CN109245535A - 适用于电源管理的电平转换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子技术领域，尤其是适用于电源管理的电平转换模块；它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；功耗低：电平转换器采用电流偏置电路，偏置电流小；同时上拉电路采用双层P型MOS管控制，转换过程中产生的尖峰电流小；层数少：电平转换只用到P型高压薄栅管，其余均为低压管；转换速度快：电平转换器采用正反馈交叉互联电压采样比较的方式；可靠性高：电平转换器有上拉模块保护低压型P管，箝位模块保护低压N型管。

Description

适用于电源管理的电平转换模块
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其是适用于电源管理的电平转换模块。
背景技术
图1为现有众所周知的降压型变换器，高边功率管PM1采用P型功率管，低边功率管NM1采用N型功率管，随着开关电源集成度的越来越高，高压功率管均集成到芯片内部，如果功率管采用薄栅功率管减小器件制造的层数，从而达到减少成本；为了驱动高边功率管PM1，高边的驱动电路DRIVER电源接VIN，地接VIN-5V的电压差，从而实现驱动高边功率管PM1的目的；同理，低边的驱动电路电源接VDD，地接GND；低边驱动电路需要通过电平转换器H2L_LEVELSHIFT将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路DRIVER监测高边功率管PM1的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器(也称为电平转换模块)即为图1中的H2L_LEVELSHIFT模块。
图2为现有众所周知的另一款降压型变换器，高边功率管NM2采用N型功率管，低边功率管NM1采用N型功率管。为了驱动高边功率管NM2，高边的驱动电路DRIVER电源接SW+5V，地接SW，从而实现驱动高边功率管NM2的目的；同理，低边的驱动电路电源接VDD，地接GND；低边驱动电路需要通过电平转换器H2L_LEVELSHIFT将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路DRIVER监测高边功率管NM2的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器为图2中的H2L_LEVELSHIFT模块。
如图3所示，现有的电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电流比较模块。
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高时，关断PM2，导通PM1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当HV_DRIVER为低时，关断PM1，导通PM2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块NM1和NM2采用二极管连接的形式，吸收电平转换过程中产生的尖峰电流，从而实现一定的箝位功能，电流比较模块通过镜像管NM3和NM4镜像流过下拉模块中NM1和NM2的电流，其中流过NM3电流经过PM3和PM4镜像，与NM4电流比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管，其余管子均为低压薄栅管；
HV_VCC：高压电平；
FLOAT_GND:为HV_VCC减5V电压差；
LV_VCC：低压电平；
GND:0V
现有技术的问题和缺点：
a、电平转换速度慢(因为电平转换器采用电流采样做比较的方式，低功耗小电流意味着速度慢，牺牲功耗可换取转换速度)
b、低压管存在被击穿可能(在HV_DRIVER转换瞬间，下拉管存在较大过冲，增大电流提高转换速度的同时，也增加了被击穿的风险)
如图4所示，现有的另一款电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电压比较模块。
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高时，关断PM2，导通PM1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当HV_DRIVER为低时，关断PM1，导通PM2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块NM1和NM2采用交叉互联正反馈的形式，快速将上拉模块产生的上拉电流转换为高电压HV_VCC到GND之间的电平信号，电压比较模块通过输入管NM3和NM4采样下拉模块中NM1和NM2的电压，经过交叉互联的PM3和PM4镜像，与NM4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管,PM3和PM4采用低压薄栅管，其余管子均为高压厚栅管；
现有技术的问题和缺点：
a、功耗大(因为在HV_DRIVER转换瞬间，存在上拉模块和下拉模块均存在直通情况，产生大电流)
b、多层数(因为电平转换过程中，下拉管的电位能达到HV_VCC，需采用高压厚栅管)。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种电平转换速度快、低压管不容易被击穿、功耗较小的电平转换模块。
本发明的技术方案为：
适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管、PM2a场效管、PM1场效管和PM2场效管，所述PM1a场效管的漏极、PM2a场效管的漏极共同连接INV1反相器的VCC端、INV2反相器的VCC端，所述INV1反相器的接地端、INV2反相器的接地端共同接地，所述PM1a场效管的栅极连接PM2场效管的栅极，所述PM2a场效管的栅极连接PM1场效管的栅极，所述PM1a场效管的源极连接PM1场效管的漏极，所述PM2a场效管的源极连接PM2场效管的漏极，所述PM1场效管的栅极连接INV1反相器的输出端，所述PM2场效管的栅极连接INV2反相器的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管、PM6场效管和PM7场效管，所述PM5场效管的漏极分别连接PM2a场效管的漏极、PM6场效管的漏极和PM7场效管的漏极，PM5场效管、PM6场效管和PM7场效管的栅极共同连接PM7场效管的源极，所述PM7场效管的源极外接偏置电流模块(IBIAS)，所述PM5场效管的源极连接PM2场效管的漏极，所述PM6场效管的源极连接PM1场效管的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管和NM2a场效管，所述NM1a场效管的漏极和NM2a场效管的栅极共同连接PM1场效管的源极，所述NM1a场效管的栅极和NM2a场效管的漏极共同连接PM2场效管的源极，所述NM1a场效管的源极和NM2a场效管的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管和NM2场效管，所述NM1场效管的栅极和漏极连接NM1a场效管的漏极，所述NM2场效管的漏极和栅极连接NM2a场效管的漏极，所述NM1场效管的源极和NM2场效管的源极共同连接NM2a场效管的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管、NM4场效管、PM3场效管和PM4场效管，所述NM3场效管的栅极连接NM1场效管的漏极，所述NM4场效管的栅极连接NM2场效管的漏极，所述NM3场效管的源极和NM4场效管的源极共同连接NM2场效管的源极，所述PM3场效管的源极和PM4场效管的栅极共同连接NM3场效管的漏极，所述PM4场效管的源极和PM3场效管的栅极共同连接NM4场效管的漏极，所述PM3场效管的漏极连接PM4场效管的漏极，所述NM4场效管的漏极还连接INV3反相器的输入端，所述INV3反相器的输出端连接INV4反相器的输入端，所述INV3反相器和INV4反相器的VCC端共同连接PM4场效管的漏极，所述INV3反相器和INV4反相器的接地端共同连接NM4场效管的源极。
作为本发明的改进，所述PM1场效管的源极与NM1a场效管的漏极之间设有R1电阻，所述PM2场效管的源极与NM2a场效管的漏极之间设有R2电阻，所述NM1a场效管的漏极和源极之间设有C3电容，所述NM2a场效管的漏极和源极之间设有C4电容，所述PM1a场效管的源极和漏极之间设有C1电容，所述PM2a场效管的源极和漏极之间设有C2电容。
本发明的有益效果为：功耗低：电平转换器采用电流偏置电路，偏置电流小；同时上拉电路采用双层P型MOS管控制，转换过程中产生的尖峰电流小；层数少：电平转换只用到P型高压薄栅管，其余均为低压管；转换速度快：电平转换器采用正反馈交叉互联电压采样比较的方式；可靠性高：电平转换器有上拉模块保护低压型P管，箝位模块保护低压N型管。
附图说明
图1为现有技术其中一款降压型变换器的电路图；
图2为现有技术另一款降压型变换器的电路图；
图3为现有技术其中一款电平转换器的电路图；
图4为现有技术另一款电平转换器的电路图；
图5为本发明实施例1的电路图；
图6为本发明实施例2的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
如图5所示，适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管(PM1a)、PM2a场效管(PM2a)、PM1场效管(PM1)和PM2场效管(PM2)，所述PM1a场效管(PM1a)的漏极、PM2a场效管(PM2a)的漏极共同连接INV1反相器(INV1)的VCC端、INV2反相器(INV2)的VCC端，所述INV1反相器(INV1)的接地端、INV2反相器(INV2)的接地端共同接地，所述PM1a场效管(PM1a)的栅极连接PM2场效管(PM2)的栅极，所述PM2a场效管(PM2a)的栅极连接PM1场效管(PM1)的栅极，所述PM1a场效管(PM1a)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极，所述PM2a场效管(PM2a)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM1场效管(PM1)的栅极连接INV1反相器(INV1)的输出端，所述PM2场效管(PM2)的栅极连接INV2反相器(INV2)的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)，所述PM5场效管(PM5)的漏极分别连接PM2a场效管(PM2a)的漏极、PM6场效管(PM6)的漏极和PM7场效管(PM7)的漏极，PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)的栅极共同连接PM7场效管(PM7)的源极，所述PM7场效管(PM7)的源极外接偏置电流模块(IBIAS)，所述PM5场效管(PM5)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM6场效管(PM6)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管(NM1a)和NM2a场效管(NM2a)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和NM2a场效管(NM2a)的栅极共同连接PM1场效管(PM1)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的栅极和NM2a场效管(NM2a)的漏极共同连接PM2场效管(PM2)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的源极和NM2a场效管(NM2a)的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管(NM1)和NM2场效管(NM2)，所述NM1场效管(NM1)的栅极和漏极连接NM1a场效管(NM1a)的漏极，所述NM2场效管(NM2)的漏极和栅极连接NM2a场效管(NM2a)的漏极，所述NM1场效管(NM1)的源极和NM2场效管(NM2)的源极共同连接NM2a场效管(NM2a)的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管(NM3)、NM4场效管(NM4)、PM3场效管(PM3)和PM4场效管(PM4)，所述NM3场效管(NM3)的栅极连接NM1场效管(NM1)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的栅极连接NM2场效管(NM2)的漏极，所述NM3场效管(NM3)的源极和NM4场效管(NM4)的源极共同连接NM2场效管(NM2)的源极，所述PM3场效管(PM3)的源极和PM4场效管(PM4)的栅极共同连接NM3场效管(NM3)的漏极，所述PM4场效管(PM4)的源极和PM3场效管(PM3)的栅极共同连接NM4场效管(NM4)的漏极，所述PM3场效管(PM3)的漏极连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的漏极还连接INV3反相器(INV3)的输入端，所述INV3反相器(INV3)的输出端连接INV4反相器(INV4)的输入端，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的VCC端共同连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的接地端共同连接NM4场效管(NM4)的源极。
本实施例中：
上拉模块；接收高边驱动信号控制偏置电流关断，转换为低压控制电平信号；
电流偏置模块:为电平转换器提供翻转偏置电流；
下拉模块：接收节点net1和net2电平通过交叉互联正反馈，提高电平转换速度；
低压箝位模块：保证节点net1和net2电压在低压器件耐压承受的工作范围内，防止下拉模块和电压比较模块中的器件被击穿；
高压比较模块：采样节点net1和net2电压，通过交叉正反馈实现快速比较；
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高电平时，关断PM2并导通PM2a,将PM2a的漏端上拉至HV_VCC此时，节点net2被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通PM1并关断PM1a,电流偏置模块中的PM6产生的电流流过上拉模块中的PM1管，上拉PM1a的漏端电压，防止PM1a管源漏击穿(PM1a采用低压普通管)，节点net1被偏置电流充电至高电平；当HV_DRIVER为低电平时，关断PM1并导通PM1a,将PM1a的漏端上拉至HV_VCC此时，节点net1被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通PM2并关断PM2a,电流偏置模块中的PM5产生的电流流过上拉模块中的PM2管，上拉PM2a的漏端电压，防止PM2a管源漏击穿(PM2a采用低压普通管)，节点net2被偏置电流充电至高电平；箝位模块将节点net1和节点net2电压限制在5V(低压薄栅管栅氧击穿电压一般是5V)范围内,防止下拉模块和电压比较模块中的低压N型管栅氧击穿；下拉模块NM1a和NM2a采用交叉互联正反馈的形式，快速将节点net1和net2电压转换为5V到GND之间的电平信号，电压比较模块通过输入管NM3和NM4采样节点net1和net2电压，经过交叉互联的PM3和PM4镜像，与NM4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管,其余管子均为低压薄栅管。
实施例2
如图6所示，所述PM1场效管(PM1)的源极与NM1a场效管(NM1a)的漏极之间设有R1电阻(R1)，所述PM2场效管(PM2)的源极与NM2a场效管(NM2a)的漏极之间设有R2电阻(R2)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和源极之间设有C3电容(C3)，所述NM2a场效管(NM2a)的漏极和源极之间设有C4电容(C4)，所述PM1a场效管(PM1a)的源极和漏极之间设有C1电容(C1)，所述PM2a场效管(PM2a)的源极和漏极之间设有C2电容(C2)。
该电平转换器在图5的基础上增加了电容C1～C4和电阻R1～R2，组成滤波电路，防止电平转换过程中产生的尖峰，其他部分工作原理与实施例1相同。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，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。

Claims (2)

1.适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管(PM1a)、PM2a场效管(PM2a)、PM1场效管(PM1)和PM2场效管(PM2)，所述PM1a场效管(PM1a)的漏极、PM2a场效管(PM2a)的漏极共同连接INV1反相器(INV1)的VCC端、INV2反相器(INV2)的VCC端，所述INV1反相器(INV1)的接地端、INV2反相器(INV2)的接地端共同接地，所述PM1a场效管(PM1a)的栅极连接PM2场效管(PM2)的栅极，所述PM2a场效管(PM2a)的栅极连接PM1场效管(PM1)的栅极，所述PM1a场效管(PM1a)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极，所述PM2a场效管(PM2a)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM1场效管(PM1)的栅极连接INV1反相器(INV1)的输出端，所述PM2场效管(PM2)的栅极连接INV2反相器(INV2)的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)，所述PM5场效管(PM5)的漏极分别连接PM2a场效管(PM2a)的漏极、PM6场效管(PM6)的漏极和PM7场效管(PM7)的漏极，PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)的栅极共同连接PM7场效管(PM7)的源极，所述PM5场效管(PM5)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM6场效管(PM6)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管(NM1a)和NM2a场效管(NM2a)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和NM2a场效管(NM2a)的栅极共同连接PM1场效管(PM1)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的栅极和NM2a场效管(NM2a)的漏极共同连接PM2场效管(PM2)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的源极和NM2a场效管(NM2a)的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管(NM1)和NM2场效管(NM2)，所述NM1场效管(NM1)的栅极和漏极连接NM1a场效管(NM1a)的漏极，所述NM2场效管(NM2)的漏极和栅极连接NM2a场效管(NM2a)的漏极，所述NM1场效管(NM1)的源极和NM2场效管(NM2)的源极共同连接NM2a场效管(NM2a)的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管(NM3)、NM4场效管(NM4)、PM3场效管(PM3)和PM4场效管(PM4)，所述NM3场效管(NM3)的栅极连接NM1场效管(NM1)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的栅极连接NM2场效管(NM2)的漏极，所述NM3场效管(NM3)的源极和NM4场效管(NM4)的源极共同连接NM2场效管(NM2)的源极，所述PM3场效管(PM3)的源极和PM4场效管(PM4)的栅极共同连接NM3场效管(NM3)的漏极，所述PM4场效管(PM4)的源极和PM3场效管(PM3)的栅极共同连接NM4场效管(NM4)的漏极，所述PM3场效管(PM3)的漏极连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的漏极还连接INV3反相器(INV3)的输入端，所述INV3反相器(INV3)的输出端连接INV4反相器(INV4)的输入端，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的VCC端共同连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的接地端共同连接NM4场效管(NM4)的源极。
2.根据权利要求1所述的适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：所述PM1场效管(PM1)的源极与NM1a场效管(NM1a)的漏极之间设有R1电阻(R1)，所述PM2场效管(PM2)的源极与NM2a场效管(NM2a)的漏极之间设有R2电阻(R2)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和源极之间设有C3电容(C3)，所述NM2a场效管(NM2a)的漏极和源极之间设有C4电容(C4)，所述PM1a场效管(PM1a)的源极和漏极之间设有C1电容(C1)，所述PM2a场效管(PM2a)的源极和漏极之间设有C2电容(C2)。
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