本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于boost(升壓變換器)轉(zhuǎn)換器的恒流啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

boost轉(zhuǎn)換器由于其小巧輕便高效的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)，各種電子終端設(shè)備，通訊設(shè)備中。

典型的boost轉(zhuǎn)換器架構(gòu)如圖1所示，主要由開關(guān)功率管mn、mp，儲(chǔ)能電感l(wèi)、輸出電容cout、負(fù)載rload組成?；竟ぷ髟硎牵豪秒姼泻碗娙莸哪芰看鎯?chǔ)特性，在開關(guān)管mn導(dǎo)通、mp關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)過電感并轉(zhuǎn)化為磁能并存儲(chǔ)在電感中；mn關(guān)斷、mp導(dǎo)通時(shí)，電感通過mp放電，將存儲(chǔ)的能量通過電流傳遞給輸出電容，利用電容的整流特性和開關(guān)信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)直流電壓轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的boost轉(zhuǎn)換器在上電啟動(dòng)的過程中，誤差放大器處于非平衡狀態(tài)，開關(guān)信號(hào)的占空比為100％，mn恒定關(guān)斷、mp恒定導(dǎo)通，電流經(jīng)過儲(chǔ)能電感l(wèi)和mp直接給輸出電容充電，直至vout上升到所需大小。在這一啟動(dòng)過程中，流過電感的充電電流il與電感值l、輸入電壓vin、輸出電壓vout滿足以下等式：

啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓過低，則輸入輸出壓差較大，電感電流上升的斜率非常大，會(huì)使啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的浪涌電流，有可能損壞開關(guān)管mp、儲(chǔ)能電感l(wèi)或其他器件，導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作異常。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，boost轉(zhuǎn)換器通常直接連接到便攜式電子設(shè)備的電池，電池由于其內(nèi)阻、發(fā)熱等問題，瞬間的浪涌電流更會(huì)存在使電池有燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。因此，boost轉(zhuǎn)換器需要在啟動(dòng)時(shí)對(duì)充電電流進(jìn)行限制，以保護(hù)轉(zhuǎn)換器不會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鬟^大而損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述不足之處，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于升壓變換器的恒流啟動(dòng)電路，通過利用固定偏置電流和電流鏡，將上電啟動(dòng)時(shí)輸入電壓對(duì)輸出電容的充電電流大小固定在恒定值，達(dá)到避免浪涌電流，防止電路系統(tǒng)工作異常的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種應(yīng)用于升壓變換器的恒流啟動(dòng)電路，包括功率級(jí)、恒流啟動(dòng)模塊、偏置電路模塊和使能模塊，所述偏置電路模塊用于產(chǎn)生恒定的第一偏置電流和第二偏置電流，所述使能模塊用于產(chǎn)生使能信號(hào)en；

所述功率級(jí)包括nmos功率開關(guān)管mn、pmos功率開關(guān)管mp、儲(chǔ)能電感l(wèi)、輸出電容cout和負(fù)載電阻rout，pmos功率開關(guān)管mp的源極通過儲(chǔ)能電感l(wèi)后接輸入電壓vin，其漏極連接nmos功率開關(guān)管mn的漏極并通過的輸出電容cout和負(fù)載電阻rout并聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地；nmos功率開關(guān)管mn柵極接開關(guān)信號(hào)q，其源極接地，其漏極作為所述升壓變換器的輸出端；

所述恒流啟動(dòng)模塊包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3和第四pmos管mp4，

第一nmos管mn1和第三nmos管mn3的柵極連接所述第一偏置電流，第二nmos管mn2和第四nmos管mn4的柵極連接所述第二偏置電流，第一nmos管mn1的源極接第二nmos管mn2的漏極，第三nmos管mn3的源極接第四nmos管mn4的漏極，第二nmos管mn2和第四nmos管mn4的源極接地；

第一pmos管mp1的柵漏短接并連接第一nmos管mn1的漏極和第四pmos管mp4的柵極，第四pmos管mp4的源極接第三pmos管mp3的漏極，其漏極連接第三nmos管mn3漏極、第五nmos管mn5和所述功率級(jí)中pmos功率開關(guān)管mp的柵極，第五nmos管mn5和所述pmos功率開關(guān)管mp構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，其鏡像比為1：k1；第五nmos管mn5的漏極接第三pmos管mp3的源極，其源極接輸入電壓vin；第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的柵極接所述使能信號(hào)en的反向信號(hào)第二pmos管mp2的源極接所述pmos功率開關(guān)管mp的漏極，其漏極接第一pmos管mp1的源極。

具體的，所述第一nmos管mn1和第三nmos管mn3、第二nmos管mn2和第四nmos管mn4分別構(gòu)成兩對(duì)共源共柵有源電流鏡，其鏡像比都為1：1。

具體的，所述偏置電路模塊包括第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6和恒定電流源ibias，

第九nmos管mn9與所述恒流啟動(dòng)模塊中的第二nmos管mn2和第四nmos管mn4分別構(gòu)成兩對(duì)有源電流鏡，鏡像比都為1：k2；

第五pmos管mp5和第六pmos管mp6構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，鏡像比為1：k3；第五pmos管mp5的柵漏短接并連接第六pmos管mp6的柵極和第七nmos管mn7的漏極，第六pmos管mp6的漏極連接第八nmos管mn8的漏極和第九nmos管mn9的柵極并輸出第二偏置電壓，第五pmos管mp5和第六pmos管mp6的源極接電源電壓vcc；

第十nmos管的柵極連接使能信號(hào)en，其漏極連接恒定電流源ibias，其源極連接第六nmos管mn6、第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的柵極以及第六nmos管mn6的漏極并輸出第一偏置電壓，第八nmos管mn8的源極連接第九nmos管mn9的漏極；

第六nmos管mn6和第七nmosmn7管構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，鏡像比為1：k4，第六nmos管mn6、第七nmos管mn7和第九nmos管mn9的源極接地。

具體的，所述使能模塊包括比較器，所述比較器的同相輸入端接輸入電壓vin，其反相輸入端接所述nmos功率開關(guān)管mn的漏極，所述比較器反相輸入端和所述nmos功率開關(guān)管mn的漏極之間還設(shè)置有一個(gè)失調(diào)電壓offset，所述比較器的輸出端輸出使能信號(hào)en。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明在升壓變換器上電啟動(dòng)的時(shí)候，利用精準(zhǔn)匹配的電流鏡給功率級(jí)提供了一個(gè)恒定的充電電流，消除了升壓變換器電路啟動(dòng)階段的浪涌電流。

附圖說明

圖1為典型的boost轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明提出的升壓變換器恒流啟動(dòng)電路完整電路圖；

圖3為本發(fā)明正常工作時(shí)充電電流與輸出電壓的瞬態(tài)波形圖。

具體實(shí)施方式

為消除啟動(dòng)階段的浪涌電流，本發(fā)明采用將充電電流箝位為固定值的方法，在軟啟動(dòng)階段利用電流鏡和恒定偏置電流將充電電流限制為固定值，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)階段的恒流充電。下面結(jié)合圖示對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式與原理做進(jìn)一步闡述。

如圖2所示為本發(fā)明提出的升壓變換器恒流啟動(dòng)電路的一種電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，包括功率級(jí)、恒流啟動(dòng)模塊、偏置電路模塊和使能模塊，偏置電路模塊產(chǎn)生恒定的第一偏置電流和第二偏置電流，為恒流啟動(dòng)模塊提供精準(zhǔn)的恒定電流，使能模塊產(chǎn)生使能信號(hào)en；功率級(jí)包括nmos功率開關(guān)管mn、pmos功率開關(guān)管mp、儲(chǔ)能電感l(wèi)、輸出電容cout和負(fù)載電阻rout，pmos功率開關(guān)管mp的源極通過儲(chǔ)能電感l(wèi)后接輸入電壓vin，其漏極連接nmos功率開關(guān)管mn的漏極并通過的輸出電容cout和負(fù)載電阻rout并聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地；nmos功率開關(guān)管mn柵極接開關(guān)信號(hào)q，其源極接地，其漏極作為升壓變換器的輸出端；恒流啟動(dòng)模塊包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3和第四pmos管mp4，第一nmos管mn1和第三nmos管mn3、第二nmos管mn2和第四nmos管mn4分別構(gòu)成一對(duì)共源共柵有源電流鏡，本實(shí)施例中其鏡像比都為1：1，使兩股通路電流相等，保證第五nmos管mn5的漏極電壓vx對(duì)輸出電壓vout箝位相等；第一nmos管mn1和第三nmos管mn3的柵極連接第一偏置電流，第二nmos管mn2和第四nmos管mn4的柵極連接第二偏置電流，第一nmos管mn1的源極接第二nmos管mn2的漏極，第三nmos管mn3的源極接第四nmos管mn4的漏極，第二nmos管mn2和第四nmos管mn4的源極接地；第一pmos管mp1采用二極管接法，使得正常工作時(shí)，第一pmos管mp1與第三pmos管mp3的源端電位鉗位相等，第一pmos管mp1的柵漏短接并連接第一nmos管mn1的漏極和第四pmos管mp4的柵極，第四pmos管mp4的源極接第三pmos管mp3的漏極，其漏極連接第三nmos管mn3漏極、第五nmos管mn5和功率級(jí)中pmos功率開關(guān)管mp的柵極，第五nmos管mn5和pmos功率開關(guān)管mp構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，其鏡像比為1：k1，用于在上電啟動(dòng)時(shí)將偏置電流鏡像到功率級(jí)；第五nmos管mn5的漏極接第三pmos管mp3的源極，其源極接輸入電壓vin；第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的柵極接使能信號(hào)的反向信號(hào)使能信號(hào)en為高時(shí)，第二pmos管mp2和第三pmos管mp3導(dǎo)通且導(dǎo)通阻抗可忽略，使能信號(hào)en為低時(shí)恒流啟動(dòng)模塊關(guān)閉；第二pmos管mp2的源極接pmos功率開關(guān)管mp的漏極，其漏極接第一pmos管mp1的源極，恒定啟動(dòng)模塊在電路上電啟動(dòng)時(shí)將偏置電流鏡像到功率級(jí)，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)電流恒定。

本實(shí)施例中偏置電路模塊包括第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6和恒定電流源ibias，第九nmos管mn9與恒流啟動(dòng)模塊中的第二nmos管mn2和第四nmos管mn4分別構(gòu)成兩對(duì)有源電流鏡，鏡像比都為1：k2，其作用是將偏置電流鏡像到恒流啟動(dòng)模塊；第五pmos管mp5和第六pmos管mp6構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，鏡像比為1：k3；第五pmos管mp5的柵漏短接并連接第六pmos管mp6的柵極和第七nmos管mn7的漏極，第六pmos管mp6的漏極連接第八nmos管mn8的漏極和第九nmos管mn9的柵極并輸出第二偏置電壓，第八nmos管mn8和第九nmos管mn9構(gòu)成共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)；第五pmos管mp5和第六pmos管mp6的源極接電源電壓vcc；第十nmos管的柵極連接使能信號(hào)en，其漏極連接恒定電流源ibias，為整個(gè)電路提供恒定偏置電流，第十nmos管的源極連接第六nmos管mn6、第七nmos管mn7和第八nmos管mn8的柵極以及第六nmos管mn6的漏極并輸出第一偏置電壓，第十nmos管mn10起使能開關(guān)的作用，m16漏極接電流源；第六nmos管mn6和第七nmosmn7管構(gòu)成一對(duì)有源電流鏡，鏡像比為1：k4，第六nmos管mn6、第七nmos管mn7和第九nmos管mn9的源極接地。

第六nmos管mn6為柵漏短接的二極管接法，為第八nmos管mn8、第一nmos管mn1和第三nmos管mn3提供直流偏置點(diǎn)。

本實(shí)施例中使能模塊包括比較器，比較器的同相輸入端接輸入電壓vin，其反相輸入端接nmos功率開關(guān)管mn的漏極，比較器反相輸入端和nmos功率開關(guān)管mn的漏極之間還設(shè)置有一個(gè)失調(diào)電壓offset，用于調(diào)控比較器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)；比較器的輸出端輸出使能信號(hào)en，用于判斷電路是否處于啟動(dòng)階段。當(dāng)vout小于于vin-voffset時(shí)，判斷為電路正在啟動(dòng)，使能信號(hào)en為高電平，恒流啟動(dòng)電路正常工作；當(dāng)vout上升到vin-voffset時(shí)，判斷為電路已經(jīng)啟動(dòng)完成，使能信號(hào)en為低電平，恒流啟動(dòng)電路關(guān)閉。

本實(shí)施例的工作原理為：圖2中i2、i3為恒流啟動(dòng)模塊支路電流，i1為軟啟動(dòng)階段充電電流，用來對(duì)輸出電容cout充電，將輸出電壓vout從0抬升到正常值。電路上電啟動(dòng)階段，pmos功率開關(guān)管mp導(dǎo)通，nmos功率開關(guān)管mn關(guān)斷，輸入電壓vin經(jīng)過i1直接對(duì)輸出電容cout充電。

當(dāng)電路上電啟動(dòng)，使能信號(hào)en跳高，則第二pmos管mp2管導(dǎo)通，其導(dǎo)通阻抗可忽略。輸出電壓vout從0開始上升，在啟動(dòng)剛開始時(shí)輸出電壓vout為0，在輸出電壓vout小于vin-voffset期間，恒流啟動(dòng)電路使能有效。此時(shí)i3＝0，第一nmos管mn1和第二nmos管mn2均工作在線性區(qū)，第一pmos管mp1工作在截止區(qū)或亞閾區(qū)；第一pmos管mp1與第四pmos管mp4構(gòu)成的電流鏡不起作用，第五nmos管的漏極電壓vx與輸出電壓vout無法鉗位相等。功率級(jí)中將產(chǎn)生一個(gè)比預(yù)期值稍微偏大的電流對(duì)輸出電容cout進(jìn)行充電，直至輸出電壓vout上升至能夠使第一nmos管mn1和第二nmos管mn2都工作在飽和區(qū)，這一階段為預(yù)啟動(dòng)階段。該切換可以表示為：

vout＝vsgp1+vovn1+vovn2

其中vsgp1表示第一pmos管mp1的柵源電壓，vovn1、vovn2表示第一nmos管mn1和第二nmos管mn2的過驅(qū)電壓，本實(shí)施例中vout約為1.2v，此時(shí)第一nmos管mn1、第二nmos管mn2和第一pmos管mp1等均工作在飽和區(qū)，電路進(jìn)入恒流啟動(dòng)階段，此時(shí)電感電流由第五nmos管mn5的電流鏡像，為恒定電流，電感兩端的電壓差為零。

在恒流啟動(dòng)階段，由mos管飽和區(qū)電流公式可以得到i1：

其中βp代表漏極電流表達(dá)式的系數(shù)，vgsp為柵源電壓，vthp為閾值電壓，λ為溝道調(diào)制系數(shù)，w/l為寬長(zhǎng)比，μp為空穴遷移率，cox為柵氧電容單位容值。同理可得i2：

由于pmos功率開關(guān)管mp和第五nmos管mn5柵極、源極電位相同，因此vgsp＝vgsn5，且有vthn5＝vthp，因此將i1與i2相除可得：

在非理想mos管中存在有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，λ即為長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)因子。為了實(shí)現(xiàn)i1與i2的匹配，需要將上述等式中的(1+λvds)項(xiàng)消除，因此引入了第二pmos管mp2、第一pmos管mp1、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2所構(gòu)成的電壓箝位結(jié)構(gòu)，該通路的電流為i3。i2與i3的大小關(guān)系由第一nmos管mn1和第三nmso管mn3、第二nmos管mn2和第四nmos管mn4構(gòu)成的電流鏡所決定，電流鏡鏡像比為1:1，因此i2＝i3。由mos管電流公式變形可以得到：

由于第一pmso管mp1、第四pmos管mp4尺寸參數(shù)匹配，且i2＝i3，因此vsgp1＝vsgp4。同時(shí)，由于第一pmso管mp1和第四pmos管mp4尺寸參數(shù)匹配，且柵極電壓相同；第二pmos管mp2與第三pmos管mp3的導(dǎo)通阻抗均可忽略，可以得到：

vx＝vout-vsgp1+vsgp4＝vout

因此有：

vdsn5＝vdsp

可得：

即：

i1＝k1·i2

由于i2為來自恒定偏置電流的鏡像電流，其大小恒定，因此上電啟動(dòng)時(shí)i1的大小也是恒定的，實(shí)現(xiàn)了恒流啟動(dòng)，此時(shí)輸出電壓vout繼續(xù)抬升，當(dāng)vout上升到超過vin-voffset，即接近輸入電壓vin時(shí)，比較器判定軟啟動(dòng)結(jié)束，輸出使能信號(hào)翻轉(zhuǎn)為低以關(guān)閉啟動(dòng)電路模塊，boost轉(zhuǎn)換器進(jìn)入環(huán)路控制的工作狀態(tài)。

綜上所述，boost轉(zhuǎn)換器上電啟動(dòng)的時(shí)候，本發(fā)明利用精準(zhǔn)匹配的電流鏡給功率級(jí)提供了一個(gè)恒定的充電電流，消除了boost轉(zhuǎn)換器電路啟動(dòng)階段的浪涌電流。

圖3為本發(fā)明的瞬態(tài)仿真結(jié)果圖示，啟動(dòng)時(shí)電感電流il即為充電電流，如圖所示在預(yù)啟動(dòng)階段il較大，vout隨電流充電而上升，當(dāng)vout上升到(|vgs|+2vov)時(shí)，恒流啟動(dòng)模塊正常工作，il大小恒定。當(dāng)vout上升到(vin-voffset)時(shí)，啟動(dòng)結(jié)束，恒流啟動(dòng)模塊關(guān)閉，轉(zhuǎn)換器工作由環(huán)路控制。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。