一種適用于升壓轉(zhuǎn)換電路的新型軟啟動電路設(shè)計*

0   引言

隨著便攜式電子產(chǎn)品市場及應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，對電源管理電路芯片的需求量也在不斷提高0。BoostDC-DC 升壓轉(zhuǎn)換電路以其帶載范圍廣，輸入電壓范圍寬，電路工作效率高等優(yōu)點而受到廣泛采用。PWM 電壓型調(diào)制升壓轉(zhuǎn)換電路控制架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 PWM電壓型升壓轉(zhuǎn)換電路控制框圖

在升壓轉(zhuǎn)換電路的啟動階段，由于輸出電壓從0 開始升壓，因此，電路輸出端的反饋電壓在啟動階段將處在遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)電壓的低電位，誤差放大器同向與反向端的輸入失配導(dǎo)致誤差放大電路輸出較低電此時，誤差放大器輸出經(jīng)比較電路處理將輸出滿占空比控制信號。滿占空比控制信號作用于主升壓電路將存在以下缺點。

●   將導(dǎo)致使低邊功率開關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，致電感電流隨導(dǎo)通時間的增而不斷提高，從而造成輸出電壓過沖現(xiàn)象。

●   高電感電流流經(jīng)電路元件時可能會造成電路元現(xiàn)燒壞損毀的情況。

軟啟動電路的引入將有的避免前述缺生，軟啟動電路的功能主要是將直流基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為緩慢變化的信號，防止?jié)M占空比控制信號的出現(xiàn)，避了電感電流過大導(dǎo)致的輸出電壓過沖現(xiàn)象，以及對電路元件可能造成的損毀，保證升壓轉(zhuǎn)換電路的正常啟動。

傳統(tǒng)軟啟動電路架構(gòu)是將電容充電電路與誤差放大電路的輸出通過箝位（CLAMP）電路進(jìn)行級聯(lián)，以實現(xiàn)誤差放大電路的緩慢變化輸出，然而，為保證足夠的軟啟動時間，電路需要采用較大的片外電容。因此，此法將降低整體電路的集成度，大大提高片外電路的復(fù)雜度，與此同時，過小的基準(zhǔn)電流也難以實現(xiàn)；小占空比充電控制信號的引入將獲得較長的軟啟動時間，但復(fù)雜時序模塊的引入將增加電路的復(fù)雜度；利用RC 電路以及兩個誤差放大電路實現(xiàn)軟啟動功能，但運(yùn)放的引入及電阻電容的使用將大大增加軟啟動電路的面積及功耗。

1   目標(biāo)軟啟動電路的設(shè)計

目標(biāo)軟啟動電路主要由自啟動振蕩模塊、控制時間產(chǎn)生模塊以及軟啟動電壓產(chǎn)生模塊構(gòu)成。本文提出的自啟動控制模塊軟啟動電路工作原理如下。

自啟動振蕩模塊將根據(jù)基準(zhǔn)電壓的大小產(chǎn)生相對應(yīng)占空比的電容充電控制信號，該信號通過控制信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生控制電容充電通路的開關(guān)信號，此開關(guān)信號將控制電容充電通路開關(guān)導(dǎo)通及閉合，調(diào)整充電周期及充電速率，進(jìn)而調(diào)整基準(zhǔn)電壓變化速率，實現(xiàn)不同基準(zhǔn)電壓對應(yīng)的軟啟動過程。軟啟動電路的控制框圖架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟啟動電路控制框圖

2.1 自啟動振蕩模塊設(shè)計

為了產(chǎn)生適應(yīng)基準(zhǔn)電壓的控制信號，電路引入自啟動振蕩模塊，電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自啟動振蕩電路架構(gòu)

自適應(yīng)啟動振蕩模塊主要是環(huán)形振蕩電路。環(huán)形振蕩電路由奇數(shù)個反相器構(gòu)成，上電過程造成供電電壓跳變將觸發(fā)該環(huán)形振蕩電路產(chǎn)生有一定頻率的脈沖控制信號，若環(huán)形振蕩電路個數(shù)固定，則控制信號的頻率與環(huán)形振蕩電路的供電電壓成正比。為了產(chǎn)生適應(yīng)基準(zhǔn)電壓的控制信號，該模塊采用基準(zhǔn)電壓作為自啟動振蕩電路的供電電壓，與此同時，為了匹配大范圍不同基準(zhǔn)電壓，自適應(yīng)啟動振蕩模塊的反相器采用二級冗余反相電路，以保證電路在較低基準(zhǔn)電壓正常啟動。

2.2 控制時間產(chǎn)生模塊設(shè)計

控制時間產(chǎn)生模塊主要由電平轉(zhuǎn)換電路及窄脈沖產(chǎn)生電路級聯(lián)而成，電平轉(zhuǎn)換電路的具體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路具體架構(gòu)

為保證電路能夠?qū)ψ詥诱袷幠K產(chǎn)生的低幅度控制脈沖進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電路模塊引入倍乘電路，將幅度為V_REF 控制脈沖進(jìn)行幅度倍增為2V_REF，該幅度倍增信號將作用于電平轉(zhuǎn)換電路，自啟動環(huán)形振蕩電路輸出經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換為幅度為輸入電壓、頻率不變的高幅度控制脈沖，以保證對開關(guān)閉合關(guān)斷的有效控制。高幅度控制脈沖將輸入窄脈沖產(chǎn)生電路，從而產(chǎn)生超小占空比的開關(guān)控制信號?；谝陨瞎δ苊枋龅恼}沖產(chǎn)生電路如圖5 所示。

圖5 窄脈沖發(fā)生電路架構(gòu)

高幅度脈沖經(jīng)過延時產(chǎn)生模塊與原幅度脈沖進(jìn)行異或，最終窄脈沖發(fā)生電路能夠產(chǎn)生一個脈沖寬度為延時時間大小的窄脈沖控制信號，該窄脈沖控制信號將最終作用于電容充電電路的開關(guān)，延長基準(zhǔn)電壓軟啟動時間。

3   軟啟動電路的仿真及分析

電路以450 mV 基準(zhǔn)電壓、1 V 輸入電壓作為電源供給偏置對軟啟動電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明: 在相應(yīng)基準(zhǔn)電壓及輸入電壓的作用下，自啟動環(huán)形振蕩電路開始振蕩，輸出一定頻率的低壓脈沖（圖6 上）。該脈沖經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路（圖6 中）及窄脈沖發(fā)生電路最終產(chǎn)生控制電容充電電路的窄占空比控制信號（如圖6 下）。

圖6 軟啟動控制信號仿真結(jié)果

電路在窄占空比的作用下，控制電容電壓不斷充電，軟啟動電路的最終輸出電壓如圖7 所示。顯然，在軟啟動作用下，基準(zhǔn)電壓緩慢從0 開始上升至設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，即450 mV 基準(zhǔn)電壓，在1 V 輸入電壓下，最終電路產(chǎn)生的軟啟動時間大約為100 μs，實現(xiàn)了電路軟啟動功能。

圖7 軟啟動電路輸出電壓

經(jīng)測試，目標(biāo)軟啟動電路的具體性能如表1 所示。

顯然，目標(biāo)軟啟動電路能夠在大范圍基準(zhǔn)電壓下控制電容充電電路的開關(guān)，從而控制電容充電，實現(xiàn)大范圍軟啟動時間的調(diào)節(jié)，提高電路的適用性，與此同時，電路滿足超低功耗的特點。

4   結(jié)合軟啟動電路升壓轉(zhuǎn)換電路的仿真分析

將上述軟啟動電路引入目標(biāo)PWM 電壓型升壓轉(zhuǎn)換電路中，最終，主升壓電路的控制信號及其占空比變化如圖8 所示。

圖8 主升壓電路控制信號（上）及對應(yīng)占空比（下）

電路在軟啟動電路作用下，主升壓控制信號的占空比從0 開始緩慢增加，顯然，軟啟動的引入避免了電路啟動時造成的滿占空比，在此控制信號的作用下，電路最終輸出端輸出電壓如圖9 所示。在軟啟動電路作用下，電路正常啟動，避免了輸出電壓過沖現(xiàn)象，輸出端正常升壓。

圖9 升壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓

5   結(jié)束語

本文基于升壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓過沖、無法正常啟動的現(xiàn)象設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單、低功耗、面積小、集成度較高的軟啟動電路。仿真結(jié)果表明，軟啟動電路能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)功能，適用于各種不同升壓轉(zhuǎn)換電路，確保升壓轉(zhuǎn)換電路的正常升壓。

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基于以上分析，本文提出了一種基于自啟動控制模塊的電容充電電路組成的軟啟動電路架構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)、低功耗、面積小、集成度較高等特點，可廣泛用于不同軟啟動電路。

*本文涉及的設(shè)計項目正在申請專利。

作者簡介：吳添賢（2000—），男，主要從事模擬IC低功耗電源管理設(shè)計及低功耗應(yīng)用的學(xué)習(xí)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）