CN103368383B - 用于dc-dc升压变换器的开关控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，包括主开关模块，通过对两组开关的导通和关断对设置在主开关模块内的电容进行充电和放电；输入开关控制模块，保证输入开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管任意两端电压差不会超出电源电压；输出开关控制模块，保证输出开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管管任意两端电压差不会超出电源电压。本发明的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，能够保证标准MOS管栅极、源极、漏极以及衬底任意两端之间的压降不会超过标准电源电压，增加了电路的可靠性，且电路简单，容易实现，成本较低，具有良好的应用前景。

Description

用于DC-DC升压变换器的开关控制电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域技术领域，具体涉及一种用于DC-DC升压变换器的开关控制电路。

背景技术

在DC-DC变换器中，尤其是升压（Boost）变换器，通常需要把输入级的电源电压升高，用做下一级电路的电源电压，比如电源系统的电压是3.3V，而有一个电路模块需要电源系统提供5V的电源电压，这个时候就需要用到DC-DC升压变换器。为了提高变换器的输出功率，开关管通常需要做的很大，同时又要耐受比标准电压更高的电源电压，如果使用耐高压的MOS管来充当开关管，那么整个电源芯片的面积就会比较大，另外，开关管越大，就需要更大的驱动电路，在开关的过程中开关管自身及驱动电路的损耗也越大，势必会降低整个DC-DC升压变换器的效率，从降低成本的角度考虑，用标准的MOS管来充当开关管是很好的替代方案。

但是标准MOS管作为开关管需要考虑的首要问题是它的耐压能力，我们知道标准的MOS管是不能长期承受超过标准电源电压的压降，如何解决这个矛盾，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术采用标准MOS管构成DC-DC升压变换器，不能长期承受超过标准电源电压的压降，采用耐高压的MOS管构成DC-DC升压变换器，会导致DC-DC升压变换器，面积大，成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，其特征在于：包括主开关模块，通过对两组开关的导通和关断对设置在主开关模块内的电容进行充电和放电；

输入开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出的控制电压能够保证输入开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管任意两端电压差不会超出电源电压；

输出开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出信号为经过转换的同频方波信号，保证输出开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管管任意两端电压差不会超出电源电压；

所述输入开关控制模块和输出开关控制模块的输出端分别与开关模块中对应控制的MOS管相连接。

前述的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，其特征在于：所述主开关模块包括四个标准工艺的MOS管s1、s2、s3、s4，所述MOS管s1、s4构成第一组开关，所述MOS管s2、s3构成第二组开关；所述第一组开关内的MOS管s1的源极与第二组开关内的MOS管s2的漏极相连接，形成连接点a；所述第一组开关内的MOS管s4的源极与第二组开关内的MOS管s3的源极相连接，形成连接点b；所述第一组开关内的MOS管s1和第二组开关内的MOS管s3的漏极相连接，并做为主开关模块的电源输入端；所述第二组开关内的MOS管s2的源极为主开关模块的电源输出端；所述主开关模块还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1设置在连接点a和连接点b之间，所述第二组开关内MOS管s2的源极通过第二电容C2接地，所述第一组开关内MOS管s4的源极接地。   前述的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，其特征在于：所述输入开关控制模块用于控制主开关模块内的第一组开关中MOS管s1任意两端电压差不会超出电源电压，包括两个N型MOS管NM1、NM2和两个P型MOS管PM1、PM2，所述N型MOS管NM1、NM2的栅极共同外接第一时钟控制信号，所MOS管NM1的漏极与MOS管NM2的源极相连接，形成连接点c；所述P型MOS管PM1的栅极外接工作电压，MOS管PM1的漏极与连接点c相连接；所述P型MOS管PM2的栅极外接第一时钟控制信号；所述P型MOS管PM1、PM2的源极相连接，并做为输入开关控制模块的输出端与第一组开关中MOS管s1的栅极相连接。

前述的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，其特征在于：所述输出开关控制模块用于控制主开关模块内的第二组开关中MOS管s2任意两端电压差不会超出电源电压，包括反相器、电平转换器和P型MOS管PM6、PM7，所述反相器的输入端外接第二时钟控制信号，输出端与电平转换器相连接，所述电平转换器设有两个输出端分别与P型MOS管PM6、PM7的栅极相连接，所述P型MOS管PM6、PM7的源极相连接，并做为输出开关控制模块的输出端与第二组开关中MOS管s2的栅极相连接。

本发明的有益效果是：本发明提供的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，能够保证标准MOS管栅极、源极、漏极以及衬底任意两端之间的压降不会超过标准电源电压，很好地解决了DC-DC升压变换器在工作过程中采用标准MOS管的耐压问题，增加了电路的可靠性，且电路简单，容易实现，成本较低，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的主开关模块的电路原理图。

图2是本发明的输入开关控制模块的的电路原理图。

图3是本发明的输出开关控制模块的的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，包括主开关模块，通过对两组开关的导通和关断对设置在主开关模块内的电容进行充电和放电；输入开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出的控制电压能够保证输入开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管任意两端电压差不会超出电源电压；输出开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出信号为经过转换的同频方波信号，保证输出开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管管任意两端电压差不会超出电源电压；所述输入开关控制模块和输出开关控制模块的输出端分别与开关模块中对应控制的MOS管相连接。

如图1所示，主开关模块包括四个标准工艺的MOS管s1、s2、s3、s4，所述MOS管s1、s4构成第一组开关，所述MOS管s2、s3构成第二组开关；所述第一组开关内的MOS管s1的源极与第二组开关内的MOS管s2的漏极相连接，形成连接点a；所述第一组开关内的MOS管s4的源极与第二组开关内的MOS管s3的源极相连接，形成连接点b；所述第一组开关内的MOS管s1和第二组开关内的MOS管s3的漏极相连接，并做为主开关模块的电源输入端；所述第二组开关内的MOS管s2的源极为主开关模块的电源输出端；所述主开关模块还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1设置在连接点a和连接点b之间，所述第二组开关内MOS管s2的源极通过第二电容C2接地，所述第一组开关内MOS管s4的源极接地。

主开关模块的工作原理如下，VDD是标准电源电压与第一组开关内的MOS管s1和第二组开关内的MOS管s3的漏极相连接，Vout为第二组开关内的MOS管s2的源极，即主开关模块的电源输出端，提供给下一级电路的电源电压，MOS管s1-s4采用标准工艺制成，成本交低，第一电容C1和第二电容C2为芯片外接电容，在时钟控制信号输入的前半周期，第一组开关开启，第二组开关关闭，此时电源VDD对第一电容C1充电；在时钟控制信号输入的后半周期第一组开关关闭，第二组开关开启，由于第一电容C1两端的电压不能突变，连接点a的电压会在瞬间提升到VDD+V1，（V1为前半周期电容C1所能充到的电压），然后第一电容C1开始将电荷转移到第二电容C2，这样就达到了提升电压的目的，连接点a的电压，在时钟控制信号的后半周期会高于标准电源电压VDD，这就需要合理控制MOS管sc1和sc2的端电压，来保证MOS管s1和s2的端电压差不会超过标准电源电压，对MOS管s3和s4来说，由于其端电压始终不会超出标准电源电压，所以MOS管s3和s4的栅极外接正常的时钟信号使用即可。

如图2所示，所述输入开关控制模块用于控制主开关模块内的第一组开关中MOS管s1任意两端电压差不会超出电源电压VDD，包括两个N型MOS管NM1、NM2和两个P型MOS管PM1、PM2，所述N型MOS管NM1、NM2的栅极共同外接第一时钟控制信号，所MOS管NM1的漏极与MOS管NM2的源极相连接，形成连接点c；所述P型MOS管PM1的栅极外接工作电压，MOS管PM1的漏极与连接点c相连接；所述P型MOS管PM2的栅极外接第一时钟控制信号；所述P型MOS管PM1、PM2的源极相连接，并做为输入开关控制模块的输出端与第一组开关中MOS管s1的栅极相连接。

输入开关控制模块的工作过程如下，Vh连接到图1中连接点a，Vl则连接到VDD端，当第一时钟控制信号clock1为高电平时，MOS管NM1开启，MOS管NM2关闭，连接点c的电压被强制到零电位；因此MOS管PM2开启，MOS管sc1的电压也被拉低，在此状态下，第一组开关的MOS管s1和s4开启，Vh的电压小于或等于标准电源电压VDD，所以MOSPM1关闭，MOS管sc1的电压将被拉到零电位；当第一时钟控制信号clock1为低电平时，MOS管PM1开启，MOS管NM1关闭，MOS管NM2开启，连接点c将被充电至电源电压，MOS管PM2关闭，MOS管sc1的电压将等于Vh，此状态下，第一组开关的MOS管s1关闭，并且第一组开关的MOS管s1任意两端的端电压差均小于标准电源电压VDD。

如图3所示，所述输出开关控制模块用于控制主开关模块内的第二组开关中MOS管s2任意两端电压差不会超出电源电压，包括反相器、电平转换器和P型MOS管PM6、PM7，所述反相器的输入端外接第二时钟控制信号，输出端与电平转换器相连接，所述电平转换器设有两个输出端分别与P型MOS管PM6、PM7的栅极相连接，所述P型MOS管PM6、PM7的源极相连接，并做为输出开关控制模块的输出端与第二组开关中MOS管s2的栅极相连接，所述反相器由P型MOS管PM3和N型MOS管NM3连接而成，所述电平转换器由P型MOS管PM4、PM5和N型MOS管NM4、NM5连接而成。

输出开关控制模块的工作过程如下，vddH连接到图1中的Vout，Vl连接到VDD，反相器和电平转换器，用于将标准电压域下的信号转换到vddH电压域下，当第二时钟控制信号clock2为低电平时，图3中的连接点e则为低电平，连接点f则为高电平，MOS管PM6关闭，MOS管PM7开启，第二组开关中MOS管s2的端电压等于vddH，所以第二组开关中MOS管s2关闭；当第二时钟控制信号clock2为高电平时，图3中的连接点e为高电平，连接点f为低电平，MOS管PM6开启，MOS管PM7关闭，此时第二组开关中MOS管s2的端电压被强制到VDD；在此状态时，图1中连接点a的电压等于VDD+V1，高于MOS管s2的电压，所以MOS管s2开启，第一电容C1向第二C2充电，通过该输出开关控制模块的控制转换，无论在何种状态，第二组开关中MOS管s2任意两端电压差均不会超过标准电源电压VDD。

综上所述，发明提供的用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，能够保证标准MOS管栅极、源极、漏极以及衬底任意两端之间的压降不会超过标准电源电压，很好地解决了DC-DC升压变换器在工作过程中采用标准MOS管的耐压问题，增加了电路的可靠性，且电路简单，容易实现，成本较低，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.用于DC-DC升压变换器的开关控制电路，其特征在于：包括主开关模块，通过对两组开关的导通和关断对设置在主开关模块内的电容进行充电和放电；

输入开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出的控制电压能够保证输入开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管任意两端电压差不会超出电源电压；

输出开关控制模块，输入信号为标准电压域下的方波信号，输出信号为经过转换的同频方波信号，保证输出开关控制模块所控制的主开关模块中MOS管任意两端电压差不会超出电源电压；

所述输入开关控制模块和输出开关控制模块的输出端分别与主开关模块中对应控制的MOS管相连接；

所述主开关模块包括四个标准工艺的MOS管s1、s2、s3、s4，所述MOS管s1、s4构成第一组开关，所述MOS管s2、s3构成第二组开关；所述第一组开关内的MOS管s1的源极与第二组开关内的MOS管s2的漏极相连接，形成连接点a；所述第一组开关内的MOS管s4的源极与第二组开关内的MOS管s3的源极相连接，形成连接点b；所述第一组开关内的MOS管s1的漏极和第二组开关内的MOS管s3的漏极相连接，并做为主开关模块的电源输入端；所述第二组开关内的MOS管s2的源极为主开关模块的电源输出端；所述主开关模块还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1设置在连接点a和连接点b之间，所述第二组开关内MOS管s2的源极通过第二电容C2接地，所述第一组开关内MOS管s4的漏极接地，所述主开关模块的MOS管s3、s4的栅极外接正常的时钟信号；

所述输入开关控制模块用于控制主开关模块内的第一组开关中MOS管s1任意两端电压差不会超出电源电压，包括两个N型MOS管NM1、NM2和两个P型MOS管PM1、PM2，所述N型MOS管NM1、NM2的栅极共同外接第一时钟控制信号，所述N型MOS管NM1的漏极与N型MOS管NM2的源极相连接，形成连接点c；所述P型MOS管PM2的栅极外接电源电压，P型MOS管PM2的漏极与连接点c相连接；所述P型MOS管PM1的栅极外接第一时钟控制信号；所述P型MOS管PM1、PM2的源极相连接，并做为输入开关控制模块的输出端与第一组开关中MOS管s1的栅极相连接，所述N型MOS管NM1的源极接地，所述N型MOS管NM2的漏极与电源电压相连接，所述P型MOS管PM1的漏极与主开关模块内的连接点a相连接；所述输出开关控制模块用于控制主开关模块内的第二组开关中MOS管s2任意两端电压差不会超出电源电压，包括反相器、电平转换器和P型MOS管PM6、PM7，所述反相器的输入端外接第二时钟控制信号，输出端与电平转换器相连接，所述电平转换器设有两个输出端分别与P型MOS管PM6、PM7的栅极相连接，所述P型MOS管PM6、PM7的源极相连接，并做为输出开关控制模块的输出端与第二组开关中MOS管s2的栅极相连接，所述P型MOS管PM6的漏极与电源电压相连接，所述P型MOS管PM7的漏极与主开关模块的电源输出端相连接。