應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路的製作方法

2023-10-18 19:59:04 1

本發明屬於開關電源軟啟動技術領域，特別涉及一種應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路。

背景技術：

近年來隨著可攜式電子產品在通信、計算機及消費類電子等領域中不斷增長，對電源管理晶片的需求也呈上升趨勢，DC-DC開關電源在寬輸入電壓範圍和寬負載範圍條件下，因其具有傑出的效率表現而被廣泛應用。Boost升壓結構作為開關電源一種重要的拓撲，隨著鋰電池等低電壓供電電源的廣泛使用，而被大量應用於各種開關電源晶片中。PWM開關電源是通過將誤差信號轉換成佔空比控制信號，驅動功率開關而工作，在啟動階段，誤差放大器處於非平衡狀態，使得環路長時間處於最大佔空比狀態，由此產生很大的湧浪電流灌入輸出濾波電容，使得輸出電壓產生大的過衝，同時湧浪電流也可能損壞開關管等器件。為此軟啟動電路應運而生，其設計思想是通過限制啟動時的佔空比，從而抑制湧浪電流。傳統數字軟啟動電路通過產生一個按固定速率緩慢上升的基準電壓，以達到限制啟動過程開關導通佔空比的目的；然而對於boost拓撲結構開關電源，由於其輸入與輸出未隔離，因此在晶片上電後，開關電源輸出電壓以很快的速度被充電到高於輸入電壓；在晶片使能後，軟啟動基準電壓開始從零伏緩慢上升，此時由於輸出電壓的採樣值高於軟啟動基準電壓，系統處於無效的啟動狀態，一直到軟啟動基準電壓上升到高於輸出電壓的採樣值後，開關電源才開始啟動升壓；因此，傳統軟啟動電路輸出按固定速率上升的軟啟動基準電壓，其上升速度通常較慢，以達到抑制湧浪電流的目的，但也造成無效啟動時間過長。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對以上問題，提出一種應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路，該電路利用過零檢測控制信號，自適應調節軟啟動基準電壓上升的速率，在無效啟動階段控制軟啟動基準電壓以較快的速度上升，從而極大縮短無效啟動時間，在開關電源有效啟動時，控制軟啟動基準電壓恢復緩慢的上升速度，從而起到抑制開關電源啟動湧浪電流的功能。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路，包括時鐘模塊、過零檢測模塊、計數器模塊和數模轉換模塊，其中：

時鐘模塊產生快時鐘信號、慢時鐘信號兩個時鐘信號分別輸入計數器模塊；

過零檢測模塊根據儲能電感電流的大小，產生控制信號提供給計數器模塊；

計數器模塊根據控制信號選擇快時鐘信號或慢時鐘信號作為計數時鐘，從而實現不同的速度進行計數，輸出二進位計數值；

數模轉換模塊將計數器輸出的二進位計數值轉換成模擬信號，輸出按臺階依次上升的軟啟動基準電壓。

進一步的，所述過零檢測模塊首先檢測儲能電感的電流大小，當電流小於預設閾值時，控制信號置為高電平；否則控制信號置為低電平，從而得到控制信號。

特別說明的是：本發明提供應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路中，時鐘模塊通過D觸發器構成分頻電路，該分頻電路對輸入的時鐘信號CLK進行分頻，從而產生具有較長時鐘周期的慢時鐘信號CLK_SLOW，同時也輸出未分頻的短周期時鐘信號CLK_FAS T；start_end為軟啟動結束控制信號，其作用是在軟啟動結束時，阻斷時鐘信號輸入分頻電路，從而降低啟動結束後數字電路由於狀態不斷改變產生的功耗。

過零檢測模塊是同步整流型boost開關電源必要的模塊，其作用在於檢測儲能電感的電流大小，當電感電流低於閾值時，其將輸出信號UCP置為高電平，該控制電平關斷同步整流管以防止電流倒灌回輸入電源；在本發明中，該控制信號被用於調節軟啟動基準電壓的上升速度，實現在不同的啟動狀態下，軟啟動基準電壓的自適應調節。

計數器模塊由數據選擇器、D觸發器、反相器、與非門和或非門構成，其根據UCP信號選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計數時鐘，從而實現以不同的速度進行計數，並且在計數結束後輸出啟動結束控制信號start_end，利用該信號能實現整個軟啟動電路在啟動結束後的零功耗。

數模轉換模塊採用電流舵式DAC架構，其優點在於當開關切換時，輸出的電壓尖峰較小，差分對稱結構有利於實現數碼切換時的平穩過渡，數模轉換器將輸入的二進位計數值轉換成按臺階上升的模擬電壓，經RC濾波網絡濾波後作為軟啟動基準電壓輸出；當軟啟動結束時，start_end信號控制將VREF基準電壓直接輸出，並且關斷數模轉換器，使其在軟啟動結束後消耗的功耗幾乎為零。

本發明的有益效果在於：引入過零檢測控制信號，自適應調節軟啟動基準電壓上升的速率，極大縮短了boost拓撲結構開關電源的無效軟啟動時間，在滿足消除電源啟動湧浪電流的前提下，實現開關電源的快速啟動。

附圖說明

圖1為本發明應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路系統示意圖。

圖2為本發明實施例中時鐘模塊示意圖。

圖3為本發明實施例中計數器模塊示意圖。

圖4為本發明實施例中數模轉換模塊示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明，但本發明並不局限於此。

本實施例提供一種應用於boost拓撲開關電源的自適應軟啟動電路，其系統示意圖如圖1所示，該軟啟動電路由時鐘模塊、過零檢測模塊、計數器模塊、數模轉換模塊組成；時鐘模塊利用輸入的基礎時鐘CLK，產生高頻時鐘CLK_FAST(快時鐘)和低頻時鐘CLK_SLOW(慢時鐘)輸入計數器模塊；過零檢測模塊根據儲能電感電流的大小，產生控制信號UCP提供給計數器模塊，當電感電流低於預設閾值I1時、UCP輸出為「1，」當電感電流高於等於預設閾值I1時、UCP輸出為「0；」計數器模塊根據UCP信號選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計數時鐘，從而實現以不同的速度進行計數，輸出5位二進位計數值；數模轉換模塊將計數器輸出的二進位計數值轉換成模擬信號，經濾波後輸出按臺階依次上升的軟啟動基準電壓VSOFT。由於UCP信號能控制計數器以不同的速度計數，因此實現在UCP信號的控制下自適應調節軟啟動基準電壓按臺階上升的速度。

時鐘模塊如圖2所示，時鐘信號CLK與啟動結束控制信號start_end接入或非門，或非門的輸出一方面作為高頻時鐘CLK_FAST輸出，另外也接入分頻電路；分頻電路由8個D觸發器串聯構成，每級D觸發器的D輸入端接反相輸出端每級D觸發器的時鐘輸入端接前一級的正相輸出端Q，所有D觸發器的置位端並接於使能輸入端EN，從而實現D觸發器的上電復位；晶片上電後，使能端EN輸入先為「0，」對所有D觸發器進行置位，一段時間後，使能端EN變為「1，」時鐘電路開始正常工作；在軟啟動過程中，start_end為「0，」此時時鐘CLK能有效輸入，基礎時鐘CLK周期為T1，高頻時鐘CLK_FAST的周期同樣為T1，基礎時鐘經過8次分頻後，產生周期為28的低頻時鐘CLK_SLOW；軟啟動結束後，start_end變為「1，」此時由於或非門的作用，CLK輸入被阻斷，後續數字電路的狀態不發生改變，從而實現極低的靜態功耗。

計數器模塊如圖3所示，時鐘模塊輸出的高頻時鐘CLK_FAST和低頻時鐘CLK_SLOW經過二選一數據選擇器輸入計數器模塊，數據選擇器選擇端是過零檢測模塊輸出的UCP信號。當UCP為「1」(高電平)時，選擇高頻時鐘CLK_FAST輸入；當UCP為「0」(低電平)時，選擇低頻時鐘CLK_SLOW輸入；數據選擇器的輸出接5級串聯的D觸發器，D觸發器同樣採用分頻器中的接法，即每級D觸發器的D輸入端接反相輸出端每級D觸發器的時鐘輸入端接前一級的正相輸出端Q；每級D觸發器的正相輸出端Q接反相器，反相器輸出端接或非門，或非門則輸出二進位計數信號，其計數值從「11111」依次變化到「00000；」當計數值輸出變為「00000」後，經過圖中所示邏輯，將start_end置為「1，」該信號輸入或非門，使計數器輸出被鎖定在「00000，」結束計數過程；同時start_end也被輸出，用於控制其他模塊。

數模轉換模塊如圖4所示，該數模轉換模塊採用電流舵結構，運算放大器採用負反饋接法，其正相輸入端接基準電壓VREF，通過負反饋，運放反相輸入端鉗位到VREF，因此流過電阻R1的電流為VREF/R1，該電流流過採用自偏置接法的共柵共源電流鏡，鏡像出大小按1:2:4:8:16的二進位加權電流，採用共柵共源結構能有效提升電流鏡的輸出阻抗；電流鏡輸出的電流通過對稱的互補開關分別輸出到數模轉換器的正相輸出端OUTP和反相輸出端OUTN，通過電阻R4和R3轉換成電壓輸出；根據圖中所示電流鏡像大小關係，為了實現當所有電流都流經R4時，正相輸出電壓為VREF，則R1/R4＝31/8；互補開關的柵極由計數模塊輸出的計數值和其反相信號控制，當計數模塊輸出「11111」時，電流鏡輸出的所有電流都流入反相輸出端OUTN，之後計數值變為「11110，」「11101」……,則流入正相輸出端OUTP的電流比例不斷增大，直到計數值變為「00000，」電流鏡輸出的所有電流都流入正相輸出端OUTP，此時OUTP輸出電壓變為VREF；採用差分對稱結構能有效降低開關切換時輸出的尖峰毛刺，OUTP輸出的電壓經過開關後經過RC濾波網絡，使其電壓毛刺被進一步濾除，從而產生平滑切換的按臺階上升的電壓VSOFT，該電壓即作為電源軟啟動過程中的基準電壓；控制信號start_end通過開關選擇輸出到VSOFT的電壓，在軟啟動階段，start_end為「0，」此時數模轉換器的正相輸出端OUTP電壓被輸出；軟啟動結束後，start_end變為「1，」此時基準電壓VREF被直接輸出，作為開關電源穩定工作後的參考電壓；同時當start_end變為「1」後，經過反相器和與非門，電流鏡的柵極被拉到VDD，電流鏡被關斷，同時運算放大器也被關斷，其輸出為零伏，此時整個數模轉換模塊功耗接近為零。

本發明的工作過程為：當boost拓撲結構開關電源上電後，此時晶片內電路尚未開始工作，由於電源輸入電壓高於輸出電壓，因此對於boost拓撲結構，其輸入到輸出間的二極體(對於同步整流型電源，為同步整流管寄生二極體)處於正相導通狀態，因此輸入電源會以很大的瞬時電流對輸出濾波電容充電，當輸出電壓高於輸入電壓後，儲能電感的電流開始減小，一直到電感電流下降到零。此時二極體處於反相截止狀態，輸出電容的電壓高於輸入電壓，並通過負載放電而緩慢下降。當晶片內電路使能有效，開始工作時，軟啟動基準電壓開始從0V按臺階上升，此時由於輸出電壓的採樣值高於軟啟動基準電壓，因此誤差放大器輸出最小值，PWM信號保持零佔空比，因此這段時間實際上沒有進行升壓啟動，稱之為無效啟動階段；一直到軟啟動基準電壓高於輸出電壓的採樣值，PWM信號佔空比不再為零，開關電源開始升壓啟動過程，後一階段稱之為有效啟動階段。對於傳統軟啟動電路，由於軟啟動基準電壓按固定速率上升，而為了達到抑制啟動湧浪電流的目的，其上升速度非常緩慢，這也造成過長的無效啟動階段時間被浪費掉。採用本發明自適應軟啟動電路，由於無效啟動階段，儲能電感電流維持在零，過零檢測電路輸出UCP為高電平，計數模塊以高頻時鐘CLK_FAST進行計數，軟啟動基準電壓的每個臺階保持時間為T1；在實施例中，這比只用固定時鐘進行計數的方式快了256倍，即在輸出電壓相同的情況下，能將無效啟動時間縮短到原來的1/256。當進入有效啟動階段後，電感電流增大，過零檢測電路輸出UCP變為低電平，計數模塊以低頻時鐘CLK_SLOW進行計數，軟啟動基準電壓恢復緩慢的上升速度，從而達到抑制啟動過程湧浪電流的目的。本發明軟啟動電路能根據開關電源負載大小，自適應調節第一階段快速啟動的時間：當開關電源負載較輕時，由於輸出電容通過負載放電緩慢，因此輸出電壓長時間保持在較高值，則軟啟動基準電壓快速上升的時間維持較長，有效啟動時間被最大程度縮短；當開關電源負載較重時，輸出電容通過負載快速放電而迅速下降，則軟啟動基準電壓快速上升的時間維持較短，有效啟動時間相對延長。

在boost拓撲結構開關電源中，應用本發明軟啟動電路，能大幅縮短其無效啟動時間，在滿足抑制開關電源啟動湧浪電流的前提下，實現開關電源的快速啟動。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。