一種軟啟動裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軟啟動裝置及方法，適用于電壓調(diào)節(jié)器，尤其是無電容電壓調(diào)節(jié)器。該裝置通過在現(xiàn)有電壓調(diào)節(jié)器電路的基礎(chǔ)上增設(shè)上電電流控制模塊，上電電流控制模塊用于檢測電源接入端，并在檢測到所述電源接入端具有電源輸入時，控制電壓調(diào)節(jié)器的功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通接入電源；對應(yīng)方法即在檢測到所述電源接入端，控制所述功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通接入所述電源；該裝置及方法在電源開啟到功率管接入電源的這段時間消除了快速上電時的電壓過沖和浪涌電流，保護(hù)了電路。
【專利說明】一種軟啟動裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軟啟動技術(shù)，尤其涉及一種針對電壓調(diào)節(jié)器(VR =VoltageRegulator)尤其是無電容電壓調(diào)節(jié)器(Cap-less VR)的軟啟動(Soft Start)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓調(diào)節(jié)器具有功耗低、外部元件少、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于片上系統(tǒng)(S0C:system on chip)芯片中作為電源管理單元。尤其在手機(jī)、個人移動終端等便攜式設(shè)備里，對SOC芯片的功耗要求日益嚴(yán)格，無外部電容電壓調(diào)節(jié)器得到了廣泛應(yīng)用。參見圖1所示，電壓調(diào)節(jié)器的電路組件通常包括:一個基準(zhǔn)源VREF (基準(zhǔn)電壓)、一個誤差放大器12(Error Amplifier)、一個PMOS功率管13 (增強(qiáng)型功率PMOS管；此處也可采用增強(qiáng)型NMOS功率管，對應(yīng)的VFB與VREF需反接)、兩個反饋電阻Rl和R2 ;其中，反饋電阻、誤差放大器和PMOS功率管構(gòu)成了 VR的反饋調(diào)整環(huán)路。電壓調(diào)節(jié)器工作時，基準(zhǔn)源模塊輸出參考電壓VREF,誤差放大器放大VFB與VREF的差值，改變PMOS功率管的G端信號(輸出電壓EA_0UT)，改變其導(dǎo)通阻抗，從而在不同的電源輸入和負(fù)載電流條件下獲得穩(wěn)定的輸出電壓VOUT (參考電壓VREF起穩(wěn)壓參考作用)。電壓調(diào)節(jié)器的啟動過程可分為2個部分，分別是:〈1>、上電過程(電源從零電壓上升到穩(wěn)定值的建立過程)，此時內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓不定，功率管導(dǎo)通并對負(fù)載電容充電，上電電流的大小與電源建立速度和電壓值密切相關(guān)，速度越快，電壓越高，VOUT過沖和充電電流會越大?！?>、環(huán)路工作點(diǎn)的建立過程。調(diào)整環(huán)路比較VOUT的反饋電壓和基準(zhǔn)電壓，建立工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)的值、負(fù)載電容大小和VOUT的建立速度均可能引起較大電流過沖。結(jié)合圖1所示，RL表示負(fù)載電阻，CL為負(fù)載電容，當(dāng)CL較大時啟動過程中的浪涌電流更顯著；CL較小時，啟動過程中過沖電壓更顯著。
[0003]軟啟動技術(shù)，則用于消除電壓調(diào)節(jié)器啟動過程中的過沖電壓(OvershootVoltage)和浪涌電流(Inrush Current)。但是,現(xiàn)有軟啟動技術(shù)在以下背景中遇到了困難:
(I)即插即用設(shè)備的系統(tǒng)上電時間(芯片電源的建立時間)達(dá)到IOnS級別，現(xiàn)有技術(shù)無法應(yīng)付快速上電時，VR尤其是Cap-less VR的過沖電壓沖擊，損傷利用VR供電的電路；(2)在極快速上電時，VR可能存在較大的瞬間電流沖擊，導(dǎo)致功率管進(jìn)入閂鎖(Latch Up)狀態(tài)，損毀VR本身電路。(3)在某些便攜設(shè)備中，對SOC芯片設(shè)置了限制性的供電標(biāo)準(zhǔn)，包括瞬時功率要求，這已經(jīng)成為市場的準(zhǔn)入條件之一。如果對VR的瞬間浪涌電流不做控制，可能導(dǎo)致SOC芯片無法正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的主要技術(shù)問題是，提供一種軟啟動裝置及方法，其能在設(shè)備上電的瞬間，消除電流及電壓沖擊。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種軟啟動裝置，包括電壓調(diào)節(jié)器電路和上電電流控制模塊，所述電壓調(diào)節(jié)器電路中設(shè)有連接電源接入端的功率管和用于調(diào)節(jié)所述功率管導(dǎo)通電阻的誤差放大器；所述上電電流控制模塊用于檢測電源接入端是否具有外部電源輸入，以在所述電源接入端具有外部電源輸入時控制所述功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通。
[0006]該軟啟動裝置還包括連接所述誤差放大器的電壓建立速度控制模塊，所述電壓建立速度控制模塊用于控制所述誤差放大器的輸出電壓，以在所述功率管導(dǎo)通后控制所述電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值。
[0007]—種軟啟動方法，用于電壓調(diào)節(jié)器電路，所述電壓調(diào)節(jié)器電路中設(shè)有用于外接電源接入端的功率管和用于調(diào)節(jié)所述功率管導(dǎo)通電阻的誤差放大器，還包括上電電流控制模塊，該方法步驟為:所述上電電流控制模塊檢測電源接入端；在檢測到所述電源接入端具有電源輸入時，所述上電電流控制模塊控制所述功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通。
[0008]所述電壓調(diào)節(jié)器電路中還包括電壓建立速度控制模塊，所述電壓建立速度控制模塊控制所述誤差放大器的輸出電壓，從而在所述功率管導(dǎo)通后，使所述電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值；所述功率管由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，通過所述上電電流控制模塊控制將所述電源接入端信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，并在在預(yù)定時間輸出信號變化至所述功率管的方式實(shí)現(xiàn)。
[0009]所述預(yù)定時間，為一個恒流充電的電容其電壓上升至預(yù)定值的時間。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:一種軟啟動裝置及方法，該裝置通過在現(xiàn)有電壓調(diào)節(jié)器電路的基礎(chǔ)上增設(shè)上電電流控制模塊，上電電流控制模塊用于檢測電源接入端是否有電源輸入，以在電源接入端具有電源輸入時控制電壓調(diào)節(jié)器的功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通接入所述電源接入端；對應(yīng)方法即在電源接入端具有電源輸入時，控制所述功率管在預(yù)定時間后導(dǎo)通；該裝置及方法在檢測到電源接入端到功率管導(dǎo)通接入電源的這段時間消除了快速上電時的電壓過沖和浪涌電流，保護(hù)了電路。
[0011]進(jìn)一步，該裝置包括電壓建立速度控制模塊，用于在所述功率管導(dǎo)通后控制所述電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值；進(jìn)一步，該方法即通過電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值；該方案避免了功率管導(dǎo)通后的電壓和電流沖擊，減小環(huán)路工作點(diǎn)建立過程中的瞬態(tài)電流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為現(xiàn)有電壓調(diào)節(jié)器電路示意圖；
[0013]圖2A為本發(fā)明一種實(shí)施例的原理示意圖；
[0014]圖2B為圖2A所示實(shí)施例應(yīng)用于圖1所示電壓調(diào)節(jié)器的原理圖；
[0015]圖3A為圖2A實(shí)施例更進(jìn)一步的電路原理示意圖；
[0016]圖3B為圖3A所示實(shí)施例應(yīng)用于圖1所示電壓調(diào)節(jié)器的原理圖；
[0017]圖4為前述實(shí)施例中上電電流控制模塊的電路圖；
[0018]圖5為前述實(shí)施例中電壓建立速度控制模塊的電路圖；
[0019]圖6為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的電壓調(diào)節(jié)器芯片的上電仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]參照圖1、2A所示一種軟啟動裝置，包括電壓調(diào)節(jié)器電路14和上電電流控制模塊
10。電壓調(diào)節(jié)器電路14與現(xiàn)有技術(shù)相同，其中設(shè)有連接電源接入端VIN的功率管13和用于調(diào)節(jié)功率管13導(dǎo)通電阻的誤差放大器12。上電電流控制模塊10用于檢測電源接入端VIN，并在檢測到外部電源輸入時，先將功率管13關(guān)閉，然后在預(yù)定時間后再開啟導(dǎo)通功率管13使電壓調(diào)節(jié)器電路14接入電源(控制功率管13在預(yù)定時間后導(dǎo)通接入電源接入端VIN的輸入電源)。
[0022]實(shí)施時，結(jié)合圖3A、3B所示，所述功率管13為MOS管，所述上電電流控制模塊10包括開關(guān)單元102和控制單元101 ;所述開關(guān)單元102連接在所述電源接入端VIN與所述功率管13的柵極之間；所述控制單元101連接所述電源接入端VIN與所述開關(guān)單元102，控制所述開關(guān)單元102在所述電源接入端具有電源輸入后的所述預(yù)定時間導(dǎo)通或關(guān)閉，使所述功率管13的柵極與所述電源接入端VIN導(dǎo)通或斷開，從而實(shí)現(xiàn)所述功率管13的導(dǎo)通。
[0023]實(shí)施時，如圖2B、3B、圖4所示，所述功率管13與開關(guān)單元102都為PMOS管或NMOS管；所述開關(guān)單元的源極和漏極連接在所述電源接入端VIN和所述功率管13的柵極之間，實(shí)現(xiàn)電源接入端VIN與功率管13的柵極的開關(guān)控制。
[0024]在圖3B、圖4所示實(shí)施例中，功率管13和開關(guān)單元102 (第一 PMOS管Ml)均為PMOS 管。
[0025]如圖4所述，控制單元101包括第一鏡像電路1011、第一電容Cl、第二電容C2和緩沖器1012 ;所述第一電容Cl、第二電容C2的一端都連接(外接)地線VSS，所述第一電容Cl的另一端接入所述開關(guān)單元102的柵極，所述第二電容C2的另一端連接所述第一鏡像電路1011的輸出端；所述第一鏡像電路1011外接電源接入端VIN和偏置電流IB_SS向所述第二電容C2輸出對應(yīng)于該偏置電流IB_SS的第一鏡像電流Ic ;所述緩沖器1012連接至所述電源接入端VIN和地線VSS，并用于將所述第一鏡像電路1011與所述第二電容C2連接處信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳遞至所述開關(guān)單元102的柵極。
[0026]實(shí)施時，該軟啟動裝置還可包括預(yù)定時間設(shè)置模塊；所述緩沖器1012由至少兩個反相器構(gòu)成，(如圖所示實(shí)施例，包括第一反相器10121和第二反相器)，其中直接與所述第二電容C2連接的第一反相器10121包括有第四PMOS管M4和第五NMOS管M5 ;所述預(yù)定時間設(shè)置模塊用于設(shè)置所述第一鏡像電流I c的大小、第二電容C2的尺寸、第四PMOS管M4的閾值電壓(實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通的電壓)和第五NMOS管M5的閾值電壓(實(shí)現(xiàn)阻斷的電壓)中的一個或多個，從而改變所述預(yù)定時間。
[0027]更具體的，上電電流控制模塊10的工作原理，結(jié)合2B、4所示，開關(guān)單元102 (Ml)柵端電壓由第一電容Cl賦予，從而消除了上電過程中的不定態(tài)，確保開關(guān)單元102導(dǎo)通并將誤差放大器12的輸出電壓EA_0UT拉高到電源接入端VIN的輸入電壓，關(guān)閉功率管13。隨后基準(zhǔn)模塊開始工作，偏置電流IB_SS產(chǎn)生，第一鏡像電流Ic對第二電容C2充電，第二電容C2上極板電壓逐步上升，并最終關(guān)閉開關(guān)單元102，釋放誤差放大器12的輸出電壓EA_OUT, VR的反饋調(diào)整環(huán)路進(jìn)入靜態(tài)工作點(diǎn)的建立過程。第二電容C2、第一鏡像電流1C、第四PMOS管M4、第五NMOS管M5的尺寸(分別指第一鏡像電流Ic的大小、第二電容C2的尺寸、第四PMOS管M4的開啟電壓和第五NMOS管M5的開啟電壓)共同決定了功率管的釋放時間(預(yù)定時間)。計(jì)算公式如下:
[0028]T_Re I ease=VM*C2/1 c
[0029]其中VM為M4和M5構(gòu)成反相器的中點(diǎn)電平。
【權(quán)利要求】
1.一種軟啟動裝置，其特征在于，包括電壓調(diào)節(jié)器電路(14)和上電電流控制模塊(10)，所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)中設(shè)有連接電源接入端的功率管(13)和用于調(diào)節(jié)所述功率管(13)導(dǎo)通電阻的誤差放大器(12);所述上電電流控制模塊(10)用于檢測電源接入端是否具有外部電源輸入，以在所述電源接入端具有外部電源輸入時控制所述功率管(13)在預(yù)定時間后導(dǎo)通。
2.如權(quán)利要求1所述的軟啟動裝置，其特征在于，該軟啟動裝置還包括連接所述誤差放大器(12)的電壓建立速度控制模塊(11)，所述電壓建立速度控制模塊(11)用于控制所述誤差放大器(12)的輸出電壓，以在所述功率管(13)導(dǎo)通后控制所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值。
3.如權(quán)利要求1所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述功率管(13)為MOS管，所述上電電流控制模塊(10)包括開關(guān)單元(102)和控制單元(101);所述開關(guān)單元(102)連接在所述電源接入端與所述功率管(13)的柵極之間；所述控制單元(101)連接所述電源接入端與所述開關(guān)單元(102)，控制所述開關(guān)單元(102)在所述電源接入端具有電源輸入后的所述預(yù)定時間導(dǎo)通或關(guān)閉，使所述功率管(13)的柵極與所述電源接入端導(dǎo)通或斷開，從而實(shí)現(xiàn)所述功率管(13)的導(dǎo)通。
4.如權(quán)利要求3所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述功率管(13)與開關(guān)單元(102)都為PMOS管或NMOS管；所述開關(guān)單元的源極和漏極連接在所述電源接入端和所述功率管(13)的柵極之間。
5.如權(quán)利要求4所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述控制單元(101)包括第一鏡像電路(1011)、第一電容、第二電容和緩沖器(1012);所述第一電容、第二電容的一端都連接地線，所述第一電容的另一端接入所述開關(guān)單元(102)的柵極，所述第二電容的另一端連接所述第一鏡像電路(1011)的輸出端；所述第一鏡像電路(1011)外接電源接入端和偏置電流向所述第二電容輸出對應(yīng)于該偏置電流的第一鏡像電流；所述緩沖器(1012)連接至所述電源接入端和地線，并用于將所述第一鏡像電路(1011)與所述第二電容連接處信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳遞至所述開關(guān)單元(102)的柵極。
6.如權(quán)利要求5所述的軟啟動裝置，其特征在于，該軟啟動裝置還包括預(yù)定時間設(shè)置模塊；所述緩沖器(1012)包括第一反相器(10121)和第二反相器，所述第一反相器(10121)與所述第二電容連接，其包括第四PMOS管和第五NMOS管；所述預(yù)定時間設(shè)置模塊用于設(shè)置所述第一鏡像電流的大小、第二電容的尺寸、第四PMOS管的開啟電壓和第五NMOS管的開啟電壓中的一個或多個。
7.如權(quán)利要求2所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述電壓建立速度控制模塊(11)包括第十PMOS管(111)和連接在第十PMOS管(111)柵極上的緩慢上升電壓源(112)，所述緩慢上升電壓源(112)輸出按預(yù)定速率上升的電壓，控制所述第十PMOS管(111)的導(dǎo)通電阻等比于所述預(yù)定速率上升，直至所述第十PMOS管(111)阻斷。
8.如權(quán)利要求7所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述誤差放大器(12)包括由兩只MOS管構(gòu)成的差分對管(121)，差分對管(121)的兩個柵極分別外接基準(zhǔn)源和電壓反饋信號；所述第十PMOS管(111)的源極和漏極對應(yīng)連接在差分對管(121)外接基準(zhǔn)源的一個MOS管的源極和漏極上。
9.如權(quán)利要求8所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述緩慢上升電壓源(112)包括第二鏡像電路(1121)和第三電容；所述第三電容與所述第二鏡像電路(1121)的連接端為所述按預(yù)定速率上升的電壓源(112)的輸出端；所述第二鏡像電路(1121)外接電源接入端和偏置電流，并向所述第三電容輸出對應(yīng)于所述偏置電流的第二鏡像電流，第三電容另一極外接地線。
10.如權(quán)利要求9所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述差分對管(121)由第十一PMOS管和第十二 PMOS管構(gòu)成，所述第十一 PMOS管的柵極外接基準(zhǔn)源、源極與第十PMOS管(111)的源極相連、漏極與第十一 PMOS管第十PMOS管(111)的漏極相連；所述電壓建立速度控制模塊(11)中的所述第十PMOS管(111)的寬長比大于所述第十一 PMOS管和第十二 PMOS管的寬長比。
11.如權(quán)利要求10所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)的輸出端之間還設(shè)有串接的兩個反饋電阻；所述誤差放大器(12)輸出電壓至功率管(13)柵極，從而改變電壓調(diào)節(jié)器電路(14)的輸出端電壓，兩個反饋電阻之間的電壓值作為負(fù)反饋輸入信號輸入所述誤差放大器(12)。
12.如權(quán)利要求11所述的軟啟動裝置，其特征在于，還包括預(yù)定速率設(shè)置模塊，用于依據(jù)所述導(dǎo)通功率管(13)的預(yù)定時間，設(shè)置所述第二鏡像電流的大小和第三電容的尺寸，從而改變所述預(yù)定速率的大小。
13.一種軟啟動方法，用于電壓調(diào)節(jié)器電路(14)，所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)中設(shè)有用于接入電源接入端的功率管(13)和用于調(diào)節(jié)所述功率管(13)導(dǎo)通電阻的誤差放大器(12)，其特征在于，還包括上電電流控制模塊(10)，該方法步驟為: 所述上電電流控制模塊(10)檢測電源接入端； 在檢測到所述電源接入`端具有電源輸入時，所述上電電流控制模塊(10)控制所述功率管(13)在預(yù)定時間后導(dǎo)通。
14.如權(quán)利要求13所述的軟啟動方法，其特征在于，所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)中還包括電壓建立速度控制模塊(11)，該方法還包括步驟:所述電壓建立速度控制模塊(11)控制所述誤差放大器(12)的輸出電壓，在所述功率管(13)導(dǎo)通后使所述電壓調(diào)節(jié)器電路(14)的輸出電壓按預(yù)定速率上升至穩(wěn)定值；所述功率管(13)由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，通過所述上電電流控制模塊(10)控制將所述電源接入端信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，并在在預(yù)定時間輸出信號變化至所述功率管(13)的方式實(shí)現(xiàn)；所述預(yù)定時間，為一個恒流充電的電容其電壓上升至預(yù)定值的時間。
15.如權(quán)利要求14所述的軟啟動方法，其特征在于，所述誤差放大器(12)包括由兩只MOS管構(gòu)成的差分對管(121)，差分對管(121)的兩個柵極分別外接基準(zhǔn)源和電壓反饋信號；所述控制所述誤差放大器(12)的輸出電壓的步驟為:在所述電源接入端具有電源輸入時，即設(shè)置接入電路的一個按預(yù)定速率上升的電壓；在功率管(13)導(dǎo)通后，該按預(yù)定速率上升的電壓替代所述基準(zhǔn)源；在所述輸出電壓上升至穩(wěn)定值之后，切斷所述按預(yù)定速率上升的電壓的接入，恢復(fù)基準(zhǔn)源的穩(wěn)壓參考作用。
【文檔編號】G05F1/56GK103529890SQ201210233704
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】張均軍, 孫軼群 申請人:國民技術(shù)股份有限公司