同步整流BOOST型DC/DC软启动电路

李 良，来鹏飞，曹发兵，陈 峰

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏 无锡 214072）



同步整流BOOST型DC/DC软启动电路

李 良，来鹏飞，曹发兵，陈 峰

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏 无锡 214072）

摘 要：针对开关电源启动中出现浪涌电流的问题，设计了一种通过控制电流的方式来实现升压电路中的软启动电路，避免了在切入正常调制时出现较大过冲的现象。通过仿真，所设计的5 V BOOST同步整流DC/DC电路输出电压曲线平滑稳定，未在启动阶段出现浪涌电流和结束后的较大过冲电压。通过对0.5 μm 5 V CMOS工艺流片后的电路测试，结果证明利用该设计，5 V升压电路实现了预期的软启动作用，并可灵活应用在其他DC/DC同类开关电源管理芯片中。

关键词：软启动电路；浪涌电流；DC/DC开关电源；BOOST；5 V CMOS工艺

1　引言

近年来，便携式电子设备因其灵活方便且功能齐全而逐渐占据了人们的生活，它的发展促使着电源管理芯片的需求量逐渐上升[1]，而相比于LDO稳压电路，在输入电源电压和所接负载都很宽泛的情况下，DC/DC开关电源在工作效率上有着极为优秀的表现，因此被广泛应用。在常见的DC/DC开关电源设计里，在启动初始过程中，误差放大器处于一边倾斜的状态，整个开关电源环路就会在100%的占空比下工作，这样极易出现较大浪涌电流的现象，芯片内部的开关驱动管和外围的器件极易受到损坏，因此出现了软启动的设计想法。

2　软启动原理

图 1为电压BOOST模型DC-DC转换器电路。

图1　BOOST型DC-DC原理图

该电路最终的稳定状态是由输出电压的采样值与芯片内部参考电压值的误差放大后，通过与设定的三角波电压比较得出的占空比来控制输出电容的充放电调整输出电压。在DC/DC开关电源启动的初始阶段，由于输出电压几乎为0，所以对输出电压采样后的电压Vfb远低于参考电压 Vref，此时误差放大器Vea的输出电压值大于设定的三角波Vtr的上限值，这样PWM比较器的输出会一直为0，此时开关驱动管的控制信号处在100%所设最大占空比。输出电容在这种充电状态下，会产生如浪涌般的电流迅速灌入，设计的电容大小、需求的输出电压大小和启动时间长短决定了该电流所能达到的大小。电容上电流的大小计算如下：

假设输出电压呈线性增长，启动状态的时间为30 μs，所需要的输出电压为5 V，输出电容为150 μF，通过上述公式可以计算出浪涌电流为25 A。对于该系统来说，已经远远超过其额定电流，将会烧坏MOSFET和其他器件，造成系统瘫痪[2]。

为了消除启动时的浪涌电流，通常的设计思路会考虑在基准电压的设置上着手，比如加一缓慢变化的斜坡参考电压作用在启动的初始阶段，这样虽然可以实现软启动作用，但它存在如下的缺点：（1）需要引出引脚外加大电容或在芯片内部集成大电容[3,4]。（2）电感上的电流和输出的电压在该过程中的数值并不是很平滑。

3　同步整流5 V BOOST DC/DC软启动系统设计

在DC/DC开关电源应用于电源电压低的同时又需要提供大的输出驱动电流的场合下，若使用常见的整流方式，效率会很低。为了解决这个问题，便引入了同步整流的方法[5]，该技术将传统的肖特基二极管用大的PMOS管来替换，通过同步调制信号对 PMOS管和NMOS调制管进行控制来实现电压的调整。

考虑到常用软启动方法所带来的一系列问题，同时再结合上述同步整流技术的结构，本文提出了一种有效的软启动电路，对于该设计的想法作如下阐述。

设计软启动的初衷在于解决在电路启动阶段出现的浪涌电流的问题，使得输出电压从开始到理想值变化得比较平滑。本文的设计将工作过程分为两个阶段：

（1）限流启动阶段。该阶段的设计在于控制电感上的电流，根据输出电压的范围来切换每个范围恒定电感电流的大小，这样既安全又能保证输出电压值平稳地变化，当然在该过程中需要保证整个电压反馈系统失去作用，完全由电感电流控制环路来工作。

（2）PWM调制切换阶段。该阶段的判断在于输出电压超过了电路中所设定的阈值，此时电压反馈系统恢复作用，输出电压从限流启动阶段切入到PWM调制阶段，经过一定时间的PWM调制，输出电压安全平稳地迈入理想的电压值，避免了较大的电压和电流过冲。

本文设计的软启动电路逻辑结构如图 2，主要由限流控制模块和预设控制模块组成。

图2　软启动核心模块

电路在启动初始，输出电压很低，完全没有达到阈值电压，此时驱动N管被关闭，整个电压反馈回路失去作用，对输出电压进行采样，电感电流控制模块判断输出电压所处范围，给替代肖特基二极管的PMOS管的栅极提供逐渐减小的电压来控制流过电感的电流，使其逐渐提高对电容充电的电流，保证输出电压能够稳定上升，直到输出电压超过了软启动阶段的阈值，两个控制逻辑组合后将系统从软启动阶段切换进入PWM调制阶段。

4　同步整流5 V BOOST DC/DC启动电路设计

该电路的软启动包括两个模块，分别是预设控制模块和限流控制模块，图3为预设控制模块的内部主要原理图。

图3　预设控制模块

在初始启动阶段，输出电压VOUT较低，MOS管P1开启，此时该模块会关闭驱动管N管的调制信号，保证在软启动阶段PWM调制模块不工作，同时使能电感电流控制模块，使其工作，而当VOUT输出逐渐上升到B处的翻转电压VT时，

其中流过R1支路的电流I0的大小为：

此时的输出电压VOUT就达到了预设的电压值，此时该控制模块会释放对调制模块的使能，同时也将电感电流控制模块关闭，使软启动阶段切换进入PWM调制阶段。

那么预设电压值的大小为：

所以可以通过设置R2的值来调整所需要的最佳预设电压值。

图 4为限流控制模块内部主要原理图。

图4　限流控制模块

当VOUT电压为0时，图3的预设控制模块使能N3管，使其打开，由于VOUT电压过低，MOS管P1导通，MOS管N4、N5和N6关闭，此时输出控制建立初始值V1，设流过P3管的电流为I0，那么

（RX为不同阶段下的电阻大小）

第一个阶段限制电感电流为200 mA对电容充电，当输出电压值达到第一个阈值，通过计算可以得出（设流过N10的电流为I1）：

此时N4打开，电阻R1短接，即RX电阻值变小，此时进入控制电流的第二阶段，此时限制电感的电流为650 mA对电容充电，当输出电压达到第二个阈值，通过计算可以得出：

此时N5打开，电阻R1、R2短接，即RX电阻值变小，此时进入控制电流的第三阶段，此时限制电感电流为1 A对电容充电，当输出电压达到第三个阈值，通过计算可以得出：

此时N6打开，电阻R1、R2、R3短接，即RX电阻值变小进入最后一个可控电流阶段。当然如果在某一个阶段输出电压已经达到了预设软启动电压，就不会进入下一个阶段（电源电压由电池提供，是可变的）。当超过预设软启动电压（当前为电源电压的90%）后切换进入PWM调制阶段。

5　模拟仿真波形及结果

本文所提出的软启动电路使用在一同步BOOST型的 DC/ DC开关电源管理芯片中。在0.5 μm 5 V CMOS工艺模型下，通过Hspice仿真该电路的性能参数。

在输入电压为3 V~4.2 V宽电源电压、输出电压为5 V时，当不采用软启动电路、空载的条件下，可以看到输出电压和电感电流的变化如图5所示。

图5　输出电压及电感电流变化曲线

输出电流可以达到20 A左右，对于低压器件来说是无法承受的，而采用加入本文设计的软启动设计后，电感电流和输出电压的曲线如图 6所示。

图6　软启动输出电压及电感电流变化曲线

图6可以看出输出电压从0 V到稳定5 V的过程中无过冲现象，同时电感上的电流在软启动结束向PWM调制阶段并无较大的过冲现象发生，最大电流只有1.3 A，符合设计要求。

通过以上分析验证和对比可知本文的软启动思路是可行的。

6　试验结果

图7为采用本软启动设计的电源管理芯片的版图概貌，图中白圈内为BOOST型DC/DC控制器部分。

图7　采用软启动设计的电源管理芯片版图

采用0.5 μm 5 V CMOS工艺流片，通过对封装后芯片的测试结果表明，软启动电路完全符合设计要求，实现了预期的软启动作用。

图 8所示为BOOST型DC/DC测试波形，电路输出电压曲线平滑稳定，未在启动阶段出现较大过冲电压，芯片可以正常工作。

图8　BOOST型DC/DC测试波形

7　结论

在设计BOOST型开关电源的过程中，为了解决在启动初始阶段出现的浪涌电流现象，在学习常用软启动电路的基础上，同时借助同步整流方式的特殊性，通过电感电流和阈值电压控制方式，保证了在启动初始阶段输出电压的安全和稳定的上升。该电路集成在一款多功能电源管理芯片中，采用0.5 μm 5 V CMOS工艺流片，通过对封装后芯片的测试，结果证明利用该设计，5 V升压电路实现了预期的软启动作用。本文的软启动设计思路同样可以作为其他DC/DC开关电源电路的设计参考。

参考文献：

[1] Konish N, Gawel R. Power-management ICs make pitch for growth [J]. Electronics Design, 1999 (7): 32A.

[2] 李演明，来新泉，贾新章，代国定. 一种DC/DC开关电源的新颖软启动电路设计[J]. 电子器件，2008，36(3): 01-02.

[3] Penzin S H, Crain W R, Crawford K B, et al. The SEU pulse width modulation contro1lers with soft start and shutdown circuits[J]. IEEE Radition Effects Data Workshop, 1997, 6(10): 73-79.

[4] Ribelino, et al. Switch-Type Voltage Regulator withReducation of Occpupied Space for Soft-Start Fuunctions [P]. United State Patent, No.US 6,552,517, Apr,2003,22.

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

李 良（1990—），男，江苏盐城人，2009年毕业于南通大学电子科学与技术系，助理工程师，主要从事模拟集成电路研究工作。

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

作者简介：

收稿日期：2015-10-27

中图分类号：TN402

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2016）01-0021-04