CN103929060B - 降压变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降压变换电路，包括控制电路以及参考电压产生电路，控制电路驱动第一功率管及第二功率管工作，第一功率管及第二功率管向储能元件输出电流，该电路还包括第一电源产生电路、第二电源产生电路及第三电源产生电路，第一电源产生电路接收参考电压信号，并向控制电路输出电压值低于降压变换电路接收的电源电压的电压信号，第二电源产生电路接收参考电压信号，并向第一电平转换电路输出电压信号，第一电平转换电路向第一功率管输出电压值低于电源电压的电压信号，第三电源产生电路接收参考电压信号，并向第二电平转换电路输出电压信号，第二电平转换电路向第二功率管输出电压值低于电源电压的电压信号。本发明能提高芯片的可靠性。

Description

降压变换电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体地，是一种用于对直流芯片供电的降压变换电路。

背景技术

现在的电子设备集成有大量的芯片，这些芯片通常是工作在低压直流电源下。随着集成电路技术的发展，芯片的工作电压也越来越低，极大地降低了芯片的功耗，但这些芯片在高电源电压输入的情况下可靠性会大大降低。

降压变换电路(BUCK电路)是一种向低压直流芯片供电的电路，其电源转化效率高，应用愈发广泛，特别在大功耗的芯片应用中，其优点更为突出。降压变换电路的作用是将外部的输入电压转变成芯片能承受的正常工作电压范围，通常是将输入的电压从5伏降低到1.8伏，或者从5伏降低到1.2伏。因此，降压变换电路需要工作在高电压的环境下。

例如，在USB设备中，USB电源电压为5伏，而0.18微米以下的CMOS工艺制成的集成电路中，MOSFET的氧化层极薄，通常难以直接承受3.3伏以上的电压，因此，使用上述工艺的电路通常不适宜直接工作在5伏的直流电源之下。又例如，现在电子设备使用的电池的电压通常为4.2伏，也高于0.18微米以下CMOS工艺下的电子器件安全工作电压。因此，电子设备的电源输出端与低压芯片之间通常设置降压变换电路，将输入的电压值较高的电压转换成电压值较低的电压再输出到低压芯片。

现有的一种降压变换电路如图1所示，该电路的电源输入端接收输入的电源电压信号Vin，该电路设有控制电路10以及参考电压产生电路11，控制电路10向两个功率管T1、T2输出控制信号，控制功率管T1、T2的导通与关断。参考电压产生电路11用于产生参考电压信号Vref，并将产生的参考电压信号Vref输出至控制电路10。

功率管T1、T2的输出端设有作为储能元件的电感L1，电感L1的输出端即为降压变换电路的输出端，其向负载13输出电压信号Vout。为了确保输出的电压信号Vout波形平稳，通常在电感L1的输出端设置电容C1，用于对降压变换电路输出的电压信号进行滤波。

降压变换电路的输出端还连接至控制电路10，控制电路10接收反馈电压信号FB，用于控制降压变换电路的输出电压。

降压变换电路的工作原理是控制电路10将参考电压信号Vref与输出反馈回来的反馈电压信号FB进行误差放大，并使用PWM、PFM等技术控制输出电压值的大小。其中，功率管T1、T2是降压变换电路的电源开关。功率管T1、T2在控制电路10的控制下导通或关断，将电能从电源输入端转移到输出端，实现将高电压转变为低电压。电压输出过程中，电感L1在功率管T1、T2导通与关断过程中实现能量储存、能量释放以及两者之间的相互切换。

然而，现有的降压变换电路中，控制电路10、功率管T1、T2均直接工作在高压环境下。从图1可见，输入的电压信号Vin直接连接至控制电路10、参考电压产生电路11、功率管T1、T2的栅极，即上述器件、模块完全工作在输入的电源电压信号Vin的高电压下。但是，低电压工艺中MOSFET的栅极氧化层的栅源电压Vgs的击穿电压为3.6伏，如果电源电压信号Vin高于或者接近降压变换电路中MOSFET的栅极氧化层的栅源电压Vgs的击穿电压，控制电路10、参考电压产生电路11、功率管T1、T2等的可靠性不能得到保障，特别是控制电路10内部的逻辑电路，在直接工作在电源电压信号Vin下将极容易受到破坏。

此外，现有的降压变换电路中，功率管T1、T2的工作安全电压得不到保障。例如，降压变换电路的电源电压信号Vin为 5伏，功率管T1、T2的栅极氧化层的栅源电压Vgs安全电压为3.6伏，此时功率管T1、T2的驱动电压的电压范围为0到Vin，即0到5伏。因此，功率管T1、T2的栅极氧化层的栅源电压Vgs电压范围是0 < Vgs < Vin，即栅极氧化层的栅源电压Vgs在0到5伏之间。当驱动电压小于2.4伏时，功率管T1或功率管T2的栅极氧化层的栅源电压Vgs将超过安全电压3.6伏，如果功率管T1、T2在大电流、高电压情况下频繁开关，则成为降压变换电路可靠性的最大障碍，因此现有的降压变换电路在高电压输入下，芯片可靠性得不到保障。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种可靠性高且可以工作在高电压下的降压变换电路。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的降压变换电路具有控制电路以及参考电压产生电路，控制电路驱动第一功率管及第二功率管工作，第一功率管及第二功率管向储能元件输出电流，其中，降压变换电路还包括第一电源产生电路、第二电源产生电路以及第三电源产生电路，第一电源产生电路接收参考电压产生电路输出的参考电压信号，并向控制电路输出电压值低于降压变换电路接收的电源电压的电压信号，第二电源产生电路接收参考电压信号，并向第一电平转换电路输出电压信号，第一电平转换电路向第一功率管输出电压值低于电源电压的电压信号，第三电源产生电路接收参考电压信号，并向第二电平转换电路输出电压信号，第二电平转换电路向第二功率管输出电压值低于电源电压的电压信号。

由上述方案可见，降压变换电路设置了三个电源产生电路，分别向控制电路以及两个功率管输出电压值低于电源电压信号的电压信号，从而避免控制电路以及两个功率管直接工作在较高的直流电压之下，降压变换电路工作的可靠性较高，从而提高芯片的工作可靠性。并且，由于降压变换电路仍接收电压值较高的电源电压信号，因此降压变换电路仍可以工作在高电压下，满足现有电子设备的工作电压的要求。

一个优选的方案是，控制电路具有第一误差放大器，其接收参考电压信号及降压变换电路输出端的反馈电压信号，第一误差放大器向环路比较器输出比较电压信号，环路比较器将比较电压信号与比较参考电压信号比较后，向逻辑电路输出信号，逻辑电路向第一功率管及第二功率管输出控制信号。

由此可见，控制电路接收反馈电压信号并与参考电压信号进行比较，并由此向逻辑电路输出信号，对两个功率管的控制更加精确。

进一步的方案是，第一电源产生电路为低压差线性稳压电路，低压线性稳压电路具有第二误差放大器，其接收参考电压信号及第一电源产生电路输出端的反馈电压信号，第二误差放大器向环路补偿电路输出信号，环路补偿电路对第三功率管输出的电压信号进行补偿，第一电源产生电路输出的电压信号为补偿后的第三功率管输出的电压信号。

可见，通过第二误差放大器将参考电压信号与反馈电压信号进行放大后驱动第三功率管的工作，并通过对第三功率管的输出电压进行补偿，确保输出的电压信号为低压线性的稳定电压，为控制电路提供稳定的低压，确保控制电路工作的可靠性。

再进一步的方案是，第二电源产生电路具有第一驱动缓冲电路，其接收参考电压信号及第一驱动缓冲电路的反馈电压信号，第二电源产生电路输出的电压信号为第一驱动缓冲电路输出的电压信号。

由此可见，由于向功率管输出的信号是由第一驱动缓冲电路对参考电压信号进行缓冲增强后的信号，通过设定合适的参考电压信号即可以降低输出至功率管的电压信号的电压值，避免功率管工作在高压环境下。

附图说明

图1是现有的降压变换电路的电原理图。

图2是本发明降压变换电路实施例的电原理图。

图3是本发明降压变换电路实施例中控制电路的电原理图。

图4是本发明降压变换电路实施例中第一电源产生电路的电原理图。

图5是本发明降压变换电路实施例中第二电源产生电路的电原理图。

图6是本发明降压变换电路实施例中第三电源产生电路的电原理图。

图7是本发明降压变换电路实施例中第一电平转换电路的电平转换关系图。

图8是本发明降压变换电路实施例中第二电平转换电路的电平转换关系图。

图9是本发明降压变换电路实施例电压关系图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的降压变换电路用于将电子设备输入的高压信号降低并向低压芯片输出较低的电压，确保芯片工作在较低的直流电源下。

参见图2，本发明的降压变换电路具有控制电路20、参考电压产生电路21、第一电源产生电路22、第二电源产生电路23、第三电压产生电路24、第一电平转换电路25、第二电平转换电路26以及两个功率管T3、T4，功率管T3、T4的输出端设有作为储能元件的电感L2，电感L2的输出端作为降压变换电路的输出端，向负载27输出低压直流电。并且，降压变换电路的输出端还连接有电容C2，用于对电感L2输出的电压信号进行滤波，确保输出的电压信号Vout平稳。

降压变换电路接收电子设备输入的电源电压信号Vin，通常电源电压信号Vin为5伏或者4.2伏的高压信号。本实施例中，电源电压信号Vin不会直接向控制电路20、功率管T3、T4直接供电，而是由第一电源产生电路22、第二电源产生电路23、第三电压产生电路24分别产生电压值较低的信号后向控制电路20、功率管T3、T4供电。

参考电压产生电路21用于产生参考电压信号，例如，向控制电路20输出参考电压信号Vref1，并且向第一电源产生电路22输出参考电压信号Vref1，向第二电源产生电路22输出参考电压信号Vref2，向第三电源产生电路22输出参考电压信号Vref3，三个参考电压信号Vref1、Vref2、Vref3的电压值可以相同，也可以不相同，但均低于电源电压信号Vin的电压值。

参见图3，控制电路20内设有误差放大器31、环路比较器32、逻辑电路33、比较参考电压产生电路34，误差放大器31的两个输入端分别接收参考电压信号Vref1以及反馈电压信号FB，反馈电压信号FB为降压变换电路输出端的电压信号Vout。反馈电压信号FB经过分压电阻R1、R2的分压后输入到误差放大器31。

误差放大器31将参考电压信号Vref1以及反馈电压信号FB经过分压后的信号的差值放大，并向环路比较器32的一个输入端输出比较电压信号。环路比较器32的另一个输入端接收比较参考电压信号，比较参考电压信号为三角波，其由比较参考电压产生电路34生成。本实施例中，比较参考电压产生电路34为三角波生产电路，其具有内置的振荡电路、斜波补偿电路等。

环路比较器32接收比较参考电压信号以及误差放大器31输出的电压信号后，产生PWM占空比的控制信号并输出至逻辑电路33，逻辑电路根据所接收的控制信号进行逻辑处理，并生成驱动信号，驱动信号分别输出至第一电平转换电路25以及第二电平转换电路26。图3中，逻辑电路向端子35向第一电平转换电路25输出驱动信号，向端子36向第二电平转换电路26输出驱动信号。

参见图4，第一电源产生电路22是一个典型的低压差线性稳压器，其具有误差放大器37、环路补偿补电路38以及功率管T5，误差放大器37接收参考电压信号Vref1以及第一电源产生电路22反馈的电压信号，并对两个信号进行差值放大后，将比较电压信号输出至功率管T5，产生适当的前置电流，用于控制功率管T5的导通与关断。功率管T5的输出端向控制电路20输出低压的电压信号VDD，且电压信号VDD的电压值低于电源电压信号Vin的电压值。

功率管T5的输出端连接有环路补偿电路38，用于补偿功率管T5输出的电压信号VDD的稳定性。功率管T5的输出端连接有两个反馈电阻R3、R4，误差放大器37所接收的反馈电压信号取自于串联连接的电阻R3、R4的连接处。同时，为了提高第一电源产生电路22输出的电压信号VDD的稳定性，功率管T5的输出端还设有缓冲电容C3，用于对输出的电压信号VDD进行滤波。

由于功率管T5输出的电压信号的电压值低于电源电压Vin的电压值，因此向控制电路20输出的电压信号VDD电压值较低，且低于电源电压信号VDD的电压值，避免控制电路20的器件直接工作在较高的电压下。并且，第一电源产生电路22设置环路补偿电路38、缓冲电容C3等，可以确保输出的电压信号VDD的稳定性。

参见图5，第二电源产生电路23具有驱动缓冲电路41，其接收参考电压产生电路21输出的参考电压信号Vref2，并接收自身输出端反馈的电压信号，通过自身的反馈电压信号对参考电压信号Vref2进行缓冲后输出，形成驱动信号VSS_L。驱动信号VSS_L输出至第一电平转换电路25，由第一电平转换电路25驱动功率管T3。

参见图6，第三电源产生电路24具有驱动缓冲电路42，其接收参考电压产生电路21输出的参考电压信号Vref3，并接收自身输出端反馈的电压信号，通过自身的反馈电压信号对参考电压信号Vref3进行缓冲后输出，形成驱动电压信号VDD_H。驱动电压信号VDD_H输出至第二电平转换电路26，由第二电平转换电路26驱动功率管T4。

第一电平转换电路25输出的电压信号的电压值是电源电压信号Vin的电压值与第二电源产生电路23输出电压信号VSS_L电压值的差值，如图7所示。电源电压信号Vin的电压值高于第一电源产生电路22输出的电压信号VDD的电压值，而第一电平转换电路25输出的电压信号的电压值为Vin-VSS_L。

由于电源电压信号Vin的电压值与第二电源产生电路23输出电压信号VSS_L电压值的差值远小于电源电压信号Vin的电压值，因此加载到功率管T3的电压信号的电压值较低。

第二电平转换电路26输出的电压信号是第三电源产生电路24输出的驱动电压信号VDD_H，如图8所示。由于驱动电压信号VDD_H的电压值也是低于电源电压信号Vin的电压值，因此加载到功率管T4的电压信号的电压值较低。

参见图9，降压变换电路的工作原理是将电压值较高的电源电压信号Vin转换成电压值较低的输出电压信号Vout，常见的电源电压信号的电压值Vin为是5伏，输出的电压信号Vout的电压值是1.8伏。并且，降压变换电路内的第一电源产生电路22、第二电源产生电路23、第三电源产生电路24输出的电压信号VDD、VSS_L、VDD_H的电压值均小于电源电压信号Vin的电压值。此外，向控制电路20、功率管T3、功率管T4加载的电压信号的电压值分别是VDD、Vin-VSS_L、VDD_H，三个电压信号的电压值均在MOSFET制造工艺器件的安全工作电压范围内，可以避免芯片直接工作在电源电压信号Vin的高输入电压之下。上述三个电压保证降压变换电路内部MOSFET器件在工作时，栅极氧化层的栅源电压Vgs都在安全电压范围内，低于击穿电压的电压值，避免控制电路20、功率管T3、功率管T4工作在高压下，降压变换电路的可靠性增加，从而提高电子设备的芯片的工作可靠性。

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方式，实际应用过程中还可以有更多的变化，例如，比较参考电压产生电路不一定是三角波产生电路，可以使用锯齿波产生电路等替代；或者，使用法拉电容替代电感作为储能元件，这样的改变也能实现本发明的目的。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如控制电路内部电路结构的改变、三个参考电压信号的电压值的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.降压变换电路，包括：

控制电路以及参考电压产生电路，所述控制电路驱动第一功率管及第二功率管工作，所述第一功率管及所述第二功率管向储能元件输出电流；

其特征在于：所述降压变换电路还包括：

第一电源产生电路，接收所述参考电压产生电路输出的低于所述降压变换电路接收的电源电压的参考电压信号，并向所述控制电路输出电压值低于所述电源电压的电压信号；

第二电源产生电路，接收所述参考电压信号，并向第一电平转换电路输出驱动信号，所述第一电平转换电路向所述第一功率管输出电压值低于所述电源电压的电压信号并驱动所述第一功率管；

第三电源产生电路，接收所述参考电压信号，并向第二电平转换电路输出电压信号，所述第二电平转换电路向所述第二功率管输出电压值低于所述电源电压的电压信号。

2.根据权利要求1所述的降压变换电路，其特征在于：

所述控制电路具有第一误差放大器，其接收所述参考电压信号及所述降压变换电路输出端的反馈电压信号，所述第一误差放大器向环路比较器输出比较电压信号，所述环路比较器将所述比较电压信号与比较参考电压信号比较后，向逻辑电路输出信号，所述逻辑电路向所述第一功率管及所述第二功率管输出控制信号。

3.根据权利要求2所述的降压变换电路，其特征在于：

所述比较参考电压信号由比较参考电压产生电路生成。

4.根据权利要求3所述的降压变换电路，其特征在于：

所述比较参考电压产生电路为三角波产生电路。

5.根据权利要求1至4任一项所述的降压变换电路，其特征在于：

所述第一电源产生电路为低压差线性稳压电路。

6.根据权利要求5所述的降压变换电路，其特征在于：

所述低压差线性稳压电路具有第二误差放大器，其接收所述参考电压信号及所述第一电源产生电路输出端的反馈电压信号，所述第二误差放大器向环路补偿电路输出信号，所述环路补偿电路对第三功率管输出的电压信号进行补偿，所述第一电源产生电路输出的电压信号为补偿后的所述第三功率管输出的电压信号。

7.根据权利要求6所述的降压变换电路，其特征在于：

所述第三功率管的输出端连接有缓冲电容。

8.根据权利要求1至4任一项所述的降压变换电路，其特征在于：

所述第二电源产生电路具有第一驱动缓冲电路，其接收所述参考电压信号及所述第一驱动缓冲电路的反馈电压信号，所述第二电源产生电路输出的电压信号为所述第一驱动缓冲电路输出的电压信号。

9.根据权利要求1至4任一项所述的降压变换电路，其特征在于：

所述第三电源产生电路具有第二驱动缓冲电路，其接收所述参考电压信号及所述第二驱动缓冲电路的反馈电压信号，所述第三电源产生电路输出的电压信号为所述第二驱动缓冲电路输出的电压信号。

10.根据权利要求1至4任一项所述的降压变换电路，其特征在于：

所述第一电平转换电路输出的电压值为所述电源电压的电压信号的电压值与所述第二电源产生电路输出电压信号的电压值的差值。