CN101505094B - 一种便携式设备的电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式设备的电源模块，包括升压型开关变换器及其控制器。所述的控制器设置有低压启动模块。低压启动模块包括环形振荡器、升压驱动电路和用于降低环形振荡器和升压驱动电路中的MOS晶体管阈值电压的动态衬底偏置电路。所述的环形振荡器由多个CMOS反相器的输入端和输出端相串联组成，每个反相器分别连接动态衬底偏置电路。本发明使标准CMOS工艺下制作的电源模块在0.7-1.4V的低压下也能正常启动，大大降低了便携式设备电源模块的制造成本。

Description

一种便携式设备的电源模块

技术领域

本发明涉及一种便携式设备的电源模块，具体地说是一种带有升压型开关变换器的电源模块。

背景技术

随着便携式电子设备的发展，电子设备的功能越来越多，体积越来越小。在便携式电子设备中采用燃料电池(Fuel cells)或是镍氢电池(Ni-MHbatteries)会大大缩小电子设备的体积。

燃料电池具有高能量密度的优点，十分适合应用在随身设备中，但其输出电压较低，通常在0.7V左右，且特性上并不适合串联，因此应用中必须依靠升压开关变换器将电压上升到用电器可用范围。镍氢电池当应用在无线鼠标、无线键盘及无线耳机等一些应用中时，如能仅依靠一节电池(电压在1.2-1.4V之间)工作，就可以较传统的使用两节电池的产品更为轻便。

虽然采用燃料电池或单节的镍氢电池，可以使电子设备的体积更小，但是因为燃料电池和单节的镍氢电池的输出电压在0.7-1.4V之间。在标准CMOS工艺中，MOS管的阈值电压通常在0.7-1.0V之间，而高于阈值电压仅是保证单一MOS管能够工作。在模拟电路设计中，为了保证整个电路的正常工作，通常供电电压往往需要在2V以上。

因此在此低电压范围(0.7-1.4V)内，升压型开关变换器的控制器也是无法工作的，升压型开关变换器没有足够高的启动电压使其控制器工作，也就无法输出变换后的电压。

为了使模拟电路在上述的低电压范围内正常工作，现有的解决方法是选用一些低阈值电压的CMOS或SOI(silicon on isolation)工艺，但这样做的缺点是低阈值电压的COMS或SOI工艺较昂贵，且与主流CMOS工艺下的设计方法有很大不同。这样，开关变换器虽然能在所述的低电压范围内正常工作，成本却大大增加了。

发明内容

本发明提供一种便携式设备的电源模块，该电源模块的工作电压低于1.4V，解决了现有标准CMOS工艺制作的电源模块在此低压下无法正常工作的技术问题。

本发明的便携式设备的电源模块，包括升压型开关变换器及其带有低压启动模块的控制器，其特征在于：所述的低压启动模块包括：

由多个CMOS反相器的输入端和输出端相串联组成的环形振荡器；

用于接收环形振荡器信号并驱动升压型开关变换器的升压驱动电路；

用于降低环形振荡器和升压驱动电路中的MOS晶体管阈值电压的动态衬底偏置电路，所述的CMOS反相器以及升压驱动电路均接入该动态衬底偏置电路。

所述的动态衬底偏置电路由若干个结构相同的偏置电路单元构成，每个CMOS反相器匹配至少一个偏置电路单元。

所述的偏置电路单元由第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管组成；第一PMOS晶体管的栅极和漏极共同通过第一电容连接CMOS反相器的输入端，源极和衬底端连接电源；第一NMOS晶体管的栅极和漏极共同通过第二电容连接CMOS反相器的输入端，源极和衬底端接地。

所述CMOS反相器由第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管组成；第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管的栅极共同连接构成CMOS反相器的输入端，漏极共同连接构成CMOS反相器的输出端；第二PMOS晶体管的源极连接电源，衬底端连接第一PMOS晶体管的漏极；第二NMOS晶体管的源极接地，衬底端连接第一NMOS晶体管的漏极。

所述的升压驱动电路由第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管、第三NMOS晶体管和第三电容组成；

第三PMOS晶体管的源极连接电源，栅极连接环形振荡器中第一CMOS反相器的输入端，漏极连接第四PMOS晶体管的源极且该漏极通过第三电容连接第一CMOS反相器的输入端，衬底端连接第一CMOS反相器对应的偏置电路单元的第一PMOS晶体管的漏极；

第四PMOS晶体管的漏极连接第三NMOS晶体管的漏极并构成输出端，栅极连接第一CMOS反相器的输出端，衬底端连接与环形振荡器中第二CMOS反相器所对应的偏置电路单元的第一PMOS晶体管的漏极；

第三NMOS晶体管的源极接地，栅极连接第四PMOS晶体管的栅极，衬底端连接所述第二CMOS反相器对应的偏置电路单元的第一NMOS晶体管的漏极；

所述的第一CMOS反相器为环形振荡器中任意一个CMOS反相器，所述的第二CMOS反相器为与第一CMOS反相器输出端连接的CMOS反相器。

所述CMOS反相器的输出端通过延时电容接地，通过改变各个延时电容的大小调节变换器的控制信号占空比。

本发明的优点是：本发明使的电源模块采用标准CMOS工艺制作，在输入电压为0.7-1.4V时，电源模块串的开关变换器的仍能正常启动，低成本地实现了使用燃料电池或单节的镍氢电池作为便携设备的电源。

附图说明

附图1是电源模块的结构示意图；

附图2是低压启动模块的模块示意图；

附图3是低压启动模块的电路结构示意图。

具体实施方式

本发明对于低输入电压的升压变换，是在电源模块变换器接上输入电压源后，低压启动电路首先依靠输入电压工作，产生驱动信号驱动boost型升压变换器内的开关管，升压电路由此产生一个若干倍于输入的输出电压，并将其保存在一个外部储能电容上。该电容中电能设计用来供给变换器内部其他控制电路正常工作，直至输出电压稳定后，启动电路停止工作，变换器内部电路由升压后的输出电压供电。

如图1所示的便携设备电源模块，该电源模块包括Boost型升压开关变换器1，连接开关变换器的低压启动模块2。

低压启动模块2由CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor互补金属氧化物半导体)环形振荡器3、升压驱动电路4及动态衬底偏置电路5构成。如图2所示，CMOS环形振荡器3由三级反相器组成，反相器6、反相器7和反相器8的输入端、输出端头尾相连。升压驱动电路4采用简单的抬压电路结构；动态衬底偏置电路5包含有源负载和电容，通过动态改变环形振荡器3及升压驱动电路4中MOS管衬底电压，使得整体电路可以在低供电电压下工作。

如图3所示，反相器6、反相器7和反相器8的结构相同。这三个反相器头尾相连组成简单环形振荡器3。由于形成正反馈回路，上电后，该简单环形振荡器3中每个反相器的输出端均会产生固定频率的方波信号。但是该简单环形振荡器3需要较高的供电电压(至少在阈值电压之上)，否则电路不会起振。因此在低压启动模块2内设置了动态衬底偏置电路5，使该简单环形振荡器3在阈值电压之下也能正常工作。

以反相器6为例：反相器6由PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1构成。每一个晶体管都有四端，分别为源极、漏极、栅极和衬底端。动态偏置电路5由PMOS晶体管MP2、NMOS晶体管MN2与电容C1、C2构成。PMOS晶体管MP2有源极、漏极、栅极和衬底端四端。MP2的源极和衬底端共同连接至电源9，栅极和漏极连接至电容C2一端及MP1的衬底端。电容C2的另一端连接反相器6的输入端。NMOS晶体管MN2有源极、漏极、栅极和衬底端四端。MN2的源极和衬底端共同接地，栅极和漏极连接至电容C1一端及MN1的衬底端。电容C1的另一端连接反相器6的输入端，PMOS晶体管MP1和NMOS晶体管MN1的漏极连接反相器6的输出端。低压启动模块2中，反相器7的输入端连接反相器6的输出端，反相器8的输入端连接反相器7的输出端。

当某一时刻反相器6的输入端电压由高电平跳至低电平时，晶体管MP1衬底电压通过电容C2被拉低，电容C2上电压等于供电电压减去MP2上压降。由于此时晶体管MP1的衬底电压比源极电压低，源/衬底结正偏，这会导致晶体管MP1的阈值电压减小，因此能够在较低供电电压下开启，反相器输出高电平。相反地，当某一时刻反相器6的输入端电压由低电平跳至高电平时，晶体管MP1衬底电压通过电容C2被抬升，同时导致晶体管MP2栅极电压高于电源电压，晶体管MP2截止，因此电容C2上的电荷不会释放至电源，避免引起电源电压不必要的跳变。此时电容C2上电压等于供电电压叠加上输入信号跳变前C2上压降。由于此时晶体管MP1的衬底电压比源极电压高，源/衬底结反偏，这会导致晶体管MP1的阈值电压增大，因此晶体管MP1能够更有效地关闭，减小漏电流。

同理，当某一时刻反相器6的输入端电压由低电平跳至高电平时，晶体管MN1衬底电压通过电容C1被抬升，电容C1上电压等于供电电压减去MN2上压降。由于此时晶体管MN1的衬底电压比源极电压高，源/衬底结正偏，这会导致晶体管MN1的阈值电压减小，因此能够在较低供电电压下开启，反相器输出低电平。相反，当某一时刻反相器6的输入端电压由高电平跳至低电平时，晶体管MN1衬底电压通过电容C1被拉低，同时导致晶体管MN2栅极电压低于电源电压，晶体管MN2截止，因此电容C1上的电荷不会释放至地，避免引起地电位不必要的跳变。此时电容C1上电压等于地电压减去输入信号跳变前C1上压降。由于此时晶体管MN1的衬底电压比源极电压低，源/衬底结反偏，这会导致晶体管MP1的阈值电压增大，因此晶体管MP1能够更有效地关闭，减小漏电流。

因此，在本发明中，三个上述带动态衬底偏置电路的反相器头尾相连组成环形振荡器，即使供电电压低于工艺设定阈值电压，仍能正常输出方波信号。

环形振荡器输出的信号由于驱动能力较弱，所以不能直接用来驱动变换器中的主开关管。在本实施例中采用升压驱动电路用以提升驱动能力。如图3所示，PMOS晶体管MP7、晶体管MP8，NMOS晶体管MN7及电容C10构成升压驱动电路。电路中晶体管MP7、晶体管MP8及晶体管MN7均为四端器件。为降低供电电压要求，升压驱动电路连接环形振荡器中动态衬底偏置电路，其中晶体管MP7衬底端连接晶体管MP2的漏极，晶体管MP8衬底端连接晶体管MP4的漏极，晶体管MN7衬底端连接晶体管MN4的漏极。

当反相器6的输入端由高电平跳变为低电平时，反相器6的输出端由低电平跳变为高电平，同时由于晶体管MP2的漏极电压跳变至低于电源电压，因此PMOS晶体管MP7的源/衬底结正偏，导致其阈值电压减小，且由于其栅极电压为低电平，故晶体管MP7处于导通状态。由于晶体管MP4的漏极电压跳变至高于电源电压，因此PMOS晶体管MP8的源/衬底结反偏，且由于其栅极电压为高电平，故MP8处于截止状态。由于晶体管MN4的漏极电压高于地，因此NMOS晶体管MN7的源/衬底结正偏，且由于其栅极电压为高电平，故晶体管MN7处于导通状态。电容C10与晶体管MN7的漏极相连接的一端电压为电源电压，另一端电压为地。升压驱动电路输出低电平(地)。

当反相器6的输入端由低电平跳变为高电平时，反相器6的输出端由高电平跳变为低电平，同时晶体管MP2的漏极电压跳变至高于电源，晶体管MP4的漏极电压跳变至低于电源，晶体管MN4的漏极电压跳变至低于地。晶体管MP7由于其栅极电压为高电平，处于截止状态。晶体管MP8由于其栅极电压为低电平，处于导通状态。晶体管MN7由于其栅极电压为低电平，处于截止状态。电容C10与晶体管MP7的栅极相连接的一端电压为电源。由于电容原有电压大小等于电源到地电压减去晶体管MP7上压降，且电容电压不会突变，故跳变后电容C10与晶体管MP7的漏极相连接的一端电压为两倍的电源到地电压再减去晶体管MP7上压降。升压驱动电路输出高电平，大小为两倍的电源到地电压再减去晶体管MP7和MP8上压降。由于动态偏置电路在晶体管MP7和MP8需要导通时减小了阈值电压，因此减小了在这两个晶体管上的导通压降损耗，升压驱动电路输出的高电平值近似为两倍电源电压，提高了驱动能力。

如需要驱动升压型(boost)开关变换器输出高压，驱动信号必须是大占空比方波，即在一个周期内，高电平(主开关管开通)所占时间要明显多于低电平(主开关管关闭)所占时间。而由之前分析可知，驱动电路输出同反相器6输入端信号同相。因此反相器6输入端必须产生大占空比信号。在本实施例中，通过调节三个反相器中晶体管MP1、MN1、MP3、MN3、MP5及MN5的尺寸比例与延时电容C3、C6及C9的大小达到调整占空比的效果。

以反相器6为例，当晶体管MP1导通，MN1截止时，晶体管MP1可以看作一个电阻，电源通过这个电阻向电容C3充电；同理当晶体管MP1截止，MN1导通时，晶体管MN1可以看作一个电阻，电容C3通过这个电阻向地放电。当反相器输入端电压由低电平跳变为高电平，经过电容C3上电压下降，触发反相器7，电容C6上电压上升，触发反相器8，电容C9上电压下降，即反相器6输入端电压下降，完成一个循环。随之，触发反相器6，电容C3上电压上升，触发反相器7，电容C6上电压下降，触发反相器7，电容C9上电压上升，即反相器6输入端电压上升，完成另一个循环。

由此可见，反相器输入端电压高电平维持的时间同晶体管MN1、晶体管MP3及晶体管MN5的等效导通电阻有关；反相器6输入端电压低电平维持的时间同晶体管MP1、晶体管MN3及晶体管MP5的等效导通电阻有关。在集成电路设计中，可以通过调整两组晶体管的相对尺寸使其导通电阻成比例。因此调节晶体管尺寸比例可以较精确地决定反相器6输入端输出信号的占空比。

Claims (4)

1.一种便携式设备的电源模块，包括升压型开关变换器及其带有低压启动模块的控制器，其特征在于：所述的低压启动模块包括：

由多个CMOS反相器的输入端和输出端相串联组成的环形振荡器；

用于接收环形振荡器信号并驱动升压型开关变换器的升压驱动电路；

用于动态升高或降低环形振荡器和升压驱动电路中的MOS晶体管衬底电压的动态衬底偏置电路，所述的CMOS反相器以及升压驱动电路均接入该动态衬底偏置电路；

所述的动态衬底偏置电路由若干个结构相同的偏置电路单元构成，每个CMOS反相器匹配至少一个偏置电路单元；

所述的偏置电路单元由第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管组成；第一PMOS晶体管的栅极和漏极共同通过第一电容连接CMOS反相器的输入端，源极和衬底端连接电源；第一NMOS晶体管的栅极和漏极共同通过第二电容连接CMOS反相器的输入端，源极和衬底端接地。

2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于：所述CMOS反相器由第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管组成；第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管的栅极共同连接构成CMOS反相器的输入端，漏极共同连接构成CMOS反相器的输出端；第二PMOS晶体管的源极连接电源，衬底端连接第一PMOS晶体管的漏极；第二NMOS晶体管的源极接地，衬底端连接第一NMOS晶体管的漏极。

3.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于：所述的升压驱动电路由第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管、第三NMOS晶体管和第三电容组成；

第三PMOS晶体管的源极连接电源，栅极连接环形振荡器中第一CMOS反相器的输入端，漏极连接第四PMOS晶体管的源极且该漏极通过第三电容连接第一CMOS反相器的输入端，衬底端连接第一CMOS反相器对应的偏置电路单元的第一PMOS晶体管的漏极；

第四PMOS晶体管的漏极连接第三NMOS晶体管的漏极并构成输出端，栅极连接第一CMOS反相器的输出端，衬底端连接与环形振荡器中第二CMOS反相器所对应的偏置电路单元的第一PMOS晶体管的漏极；

第三NMOS晶体管的源极接地，栅极连接第四PMOS晶体管的栅极，衬底端连接所述第二CMOS反相器对应的偏置电路单元的第一NMOS晶体管的漏极；

所述的第一CMOS反相器为环形振荡器中任意一个CMOS反相器，所述的第二CMOS反相器为与第一CMOS反相器输出端连接的CMOS反相器。

4.根据权利要求1或2所述的电源模块，其特征在于：所述CMOS反相器的输出端通过延时电容接地。

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