一种DC-DC开关电源片上软启动电路

第29卷第6期 2008年6月 半导体学报 JOURNALOFSEMlCONDUCTORS V01．29NO．6 June，2008 一种DC—DC开关电源片上软启动电路 李演明1’’ 来新泉1 袁 冰1 叶 强1 贾新章2 (1西安电子科技大学电路CAD研究所，西安710071) (2西安电子科技大学微电子研究所，西安710071) 摘要：提出了一种基于DAC(digital—to—analogconverter)控制的数字软启动电路，利用DAC控制和软启动电压检测技 术，有效抑制了DC-DC开关电源启动过程中产生的浪涌电流和输出电压过冲，实现了输出电压从零到调整值的平坦上升． 在启动完成后启动电路的偏置电流被彻底笑断，实现r低功耗 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ．该软启动电路采用CMOS器件设计，无需任何外围元 件，便于被DC—DC开关电源集成．该电路L三成功集成到一款Buck型PWM(pulsewidthmodulation)控制器当中，测试结 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：在整个负载范围内。DC．DC在启动过程中电感电流平稳变化，输出电压平滑上升、无过冲，启动时间控制在 1．2ms． 关键词：软启动；DC．DC开关电源；浪涌电流f过冲 EEACC：2570；1280；8110B 中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：0253-4177(2008)06-1210．06 1 引言 随着便携式电子产品在通信、计算机及消费类电子 (3C)等领域中的不断增长，对电源管理IC的需求也呈 上升趋势．而DC—DC开关电源在宽输入电压范围和宽 负载范围条件下具有杰出的效率表现，而被广泛应用． 开关电源是通过将误差信号转换成占空比控制信号驱 动开关而工作的．在启动阶段，误差放大器处于非平衡 状态，使得环路处于100％占空比工作，因此会有很大 的浪涌电流灌入输出电容，使得输出电压产生较大的过 冲，浪涌电流也有可能损耗开关管和其他器件[1卫]．为此 软启动电路应运而生，它的设计思想是通过限制占空比 或限制开关电流来消除浪涌电流，避免输出电压过冲． 随着电子系统趋于复杂化，系统对电源电压的上电时序 和上电的平稳度有了更高的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ． 本文首先比较了几种传统软启动电路的设计思想 及优缺点．在此基础上，提出一种基于数字DAC控制的 单片集成式CMOS软启动电路．为了避免软启动电压 精度对DC．DC环路的影响和开关切换时的毛刺干扰， 设计了软启动电压检测控制和毛刺电压消除电路，从而 有效保证了启动过程的稳定性．同时，在启动完成后启 动电路的偏置电流被彻底关断，实现了低功耗设计．最 后结合作者设计的一款Buck型PWM控制器，讨论了 测试结果． 2传统软启动电路比较 图1给出了一款典型的Buck型DC．DC转换器控 制框图．在启动初始阶段，输出电压远低于设定值，所以 FB电压远低于基准电压，使得误差放大器处于菲平衡 t通信作者．Email：ymli2004@126．com 2007-11-06收到，2007．11．29定稿 状态，误差放大器(EA)输出y。为高电平，此时环路处 于100％占空比工作，因此会有很大的浪涌电流灌入输 出电容． 为了消除启动时的浪涌电流实现输出软启动，通常 有两种方法：一种是电压限制的方法；另一种是电流限 制的方法．电压限制方法的设计思想是通过限制误差放 大器(EA)输出信号yc的电压值，从而限制启动时的 占空比，该方法又可以分为直接限制y。电压和限制 EA输入信号两种．传统的做法是通过一个电流源给电 容充电得到斜坡上升的软启动电压，用软启动电压代替 yRE，或yc电压[3“]，从而达到软启动的目的．这种方 法的优点是简单易用，缺点是需要一个软启动电容来控 制软启动时间，该电容往往很大，不能集成在芯片上，这 将增加应用面积和应用成本． 图1典型的Buck型DC-DC转换器控制框图 Fig．1TypicalstructureofbuckDC-DCconverter @2008中国电子学会 万方数据 第6期 李演明等； 一种DC．DC开关电源片上软启动电路 1211 图2 DAC控制的软启动电路 Fig．2Soft-startcircuitwithDACcontrol 电流限制的方法是通过检测开关管的电流并由电 流比较电路来限制开关管的电流，消除浪涌．考虑到电 流限制值一般大于工作电流的最大值，开始就以电流限 制值工作可能会造成输出过冲，为此，一般通过阶梯型 增加电流限制阈值的方法来实现软启动[6]．这种方法的 缺点是需要增加电流检测和电流比较电路，不适合于没 有电流限制功能的开关电源电路，而且电流限制值的切 换往往并不平稳． 此外，我们在参考文献[7]中提出了一种数字软启 动的方法，通过DAC控制软启动电流实现了软启动电 路内部集成．但该方法的缺点是，由于软启动电压加在 反馈电阻上，因此对反馈电阻有限制，不适合于反馈电 阻变化大的情况． ．3新型软启动电路 3．1数字软启动电路的控制方式 为了便于芯片集成，提高软启动过程的精确控制， 我们提出了一种数字软启动方法，该方法不需要软启动 电容和软启动引脚，其设计思想是利用DAC控制产生 逐步升高的基准电压，作为DC-DC环路误差放大器的 比较参考电平．图2和图3分别给出了DAC控制的软 启动电路和软启动波形． Reset]广————————一 图3软启动波形 Fig．3Waveformsofsoft—start 图2框内的电路构成电流型DAC结构，为了避免 重复和简化分析，图中只给出了两个D触发器和两路 电流镜，省略了其余D触发器和电流镜电路．D触发器 构成计数器，由时钟信号CLK来控制计数，Reset是一 低脉冲输入信号，它是软启动电路的复位信号，低脉冲 对计数器清零，使能软启动过程．计数器的计数值 (b。b。b。⋯b。)作为DAC的输入信号，通过控制左边电 流镜的通与断(电流镜镜像比例为1：1：2：4⋯，成倍 递增)，产生了软启动电流j踟，公式表示为： Isorr=，R部(bl+2b2+4b3+⋯+2“一1b^) ^ =J哪≥：2卜1bl (1) 两 其中 J哪为基准电流输入信号；n为DAC的位数，等 于D触发器的个数口]．软启动电流流过电阻R。产生软 启动电压VsoFr，表示为： VfiOFT=Jso盯尺s ^ =J唧Rs>：2卜1bj (2) 百 其中 J哪R。为DAC的分辨率，它决定着软启动电压 每个周期上升的幅度．可以通过基准电流与软启动电阻 的匹配来提高DAC的精度，基准电流J唧通过带隙基 准电压除以电阻产生，表示为： T， lsovr=等 (3) ^ 则 1，，唧尺s=争s=kVso(4) J、 其中 k为常数，选取R和尺。为同类型电阻并通过版 图的交叉匹配法则可以提高软启动电压的精度． 但是由于电流镜失配的存在，必然会对VsoFr造成 误差，尤其当DAC的位数增加时，电流镜比例也增大， 这个误差将加剧．由于y旺r是作为DC—DC反馈比较的 基准电平，因此这个误差将直接引入到系统中．如果要 通过提高DAC精度来减小这一误差将使得电路复杂 化．为此，我们提出了一种软启动电压检测电路，当软启 动电压达到设定值时，就终止软启动，并将软启动电压 万方数据 半导体学报 第29卷 图4改迸的DAC控制软启动电路(SOFT．OVER；软启动结束信号，COMP：比较器，SW：开关) Fig．4Soft—startcircuitwithimprovedDACcontrol 切换到基准电压，这样既保证了软启动过程的平滑，也 保证了反馈比较基准电压的精度． 3．2新型DAC控制的软启动电路 图4给出了新型DAC控制的软启动电路，与图2 相比增加了软启动电压检测和控制电路，它主要由比较 器(COMP)、RS触发器、切换开关SW构成．电流镜采 用cascode电流镜结构提高镜像精度．另外，增加了 nMOS开关M9和Mll减小电流镜开关时产生的毛刺 电压，R，和Cr组成RC滤波网络进一步虑除毛刺电压 的干扰． 比较器(COMP)检测软启动电压VsoFr，当y。oFT高 于带隙基准(band．gap)电压yBG时，比较器输出低电 平．RS触发器(“0”输入有效)的作用是锁定比较器 (COMP)输出的低信号，并输出软启动结束信号SOFT- OVER去关断计数器时钟信号，停止计数，同时将误差 放大器的基准电压输入切换到精确的带隙基准电压 yBo，保证DC．DC工作环路的精度不受DAC精度的影 响．此外，SOFT．OVER信号通过开关管M1关断软启 动电流镜并关断比较器(COMP)的偏置电流，因此在软 启动结束后整个软启动电路被彻底关断，不消耗任何功 耗．软启动电压检测电路的引入既避免了DAC的精度 问题，又使得软启动电路具有了白关断功能，在软启动 结束后实现了零功耗，实际上启动时间在DC—DC的整 个工作过程中可以忽略，因此可以认为该软启动电路是 零功耗的． 图2所示的电流镜电路在开关管M4和M5导通的 瞬间会在Vsorr上产生一个很大的毛刺电压．为此我们 增加了毛刺消除电路，以其中一路电流镜为例进行分 析．如图5所示，yl和y2分别表示cascode电流镜 pMOS管M3和M6的漏极电位，M9为增加的用来减 小毛刺电压的nMOS开关管，C，。，C砣分别表示M3和 M4漏极到电源ycc的寄生电容．首先假设没有M9的 情况，开关管M8关断时，有Vl=Vc。，V2=Vcc；开关 管M8开启时，有V：=Vcc—ly∞『，V；=Vsovr，其中 y∞近似等于M2的栅源电压．在M8关断和开启前后 y。和y。的变化为 f△V1=V1一Vj=Iyos ⋯ l△V2=V2一y；=Vcc—y娜‘～ 这个电压的变化量在寄生电容Cn和C挖上产生的能量 变化分别为△P。=AV。C，t，△P：=△V2CP2，这两部分 变化的能量在开关管M8开启时全部流过尺。，因此会 在VsoFr上产生毛刺，而且随着电流镜pMOS管尺寸的 增大，寄生电容就会增大，因此毛刺电压也会增大．由于 多路电流镜的电流都汇集到了尺。上，因此该毛刺电压 也就会被累加． ‰ ％c-‰ 图5电流镜毛朝消除电路 Fig．5Circuittoeliminatetheburrofcurrentmirror # 万方数据 第6期 李演明等：一种DC．DC开关电源片上软启动电路 1213 图6 nMOS开关管的作用比较(a)无nMOS开关的情况，(b)增加了 nMOS开关的情况 Fig．6Comparisonofsoft-startwith(b)andwithout(a) nMOSswitches 从上面的推导可以看出，要降低该毛刺电压有两种 方法，减小寄生电容Cr，和CPz或减小y。和yz的变化 量，为了保证电流镜像的比例。减小Cn和C陀不大可 行，我们选择了后者．此处我们增加了NMOS开关管 M9，M8和M9交替导通，保证电流镜电路一直导通，在 M8导通时，有V1=Vcc—yGs，V2=ys0FT；M9导通 时，有Vj=ycc—y僻，V；=0，因此开关切换前后y。 和K的变化为 J△yl=yl—y71=o(6) I△V2=V2一V72=VSOFT ⋯ 比较(6)和(5)式，不难发现毛刺电压被明显降低 了，虽然M9会带来功耗的增加，但是软启动结束后软 启动电路的电流被彻底关断．实际上，在启动过程中增 加的这部分功耗对系统效率的影响是可以忽略的．为了 进一步过滤残留的毛刺电压，我们还增加了RC滤波网 络，由RF和CF组成(其中Rr=20kQ，CF=3pF)，这样 就可以达到较理想的效果．图6是增加nMOS开关前后 毛刺电压的仿真结果，结果表明：增加了nMOS开关后 明显抑制了毛刺电压，虽然仍有向低跳的小毛刺，但是 通过RC滤波基本上已经消除，实际中软启动电压向高 方向跳会造成电感电流向高跳，对系统来说更不利． 时钟输入信号CLK决定着DAC开关周期，DC． t／ms 图7软启动仿真波形 Fig．7Simulatedwaveformsofsoft-start DC振荡器信号可以作为CLK输入．实际上为了保证 软启动过程的平稳和起到可靠的浪涌电流限制作用， DAC开关周期应大于DC．DC开关周期．在实际设计的 电路中DAC的开关周期为12tzs，DC．DC开关周期是 3ps，CLK由DC-DC振荡器进行了4分频得到． 软启动电压每个周期上升的幅值同样影响启动过 程的平稳和浪涌电流限制质量，如果幅值太大，电感电 流在单个软启动周期会冲的很高，输出电压上升也会变 得不平稳．如果太小又会增加DAC位数，因此增加版图 面积．实际设计的电路中软启动电压每个周期上升 8mV，DAC由7位构成．计数器计满，软启动电压上升 的总电压是128×8mV=1024mV，而带隙基准电压 VeG=750mV，对于软启动电压检测来说有1024mV一 750mV=274mV的余量，可以满足DAC中电流镜失配 误差的需要．在7位DAC电流镜设计上，我们并没有采 用1：1：2：4：8：16：32：64镜像比例，而采用的镜 像比例是1：1／4：1／2：1：2：4：8：16，这样可以将 面积缩小为1／4．图7给出了软启动电路的仿真波形，仿 真结果显示：y哪电压在启动过程中以恒定斜率稳定上 升，软启动结束的切换过程连续自然，SOFT—OVER信 号在启动结束后变为低电平，将软启动电路关断，Vsoer 电压降为零，启动时间等于1．2ms． 4 实验结果 本文设计的软启动电路已成功集成到了作者设计 的一款高压Buck型DC-DC控制器当中，采用UMC 0．6vmBCD工艺投片验证，图8给出了该IC的版图照 片，其中左下角的白色框标示了软启动电路在版图上的 位置，整个软启动电路所占面积为0．04mm2． ∞∞∞∞0，：0∞∞∞∞0，：J —u≮毒§骞。郏驴鬈§u >葺飞0 万方数据 1214 半导体学报 第29卷 通过对上述Buck型DC．DC的测试，我们发现：从 空载到满载的整个负载范围内，DC．DC的启动过程都 非常平稳，电感电流变化稳定，输出电压以恒定的斜率 上升，无过冲，非常平滑；启动时间等于1．2ms，与负载、 输入电压及输出电压的大小无关．图9给出了在输出电 压等于2．4V，输出电容等于300弘F的情况下，空载和 6．5A负载下DC．DC启动过程的测试波形． 5 结论 针对开关电源在启动过程中产生输出过冲及出现 浪涌电流的问题，在分析传统软启动电路的基础上，设 计了一种无需软启动引脚和片外软启动电容的新型数 字软启动电路．采用DAC控制和软启动电压检测技术， 不仅有效抑制了DC—DC开关电源启动过程中产生的 图8采用新型软启动电路的Back型控制器版图照片 浪涌电流，而且保证了输出电压上升的平稳性和可靠 Fig．8Diephotoofbuckcontrollerwithproposedsoft-startcir． 性．在启动完成后启动电路的偏置电流被彻底关断，实 cuit 现了低功耗设计．测试结果表明：在整个负载范围内，启 动过程都非常平稳，电感电流变化稳定，输出电压上升 平滑、无过冲；启动时间等于1．2ms，与负载、输入电压 及输出电压的大小无关．作者设计的软启动电路全部由 CMOS器件构成，可以方便地移植到其他DC．DC开关 电源当中． 图9 DC．DC启动测试波形(Vm=5V，Votrr=2．4V，Cotrr=300pF) (a)空载启动；(b)带载启动 Fig．9Measuredwaveformsofsoft-start(V圳=5V，yoUT。 2．4V，Cour=300pF) 参考文献 WangHaiyong，LiYongming·ChenHongyi．Anovelsoft-start circuitforDC／DCswitchingregulatorusingvoltagecompensation technique．Microelectronics，2002，32(1)：20(inChinese)[王海 永，李永明。陈弘毅．一种采用电压补偿技术的De／pC开关电源 软启动电路．微电子学，2002，32(1)：201 PenzinSH，CrainWR，CrawfordKB，eta1．TheSEUpulsewidth modulationcontrollerswithsoftstartandshutdowncircuits．Ra． 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AnOn-ChipSoft-StartCircuitforDC-DCSwitchingRegulators LiYanmin91”，LaiXinquanl，YuanBin91，YeQian91，andJiaXinzhan92 (1InstituteofElectronicCAD，XidianUniversity，Xi’an710071·China) (2MicroelectronicsInstitute，XidianUniversity，X／’an710071，Ch／na) Abstract：Asoft．startcircuitbasedonDAC(digital-to-analogconverter)controlforDC·DCswitchingregulatorispresented．Using thetechniquesofDACcontrolandsoft-startvoltagesense，therushcurrentandovershootoftheoutputvoltageduringstart-uparee- liminatedeffectively，allowingforasmoothoutputvoltagerampfromzerotoregulation．Attheendofstart-up，thebiasedcurrentof thesoft．startcircuitiscutoffcompletely．Consequently，itispower·efficient．ThecircuitisdesignedusingCMOSdeviceswithoutthe needofanyexternalcomponents。SOitissuitableforintegrationinDC·DCswitchingregulators．Theproposedsoft-startcircuithas beenappliedtoaBuckPWMcontrollersuccessfully．Theexperimentalresultsshowthatintheentireloadrangetheoutputofthesys— terncanstartupsmoothly，theinductorcurrentremainsstable，theoutputvoltagerisessmoothlywithoutovershot,andthesoft-start timeisabout1．2ms． Keywords：soft·start；DC·DCswitchingregulator；rushcurrent；overshoot EEACC：2570；1280；8110B ArticleID：0253．4177(2008)06．1210—06 tCorrespondingauthor．Email：ymli2004@126．com Received6November2007，revisedmanuscriptreceived29November2007 @2008ChineseInstituteofElectronics 万方数据 一种DC-DC开关电源片上软启动电路 作者： 李演明， 来新泉， 袁冰， 叶强， 贾新章， Li Yanming， Lai Xinquan， Yuan Bing， Ye Qiang， Jia Xinzhang 作者单位： 李演明,来新泉,袁冰,叶强,Li Yanming,Lai Xinquan,Yuan Bing,Ye Qiang(西安电子科技大 学电路CAD研究所,西安,710071)， 贾新章,Jia Xinzhang(西安电子科技大学微电子研究所 ,西安,710071) 刊名： 半导体学报 英文刊名： JOURNAL OF SEMICONDUCTORS 年，卷(期)： 2008,29(6) 被引用次数： 6次 参考文献(8条) 1.Allen P E;Holberg D R CMOS analog circuit design 2002 2.Lai Xinquan;Guo Jianping;Yu Weixue A novel digital soft-start circuit for DC-DC switching regulator 2005 3.Maxim Integrated Products 1.8V to 28V input,PWM step-up controllers in μMAX 4.Linear Tech Corp IA Step-up 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