一种软启动控制模块、系统及方法与流程

1.本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种软启动控制模块、系统及方法。


背景技术：

2.低压差线性稳压器（lowdropoutlinearregulator，ldo）是使用最为广泛的稳压供电电路之一。在设计其软启动过程中需要在较短的启动时间内保证输出电压过冲量最小。
3.而现有技术中，通常采用多功率器分时导通技术，通过一个延迟电路和分时导通功率器件，以一种相对恒定的电流给外部电容充电，使得线性电源的上电速率相对恒定，实现恒定速率的上电效果。但是这种延迟电路的延迟变化很大，而且功率器件的控制端电压不是一个可控值，这样容易导致上电速率变化随工艺、温度变化很大，此外每级功率器件还会出现大的电流，容易出现器件可靠性问题。
4.或者，现有技术中通常还会采用电流比较器的方法，通过动态调节参考电流的大小，来实现不同的功率器件电流限制，从而实现线性稳压器的软启动上电过程。缺点是由于参考电流和功率器限流之间的比例非常大，通常在几千倍以上，因此很难实现精细的软启动上电调节粒度。
5.为此，亟需提出一种软启动控制模块、系统及方法，以有效解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种软启动控制模块、系统及方法，不仅能够实现对软启动速率的控制，还能够精细地控制线性稳压器输出电压的幅度和上升速率。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种软启动控制模块，包括dac模块、时间窗口模块、第一开关和第二开关；所述dac模块与所述第一开关的一端相连，所述第二开关的一端接入控制电压信号vctrl，所述时间窗口模块用于控制所述第一开关和所述第二开关不同时开启，当所述第一开关或所述第二开关开启时，所述第一开关的另一端或所述第二开关的另一端输出控制电压信号vctrl。
8.进一步的，所述时间窗口模块通过第一开关控制信号twin控制所述第一开关开启或关闭。
9.进一步的，所述时间窗口模块通过第二开关控制信号twinb控制所述第二开关开启或关闭。
10.进一步的，所述时间窗口模块包括数字计数器以及与所述数字计数器配合的组合逻辑模块。
11.进一步的，所述时间窗口模块包括多个触发器，用于调节时间窗口大小。
12.此外，本发明还包括一种软启动控制系统，包括如上述所述的软启动控制模块和环路电路，所述环路电路包括功率管、误差放大器和分压电阻；所述功率管的栅极与第一开关和第二开关相连，漏极通过所述分压电阻接地，源
极接电源电压；所述误差放大器的输出端的控制电压信号vctrl通过所述第二开关传输至所述功率管的栅极，同相输入端连接于所述分压电阻的分压节点。
13.进一步的，所述环路电路还包括滤波电容和负载电阻；所述滤波电容的一端连接于所述分压电阻和功率管之间，另一端接地；所述负载电阻的一端连接于所述滤波电容的一端，另一端接地。
14.此外，本发明还提出一种软启动控制方法，采用如上述所述的软启动控制模块或如上述所述的软启动控制系统，其特征在于，包括：将所述软启动控制模块与环路电路的输入端进行导通，并将所述软启动控制模块输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端；当所述环路电路中的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，通过时间窗口模块切换成误差放大器与所述环路电路的输入端的导通，使所述误差放大器输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端。
15.进一步的，还包括：通过所述时间窗口模块将dac模块与功率管的栅极进行导通，并对所述dac模块进行一信号输入，得到所述控制电压信号vctrl，随着所述控制电压信号vctrl呈线性变化，所述功率管的输出电压vldo_out也呈线性变化，直至所述输出电压vldo_out达到预定电压值。
16.进一步的，当所述功率管的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，所述误差放大器输出的控制电压信号vctrl为一稳态电压，再通过所述时间窗口模块切换成所述误差放大器与所述功率管栅极的导通，使得所述功率管的电流平稳变化。
17.通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：通过dac模块、时间窗口模块、第一开关sw0和第二开关sw1的设置，以及dac模块与第一开关的一端相连，第二开关的一端接入控制电压信号vctrl，时间窗口模块用于控制第一开关和第二开关不同时开启，当第一开关或第二开关开启时，第一开关的另一端或第二开关的另一端输出控制电压信号vctrl。从控制信号的幅度和时间两个维度来控制环路电路中功率管mp0的导通，能够非常精细地控制环路电路输出电压vldo_out的幅度和上升速率，大大提升了软启动的控制精确度。并且通过精确控制软启动电压的幅度和导通时间，使得功率管mp0在启动过程不会出现大的启动电流，能够降低对功率管mp0的冲击，从而提升了可靠性。
18.另外，本发明的软启动控制模块还能够针对不同的芯片和外部元器件，能够进行精确调节以达到最好的启动效果，具有非常广泛的应用场合。且对于不同外部滤波电容cext的大小，均具有好的实用性和控制精度，扩大了软启动的应用领域。
附图说明
19.图1为本发明一实施例中软启动控制模块的结构示意图；图2为本发明一实施例中软启动控制模块中的时间窗口模块的结构示意图；图3为本发明一实施例中软启动控制系统的结构示意图；图4为本发明一实施例中软启动控制方法的流程图；图5为本发明一实施例中软启动控制方法的时序图。
具体实施方式
20.下面将结合附图对本发明的一种软启动控制模块、系统及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
21.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
22.如图1所示，本发明实施例提出了一种软启动控制模块，包括dac模块（digital to analog converter，数字模拟转换器）、时间窗口模块、第一开关sw0和第二开关sw1。其中，dac模块为图1中的数字模拟转换器。
23.具体的，所述dac模块与所述第一开关sw0的一端相连，所述第二开关sw1的一端接入控制电压信号vctrl，所述时间窗口模块用于控制所述第一开关sw0和所述第二开关sw1不同时开启（开启表示电路连通状态），当所述第一开关sw0或所述第二开关sw1开启时，所述第一开关sw0的另一端或所述第二开关sw1的另一端输出控制电压信号vctrl。
24.其中，所述时间窗口模块产生第一开关sw0控制信号twin和第二开关sw1控制信号twinb。进一步的，所述时间窗口模块通过第一开关sw0控制信号twin控制所述第一开关sw0开启或关闭。以及所述时间窗口模块通过第二开关sw1控制信号twinb控制所述第二开关sw1开启或关闭。
25.在本实施例中，所述时间窗口模块包括数字计数器以及与所述数字计数器配合的组合逻辑模块。
26.以及，所述时间窗口模块还包括触发器，用于调节时间窗口大小。优选的，所述触发器的数量为多个。
27.在一具体示例中，可结合图2所示，时间窗口模块由一个数字计数器和一个组合逻辑（combination logic）实现。通过调节接入的触发器的个数，可以灵活调节时间窗口的大小。
28.在一具体示例中，本实施例使用了数字辅助的软启动实现方法，在上电过程中可配合时间窗口模块采用dac模块的输出作为环路电路输入端的控制电压信号vctrl，采用4~8位dac模块即可实现很精细的软启动调节步长。此外还可以通过调节选择dac模块的时间窗口大小来调节软启动的速率，其中，时间窗口大小由计数器的时钟周期个数决定，粒度可以精细到一个时钟周期的长度。通过数字方式来实现对软启动速率的控制，其中，环路电路控制电压信号vctrl的幅度通过dac模块实现，而控制的时长通过一个数字控制的时钟计数窗口来确定，从而能够非常精细地控制环路电路输出电压vldo_out的幅度和上升速率。
29.另外，在一实施例中，当第二开关sw1开启时，即环路电路的输出端与输入端连通。环路电路中的输出端先接入一个verr_ampo信号，verr_ampo信号经第二开关sw1输出至环路电路中的输入端，则为一控制电压信号vctrl，即控制电压信号vctrl用于连接至环路电路中的输入端。在本实施例中，控制电压信号vctrl与图1中的误差放大器amp1接入的verr_ampo信号保持一致。
30.此外，结合图3所示，本实施例还提出一种软启动控制系统，包括如上述所述的软启动控制模块和环路电路，所述环路电路包括功率管、误差放大器amp1和分压电阻。
31.具体的，所述功率管mp0的栅极与第一开关sw0和第二开关sw1相连，漏极通过所述分压电阻接地，源极接电源电压；所述误差放大器amp1的输出端的控制电压信号vctrl通过所述第二开关sw1传输至所述功率管mp0的栅极，同相输入端连接于所述分压电阻的分压节点。
32.在一具体示例中，分压电阻包括第一电阻rf0和第二电阻rf1。具体的，功率管mp0的漏极连接所述第一电阻rf0的一端；所述第一电阻rf0的另一端与所述第二电阻rf1的一端连接；所述第二电阻rf1的另一端接地；误差放大器amp1的同相输入端连接于第一电阻rf0和第二电阻rf1之间。
33.另外，在本实施例中，所述环路电路还包括滤波电容cext和负载电阻rload。具体的，所述滤波电容cext的一端连接于所述第一电阻rf0（分压电阻）和功率管mp0之间，另一端接地；所述负载电阻rload的一端连接于所述滤波电容cext的一端，另一端接地。
34.此外，如图4-图5所示，本实施例还提出一种软启动控制方法，采用如上述所述的软启动控制模块或如上述所述的软启动控制系统，其特征在于，包括：将所述软启动控制模块与环路电路的输入端进行导通，并将所述软启动控制模块输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端；当所述环路电路中的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，通过时间窗口模块切换成误差放大器amp1与所述环路电路的输入端的连通，使所述误差放大器amp1输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端。
35.其中，预定电压值根据实际需求可以通过人为设定。
36.进一步的，本实施例还包括：通过所述时间窗口模块将dac模块与功率管mp0的栅极进行连通，并对所述dac模块进行一信号输入，得到所述控制电压信号vctrl，随着所述控制电压信号vctrl呈线性变化，所述功率管mp0的输出电压vldo_out也呈线性变化，直至所述输出电压vldo_out达到预定电压值。
37.其中，当所述功率管mp0的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，所述误差放大器amp1输出的控制电压信号vctrl为一稳态电压，再通过所述时间窗口模块切换成所述误差放大器amp1与所述功率管mp0栅极的连通，使得所述功率管mp0的电流平稳变化。
38.在一具体示例中，例如线性稳压器，首先通过设置dac模块的数字码输入，可以精确设定功率管mp0的控制电压。其次通过设定时间窗口模块的窗口开关的宽度，精确设置了dac模块输出控制电压的导通时间，从而可以精确设置线性稳压器的输出软启动上升速率，能够实现较好的工艺、温度和电压的鲁棒性。进一步的，具体如下：通过动态设置dac模块的输入，得到步长精细的功率管mp0控制电压，该控制电压可以随着dac模块输入数字码的变化而线性变化；其次通过一个时间窗口模块，通过调整dac模块输出电压的控制时间，来实现精确的模拟电压控制时间；等到输出上升至预定电压值时，切换功率管mp0的控制电压到误差放大器amp1的输出，由于此时功率器件输出与目标电压的差异在一个非常小的误差范围内，功率管mp0也不会出现大的导通电流，从而降低了对功率管mp0的冲击。
39.另外，通过软启动控制功率模块（即软启动控制模块）的输入控制电压，即dac模块
的输出电压可以在一个时间窗口内多次调节，调节速度取决于dac模块的稳定时间，调节粒度取决于dac模块的lsb（least significant bit，最低有效位）。此外，软启动控制模块的时间取决于时间窗口的大小，该时间窗口精细度取决于时间窗口的控制时钟的周期。整个时间窗口的大小可根据不同的芯片，以及不同的外部电容而调节。其中，时间窗口即为时间窗口模块。
40.本实施例从控制电压幅度和控制时间两个维度对软启动控制模块进行了精细调节，从而可以实现非常精确的软启动电压控制。另外，本领域技术人员可知晓的是，本实施例中的软启动控制模块还可以针对不同的芯片和外部元器件，也能够进行精确调节以达到最好的启动效果，具有非常广泛的应用场合。
41.在一实施例中，可继续参考图5所示，时间窗口为高电平有效的器件，vdac（dac模块的控制电压）输出从vdd（工作电压）逐步下降，随着vdac的下降，功率管mp0电流会增加。但是功率管mp0的vds（源漏电压）也在同步下降，抑制功率管mp0电流增加。vdac以某一种速率变化，从而得到一个近似恒定的功率管mp0电流输出，线性稳压器输出线性增加（如图5中线性电源输出变化）。等到输出接近预定电压值时，时间窗口变为低，功率管mp0的控制端电压切换为误差放大器amp1的输出。此时，误差放大器amp1的输出接近稳态值（如图5中verramp的变化，verramp即误差放大器amp1输出的控制电压），功率管mp0电流平稳变化，不会出现大的波动，从而对功率管mp0的冲击较小。
42.在本实施方式中，首先将软启动控制模块与功率管mp0进行连通，对软启动控制模块进行信号输入，得到一控制电压输出，并将控制电压传输至功率管mp0；并且，软启动控制模块对功率管mp0的控制时间进行调整，调整模拟控制电压的输出时间；当模拟控制电压上升至预定电压值时，切换功率管mp0控制电压到误差放大器amp1的输出。
43.综上所述，本发明提出的一种软启动控制模块、系统及方法，具有如下优势：通过dac模块、时间窗口模块、第一开关sw0和第二开关sw1的设置，以及dac模块与第一开关的一端相连，第二开关的一端接入控制电压信号vctrl，时间窗口模块用于控制第一开关和第二开关不同时开启，当第一开关或第二开关开启时，第一开关的另一端或第二开关的另一端输出控制电压信号vctrl。从控制信号的幅度和时间两个维度来控制环路电路中功率管mp0的导通，能够非常精细地控制环路电路输出电压vldo_out的幅度和上升速率，大大提升了软启动的控制精确度。并且通过精确控制软启动电压的幅度和导通时间，使得功率管mp0在启动过程不会出现大的启动电流，能够降低对功率管mp0的冲击，从而提升了可靠性。
44.另外，本发明的软启动控制模块还能够针对不同的芯片和外部元器件，进行精确调节以达到最好的启动效果，具有非常广泛的应用场合。且对于不同外部滤波电容cext的大小，均具有好的实用性和控制精度，扩大了软启动的应用领域。
45.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种软启动控制模块，其特征在于，包括dac模块、时间窗口模块、第一开关和第二开关；所述dac模块与所述第一开关的一端相连，所述第二开关的一端接入控制电压信号vctrl，所述时间窗口模块用于控制所述第一开关和所述第二开关不同时开启，当所述第一开关或所述第二开关开启时，所述第一开关的另一端或所述第二开关的另一端输出控制电压信号vctrl。2.如权利要求1所述的软启动控制模块，其特征在于，所述时间窗口模块通过第一开关控制信号twin控制所述第一开关开启或关闭。3.如权利要求1所述的软启动控制模块，其特征在于，所述时间窗口模块通过第二开关控制信号twinb控制所述第二开关开启或关闭。4.如权利要求1所述的软启动控制模块，其特征在于，所述时间窗口模块包括数字计数器以及与所述数字计数器配合的组合逻辑模块。5.如权利要求4所述的软启动控制模块，其特征在于，所述时间窗口模块包括多个触发器，用于调节时间窗口大小。6.一种软启动控制系统，包括如权利要求1-5中任一项所述的软启动控制模块和环路电路，其特征在于，所述环路电路包括功率管、误差放大器和分压电阻；所述功率管的栅极与第一开关和第二开关相连，漏极通过所述分压电阻接地，源极接电源电压；所述误差放大器的输出端的控制电压信号vctrl通过所述第二开关传输至所述功率管的栅极，同相输入端连接于所述分压电阻的分压节点。7.如权利要求6所述的软启动控制系统，其特征在于，所述环路电路还包括滤波电容和负载电阻；所述滤波电容的一端连接于所述分压电阻和功率管之间，另一端接地；所述负载电阻的一端连接于所述滤波电容的一端，另一端接地。8.一种软启动控制方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的软启动控制模块或如权利要求6-7中任一项所述的软启动控制系统，其特征在于，包括：将所述软启动控制模块与环路电路的输入端进行导通，并将所述软启动控制模块输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端；当所述环路电路中的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，通过时间窗口模块切换成误差放大器与所述环路电路的输入端的连通，使所述误差放大器输出的控制电压信号vctrl传输至所述环路电路的输入端。9.如权利要求8所述的软启动控制方法，其特征在于，还包括：通过所述时间窗口模块将dac模块与功率管的栅极进行连通，并对所述dac模块进行一信号输入，得到所述控制电压信号vctrl，随着所述控制电压信号vctrl呈线性变化，所述功率管的输出电压vldo_out也呈线性变化，直至所述输出电压vldo_out达到预定电压值。10.如权利要求9所述的软启动控制方法，其特征在于，当所述功率管的输出电压vldo_out上升至预定电压值时，所述误差放大器输出的控制电压信号vctrl为一稳态电压，再通过所述时间窗口模块切换成所述误差放大器与所述功率管栅极的连通，使得所述功率管的电流平稳变化。

技术总结
本发明揭示了一种软启动控制模块、系统及方法，所述软启动控制模块包括DAC模块、时间窗口模块、第一开关和第二开关；DAC模块与第一开关的一端相连，第二开关的一端接入控制电压信号VCTRL，时间窗口模块用于控制第一开关和第二开关不同时开启，当第一开关或第二开关开启时，第一开关的另一端或第二开关的另一端输出控制电压信号VCTRL。本发明不仅能够实现对软启动速率的控制，还能够精细地控制线性稳压器输出电压的幅度和上升速率。输出电压的幅度和上升速率。输出电压的幅度和上升速率。


技术研发人员：王建军 刘华 朱定飞 陈建球 卢昌鹏
受保护的技术使用者：上海海栎创科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/18