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

背景技術(shù)：

近年來(lái)隨著便攜式電子產(chǎn)品在通信、計(jì)算機(jī)及消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域中不斷增長(zhǎng)，對(duì)電源管理芯片的需求也呈上升趨勢(shì)，DC-DC開(kāi)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(kāi)關(guān)電源一種重要的拓?fù)?，隨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(kāi)關(guān)電源芯片中。PWM開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成占空比控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)而工作，在啟動(dòng)階段，誤差放大器處于非平衡狀態(tài)，使得環(huán)路長(zhǎng)時(shí)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(guò)沖，同時(shí)涌浪電流也可能損壞開(kāi)關(guān)管等器件。為此軟啟動(dòng)電路應(yīng)運(yùn)而生，其設(shè)計(jì)思想是通過(guò)限制啟動(dòng)時(shí)的占空比，從而抑制涌浪電流。傳統(tǒng)數(shù)字軟啟動(dòng)電路通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)按固定速率緩慢上升的基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到限制啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)關(guān)導(dǎo)通占空比的目的；然而對(duì)于boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源，由于其輸入與輸出未隔離，因此在芯片上電后，開(kāi)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(dòng)基準(zhǔn)電壓開(kāi)始從零伏緩慢上升，此時(shí)由于輸出電壓的采樣值高于軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)處于無(wú)效的啟動(dòng)狀態(tài)，一直到軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓上升到高于輸出電壓的采樣值后，開(kāi)關(guān)電源才開(kāi)始啟動(dòng)升壓；因此，傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路輸出按固定速率上升的軟啟動(dòng)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(wú)效啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種應(yīng)用于boost拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動(dòng)電路，該電路利用過(guò)零檢測(cè)控制信號(hào)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓上升的速率，在無(wú)效啟動(dòng)階段控制軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓以較快的速度上升，從而極大縮短無(wú)效啟動(dòng)時(shí)間，在開(kāi)關(guān)電源有效啟動(dòng)時(shí)，控制軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓恢復(fù)緩慢的上升速度，從而起到抑制開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)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_(kāi)關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動(dòng)電路，包括時(shí)鐘模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)器模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其中：

時(shí)鐘模塊產(chǎn)生快時(shí)鐘信號(hào)、慢時(shí)鐘信號(hào)兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分別輸入計(jì)數(shù)器模塊；

過(guò)零檢測(cè)模塊根據(jù)儲(chǔ)能電感電流的大小，產(chǎn)生控制信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器模塊；

計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)控制信號(hào)選擇快時(shí)鐘信號(hào)或慢時(shí)鐘信號(hào)作為計(jì)數(shù)時(shí)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(hào)，輸出按臺(tái)階依次上升的軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓。

進(jìn)一步的，所述過(guò)零檢測(cè)模塊首先檢測(cè)儲(chǔ)能電感的電流大小，當(dāng)電流小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制信號(hào)置為高電平；否則控制信號(hào)置為低電平，從而得到控制信號(hào)。

特別說(shuō)明的是：本發(fā)明提供應(yīng)用于boost拓?fù)溟_(kāi)關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動(dòng)電路中，時(shí)鐘模塊通過(guò)D觸發(fā)器構(gòu)成分頻電路，該分頻電路對(duì)輸入的時(shí)鐘信號(hào)CLK進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)生具有較長(zhǎng)時(shí)鐘周期的慢時(shí)鐘信號(hào)CLK_SLOW，同時(shí)也輸出未分頻的短周期時(shí)鐘信號(hào)CLK_FAS T；start_end為軟啟動(dòng)結(jié)束控制信號(hào)，其作用是在軟啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，阻斷時(shí)鐘信號(hào)輸入分頻電路，從而降低啟動(dòng)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(guò)零檢測(cè)模塊是同步整流型boost開(kāi)關(guān)電源必要的模塊，其作用在于檢測(cè)儲(chǔ)能電感的電流大小，當(dāng)電感電流低于閾值時(shí)，其將輸出信號(hào)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(hào)被用于調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓的上升速度，實(shí)現(xiàn)在不同的啟動(dòng)狀態(tài)下，軟啟動(dòng)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(mén)和或非門(mén)構(gòu)成，其根據(jù)UCP信號(hào)選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計(jì)數(shù)時(shí)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(dòng)結(jié)束控制信號(hào)start_end，利用該信號(hào)能實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟啟動(dòng)電路在啟動(dòng)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(kāi)關(guān)切換時(shí)，輸出的電壓尖峰較小，差分對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)碼切換時(shí)的平穩(wěn)過(guò)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(tái)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(dòng)基準(zhǔn)電壓輸出；當(dāng)軟啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，start_end信號(hào)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(dòng)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(guò)零檢測(cè)控制信號(hào)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓上升的速率，極大縮短了boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源的無(wú)效軟啟動(dòng)時(shí)間，在滿(mǎn)足消除電源啟動(dòng)涌浪電流的前提下，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的快速啟動(dòng)。

附圖說(shuō)明

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

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中時(shí)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(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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_(kāi)關(guān)電源的自適應(yīng)軟啟動(dòng)電路，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該軟啟動(dòng)電路由時(shí)鐘模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊組成；時(shí)鐘模塊利用輸入的基礎(chǔ)時(shí)鐘CLK，產(chǎn)生高頻時(shí)鐘CLK_FAST(快時(shí)鐘)和低頻時(shí)鐘CLK_SLOW(慢時(shí)鐘)輸入計(jì)數(shù)器模塊；過(guò)零檢測(cè)模塊根據(jù)儲(chǔ)能電感電流的大小，產(chǎn)生控制信號(hào)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(shí)、UCP輸出為“1，”當(dāng)電感電流高于等于預(yù)設(shè)閾值I₁時(shí)、UCP輸出為“0；”計(jì)數(shù)器模塊根據(jù)UCP信號(hào)選擇CLK_FAST或CLK_SLOW作為計(jì)數(shù)時(shí)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(hào)，經(jīng)濾波后輸出按臺(tái)階依次上升的軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓VSOFT。由于UCP信號(hào)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(hào)的控制下自適應(yīng)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓按臺(tái)階上升的速度。

時(shí)鐘模塊如圖2所示，時(shí)鐘信號(hào)CLK與啟動(dòng)結(jié)束控制信號(hào)start_end接入或非門(mén)，或非門(mén)的輸出一方面作為高頻時(shí)鐘CLK_FAST輸出，另外也接入分頻電路；分頻電路由8個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，每級(jí)D觸發(fā)器的D輸入端接反相輸出端每級(jí)D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端接前一級(jí)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(duì)所有D觸發(fā)器進(jìn)行置位，一段時(shí)間后，使能端EN變?yōu)椤?，”時(shí)鐘電路開(kāi)始正常工作；在軟啟動(dòng)過(guò)程中，start_end為“0，”此時(shí)時(shí)鐘CLK能有效輸入，基礎(chǔ)時(shí)鐘CLK周期為T(mén)₁，高頻時(shí)鐘CLK_FAST的周期同樣為T(mén)₁，基礎(chǔ)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)8次分頻后，產(chǎn)生周期為2⁸的低頻時(shí)鐘CLK_SLOW；軟啟動(dòng)結(jié)束后，start_end變?yōu)椤?，”此時(shí)由于或非門(mén)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(shí)鐘模塊輸出的高頻時(shí)鐘CLK_FAST和低頻時(shí)鐘CLK_SLOW經(jīng)過(guò)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(guò)零檢測(cè)模塊輸出的UCP信號(hào)。當(dāng)UCP為“1”(高電平)時(shí)，選擇高頻時(shí)鐘CLK_FAST輸入；當(dāng)UCP為“0”(低電平)時(shí)，選擇低頻時(shí)鐘CLK_SLOW輸入；數(shù)據(jù)選擇器的輸出接5級(jí)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(jí)D觸發(fā)器的D輸入端接反相輸出端每級(jí)D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端接前一級(jí)的正相輸出端Q；每級(jí)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(mén)，或非門(mén)則輸出二進(jìn)制計(jì)數(shù)信號(hào)，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(guò)圖中所示邏輯，將start_end置為“1，”該信號(hào)輸入或非門(mén)，使計(jì)數(shù)器輸出被鎖定在“00000，”結(jié)束計(jì)數(shù)過(guò)程；同時(shí)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(guò)負(fù)反饋，運(yùn)放反相輸入端鉗位到VREF，因此流過(guò)電阻R₁的電流為VREF/R₁，該電流流過(guò)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(guò)對(duì)稱(chēng)的互補(bǔ)開(kāi)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(guò)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(shí)，正相輸出電壓為VREF，則R₁/R₄＝31/8；互補(bǔ)開(kāi)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(hào)控制，當(dāng)計(jì)數(shù)模塊輸出“11111”時(shí)，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(shí)OUTP輸出電壓變?yōu)閂REF；采用差分對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)能有效降低開(kāi)關(guān)切換時(shí)輸出的尖峰毛刺，OUTP輸出的電壓經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)后經(jīng)過(guò)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(tái)階上升的電壓VSOFT，該電壓即作為電源軟啟動(dòng)過(guò)程中的基準(zhǔn)電壓；控制信號(hào)start_end通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇輸出到VSOFT的電壓，在軟啟動(dòng)階段，start_end為“0，”此時(shí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的正相輸出端OUTP電壓被輸出；軟啟動(dòng)結(jié)束后，start_end變?yōu)椤?，”此時(shí)基準(zhǔn)電壓VREF被直接輸出，作為開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作后的參考電壓；同時(shí)當(dāng)start_end變?yōu)椤?”后，經(jīng)過(guò)反相器和與非門(mén)，電流鏡的柵極被拉到VDD，電流鏡被關(guān)斷，同時(shí)運(yùn)算放大器也被關(guān)斷，其輸出為零伏，此時(shí)整個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊功耗接近為零。

本發(fā)明的工作過(guò)程為：當(dāng)boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源上電后，此時(shí)芯片內(nèi)電路尚未開(kāi)始工作，由于電源輸入電壓高于輸出電壓，因此對(duì)于boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其輸入到輸出間的二極管(對(duì)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(huì)以很大的瞬時(shí)電流對(duì)輸出濾波電容充電，當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓后，儲(chǔ)能電感的電流開(kāi)始減小，一直到電感電流下降到零。此時(shí)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(guò)負(fù)載放電而緩慢下降。當(dāng)芯片內(nèi)電路使能有效，開(kāi)始工作時(shí)，軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓開(kāi)始從0V按臺(tái)階上升，此時(shí)由于輸出電壓的采樣值高于軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓，因此誤差放大器輸出最小值，PWM信號(hào)保持零占空比，因此這段時(shí)間實(shí)際上沒(méi)有進(jìn)行升壓?jiǎn)?dòng)，稱(chēng)之為無(wú)效啟動(dòng)階段；一直到軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓高于輸出電壓的采樣值，PWM信號(hào)占空比不再為零，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始升壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程，后一階段稱(chēng)之為有效啟動(dòng)階段。對(duì)于傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路，由于軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓按固定速率上升，而為了達(dá)到抑制啟動(dòng)涌浪電流的目的，其上升速度非常緩慢，這也造成過(guò)長(zhǎng)的無(wú)效啟動(dòng)階段時(shí)間被浪費(fèi)掉。采用本發(fā)明自適應(yīng)軟啟動(dòng)電路，由于無(wú)效啟動(dòng)階段，儲(chǔ)能電感電流維持在零，過(guò)零檢測(cè)電路輸出UCP為高電平，計(jì)數(shù)模塊以高頻時(shí)鐘CLK_FAST進(jìn)行計(jì)數(shù)，軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓的每個(gè)臺(tái)階保持時(shí)間為T(mén)₁；在實(shí)施例中，這比只用固定時(shí)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(wú)效啟動(dòng)時(shí)間縮短到原來(lái)的1/256。當(dāng)進(jìn)入有效啟動(dòng)階段后，電感電流增大，過(guò)零檢測(cè)電路輸出UCP變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)模塊以低頻時(shí)鐘CLK_SLOW進(jìn)行計(jì)數(shù)，軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓恢復(fù)緩慢的上升速度，從而達(dá)到抑制啟動(dòng)過(guò)程涌浪電流的目的。本發(fā)明軟啟動(dòng)電路能根據(jù)開(kāi)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(dòng)的時(shí)間：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載較輕時(shí)，由于輸出電容通過(guò)負(fù)載放電緩慢，因此輸出電壓長(zhǎng)時(shí)間保持在較高值，則軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓快速上升的時(shí)間維持較長(zhǎng)，有效啟動(dòng)時(shí)間被最大程度縮短；當(dāng)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載較重時(shí)，輸出電容通過(guò)負(fù)載快速放電而迅速下降，則軟啟動(dòng)基準(zhǔn)電壓快速上升的時(shí)間維持較短，有效啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。

在boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源中，應(yīng)用本發(fā)明軟啟動(dòng)電路，能大幅縮短其無(wú)效啟動(dòng)時(shí)間，在滿(mǎn)足抑制開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)涌浪電流的前提下，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的快速啟動(dòng)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)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。