一種新型的軟啟動控制電路

一種新型的軟啟動控制電路

1軟啟動電路目前，高效便捷電子產(chǎn)品在通信和計算機領域的份額顯著增加，對電源的要求也越來越高。而典型的DC/DC開關電源在啟動過程中,容易產(chǎn)生浪涌電流,可能對電子系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。一般軟啟動電路是給輸出端的電壓設定一個固定的閾值,當電壓未達到該閾值時,無論電流水平如何,都不加以控制;當電壓達到該閾值時,才輸出控制信號,切斷充電電流,使輸出電容中存儲電荷放電到低于0.1V之后,整個電源處于重新啟動狀態(tài)。該方法的不足之處是,當輸出電壓的閾值未達到時,發(fā)生浪涌電流現(xiàn)象可能對電子系統(tǒng)造成損傷,而且在輸出電壓達到閾值之后,也可能因為偶然的過流使得電源多次重新啟動。本文提出的電壓補償技術可以使輸出電壓穩(wěn)定地線性上升,且不發(fā)生開關電源重啟動的現(xiàn)象。2電源系統(tǒng)設計典型的PWM開關電源控制器的結構如圖1所示。方框線內(nèi)電路模塊為電源控制器芯片的結構,方框線外右邊的電路是降壓型開關電源拓撲結構。圖1是一般的開關電源結構。為了提高效率,本文設計的開關電源利用同步整流結構,把整流二極管換為一個開關管,如圖2所示。開關電源的工作過程如下:當開關電源的輸入電壓上電以后,芯片內(nèi)的線性穩(wěn)壓電源為片內(nèi)電路提供電源。電源穩(wěn)定后,片內(nèi)的軟啟動電路開始工作。一方面,軟啟動電路控制充電過程給開關電源輸出端的電容充電;另一方面,軟啟動電路要消除電感產(chǎn)生的浪涌電流現(xiàn)象。當軟啟動電路控制充電過程,使輸出電壓達到某一閾值時,由片內(nèi)的開關電源控制電路來控制輸出端電容的充、放電過程,以保持輸出電壓的穩(wěn)定,軟啟動電路的作用到此結束。這就是圖1電源系統(tǒng)工作的簡單過程。片內(nèi)還有基準穩(wěn)壓電源和振蕩器電路模塊,它們分別提供基準電壓和使各電路模塊工作同步的時鐘信號?？刂戚敵鲭妷悍€(wěn)定的電源控制核心可通過設計有限狀態(tài)機來控制實現(xiàn)。由于功率開關管的柵電容比較大,且開關電源的工作頻率比較高,要實現(xiàn)對功率晶體管實時導通和截止的控制,芯片控制器輸出的驅(qū)動電流必須有一定強度,需要設計一個輸出驅(qū)動電路。由上可知,軟啟動電路在開關電源系統(tǒng)中的重要性,如果軟啟動電路不能正常地工作,整個開關電源系統(tǒng)就無法工作。3過流比較器軟啟動的啟動—軟啟動電路的工作原理和設計軟啟動電路結構如圖2所示。它由以下四個模塊組成,即充電計時和補償電壓產(chǎn)生電路(由inv1、電流源I4、m14、R5、T4、R11、R6、T3、R10、R8、mx、C2、inv2和inv3組成);電平移位電路(該電路是一個對稱的結構,包括T3、m3、m4、m5、R1、R2、R3、R4、m1、m2、m10、m11、R6、R9、m9和電流源I3);專用的過流比較器comp;同步整流結構的降壓型開關電源(包括M2x、M2x1、L1、R14和C1)。工作過程如下:首先,EN1信號為低電平,通過mx使C2兩端的電壓初始化為0V;之后,EN1信號為高電平。這時,一方面,m14導通,電流源I4通過m14,開始給電容C2充電,在C2的電壓充到2.5V之前,inv2的輸出EN2就一直為高電平(因為inv2的反轉(zhuǎn)閾值是2.5V,且T6、R10和R8可以保證C2的電壓可以充到2.5V以上),高電平使過流比較器comp開始工作;另一方面,m1、m2、m10和m11也導通,電平移位電路開始工作。比較器comp的特點是,除了受使能信號EN2控制之外,還受時鐘信號CLK的調(diào)制,EN2為高電平時,比較器開始工作。當CLK信號為低電平時,比較器的輸出也為低電平;CLK為高電平時,才使比較器真正對電壓結點A和結點B的電壓進行比較。因此,在軟啟動的初期,是時鐘CLK信號控制開關管M2x對輸出電容C1進行充電。在此過程中,檢測電感電流的靈敏電阻R14的兩端引出兩個檢測信號LH和LL反饋到電平移位電路中(LH和LL之間的電壓差就反映了電感電流的水平,通過限制該電壓差的大小,就可以限制電流浪涌現(xiàn)象的發(fā)生)。過流比較器就是對LH和LL兩端電壓差值大小的判斷,當CLK信號為高電平時,如果差值較大,結點E為低電平,反之,結點E為高電平。結點E控制同步整流管的高端管M2x(靠近電源輸入端的開關管)。如果電感電流過流,靈敏電阻R14兩端的壓差增大,使結點E為低電平,則高端開關管關斷,電感過流現(xiàn)象得到控制。這樣,由靈敏電阻R14提供反饋信號,加上過流比較器comp的控制,就可以使電感電流緩慢上升而不會發(fā)生過流。隨著時間的增加,電感的電流增大到一定水平,就會使靈敏電阻R14兩端的壓差在某一時間內(nèi)保持很高的值,使結點E較長時間保持低電平,減緩了軟啟動的速度。為此,給電平移位電路的一端(LL反饋輸入端)引入了補償電壓VC,使輸入到過流比較器兩端的壓差維持在一個相對穩(wěn)定的水平,保證了電感電流的持續(xù)緩慢增加和輸出電壓的線性增加。電壓補償是通過R6提供的,由于電阻R6的電流包括兩部分:一個是電平移位電路提供的和R9相同的電流,一個是T4的發(fā)射極流過的電路,該部分電流由于電容C2電壓的增加而增加(C2電壓的增加是由于恒流源I4給充電的緣故)。于是R6上的電壓就緩慢增加。由圖2可知,VC最大的補償電壓是2.5V*R6/(R11+R6)=100mV。如果電容C2兩端的電壓超過了2.5V,而開關電源的輸出電壓仍然沒有達到系統(tǒng)所設定的值時,認為軟啟動失敗。此時,反相器inv2的輸出EN2為低電平,使高端開關管關斷,低端開關管導通,輸出電壓放電到地,系統(tǒng)重新啟動。為防止開關電源的重啟動,在電路設計時,就必須設計好C2和I4的值,使得在電容C2的電壓達到2.5V之前,開關電源輸出端電容C1的電壓已提前充到系統(tǒng)設計的閾值。系統(tǒng)檢測到開關電源的輸出電壓達到該閾值時,系統(tǒng)就輸出信號給EN1,使軟啟動電路停止工作,同時,啟動開關電源的控制核心——有限狀態(tài)機電路,由該控制電路代替軟啟動電路保持輸出電壓的穩(wěn)定。4電源輸出的模擬結果把圖2的軟啟動電路用于一個具體的3.3V降壓型開關電源系統(tǒng)中,經(jīng)HSPICE模擬,結果表明,當輸入電壓為10V,輸出端的負載電流為3.3A時,如果不使用軟啟動電路,而直接給開關電源輸出端的電容充電,模擬的結果如圖3所示(上圖是電感電流隨時間的變化曲線,下圖是開關電源的輸出電壓隨時間的變化曲線)。由圖可知,產(chǎn)生了浪涌電流(電流過沖),電流可達到近10A,這可能對電子系統(tǒng)造成損傷。使用圖2的軟啟動電路,結果如圖4所示(上圖是電感電流隨時間的變化曲線,下圖是開關電源的輸出電壓隨時間的變化曲線),輸出端電流和電壓近似分別以3.3mA/μs和2.5mV/μs的速度平穩(wěn)上升,線性度明顯優(yōu)于前者。調(diào)節(jié)圖2中C1和C2兩個電容的值,可以滿足不同電源系統(tǒng)對軟啟動速度和平穩(wěn)性的要求。由上可知,本文提出的軟啟動電路控制能力很強。5變壓器的線性改變本文針對開關電源在啟動過程中出現(xiàn)浪涌電流的現(xiàn)象,設計了