CN102035385A - 电压切换电路 - Google Patents

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陈志明
杜坦
江石根
石万文
雷红军
黄君山
徐君怡
王金吉
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Abstract

本发明揭示了一种电压切换电路，其包括比较电路，控制电路以及由MOS管构成的开关电路；所述比较电路对两个不同的输入电源电压即第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)进行比较后得到一数字信号，该数字信号传输到控制电路中控制处理后，得到控制所述开关电路导通状态的控制信号，而开关电路的导通状态进而决定切换后的电源电压(VDD)是由第一电源电压(VIN)还是第二电源电压(VOUT)切换而来；本发明电压切换电路使升降压(Buck-Boost)DC-DC芯片中的不同子模块供电电源选择更灵活、更可靠，且节省了芯片面积，也降低了成本。

Description

电压切换电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及升降压(Buck-Boost)直流转换器(DC-DC)中某些子电路模块不同阶段采用不同电压供电的电压切换电路。
背景技术
目前，随着便携式电子产品的巨量使用，使得人类生活更精彩、通信更便捷。DC-DC变换器是便携式电子产品的能量供给中心，一个高品质的电源管理模块，可以使便携式电子产品待机时间更长、使用年限更久。Buck-Boost(升降压)DC-DC(直流转换器)根据输入电压VIN与输出电压VOUT之间的关系划分不同的工作模式，当VIN大于VOUT时，系统处于Buck(降压)模式；当VIN约等于VOUT时，系统工作在Buck-Boost(升降压)模式；当VIN小于VOUT时，系统工作在Boost(升压)模式下。这样就出现了芯片里面的某些子模块用输入电压VIN供电还是用输出电压VOUT供电的问题。
如果一个子模块是由两个不同的电源电压供电，那么就需要电平转换电路(Level Shift Circuit)作为两个电源电压的接口。如图1所示，当子模块中需要两次电源电压交叉时，那么就需要两个Level Shift(电平转换)电路。Buck-Boost(升降压)DC-DC(直流转换器)中有很多这样的两个电源供电的子模块电路，这样就需要用到很多Level Shift电路，浪费很多面积，增加芯片成本。所以当系统处于不同的工作模式下时，最好能有一个电源供电切换电路统一子模块电路的供电，以克服子模块电路中需要多个电平转换电路而带来的一系列技术缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决以上技术问题，提出一种在集成电路中非常容易实现的电压切换电路，使得升降压(Buck-Boost)DC-DC芯片中的不同子模块供电电路得以简化，电源的选择更加灵活、可靠。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种电压切换电路，具有两个不同的输入电源电压和切换后的电源电压(VDD)，所述两个不同的输入电源电压为第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)；所述电压切换电路包括比较电路，控制电路以及由MOS管构成的开关电路；所述比较电路对所述第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)进行比较后得到一数字信号，该数字信号传输到控制电路中控制处理后，得到控制所述开关电路导通状态的控制信号，而开关电路的导通状态进而决定输出电源电压(VDD)是由第一电源电压(VIN)还是第二电源电压(VOUT)切换而来。
其中，所述开关电路由大尺寸PMOS管构成。
所述PMOS管包括相匹配的第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)，且该第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)的一端分别接第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)，另一端和第四端一同接切换后的电源电压(VDD)，栅端分别接控制信号。
所述比较电路包括第四PMOS管(P4)、第五PMOS管(P5)以及分别与这两个PMOS管相接的电流源(II、I2)。
所述第四PMOS管和第五PMOS管的源端和第四衬底一起分别接第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)，漏端分别与所述的电流源(I1、I2)相接，且第四PMOS管和第五PMOS管接成电流镜像电路。
所述控制电路包括第一反向器(INV1)、第二反向器(INV2)、第三反向器(INV3)、第四反向器(INV4)、第五反向器(INV5)、第六反向器(INV6)，以及第三PMOS管(P3)和第六PMOS管(P6)，所述控制信号包括第一控制信号(Control1)与第一控制信号(Control1)相反的第二控制信号(Control2)。
所述第一反向器(INV1)和第二反向器(INV2)由其中一输入电源电压供电，并输出第一控制信号(Control1)，第三反向器(INV3)由切换后的电源电压(VDD)供电，并将第一控制信号(Control1)取反得到第二控制信号(Control2)；
所述第四反向器(INV4)、第五反向器(INV5)和第六反向器(INV6)由输出电源电压(VDD)供电，且第四反向器(INV4)和第六反向器(INV6)构成一锁存器以锁存前一个信号；
所述第五反向器(INV5)和第三PMOS管(P3)及第六PMOS管(P6)构成反馈控制回路。
所述控制电路还包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)。
与现有技术相比，本发明所揭示的电压切换电路使升降压(Buck-Boost)DC-DC芯片中的不同子模块供电电路得以简化，电源选择更灵活、更可靠，且节省了芯片面积，也降低了成本。
附图说明
图1为一现有的对子电路模块供电的框图；
图2为本发明电压切换电路的电路框架图；
图3为本发明电压切换电路最佳实施方式的电路示意图；
图4为本发明电压切换电路对子电路模块供电的框图。
具体实施方式
在集成电路的升降压(Buck-Boost)DC-DC芯片中，某些子模块需要在Buck(降压)、Buck-Boost(升降压)或Boost(升压)不同模式下的供电，而本发明揭示的电压切换电路则适用这种子模块的供电，以减少大量的电平转换电路的使用。如图2所示，本发明电压切换电路主要由电压比较电路、控制电路和大尺寸P型金属氧化物半导体晶体管P1、P2构成。电压比较电路比较两个不同电压即第一电源电压VIN(亦即芯片系统的输入电压)和第二电源电压VOUT(亦即芯片系统的输出电压)，得到一个数字信号，该数字信号送到控制电路中处理，得到信号Control1和Control2去分别控制PMOS晶体管P1、P2的导通状态，从而实现VDD输出的电压是VIN还是VOUT。其中，控制信号Control1和控制信号Control2是互为反向的。
图3是本发明电压切换电路最佳实施方式的电路示意图。如图3示，第四P型MOS晶体管P4、第五P型MOS晶体管P5与电流源I1、I2构成电压比较电路，比较两个不同的电源电压VIN和VOUT。控制电路由第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一反向器INV1、第二反向器INV2、第三反向器INV3、第四反向器INV4、第五反向器INV5、第六反向器INV6、和第一电阻R1、第二电阻R2，以及第三PMOS管P3和第六PMOS管P6构成。第一PMOS管P1和第二PMOS管P2作为开关管使得第一电源电压VIN和第二电源电压VOUT与切换后的电源电压VDD间有一个良好的电压、电流通道，以便给众多子模块电路提供电源。
所述电压比较电路中，第四PMOS管P4的源端(Source)和第四端衬底(Substrate)接在第二电源电压VOUT上；漏端(Drain)与第一电流源I1相接，同时连接到第一反向器INV1的输入端上，此结点还接有第一电容C1到地(Ground)。第四PMOS管P4的栅端(Gate)与第五PMOS管P5的栅端(Gate)连接，第五PMOS管P5的栅端(Gate)与漏端(Drain)接在一起构成二极管连接，这样第四PMOS管P4与二极管连接的第五PMOS管P5构成一定的电流镜像关系；第五PMOS管P5的源端(Source)和第四端衬底(Substrate)一同连到第一电源电压VIN上。第二电流源I2接在第五PMOS管P5管的漏端(Drain)与Ground之间，形成电源到地的电流通路。
所述控制电路中的第一反向器INV1和第二反向器INV2是由第二电源电压VOUT供电，第一电阻R1跨接在第二反向器INV2的输出端与第一控制信号Control1间。第一电阻R1可以防止第二反向器INV2的输出高电平影响后级电路的电平，起到一定保护作用。第三反向器INV3由电压切换后的电源电压VDD供电，其主要是第一控制信号Control1取反得到第二控制信号Control2，完成第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的开、关控制。
第四、第五、第六反向器INV4、INV5和INV6都是由VDD供电，其中，第四、第六反向器INV4与INV6构成一个锁存器(Latch)，能锁存前一个信号，直到下个不同的信号到来才改变，确保了第一PMOS管P1和第二PMOS管P2在一定条件下保持关或开的状态。第五反向器INV5和第六PMOS管P6、第三PMOS管P3构成反馈控制回路，使得系统更稳定。第二电阻R2、第二电容C2和第三电容C3构成RC延时电路，使得控制更平滑。
第一PMOS管P1和第二PMOS管P2尺寸大小相同，在物理版图上需要匹配，需要对称，具体根据所驱动的子电路模块消耗电流的大小确定P1和P2的尺寸，其一般是由数十个PMOS管并联构成。其中，第一PMOS管P1的一端接到第一电源电压VIN上，另一端和第四端一同接到切换后的电源电压VDD上，第一PMOS管P1栅端Gate接第一控制信号Control1；第二PMOS管P2的一端接到第二电源电压VOUT上，另一端和第四端接到换后的电源电压VDD上，栅端接第二控制信号Control2。
当第一电源电压VIN大于第二电源电压VOUT时，第五PMOS管P5导通得比第四PMOS管P4厉害，即IP5大于IP4，此时IP4小于第一电流源I1，Net1被下拉到地，所以Net1的电压等于零，这样第一控制信号Control1信号为低电平而第二控制信号Control2为高电平，第一PMOS管P1导通第二PMOS管P2截止；切换后的电源电压VDD等于第一电源电压VIN，后级子模块电路都采用第一电源电压VIN经过电压切换电路后的VDD供电。此时，锁存器Latch锁存的是低电平“0”。
当第一电源电压VIN小于第二电源电压VOUT时，第四PMOS管P4导通的比第五PMOS管P5厉害，即P4产生的电流IP4大于P5产生的电流IP5，Net1被上拉到高电平VOUT，此时第一控制信号Control1信号为高电平而第二控制信号Control2为低电平，第一PMOS管P1截止第二PMOS管P2导通，切换后的电源电压VDD等于第二电源电压VOUT，后级子模块电路都采用第二电源电压VOUT经过电压切换电路后的VDD供电。此时，锁存器Latch锁存的是高电平“1”。
当第一电源电压VIN约等于第二电源电压VOUT时，根据锁存器的状态确定第一PMOS管P1或第二PMOS管P2导通，实现对后级供电。
如图4示，本发明所述电路实现第一电源电压VIN与第二电源电压VOUT间电压切换，为后级的子模块电路提供所需的切换后的电源电压VDD，减少电平转换电路的使用，简化了子模块电路的供电电路，同时供电电路的可靠性高。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电压切换电路，其特征在于：该电压切换电路具有两个不同的输入电源电压和切换后的电源电压(VDD)，所述两个不同的输入电源电压为第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)；所述电压切换电路包括比较电路，控制电路以及由MOS管构成的开关电路；所述比较电路对所述第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)进行比较后得到一数字信号，该数字信号传输到控制电路中控制处理后，得到控制所述开关电路导通状态的控制信号，而开关电路的导通状态进而决定切换后的电源电压(VDD)是由第一电源电压(VIN)还是第二电源电压(VOUT)切换而来。
2.如权利要求1所述的电压切换电路，其特征在于：所述开关电路由大尺寸PMOS管构成。
3.如权利要求2所述的电压切换电路，其特征在于：所述PMOS管包括相匹配的第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)，且该第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)的一端分别接第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)，另一端和第四端一同接切换后的电源电压(VDD)，栅端分别接控制信号。
4.如权利要求1所述的电压切换电路，其特征在于：所述比较电路包括第四PMOS管(P4)、第五PMOS管(P5)以及分别与这两个PMOS管相接的电流源(I1、I2)。
5.如权利要求4所述的电压切换电路，其特征在于：所述第四PMOS管和第五PMOS管的源端和第四衬底一起分别接第一电源电压(VIN)和第二电源电压(VOUT)，漏端分别与所述的电流源(I1、I2)相接，且第四PMOS管和第五PMOS管接成电流镜像电路。
6.如权利要求1所述的电压切换电路，其特征在于：所述控制电路包括第一反向器(INV1)、第二反向器(INV2)、第三反向器(INV3)、第四反向器(INV4)、第五反向器(INV5)、第六反向器(INV6)，以及第三PMOS管(P3)和第六PMOS管(P6)，所述控制信号包括第一控制信号(Control1)与第一控制信号(Control1)相反的第二控制信号(Control2)。
7.如权利要求6所述的电压切换电路，其特征在于：所述第一反向器(INV1)和第二反向器(INV2)由其中一输入电源电压供电，并输出第一控制信号(Control1)，第三反向器(INV3)由切换后的电源电压(VDD)供电，并将第一控制信号(Control1)取反得到第二控制信号(Control2)；
8.如权利要求6所述的电压切换电路，其特征在于：所述第四反向器(INV4)、第五反向器(INV5)和第六反向器(INV6)由输出电源电压(VDD)供电，且第四反向器(INV4)和第六反向器(INV6)构成一锁存器以锁存前一个信号；
9.如权利要求6所述的电压切换电路，其特征在于：所述第五反向器(INV5)和第三PMOS管(P3)及第六PMOS管(P6)构成反馈控制回路。
10.如权利要求6所述的电压切换电路，其特征在于：所述控制电路还包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)。
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