升压式DC-DC开关电源的数字化软启动方法研究_郭仲杰.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源:国家自然科学基金面上项目();陕西省创新能力支撑计划项目();陕西省重点研发计划项目();陕西省教育厅科学研究计划项目()收稿日期:修改日期:,(,):,:;:升压式 开关电源的数字化软启动方法研究郭仲杰,李梦丽,刘 申,邱子忆(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安)摘 要:为了解决 开关电源启动过程的浪涌电流较大对开关电源造成损坏的问题,提出了一种用于升压式 开关电源的高效数字化软启动方法。该方法采用可编程数字化技术,通过复用衬底切换电路对输出电容预充电的方式,实现输出电流平稳上升,达到了开关电源的软启动效果,解决了 开关电源在启动时
2、产生的浪涌电流和电压过冲问题。基于 工艺完成了对所提出方法的物理实现与测试验证。测试表明在输入电压为 ,输出电压为 ,占空比为时,软启动时间在 变化的情况下为 ,输出电压平稳上升不会产生浪涌电流现象。通过理论分析与实验验证,表明该方法具有结构简单、稳定性强、功耗低、启动速度快的明显优势。关键词:开关电源;软启动电路;浪涌电流;电压过冲;复用衬底切换中图分类号:文献标识码:文章编号:()目前随着各种便携式产品的广泛使用,(直流 直流)开关电源因其输出电流大、转换效率高、静态电流低等优点也被广泛应用。由于刚开始启动时输出电压为,给电容充电很容易产生浪涌电流,且电感电流在平衡值保持一定时间之后,引起
3、输出电压迅速升高,并超过正常值,则容易出现电压过冲现象。较大的电流和过冲电压容易损毁电路系统。为消除浪涌电流和输出电压过冲现象,可在开关电源中加入软启动电路。文献中提出的预充电模块和控制启动模块,虽然这种方法可以消除浪涌电流,但利用双反馈环路来控制启动的电路过于复杂,不易实现。文献、文献和文献是利用一个从零逐渐增加的斜坡电压代替基准电压接到误差放大器的反相输入端,防止误差放大器出现非平衡态,该方法通过脉冲宽度调制(,)以一定的占空比逐渐增加输出电压,从而实现软启动功能;文献是限制误差放大器的输出电压,利用延时模块实现从零逐步增加的阶梯式电压,以代替误差放大器的输出。将误差放大器输出电压限制在很
4、低的范围内,有效地控制功率管的通断时间,限制电感电流,从而避免产生浪涌电流和过冲电压;文献是电 子 器 件第 卷采用 产生线性上升的软启动电压,控制误差放大器输入的方式;文献是用数字电源控制软启动方法,可根据不同负载调节软启动时间,但是这种方法的软启动时间过长。针对于上述问题,本文提出了一种新型软启动电路。即利用数字电源来控制软启动,数字信号控制两个 管对输出电容进行预充电,解决了开关电源在启动时产生的浪涌电流和电压过冲的问题,保证输出电流平稳上升。图 传统软启动电路图 传统的软启动电路传统的软启动电路有两种:一种是在误差放大器输入端加入软启动代替基准电压;另一种软启动是利用逐步增加的电压,替
5、代误差放大器的输出。但是这两种方法并没有减小峰值电感电流,只是延长电容充电时间。图 所示,是通过电阻分压实现从零逐步增加的阶梯式电压,来代替误差放大器的输出。其工作原理是:在第一阶段,导通,、管截止,此时,电阻被短路,的电压最小。在第二阶段,管导通,其他 管截止,此时输出电压 为:()接着 导通,上升为:()同理,在第四阶段 导通,输出电压 为:()本文提出的升压式开关电源软启动架构系统整体环路采用峰值电流模控制的 开关电源,如图 所示,由软起动电路,主电路和控制电路组成,其中主电路由功率管、续流管、电感、电容、电阻 组成。软启动电路由、管组成。控制电路由电阻反馈网络、误差放大器、比较器、触发
6、器组成。工作过程是:在转换器刚开始启动时,数字控制模块输出低电平 ,由于误差放大器采用 管作为输入对管,因此误差放大器工作在非平衡状态,此时基准电压输入误差放大器但是不会对误差放大器的输出产生影响。在此阶段衬底切换电路中的 管工作在饱和区。图 升压型峰值电流模控制的 开关电源原理图在第一阶段,通过衬底切换电路输出大小恒定的电流对输出电容进行充电,使输出电压上升,即反馈电压 逐渐升高,由于误差放大器此时工作在非平衡阶段且正相端输入电压为低电平,因此误差放大器输出为低电平,通过 比较器输出为低电平驱动电路关断主开关电路,并通过额外的逻辑电路关闭续流管。管给输出端充电使输出电压上升到一定电压值,充电
7、时间 为:()式中:为输出电阻,为输出电容,软启动时间和时间常数 成正比。在第二阶段,续流管开始导通,主开关管依旧处于截止状态,形成输入到输出的直流通路,使得输出电压上升到电源电压。在第三阶段,数字模块输出高电平,使得基准电压开始对误差放大器输出产生影响并缓慢上升,并通过控制环路对主开关管和续流管产生周期性的开关动作,最终使得输出电压 上升到预设的电压值。环路中的 误差放大器如图 所示。电路采用共源共栅结构,其中输入级由 构成,和为输入差分对管,作为开关管,在软启动阶第 期郭仲杰,李梦丽等:升压式 开关电源的数字化软启动方法研究 段,数字控制模块 输出为低电平 管导通,误差放大器同相端有基准电
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