一种采用电压补偿技术的DCDC开关电源软启动电路

　　目前，高效便携式电子产品在通信和计算机领域中所占份额急剧增长，对电源ASIC的要求也越来越高而典型的DC/DC开关电源在启动过程中，容易产生浪涌电流，可能对电子系统产生损伤一般软启动电路是给输出端的电压设定一个固定的阈值，当电压未达到该阈值时，无论电流水平如何，都不加以控制；当电压达到该阈值时，才输出控制信号，切断充电电流，使输出电容中存储电荷放电到低于0.1V之后，整个电源处于重新启动状态该方法的不足之处是，当输出电压的阈值未达到时，发生浪涌电流现象可能对电子系统造成损伤，而且在输出电压达到阈值之后，也可能因为偶然的过流使得电源多次重新启动本文提出的电压补偿技术可以使输出电压稳定地线性上升，且不发生开关电源重启动的现象2典型的PWM型DC/DC开关电源控制器简单结构和工作过程典型的PWM开关电源控制器的结构如所示方框线内电路模块为电源控制器芯片的结构，方框线外右边的电路是降压型开关电源拓扑结构是一般的开关电源结构为了提高效率，本文设计的开关电源利用同步整流结构31，把整流二极管换为一个开关管，如所示。

　　开关电源的工作过程如下：当开关电源的输入电压上电以后，芯片内的线性稳压电源为片内电路提供电源。电源稳定后，片内的软启动电路开始工作。一方面，软启动电路控制充电过程给开关电源输出端的电容充电；另一方面，软启动电路要消除电感产生的浪涌电流现象当软启动电路控制充电过程，使输出电压达到某一阈值时，由片内的开关电源控制电路来控制输出端电容的充放电过程，以保持输出电压的稳定，软启动电路的作用到此结束这就是电源系统工作的简单过程片内还有基准稳压电源和振荡器电路模块，它们分别提供基准电压和使各电路模块工作同步的时钟信号。控制输出电压稳定的电源控制核心可通过设计有限状态机来控制实现由于功率开关管的栅电容比较大，且开关电源的工作频率比较高，要实现对功率晶体管实时导通和截止的控制，芯片控制器输出的驱动电流必须有一定强度，需要设计一个输出驱动电路。

　　由上可知，软启动电路在开关电源系统中的重要性，如果软启动电路不能正常地工作，整个开关电3软启动电路的工作原理和设计软启动电路结构如所示它由以下四个模块组成，即充电计时和补偿电压产生电路（由inv1 3组成）；电平移位电路（该电路是一个对称的结构，包括T3m3m4msR1R2R3R4m1mammmuR6R9m9和电流源/3）；专用的过流比较器comp；同步整流结构的降压型开关电源（包括MxM2x1L1R14和O）工作过程如下：首先，EN1信号为低电平，通过mx使Ca两端的电压初始化为0V；之后，EN 1信号为高电平。这时，一方面，mw导通，电流源/4通过m14，开始给电容Ca充电，在Ca的电压充到25V之前，inv2的输出EN2就一直为高电平（因为inv 2的反转阈值是2.5V，且T6R10和R8可以保证C2的电压可以充到25V以上），高电平使过流比较器comp开始工作；另一方面，m1m2m1和m11也导通，电平移位电路开始工作。比较器comp的特点是，除了受使能信号EN2控制之外，还受时钟信号CLK的调制，EN2为高电平时，比较器开始工作当CLK信号为低电平时，比较器的输出也为低电平；CLK为高电平时，才使比较器真正对电压结点A和结点B的电压进行比较因此，在软启动的初期，是时钟CLIK信号控制开关管M2x对输出电容进行充电在此过程中，检测电感电流的灵敏电阻R14的两端引出两个检测信号Lh和Ll反馈到电平移位电路中（Lh和Ll之间的电压差就反映了电感电流的水平，通过限制该电压差的大小，就可以限制电流浪涌现象的发生）过流比较器就是对Lh和Ll两端电压差值大小的判断，当CLK信号为高电平时，如果差值较大，结点E为低电平，反之，结点E为高电平。结点E控制同步整流管的高端管M2x（靠近电源输入端的开关管）如果电感电流过流，灵敏电阻R14两端的压差增大，使结点E为低电平，则高端开关管关断，电感过流现象得到控制。这样，由灵敏电阻R14提供反馈信号，加上过流比较器comp的控制，就可以使电感电流缓慢上升而不会发生过流源系统就无擎作AcadOTic1丨Ele伽nic础器两端的维持在一个相目对稳定的水平遍证了bookmark1随着时间的增加，电感的电流增大到一定水平，就会使灵敏电阻R14两端的压差在某一时间内保持很高的值，使结点E较长时间保持低电平，减缓了软启动的速度为此，给电平移位电路的一端（Ll反馈输入端）引入了补偿电压Vc，使输入到过流比较电感电流的持续缓慢增加和输出电压的线性增加电压补偿是通过R6提供的，由于电阻R6的电流包括两部分：一个是电平移位电路提供的和R9相同的电流，一个是T4的发射极流过的电路，该部分电流由于电容C2电压的增加而增加（C2电压的增加是由于恒流源/4给充电的缘故）于是R6上的电压就缓慢增加由可知，Vc最大的补偿电压是如果电容C2两端的电压超过了25V，而开关电源的输出电压仍然没有达到系统所设定的值时，认为软启动失败。此时，反相器inv2的输出EN2为低电平，使高端开关管关断，低端开关管导通，输出电压放电到地系统重新启动为防止开关电源的重启动，在电路设计时，就必须设计好C2和/4的值，使得在电容C2的电压达到2.5V之前，开关电源输出端电容Ci的电压已提前充到系统设计的阈值系统检测到开关电源的输出电压达到该阈值时，系统就输出信号给EN1，使软启动电路停止工作，同时，启动开关电源的控制核心有限状态机电路，由该控制电路代替软启动电路保持输出电压的稳定4软启动电路的模拟结果把的软启动电路用于一个具体的3.3V降压型开关电源系统中，经HSPICE模拟，结果表明，当输入电压为10V，输出端的负载电流为3. 3A时，如果不使用软启动电路，而直接给开关电源输出端的电容充电，模拟的结果如所示（上图是电感电流随时间的变化曲线，下图是开关电源的输出电压随时间的变化曲线）由图可知，产生了浪涌电流（电流过冲），电流可达到近10A，这可能对电子系统造成损伤。

　　使用的软启动电路，结果如所示（上图是电感电流随时间的变化曲线，下图是开关电源的输出电压随时间的变化曲线），输出端电流和电压近似分别以3.3mAPs和2.5mVPs的速度平稳上升，线性度明显优于前者。调节中C1和C2两个电容的值，可以满足不同电源系统对软启动速度和平稳性的要求由上可知，本文提出的软启动电路控制能力很强5结论本文针对开关电源在启动过程中出现浪涌电流的现象，设计了一个通过电压补偿实现的软启动控制电路。经HSPICE模拟证明，实现了开关电源输出端电压的线性增加，没有出现电流浪涌现象和开关电源的重启动。证实了本文的软启动电路有很好的控制能力。同时，该软启动电路结构简单，是一个易于移植和大规模集成的电路模块，可以在各种不同的DC/DC开关电源控制器系统中应甩