CN110729990B - 一种支持快速充放电的自举电路及芯片 - Google Patents

一种支持快速充放电的自举电路及芯片 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种支持快速充放电的自举电路及芯片，通过设置电压检测模块和开关模块，使所述电压检测模块控制所述开关模块的工作状态，在充电时，以使在一定条件下，使开关模块处于开启状态，以实现对电压输出端的快速充电。并且，在放电时，通过第二场效应管实现了快速放电的目的。

Description

一种支持快速充放电的自举电路及芯片
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地说，涉及一种支持快速充放电的自举电路及芯片。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多的产品应用需要D类功率放大器和马达驱动等功率芯片，其均具有高电压、驱动能力大和成本低等优点。
为了不牺牲驱动能力，同时降低芯片面积和成本，传统的技术手段是将输出功率级功率PMOS管换成功率NMOS管，在高压DMOS工艺中，具有相同导通电阻的DNMOS管会比DPMOS管小三至四倍，这样就极大程度的降低了芯片面积。
其中，芯片中采用的自举电路能够先将电容器充满电、然后使放大电路中某部分产生自举现象，从而达到提高电路的电压和扩展电路的输出动态范围的目的，使电容电压和电源电压叠加，从而使自举电路电压输出端的电压升高。
但是，目前的自举电路不具备快速充放电的功能。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种支持快速充放电的自举电路及芯片，本发明一个实施例的技术方案如下：
一种支持快速充放电的自举电路，所述自举电路包括：第一场效应管、第二场效应管、电容、开关模块、电压检测模块和压差产生模块；
其中，所述第一场效应管的源极和所述第二场效应管的漏极通过第一连接节点连接，且所述第一连接节点与所述自举电路的电压输出端连接；
所述第二场效应管的源极与所述自举电路的第一电压输入端连接，所述第一场效应管的漏极与所述自举电路的第二电压输入端连接；
所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极通过第二连接节点连接，且所述第二连接节点与所述压差产生模块的第一端连接，所述压差产生模块的第二端与所述第一电压输入端连接；所述电容的一端与所述电压输出端连接，另一端与所述第一电压输入端连接；
所述开关模块的第一端与所述第二电压输入端连接，第二端与所述电压输出端连接，第三端与所述电压检测模块的一端连接；
所述电压检测模块的另一端与所述第二电压输入端连接，且与所述第一场效应管的栅极和所述压差产生模块的连接节点连接；
当所述第一电压输入端的电压值处于上升状态时，若所述电压检测模块检测到所述第二连接节点的电压与所述第二电压输入端的电压差值满足预设电压值，控制所述开关模块处于开启状态，所述第二电压输入端通过所述开关模块对所述电容进行充电；
当所述第一电压输入端的电压值处于下降状态时，若所述第二连接节点的电压小于所述电压输出端的电压，所述第二场效应管处于开启状态，所述电容通过所述第二场效应管进行放电。
优选的，在上述自举电路中，所述电压检测模块包括：第三至第六场效应管、第一电流源、第二电流源和第三电流源；
其中，所述第三场效应管的栅极和所述第四场效应管的栅极通过第三连接节点连接，且所述第三连接节点与所述第二电流源和所述第五场效应管的连接节点连接；
所述第三场效应管的漏极与所述第四场效应管的源极通过第四连接节点连接，且所述第四连接节点与所述开关模块连接；
所述第三场效应管的源极与所述第一电流源和所述第六场效应管的连接节点连接，所述第四场效应管的漏极与所述第二电压输入端连接；
所述第二电流源的一端与所述第五场效应管的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端连接；
所述第五场效应管的源极与所述压差产生模块的第一端连接，栅极与所述第六场效应管的栅极连接，接入偏置电压端；
所述第一电流源的一端与所述第六场效应管的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端连接；
所述第六场效应管的源极通过所述第三电流源接地。
优选的，在上述自举电路中，所述第一电流源和所述第三电流源相同。
优选的，在上述自举电路中，所述第三场效应管为N型场效应管，所述第四至第六场效应管均为P型场效应管。
优选的，在上述自举电路中，所述压差产生模块包括：第一电阻和第七至第九场效应管；
所述第七场效应管的栅极和漏极连接，作为所述压差产生模块的第一端；
所述第七场效应管的漏极与所述第八场效应管的漏极连接；
所述第八场效应管的栅极和源极通过第五连接节点连接，且所述第五连接节点与所述第九场效应管的漏极连接；
所述第九场效应管的栅极和漏极连接，源极与所述第一电阻的第一端连接；
所述第一电阻的第二端作为所述压差产生模块的第二端，与所述第一电压输入端连接。
优选的，在上述自举电路中，所述第七场效应管和所述第九场效应管均为N型场效应管；
所述第八场效应管为P型场效应管。
优选的，在上述自举电路中，所述开关模块包括第十场效应管和所述第四电流源；
所述第十场效应管的漏极与所述第二电压输入端连接；
所述第十场效应管的源极与所述电压输出端连接；
所述第十场效应管的栅极与所述电压检测模块连接；
所述第四电流源和所述第十场效应管并联。
优选的，在上述自举电路中，所述第十场效应管为P型场效应管。
优选的，在上述自举电路中，所述第一场效应管为N型场效应管；
所述第二场效应管为P型场效应管。
一种芯片，所述芯片包括上述任一项所述的自举电路。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本申请提供的一种自举电路通过设置电压检测模块和开关模块，使所述电压检测模块控制所述开关模块的工作状态，在充电时，以使在一定条件下，使开关模块处于开启状态，以实现对电压输出端的快速充电。并且，在放电时，通过第二场效应管实现了快速放电的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种自举电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种自举电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种压差产生模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种自举电路的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种自举电路的波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种自举电路的结构示意图。
所述自举电路包括：第一场效应管MN1、第二场效应管MP5、电容CBTSP、开关模块11、电压检测模块12和压差产生模块13；
其中，所述第一场效应管MN1的源极和所述第二场效应管MP5的漏极通过第一连接节点连接，且所述第一连接节点与所述自举电路的电压输出端连接；
所述第二场效应管MP5的源极与所述自举电路的第一电压输入端连接，所述第一场效应管MN1的漏极与所述自举电路的第二电压输入端连接；
所述第一场效应管MN1的栅极与所述第二场效应管MP5的栅极通过第二连接节点连接，且所述第二连接节点与所述压差产生模块13的第一端连接，所述压差产生模块13的第二端与所述第一电压输入端连接；所述电容CBTSP的一端与所述电压输出端连接，另一端与所述第一电压输入端连接；
所述开关模块11的第一端与所述第二电压输入端连接，第二端与所述电压输出端连接，第三端与所述电压检测模块12的一端连接；
所述电压检测模块12的另一端与所述第二电压输入端连接，且与所述第一场效应管MN1的栅极和所述压差产生模块13的连接节点连接；
当所述第一电压输入端的电压值处于上升状态时，若所述电压检测模块12检测到所述第二连接节点的电压与所述第二电压输入端的电压差值满足预设电压值，控制所述开关模块11处于开启状态，所述第二电压输入端通过所述开关模块11对所述电容进行充电；
当所述第一电压输入端的电压值处于下降状态时，若所述第二连接节点的电压小于所述电压输出端的电压，所述第二场效应管MP5处于开启状态，所述电容CBTSP通过所述第二场效应管MP5进行放电。
其中，所述第一场效应管MN1为N型场效应管；所述第二场效应管MP5为P型场效应管。
在该实施例中，通过设置电压检测模块和开关模块，使所述电压检测模块控制所述开关模块的工作状态，在充电时，以使在一定条件下，使开关模块处于开启状态，以实现对电压输出端的快速充电。并且，在放电时，通过第二场效应管实现了快速放电的目的。
具体工作过程如下：
当电压输出端的电压较低时，使得第一场效应管MN1开启，所述第二电压输入端通过所述第一场效应管MN1对电容CBTSP进行充电，当电容CBTSP的上极板电压一直充电至临近VIN+VBN1-VTH1时，第一场效应管MN1逐渐关断，当达到VIN+VBN1-VTH1时，所述第一场效应管MN1关断，在第一场效应管MN1逐渐关断的过程中，电容CBTSP的充电电流会逐渐减小。其中，VIN为第一电压输入端的电压，VBN1为压差产生模块13提供的电压，VTH1为第一场效应管MN1的开启阈值电压。
当第一电压输入端的电压VIN上升时，由于电容CBTSP两端的电压差，电压输出端的电压VBTSP会上升，所述第二连接节点的电压也会上升，其中，第二连接节点的电压为VBN1+VIN。
由于第二连接节点和第二电压输入端之间设有电流源，第二连接节点的电压很难上升到第二电压输入端的电压VREG，且由于第一场效应管MN1开启阈值电压VTH1的存在，电压输出端的电压VBTSP上升到VIN+VBN1-VTH1时，第一场效应管MN1会关断，这种情况下电压输出端的电压VBTSP也很难上升至VREG。
因此，本申请实施例中通过设置电压检测模块12，用于检测第二连接节点的电压值，在第一电压输入端的电压VIN上升过程中，当检测到第二连接节点的电压上升到一定数值时，例如第二连接节点的电压与所述第二电压输入端的电压VRGE之间的电压差值满足一个预设电压值时，使得开关模块11处于开启状态，第二电压输入端通过开关模块11所在支路继续对电容CBTSP进行充电，将电压输出端的电压VBTSP充电至VREG，进而使得电容CBTSP的电压差为VREG-VIN，实现快速充电的目的。
在充电过程前期，所述第一场效应管MN1处于开启状态，第二电压输入端对所述电容CBTSP进行充电。当电压输出端的电压不断升高时，所述第一场效应管MN1断开；相应的，电压检测模块12使得开关模块11处于开启状态，第二电压输入端继续对所述电容CBTSP进行充电；所述第二场效应管MP5在电容CBTSP充电过程中持续处于断开状态。
当第一电压输入端的输入电压VIN下降时，若VBTSP未能及时跟随VIN下降时，且当VBTSP-VIN＞VBN1时，即第二连接节点的电压小于电压输出端的电压时，第二场效应管MP5会开启，电容CBTSP通过第二场效应管MP5放电，使得VBTSP跟随VIN下降，实现快速放电的目的。
在放电过程中，所述第一场效应管MN1持续处于断开状态，开关模块也处于闭合状态。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种自举电路的结构示意图。
所述电压检测模块12包括：第三至第六场效应管、第一电流源IB1、第二电流源IB2和第三电流源IB3；
其中，所述第三场效应管MN2的栅极和所述第四场效应管MP3的栅极通过第三连接节点连接，且所述第三连接节点与所述第二电流源IB2和所述第五场效应管MP2的连接节点连接；
所述第三场效应管MN2的漏极与所述第四场效应管MP3的源极通过第四连接节点连接，且所述第四连接节点与所述开关模块11连接；
所述第三场效应管MN2的源极与所述第一电流源IB1和所述第六场效应管MP1的连接节点连接，所述第四场效应管MP3的漏极与所述第二电压输入端VREG连接；
所述第二电流源IB2的一端与所述第五场效应管MP2的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端VREG连接；
所述第五场效应管MP2的源极与所述压差产生模块13的第一端连接，栅极与所述第六场效应管MP1的栅极连接，接入偏置电压端VBP1；
所述第一电流源IB1的一端与所述第六场效应管MP1的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端VREG连接；
所述第六场效应管MP1的源极通过所述第三电流源IB3接地。
其中，所述第一电流源IB1和所述第三电流源IB3相同。
所述第三场效应管MN1为N型场效应管，所述第四至第六场效应管均为P型场效应管。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种压差产生模块的结构示意图。
所述压差产生模块包括：第一电阻R1和第七至第九场效应管；
所述第七场效应管MN3的栅极和漏极连接，作为所述压差产生模块的第一端；
所述第七场效应管MN3的源极与所述第八场效应管MP6的漏极连接；
所述第八场效应管MP6的栅极和源极通过第五连接节点连接，且所述第五连接节点与所述第九场效应管MN4的漏极连接；
所述第九场效应管MN4的栅极和漏极连接，源极与所述第一电阻R1的第一端连接；
所述第一电阻R1的第二端作为所述压差产生模块13的第二端，与所述第一电压输入端连接。
其中，所述第七场效应管MN3和所述第九场效应管MN4均为N型场效应管；所述第八场效应管MP6为P型场效应管。
在该实施例中，三个场效应管的丨VGS丨之和以及IB2*R1叠加得到VBN1，即，VBN1＝VGS_N3+丨VGS_P6丨+VGS_N4+IB2*R1。
三个场效应管的串联设计，使得需要的IB2和R1值变小，进而节约功耗和电阻面积。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种自举电路的结构示意图。
所述开关模块包括第十场效应管MP4和第四电流源IB4；
所述第十场效应管MP4的漏极与所述第二电压输入端连接；
所述第十场效应管MP4的源极与所述电压输出端连接；
所述第十场效应管MP4的栅极与所述电压检测模块连接；
所述第四电流源IB4和所述第十场效应管MP4并联。
其中，所述第十场效应管MP4为P型场效应管。
在该实施例中，通过第十场效应管MP4和第四电流源IB4，用于在第一电压输入端从高电平VH2降低到VL2的过程中，使VBTSP快速响应VIN的下降，提高VBTSP的放电速度。
在放电结束之后，仅仅第四电流源IB4流过MP5。
下面对自举电路的具体工作过程进行说明。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种自举电路的波形示意图。
设定所述第二电压输入端的电压VREG＝VBN1+VH2，其中VH2为第一电压输入端VIN的高电平电压。
其中，VBP1为第五场效应管MP2和第六场效应管MP1的偏置电压，通过设计VBP1、MP1和MP2，IB2：IB1＝M：1，(W/L)MP2：(W/L)MP1＝M：1，在第一电压输入端的电压VIN为低电平VL2时，使VREG-丨VGS_MP1丨＞丨Vthp丨、VREG-丨VGS_MP2丨＞丨Vthp丨以及VREG-VBP2＞Vthn，其目的如下：
当第一电压输入端的电压VIN升高到一定程度时，第五场效应管MP2会进入线性区，会使得VBP3-VBP2＞Vthn，MP3关断、MN2导通时，MP4会导通，将电压输出端的电压VBTSP的电压快速上拉。
所述压差产生模块用于产生VBN1电压，即自举电容的电压差值VBTSP-VIN。
当第一电压输入端的电压VIN为低电平VL2时，IB2电流流过MP2和压差产生模块，MN1的栅极电压为VBN1+VIN，MN1开启对自举电容CBTSP进行充电，使得VBTSP-VIN＝VBN1。由于MN1栅极电压VBN1+VL2相对不高，MP2工作在饱和区，由于IB2：IB1＝M：1以及(W/L)MP2：(W/L)MP1＝M：1，所以VBP2＝VBP3，MN2关断、MP3导通，MP4栅极电压被拉倒第二电压输入端的电压VREG，使得MP4关断。
当第一电压输入端的电压VIN从低电平VL2上升到高电平VH2过程中，MN1会导通，对自举电容CBTSP进行充电。
当第一电压输入端的电压VIN从低电平VL2上升接近高电平VH2时，自举电容CBTSP上极板电压上升到接近VBN1+VH2-Vthn的过程中，MN1会进入亚阈值区，甚至关断区，若没有MP4，自举电容CBTSP上极板电压将无法再上升，导致自举电容CBTSP上下基板的电压差小于VBN1。
但是，本申请设置MP4之后，当MN1的栅极电压VBN1+VIN也会变高为VBN1+VH2，该电路设计VREG＝VH2+VBBN1会使得MP2进入线性区，使得VBP3变高接近VREG＝VBN1+VH2，所以MN2的VGS_N2＝VBP3-VBP2＝VREG-VBP2＞Vthn。
此时，MP2导通，MP4的栅极电压连接到VBP2，因为通过偏置VBP1使VREG-丨VGS_MP1丨＞丨Vthp丨，所以MP4会导通，对自举电容CBTSP进行快速充电到VREG，使得自举电容CBTSP两端电压差快速上升到VBN1，进而提高了自举电容CBTSP的快速响应速度。
当第一电压输入端的电压VIN从高电平VH2变为VL2时，一方面通过电容两端电压差不突变的特性，使得自举电容CBTSP上极板电压VBTSP电压跟随VIN降低，另一方面通过MP5导通，使得自举电容上极板电压VBTSP电压快速紧跟VIN降低，使得电容两端电压差不会发生突变。
并且，如图5所示，电压输出端的电压VBTSP会自动跟随第一电压输入端VIN的升高而升高，降低而降低，其自举电容CBTSP两端的电压差始终为VBN1。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种芯片，所述芯片包括上述所述的自举电路，可实现快速充放电的目的。
以上对本发明所提供的一种快速充放电的自举电路及芯片进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种支持快速充放电的自举电路，其特征在于，所述自举电路包括：第一场效应管、第二场效应管、电容、开关模块、电压检测模块和压差产生模块；
其中，所述第一场效应管的源极和所述第二场效应管的漏极通过第一连接节点连接，且所述第一连接节点与所述自举电路的电压输出端连接；
所述第二场效应管的源极与所述自举电路的第一电压输入端连接，所述第一场效应管的漏极与所述自举电路的第二电压输入端连接；
所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极通过第二连接节点连接，且所述第二连接节点与所述压差产生模块的第一端连接，所述压差产生模块的第二端与所述第一电压输入端连接；所述电容的一端与所述电压输出端连接，另一端与所述第一电压输入端连接；
所述开关模块的第一端与所述第二电压输入端连接，第二端与所述电压输出端连接，第三端与所述电压检测模块的一端连接；
所述电压检测模块的另一端与所述第二电压输入端连接，且与所述第一场效应管的栅极和所述压差产生模块的连接节点连接；
当所述第一电压输入端的电压值处于上升状态时，若所述电压检测模块检测到所述第二连接节点的电压与所述第二电压输入端的电压差值满足预设电压值，控制所述开关模块处于开启状态，所述第二电压输入端通过所述开关模块对所述电容进行充电；
当所述第一电压输入端的电压值处于下降状态时，若所述第二连接节点的电压小于所述电压输出端的电压，所述第二场效应管处于开启状态，所述电容通过所述第二场效应管进行放电。
2.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述电压检测模块包括：第三至第六场效应管、第一电流源、第二电流源和第三电流源；
其中，所述第三场效应管的栅极和所述第四场效应管的栅极通过第三连接节点连接，且所述第三连接节点与所述第二电流源和所述第五场效应管的连接节点连接；
所述第三场效应管的漏极与所述第四场效应管的源极通过第四连接节点连接，且所述第四连接节点与所述开关模块连接；
所述第三场效应管的源极与所述第一电流源和所述第六场效应管的连接节点连接，所述第四场效应管的漏极与所述第二电压输入端连接；
所述第二电流源的一端与所述第五场效应管的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端连接；
所述第五场效应管的源极与所述压差产生模块的第一端连接，栅极与所述第六场效应管的栅极连接，接入偏置电压端；
所述第一电流源的一端与所述第六场效应管的漏极连接，另一端与所述第二电压输入端连接；
所述第六场效应管的源极通过所述第三电流源接地。
3.根据权利要求2所述的自举电路，其特征在于，所述第一电流源和所述第三电流源相同。
4.根据权利要求2所述的自举电路，其特征在于，所述第三场效应管为N型场效应管，所述第四至第六场效应管均为P型场效应管。
5.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述压差产生模块包括：第一电阻和第七至第九场效应管；
所述第七场效应管的栅极和漏极连接，作为所述压差产生模块的第一端；
所述第七场效应管的源极与所述第八场效应管的漏极连接；
所述第八场效应管的栅极和源极通过第五连接节点连接，且所述第五连接节点与所述第九场效应管的漏极连接；
所述第九场效应管的栅极和漏极连接，源极与所述第一电阻的第一端连接；
所述第一电阻的第二端作为所述压差产生模块的第二端，与所述第一电压输入端连接。
6.根据权利要求5所述的自举电路，其特征在于，所述第七场效应管和所述第九场效应管均为N型场效应管；
所述第八场效应管为P型场效应管。
7.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述开关模块包括第十场效应管和第四电流源；
所述第十场效应管的漏极与所述第二电压输入端连接；
所述第十场效应管的源极与所述电压输出端连接；
所述第十场效应管的栅极与所述电压检测模块连接；
所述第四电流源和所述第十场效应管并联。
8.根据权利要求7所述的自举电路，其特征在于，所述第十场效应管为P型场效应管。
9.根据权利要求1所述的自举电路，其特征在于，所述第一场效应管为N型场效应管；
所述第二场效应管为P型场效应管。
10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1-9任一项所述的自举电路。
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