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，適用于電壓調節(jié)器，尤其是無電容電壓調節(jié)器。該裝置通過在現(xiàn)有電壓調節(jié)器電路的基礎上增設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，使電壓調節(jié)器電路的輸出電壓在電路建立時按預定速率上升至穩(wěn)定值；對應方法即通過電壓調節(jié)器電路的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值；該方案避免了功率管導通后的電壓和電流沖擊，減小環(huán)路工作點建立過程中的瞬態(tài)電流。
【專利說明】一種軟啟動裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軟啟動技術，尤其涉及一種針對電壓調節(jié)器(VR =VoltageRegulator)尤其是無電容電壓調節(jié)器(Cap-less VR)的軟啟動(Soft Start)裝置及方法。
【背景技術】
[0002]電壓調節(jié)器具有功耗低、外部元件少、電磁干擾小等優(yōu)點，應用于片上系統(tǒng)(S0C:system on chip)芯片中作為電源管理單元。尤其在手機、個人移動終端等便攜式設備里，對SOC芯片的功耗要求日益嚴格，無外部電容電壓調節(jié)器得到了廣泛應用。參見圖1所示，電壓調節(jié)器的電路組件通常包括:一個基準源VREF (基準電壓)、一個誤差放大器12(Error Amplifier)、一個PMOS功率管13 (增強型功率PMOS管；此處也可采用增強型NMOS功率管，對應的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功率管構成了 VR的反饋調整環(huán)路。電壓調節(jié)器工作時，基準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)，改變其導通阻抗，從而在不同的電源輸入和負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)，此時內部節(jié)點電壓不定，功率管導通并對負載電容充電，上電電流的大小與電源建立速度和電壓值密切相關，速度越快，電壓越高，VOUT過沖和充電電流會越大?！?>、環(huán)路工作點的建立過程。調整環(huán)路比較VOUT的反饋電壓和基準電壓，建立工作點。靜態(tài)工作點的值、負載電容大小和VOUT的建立速度均可能引起較大電流過沖。結合圖1所示，RL表示負載電阻，CL為負載電容，當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，則用于消除電壓調節(jié)器啟動過程中的過沖電壓(OvershootVoltage)和浪涌電流(Inrush Current)。但是,現(xiàn)有軟啟動技術在以下背景中遇到了困難:
(I)即插即用設備的系統(tǒng)上電時間(芯片電源的建立時間)達到IOnS級別，現(xiàn)有技術無法應付快速上電時，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，導致功率管進入閂鎖(La t ch Up)狀態(tài)，損毀VR本身電路。(3)在某些便攜設備中，對SOC芯片設置了限制性的供電標準，包括瞬時功率要求，這已經(jīng)成為市場的準入條件之一。如果對VR的瞬間浪涌電流不做控制，可能導致SOC芯片無法正常工作。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明要解決的主要技術問題是，提供一種軟啟動裝置及方法，其能在設備上電的瞬間，消除電壓沖擊。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種軟啟動裝置，包括電壓調節(jié)器電路和電壓建立速度控制模塊，所述電壓調節(jié)器電路中設有連接電源接入端的功率管和用于調節(jié)所述功率管導通電阻的誤差放大器；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，使所述電壓調節(jié)器電路的輸出電壓在電路建立時按預定速率上升至穩(wěn)定值。
[0006]實施時，還可包括上電電流控制模塊，所述上電電流控制模塊用于檢測電源接入端是否具有電源輸入，以在所述電源接入端具有電源輸入時控制所述功率管在預定時間后導通。
[0007]—種軟啟動裝置，包括電壓調節(jié)器電路，所述電壓調節(jié)器電路中設有連接電源接入端的功率管和用于調節(jié)所述功率管導通電阻的誤差放大器；還包括上電電流控制模塊和連接所述誤差放大器的電壓建立速度控制模塊；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定時間后導通(即建立電路)；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，以在所述功率管導通后，控制所述電壓調節(jié)器電路的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值。
[0008]一種軟啟動方法，用于電壓調節(jié)器電路，所述電壓調節(jié)器電路中設有用于接入電源接入端的功率管和用于調節(jié)所述功率管導通電阻的誤差放大器，還包括電壓建立速度控制模塊，該方法步驟為:
[0009]所述電壓建立速度控制模塊對所述誤差放大器的輸出電壓進行控制；
[0010]在電路建立時，所述電壓建立速度控制模塊通過所述輸出電壓，控制所述電壓調節(jié)器電路的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值。
[0011]實施時，所述電壓調節(jié)器電路中還包括上電電流控制模塊，該方法還包括步驟:
[0012]所述上電電流控制模塊檢測電源接入端；
[0013]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定時間后導通，實現(xiàn)電路建立。
[0014]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)有電壓調節(jié)器電路的基礎上增設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，使電壓調節(jié)器電路的輸出電壓在電路建立時按預定速率上升至穩(wěn)定值；對應方法即通過電壓調節(jié)器電路的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值；該方案避免了功率管導通后的電壓和電流沖擊，減小環(huán)路工作點建立過程中的瞬態(tài)電流。
[0015]進一步，該裝置包括上電電流控制模塊，上電電流控制模塊用于檢測電源接入端是否具有電源輸入，并在具有電源輸入時，控制電壓調節(jié)器的功率管在預定時間后導通接入所述電源接入端；對應方法即在檢測到所述電源接入端具有電源輸入時，控制所述功率管在預定時間后導通；該裝置及方法在檢測到電源接入端到功率管導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，保護了電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有電壓調節(jié)器電路示意圖；
[0017]圖2A為本發(fā)明一種實施例的原理示意圖；
[0018]圖2B為圖2A所示實施例應用于圖1所示電壓調節(jié)器的原理圖；
[0019]圖3A為圖2A實施例更進一步的電路原理示意圖；
[0020]圖3B為圖3A所示實施例應用于圖1所示電壓調節(jié)器的原理圖；
[0021]圖4為前述實施例中上電電流控制模塊的電路圖；[0022]圖5為前述實施例中電壓建立速度控制模塊的電路圖；
[0023]圖6為本發(fā)明實現(xiàn)的電壓調節(jié)器芯片的上電仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0024]下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025]如圖2A所示，一種軟啟動裝置，包括電壓調節(jié)器電路14和電壓建立速度控制模塊11，所述電壓調節(jié)器電路14中設有連接電源接入端的功率管13和用于調節(jié)所述功率管13導通電阻的誤差放大器12 ;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EA_0UT，使所述電壓調節(jié)器電路14的輸出電壓VOUT在電路建立時按預定速率上升至穩(wěn)定值。此電路在上電電流控制電路之后起作用，用于減小環(huán)路工作點建立過程中的瞬態(tài)電流。
[0026]所述穩(wěn)定值，指誤差放大器12獨立于電壓建立速度控制模塊11對功率管13進行控制所產(chǎn)生的輸出電壓VOUT。
[0027]電路建立時，是指在電壓調節(jié)器電路14開始輸出電壓VOUT的瞬間，按預定速率上升至穩(wěn)定值的過程為這個時間點向后的延續(xù)。
[0028]實施時，電壓調節(jié)器電路14的輸出電壓VOUT按預定速率上升，可以通過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EA-0UT，從而改變功率管13的電阻的方式實現(xiàn)。
[0029]結合圖3A、5所示，實施時，所述電壓建立速度控制模塊11包括第十PMOS管111(MlO)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輸出按預定速率上升的電壓SS_CTRL，控制所述第十PMOS管111的導通電阻按等比于所述預定速率上升，直到第十PMOS管111阻斷。
[0030]在實施時，緩慢上升電壓源112可以在電源接入端VIN具有電源輸入時便開始輸出電壓，也可以在其它時間，例如在功率管13開啟之后輸出電壓。對應的,若緩慢上升電壓源112在電源接入端VIN具有電源輸入時開始輸出電壓，緩慢上升電壓源112則還可用于檢測電源接入端VIN，并在檢測到所述電源接入端VIN具有電源輸入時，控制所述緩慢上升電壓源112輸出電壓。對應的，若緩慢上升電壓源112在功率管13開啟之后輸出電壓，則緩慢上升電壓源112則還可用于檢測功率管13開關狀態(tài)。
[0031]實施時，所述誤差放大器12包括由兩只MOS管構成的差分對管121，差分對管121的兩個柵極分別外接基準源VREF (基準電壓)和電壓反饋信號VFB ;所述第十PMOS管111的源極和漏極對應連接在差分對管121外接基準源VREF的一個MOS管的源極和漏極上。
[0032]所述緩慢上升電壓源112包括第二鏡像電路1121和第三電容C3 ;所述第二鏡像電路1121外接電源接入端VIN和偏置電流IB_SS，并向所述第三電容C3輸出對應于該偏置電流IB_SS的第二鏡像電流12，第三電容C3另一極外接地線VSS ;所述第三電容C3與所述第二鏡像電路1121的連接端為所述按預定速率上升的電壓源112的輸出端。
[0033]如圖5所示實施例，差分對管121由第十一 PMOS管Mll和第十二 PMOS管M12構成，第十一 PMOS管Mll的柵極外接基準源VREF、源極與第十PMOS管111的源極相連、漏極與第十一 PMOS管Ml I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Mll和第十二 PMOS管M12的寬長比。其中，寬長比差值越大，效果越明顯。
[0034]具體的，如圖1、2B、3B所示，所述電壓調節(jié)器電路14的輸出端電極之間還設有串接的兩個反饋電阻R1、R2。所述反饋電阻、功率管13及誤差放大器12構成VR反饋調整環(huán)路，所述電壓反饋信號VFB即該VR調整環(huán)路的負反饋輸入信號(電壓反饋信號VFB為Rl和R2對VOUT的分壓)。其信號流為:誤差放大器12輸出電壓EA_0UT傳遞至功率管13的柵極，從而改變電壓調節(jié)器電路14的輸出端電壓V0UT，兩個反饋電阻R1、R2之間連接點的電壓值作為負反饋輸入信號輸入所述誤差放大器12，從而調節(jié)誤差放大器12的輸出電壓。
[0035]實施時，該軟啟動裝置還包括預定速率設置模塊，用于依據(jù)所述導通功率管13的預定時間(參照下文增設上電電流控制模塊10的方案部分)，設置所述第二鏡像電流I 2的大小和第三電容C 3的尺寸,從而改變所述預定速率的大小。
[0036]更具體的，結合圖5，電壓建立速度控制模塊11的工作原理為，利用一路按預定速率上升的電壓SS_CTRL與基準源VREF同時對輸出電壓進行控制。其特點是兩者不存在開關式的切換過程。啟動過程中按預定速率上升的電壓SS_CTRL控制電壓調節(jié)器電路14的輸出電壓VOUT緩慢建立，這主要依靠第十PMOS管111和第十一 PMOS管Mll的尺寸差別以及VR調整環(huán)路的負反饋電壓VFB作用來實現(xiàn)。
[0037]實施時，具體的，所述第十PMOS管111的寬長比大于所述第十一 PMOS管Mll和第十二 PMOS管M12的寬長比，在啟動過程中，流經(jīng)第十PMOS管111電流遠大于第十一 PMOS管Mll的電流，第十PMOS管111與第十二 PMOS管M12構成實質性的差分輸入對管；第十PMOS管111的電流能力大于第十二 PMOS管M12，系統(tǒng)存在輸入失調Vos (由于負反饋作用，輸出電壓VOUT的分壓VFB與SS_CTRL-Vos相等)，啟動過程中有公式:
[0038]
【權利要求】
1.一種軟啟動裝置，其特征在于，包括電壓調節(jié)器電路(14)和電壓建立速度控制模塊(11)，所述電壓調節(jié)器電路(14)中設有連接電源接入端的功率管(13)和用于調節(jié)所述功率管(13)導通電阻的誤差放大器(12);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，使電壓調節(jié)器電路(14)的輸出電壓在電路建立時按預定速率上升至穩(wěn)定值。
2.如權利要求1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)輸出按預定速率上升的電壓，控制所述第十PMOS管(111)的導通電阻等比于所述預定速率上升，直至所述第十PMOS管(111)阻斷。
3.如權利要求2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管構成的差分對管(121)，差分對管(121)的兩個柵極分別外接基準源和電壓反饋信號；所述第十PMOS管(111)的源極和漏極對應連接在差分對管(121)外接基準源的一個MOS管的源極和漏極上。
4.如權利要求3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于該偏置電流的第二鏡像電流，第三電容另一極外接地線。
5.如權利要求4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管構成，所述第十一 PMOS管的柵極外接基準源、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。`
6.如權利要求5所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述電壓調節(jié)器電路(14)的輸出端之間還設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反饋輸入信號輸入所述誤差放大器(12)。
7.如權利要求1至6任一項所述的軟啟動裝置，其特征在于，該軟啟動裝置還包括上電電流控制模塊(10)，所述上電電流控制模塊(10)用于檢測電源接入端是否具有電源輸入，以在所述電源接入端具有電源輸入時控制所述功率管(13)在預定時間后導通。
8.如權利要求7所述的軟啟動裝置，其特征在于，該軟啟動裝置還包括預定速率設置模塊，用于依據(jù)所述導通功率管(13)的預定時間，設置所述第二鏡像電流的大小和第三電容的尺寸，從而改變所述預定速率的大小。
9.如權利要求7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 )包括開關單元(102)和控制單元(101);所述開關單元(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單元(102)，控制所述開關單元(102)在所述電源接入端具有電源輸入后的所述預定時間導通或關閉，使所述功率管(13)的柵極與所述電源接入端導通或斷開，從而實現(xiàn)所述功率管(13)的導通。
10.如權利要求9所述的軟啟動裝置，其特征在于，所述功率管(13)與開關單元(102)都為PMOS管或NMOS管；所述開關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。
11.如權利要求10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換為數(shù)字信號后傳遞至所述開關單元(102)的柵極。
12.如權利要求11所述的軟啟動裝置，其特征在于，該軟啟動裝置還包括預定時間設置模塊；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；所述預定時間設置模塊用于設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。
13.一種軟啟動方法，用于電壓調節(jié)器電路(14)，所述電壓調節(jié)器電路(14)中設有用于接入電源接入端的功率管(13)和用于調節(jié)所述功率管(13)導通電阻的誤差放大器(12)，其特征在于，還包括電壓建立速度控制模塊(11)，該方法步驟為: 所述電壓建立速度控制模塊(11)對所述誤差放大器(12)的輸出電壓進行控制； 在電路建立時，所述電壓建立速度控制模塊(11)通過所述輸出電壓，控制所述電壓調節(jié)器電路(14)的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值。
14.如權利要求13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管構成的差分對管(121)，差分對管(121)的兩個柵極分別外接基準源和電壓反饋信號；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，設置接入電路的一個按預定速率上升的電壓；在電路建立時，該按預定速率上升的電壓替代所述基準源；在所述輸出電壓上升至穩(wěn)定值之后，切斷所述按預定速率上升的電壓的接入，恢復基準源的穩(wěn)壓參考作用。
15.如權利要求13或14所述的軟啟動方法，其特征在于，所述電壓調節(jié)器電路(14)中還包括上電電流控制模塊(10),該方法還包括步驟: 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)在預定時間后導通，實現(xiàn)電路建立。
16.如權利要求15所述的軟啟動方法，其特征在于，通過控制將所述電源接入端信號轉換為開關信號，并在在預定時間輸出信號變化至所述功率管(13)方式，實現(xiàn)所述功率管(13)由關閉狀態(tài)轉變?yōu)閷顟B(tài)；所述預定時間，為一個恒流充電的電容其電壓上升至預定值的時間。
17.一種軟啟動裝置，其特征在于，包括電壓調節(jié)器電路(14)，所述電壓調節(jié)器電路(14)中設有連接電源接入端的功率管(13)和用于調節(jié)所述功率管(13)導通電阻的誤差放大器(12);還包括上電電流控制模塊(10)和連接所述誤差放大器(12)的電壓建立速度控制模塊(11);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)在預定時間后導通；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)導通后，控制所述電`壓調節(jié)器電路(14)的輸出電壓按預定速率上升至穩(wěn)定值。
【文檔編號】G05F1/56GK103529891SQ201210233862
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月6日 優(yōu)先權日:2012年7月6日
【發(fā)明者】張均軍, 孫軼群 申請人:國民技術股份有限公司