專利名稱：開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管 驅(qū)動自舉電路。
背景技術(shù)：
伴隨著便攜式是電子產(chǎn)品節(jié)能的要求，以及便攜式電子產(chǎn)品的散熱的技術(shù)困難， 對于其中的電源管理芯片提出了越來越高的要求，特別是電壓轉(zhuǎn)換過程中的效率要求。其 中開關(guān)電源管理的廣泛應(yīng)用正是適應(yīng)了這種當(dāng)代電子消費(fèi)品高效節(jié)能的要求，突破了線性 電源管理無法突破的效率低以及無法實(shí)現(xiàn)升壓管理的瓶頸。即使電源管理模式的改變實(shí)現(xiàn) 了效率的一步最重要的提升，并且用集成電路的方式改變了電源升壓管理采用變壓器的笨 重的方式。但是在開關(guān)電源管理模式中，功率開關(guān)管的開關(guān)過程中必然帶來的功率損耗。減 小功率開關(guān)管的功率損耗，成為提高開關(guān)電源管理系統(tǒng)效率的最主要的辦法。對于這種要 求，在集成電路工藝上，開發(fā)具有更小Rdson耐更高電壓的功率管，為了進(jìn)一步提升效率， 包括封裝過程中的封裝Bonding線也采用更低電阻率的金屬線。另外一個重要的方法是通 過電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，來實(shí)現(xiàn)更高效率更小面積的電路結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有開關(guān)電源管理系統(tǒng)中采用了性能更好的功率 管，減低基準(zhǔn)電路和控制電路的功耗來提高效率。但是功率開關(guān)管上的功耗依然是整個電 路系統(tǒng)的功率損耗的重要部分。對于功率開關(guān)管的功耗優(yōu)化主要體現(xiàn)在工藝的改進(jìn)。如圖 1是傳統(tǒng)的功率開關(guān)管的控制電路，在這個傳統(tǒng)的電路中，只是簡單的使用CMOS反相器來 接受調(diào)制信號來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。在圖ι中，4級反相器101直接驅(qū)動N型 功率開關(guān)管102和P型功率開關(guān)管103，在N型功率開關(guān)管102和P型功率開關(guān)管103漏 端接入電感104，穩(wěn)壓電容105接在電感104和地之間，電阻106和電阻107串聯(lián)分壓輸出 端，形成反饋電壓，108為負(fù)載。如圖1的上功率開關(guān)管103采用PMOS功率管，PMOS功率開關(guān)管工作時由于柵壓 低于源電壓，所以很容易實(shí)現(xiàn)。然而PMOS晶體管本身也存在難以克服的缺點(diǎn)因?yàn)镻MOS晶 體管的遷移率大約只有NMOS的三分之一，如果兩者的|Ves-VT|和導(dǎo)通損耗相同，PMOS功率 開關(guān)管的尺寸要遠(yuǎn)大于NMOS功率開關(guān)管，占用相當(dāng)一部分芯片面積。如果功率開關(guān)管選用 NM0S，由于柵壓要高于源電壓才能使NMOS功率管工作，最小的壓差起碼是閾值電壓Vt。所以 要使用NMOS功率管，就必須利用額外的驅(qū)動電路，提高柵極的工作電壓。本發(fā)明提出的自 舉驅(qū)動電路，能有效地將NMOS功率管的柵極電壓增倍，使NMOS功率開關(guān)管工作在線性區(qū)。 更高的柵極電壓能同時能應(yīng)用于下NMOS功率開關(guān)管，同時提高下NMOS開關(guān)管的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉 電路，進(jìn)一步從電路結(jié)構(gòu)上提高功率管的柵極控制電壓來減小功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括自舉電容、一個低壓CMOS反相器、三個高壓CMOS反相器、MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及一個開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)，其中所述的低壓CMOS反相器的輸入端與輸入電源相連，低壓CMOS反相器的輸出端依 次與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及三個高壓CMOS反相器相串聯(lián)，MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和三個高 壓CMOS反相器的正極端并聯(lián)后與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端相連，第一高壓CMOS反相器和第 二高壓CMOS反相器的輸出端分別與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的輸入端相連，自舉電容的兩端分別與 開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的輸出端相連并接收高壓矩形波，第三高壓CMOS反相器的輸出端為所述自 舉電路的輸出。所述的第一高壓CMOS反相器由兩個串聯(lián)的MOS管反相器構(gòu)成，該MOS管反相器的 正極端與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端相連，負(fù)極端接地；所述的第二高壓CMOS反相器和第三高壓CMOS反相器均由單個MOS管反相器構(gòu) 成，MOS管反相器的正極端與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端 相連，負(fù)極端接地；所述的MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是由四個高壓MOS管組成的電壓放大電路，其輸入端 與低壓CMOS反相器相連接，將經(jīng)過反相后的電源電壓放大兩倍。當(dāng)高壓NMOS管導(dǎo)通時，與之相接的高壓PMOS管關(guān)閉，當(dāng)高壓NMOS管關(guān)閉時，與之 相接的高壓PMOS管導(dǎo)通。所述的自舉電容的充電和自舉產(chǎn)生出一個二倍電源電壓的電壓，給高壓CMOS反 相器供電，產(chǎn)生出二倍電源電壓幅度的矩形波，驅(qū)動功率開關(guān)管。


圖1為傳統(tǒng)功率開關(guān)管驅(qū)動電路圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明電壓自舉后的輸出。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖2所示，本實(shí)施例包括一個自舉電容211，一個低壓CMOS反相器201，三個高 壓CMOS反相器202、212、123，MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)214，以及一個開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)215，其中所述的低壓CMOS反相器201的輸入端與輸入電源相連，低壓CMOS反相器201的 輸出端依次與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)214相連，以及三個高壓CMOS反相器202、212、123相串 聯(lián)，MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)215和三個高壓CMOS反相器202、212、123的正極端并聯(lián)后與開關(guān) 導(dǎo)通機(jī)構(gòu)208的漏極端相連，第一高壓CMOS反相器202輸出端和第二高壓CMOS反相器212 的輸輸入端與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)207的柵極端相連，自舉電容211的兩端分別與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu) 207、208、209、210的輸出端相連并形成高壓矩形波，第三高壓CMOS反相器213的輸出端為 所述自舉電路的輸出。所述的第一高壓CMOS反相器202由兩個串聯(lián)的MOS管反相器構(gòu)成，該MOS管反相 器的正極端與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)214的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)215的正極端相連，負(fù)極端接地；所述的第二高壓CMOS反相器212和第三高壓CMOS反相器213均由單個MOS管反 相器構(gòu)成，MOS管反相器的正極端與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)214的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī) 構(gòu)215的正極端相連，負(fù)極端接地；所述的MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)214是由四個高壓MOS管203、204、205、206組成的電 壓放大電路，其輸入端與低壓CMOS反相器201相連接，將經(jīng)過反相后的電源電壓放大兩倍。所述的開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)包括215包括兩個PMOS管207、208和NMOS管209、210組 成，PMOS管207、208與自舉電容211的正端相接，匪OS管209、210與自舉電容211的負(fù)端相接。所述的自舉電容211的技術(shù)要求為一個能耐受IOV的厚氧化物介質(zhì)電容。本裝置通過以下方式進(jìn)行工作當(dāng)輸入信號為低壓高信號，高壓NMOS晶體管203柵極為低壓高信號，203導(dǎo)通，而 高壓NMOS晶體管204柵極電壓相反，為0電位，204關(guān)斷。203漏極為0電位，而204漏極 為高電位，該高電位為高壓PMOS晶體管205、206的源極電位，這個電位是有自舉電容自舉 到二倍電源電壓(VDD)。所以203 206、202、212、213采用高壓MOS晶體管。這時NMOS管 204、PMOS管206漏極電位為二倍電源電壓，經(jīng)過由2個CMOS反相器構(gòu)成的緩沖器后電位 依然為二倍電源電壓。再經(jīng)過212反相器后，PMOS晶體管208柵極電位為0電位，NMOS管 209和PMOS管208同時導(dǎo)通，而PMOS管207柵極電位為高壓高電位(二倍電源電壓)和 NMOS管210柵極電位為0電位，207和210都關(guān)斷。電容211中存儲的電荷自舉產(chǎn)生二倍 電源電壓。當(dāng)輸入信號Vin為0電位低信號，這時與上述相反，信號進(jìn)過電位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)后，即 NMOS管204漏極、PMOS管206漏極電位也為0電位，經(jīng)過由2個CMOS反相器構(gòu)成的緩沖 器后電位依然為0電位。再經(jīng)過212反相器后，NMOS晶體管210柵極電位為二倍電源電 壓，NMOS管210和PMOS管207同時導(dǎo)通。而PMOS管208柵極電位為高壓高電位(二倍電 源電壓)和NMOS管209柵極電位為0電位，208和209都關(guān)斷。電容211中充電存儲的電 荷。所以當(dāng)輸入信號低壓高低交替，就能控制電容211電位自舉和充電存儲交替進(jìn)行，由于 電容211的負(fù)載為電位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和CMOS反相器這些輕負(fù)載，所以電容211的電容值并不需 要很大就可以很好的實(shí)現(xiàn)電壓自舉。圖3是低壓矩形信號通過本發(fā)明裝置，得到了通相位的高壓自舉信號，電壓增大 為二倍。
權(quán)利要求
一種開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路，包括自舉電容、一個低壓CMOS反相器、三個高壓CMOS反相器、MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及一個開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的低壓CMOS反相器的輸入端與輸入電源相連，低壓CMOS反相器的輸出端依次與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及三個高壓CMOS反相器相串聯(lián)，MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和三個高壓CMOS反相器的正極端并聯(lián)后與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端相連，第一高壓CMOS反相器和第二高壓CMOS反相器的輸出端分別與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的輸入端相連，自舉電容的兩端分別與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的輸出端相連并接收高壓矩形波，第三高壓CMOS反相器的輸出端為所述自舉電路的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路，其特征是，所述的第 一高壓CMOS反相器由兩個串聯(lián)的MOS管反相器構(gòu)成，該MOS管反相器的正極端與MOS管電 壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端相連，負(fù)極端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路，其特征是，所述的第 二高壓CMOS反相器和第三高壓CMOS反相器均由單個MOS管反相器構(gòu)成，MOS管反相器的 正極端與MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的正極端以及與開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)的正極端相連，負(fù)極端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路，其特征是，所述的MOS 管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是由四個高壓MOS管組成的電壓放大電路，其輸入端與低壓CMOS反相器相 連接，將經(jīng)過反相后的電源電壓放大兩倍。
全文摘要
一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動自舉電路，包括自舉電容、一個低壓CMOS反相器、三個高壓CMOS反相器、MOS管電壓轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及一個開關(guān)導(dǎo)通機(jī)構(gòu)。本裝置進(jìn)一步從電路結(jié)構(gòu)上提高功率管的柵極控制電壓來減小功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻。
文檔編號H02M1/08GK101976940SQ20101050303
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者戴慶元, 褚敏, 金梓才 申請人:上海交通大學(xué)