一种应用于DC-DC转换器的软启动电路的制作方法

一种应用于dc-dc转换器的软启动电路
技术领域
1.本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种应用于dc-dc转换器的软启动电路。


背景技术：

2.随着通讯、计算机和消费电子等领域的快速发展，电源管理的需求量也越来越大。但是在启动过程中，dc-dc转换器容易产生浪涌电流和输出电压过冲，从而损坏功率晶体管、后续电路甚至供电电池。为防止此种情况，最常用的方法是应用软启动电路，该电路能够控制dc-dc转换器输出电压从零到目标值的斜升速度。如图1中的(a)所示，传统的软启动电路应用一个电流源对一个电容器进行充电，以限制误差放大器的参考电压v
ref
的上升速度，v
ref
波形如图1中的(b)所示。使dc-dc转换器的占空比信号将从零逐渐增加到标称值，因此可以抑制浪涌电流和输出电压过冲。
3.然而，由于参考电压v
ref
需要以相对较小的速率上升，则需要较大的电容值来实现该方法，因此传统的软启动电路中电容难以集成在芯片内部，使得整体成本和电路尺寸增加。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于dc-dc转换器的软启动电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种应用于dc-dc转换器的软启动电路，包括偏置电流产生电路、窄脉冲时钟产生器、斜坡电压产生器、第一比较器和二选一电路，其中，
6.所述偏置电流产生电路分别连接所述窄脉冲时钟产生器的输入端和所述斜坡电压产生器的输入端，所述偏置电流产生电路用于产生固定偏置电流；
7.所述窄脉冲时钟产生器连接所述斜坡电压产生器的时钟信号输入端，用于产生窄脉冲时钟信号clk；
8.所述斜坡电压产生器连接所述第一比较器的同相输入端，用于根据所述窄脉冲时钟信号clk产生斜坡电压v
ss
；
9.所述第一比较器的反相输入端输入外部基准电压v
ref
，输出端与所述二选一电路连接，用于对所述斜坡电压v
ss
和所述外部基准电压v
ref
进行比较，并根据比较结果输出使能信号en；
10.所述二选一电路，用于根据所述使能信号en选择并输出斜坡上升基准电压v
ref_ss
。
11.在本发明的一个实施例中，所述偏置电流产生电路包括，第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第一电阻和第二电阻；
12.其中，所述第一nmos管的栅极输入所述外部基准电压v
ref
，所述第一nmos管源极分别连接所述第二nmos管的源极和所述第一电阻的第一端，所述第一电阻第二端连接接地端，所述第一nmos管的漏极分别连接所述第一pmos管的漏极和栅极；
13.所述第二nmos管的栅极分别连接所述第三nmos管的源极和所述第二电阻的第一端，所述第二电阻第二端连接所述接地端，所述第二nmos管的漏极分别连接所述第三nmos管的栅极和所述第二pmos管的漏极；所述第三nmos管的漏极连接所述第三pmos管的漏极；
14.所述第一pmos管的栅极分别连接所述第二pmos管的栅极和所述第三pmos管的栅极；所述第一pmos管、所述第二pmos管和所述第三pmos管的源极均连接电源电压端。
15.在本发明的一个实施例中，所述窄脉冲时钟产生器包括，第四pmos管、第四nmos管、或门、第一电容和第二比较器；
16.其中，所述第四pmos管的栅极连接所述第三pmos管的栅极，所述第四pmos管的源极连接所述电源电压端，所述第四pmos管的漏极分别连接所述第二比较器的同相输入端、所述第一电容的上极板和所述第四nmos管的漏极，所述第一电容的下极板连接所述接地端；
17.所述第四nmos管的栅极连接所述或门的输出端，所述第四nmos管的源极连接所述接地端；
18.所述第二比较器的反相输入端输入所述外部基准电压v
ref
，所述第二比较器的输出端分别连接所述或门的第一输入端和所述斜坡电压发生器的时钟信号输入端；
19.所述或门的第二输入端连接所述第一比较器的输出端。
20.在本发明的一个实施例中，所述斜坡电压产生器包括，第五pmos管、第六pmos管、第二电容和第一非门；
21.其中，所述第一非门的输入端连接所述第二比较器的输出端，所述第一非门的输出端连接所述第六pmos管的栅极；
22.所述第五pmos管的栅极连接所述第四pmos管的栅极，所述第五pmos管的源极连接所述电源电压端，所述第五pmos管的漏极连接所述第六pmos管的源极；
23.所述第六pmos管的漏极分别连接所述第二电容的上极板和所述第一比较器的同相输入端，所述第二电容下极板连接所述接地端。
24.在本发明的一个实施例中，所述二选一电路包括，第六nmos管、第五nmos管和第二非门；
25.其中，所述第六nmos管的栅极分别连接所述第一比较器的输出端和所述第二非门的输入端，所述第六nmos管的源极输入所述外部基准电压v
ref
，所述第六nmos管的漏极连接所述第五nmos管的漏极，所述第六nmos管的漏极作为所述二选一电路的输出端输出斜坡上升基准电压v
ref_ss
；
26.所述第五nmos管的栅极连接所述第二非门的输出端，所述第五nmos管的源极输入所述斜坡电压v
ss
。
27.在本发明的一个实施例中，所述第一比较器包括第七nmos管、第八nmos管、第九nmos管、第十nmos管、第十一nmos管、第十二nmos管、第七pmos管、第八pmos管、第九pmos管、第十pmos管和第十一pmos管；
28.其中，所述第七nmos管、第八nmos管、第九nmos管、第十nmos管、第十一nmos管和第十二nmos管的源级均连接所述接地端；
29.所述第七nmos管的栅极连接所述第八nmos管的漏极，所述第七nmos管的漏极分别连接所述第九nmos管的漏极和栅极及所述第十一nmos管的栅极；
30.所述第八nmos管的栅极连接所述第七nmos管的漏极，所述第八nmos管的漏极分别连接所述第十nmos管的栅极和漏极及所述第十二nmos管的栅极；
31.所述第十一nmos管的漏极分别连接所述第九pmos管的漏极和栅极；所述第十二nmos管的漏极连接所述第十pmos管的漏极；
32.所述第七pmos管的栅极作为所述第一比较器的反相输入端，所述第七pmos管的源极分别连接所述第八pmos管的源极和所述第十一pmos管的漏极，所述第七pmos管的漏极连接所述第七nmos管的漏极；所述第八pmos管的栅极连接作为所述第一比较器的同相输入端，所述第八pmos管的漏极连接所述第八nmos管的漏极；
33.所述第九pmos管的源极、所述第十pmos管的源极和所述第十一pmos管的源级均连接所述电源电压端；
34.所述第九pmos管的栅极连接所述第十pmos管的栅极；所述第十pmos管的漏极作为所述第一比较器的输出端；所述第十一pmos管的栅极接外部偏置电压vb。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
36.本发明的应用于dc-dc转换器的软启动电路，设置的窄脉冲时钟产生器采用驰豫振荡器结构，产生窄脉冲时钟信号，控制斜坡电压产生器中电容间歇性充电，抑制浪涌电流和输出电压过冲，实现控制斜坡电压的上升速度，延长软启动时间的效果。通过电路配置，能够减小所需的电容值，减小电容器尺寸和电路尺寸，进而实现软启动电路中电容的全集成，节约整体成本。
37.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
38.图1为传统软启动电路的示意图，图1中(a)为传统软启动电路的结构示意图，图1中(b)为传统软启动电路的误差放大器的外部基准电压v
ref
波型图；
39.图2为本发明实施例提供的一种应用于dc-dc转换器的软启动电路的结构框图；
40.图3为本发明实施例提供的一种应用于dc-dc转换器的软启动电路的电路图；
41.图4为本发明实施例提供的比较器的电路图；
42.图5为本发明实施例提供的仿真结果。
具体实施方式
43.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种应用于dc-dc转换器的软启动电路进行详细说明。
44.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
45.实施例一
46.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种应用于dc-dc转换器的软启动电路的结构框图。
47.如图2所示，本实施例的软启动电路包括偏置电流产生电路10、窄脉冲时钟产生器20、斜坡电压产生器30、第一比较器40和二选一电路50。
48.具体地，电源电压端vdd输出电源电压为电路供电，偏置电流产生电路10输入基准电压v
ref
，输出固定偏置电流，具体地，偏置电流产生电路10分别连接窄脉冲时钟产生器20的输入端和斜坡电压产生器30的输入端，偏置电流产生电路10产生窄脉冲时钟产生器20和斜坡电压产生器30对应所需的偏置电流i
b1
和偏置电流i
b2
。
49.窄脉冲时钟产生器20连接斜坡电压产生器30的时钟信号输入端，窄脉冲时钟产生器20用于产生窄脉冲时钟信号clk。斜坡电压产生器30连接第一比较器40的同相输入端，斜坡电压产生器30用于根据窄脉冲时钟信号clk产生斜坡电压v
ss
。具体地，第一比较器40的输出信号经过整形后输出高低电平周期变化的窄脉冲时钟信号clk。
50.第一比较器40的反相输入端输入外部基准电压v
ref
，输出端与二选一电路50连接，第一比较器40用于对斜坡电压v
ss
和外部基准电压v
ref
进行比较，并根据比较结果输出使能信号en；二选一电路50，用于根据使能信号en选择并输出斜坡上升基准电压v
ref_ss
。具体地，当斜坡电压v
ss
大于外部基准电压v
ref
时，输出使能信号en为高电位，二选一电路50输出外部基准电压v
ref
，否则，输出使能信号en为低电位，二选一电路50输出斜坡电压v
ss
。
51.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种应用于dc-dc转换器的软启动电路的结构示意图。
52.如图3所示，在具体实施例中，偏置电流产生电路10包括，第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第一电阻r1和第二电阻r2。
53.具体地，第一nmos管mn1的栅极输入外部基准电压v
ref
，第一nmos管mn1源极分别连接第二nmos管mn2的源极和第一电阻r1的第一端，第一电阻r1第二端连接接地端gnd，第一nmos管mn1的漏极分别连接第一pmos管mp1的漏极和栅极。
54.第二nmos管mn2的栅极分别连接第三nmos管mn3的源极和第二电阻r2的第一端，第二电阻r2第二端连接接地端gnd，第二nmos管mn2的漏极分别连接第三nmos管mn3的栅极和第二pmos管mp2的漏极；第三nmos管mn3的漏极连接第三pmos管mp3的漏极。
55.进一步地，第一pmos管mp1的栅极分别连接第二pmos管mp2的栅极和第三pmos管mp3的栅极；第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源极均连接电源电压端vdd。
56.在具体实施例中，偏置电流产生电路10采用v-i转换结构，利用负反馈原理将外部基准电压v
ref
钳位到第二电阻r2上，从而产生固定偏置电流ib，表达式如下：
[0057][0058]
其中，v
ref
为外部基准电压，ib为固定偏置电流，r2为第二电阻电阻值。
[0059]
进一步地，该电流经过由第四pmos管mp4和第五pmos管mp5组成的电流镜，为窄脉冲时钟产生器20和斜坡电压产生器30分别提供偏置电流i
b1
和偏置电流i
b2
。
[0060]
在具体实施例中，窄脉冲时钟产生器20包括，第四pmos管mp4、第四nmos管mn4、或
门or1、第一电容c1和第二比较器20-1。
[0061]
具体地，第四pmos管mp4的栅极连接第三pmos管mp3的栅极，第四pmos管mp4的源极连接电源电压端vdd，第四pmos管mp4的漏极分别连接第二比较器20-1的同相输入端、第一电容c1的上极板和第四nmos管mn4的漏极，第一电容c1的下极板连接接地端gnd。
[0062]
第四nmos管mn4的栅极连接或门or1的输出端，第四nmos管mn4的源极连接接地端gnd。
[0063]
进一步地，第二比较器20-1的反相输入端输入外部基准电压v
ref
，第二比较器20-1的输出端分别连接或门or1的第一输入端和斜坡电压发生器30的时钟信号输入端；或门or1的第二输入端连接第一比较器40的输出端。
[0064]
在具体实施例中，在软启动电路工作时，偏置电流i
b1
对第一电容c1充电，此时或门or1的第二输入端为低电位，所述或门or1由第一输入端控制，即由第一比较器40控制。
[0065]
进一步地，经过偏置电流i
b1
持续充电，第一电容c1上电压v
c1
超过外部基准电压v
ref
，第二比较器20-1输出高电平信号，第四nmos管mn4打开，此时，第一电容c1的电平降至零，此时第二比较器20-1输出会瞬速变成低电平信号，周而复始，可以实现窄脉冲时钟产生器20输出窄脉冲时钟信号clk。
[0066]
优选地，窄脉冲时钟产生器20采用驰豫振荡器结构。
[0067]
在具体实施例中，斜坡电压产生器30包括，第五pmos管mp5、第六pmos管mp6、第二电容c2和第一非门inv1。
[0068]
其中，第一非门inv1的输入端连接第二比较器20-1的输出端，第一非门inv1的输出端连接第六pmos管mp6的栅极。
[0069]
第五pmos管mp5的栅极连接第四pmos管mp4的栅极，第五pmos管mp5的源极连接电源电压端vdd，第五pmos管mp5的漏极连接第六pmos管mp6的源极。
[0070]
第六pmos管mp6的漏极分别连接第二电容c2的上极板和第一比较器40的同相输入端，第二电容c2下极板连接接地端gnd。
[0071]
在具体实施例中，斜坡电压产生器30输入偏置电流i
b2
，并输入作为控制信号的时钟信号clk，使第二电容c2间歇性的充电，第二电容c2的电压缓慢上升并输出斜坡电压v
ss
。
[0072]
在具体实施例中，窄脉冲时钟信号clk经第一非门inv1整形后输入第六pmos管mp6的栅极。
[0073]
具体地，窄脉冲时钟信号clk能够控制斜坡电压产生器30中的充电路径，当窄脉冲时钟信号clk为低电平时候，第六pmos管mp6打开，从而偏置电流i
b2
对第二电容c2进行充电，此时第二电容c2上的电压v
c2
上升。当窄脉冲时钟信号clk为高电平时候，第六pmos管mp6关闭，偏置电流i
b2
无法对第二电容c2进行充电，从而第二电容c2上的电压v
c2
保持上个周期的充电电压状态。通过第二电容c2间歇性的充电，从而控制斜坡电压v
ss
的上升速度。
[0074]
在具体实施例中，二选一电路50包括，第六nmos管mn6、第五nmos管mn5和第二非门inv2。
[0075]
其中，第六nmos管mn6的栅极分别连接第一比较器40的输出端和第二非门inv2的输入端，第六nmos管mn6的源极输入外部基准电压v
ref
，第六nmos管mn6的漏极连接第五nmos管mn5的漏极，第六nmos管mn6的漏极作为二选一电路50的输出端输出斜坡上升基准电压v
ref_ss
。
[0076]
第五nmos管mn5的栅极连接第二非门inv2的输出端，第五nmos管mn5的源极输入斜坡电压v
ss
。
[0077]
请参见图4，图4是本发明实施例提供的比较器的电路结构示意图。
[0078]
如图4所示，第一比较器40包括第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12、第七pmos管mp7、第八pmos管mp8、第九pmos管mp9、第十pmos管mp10和第十一pmos管mp11。
[0079]
其中，第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9、第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11和第十二nmos管mn12的源级均连接接地端gnd。
[0080]
具体地，第七nmos管mn7的栅极连接第八nmos管mn8的漏极，第七nmos管mn7的漏极分别连接第九nmos管mn9的漏极和栅极及第十一nmos管mn11的栅极。
[0081]
第八nmos管mn8的栅极连接第七nmos管mn7的漏极，第八nmos管mn8的漏极分别连接第十nmos管mn10的栅极和漏极及第十二nmos管mn12的栅极。
[0082]
第十一nmos管mn11的漏极分别连接第九pmos管mp9的漏极和栅极；第十二nmos管mn12的漏极连接第十pmos管mp10的漏极。
[0083]
在具体实施例中，第七pmos管mp7的栅极作为第一比较器40的反相输入端，第七pmos管mp7的源极分别连接第八pmos管mp8的源极和第十一pmos管mp11的漏极，第七pmos管mp7的漏极连接第七nmos管mn7的漏极；第八pmos管mp8的栅极连接作为第一比较器40的同相输入端，第八pmos管mp8的漏极连接第八nmos管mn8的漏极。
[0084]
具体地，第九pmos管mp9的源级、第十pmos管mp10的源级、第十一pmos管mp11的源级均连接电源电压端vdd；第九pmos管mp9的栅极连接第十pmos管mp10的栅极；第十pmos管mp10的漏极作为第一比较器40的输出端；第十一pmos管mp11的栅极接外部偏置电压vb。
[0085]
在具体实施例中，当斜坡电压v
ss
未超过基准电压v
ref
时，第一比较器40输出的使能信号en为低电位。当斜坡电压v
ss
超过基准电压v
ref
时，比较器输出的使能信号en为高电位。
[0086]
具体地，第一比较器40输出使能信号en为低电位时，经第二非门inv2转化，第五nmos管mn5打开，第六nmos管mn6关断，二选一电路50输出斜坡电压v
ss
。
[0087]
同样地，第一比较器40输出使能信号en为高电位时，第六nmos管mn6打开，同时，经第二非门inv2转化，第五nmos管mn5关断，二选一电路50输出外部基准电压v
ref
。
[0088]
值得注意的是，第二比较器20-1和第一比较器40结构相同，均采用两级开环放大器结构。
[0089]
具体地，以第一比较器40为例，比较器的第一级为负阻放大器结构，第七nmos管mn7、第八nmos管mn8、第九nmos管mn9和第十nmos管mn10尺寸相等，第一级负阻放大器的输出阻抗极大，从而实现了极高的增益。比较器的第二级采用推挽电流比较器，加快了比较速度。
[0090]
进一步地，通过仿真实验对本实施例的斜坡补偿电路的效果进行说明。
[0091]
本实施例在cadence spectre上采用smic公司的0.18μm bcd工艺进行了仿真。由图5中可以看出，斜坡电压v
ss
会受到窄脉冲时钟控制从而缓慢上升，此时软启动输出的斜坡上升基准电压v
ref_ss
为斜坡电压v
ss
，当斜坡电压v
ss
超过外部基准电压v
ref
时候，软启动输出的斜坡上升基准电压v
ref_ss
为外部基准电压v
ref
。请参见如图5所示的仿真结果，该结果与本实施例的软启动电路的设计相符
[0092]
本实施例的应用于dc-dc转换器的软启动电路，其中，窄脉冲时钟产生器采用驰豫振荡器结构，产生窄脉冲时钟信号，控制斜坡电压产生器中电容间歇性充电，抑制浪涌电流和输出电压过冲，实现控制斜坡电压的上升速度，延长软启动时间的效果。通过电路配置，能够减小所需的电容值，减小电容器尺寸和电路尺寸，进而实现软启动电路中电容的全集成，节约整体成本。
[0093]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0094]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。