一種適用于升壓轉換電路的新型軟啟動電路設計

吳添賢 林奕涵

摘 要：設計了一種適用于升壓轉換電路的新型軟啟動電路，其核心是電容充電電路，同時提出一種自啟動控制脈沖發生模塊，用于控制電容充電頻率及時間，保證升壓轉換電路具有足夠的軟啟動時間。該電路基于GF018工藝設計，仿真結果表明，該電路在采用小片內電容（10 pF）的基礎上，實現了較長時間的軟啟動過程，避免了輸出電壓出現過沖現象，可保證升壓轉換電路正常啟動。該軟啟動電路具有結構實現簡單、低功耗、面積小、集成度較高等優點。

關鍵詞：升壓轉換電路；軟啟動；低功耗

*本文涉及的設計項目正在申請專利。

0 引言

隨著便攜式電子產品市場及應用的不斷擴大，對電源管理電路芯片的需求量也在不斷提高0。Boost DC-DC升壓轉換電路以其帶載范圍廣，輸入電壓范圍寬，電路工作效率高等優點而受到廣泛采用。PWM電壓型調制升壓轉換電路控制架構如圖1所示。

在升壓轉換電路的啟動階段，由于輸出電壓從0開始升壓，因此，電路輸出端的反饋電壓在啟動階段將處在遠小于基準電壓的低電位，誤差放大器同向與反向端的輸入失配導致誤差放大電路輸出較低電此時，誤差放大器輸出經比較電路處理將輸出滿占空比控制信號。滿占空比控制信號作用于主升壓電路將存在以下缺點。

● 將導致使低邊功率開關管一直處于導通狀態，致電感電流隨導通時間的增而不斷提高，從而造成輸出電壓過沖現象。

● 高電感電流流經電路元件時可能會造成電路元現燒壞損毀的情況。

軟啟動電路的引入將有的避免前述缺生，軟啟動電路的功能主要是將直流基準電壓轉換為緩慢變化的信號，防止滿占空比控制信號的出現，避了電感電流過大導致的輸出電壓過沖現象，以及對電路元件可能造成的損毀，保證升壓轉換電路的正常啟動。

傳統軟啟動電路架構是將電容充電電路與誤差放大電路的輸出通過箝位（CLAMP）電路進行級聯，以實現誤差放大電路的緩慢變化輸出，然而，為保證足夠的軟啟動時間，電路需要采用較大的片外電容。因此，此法將降低整體電路的集成度，大大提高片外電路的復雜度，與此同時，過小的基準電流也難以實現；小占空比充電控制信號的引入將獲得較長的軟啟動時間，但復雜時序模塊的引入將增加電路的復雜度；利用RC電路以及兩個誤差放大電路實現軟啟動功能，但運放的引入及電阻電容的使用將大大增加軟啟動電路的面積及功耗。基于以上分析，本文提出了一種基于自啟動控制模塊的電容充電電路組成的軟啟動電路架構，具有結構易于實現、低功耗、面積小、集成度較高等特點，可廣泛用于不同軟啟動電路。

1 目標軟啟動電路的設計

目標軟啟動電路主要由自啟動振蕩模塊、控制時間產生模塊以及軟啟動電壓產生模塊構成。本文提出的自啟動控制模塊軟啟動電路工作原理如下。

自啟動振蕩模塊將根據基準電壓的大小產生相對應占空比的電容充電控制信號，該信號通過控制信號產生模塊產生控制電容充電通路的開關信號，此開關信號將控制電容充電通路開關導通及閉合，調整充電周期及充電速率，進而調整基準電壓變化速率，實現不同基準電壓對應的軟啟動過程。軟啟動電路的控制框圖架構如圖2所示。

2.1 自啟動振蕩模塊設計

為了產生適應基準電壓的控制信號，電路引入自啟動振蕩模塊，電路結構如圖3所示。

自適應啟動振蕩模塊主要是環形振蕩電路。環形振蕩電路由奇數個反相器構成，上電過程造成供電電壓跳變將觸發該環形振蕩電路產生有一定頻率的脈沖控制信號，若環形振蕩電路個數固定，則控制信號的頻率與環形振蕩電路的供電電壓成正比。為了產生適應基準電壓的控制信號，該模塊采用基準電壓作為自啟動振蕩電路的供電電壓，與此同時，為了匹配大范圍不同基準電壓，自適應啟動振蕩模塊的反相器采用二級冗余反相電路，以保證電路在較低基準電壓正常啟動。

2.2 控制時間產生模塊設計

控制時間產生模塊主要由電平轉換電路及窄脈沖產生電路級聯而成，電平轉換電路的具體架構如圖4所示。

為保證電路能夠對自啟動振蕩模塊產生的低幅度控制脈沖進行電平轉換，電路模塊引入倍乘電路，將幅度為VREF控制脈沖進行幅度倍增為2VREF，該幅度倍增信號將作用于電平轉換電路，自啟動環形振蕩電路輸出經電平轉換電路將轉換為幅度為輸入電壓、頻率不變的高幅度控制脈沖，以保證對開關閉合關斷的有效控制。高幅度控制脈沖將輸入窄脈沖產生電路，從而產生超小占空比的開關控制信號。基于以上功能描述的窄脈沖產生電路如圖5所示。

高幅度脈沖經過延時產生模塊與原幅度脈沖進行異或，最終窄脈沖發生電路能夠產生一個脈沖寬度為延時時間大小的窄脈沖控制信號，該窄脈沖控制信號將最終作用于電容充電電路的開關，延長基準電壓軟啟動時間。

3 軟啟動電路的仿真及分析

電路以450 mV基準電壓、1 V輸入電壓作為電源供給偏置對軟啟動電路進行仿真，仿真結果表明：在相應基準電壓及輸入電壓的作用下，自啟動環形振蕩電路開始振蕩，輸出一定頻率的低壓脈沖（圖6上）。該脈沖經電平轉換電路（圖6中）及窄脈沖發生電路最終產生控制電容充電電路的窄占空比控制信號（如圖6下）。

電路在窄占空比的作用下，控制電容電壓不斷充電，軟啟動電路的最終輸出電壓如圖7所示。顯然，在軟啟動作用下，基準電壓緩慢從0開始上升至設定的基準電壓，即450 mV基準電壓，在1 V輸入電壓下，最終電路產生的軟啟動時間大約為100 μs，實現了電路軟啟動功能。

經測試，目標軟啟動電路的具體性能如表1所示。

顯然，目標軟啟動電路能夠在大范圍基準電壓下控制電容充電電路的開關，從而控制電容充電，實現大范圍軟啟動時間的調節，提高電路的適用性，與此同時，電路滿足超低功耗的特點。

4 結合軟啟動電路升壓轉換電路的仿真分析

將上述軟啟動電路引入目標PWM電壓型升壓轉換電路中，最終，主升壓電路的控制信號及其占空比變化如圖8所示。

電路在軟啟動電路作用下，主升壓控制信號的占空比從0開始緩慢增加，顯然，軟啟動的引入避免了電路啟動時造成的滿占空比，在此控制信號的作用下，電路最終輸出端輸出電壓如圖9所示。在軟啟動電路作用下，電路正常啟動，避免了輸出電壓過沖現象，輸出端正常升壓。

5 結束語

本文基于升壓轉換電路輸出電壓過沖、無法正常啟動的現象設計了一種結構實現簡單、低功耗、面積小、集成度較高的軟啟動電路。仿真結果表明，軟啟動電路能夠實現目標功能，適用于各種不同升壓轉換電路，確保升壓轉換電路的正常升壓。

參考文獻：

[1] 陳盧，石秉學，代鐵軍，等.高效率高精度開關電源脈寬調制芯片的實現[J].清華大學學報（自然科學版），1999（S1）：40-43.

[2] 張在涌，譚小燕，趙永瑞，等.一種用于DC-DC開關電源芯片的新型軟啟動電路[J].半導體技術，2018，43（02）：110-114.

[3] 鐘國華，吳玉廣.PWM芯片分析及其振蕩器電路的簡化設計[J].半導體技術，2004（02）：65-68.

[4] 張艷紅，程帥.升壓式DC/DC的軟啟動電路的設計[J].華僑大學學報（自然科學版），2009，30（06）：632-636.

[5] 馮國友.低功耗DC/DC變換器的設計研究[D].杭州：浙江大學， 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.低輸入BOOST DC/DC轉換器的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.