一种适用于升压转换电路的新型软启动电路设计*

0   引言

随着便携式电子产品市场及应用的不断扩大，对电源管理电路芯片的需求量也在不断提高0。BoostDC-DC 升压转换电路以其带载范围广，输入电压范围宽，电路工作效率高等优点而受到广泛采用。PWM 电压型调制升压转换电路控制架构如图1 所示。

图1 PWM电压型升压转换电路控制框图

在升压转换电路的启动阶段，由于输出电压从0 开始升压，因此，电路输出端的反馈电压在启动阶段将处在远小于基准电压的低电位，误差放大器同向与反向端的输入失配导致误差放大电路输出较低电此时，误差放大器输出经比较电路处理将输出满占空比控制信号。满占空比控制信号作用于主升压电路将存在以下缺点。

●   将导致使低边功率开关管一直处于导通状态，致电感电流随导通时间的增而不断提高，从而造成输出电压过冲现象。

●   高电感电流流经电路元件时可能会造成电路元现烧坏损毁的情况。

软启动电路的引入将有的避免前述缺生，软启动电路的功能主要是将直流基准电压转换为缓慢变化的信号，防止满占空比控制信号的出现，避了电感电流过大导致的输出电压过冲现象，以及对电路元件可能造成的损毁，保证升压转换电路的正常启动。

传统软启动电路架构是将电容充电电路与误差放大电路的输出通过箝位（CLAMP）电路进行级联，以实现误差放大电路的缓慢变化输出，然而，为保证足够的软启动时间，电路需要采用较大的片外电容。因此，此法将降低整体电路的集成度，大大提高片外电路的复杂度，与此同时，过小的基准电流也难以实现；小占空比充电控制信号的引入将获得较长的软启动时间，但复杂时序模块的引入将增加电路的复杂度；利用RC 电路以及两个误差放大电路实现软启动功能，但运放的引入及电阻电容的使用将大大增加软启动电路的面积及功耗。

1   目标软启动电路的设计

目标软启动电路主要由自启动振荡模块、控制时间产生模块以及软启动电压产生模块构成。本文提出的自启动控制模块软启动电路工作原理如下。

自启动振荡模块将根据基准电压的大小产生相对应占空比的电容充电控制信号，该信号通过控制信号产生模块产生控制电容充电通路的开关信号，此开关信号将控制电容充电通路开关导通及闭合，调整充电周期及充电速率，进而调整基准电压变化速率，实现不同基准电压对应的软启动过程。软启动电路的控制框图架构如图2 所示。

图2 软启动电路控制框图

2.1 自启动振荡模块设计

为了产生适应基准电压的控制信号，电路引入自启动振荡模块，电路结构如图3 所示。

图3 自启动振荡电路架构

自适应启动振荡模块主要是环形振荡电路。环形振荡电路由奇数个反相器构成，上电过程造成供电电压跳变将触发该环形振荡电路产生有一定频率的脉冲控制信号，若环形振荡电路个数固定，则控制信号的频率与环形振荡电路的供电电压成正比。为了产生适应基准电压的控制信号，该模块采用基准电压作为自启动振荡电路的供电电压，与此同时，为了匹配大范围不同基准电压，自适应启动振荡模块的反相器采用二级冗余反相电路，以保证电路在较低基准电压正常启动。

2.2 控制时间产生模块设计

控制时间产生模块主要由电平转换电路及窄脉冲产生电路级联而成，电平转换电路的具体架构如图4 所示。

图4 电平转换电路具体架构

为保证电路能够对自启动振荡模块产生的低幅度控制脉冲进行电平转换，电路模块引入倍乘电路，将幅度为V_REF 控制脉冲进行幅度倍增为2V_REF，该幅度倍增信号将作用于电平转换电路，自启动环形振荡电路输出经电平转换电路将转换为幅度为输入电压、频率不变的高幅度控制脉冲，以保证对开关闭合关断的有效控制。高幅度控制脉冲将输入窄脉冲产生电路，从而产生超小占空比的开关控制信号。基于以上功能描述的窄脉冲产生电路如图5 所示。

图5 窄脉冲发生电路架构

高幅度脉冲经过延时产生模块与原幅度脉冲进行异或，最终窄脉冲发生电路能够产生一个脉冲宽度为延时时间大小的窄脉冲控制信号，该窄脉冲控制信号将最终作用于电容充电电路的开关，延长基准电压软启动时间。

3   软启动电路的仿真及分析

电路以450 mV 基准电压、1 V 输入电压作为电源供给偏置对软启动电路进行仿真，仿真结果表明: 在相应基准电压及输入电压的作用下，自启动环形振荡电路开始振荡，输出一定频率的低压脉冲（图6 上）。该脉冲经电平转换电路（图6 中）及窄脉冲发生电路最终产生控制电容充电电路的窄占空比控制信号（如图6 下）。

图6 软启动控制信号仿真结果

电路在窄占空比的作用下，控制电容电压不断充电，软启动电路的最终输出电压如图7 所示。显然，在软启动作用下，基准电压缓慢从0 开始上升至设定的基准电压，即450 mV 基准电压，在1 V 输入电压下，最终电路产生的软启动时间大约为100 μs，实现了电路软启动功能。

图7 软启动电路输出电压

经测试，目标软启动电路的具体性能如表1 所示。

显然，目标软启动电路能够在大范围基准电压下控制电容充电电路的开关，从而控制电容充电，实现大范围软启动时间的调节，提高电路的适用性，与此同时，电路满足超低功耗的特点。

4   结合软启动电路升压转换电路的仿真分析

将上述软启动电路引入目标PWM 电压型升压转换电路中，最终，主升压电路的控制信号及其占空比变化如图8 所示。

图8 主升压电路控制信号（上）及对应占空比（下）

电路在软启动电路作用下，主升压控制信号的占空比从0 开始缓慢增加，显然，软启动的引入避免了电路启动时造成的满占空比，在此控制信号的作用下，电路最终输出端输出电压如图9 所示。在软启动电路作用下，电路正常启动，避免了输出电压过冲现象，输出端正常升压。

图9 升压转换电路输出电压

5   结束语

本文基于升压转换电路输出电压过冲、无法正常启动的现象设计了一种结构实现简单、低功耗、面积小、集成度较高的软启动电路。仿真结果表明，软启动电路能够实现目标功能，适用于各种不同升压转换电路，确保升压转换电路的正常升压。

参考文献：

[1] 陈卢,石秉学,代铁军,等.高效率高精度开关电源脉宽调制芯片的实现[J].清华大学学报(自然科学版),1999(S1):40-43.

[2] 张在涌,谭小燕,赵永瑞,等.一种用于DC-DC开关电源芯片的新型软启动电路[J].半导体技术,2018,43(02):110-114.

[3] 钟国华,吴玉广.PWM芯片分析及其振荡器电路的简化设计[J].半导体技术,2004(02):65-68.

[4] 张艳红,程帅.升压式DC/DC的软启动电路的设计[J].华侨大学学报(自然科学版),2009,30(06):632-636.

[5] 冯国友.低功耗DC/DC变换器的设计研究[D].杭州:浙江大学,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.低输入BOOST DC/DC转换器的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2010.

基于以上分析，本文提出了一种基于自启动控制模块的电容充电电路组成的软启动电路架构，具有结构易于实现、低功耗、面积小、集成度较高等特点，可广泛用于不同软启动电路。

*本文涉及的设计项目正在申请专利。

作者简介：吴添贤（2000—），男，主要从事模拟IC低功耗电源管理设计及低功耗应用的学习。

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2021年6月期）