新型可内置软启动电路的设计及其应用
第３０卷第６期２００７年１２月
电子器件
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Ｖ０１．３０Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２００７
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ＥＥＡＣＣ：１２５０
新型可内置软启动电路的设计及其应用＊
王松林＋，朱枫，来新泉
（西安电子科技大学ＣＡＤ研究所，西安７１００７１）
摘要：提出了一种基于ＢｉｃＭｏｓ工艺设计的芯片内置软启动电路，用于避免启动过程中浪涌电流及输出电压过冲对电子系统造成损害．该电路结构简单，无需使用外部软启动电容，可完全集成在芯片内，有效节省了应用电路板空间和元件成本．经ＨｓＰＩＣＥ仿真验证，证明该电路仅使用一个１０ｐＦ的小电容即可实现１ｎ】ｓ的软启动时间．该电路可应用于各种开关电源中．
关键词：开关电源；内置软启动电路；ＢｉｃＭ０ｓ；浪涌电流；过冲
中图分类号：ＴＮ４３３文献标识码：Ａ文章编号：ｌ∞５－９４９０（２００７）０６?２０７７＿０３
开关电源由于具有效率高，输出电流大，静态电流小，体积小等优点而在手持式设备和便携式产品中得到广泛应用，成为了电源ＡＳＩＣ的主力军．而典型的开关电源在启动过程中，容易产生浪涌电流并引起输出电压过冲，可能对电子系统造成损伤，因此需要软启动电路［２＿３Ｉ．
传统软启动电路是将软启动电容置于芯片系统之外，显然不适应于高集成度和低成本的要求，因此本文设计了一种新型的开关电源芯片内置软启动电路，无需外接软启动电容，有效解决了传统方法的不足，在文章最后给出此种内置软启动电路的典型应用和仿真结果．
１软启动基本原理
通常，为了避免启动过程中的浪涌电流对电子系统造成损害，要给芯片增加软启动功能，其基本原理是：给芯片输出电压设定一个固定的阈值，当电压未达到该阈值时，通过给软启动电容充电，来减缓输出上升的速率，从而软化启动过程［１’３ｊ．
一般，电路需要ｏ～１５ｍｓ的延迟时间，要产生这么长的延迟时间，软启动电容值通常需要１～ｌｏｏｏｎＦ，这样的大电容很难集成进芯片中睁引．因此，传统的实现方案通常只能是将软启动电容外置，通过内置电流源对其充电，这就增加了电路成本，增大了板间应用空间，不利于便携化设计．
据此，本文设计了一种新颖的芯片内置软启动电路，实验证明仅需１０ｐＦ的小电容就可实现１ｍｓ的软启动时间，且电路结构简单，便于集成，可应用于各种开关电源中．
收稿日期：２００６—１１一０１
基金项目：国家自然科学基金资助（６０１７２００４）
，作者简介：王松林（１９６２一），男，教授，副主任，主要从事集成电路设计与系统的优化设计，ｓｌ、悦ｎｇ＠ｒｎａｉｌ．】【ｉｄｉａｌｌ．ｅｄｕｃｎ
２０７８电子器件第３０卷
２新型软启动电路的分析
以上介绍了开关电源控制器中传统软启动电路的原理及其工作过程．下面介绍本次设计的软启动电路，如图１所示，ＥＮ为使能信号，当系统刚上电或是故障恢复时，启动软启动电路．电压偏置信号ＢＩＡＳ通过Ｍ。和Ｍ。为电路提供偏置电流，分别设为Ｊ：，Ｊ。．Ｍ。与Ｍ。组成电流镜式有源负载，Ｍｓ可看作负反馈交流负载，而电容Ｃ，即为软启动电容，起到减缓输出变化、软化电路响应的作用．设Ｍｓ的漏级输出电压为％，它控制Ｍ，的导通程度，从而得到软启动电压Ｋｏ．下面分析具体工作过程．
图１本文提出的软启动电路
系统上电启动前或故障时，ＥＮ为低电平，使得Ｍ－导通且工作在深线性区，因此Ｋ≈ｎ，由于ＢＩＡＳ所提供的电流ｊｚ相比于Ｊ，很小，可忽略不计，即厶一Ｊ。，根据文献［３］，可得
厉
№Ｍ６一‰Ｎ＋√嚣（１）‰心一Ｋ一‰％（２）
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ＫＭ４一‰Ｎ＋√铲（３）
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¨ＨＮ为Ｎ管阈值电压，Ｋ６一肛。Ｃｏ；（Ｗ／Ｌ）Ｍ６，Ｋ４一弘。Ｃｏ。（Ｗ／Ｌ）Ｍ。．
由式（１）～（３）三式可解出Ｋ魄，可知它较小，
因此地的栅源电压很大，使得其导通压降很小，即有％≈‰．此时％的电压较小，致使Ｍ７只能微弱导通，其上经过的电流Ｌ非常小，因此Ｋｏ≈ｏ．当系统上电启动或故障消失时，信号ＥＮ复位为高电平，此时ＭＢ，截止，电流ｊ，变为ｏ，Ｍ：依然导通，Ｊｚ为电容Ｃ１充电，使得％电位逐渐升高．当％升高至使Ｍ，饱和导通时，偏置信号ＢＩＡＳ通过Ｍ。产生的电流Ｌ全部流过Ｍ，，使得软启动电压Ｋｏ达到最大值，不再变化．由Ｍ。工作在饱和区ｊ。一去Ｋ。［（Ｋ一‰一¨哪）］２（４）厶
因此有
巩０＿ＭＡ】【＝Ｊ３Ｒ１（５）
由上所述，可知ＥＮ复位导致Ｋｏ从低电平升至最大值ＶＳｏＭ—ｘ所耗时间即为软启动时间瓦ｎ，氏“一［（Ｇ４／Ｇ５）׉ＭＡ】【×Ｃ］／Ｊ：（６）其中，Ｇ４，Ｇ５分别为晶体管Ｍｔ、Ｍｓ的增益，Ｃ为电容Ｃ，的电容值．
综上所述，通过设置Ｃｔ的电容值、充电电流ｊｚ的大小和Ｍ。、Ｍ。的宽长比，可以得到所需的软启动时间ｋ。．
３典型应用
图２所示为典型的电压模删型ＤＣ－ＤＣ开关电源的电路结构［２｜．虚框内部分为删控制器，其主要组成部分有：基准电压源（图中未画出）、振荡器ＯＳＣ、误差放大器（Ｅｒｒｏｒ加ｎｐ）、删比较器、逻辑控制电路（Ｃ０ｎｔｒ０１ＬＤ西ｃ）以及驱动电路（Ｄｒｉｖｅｒ）．１一．ｒＪｒ黜：般ｈｌＬ｜黔世‘圭｛ＲＦ：荨
图Ｚ电压模ＰＷＭ型ＤＣ－ＤＣ框图
由于系统刚使能启动时，输出反馈信号‰一ｏ，与基准电压相差很大，通过误差放大器比较输出电压％值处于最高电位水平，最终使脉宽调制电路的输出一开始就达到最大占空比，这样会导致电感电流上升到高于其平衡值，产生所谓“浪涌电流”，使开关管处于持续过荷状态，这就可能烧坏开关管．且由于电感电流不能突变，在一段很短的时间内，它将高于其平衡值，这就会引起输出电压高出其标称值，即所谓的“过冲”．
为了防止上述的浪涌电流和过冲现象，我们将本文设计的软启动电路引入进电压模ＰｗＭ型ＤＣ－ＤＣ开关电源中，具体应用电路如图３所示．
该电路利用软启动电压‰代替基准电压来达到软启动的功能．具体过程如下：当系统初始上电时，‰很低，Ｍｓ导通，Ｍ。截止，软启动电压‰和反馈电压ｕＢ经过源跟随器分别连接到误差放大器输入端．刚开始时，由于‰和‰均为零，误差放大器输出低电平，控制开关管使得其处于关断状态．随着‰逐渐上升，误差放大器输出高电平，开关管打
第６期王松林，朱枫等：新型可内置软启动电路的设计及其应用２０７９
ｋ啦
Ｍｌｏ图３本文设计的软启动电路的典型应用开，％上升．电路设置成‰比‰上升更快，这样使得‰能够超越‰．当‰高于‰时，误差放大器输出低电平，关断开关管，‰保持．随着‰的上
升，‰又高于‰，开关管重新打开．如此循环往复，开关管占空比逐渐增加到其平衡值．这样就便实现了软启动功能．４仿真结果对上述软启动电路设置软启动电容值为１０ｐＦ，综合考虑电路的功耗和交流、动态特性，设置关键参数如：Ｕ＝８Ｖ、‰＝６Ｖ、（ｗ／Ｌ）帆／（ｗ／Ｌ）地一
２２０、（Ｖ∥Ｌ）ＭＩ一１６州９炉、Ｇ一１０ｐＦ，文献［２］将其用于一款输出电压为３．３Ｖ，最大输出负载电流为３Ａ的Ｂｕｃｋ型Ｄｃ－ＤＣ转换器电路中．若不使用该软
启动电路，而是在启动过程中将误差放大器反相输入端直接接ＦＢ，Ｈｓｐｉｃｅ仿真结果如图４所示．可见启动过程中产生了高达近１２Ａ的浪涌电流，输出电压也产生约ｏ．２８Ｖ的过冲．如此高的电流和过冲电压极有可能对电子系统造成严重损伤．刭‰／Ｖ１．；ｊ，矗ｊＯ｛
图４无软启动电路时的输出电压和电感电流波形使用了本文设计的软启动电路，仿真结果如图５所示，输出电压没有产生过冲现象，消除了浪涌电
流，电感电流整体呈平稳上升趋势，最大电流约为
３．３Ａ，对于负载能力为３Ａ的系统来说，不足于造
成损害．
Ｔｉｍｅ（１蛐
图５使用本文设计的软启动电路时的输出电压和电感电流波形４结论
本文先简要介绍了软启动保护功能对开关电源系统的必要性，进而分析其基本原理和传统实现方
案，然后提出了一种新颖内置软启动电路，并分析了
它在电压模ＰＷＭ型ＤＣ－ＤＣ中的应用．最后，经仿
真验证，证明仅使用一个１０ｐＦ的小电容即可实现１ｍｓ的软启动时间，减小了芯片面积，有效提高了集成度．该电路结构简单，易于移植和大规模集成，可应用于各种开关电源中．
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新型可内置软启动电路的设计及其应用
作者：王松林， 朱枫， 来新泉， WANG Song-lin， ZHU Feng， LAI Xin-quan
作者单位：西安电子科技大学CAD研究所,西安,710071
刊名：
电子器件
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES
年，卷(期)：2007，30(6)
引用次数：0次
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下载时间：2010年3月7日