一種適用于升壓轉(zhuǎn)換電路的新型軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)*

0   引言

隨著便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)及應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(hào)。滿占空比控制信號(hào)作用于主升壓電路將存在以下缺點(diǎn)。

●   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(shí)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(shí)可能會(huì)造成電路元現(xiàn)燒壞損毀的情況。

軟啟動(dòng)電路的引入將有的避免前述缺生，軟啟動(dòng)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(hào)，防止?jié)M占空比控制信號(hào)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(duì)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(dòng)。

傳統(tǒng)軟啟動(dòng)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(jí)聯(lián)，以實(shí)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(dòng)時(shí)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(shí)，過小的基準(zhǔn)電流也難以實(shí)現(xiàn)；小占空比充電控制信號(hào)的引入將獲得較長(zhǎng)的軟啟動(dòng)時(shí)間，但復(fù)雜時(shí)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(gè)誤差放大電路實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)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(dòng)電路的面積及功耗。

1   目標(biāo)軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

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

自啟動(dòng)振蕩模塊將根據(jù)基準(zhǔn)電壓的大小產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)占空比的電容充電控制信號(hào)，該信號(hào)通過控制信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生控制電容充電通路的開關(guān)信號(hào)，此開關(guān)信號(hào)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(shí)現(xiàn)不同基準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的軟啟動(dòng)過程。軟啟動(dòng)電路的控制框圖架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 軟啟動(dòng)電路控制框圖

2.1 自啟動(dòng)振蕩模塊設(shè)計(jì)

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

圖3 自啟動(dòng)振蕩電路架構(gòu)

自適應(yīng)啟動(dòng)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(gè)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(hào)，若環(huán)形振蕩電路個(gè)數(shù)固定，則控制信號(hào)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(hào)，該模塊采用基準(zhǔn)電壓作為自啟動(dòng)振蕩電路的供電電壓，與此同時(shí)，為了匹配大范圍不同基準(zhǔn)電壓，自適應(yīng)啟動(dòng)振蕩模塊的反相器采用二級(jí)冗余反相電路，以保證電路在較低基準(zhǔn)電壓正常啟動(dòng)。

2.2 控制時(shí)間產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

控制時(shí)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(jí)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?dòng)振蕩模塊產(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(hào)將作用于電平轉(zhuǎn)換電路，自啟動(dòng)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(duì)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(hào)。基于以上功能描述的窄脈沖產(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(shí)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(gè)脈沖寬度為延時(shí)時(shí)間大小的窄脈沖控制信號(hào)，該窄脈沖控制信號(hào)將最終作用于電容充電電路的開關(guān)，延長(zhǎng)基準(zhǔn)電壓軟啟動(dòng)時(shí)間。

3   軟啟動(dòng)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(duì)軟啟動(dòng)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(dòng)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(hào)（如圖6 下）。

圖6 軟啟動(dòng)控制信號(hào)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(dòng)電路的最終輸出電壓如圖7 所示。顯然，在軟啟動(dòng)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(dòng)時(shí)間大約為100 μs，實(shí)現(xiàn)了電路軟啟動(dòng)功能。

圖7 軟啟動(dòng)電路輸出電壓

經(jīng)測(cè)試，目標(biāo)軟啟動(dòng)電路的具體性能如表1 所示。

顯然，目標(biāo)軟啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)大范圍軟啟動(dòng)時(shí)間的調(diào)節(jié)，提高電路的適用性，與此同時(shí)，電路滿足超低功耗的特點(diǎn)。

4   結(jié)合軟啟動(dòng)電路升壓轉(zhuǎn)換電路的仿真分析

將上述軟啟動(dòng)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(hào)及其占空比變化如圖8 所示。

圖8 主升壓電路控制信號(hào)（上）及對(duì)應(yīng)占空比（下）

電路在軟啟動(dòng)電路作用下，主升壓控制信號(hào)的占空比從0 開始緩慢增加，顯然，軟啟動(dòng)的引入避免了電路啟動(dòng)時(shí)造成的滿占空比，在此控制信號(hào)的作用下，電路最終輸出端輸出電壓如圖9 所示。在軟啟動(dòng)電路作用下，電路正常啟動(dòng)，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(yǔ)

本文基于升壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓過沖、無法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低功耗、面積小、集成度較高的軟啟動(dòng)電路。仿真結(jié)果表明，軟啟動(dòng)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳盧,石秉學(xué),代鐵軍,等.高效率高精度開關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999(S1):40-43.

[2] 張?jiān)谟?譚小燕,趙永瑞,等.一種用于DC-DC開關(guān)電源芯片的新型軟啟動(dòng)電路[J].半導(dǎo)體技術(shù),2018,43(02):110-114.

[3] 鐘國(guó)華,吳玉廣.PWM芯片分析及其振蕩器電路的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004(02):65-68.

[4] 張艷紅,程帥.升壓式DC/DC的軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,30(06):632-636.

[5] 馮國(guó)友.低功耗DC/DC變換器的設(shè)計(jì)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[6] LUO Z,ZENG L,LAU B, et al. A Sub-10 mV power converter with fully integrated self-start, MPPT, and ZCS control for thermoelectric energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers, 2017:1-14.

[7] KIM J,MOK P K T,KIM C. A 0.15 V input energy harvesting charge pump with dynamic body biasing and adaptive dead-time for efficiency[C]. Solid-state Circuits Conference Digest of Technical Papers,2015.

[8] 李君.低輸入BOOST DC/DC轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

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

*本文涉及的設(shè)計(jì)項(xiàng)目正在申請(qǐng)專利。

作者簡(jiǎn)介：吳添賢（2000—），男，主要從事模擬IC低功耗電源管理設(shè)計(jì)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）