CN101976940A - 开关电源转换器开关管驱动自举电路 - Google Patents

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褚敏
戴庆元
金梓才
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Abstract

一种半导体技术领域的开关电源转换器开关管驱动自举电路，包括：自举电容、一个低压CMOS反相器、三个高压CMOS反相器、MOS管电压转换机构以及一个开关导通机构。本装置进一步从电路结构上提高功率管的栅极控制电压来减小功率开关管的导通电阻。

Description

开关电源转换器开关管驱动自举电路
技术领域
本发明涉及的是一种半导体技术领域的装置，具体是一种开关电源转换器开关管驱动自举电路。
背景技术
伴随着便携式是电子产品节能的要求，以及便携式电子产品的散热的技术困难，对于其中的电源管理芯片提出了越来越高的要求，特别是电压转换过程中的效率要求。其中开关电源管理的广泛应用正是适应了这种当代电子消费品高效节能的要求，突破了线性电源管理无法突破的效率低以及无法实现升压管理的瓶颈。即使电源管理模式的改变实现了效率的一步最重要的提升，并且用集成电路的方式改变了电源升压管理采用变压器的笨重的方式。但是在开关电源管理模式中，功率开关管的开关过程中必然带来的功率损耗。减小功率开关管的功率损耗，成为提高开关电源管理***效率的最主要的办法。对于这种要求，在集成电路工艺上，开发具有更小Rdson耐更高电压的功率管，为了进一步提升效率，包括封装过程中的封装Bonding线也采用更低电阻率的金属线。另外一个重要的方法是通过电路结构的优化改进，来实现更高效率更小面积的电路结构。
经过对现有技术的检索发现，现有开关电源管理***中采用了性能更好的功率管，减低基准电路和控制电路的功耗来提高效率。但是功率开关管上的功耗依然是整个电路***的功率损耗的重要部分。对于功率开关管的功耗优化主要体现在工艺的改进。如图1是传统的功率开关管的控制电路，在这个传统的电路中，只是简单的使用CMOS反相器来接受调制信号来控制功率开关管的导通与关断。在图1中，4级反相器101直接驱动N型功率开关管102和P型功率开关管103，在N型功率开关管102和P型功率开关管103漏端接入电感104，稳压电容105接在电感104和地之间，电阻106和电阻107串联分压输出端，形成反馈电压，108为负载。
如图1的上功率开关管103采用PMOS功率管，PMOS功率开关管工作时由于栅压低于源电压，所以很容易实现。然而PMOS晶体管本身也存在难以克服的缺点：因为PMOS晶体管的迁移率大约只有NMOS的三分之一，如果两者的|VGS-VT|和导通损耗相同，PMOS功率开关管的尺寸要远大于NMOS功率开关管，占用相当一部分芯片面积。如果功率开关管选用NMOS，由于栅压要高于源电压才能使NMOS功率管工作，最小的压差起码是阈值电压VT。所以要使用NMOS功率管，就必须利用额外的驱动电路，提高栅极的工作电压。本发明提出的自举驱动电路，能有效地将NMOS功率管的栅极电压增倍，使NMOS功率开关管工作在线性区。更高的栅极电压能同时能应用于下NMOS功率开关管，同时提高下NMOS开关管的效率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种开关电源转换器开关管驱动自举电路，进一步从电路结构上提高功率管的栅极控制电压来减小功率开关管的导通电阻。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：自举电容、一个低压CMOS反相器、三个高压CMOS反相器、MOS管电压转换机构以及一个开关导通机构，其中：
所述的低压CMOS反相器的输入端与输入电源相连，低压CMOS反相器的输出端依次与MOS管电压转换机构以及三个高压CMOS反相器相串联，MOS管电压转换机构和三个高压CMOS反相器的正极端并联后与开关导通机构的正极端相连，第一高压CMOS反相器和第二高压CMOS反相器的输出端分别与开关导通机构的输入端相连，自举电容的两端分别与开关导通机构的输出端相连并接收高压矩形波，第三高压CMOS反相器的输出端为所述自举电路的输出。
所述的第一高压CMOS反相器由两个串联的MOS管反相器构成，该MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构的正极端以及与开关导通机构的正极端相连，负极端接地；
所述的第二高压CMOS反相器和第三高压CMOS反相器均由单个MOS管反相器构成，MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构的正极端以及与开关导通机构的正极端相连，负极端接地；
所述的MOS管电压转换机构是由四个高压MOS管组成的电压放大电路，其输入端与低压CMOS反相器相连接，将经过反相后的电源电压放大两倍。
当高压NMOS管导通时，与之相接的高压PMOS管关闭，当高压NMOS管关闭时，与之相接的高压PMOS管导通。
所述的自举电容的充电和自举产生出一个二倍电源电压的电压，给高压CMOS反相器供电，产生出二倍电源电压幅度的矩形波，驱动功率开关管。
附图说明
图1为传统功率开关管驱动电路图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明电压自举后的输出。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，本实施例包括：一个自举电容211，一个低压CMOS反相器201，三个高压CMOS反相器202、212、123，MOS管电压转换机构214，以及一个开关导通机构215，其中：
所述的低压CMOS反相器201的输入端与输入电源相连，低压CMOS反相器201的输出端依次与MOS管电压转换机构214相连，以及三个高压CMOS反相器202、212、123相串联，MOS管电压转换机构215和三个高压CMOS反相器202、212、123的正极端并联后与开关导通机构208的漏极端相连，第一高压CMOS反相器202输出端和第二高压CMOS反相器212的输输入端与开关导通机构207的栅极端相连，自举电容211的两端分别与开关导通机构207、208、209、210的输出端相连并形成高压矩形波，第三高压CMOS反相器213的输出端为所述自举电路的输出。
所述的第一高压CMOS反相器202由两个串联的MOS管反相器构成，该MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构214的正极端以及与开关导通机构215的正极端相连，负极端接地；
所述的第二高压CMOS反相器212和第三高压CMOS反相器213均由单个MOS管反相器构成，MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构214的正极端以及与开关导通机构215的正极端相连，负极端接地；
所述的MOS管电压转换机构214是由四个高压MOS管203、204、205、206组成的电压放大电路，其输入端与低压CMOS反相器201相连接，将经过反相后的电源电压放大两倍。
所述的开关导通机构包括215包括两个PMOS管207、208和NMOS管209、210组成，PMOS管207、208与自举电容211的正端相接，NMOS管209、210与自举电容211的负端相接。
所述的自举电容211的技术要求为一个能耐受10V的厚氧化物介质电容。
本装置通过以下方式进行工作：
当输入信号为低压高信号，高压NMOS晶体管203栅极为低压高信号，203导通，而高压NMOS晶体管204栅极电压相反，为0电位，204关断。203漏极为0电位，而204漏极为高电位，该高电位为高压PMOS晶体管205、206的源极电位，这个电位是有自举电容自举到二倍电源电压(VDD)。所以203～206、202、212、213采用高压MOS晶体管。这时NMOS管204、PMOS管206漏极电位为二倍电源电压，经过由2个CMOS反相器构成的缓冲器后电位依然为二倍电源电压。再经过212反相器后，PMOS晶体管208栅极电位为0电位，NMOS管209和PMOS管208同时导通，而PMOS管207栅极电位为高压高电位(二倍电源电压)和NMOS管210栅极电位为0电位，207和210都关断。电容211中存储的电荷自举产生二倍电源电压。
当输入信号Vin为0电位低信号，这时与上述相反，信号进过电位转换结构后，即NMOS管204漏极、PMOS管206漏极电位也为0电位，经过由2个CMOS反相器构成的缓冲器后电位依然为0电位。再经过212反相器后，NMOS晶体管210栅极电位为二倍电源电压，NMOS管210和PMOS管207同时导通。而PMOS管208栅极电位为高压高电位(二倍电源电压)和NMOS管209栅极电位为0电位，208和209都关断。电容211中充电存储的电荷。所以当输入信号低压高低交替，就能控制电容211电位自举和充电存储交替进行，由于电容211的负载为电位转换结构和CMOS反相器这些轻负载，所以电容211的电容值并不需要很大就可以很好的实现电压自举。
图3是低压矩形信号通过本发明装置，得到了通相位的高压自举信号，电压增大为二倍。

Claims (4)

1.一种开关电源转换器开关管驱动自举电路，包括：自举电容、一个低压CMOS反相器、三个高压CMOS反相器、MOS管电压转换机构以及一个开关导通机构，其特征在于：
所述的低压CMOS反相器的输入端与输入电源相连，低压CMOS反相器的输出端依次与MOS管电压转换机构以及三个高压CMOS反相器相串联，MOS管电压转换机构和三个高压CMOS反相器的正极端并联后与开关导通机构的正极端相连，第一高压CMOS反相器和第二高压CMOS反相器的输出端分别与开关导通机构的输入端相连，自举电容的两端分别与开关导通机构的输出端相连并接收高压矩形波，第三高压CMOS反相器的输出端为所述自举电路的输出。
2.根据权利要求1所述的开关电源转换器开关管驱动自举电路，其特征是，所述的第一高压CMOS反相器由两个串联的MOS管反相器构成，该MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构的正极端以及与开关导通机构的正极端相连，负极端接地。
3.根据权利要求1所述的开关电源转换器开关管驱动自举电路，其特征是，所述的第二高压CMOS反相器和第三高压CMOS反相器均由单个MOS管反相器构成，MOS管反相器的正极端与MOS管电压转换机构的正极端以及与开关导通机构的正极端相连，负极端接地。
4.根据权利要求1所述的开关电源转换器开关管驱动自举电路，其特征是，所述的MOS管电压转换机构是由四个高压MOS管组成的电压放大电路，其输入端与低压CMOS反相器相连接，将经过反相后的电源电压放大两倍。
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