换式调节器 60中，输出级66包括一对串联的开关SWl及SW2，控制信号S0urce_CTL及Sink_CTL分别切 换开关SWl及SW2以将输入电压Vin转换为输出电压Vo给负载68及70。取样电路72取 样输出电压Vo产生回授信号VFB给软启动电路62和控制电路64。软启动电路62提供斜 坡信号Vref_SS给控制电路64。在控制电路64中，误差放大器88根据斜坡信号Vref_SS 及回授信号VFB产生误差信号VEA，PWM控制器90根据误差信号VEA产生控制信号SoUrce_ CTL及Sink_CTL，软启动控制器92截住控制信号Sink_CTL使开关SW2维持关闭一段时 间。在软启动电路62中，信号产生器74提供斜坡信号Vref_SS。在软启动时，斜坡信号 Vref_ss可以使切换式调节器60的输出电压Vo由残余电压的准位朝目标值变化。比例电 路(SCalingCirCuit)78根据回授信号VFB产生比例电压Vpl以及小于或等于所述比例电 压Vpl的临界值Vp2。比例电压Vpl在触发软启动时提高斜坡信号Vref_ss的准位。较佳 者，比例电压Vpl等于回授信号VFB。控制器76在触发软启动时打开(turn on)开关SW3 一段时间，使比例电压Vpl提供给信号产生器74。控制器76包括比较器86比较斜坡信号 Vref_ss及临界值Vp2，当斜坡信号Vref_ss大于临界值Vp2时，关闭(turn off)开关SW3。 在此实施例中，信号产生器74包括电容Css以及电流源82、84分别对电容Css充放电以产 生斜坡信号Vref_SS，以及磁滞比较器80根据斜坡信号Vref_s及参考电压Vref切换开关 SW4及SW5，以控制电容Css的充放电。图5为图4的切换式调节器60的信号波形图，用以说明残余电压小于目标值时， 切换式调节器60的软启动操作，其中波形94为致能信号ENJ^B 96为回授信号VFB，波形98为斜坡信号Vref_SS。当切换式调节器60启动时，致能信号EN转为高准位而致能软启动 电路62触发软启动，如时间t7及波形94所示。由于切换式调节器60的输出上有残余电 压，因此回授信号VFB不为零，如波形96所示。比例电路78根据回授信号VFB产生比例电 压Vpl及临界值Vp2，在此实施例中，比例电压Vpl及临界值Vp2均等于回授信号VFB。控 制器76被致能后比较斜坡信号Vref_SS及临界值Vp2，此时斜坡信号Vref_SS小于临界值 Vp2,因此控制器76打开开关SW3使比例电压Vpl对电容Css充电，让斜坡信号Vref_ss的 准位上升。在斜坡信号Vref_SS达到临界值Vp2后，控制器76关闭开关SW3，此时斜坡信 号Vref_SS等于回授电压VFB的准位，因此误差放大器88立即送出致能信号REN致能PWM 控制器90，PWM控制器90根据误差信号VEA产生控制信号S0urce_CTL及Sink_CTL切换开 关SWl及SW2，使输出电压Vo由残余电压的准位朝目标值上升。又斜坡信号Vref_SS小于 参考电Vref，故信号产生器74中的磁滞比较器80让电流源82对电容Css充电使斜坡信号 Vref_ss开始上升。当斜坡信号Vref_ss达到参考电压Vref的准位时，如时间t8，软启动 结束，而斜坡信号Vref_SS将稳定在参考电压Vref的准位。图6为图4的切换式调节器60的信号波形图，用以说明残余电压大于目标值时， 切换式调节器60的软启动操作，其中波形100为致能信号ENJ^B 102为回授信号VFBj^ 形104为斜坡信号Vref_SS。当切换式调节器60启动时，致能信号EN转为高准位而致能软 启动电路62触发软启动，如时间t9及波形100所示。由于切换式调节器60的输出上有残 余电压，因此回授信号VFB不为零，如波形102所示。比例电路78根据回授信号VFB产生比 例电压Vpl及临界值Vp2，在此实施例中，比例电压Vpl及临界值Vp2均等于回授信号VFB。 控制器76被致能后比较斜坡信号Vref_SS及临界值Vp2，此时斜坡信号Vref_SS小于临界 值Vp2，因此控制器76打开开关SW3使比例电压Vpl对电容Css充电，让斜坡信号Vref_ss 的准位上升。在斜坡信号Vref_SS达到临界值Vp2后，控制器76关闭开关SW3，此时斜坡信 号Vref_SS等于回授电压VFB的准位，因此误差放大器88立即送出致能信号REN致能PWM 控制器90，PWM控制器90根据误差信号VEA产生控制信号S0urce_CTL及Sink_CTL切换开 关SWl及SW2，使输出电压Vo由残余电压的准位朝目标值下降。又斜坡信号Vref_SS大于 参考电Vref，故信号产生器74中的磁滞比较器80让电流源84对电容Css放电使斜坡信号 Vref_ss开始下降。当斜坡信号Vref_ss达到参考电压Vref的准位时，如时间tlO，软启动 结束，而斜坡信号Vref_SS将稳定在参考电压Vref的准位。软启动电路62在切换式调节器60启动时，便先根据切换式调节器60输出上的残 余电压将斜坡信号Vref_SS拉到接近回授信号VFB的准位，毋需等待斜坡信号Vref_SS慢 慢地上升到回授信号VFB的准位，因此能有效缩短软启动时间Tss。另外，只需要一个产生 斜坡信号Vref_SS的信号产生器，便能实现往上跟往下的斜坡信号Vref_SS，故能减少电路 面积。图7为本发明的第二实施例，控制电路64、输出级66及取样电路72和图4的实施 例相同。在切换式调节器110中，软启动电路112除了控制器76、开关SW3及比例电路78以 外，还包含信号产生器114在软启动时提供斜坡信号Vref_SS让切换式调节器110的输出 电压Vo由残余电压朝目标值变化。信号产生器114包括电容Css及电压电流转换器116， 电压电流转换器116根据参考电压Vref及斜坡信号Vref_SS之间的差值产生电流Icd对 电容Css充电或放电而产生斜坡信号Vref_SS。当切换式调节器110启动时，致能信号EN致能软启动电路112，此时比例电路78根据回授信号VFB产生比例电压Vpl及临界值Vp2， 控制器76比较斜坡信号Vref_ss及临界值Vp2。若斜坡信号Vref_ss小于临界值Vp2，则 控制器76打开开关SW3让比例电压Vpl对电容Css充电，使斜坡信号Vref_ss上升到比例 电压Vpl的准位，进而缩短软启动时间。当参考电压Vref大于斜坡信号Vref_SS，电压电流 转换器116提供电流Icd对电容Css充电使斜坡信号Vref_SS上升；当参考电压Vref小于 斜坡信号Vref_SS，电压电流转换器116提供电流Icd让电容Css放电使斜坡信号Vref_SS 下降。图8显示比例电路78的第一实施例，其包括运算放大器120、M0S晶体管122及电 阻Rl，MOS晶体管122与电阻Rl串联在电压Vcc及接地端GND，运算放大器120具有非反 相输入连接回授信号VFB、反相输入连接节点124以及输出连接MOS晶体管122的闸极，比 例电压Vpl及Vp2由节点124输出，根据虚短路原理，运放大器120的非反相输入上的回授 信号VFB将等于节点124上的比例电压Vpl及Vp2。图9显示比例电路78的第二实施例， 其与图8同样包括运算放大器120及MOS晶体管122，其中MOS晶体管122与电阻Rl、R2 及R3串联在电压Vcc及接地端GND之间，根据虚短路原理，节点124上的电压等于回授信 号VFB，电阻Rl、R2及R3分压回授信号VFB产生比例电压Vpl及Vp2。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同 的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
权利要求
一种切换式调节器的软启动电路，其特征在于包括一信号产生器，在软启动时提供斜坡信号使所述切换式调节器的输出电压由残余电压的准位朝目标值变化；以及一比例电路耦接所述信号产生器，在触发软启动时，提供与所述残余电压相关的比例电压给所述信号产生器，以提高所述斜坡信号的准位。
2.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，更包括一开关连接在所述信号产生器及所述比例电路之间；以及一控制器连接所述开关，在触发软启动时，打开所述开关使所述比例电压提供给所述信号产生器。
3.如权利要求2所述的软启动电路，其特征在于，所述控制器包括比较器比较所述斜 坡信号与一临界值，在所述斜坡信号小于所述临界值时打开所述开关，在所述斜坡信号等 于所述临界值时关闭所述开关。
4.如权利要求3所述的软启动电路，其特征在于，所述临界值由所述比例电路提供。
5.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述信号产生器包括一电容，连接所述信号产生器；二电流源连接所述电容，分别对所述电容充电及放电以产生所述斜坡信号；以及一磁滞比较器连接所述二电流源，根据参考电压及所述斜坡信号控制所述二电流源对 所述电容的充放电。
6.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述比例电路在触发软启动时提供 所述比例电压对所述电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。
7.如权利要求1所述的软启动电路，其特征在于，所述信号产生器包括一电容，连接所述信号产生器；以及一电压电流转换器连接所述电容，根据参考电压及在所述电容上的所述斜坡信号的差 值产生电流对所述电容充电或放电，以产生所述斜坡信号。
8.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述比例电路在触发软启动时提供 所述比例电压对所述电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。
9.如权利要求7所述的软启动电路，其特征在于，所述斜坡信号的起始准位等于所述 比例信号的准位。
10.一种切换式调节器的软启动方法，其特征在于包括以下步骤(A)在触发软启动时提供斜坡信号使所述切换式调节器的输出电压由残余电压的准位 朝目标值变化；(B)根据所述残余电压得到比例电压；以及(C)藉由所述比例电压提高所述斜坡信号的准位。
11.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤A包括根据参考电压及所 述斜坡信号控制电容的充、放电以产生所述斜坡信号。
12.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤C包括提供所述比例电压 对所述电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。
13.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤C更包括在所述斜坡信号 小于一临界值时，提供所述比例电压对所述电容充电，直到所述斜坡信号等于所述临界值。
14.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤A包括 根据所述参考电压及所述斜坡信号的差值产生电流；以及根据所述电流对电容充电或放电以产生所述斜坡信号。
15.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤C包括提供所述比例电压 对所述电容充电，以提高所述斜坡信号的准位。
16.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤C更包括在所述斜坡信号 小于一临界值时，提供所述比例电压对所述电容充电，直至所述斜坡信号等于所述临界值。
17.如权利要求10所述的软启动方法，其特征在于，所述步骤C包括让所述斜坡信号的 起始准位等于所述比例信号的准位。
全文摘要
一种切换式调节器的软启动电路，其特征在于包括一信号产生器，在软启动时提供斜坡信号使所述切换式调节器的输出电压由残余电压的准位朝目标值变化；以及一比例电路耦接所述信号产生器，在触发软启动时，提供与所述残余电压相关的比例电压给所述信号产生器，以提高所述斜坡信号的准位。本发明的切换式调节器的软启动电路及方法具有缩短软启动的时间和减少电路面积的优点。
文档编号H02M1/36GK101989809SQ200910161829
公开日2011年3月23日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者吕绍鸿, 陈曜洲 申请人:立锜科技股份有限公司