同步整流BOOST型DC/DC軟啟動電路

李 良，來鵬飛，曹發(fā)兵，陳 峰

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

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同步整流BOOST型DC/DC軟啟動電路

李 良，來鵬飛，曹發(fā)兵，陳 峰

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

摘 要：針對開關(guān)電源啟動中出現(xiàn)浪涌電流的問題，設(shè)計了一種通過控制電流的方式來實現(xiàn)升壓電路中的軟啟動電路，避免了在切入正常調(diào)制時出現(xiàn)較大過沖的現(xiàn)象。通過仿真，所設(shè)計的5 V BOOST同步整流DC/DC電路輸出電壓曲線平滑穩(wěn)定，未在啟動階段出現(xiàn)浪涌電流和結(jié)束后的較大過沖電壓。通過對0.5 μm 5 V CMOS工藝流片后的電路測試，結(jié)果證明利用該設(shè)計，5 V升壓電路實現(xiàn)了預(yù)期的軟啟動作用，并可靈活應(yīng)用在其他DC/DC同類開關(guān)電源管理芯片中。

關(guān)鍵詞：軟啟動電路；浪涌電流；DC/DC開關(guān)電源；BOOST；5 V CMOS工藝

1　引言

近年來，便攜式電子設(shè)備因其靈活方便且功能齊全而逐漸占據(jù)了人們的生活，它的發(fā)展促使著電源管理芯片的需求量逐漸上升[1]，而相比于LDO穩(wěn)壓電路，在輸入電源電壓和所接負(fù)載都很寬泛的情況下，DC/DC開關(guān)電源在工作效率上有著極為優(yōu)秀的表現(xiàn)，因此被廣泛應(yīng)用。在常見的DC/DC開關(guān)電源設(shè)計里，在啟動初始過程中，誤差放大器處于一邊傾斜的狀態(tài)，整個開關(guān)電源環(huán)路就會在100%的占空比下工作，這樣極易出現(xiàn)較大浪涌電流的現(xiàn)象，芯片內(nèi)部的開關(guān)驅(qū)動管和外圍的器件極易受到損壞，因此出現(xiàn)了軟啟動的設(shè)計想法。

2　軟啟動原理

圖 1為電壓BOOST模型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路。

圖1　BOOST型DC-DC原理圖

該電路最終的穩(wěn)定狀態(tài)是由輸出電壓的采樣值與芯片內(nèi)部參考電壓值的誤差放大后，通過與設(shè)定的三角波電壓比較得出的占空比來控制輸出電容的充放電調(diào)整輸出電壓。在DC/DC開關(guān)電源啟動的初始階段，由于輸出電壓幾乎為0，所以對輸出電壓采樣后的電壓Vfb遠低于參考電壓 Vref，此時誤差放大器Vea的輸出電壓值大于設(shè)定的三角波Vtr的上限值，這樣PWM比較器的輸出會一直為0，此時開關(guān)驅(qū)動管的控制信號處在100%所設(shè)最大占空比。輸出電容在這種充電狀態(tài)下，會產(chǎn)生如浪涌般的電流迅速灌入，設(shè)計的電容大小、需求的輸出電壓大小和啟動時間長短決定了該電流所能達到的大小。電容上電流的大小計算如下：

假設(shè)輸出電壓呈線性增長，啟動狀態(tài)的時間為30 μs，所需要的輸出電壓為5 V，輸出電容為150 μF，通過上述公式可以計算出浪涌電流為25 A。對于該系統(tǒng)來說，已經(jīng)遠遠超過其額定電流，將會燒壞MOSFET和其他器件，造成系統(tǒng)癱瘓[2]。

為了消除啟動時的浪涌電流，通常的設(shè)計思路會考慮在基準(zhǔn)電壓的設(shè)置上著手，比如加一緩慢變化的斜坡參考電壓作用在啟動的初始階段，這樣雖然可以實現(xiàn)軟啟動作用，但它存在如下的缺點：（1）需要引出引腳外加大電容或在芯片內(nèi)部集成大電容[3,4]。（2）電感上的電流和輸出的電壓在該過程中的數(shù)值并不是很平滑。

3　同步整流5 V BOOST DC/DC軟啟動系統(tǒng)設(shè)計

在DC/DC開關(guān)電源應(yīng)用于電源電壓低的同時又需要提供大的輸出驅(qū)動電流的場合下，若使用常見的整流方式，效率會很低。為了解決這個問題，便引入了同步整流的方法[5]，該技術(shù)將傳統(tǒng)的肖特基二極管用大的PMOS管來替換，通過同步調(diào)制信號對 PMOS管和NMOS調(diào)制管進行控制來實現(xiàn)電壓的調(diào)整。

考慮到常用軟啟動方法所帶來的一系列問題，同時再結(jié)合上述同步整流技術(shù)的結(jié)構(gòu)，本文提出了一種有效的軟啟動電路，對于該設(shè)計的想法作如下闡述。

設(shè)計軟啟動的初衷在于解決在電路啟動階段出現(xiàn)的浪涌電流的問題，使得輸出電壓從開始到理想值變化得比較平滑。本文的設(shè)計將工作過程分為兩個階段：

（1）限流啟動階段。該階段的設(shè)計在于控制電感上的電流，根據(jù)輸出電壓的范圍來切換每個范圍恒定電感電流的大小，這樣既安全又能保證輸出電壓值平穩(wěn)地變化，當(dāng)然在該過程中需要保證整個電壓反饋系統(tǒng)失去作用，完全由電感電流控制環(huán)路來工作。

（2）PWM調(diào)制切換階段。該階段的判斷在于輸出電壓超過了電路中所設(shè)定的閾值，此時電壓反饋系統(tǒng)恢復(fù)作用，輸出電壓從限流啟動階段切入到PWM調(diào)制階段，經(jīng)過一定時間的PWM調(diào)制，輸出電壓安全平穩(wěn)地邁入理想的電壓值，避免了較大的電壓和電流過沖。

本文設(shè)計的軟啟動電路邏輯結(jié)構(gòu)如圖 2，主要由限流控制模塊和預(yù)設(shè)控制模塊組成。

圖2　軟啟動核心模塊

電路在啟動初始，輸出電壓很低，完全沒有達到閾值電壓，此時驅(qū)動N管被關(guān)閉，整個電壓反饋回路失去作用，對輸出電壓進行采樣，電感電流控制模塊判斷輸出電壓所處范圍，給替代肖特基二極管的PMOS管的柵極提供逐漸減小的電壓來控制流過電感的電流，使其逐漸提高對電容充電的電流，保證輸出電壓能夠穩(wěn)定上升，直到輸出電壓超過了軟啟動階段的閾值，兩個控制邏輯組合后將系統(tǒng)從軟啟動階段切換進入PWM調(diào)制階段。

4　同步整流5 V BOOST DC/DC啟動電路設(shè)計

該電路的軟啟動包括兩個模塊，分別是預(yù)設(shè)控制模塊和限流控制模塊，圖3為預(yù)設(shè)控制模塊的內(nèi)部主要原理圖。

圖3　預(yù)設(shè)控制模塊

在初始啟動階段，輸出電壓VOUT較低，MOS管P1開啟，此時該模塊會關(guān)閉驅(qū)動管N管的調(diào)制信號，保證在軟啟動階段PWM調(diào)制模塊不工作，同時使能電感電流控制模塊，使其工作，而當(dāng)VOUT輸出逐漸上升到B處的翻轉(zhuǎn)電壓VT時，

其中流過R1支路的電流I0的大小為：

此時的輸出電壓VOUT就達到了預(yù)設(shè)的電壓值，此時該控制模塊會釋放對調(diào)制模塊的使能，同時也將電感電流控制模塊關(guān)閉，使軟啟動階段切換進入PWM調(diào)制階段。

那么預(yù)設(shè)電壓值的大小為：

所以可以通過設(shè)置R2的值來調(diào)整所需要的最佳預(yù)設(shè)電壓值。

圖 4為限流控制模塊內(nèi)部主要原理圖。

圖4　限流控制模塊

當(dāng)VOUT電壓為0時，圖3的預(yù)設(shè)控制模塊使能N3管，使其打開，由于VOUT電壓過低，MOS管P1導(dǎo)通，MOS管N4、N5和N6關(guān)閉，此時輸出控制建立初始值V1，設(shè)流過P3管的電流為I0，那么

（RX為不同階段下的電阻大小）

第一個階段限制電感電流為200 mA對電容充電，當(dāng)輸出電壓值達到第一個閾值，通過計算可以得出（設(shè)流過N10的電流為I1）：

此時N4打開，電阻R1短接，即RX電阻值變小，此時進入控制電流的第二階段，此時限制電感的電流為650 mA對電容充電，當(dāng)輸出電壓達到第二個閾值，通過計算可以得出：

此時N5打開，電阻R1、R2短接，即RX電阻值變小，此時進入控制電流的第三階段，此時限制電感電流為1 A對電容充電，當(dāng)輸出電壓達到第三個閾值，通過計算可以得出：

此時N6打開，電阻R1、R2、R3短接，即RX電阻值變小進入最后一個可控電流階段。當(dāng)然如果在某一個階段輸出電壓已經(jīng)達到了預(yù)設(shè)軟啟動電壓，就不會進入下一個階段（電源電壓由電池提供，是可變的）。當(dāng)超過預(yù)設(shè)軟啟動電壓（當(dāng)前為電源電壓的90%）后切換進入PWM調(diào)制階段。

5　模擬仿真波形及結(jié)果

本文所提出的軟啟動電路使用在一同步BOOST型的 DC/ DC開關(guān)電源管理芯片中。在0.5 μm 5 V CMOS工藝模型下，通過Hspice仿真該電路的性能參數(shù)。

在輸入電壓為3 V~4.2 V寬電源電壓、輸出電壓為5 V時，當(dāng)不采用軟啟動電路、空載的條件下，可以看到輸出電壓和電感電流的變化如圖5所示。

圖5　輸出電壓及電感電流變化曲線

輸出電流可以達到20 A左右，對于低壓器件來說是無法承受的，而采用加入本文設(shè)計的軟啟動設(shè)計后，電感電流和輸出電壓的曲線如圖 6所示。

圖6　軟啟動輸出電壓及電感電流變化曲線

圖6可以看出輸出電壓從0 V到穩(wěn)定5 V的過程中無過沖現(xiàn)象，同時電感上的電流在軟啟動結(jié)束向PWM調(diào)制階段并無較大的過沖現(xiàn)象發(fā)生，最大電流只有1.3 A，符合設(shè)計要求。

通過以上分析驗證和對比可知本文的軟啟動思路是可行的。

6　試驗結(jié)果

圖7為采用本軟啟動設(shè)計的電源管理芯片的版圖概貌，圖中白圈內(nèi)為BOOST型DC/DC控制器部分。

圖7　采用軟啟動設(shè)計的電源管理芯片版圖

采用0.5 μm 5 V CMOS工藝流片，通過對封裝后芯片的測試結(jié)果表明，軟啟動電路完全符合設(shè)計要求，實現(xiàn)了預(yù)期的軟啟動作用。

圖 8所示為BOOST型DC/DC測試波形，電路輸出電壓曲線平滑穩(wěn)定，未在啟動階段出現(xiàn)較大過沖電壓，芯片可以正常工作。

圖8　BOOST型DC/DC測試波形

7　結(jié)論

在設(shè)計BOOST型開關(guān)電源的過程中，為了解決在啟動初始階段出現(xiàn)的浪涌電流現(xiàn)象，在學(xué)習(xí)常用軟啟動電路的基礎(chǔ)上，同時借助同步整流方式的特殊性，通過電感電流和閾值電壓控制方式，保證了在啟動初始階段輸出電壓的安全和穩(wěn)定的上升。該電路集成在一款多功能電源管理芯片中，采用0.5 μm 5 V CMOS工藝流片，通過對封裝后芯片的測試，結(jié)果證明利用該設(shè)計，5 V升壓電路實現(xiàn)了預(yù)期的軟啟動作用。本文的軟啟動設(shè)計思路同樣可以作為其他DC/DC開關(guān)電源電路的設(shè)計參考。

參考文獻：

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[2] 李演明，來新泉，賈新章，代國定. 一種DC/DC開關(guān)電源的新穎軟啟動電路設(shè)計[J]. 電子器件，2008，36(3): 01-02.

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[5] Moore B D. Synchronous rectification aids low-voltage power supplies[J]. EDN, 1995 (4): 127-136.

李 良（1990—），男，江蘇鹽城人，2009年畢業(yè)于南通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，助理工程師，主要從事模擬集成電路研究工作。

Synchronous Rectification DC/DC BOOST Soft Start Circuit

LI Liang, LAI Pengfei, CAO Fabing, CHEN Feng （Wuxi I-core Electronics Co., Ltd. Wuxi 214072, China）

Abstract:For switch power surge current problems appear in the start, we design a control current ways to boost circuit to realize the soft start circuit, avoided in there is greater than rush into normal modulation. Through simulation, the output voltage curve of BOOST 5 V synchronous rectification DC/DC circuit is smooth and stable, and the surge current and the overshoot voltage are not at the start stage. Based on the circuit test after 0.5 μm 5 V CMOS process flow sheet. The results show that using the design, the 5 V voltage booster circuit can realize the soft start is expected. And can be flexible used in other similar DC/DC switching power management chip.

Keywords:soft-start circuit; surge current; DC/DC switching mode power supply; BOOST; 5 V CMOS process

作者簡介：

收稿日期：2015-10-27

中圖分類號：TN402

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）01-0021-04