管要賓

(西安電子科技大學(xué)電路CAD研究所，陜西西安 710071)

隨著手持式設(shè)備與便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對(duì)電源管理IC的需求不斷上升。DC－DC開(kāi)關(guān)電源因轉(zhuǎn)換效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小、輸出負(fù)載范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源是將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)［1］。傳統(tǒng)DC－DC開(kāi)關(guān)電源在上電過(guò)程中由于啟動(dòng)前負(fù)載電容上沒(méi)有電荷，輸出電壓為0 V，電路瞬間開(kāi)啟后，輸出電壓反饋到誤差放大器的比較電壓為一個(gè)較小的值，此時(shí)誤差放大器處于非平衡狀態(tài)，功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM輸出占空比達(dá)到最大值。功率管開(kāi)啟后，對(duì)電容充電產(chǎn)生一個(gè)較大的浪涌電流。通過(guò)功率管的電流很大，容易損毀電路系統(tǒng)。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，便攜式電子產(chǎn)品的電源大都是電池，電池由于內(nèi)阻、發(fā)熱等問(wèn)題，瞬間流過(guò)大電流會(huì)有被燒毀的危險(xiǎn)。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PWM輸出的占空比，緩慢提高輸出電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM占空比從最小值開(kāi)始逐漸變化，不會(huì)使功率管在較長(zhǎng)時(shí)間一直導(dǎo)通，從而避免了浪涌電流與過(guò)沖電壓［2］。

1 傳統(tǒng)DC－DC轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)電路是DC－DC轉(zhuǎn)換器必不可少的模塊。DC－DC轉(zhuǎn)換器在上電啟動(dòng)過(guò)程中電感電流和輸出電壓迅速上升，由于控制環(huán)路延遲和電路傳輸延遲，在輸出電壓上升到預(yù)定電壓后電感電流還會(huì)繼續(xù)上升，導(dǎo)致電感電流和輸出電壓過(guò)沖，電感電流和輸出電壓的過(guò)沖會(huì)對(duì)前級(jí)供電電源造成壓力，甚至造成電感、功率開(kāi)關(guān)和負(fù)載的損壞，升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器相比降壓型DC－DC更容易在啟動(dòng)階段出現(xiàn)過(guò)沖，主要是因?yàn)樯龎盒虳C－DC轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)階段輸入電壓高于輸出電壓，即使功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電感電流依然在上升，因此電感電流不受功率管開(kāi)關(guān)的限制而一直上升。而同步升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器則更容易出現(xiàn)過(guò)沖，原因在于同步升壓轉(zhuǎn)換器同步管上的壓降遠(yuǎn)小于非同步升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器續(xù)流二極管上的壓降，電感電流上升的斜率更快，更加難以控制，尤其在高壓空載下啟動(dòng)的情況，必須由軟啟動(dòng)電路來(lái)抑制啟動(dòng)過(guò)程電感電流和輸出電壓的過(guò)沖，使芯片安全啟動(dòng)。

傳統(tǒng)的方法可以解決一部分問(wèn)題，文獻(xiàn)［3］給出的方法中，在啟動(dòng)階段，直接將PMOS同步管的柵極直接短接到地，該方法可使電感電流隨著輸出電壓的不斷升高而逐漸降低電感電流上升的斜率，因此可以減小電感電流的過(guò)沖量。但這種啟動(dòng)方法只適合低輸入電壓芯片，而不適合輸入電壓范圍較廣的芯片，因?yàn)殡S著輸入電壓接近輸出電壓，即便是不進(jìn)行開(kāi)關(guān)，電感電流的過(guò)沖也會(huì)達(dá)到較大的值。文獻(xiàn)［4］中給出的方法通過(guò)在啟動(dòng)過(guò)程中逐步增加功率管的尺寸來(lái)逐步提高流過(guò)功率管的電流，這種方法可使電感電流逐漸上升，但功率管的尺寸控制邏輯比較復(fù)雜，將會(huì)限制電路的應(yīng)用。文獻(xiàn)［5］中給出了一種有效控制啟動(dòng)階段電流的方法，其通過(guò)一個(gè)恒定電流的預(yù)充電電路將輸出電壓抬升至輸入電壓，然后再進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，具體電路如圖1所示。

圖1 文獻(xiàn)中提出的預(yù)充電啟動(dòng)電路

該電路利用M3管給同步管MP鏡像電流，從而MP中的電流為M3管中電流的倍數(shù)，為保證鏡像的準(zhǔn)確，M5、M6和M3及MP構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，保證M5和M6源極電壓相同。M3中的電流由R2和Q1的基極電壓決定，但溫度較高時(shí)，該電路可自動(dòng)調(diào)節(jié)M3管中的電流，達(dá)到降低芯片溫度的目的。但這種預(yù)充電啟動(dòng)電路的缺點(diǎn)是啟動(dòng)階段不能帶重載，否則電路難以啟動(dòng)，會(huì)一直處于預(yù)充電啟動(dòng)階段，無(wú)法正常工作。動(dòng)過(guò)程分為 Vout＜Vin之前的預(yù)充電階段和Vout＞Vin之后的閉環(huán)開(kāi)關(guān)軟啟動(dòng)階段。

(1)Vout＜Vin之前的預(yù)充電階段。預(yù)充電階段充電電流控制電路如圖2所示。電路中集成了PMOS管襯底切換電路，保證同步管PMOS襯底電位始終接到系統(tǒng)最高電位上。而切換開(kāi)關(guān)的襯底采用圖中所示的接法，防止體二極管正向?qū)ǘ斐呻娏鞯构嗟默F(xiàn)象。同步管PMOS和MS構(gòu)成鏡像結(jié)構(gòu)，鏡像比例為1∶N，流過(guò)同步管PMOS的預(yù)充電電流由鏡像管MS確定，而運(yùn)放可保證電阻Rset上的壓降等于基準(zhǔn)電壓Vref，因此流過(guò)鏡像管MS的電流可以通過(guò)基準(zhǔn)電壓和電阻設(shè)定，則流過(guò)同步管PMOS的電流可表示為

若芯片使能，輸入電壓Vin上電，基準(zhǔn)電路首先開(kāi)始工作，基準(zhǔn)電壓建立好后欠壓保護(hù)電路開(kāi)始工作，檢測(cè)輸入電壓，若輸入電壓低于2.4 V，芯片處于欠壓保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)V1=0，V2=Vin，開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通。因此，同步PMOS管襯底電位和柵極電位均接到Vin，輸出和輸入之間是斷開(kāi)的，沒(méi)有電流能從輸入流向負(fù)載和輸出電容。只有當(dāng)輸入電壓＞2.4 V時(shí)，芯片才開(kāi)始進(jìn)入預(yù)充電啟動(dòng)階段。

為使芯片在重載條件下也能夠啟動(dòng)，同時(shí)保證系統(tǒng)在輕載條件下沒(méi)有過(guò)沖，該軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)了逐步抬升的預(yù)充電電流電路。在預(yù)充電階段，開(kāi)關(guān)S0～S5依次打開(kāi)，連接到運(yùn)放負(fù)相端的基準(zhǔn)電壓逐步抬升，使流過(guò)同步管PMOS的電流逐漸從200 mA升到2.5 A，只需每一步時(shí)間設(shè)置的合理，則可避免輕載啟動(dòng)時(shí)預(yù)充電階段結(jié)束后電流過(guò)大和重載啟動(dòng)時(shí)一直停留在預(yù)充電階段而無(wú)法啟動(dòng)，使Vout在全負(fù)載范圍可順利上升到Vin而不出現(xiàn)過(guò)沖。

2 本文DC－DC轉(zhuǎn)換器軟啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)同步升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)階段容易過(guò)沖及傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方式大電壓?jiǎn)?dòng)難于控制、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜和無(wú)法帶重載啟動(dòng)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新穎的軟啟動(dòng)電路，該軟啟動(dòng)電路可以有效抑制同步升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器在上電啟動(dòng)階段的電感電流和輸出電壓的過(guò)沖，并且軟啟動(dòng)電路可以確保芯片在0～2.1 A的負(fù)載范圍內(nèi)帶載無(wú)過(guò)沖安全啟動(dòng)。電路的整個(gè)軟啟

圖2 預(yù)充電階段啟動(dòng)電路

空載啟動(dòng)時(shí)最易出現(xiàn)過(guò)沖，所以控制空載啟動(dòng)預(yù)充電階段結(jié)束時(shí)，預(yù)充電電流還停留在第一步的小電流。典型應(yīng)用時(shí) Cout=22 μF，若 Vin=4.2 V，Iload=0 A，Ipre0=200 mA。由于在此階段Vout上升到接近Vin時(shí)就結(jié)束了，因此可根據(jù)式(2)估算出預(yù)充電啟動(dòng)階段不同預(yù)充電電流應(yīng)該持續(xù)的時(shí)間

將以上參數(shù)代入式(2)可得t0=462 μs，為留有一定的余量，把第一步預(yù)充電電流200 mA持續(xù)的時(shí)間設(shè)置為512 μs。而重載2.1 A啟動(dòng)時(shí)，前面五步由于預(yù)充電電流小于負(fù)載電流，Vout不會(huì)上升，只能依靠最后一步2.5 A的電流將Vout抬升到Vin。由式(2)可得，需要持續(xù)的時(shí)間t5=231 μs，因此設(shè)置后5步預(yù)充電電流持續(xù)的時(shí)間為256 μs。由以上分析可知，Vin=4.2 V，Iload=0 A啟動(dòng)時(shí)，預(yù)充電時(shí)間為512 μs;Vin=4.2 V，Iload=2.1 A啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)預(yù)充電時(shí)間為1 792 μs，可見(jiàn)系統(tǒng)預(yù)充電持續(xù)時(shí)間隨所加負(fù)載的增大而延長(zhǎng)，預(yù)充電電流隨負(fù)載的增大而增大。

(2)Vout＞Vin之后的閉環(huán)開(kāi)關(guān)軟啟動(dòng)階段。當(dāng)Vout＞Vin時(shí)，預(yù)充電啟動(dòng)階段結(jié)束，這時(shí) V1=Vout，V2=0，同步管PMOS的襯底切換到Vout，功率管的驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)始正常工作，環(huán)路開(kāi)始逐漸建立，此階段利用誤差放大器的軟啟動(dòng)端SS引導(dǎo)Vout逐漸上升到需要的穩(wěn)定輸出電壓值，同時(shí)限流比較器的限流值也逐漸抬升，使電感電流緩慢抬升。若誤差放大器的SS端從零開(kāi)始上升，其比此時(shí)的FB端電壓低，因此Vout會(huì)下降，為使Vout從預(yù)充電階段的值開(kāi)始上升，設(shè)計(jì)如圖3所示的電路，用軟啟動(dòng)電容Css首先跟蹤FB的電壓，這樣第二階段SS端的電壓是從第一階段結(jié)束時(shí)FB的值繼續(xù)上升而不是從零開(kāi)始，本文誤差放大器軟啟動(dòng)端SS的電壓是采用線性上升的方式，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效。而限流比較器的限流值應(yīng)該與預(yù)充電階段結(jié)束時(shí)的預(yù)充電電流相對(duì)應(yīng)，因此限流值設(shè)置為從200 mA～5 A階梯抬升，而每一步的時(shí)間與預(yù)充電階段的預(yù)充電電流持續(xù)的時(shí)間一致，保證芯片既不產(chǎn)生電流過(guò)沖，同時(shí)又不會(huì)因峰值限流過(guò)小而導(dǎo)致輸出電壓下降。此階段短路保護(hù)(SCP)和過(guò)溫保護(hù)(OTP)電路也開(kāi)始工作，若芯片發(fā)生短路或者過(guò)溫，則芯片恢復(fù)到預(yù)充電階段，并將預(yù)充電電流固定在第一步的小電流，直到保護(hù)解除，芯片再開(kāi)始重新啟動(dòng)。

至此，同步升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的整個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，該軟啟動(dòng)電路可確保芯片在0～2.1 A的負(fù)載范圍內(nèi)無(wú)過(guò)沖平滑啟動(dòng)。

圖3 閉環(huán)開(kāi)關(guān)軟啟動(dòng)階段電路

3 仿真驗(yàn)證

3.1 輕載啟動(dòng)仿真波形

仿真條件:Vin=3.6 V，負(fù)載電流I0=0 A，輸出設(shè)定5 V，圖4為輕載時(shí)的軟啟動(dòng)仿真波形。

圖4 輕載情況下的啟動(dòng)仿真波形

如圖4所示，輕載條件下，啟動(dòng)預(yù)充電時(shí)間較短，輸出電壓上升較快，同時(shí)當(dāng)輸出電壓接近輸入電壓時(shí)，芯片開(kāi)始開(kāi)關(guān)操作，但因負(fù)載較小，因此開(kāi)關(guān)時(shí)間較短，輸出電壓較快達(dá)到了設(shè)定的輸出值。

3.2 重載啟動(dòng)仿真波形

仿真條件:Vin=3.6 V，負(fù)載電流Io=2.1 A，輸出設(shè)定5 V，圖5為重載載時(shí)的軟啟動(dòng)仿真波形。

圖5 重載2.1 A情況下的啟動(dòng)仿真波形

從圖中可看出，重載條件下，啟動(dòng)預(yù)充電時(shí)間較長(zhǎng)，且預(yù)充電電流階梯上升，使得輸出電壓上升緩慢，而當(dāng)芯片開(kāi)始開(kāi)關(guān)后輸出電壓逐漸達(dá)到設(shè)定的5 V電壓，啟動(dòng)過(guò)程中電感電流和輸出電壓波形平緩。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的軟啟動(dòng)電路，其主要用于峰值電流控制模式的升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器，能節(jié)省芯片和電路板面積，有效降低產(chǎn)品成本。采用限流與反饋調(diào)整的軟啟動(dòng)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)電路的缺點(diǎn)，有效限制了浪涌電流，實(shí)現(xiàn)了快速、平穩(wěn)的軟啟動(dòng)。仿真驗(yàn)證表明，該軟啟動(dòng)電路效果良好。

［1］ 李演明，來(lái)新泉，賈新章，等．一種DC－DC開(kāi)關(guān)電源的新穎軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］．電子器件，2008，32(2):31 －36．

［2］ Lai X Q，Guo J P，Yu W X，et al．A novel digital softstart circuit for DC －DC switching regulator［C］．Shanghai China:6th International Conference ASIC，2005:554 －558．

［3］ 方佩敏．負(fù)載管理與負(fù)載開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．世界電子元器件，2008(3):73－77．

［4］ Tsz Yin Man，Philip K T Moke，Mansun J Chan．A 0．9 － V input discontinuous－conduction－mode boost converter with CMOS－control rectifier［J］．IEEE Journal of Sulid － State Circuits，2005，40(11):2265 －2274．

［5］ Xiaocheng Jing，Philip K T Mok．Soft－ start circuit with duty ratio controlled voltage clamping and adaptive sizing technique for integrated DC －DC converters［C］．IEEE Inernational Conference of Electron Devices and Solid－State Circuits(EDSSC)，2010:554 －558．

［6］ 袁冰，來(lái)新泉，李演明，等．降壓變換器片內(nèi)集成軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008(10):2069－2073．

［7］ 呂婧，吳曉波，趙夢(mèng)戀．開(kāi)關(guān)型DC－DC控制芯片片上軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］．固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2011(2):185－189．

［8］ 羅志聰，黃世震．新穎的軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)及其在藍(lán)牙功放中的應(yīng)用［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2010(7):218－219．