本发明公开了一种软启动电路，所述软启动电路包括输出电压检测电路、误差放大器、时钟控制电路、参考电压选择电路，参考电压选择电路的参考电压输出端子VREF与输出电压检测电路的反馈电压端子VFB一起接入误差放大器，误差放大器输出误差信号VC。本发明采用移位寄存器产生控制信号，利用数字控制方式实现软启动，不需要电容，也无需微控制器，外部接口简单，具有功耗低、启动快、可扩展的特点，可以解决DC‑DC开关电源电路在启动阶段存在较大浪涌电流的问题。
1.一种软启动电路，包括输出电压检测电路、误差放大器、时钟控制电路、参考电压选择电路，参考电压选择电路的参考电压输出端子VREF与输出电压检测电路的反馈电压端子VFB一起接入误差放大器；其特征在于：所述时钟控制电路包括时钟控制电路的第一端子CLK跟或门OR1的第一输入端连接；或门OR1的第二输入端与D触发器X5的输出端Q、时钟控制电路的第八端子Q5相互连接；或门OR1的输出端与D触发器X0的输入端Clk、D触发器X1的输入端Clk、D触发器X2的输入端Clk、D触发器X3的输入端Clk、D触发器X4的输入端Clk、D触发器X5的输入端Clk相互连接；时钟控制电路的第二端子RB跟与门AND1的第一输入端、D触发器X0的输入端RB、D触发器X1的输入端RB、D触发器X2的输入端RB、D触发器X3的输入端RB、D触发器X4的输入端RB、D触发器X5的输入端RB相互连接；与门AND1的第二输入端和高电平1连接；与门AND1的输出端与D触发器X0的输入端D连接；D触发器X0的输出端 与时钟控制电路的第三端子Q0、D触发器X1的输入端D相互连接；D触发器X1的输出端Q与时钟控制电路的第四端子Q1、D触发器X2的输入端D相互连接；D触发器X2的输出端Q与时钟控制电路的第五端子Q2、D触发器X3的输入端D相互连接；D触发器X3的输出端Q与时钟控制电路的第六端子Q3、D触发器X4的输入端D相互连接；D触发器X4的输出端Q与时钟控制电路的第七端子Q4、D触发器X5的输入端D相互连接；D触发器X5的输出端Q与时钟控制电路的第八端子Q5、或门OR1的第二输入端相互连接；
所述参考电压选择电路包括参考电压选择电路的第一端子VBG与电阻R1的第一端子连接；参考电压选择电路的第二端子GND与传输门TG5的输入端、传输门TG6的输出端相互连接；参考电压选择电路的第三端子S0与反相器INV0的输入端、传输门TG0的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第四端子S1与反相器INV1的输入端、传输门TG1的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第五端子S2与反相器INV2的输入端、传输门TG2的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第六端子S3与反相器INV3的输入端、传输门TG3的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第七端子S4与反相器INV4的输入端、传输门TG4的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第八端子S5与反相器INV5的输入端、传输门TG5的正向控制端、传输门TG6的反向控制端相互连接；传输门TG0、TG1、TG2、TG3、TG4、TG5的输出端相互连接构成参考电压选择电路的参考电压输出端子VREF；反相器INV0的输出端与传输门TG0的反向控制端连接；反相器INV1的输出端与传输门TG1的反向控制端连接；反相器INV2的输出端与传输门TG2的反向控制端连接；反相器INV3的输出端与传输门TG3的反向控制端连接；反相器INV4的输出端与传输门TG4的反向控制端连接；反相器INV5的输出端与传输门TG5的反向控制端、传输门TG6的正向控制端相互连接；电阻R1的第二端子与R2的第一端子、传输门TG0的输入端相互连接；电阻R2的第二端子与R3的第一端子、传输门TG1的输入端相互连接；电阻R3的第二端子与R4的第一端子、传输门TG2的输入端相互连接；电阻R4的第二端子与R5的第一端子、传输门TG3的输入端相互连接；电阻R5的第二端子与R6的第一端子、传输门TG4的输入端相互连接；电阻R6的第二端子与传输门TG6的输入端连接；
时钟控制电路的第一端子CLK与外接时钟信号连接；时钟控制电路的第二端子RB与外接清零信号连接；时钟控制电路的第三端子Q0、第四端子Q1、第五端子Q2、第六端子Q3、第七端子Q4、第八端子Q5分别与参考电压选择电路的第三端子S0、第四端子S1、第五端子S2、第六端子S3、第七端子S4、第八端子S5连接；参考电压选择电路的第一端子VBG外接基准电压；参考电压选择电路的第二端子GND接地。
2.根据权利要求1所述的软启动电路，其中所述输出电压检测电路是由电阻Rf1、电阻Rf2串联够成的分压取样电路，电阻Rf1的一端外接基准电压，电阻Rf2的一端连接受所述软启动电路控制的开关电源的输出电压端子VOUT，电阻Rf1与电阻Rf2的连接端构成输出电压检测电路的反馈电压端子VFB。
3.根据权利要求1或2所述的软启动电路，其中所述参考电压选择电路的输出参考电压端子VREF与误差放大器的反相输入端连接，所述输出电压检测电路的反馈电压端子VFB与误差放大器的同相输入端连接。
一种软启动电路
技术领域
[0001] 本发明属于电子技术领域，具体涉及一种软启动电路。
背景技术
[0002] DC-DC开关电源具有转换效率高、输入电压范围宽、输出电流大、静态电流小、驱动能力强等特点，被广泛应用于电源管理芯片中。DC-DC开关电源通过将误差信号转换为脉冲宽度调制(PWM)信号，从而驱动开关管工作。
[0003] 在DC-DC开关电源启动阶段，由于输出电压是从零开始慢慢上升至设定的输出电压值，反馈电压在启动阶段远高于设定的基准电压，使误差放大器工作在非线性区，误差放大器输出为最高电压值，期间PWM比较器输出不翻转，系统工作在100％占空比状态。电感中的电流不断增大，一旦电流升到足够高使得 PWM比较器翻转，将会有很大的浪涌电流灌入输出电容，它将损耗开关管和其它器件。为此，软启动电路应运而生，它的设计思想是通过限制启动阶段的占空比或者限制开关电流来消除浪涌电流。目前，常用的软启动电路有几类：第一类是采用电阻或者恒流源方式对电容充电，当需要的延时较长时，此种方式需要较大的电容，不易集成；第二类是采用分段控制的方式将输出电压的上升过程分成几段，此种方式控制复杂，成本较大；第三类是数字控制数模转换器来实现参考电压缓慢上升的方法，此种方式需要另外的微控制器，且外部接口较多。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种软启动电路，该电路采用移位寄存器产生控制信号，利用数字控制方式实现软启动，不需要电容，也无需微控制器，外部接口简单，具有功耗低、启动快、可扩展的特点；本发明可以解决 DC-DC开关电源电路在启动阶段存在较大浪涌电流的问题。
[0005] 本发明所述软启动电路，包括输出电压检测电路、误差放大器、时钟控制电路、参考电压选择电路，参考电压选择电路的参考电压输出端子VREF与输出电压检测电路的反馈电压端子VFB一起接入误差放大器。
[0006] 所述输出电压检测电路可以采用目前成熟的取样电路，本发明优选采用电阻分压取样电路，电阻Rf1的一端外接基准电压，电阻Rf2的一端连接受所述软启动电路控制的开关电源的输出电压端子VOUT，电阻Rf1与电阻Rf2的连接端构成输出电压检测电路的反馈电压端子VFB。
[0007] 参考电压输出端子VREF、反馈电压端子VFB与误差放大器的优选接法：输出参考电压端子VREF与误差放大器的反相输入端连接，反馈电压端子VFB与误差放大器的同相输入端连接，误差放大器的输出端输出误差信号VC。
[0008] 所述时钟控制电路包括：时钟控制电路的第一端子CLK跟或门OR1的第一输入端连接；或门OR1的第二输入端与D触发器X5的输出端Q、时钟控制电路的第八端子Q5相互连接。或门OR1的输出端与D触发器X0的输入端Clk、 D触发器X1的输入端Clk、D触发器X2的输入端Clk、D触发器X3的输入端 Clk、D触发器X4的输入端Clk、D触发器X5的输入端Clk相互连接。
时钟控制电路的第二端子RB跟与门AND1的第一输入端、D触发器X0的输入端RB、 D触发器X1的输入端RB、D触发器X2的输入端RB、D触发器X3的输入端 RB、D触发器X4的输入端RB、D触发器X5的输入端RB相互连接。与门AND1 的第二输入端和高电平1连接；与门AND1的输出端与D触发器X0的输入端D 连接；D触发器X0的输出端Q与时钟控制电路的第三端子Q0、D触发器X1的输入端D相互连接。D触发器X1的输出端Q与时钟控制电路的第四端子Q1、 D触发器X2的输入端D相互连接；D触发器X2的输出端Q与时钟控制电路的第五端子Q2、D触发器X3的输入端D相互连接；D触发器X3的输出端Q与时钟控制电路的第六端子Q3、D触发器X4的输入端D相互连接；D触发器X4 的输出端Q与时钟控制电路的第七端子Q4、D触发器X5的输入端D相互连接； D触发器X5的输出端Q与时钟控制电路的第八端子Q5、或门OR1的第二输入端相互连接。
[0009] 所述参考电压选择电路包括：参考电压选择电路的第一端子VBG与电阻R1 的第一端子连接；参考电压选择电路的第二端子GND与传输门TG5的输入端、传输门TG6的输出端相互连接；参考电压选择电路的第三端子S0与反相器INV0 的输入端、传输门TG0的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第四端子 S1与反相器INV1的输入端、传输门TG1的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第五端子S2与反相器INV2的输入端、传输门TG2的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第六端子S3与反相器INV3的输入端、传输门TG3 的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第七端子S4与反相器INV4的输入端、传输门TG4的正向控制端相互连接；参考电压选择电路的第八端子S5与反相器INV5的输入端、传输门TG5的正向控制端、传输门TG6的反向控制端相互连接。传输门TG0、TG1、TG2、TG3、TG4、TG5的输出端相互连接构成参考电压选择电路的参考电压输出端子VREF。反相器INV0的输出端与传输门TG0 的反向控制端连接；反相器INV1的输出端与传输门TG1的反向控制端连接；反相器INV2的输出端与传输门TG2的反向控制端连接；反相器INV3的输出端与传输门TG3的反向控制端连接；反相器INV4的输出端与传输门TG4的反向控制端连接；反相器INV5的输出端与传输门TG5的反向控制端、传输门TG6的正向控制端相互连接。电阻R1的第二端子与R2的第一端子、传输门TG0的输入端相互连接；电阻R2的第二端子与R3的第一端子、传输门TG1的输入端相互连接；电阻R3的第二端子与R4的第一端子、传输门TG2的输入端相互连接；电阻R4的第二端子与R5的第一端子、传输门TG3的输入端相互连接；电阻R5 的第二端子与R6的第一端子、传输门TG4的输入端相互连接；电阻R6的第二端子与传输门TG6的输入端连接。
[0010] 时钟控制电路的第一端子CLK与外接时钟信号连接；时钟控制电路的第二端子(RB)与外接清零信号连接。时钟控制电路的第三端子Q0、第四端子Q1、第五端子Q2、第六端子Q3、第七端子Q4、第八端子Q5分别与参考电压选择电路的第三端子S0、第四端子S1、第五端子S2、第六端子S3、第七端子S4、第八端子S5连接。参考电压选择电路的第一端子VBG外接基准电压；参考电压选择电路的第二端子GND接地。
附图说明
[0011] 图1为本发明的总体电路图；
[0012] 图2为本发明实施例中的输出电压检测电路与误差信号放大电路示意图；
[0013] 图3为本发明中的时钟控制电路图；
[0014] 图4为本发明中的时钟控制电路仿真结果；
[0015] 图5为本发明中的参考电压选择电路图；
[0016] 图6为本发明中的参考电压选择电路仿真结果。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地描述，便于获得更好的理解。
[0018] DC-DC开关电源通过将误差信号转换为脉冲宽度调制(PWM)信号，从而驱动开关管工作，其中误差信号放大电路示意图如图2所示，通过输出电压检测电路检测DC-DC开关电源的输出电压VOUT，并输出反馈电压VFB，反馈电压VFB与参考电压VREF一起接入误差放大器进行误差放大。
[0019] 在系统启动阶段，输出电压VOUT从零开始慢慢上升或下降至DC-DC开关电源设定的输出电压值，因此反馈信号VFB不可能一开始就与设定的参考电压VREF相等，使误差放大器工作在线性区，而是在较长的时间里反馈电压VFB都远高于或者低于参考电压VREF，使得误差放大器输出电压VC在极短的时间内迅速饱和到其最高输出电压值或者最低输出电压值。由于Vc决定了每个周期电感电流充电的峰值，这就意味着电感电流也需要同步快速上升，但是电感电流的上升需要一定的时间。例如在2.7V最小输入电压下，假设电感值为4.7uH，脉冲信号周期为 2us，电感电流从零上升到最大Vc对应的电流2.4A所需要的时间为：电感需要连续充电2个周期以上才能达到2.4A，期间 PWM比较
器输出不翻转，系统工作在100％占空比状态。一旦电流上升到2.4A， PWM比较器翻转，将会有很大的浪涌电流灌入输出电容，它将损耗开关管和其他器件。因此需要加入软启动电路使VC的上升不至于太快，其实质是限制启动阶段的占空比，此外，希望误差放大器工作于饱和态的时间尽量短些，使开关管可以不需要长期通过很大的电流。
[0020] 本发明可以解决上述问题，解决方法是将原来的固定参考电压换成和反馈一样缓慢上升或下降的参考电压电压，使反馈电压与参考电压的“交点”提前，误差放大器将提前进入线性区，电感电流下降，同时也避免了采用固定参考电压所存在的较大浪涌电流问题。
[0021] 本实施例提供的软启动电路，如图1所示，包括时钟控制电路、参考电压选择电路、误差放大器、电阻Rf1、电阻Rf2。假设DC-DC开关电源在稳态下的输出电压VOUT为-5V，基准电压VBG为1.25V，选择合适的电阻Rf1与Rf2可以设置稳态下的参考电压VFB为0V，但在系统刚启动时VOUT为0V，通过计算可得此时的VFB为1V，与稳态时的0V参考电压有很大的差值，通过上述的分析可知需要一个与VFB缓慢下降的基准电压，因此本发明设计的软启动电路，使参考电压VREF在电源刚上电时为1V，经过5个周期(10us)之后为0V。
[0022] 时钟控制电路如图3所示，由D触发器X0、X1、X2、X3、X4、X5跟与门 AND1、或门OR1构成，1为逻辑高电平，CLK为外接时钟信号，RB为外接复位信号，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5为输出信号。D触发器第一输入端(D)为数据输入端；第二输入端(Clk)为时钟输入端，上升沿触发；第三输入端(RB) 为复位端，低电平有效；第一输出端(Q)；第二输出端(Q)；D触发器X0、 X1、X2、X3、X4、X5连接成移位寄存器结构。在系统刚启动时，若外部复位信号RB为低电平，此时Q0输出为高电平1，其余Q1、Q2、Q3、Q4、Q5输出为低电平0，此时不管外部时钟CLK如何跳变，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5输出都保持不变，当RB变为高电平，且在RB变为高电平后外部时钟CLK的第一个上升沿，电路发生第一次移位，此时Q0输出为低电平0、Q1输出为高电平1、 Q2、Q3、Q4、Q5输出为低电平0。在外部时钟CLK的第二个上升沿，电路发生第二次移位，此时Q0、Q1输出为低电平0、Q2输出为高电平1、Q3、Q4、Q5输出为低电平0。在外部时钟CLK的第三个上升沿，电路发生第三次移位，此时 Q0、Q1、Q2输出为低电平0、Q3输出为高电平1、Q4、Q5输出为低电平0；在外部时钟CLK的第四个上升沿，电路发生第四次移位，此时Q0、Q1、Q2、Q3输出为低电平0、Q4输出为高电平1、Q5输出为低电平0。在外部时钟CLK的第五个上升沿，电路发生第五次移位，此时Q0、Q1、Q2、Q3、Q4输出为低电平0、 Q5输出为高电平1，由于此时Q5输出为高电平1，或门OR1的输出一直为高电平，时钟CLK被屏蔽，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5保持最终的输出状态，既 Q0、Q1、Q2、Q3、Q4输出为低电平0、Q5输出为高电平1。在系统刚启动时，若外部复位信号RB为高电平，由于电源刚上电启动时Q0输出为高电平1、Q1、 Q2、Q3、Q4、Q5输出为低电平0，与上述分析的初始状态也相同，并且在电源上电启动后的第一个外部时钟CLK的上升沿第一次移位，第二个外部时钟CLK的上升沿第二次移位，第三个外部时钟CLK的上升沿第三次移位，第四个外部时钟CLK的上升沿第四次移位，第五个外部时钟CLK的上升沿第五次移位，之后一直保持最后一个状态不变，移位后的输出状态与上述分析的状态完全相同。
[0023] 时钟控制电路的仿真结果如图4所示，由图4可以看出电源VDD上电且复位RB为1时，时钟控制电路开始正常工作，实现移位寄存器功能，当Q5输出为1时，它与时钟信号相加，把时钟屏蔽，并且一直保持最终状态输出。
[0024] 参考电压选择电路如图5所示，由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，反相器INV0、INV1、INV2、INV3、INV4、INV5，传输门TG0、TG1、TG2、TG3、 TG4、TG5、TG6，端子VBG为外接基准电压1.25V，GND接地，端子S0、S1、 S2、S3、S4、S5分别接时钟控制电路的Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5。S0控制TG0 导通与关断，当S0为高电平时TG0导通，当S0为低电平时TG0断开；S1控制 TG1导通与关断，当S1为高电平时TG1导通，当S1为低电平时TG1断开；S2控制TG2导通与关断，当S2为高电平时TG2导通，当S2为低电平时TG2断开； S3控制TG3导通与关断，当S3为高电平时TG3导通，当S3为低电平时TG3断开；S4控制TG4导通与关断，当S4为高电平时TG4导通，当S4为低电平时TG4 断开；S5控制TG5与TG6导通与关断，当S5为高电平时TG5导通TG6断开，当S5为低电平时TG5断开TG6导通。由于在同一时刻，Q0、Q1、Q2、Q3、 Q4、Q5中只有一个信号为高电平，因此在任何时刻TG0、TG1、TG2、TG3、TG4、 TG5只有一个会导通，输出相应的参考电压VREF，而TG6在Q5为低电平的时候导通，在Q5为高电平时断开。通过设置合适的电阻值可以使得：刚启动时，Q0为高电平，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5为低电平，传输门TG0、TG6导通，传输门 TG1、TG2、TG3、TG4、TG5断开，输出参考电压VREF为1V。启动后第一个时钟上升沿到来，Q1为高电平，Q0、Q2、Q3、Q4、Q5为低电平，传输门TG1、 TG6导通，传输门TG0、TG2、TG3、TG4、TG5断开，输出参考电压VREF为 0.8V。
启动后第二个时钟上升沿到来，Q2为高电平，Q0、Q1、Q3、Q4、Q5为低电平，传输门TG2、TG6导通，传输门TG0、TG1、TG3、TG4、TG5断开，输出参考电压VREF为0.6V。启动后第三个时钟上升沿到来，Q3为高电平，Q0、 Q1、Q2、Q4、Q5为低电平，传输门TG3、TG6导通，传输门TG0、TG1、TG2、 TG4、TG5断开，输出参考电压VREF为0.4V。启动后第四个时钟上升沿到来，Q4为高电平，Q0、Q1、Q2、Q3、Q5为低电平，传输门TG4、TG6导通，传输门 TG0、TG1、TG2、TG3、TG5断开，输出参考电压VREF为0.2V。启动后第五个时钟上升沿到来，Q5为高电平，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4为低电平，传输门TG5 导通，传输门TG0、TG1、TG2、TG3、TG4、TG6断开，输出参考电压VREF为 0V，VREF为0V是电路稳定时的参考电压，此时TG6断开，使电压选择电路关断，可降低电路的功耗。
[0025] 参考电压选择电路的仿真结果如图6所示，由仿真结果可以得出电路刚启动时，输出参考电压电压VREF为1V，启动后第一个时钟上升沿到来输出参考电压电压VREF为0.8V，启动后第二个时钟上升沿到来输出参考电压电压VREF为0.6V，启动后第三个时钟上升沿到来输出参考电压电压VREF为0.4V，启动后第四个时钟上升沿到来输出参考电压电压VREF为0.2V，启动后第五个时钟上升沿到来输出参考电压电压VREF为0V。若需要增加软启动时间，可对本发明的电路进行扩展，仅仅只需要增加控制信号Qn的个数，每增加一个控制信号，电路软启动的时间就可以增加2us，非常方便调节软启动时间。
