应用于升压型DC-DC开关电源中的软启动电路

摘要

本发明公开了一种应用于升压型DC-DC开关电源中的软启动电路，主要解决现有软启动电路存在过冲电压和浪涌电流，以及结构复杂的问题。该软启动电路包括斜波电压产生模块(1)和误差放大器(2)，该误差放大器(2)包括电流镜(21)和放大及补偿环路(22)；该斜波电压产生模块(1)为误差放大器(2)提供渐升电压信号Vss，该电流镜(21)为放大及补偿环路(22)提供电流信号，该放大及补偿环路(22)在启动阶段，输出的电压信号Vc跟随渐升电压信号Vss的上升而上升，启动结束后，基准电压信号V

说明书

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及应用于升压型DC-DC开关电源中的软启 动电路，可用于模拟集成电路。

背景技术

LED自发明以来，以其寿命长、体积小、耗电低、响应时间快、易于调光调色等 优点在各个领域得到了广泛的应用。在开关电源中，为得到足够的亮度，需要很多LED 串联使用。但是，一般便携式设备的输出电压典型值为2.8V到3.6V，不能满足串联LED 所需要的电压。因此，升压型转化器被广泛应用在LED驱动系统中。如图1所示，电 源刚开始上电，其所在芯片的输入电压Vcc较低，误差放大器的反相输入端电压V_FB较低，远小于误差放大器的正相输入端电压V_REF，误差放大器的输出电压为高电平， 从而使功率管的开关占空比较大，电感电流的平均值较大。上电结束后，由于功率管 的开关占空比变小，导致电感电流和输出电压存在很大的尖峰，易烧坏发光二极管。 针对这一问题，软启动电路应运而生。启动阶段误差放大器的正端输入电压V_SOFT逐 渐上升，反馈电压V_FB逐渐上升，避免启动过程中输出电压的过冲现象。

上述软启动电路存在两个缺点，其一是电流镜电路提供的尾电流信号精度较低； 其二是采用两个或多个D触发器控制误差放大器的正端输入电压V_SOFT缓慢上升，使其 结构复杂、成本较高，从而造成软启动电路的实现难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型软启动电路，以解决现有技术结构复杂、成本较 高、精度较低、实现难度较大的问题。

为实现上述目的，本发明包括：斜波电压产生模块1和误差放大器2；该误差放 大器2，包括电流镜21和放大及补偿环路22，其中：

所述斜波电压产生模块1，设有三个输入端和一个输出端，其第一输入端F与其所 在芯片的基准电流信号I2相连；其第二输入端G与其所在芯片的使能信号EN相连；其 第三输入端H与其所在芯片的调节信号T1相连；其输出端I与误差放大器2相连，输出 渐升电压信号Vss；

所述电流镜21，设有一个输入端和三个输出端，其输入端作为误差放大器2的第 四输入端D，并与其所在芯片的基准电流信号I1相连；其第一输出端与放大及补偿环 路22相连，输出镜像电流信号I3；其第二输出端与放大及补偿环路22相连，输出镜像 电流信号I4；其第三输出端与放大及补偿环路22相连，输出镜像电流信号I5；

所述放大及补偿环路22，设有六个输入端和一个输出端，其第一输入端与电 流镜21输入的镜像电流信号I3相连；其第二输入端与电流镜21输入的镜像电流信号 I4相连；其第三输入端与电流镜21输入的镜像电流信号I5相连；其第四输入端作为 误差放大器2的第一输入端A，并与斜波电压产生模块1输入的渐升电压信号Vss相 连；其第五输入端作为误差放大器2的第二输入端B，并与其所在芯片的的反馈电 压V_FB相连；其第六输入端作为误差放大器2的第三输入端C，并与其所在芯片的基 准电压V_REF相连；其输出端在启动阶段，输出的电压信号Vc跟随渐升电压信号Vss 的上升而上升，启动结束后，基准电压信号V_REF和反馈电压信号V_FB进行比较放大， 输出稳定的电压信号Vc。

作为优选，上述软启动电路的斜波电压产生模块1，由10个NMOS管、7个PMOS 管、4个反相器、施密特触发器S1、第三电容C3和第四电容C4连接组成，其中：

第十一PMOS管MP11，其栅极与第四反相器I4的输出端相连，其源极作为斜波 电压产生模块1的输入端F，并与其所在芯片的基准电流信号I2相连，其漏极与第十 NMOS管MN10的漏极相连；

第十NMOS管MN10与第十一NMOS管MN11，其栅极相连，构成电流镜结构； 第十NMOS管MN10的源极与第十二NMOS管MN12的漏极相连；第十一NMOS 管MN11的漏极与第十七PMOS管MP17的漏极相连，第十一NMOS管MN11的源 极与第十七NMOS管MN17的漏极相连；

第十二NMOS管MN12、第十三NMOS管MN13与第十四NMOS管MN14，其 栅极相连构成电流镜结构；第十三NMOS管MN13的漏极与第十六NMOS管MN16 的源极相连；第十四NMOS管MN14的漏极与第十四PMOS管MP14的漏极相连；

第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14与第十五PMOS管MP15，其栅 极相连，构成电流镜结构；第十四PMOS管MP14的漏极与第十六PMOS管MP16 的漏极相连；第十五PMOS管MP15的漏极与第十六PMOS管MP16的源极相连； 第十六PMOS管MP16的栅极与其所在芯片的调节信号T1相连；第十三PMOS管 MP13的漏极与第三电容C3的一端相连；

第十七NMOS管MN17的栅极与第十七PMOS管MP17的栅极相连，并与第三 与非门I3的输出端相连；第三与非门I3，其第一输入端与其所在芯片的使能信号EN 相连，其第二输入端与第二反相器I2的输出端相连；第二反相器I2的输入端与第一 反相器的输出端相连；

第十八NMOS管MN18与第十六NMOS管MN16串联跨接于其所在芯片的电源 电压Vcc与第十三NMOS管MN13的漏极之间，其公共端作为斜波电压产生模块1 的输出端I，输出渐升电压信号Vss；第十八NMOS管MN18的栅极与第十三PMOS 管MP13的漏极相连；第十六NMOS管MN16的栅极与施密特触发器S1的输出端相 连；施密特触发器S1的输入端与第四电容C4的一端相连。

作为优选，上述软启动电路的电流镜21，由2个NMOS管和4个PMOS管连接组成， 其中：

第一NMOS管MN1与第二NMOS管MN2，其栅极相连，构成电流镜结构，其源极 相连，并连接到地；第一NMOS管MN1的漏极，作为误差放大器2的第四输入端D，并 与其所在芯片的基准电流信号I1相连；第二NMOS管MN2的漏极与第一PMOS管MP1 的漏极相连；

第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3与第四PMOS管MP4， 其栅极分别相连，构成电流镜结构；其源极相连，并与其所在芯片的电源电压Vcc相 连；第二PMOS管MP2的漏极作为电流镜21的第一输出端，输出镜像电流信号I3；第 三PMOS管MP3的漏极作为电流镜21的第二输出端，输出镜像电流信号I4；第四PMOS 管MP4的漏极作为电流镜21的第三输出端，输出镜像电流信号I5；

作为优选，上述软启动电路的放大及补偿环路22，由6个NMOS管、6个PMOS管、 第一电容C1、第二电容C2和电阻R1连接组成，其中：

第七PMOS管MP7的源极与第八PMOS管MP8的源极相连，并与电流镜21输入的 镜像电流信号I4相连；第七PMOS管MP7的栅极与第九PMOS管MP9的源极相连；第九 PMOS管MP9的栅极，与其所在芯片的反馈电压V_FB相连；第九PMOS管MP9的漏极与 电流镜21输入的镜像电流信号I3相连；第七PMOS管MP7的漏极与第五NMOS管MN5 的漏极相连；第八PMOS管MP8的栅极与第十PMOS管MP10的源极相连；第十PMOS 管MP10的栅极与其所在芯片的基准电压V_REF相连；第十PMOS管MP10的漏极与电流 镜21输入的镜像电流信号I5相连；第八PMOS管MP8的漏极与第六NMOS管MN6的漏 极相连；

第四NMOS管MN4与第五NMOS管MN5，其栅极相连，构成电流镜结构；第四 NMOS管MN4的漏极与第三NMOS管MN3的源极相连；

第六NMOS管MN6与第七NMOS管MN7，其栅极相连，构成电流镜结构；第七 NMOS管MN7的漏极与第六PMOS管MP6的漏极相连，作为误差放大器2的输出端E， 输出无尖峰的电压信号Vc；

第五PMOS管MP5与第六PMOS管MP6，其栅极相连，构成电流镜结构；第五PMOS 管MP5的漏极与第三NMOS管MN3的漏极相连；第三NMOS管MN3的栅极与斜波电压 产生模块1输入的渐升电压信号Vss相连；

第八NMOS管MN8，其栅极与漏极相连，并与第六PMOS管MP6的漏极相连，其 源极与第四NMOS管MN4的漏极相连；

电阻R1与第一电容C1串联，并与第二电容C2并联跨接于第七NMOS管MN7的漏 极与地之间，起环路补偿的作用；

本发明由于采用斜波电压产生模块，简化了电路结构，提高了电路的精度，降低 了成本，减小了输出电压和电感电流的过冲值。

附图说明

图1为传统软启动电路原理图；

图2为本发明的结构框图；

图3为本发明中斜波电压产生模块原理图；

图4为本发明中误差放大器原理图。

具体实施说明

以下参照附图对本发明作进一步详细描述

参考图2，本发明的软启动电路包括：斜波电压产生模块1和误差放大器2，其中 误差放大器2，包括电流镜21和放大及补偿环路22。

所述电流镜21，其输入端作为误差放大器2的第四输入端D，并与其所在芯片的基 准电流信号I1相连；该电流镜21的第一输出端与放大及补偿环路22相连，输出镜像电 流信号I3，该电流镜21的第二输出端与放大及补偿环路22相连，输出镜像电流信号I4， 该电流镜21的第三输出端与放大及补偿环路22相连，输出镜像电流信号I5。

所述放大及补偿环路22，其第一输入端与电流镜21输入的镜像电流信号I3相 连，该放大及补偿环路22的第二输入端与电流镜21输入的镜像电流信号I4相连，该 放大及补偿环路22的第三输入端与电流镜21输入的镜像电流信号I5相连，该放大及 补偿环路22的第四输入端作为误差放大器2的第一输入端A，并与斜波电压产生模 块1输入的渐升电压信号Vss相连，该放大及补偿环路22的第五输入端作为误差放 大器2的第二输入端B，并与其所在芯片的的反馈电压V_FB相连，该放大及补偿环路 22的第六输入端作为误差放大器2的第三输入端C，并与其所在芯片的基准电压 V_REF相连，该放大及补偿环路22的输出端在启动阶段，输出的电压信号Vc跟随渐 升电压信号Vss的上升而上升，启动结束后，基准电压信号V_REF和反馈电压信号V_FB进行比较放大，输出稳定的电压信号Vc。

所述斜波电压产生模块1，其第一输入端F与其所在芯片的基准电流信号I2相连， 该斜波电压产生模块1的第二输入端G与其所在芯片的使能信号EN相连，该斜波电压 产生模块1的第三输入端H与其所在芯片的调节信号T1相连，该斜波电压产生模块1的 输出端I输出渐升电压信号Vss。

参照图3，本发明的斜波电压产生模块1包括10个NMOS管、7个PMOS管和 4个反相器，即第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10、第十一NMOS管MN11、 第十二NMOS管MN12、第十三NMOS管MN13、第十四NMOS管MN14、第十五 NMOS管MN15、第十六NMOS管MN16、第十七NMOS管MN17、第十八NMOS 管MN18、第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12、第十三PMOS管MP13、 第十四PMOS管MP14、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第十七PMOS 管MP17、施密特触发器S1、第三电容C3和第四电容C4，其中：

第十一PMOS管MP11，其栅极与第四反相器I4的输出端相连，其源极作为斜波电 压产生模块1的输入端F，并与其所在芯片的基准电流信号I2相连，通过控制基准电流 信号I2对第三电容C3的充电时间，保证固定斜率上升的渐升电压V_SS的稳定性；其漏 极与第十NMOS管MN10的漏极相连；

第十NMOS管MN10与第十一NMOS管MN11，其栅极相连，构成电流镜结构；第 十NMOS管MN10的源极与第十二NMOS管MN12的漏极相连；

第十一NMOS管MN11的漏极与第十七PMOS管MP17的漏极相连，第十一NMOS 管MN11的源极与第十七NMOS管MN17的漏极相连；

第十二NMOS管MN12、第十三NMOS管MN13和第十四NMOS管MN14，其 栅极相连构成电流镜结构，其源极相连，并连接到地；

第十三NMOS管MN13的漏极与第十六NMOS管MN16的源极相连；

第十四NMOS管MN14的漏极与第十四PMOS管MP14的漏极相连；

第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14和第十五PMOS管MP15，其栅极相 连，构成电流镜结构，其源极相连，并与其所在芯片的电源电压Vcc相连；

第十四PMOS管MP14的漏极与第十六PMOS管MP16的漏极相连；

第十五PMOS管MP15的漏极与第十六PMOS管MP16的源极相连；

第十六PMOS管MP16的栅极作为斜波电压产生模块1的第三输入端H，并与其所 在芯片的调节信号T1相连；

第十七NMOS管MN17的栅极与第十七PMOS管MP17的栅极相连，并与第三 与非门I3的输出端相连；

第十三PMOS管MP13的漏极与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一 端连接到地；

第三与非门I3，其第一输入端作为斜波电压产生模块1的第二输入端G，并与其 所在芯片的使能信号EN相连，其第二输入端与第二反相器I2的输出端相连；

第二反相器I2的输入端与第一反相器的输出端相连；

第十八NMOS管MN18与第十六NMOS管MN16串联跨接于其所在芯片的电源电 压Vcc与第十三NMOS管MN13的漏极之间，其公共端作为斜波电压产生模块1的输出 端I，输出渐升电压信号Vss；

第十八NMOS管MN18的栅极与第十三PMOS管MP13的漏极相连；

第十六NMOS管MN16的栅极与施密特触发器S1的输出端相连；

施密特触发器S1的输入端与第四电容C4的一端相连；第四电容C4的另一端连接 到地；

在软启动电路上电时，软启动过程时间由斜波电压产生模块1输出的渐升电压信 号V_SS的上升斜率决定，渐升电压信号V_SS的上升斜率由斜波电压产生模块1输入的基 准电流I1和第三电容C3决定；第三电容C3控制斜波电压产生模块1输出的渐升电压信 号V_SS的斜率大小，施密特触发器S1控制渐升电压信号V_SS的最大电压值，第一反相器 I1、第二反相器I2起滤波整形的作用，第四反相器I4的输出电压控制第十一PMOS管 MP11和第九NMOS管MN9的导通与关断，第四反相器I4输出高电平时，渐升电压信号 V_SS拉低，第四反相器I4输出低电平时，软启动电路正常工作，第三与非门I3的输出控 制第十七NMOS管MN17和第十七PMOS管MP17的导通与关断，进而控制第三电容C3 的充放电。斜波电压产生模块1输出的渐升电压信号V_SS控制误差放大器2的输出电压 V_C，在软启动阶段误差放大器2的输出电压V_C等于渐升电压V_SS，结合升压型DC-DC 芯片的环路工作原理，误差放大器2的输出值V_C越大，其所在芯片开关管的占空比越 大，斜波电压产生模块1输出的电压信号V_C缓慢上升至稳定，开关管占空比缓慢变大， 避免了输出电压和电感电流的过冲。

参考图4，本发明运算放大器2中的电流镜21和放大及补偿环路22，其电路结构如 下：

所述电流镜21，包括2个NMOS管和4个PMOS管，即第一NMOS管MN1、第二 NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS 管MP4，其中：

第一NMOS管MN1与第二NMOS管MN2，其栅极相连，构成电流镜结构，其源极 相连，并连接到地；第一NMOS管MN1的漏极，作为误差放大器2的第四输入端D，并 与其所在芯片的基准电流信号I1相连，该基准电流I1可决定误差放大器2工作电流的大 小；第二NMOS管MN2的漏极与第一PMOS管MP1的漏极相连；

第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4， 其栅极分别相连，构成电流镜结构，其源极相连，并与其所在芯片的电源电压Vcc相 连；第二PMOS管MP2的漏极作为电流镜21的第一输出端，并与放大及补偿环路22相 连，输出镜像电流信号I3；第三PMOS管MP3的漏极作为电流镜21的第二输出端，并 与放大及补偿环路22相连，输出镜像电流信号I4；第四PMOS管MP4的漏极作为电流 镜21的第三输出端，并与放大及补偿环路22相连，输出镜像电流信号I5。

所述放大及补偿环路22，包括6个NMOS管和6个PMOS管，即第三NMOS管MN3、 第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第 八NMOS管MN8、、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八 PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第一电容C1、第二电容C2和 电阻R1，其中：

第七PMOS管MP7，其源极与第八PMOS管MP8的源极相连，并与电流镜21输入 的镜像电流信号I4相连；其栅极与第九PMOS管MP9的源极相连；其漏极与第五NMOS 管MN5的漏极相连；

第九PMOS管MP9，其栅极作为误差放大器2的第二输入端Ｂ，并与其所在芯片的 反馈电压V_FB相连，该反馈电压V_FB可确定发光二极管的电流；其漏极与电流镜21输入 的镜像电流信号I3相连；

第十PMOS管MP10，其源极与第八PMOS管MP8的栅极相连；其栅极作为误差放 大器2的第三输入端C，并与其所在芯片的基准电压V_REF相连，该基准电压V_REF用来确 定反馈电压V_FB的大小；其漏极与电流镜21输入的镜像电流信号I5相连；

第八PMOS管MP8的漏极与第六NMOS管MN6的漏极相连；

第九PMOS管MP9和第十PMOS管MP10用来降低所输入共模电压，确保正常工作 时误差放大器2中的每个MOS管都工作在饱和区；

第四NMOS管MN4与第五NMOS管MN5，其栅极相连，构成电流镜结构，其源极 相连，并连接到地；

第四NMOS管MN4的漏极与第三NMOS管MN3的源极相连；

第六NMOS管MN6与第七NMOS管MN7，其栅极相连，构成电流镜结构，其源极 相连，并连接到地；

第七NMOS管MN7的漏极与第六PMOS管MP6的漏极相连，并作为误差放大器2 的输出端E，输出无尖峰电压信号Vc；

第五PMOS管MP5与第六PMOS管MP6，其栅极相连，构成电流镜结构，其源极 相连，并连接到地；

第五PMOS管MP5的漏极与第三NMOS管MN3的漏极相连；

第三NMOS管MN3的栅极作为误差放大器2的输入端A，并与斜波电压产生模块1 输入的渐升电压信号Vss相连，误差放大器2在上电阶段的输出电压Vc仅由渐升电压信 号Vss控制，实现输出电压Vc平稳升上，上电结束后，通过误差放大器2中的负反馈环 路保证其所在芯片的基准电压V_REF和反馈电压V_FB相等，从而第三NMOS管MN3与第 八NMOS管MN8共同作用使其所在芯片的开关管占空比突变减小，输出电压Vc的尖峰 值变小；

第八NMOS管MN8，其栅极与漏极相连，并与第六PMOS管MP6的漏极相连，其 源极与第四NMOS管MN4的漏极相连；

电阻R1与第一电容C1串联，并与第二电容C2并联跨接于第七NMOS管MN7的漏 极与地之间；电阻R1和第一电容C1起到补偿环路稳定性的作用。

本发明的具体工作原理如下：

当斜波电压产生模块1输入的使能信号EN为低电平时，渐升电压信号V_SS为低电 平；斜波电压产生模块1输入的调节信号T1通过调节第一电容C1的电流，进而调节斜 波电压产生模块输出渐升电压信号Vss的时间；当其所在芯片的输入电压Vcc达到芯片 正常工作电压范围时，使能信号EN变为高电平，软启动电路开始工作。在刚开始工 作时，第三电容C3上的电压为零，第十七NMOS管关断，第三电容C3处于充电状态， 当第三电容C3上的电压到达第十一NMOS管MN11的源极电压时，仅由第十三PMOS 管MP13给第三电容C3充电，该充电电流由其所在芯片的基准电流信号I1决定。在充 电过程中，第三电容C3上的电压逐渐变大，经过第十八NMOS管MN18的跟随，渐升 电压V_SS逐渐上升，当渐升电压V_SS的值达到施密特触发器S1的翻转电压时，施密特触 发器S1输出端变为低电平，第十二PMOS管MP12导通，第十六NMOS管MN16关断， 渐升电压V_SS被拉为高电平，此后，渐升电压V_SS将一直保持高电平，软启动过程结束。

软启动时间t的表达式如下：

$t=\frac{(V_{\mathrm{SMIT}}+V_{\mathrm{GS}18}-V_{\mathrm{GS}12})*C3}{I_{M13}}$

式中，V_SMIT为施密特触发器S1的翻转电压，V_GS16为第十六NMOS管的栅源电 压差，V_GS4为第四NMOS管M4的栅源电压差，I_M15为第十五PMOS管上的电流：

I_M13＝βI_REF

式中，I_REF为其所在芯片的基准电流，β为第十一NMOS管MN11的宽长比与 第十五PMOS管MP15的宽长比的比值。

误差放大器2的反相输入端输入的反馈电压V_FB可确定发光二极管的电流；其 所在芯片的基准电流I1可确定误差放大器2的工作电流；第三NMOS管MN3和第 八NMOS管MN8的宽长比相同，软启动电路上电时，误差放大器2输出的电压信号 V_C会跟随斜波电压产生模块1输出的渐升电压V_SS逐渐上升，此时电压信号V_C的值 为：

Vc＝Vss-V_GS3+V_GS8，

式中，V_GS3为第三NMOS管MN3的栅源电压差，V_GS8为第八NMOS管MN8的 栅源电压差。电压信号V_C上升过程中，反馈电压V_FB也会逐渐上升，当反馈电压V_FB与基准电压V_REF相等时，电压信号V_C将停止上升，达到稳定，软启动过程结束；

软启动电路结束后，V_SS仍会继续上升，直到到达施密特触发器的翻转电压V_SMIT后，反馈电压V_FB将跳变到电源电压V_CC，第三NMOS管MN3工作在深线性区，相 当于导线。此时，第八NMOS管MN8的源极电压V_S为：

V_S＝Vcc-V_GS5-V_DS3

式中，V_GS5为第五PMOS管MP5的栅源电压差，V_DS3为第三NMOS管MN3的 漏源电压差。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的 构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。