本發(fā)明屬于開關(guān)電源軟啟動技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路。

背景技術(shù)：

近年來隨著便攜式電子產(chǎn)品在通信、計(jì)算機(jī)及消費(fèi)類電子等領(lǐng)域中不斷增長，對電源管理芯片的需求也呈上升趨勢，DC-DC開關(guān)電源在寬輸入電壓范圍和寬負(fù)載范圍條件下，因其具有杰出的效率表現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用。Boost升壓結(jié)構(gòu)作為開關(guān)電源一種重要的拓?fù)洌S著鋰電池等低電壓供電電源的廣泛使用，而被大量應(yīng)用于各種開關(guān)電源芯片中。PWM開關(guān)電源是通過將誤差信號轉(zhuǎn)換成占空比控制信號，驅(qū)動功率開關(guān)而工作，在啟動階段，誤差放大器處于非平衡狀態(tài)，使得環(huán)路長時間處于最大占空比狀態(tài)，由此產(chǎn)生很大的涌浪電流灌入輸出濾波電容，使得輸出電壓產(chǎn)生大的過沖，同時涌浪電流也可能損壞開關(guān)管等器件。為此軟啟動電路應(yīng)運(yùn)而生，其設(shè)計(jì)思想是通過限制啟動時的占空比，從而抑制涌浪電流。傳統(tǒng)數(shù)字軟啟動電路通過產(chǎn)生一個按固定速率緩慢上升的基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到限制啟動過程開關(guān)導(dǎo)通占空比的目的；然而對于boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源，由于其輸入與輸出未隔離，因此在芯片上電后，開關(guān)電源輸出電壓以很快的速度被充電到高于輸入電壓；在芯片使能后，軟啟動基準(zhǔn)電壓開始從零伏緩慢上升，此時由于輸出電壓的采樣值高于軟啟動基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)處于無效的啟動狀態(tài)，一直到軟啟動基準(zhǔn)電壓上升到高于輸出電壓的采樣值后，開關(guān)電源才開始啟動升壓；因此，傳統(tǒng)軟啟動電路輸出按固定速率上升的軟啟動基準(zhǔn)電壓，其上升速度通常較慢，以達(dá)到抑制涌浪電流的目的，但也造成無效啟動時間過長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對以上問題，提出一種應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路，該電路利用過零檢測控制信號，自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動基準(zhǔn)電壓上升的速率，在無效啟動階段控制軟啟動基準(zhǔn)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(guān)電源有效啟動時，控制軟啟動基準(zhǔn)電壓恢復(fù)緩慢的上升速度，從而起到抑制開關(guān)電源啟動涌浪電流的功能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路，包括時鐘模塊、過零檢測模塊、計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其中：

時鐘模塊產(chǎn)生快時鐘信號、慢時鐘信號兩個時鐘信號分別輸入計(jì)數(shù)器模塊；

過零檢測模塊根據(jù)儲能電感電流的大小，產(chǎn)生控制信號提供給計(jì)數(shù)器模塊；

計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)控制信號選擇快時鐘信號或慢時鐘信號作為計(jì)數(shù)時鐘，從而實(shí)現(xiàn)不同的速度進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出二進(jìn)制計(jì)數(shù)值；

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號，輸出按臺階依次上升的軟啟動基準(zhǔn)電壓。

進(jìn)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(dāng)電流小于預(yù)設(shè)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(fā)明提供應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路中，時鐘模塊通過D觸發(fā)器構(gòu)成分頻電路，該分頻電路對輸入的時鐘信號CLK進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)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(jié)束控制信號，其作用是在軟啟動結(jié)束時，阻斷時鐘信號輸入分頻電路，從而降低啟動結(jié)束后數(shù)字電路由于狀態(tài)不斷改變產(chǎn)生的功耗。

過零檢測模塊是同步整流型boost開關(guān)電源必要的模塊，其作用在于檢測儲能電感的電流大小，當(dāng)電感電流低于閾值時，其將輸出信號UCP置為高電平，該控制電平關(guān)斷同步整流管以防止電流倒灌回輸入電源；在本發(fā)明中，該控制信號被用于調(diào)節(jié)軟啟動基準(zhǔn)電壓的上升速度，實(shí)現(xiàn)在不同的啟動狀態(tài)下，軟啟動基準(zhǔn)電壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

計(jì)數(shù)器模塊由數(shù)據(jù)選擇器、D觸發(fā)器、反相器、與非門和或非門構(gòu)成，其根據(jù)UCP信號選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計(jì)數(shù)時鐘，從而實(shí)現(xiàn)以不同的速度進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且在計(jì)數(shù)結(jié)束后輸出啟動結(jié)束控制信號start_end，利用該信號能實(shí)現(xiàn)整個軟啟動電路在啟動結(jié)束后的零功耗。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用電流舵式DAC架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)開關(guān)切換時，輸出的電壓尖峰較小，差分對稱結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)碼切換時的平穩(wěn)過渡，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將輸入的二進(jìn)制計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成按臺階上升的模擬電壓，經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后作為軟啟動基準(zhǔn)電壓輸出；當(dāng)軟啟動結(jié)束時，start_end信號控制將VREF基準(zhǔn)電壓直接輸出，并且關(guān)斷數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使其在軟啟動結(jié)束后消耗的功耗幾乎為零。

本發(fā)明的有益效果在于：引入過零檢測控制信號，自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動基準(zhǔn)電壓上升的速率，極大縮短了boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源的無效軟啟動時間，在滿足消除電源啟動涌浪電流的前提下，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的快速啟動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中時鐘模塊示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)數(shù)器模塊示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不局限于此。

本實(shí)施例提供一種應(yīng)用于boost拓?fù)溟_關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動電路，其系統(tǒng)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(jì)數(shù)器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成；時鐘模塊利用輸入的基礎(chǔ)時鐘CLK，產(chǎn)生高頻時鐘CLK_FAST(快時鐘)和低頻時鐘CLK_SLOW(慢時鐘)輸入計(jì)數(shù)器模塊；過零檢測模塊根據(jù)儲能電感電流的大小，產(chǎn)生控制信號UCP提供給計(jì)數(shù)器模塊，當(dāng)電感電流低于預(yù)設(shè)閾值I₁時、UCP輸出為“1，”當(dāng)電感電流高于等于預(yù)設(shè)閾值I₁時、UCP輸出為“0；”計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)UCP信號選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計(jì)數(shù)時鐘，從而實(shí)現(xiàn)以不同的速度進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)值；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)濾波后輸出按臺階依次上升的軟啟動基準(zhǔn)電壓VSOFT。由于UCP信號能控制計(jì)數(shù)器以不同的速度計(jì)數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)在UCP信號的控制下自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動基準(zhǔn)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(jié)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(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，每級D觸發(fā)器的D輸入端接反相輸出端每級D觸發(fā)器的時鐘輸入端接前一級的正相輸出端Q，所有D觸發(fā)器的置位端并接于使能輸入端EN，從而實(shí)現(xiàn)D觸發(fā)器的上電復(fù)位；芯片上電后，使能端EN輸入先為“0，”對所有D觸發(fā)器進(jìn)行置位，一段時間后，使能端EN變?yōu)椤?，”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(chǔ)時鐘CLK周期為T₁，高頻時鐘CLK_FAST的周期同樣為T₁，基礎(chǔ)時鐘經(jīng)過8次分頻后，產(chǎn)生周期為2⁸的低頻時鐘CLK_SLOW；軟啟動結(jié)束后，start_end變?yōu)椤?，”此時由于或非門的作用，CLK輸入被阻斷，后續(xù)數(shù)字電路的狀態(tài)不發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)極低的靜態(tài)功耗。

計(jì)數(shù)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(jīng)過二選一數(shù)據(jù)選擇器輸入計(jì)數(shù)器模塊，數(shù)據(jù)選擇器選擇端是過零檢測模塊輸出的UCP信號。當(dāng)UCP為“1”(高電平)時，選擇高頻時鐘CLK_FAST輸入；當(dāng)UCP為“0”(低電平)時，選擇低頻時鐘CLK_SLOW輸入；數(shù)據(jù)選擇器的輸出接5級串聯(lián)的D觸發(fā)器，D觸發(fā)器同樣采用分頻器中的接法，即每級D觸發(fā)器的D輸入端接反相輸出端每級D觸發(fā)器的時鐘輸入端接前一級的正相輸出端Q；每級D觸發(fā)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(jìn)制計(jì)數(shù)信號，其計(jì)數(shù)值從“11111”依次變化到“00000；”當(dāng)計(jì)數(shù)值輸出變?yōu)椤?0000”后，經(jīng)過圖中所示邏輯，將start_end置為“1，”該信號輸入或非門，使計(jì)數(shù)器輸出被鎖定在“00000，”結(jié)束計(jì)數(shù)過程；同時start_end也被輸出，用于控制其他模塊。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示，該數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用電流舵結(jié)構(gòu)，運(yùn)算放大器采用負(fù)反饋接法，其正相輸入端接基準(zhǔn)電壓VREF，通過負(fù)反饋，運(yùn)放反相輸入端鉗位到VREF，因此流過電阻R₁的電流為VREF/R₁，該電流流過采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(jìn)制加權(quán)電流，采用共柵共源結(jié)構(gòu)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(bǔ)開關(guān)分別輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的正相輸出端OUTP和反相輸出端OUTN，通過電阻R₄和R₃轉(zhuǎn)換成電壓輸出；根據(jù)圖中所示電流鏡像大小關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)所有電流都流經(jīng)R₄時，正相輸出電壓為VREF，則R₁/R₄＝31/8；互補(bǔ)開關(guān)的柵極由計(jì)數(shù)模塊輸出的計(jì)數(shù)值和其反相信號控制，當(dāng)計(jì)數(shù)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，之后計(jì)數(shù)值變?yōu)椤?1110，”“11101”……,則流入正相輸出端OUTP的電流比例不斷增大，直到計(jì)數(shù)值變?yōu)椤?0000，”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?yōu)閂REF；采用差分對稱結(jié)構(gòu)能有效降低開關(guān)切換時輸出的尖峰毛刺，OUTP輸出的電壓經(jīng)過開關(guān)后經(jīng)過RC濾波網(wǎng)絡(luò)，使其電壓毛刺被進(jìn)一步濾除，從而產(chǎn)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(zhǔn)電壓；控制信號start_end通過開關(guān)選擇輸出到VSOFT的電壓，在軟啟動階段，start_end為“0，”此時數(shù)模轉(zhuǎn)換器的正相輸出端OUTP電壓被輸出；軟啟動結(jié)束后，start_end變?yōu)椤?，”此時基準(zhǔn)電壓VREF被直接輸出，作為開關(guān)電源穩(wěn)定工作后的參考電壓；同時當(dāng)start_end變?yōu)椤?”后，經(jīng)過反相器和與非門，電流鏡的柵極被拉到VDD，電流鏡被關(guān)斷，同時運(yùn)算放大器也被關(guān)斷，其輸出為零伏，此時整個數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊功耗接近為零。

本發(fā)明的工作過程為：當(dāng)boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源上電后，此時芯片內(nèi)電路尚未開始工作，由于電源輸入電壓高于輸出電壓，因此對于boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其輸入到輸出間的二極管(對于同步整流型電源，為同步整流管寄生二極管)處于正相導(dǎo)通狀態(tài)，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(dāng)輸出電壓高于輸入電壓后，儲能電感的電流開始減小，一直到電感電流下降到零。此時二極管處于反相截止?fàn)顟B(tài)，輸出電容的電壓高于輸入電壓，并通過負(fù)載放電而緩慢下降。當(dāng)芯片內(nèi)電路使能有效，開始工作時，軟啟動基準(zhǔn)電壓開始從0V按臺階上升，此時由于輸出電壓的采樣值高于軟啟動基準(zhǔn)電壓，因此誤差放大器輸出最小值，PWM信號保持零占空比，因此這段時間實(shí)際上沒有進(jìn)行升壓啟動，稱之為無效啟動階段；一直到軟啟動基準(zhǔn)電壓高于輸出電壓的采樣值，PWM信號占空比不再為零，開關(guān)電源開始升壓啟動過程，后一階段稱之為有效啟動階段。對于傳統(tǒng)軟啟動電路，由于軟啟動基準(zhǔn)電壓按固定速率上升，而為了達(dá)到抑制啟動涌浪電流的目的，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(fèi)掉。采用本發(fā)明自適應(yīng)軟啟動電路，由于無效啟動階段，儲能電感電流維持在零，過零檢測電路輸出UCP為高電平，計(jì)數(shù)模塊以高頻時鐘CLK_FAST進(jìn)行計(jì)數(shù)，軟啟動基準(zhǔn)電壓的每個臺階保持時間為T₁；在實(shí)施例中，這比只用固定時鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)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(dāng)進(jìn)入有效啟動階段后，電感電流增大，過零檢測電路輸出UCP變?yōu)榈碗娖剑?jì)數(shù)模塊以低頻時鐘CLK_SLOW進(jìn)行計(jì)數(shù)，軟啟動基準(zhǔn)電壓恢復(fù)緩慢的上升速度，從而達(dá)到抑制啟動過程涌浪電流的目的。本發(fā)明軟啟動電路能根據(jù)開關(guān)電源負(fù)載大小，自適應(yīng)調(diào)節(jié)第一階段快速啟動的時間：當(dāng)開關(guān)電源負(fù)載較輕時，由于輸出電容通過負(fù)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(zhǔn)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(dāng)開關(guān)電源負(fù)載較重時，輸出電容通過負(fù)載快速放電而迅速下降，則軟啟動基準(zhǔn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源中，應(yīng)用本發(fā)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(guān)電源啟動涌浪電流的前提下，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的快速啟動。

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