一种用于DCDC的软启动电路_软启动电路

　　摘要:本论文主要介绍一种结构相对简单的新型的软启动电路,采用该电路能消除软启动过程中出现的浪涌电流,同时避免了传统软启动电路在软启动结束时出现的过冲现象。该电路可以完全集成在DCDC开关电源管理芯片中,避免额外电容而占用过多面积和增加功耗,有利于便携式设备的应用,本设计是基于特许半导体0.18μm工艺,其性能经过了HSpice仿真和测试,对于输入电压为3.3 V,输出电压为1.8 V的Buck型开关电源系统,输出电压在1 ms内分台阶平稳上升,避免了浪涌电流和过冲电压,符合设计指标。
　　关键词:DCDC转换器;软启动;浪涌电流;过冲电压
　　
　　1引言
　　
　　伴随着便携式设备的广泛应用,DC/DC转换器凭借其高效率、大输出电流、低静态电流的特点而迅速发展。传统的DC/DC开关电源在上电过程中,输出电压从零上升到最大值。由于负反馈的作用,功率管的PWM控制信号的占空比从最大值开始变化,逐渐减小,直到电路稳定。由于电路中输出滤波电容的存在,对电容充电容易产生浪涌电流,此时通过功率管的电流可以达到很大,容易损毁电路系统。为了在启动过程中防止大的浪涌电流对电路系统的损坏,在电路启动过程中需要对电流进行限制,即需要在开关电源芯片中加入软启动电路。
　　软启动电路是用来控制电源输入电压上升过程中PWM脉冲波形的占空比从最小值逐渐变化到正常工作时所需要的值,从而控制输出电压逐步变化。由于占空比是从最小值开始逐渐变化,不会使功率管在较长时间一直导通,从而避免了浪涌电流的产生,保证了电路系统的可靠性[1]。
　　在目前应用的开关电源软启动电路中主要有以下几种:一种是采用电容和电阻,利用电容充电时电压指数上升的特性来控制电压上升过程。这种软启动电路需要加入充电用的恒流电流和外部电容,而且需要的电容值较大,不容易集成到芯片内部;另一种是采用微控制器来控制启动过程的纯数字控制[2]。虽然这种软启动电路能够集成到芯片内部,但是由于需要另外的微控制器控制且需要在电源电路部分上电前就已经开始工作,对于一般用途的开关电源,此类软启动电路过于复杂,且成本也太高。
　　为了避免以上缺点,设计了一款新型的软启动电路,介绍了新型软启动电路的工作原理,给出了主体电路设计和电路的仿真波形。
　　
　　2系统设计
　　后沿调制的电流反馈模式控制的PWM型的buck DC/DC转换器的典型结构如图1所示,它包括电阻反馈网络、误差放大器/补偿网络、PWM比较器、电流检测电路、SR所存器和驱动电路。其中电阻反馈网络采样输出电压值,误差放大器对采样的电压值与基准电压值的差进行放大,误差放大器的输出与检测到的电流值转换成的电压值进行比较,调节输出脉冲的占空比,从而调节输出电压。从上述DC/DC工作原理可以看到,转换器存在两个反馈环路,分别为电压环和电流环,其中电流环反馈是在电压环反馈的基础上增加所得,此时电感电流不再是一个独立的量,而且使闭环系统成为一个一阶无条件稳定系统。因此电流型反馈控制模式具有比电压反馈控制模式大得多的带宽。
　　 在电路启动的瞬间,输出电容彻底放电,导致输入误差放大器的电压过低,误差放大器不是处于平衡状态,而这种情况会引起电感电流超过它的平衡值,产生所谓的浪涌电流。由于电感电流不能突变,所以这个电流会在高于平衡值上维持一小段时间,这会导致输出电压迅速上升,并且超过正常值,产生电压过冲的情况。浪涌电流和过冲电压会导致电子器件的损坏。所以,在启动过程中,为了防止大的浪涌电流和过冲电压对器件的损坏,必须采用一个软启动电路,使电路从零状态到正常使用状态的过程中,控制输入PWM比较器的电压按台阶逐步增加。
　　图2是本文描述的软启动电路示意图,其中comp为PWM比较器,比较器的负输入端的信号Vcs为电感电流检测电路的输出信号,正输入端的信号Vea为误差放大器的输出信号,Vst为软启动电路控制信号;电流Is为检测到的电感电流,此电流经过电阻Rs转换成电压Vcs;Clamp模块为钳位电路;分频器输出为两位控制信号,控制钳位电路的输出电压值,其输出波形如图3所示。整个电路的工作原理为:电路上电中,由于输出电压此时为零,所以反馈电压Vfb也为零,则此时误差放大器输出Vea为高电压,Vea此时对PWM比较器来说不起作用,PWM比较器的正输入端信号由软启动电路的输出信号Vst控制。电感电流检测电路检测电感电流并流过电阻Rs转换成电压Vcs,此时Vcs的大小由Vst控制,即Vcs的值不能超过Vst,否则比较器翻转,关闭开关管,进而限制了电流,达到软启动的效果。当输出电压达到稳定值时,此时PWM比较器的正输入端由误差放大器的输出决定,此时软启动电路的输出Vst对PWM比较器不起作用。具体波形如图4所示,图中只画出两个台阶,可以看到PWM比较器的输出占空比慢慢变大,实现了软启动的功能。
　　
　　3电路设计
　　
　　 3.1 钳位电路CLAMP 模块
　　图5为CLAMP的结构示意图,其中I为基准电流源,VA和VB分别是分频信号,分频信号的变化对应的输出电压的关系如下所示:
　　当VA=1,VB=1时,Vst=I*R;
　　当VA=1,VB=0时,Vst=I*2R;
　　当VA=0,VB=1时,Vst=I*3R;
　　当VA=0,VB=0时,Vst=I*4R;
　　 由上面可以看到,输出电压Vst按阶梯上升。
　　当VAVB = 00时,此时Vst电压的大小要大于误差放大器的误差信号Vea,以保证软启动工作完毕,电路进入闭环状态。
　　图6为软启动过程中的关键控制信号的波形图。VA和VB分别是时钟信号clk的4096分频和2048分频。软启动电路的输出电压Vst的阶梯性升高。
　　
　　 3.2 数字分频器
　　图7所示为分频计数模块,包括分频器、两输入或非门、反相器。其中分频器由n个T触发器构成,n由所设计的电路的输出电压来确定,下面以n = 12来说明其结构。
　　12个T触发器的清零信号接上电复位模块的输出信号经过反相之后的信号,时钟信号clk接第一级T触发器的时钟端,T触发器的Q输出端接下一级T触发器的时钟端,按此接法,12个T触发器串接成分频器,最后两个T触发器的输出端分别为VA和VB,分别是时钟信号clk的2048分频和4096分频。分频信号VA和VB的变化过程分别为11,10,01,00。当跳变为00时,此时选通时钟信号的选通信号变为高电平,屏蔽了时钟信号clk,分频结束。其波形如图7所示。
　　
　　 3.3 PWM 比较器
　　图8为比较器的结构示意图,软启动开始时,由于此时输出电压很低,误差放大器的输出误差信号电平很高,即Vea>>Vst,流过M2管的电流很小,可以忽略[3]。随着Vst阶梯性变大,输出电压也阶梯性升高,误差放大器的输出也慢慢降低。当软启动完毕,误差放大器的输出误差信号Vea起主要作用,而软启动电路的输出电压Vst已大于软启动之初的误差信号Vea,即此时流过M3的电流可以忽略。电路处于闭环状态,Vea与Vcs进行比较,产生一系列脉冲使电路输出电压稳定在一个值。
　　
　　4仿真与测试
　　设计的软启动电路应用于一款同步Buck型的DCDC开关电源芯片中。用Hspice软件对其进行仿真。器件的模型参数采用特许半导体0.18μm CMOS工艺。如图9所示:在输入电压为3.3 V,输出电压为1.8 V的测试环境下,可以看出:采用软启动电路后,输出电压在1 ms内分台阶平稳上升,避免了浪涌电流和过冲电压。版图如图10所示。
　　 从图中可以看到,刚启动时刻的占空比非常小,满足要求。第二个台阶的占空比相对增大,如图9(b)所示。
　　
　　5结论
　　
　　本论文提出了一种新型的软启动电路,它主要用于峰值电流控制模式的降压DCDC中,能节省芯片和电路板面积,有效地降低产品成本。采用三端输入的比较器,在启动瞬间,通过控制PWM比较器负输入端的输入电压,使其按阶梯状上升,电路避免了浪涌电流和过冲电压。该软启动电路已经应用于高性能的DCDC中,仿真与测试表明该电路有非常好的效果,本论文的设计和结果对便携式设备的设计和应用有较大的帮助。
　　
　　参考文献
　　[1] Yuan Bing, Lai Xinquan, Ye Qiang, Jia Xinzhang, A Novel Compact Soft-Start Circuit with Internal Circuitry for DC-DC Converters.
　　[2] Lai X.Q, Guo J.P, et al, A Novel Digital Soft-Start Circuit for DC-DC Switching Regulator. ASICON 2005 6th Int. Conf. on ASIV Proc, p.564 (2005).
　　[3] Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits(McGraw-Hill Companies Inc. 2001), pp.9-100.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文