CN111756245A - 一种输入电压低、驱动能力强的boost升压电路 - Google Patents

一种输入电压低、驱动能力强的boost升压电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路，涉及电源芯片技术领域，芯片内部设置有稳压电路和驱动电路，输出电压HVDD接入所述稳压电路，所述稳压电路连接所述驱动电路，所述驱动电路连接开关管的栅极，所述开关管的漏极与输出电压HVDD之间正向连接有二极管，所述开关管的源极接地，输入电压VDD通过电感连接所述开关管的漏极。本发明在输入电压较低的情况下，仍能够保证BOOST升压电路稳定工作后，开关管的栅极驱动电压足够5V，保证其有效的导通能力。

Description

一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路
技术领域
本发明涉及电源芯片技术领域，尤其是一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路。
背景技术
BOOST升压电路是一种常见开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。由于工作环境等原因限制，部分BOOST升压电路的输入电压较低(例如低于3V)，而BOOST升压电路中的开关管栅极耐压较高(例如5V)。若利用较低的输入电压来驱动开关管栅极，则开关管导通时，其栅极电压为较低的输入电压，此时开关管的导通阻抗要比其栅极电压为5V时的导通阻抗大很多。为达到设计所需的驱动能力，只有相对增加开关管面积，然而这会带来成本的增加，除此之外，也会因栅极电容充放电电流过大而引起效率偏低等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种低成本、高效率的电池充放电电路，实现电池充电的同时，为负载提供大电流，提高了USB给负载供电时的输出效率。
一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路，输入电压VDD，输出电压HVDD，芯片内部设置有稳压电路和驱动电路，输出电压HVDD接入所述稳压电路，所述稳压电路连接所述驱动电路，所述驱动电路连接开关管的栅极，所述开关管的漏极与所述输出电压HVDD之间正向连接有二极管，所述开关管的源极接地，所述输入电压VDD通过电感连接所述开关管的漏极。
进一步的，所述稳压电路由调节支路和输出支路构成，所述调节支路主要包括第一NMOS管、连接于所述第一NMOS管源极的反馈调节电路，所述输出支路主要包括第二NMOS管，所述稳压电路输出LDO_OUT取自所述第二NMOS管的源极；所述第一NMOS管的栅极连接所述第二NMOS管的栅极，输出电压HVDD经偏置电流源连接所述第一NMOS管的漏极和栅极；所述反馈调节电路主要包括低压放大器和电压抬升电路，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和反馈信号，其输出经过所述电压抬升电路连接所述第一NMOS管的源极。
更进一步的，所述反馈信号取自所述输出支路，所述第二NMOS管的源极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压。
或者，所述反馈信号取自所述调节支路，所述第一NMOS管的源极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管的源极经接地电阻接地。
又或者，所述第一NMOS管的栅极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管的源极经接地电阻接地。
进一步的，输出电压HVDD与所述稳压电路输出LDO_OUT之间连接有限压PMOS管，输出电压HVDD连接所述限压PMOS管的漏极，所述限压PMOS管的源极连接所述稳压电路输出LDO_OUT，其栅极接入控制信号SCT。
进一步的，所述电路抬升电路由多个依次栅漏连接的PMOS管构成，所述低压放大器输出连接第一个PMOS管栅极，最后一个PMOS管源极连接所述第一NMOS管源极。
进一步的，所述电路抬升电路由PMOS管和稳压二极管构成，所述低压放大器输出连接所述PMOS管栅极，所述PMOS管源极经所述稳压二极管连接所述第一NMOS管源极。
本发明的有益效果：1、在输入电压较低的情况下，仍能够保证BOOST升压电路稳定工作后，开关管的栅极驱动电压足够5V，保证其有效的导通能力；2、稳压电路无需耐高压电容去补偿；工艺上不需要增加器件种类，增加MOS管数量即可实现；易于集成，既不需要耐高压的补偿电容，LDO输出也不受高压管匹配度的影响。
附图说明
图1为BOOST升压电路示意图；
图2为实施例1中的稳压电路原理图；
图3为实施例2中的稳压电路原理图；
图4为实施例3中的稳压电路原理图；
图5为一种电压抬升电路原理图；
图6为另一种电压抬升电路原理图；
图7为含启动保证电路的实施例1稳压电路原理图；
图8为含启动保证电路的实施例2稳压电路原理图；
图9为含启动保证电路的实施例3稳压电路原理图。
具体实施方式
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。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路，输入电压VDD，输出电压HVDD，芯片内部设置有稳压电路和驱动电路，输出电压HVDD接入所述稳压电路，所述稳压电路连接所述驱动电路，所述驱动电路连接开关管的栅极，所述开关管的漏极与输出电压HVDD之间正向连接有二极管，所述开关管的源极接地，输入电压VDD通过电感连接所述开关管的漏极，如图1所示。
从图1可以看出，在BOOST刚启动时，输出电压HVDD比输入电压VDD低一个二极管压降(约0.3V)，然后利用输出电压HVDD作为芯片内部稳压电路的输入电压，设计输出为5V的稳压电路，用此5V电压作为BOOST开关管的驱动电压，有效提升了开关管的导通能力。参照图1，除驱动级外，芯片的其它电路全由输入电压VDD供电；驱动级的稳压电路由BOOST的高压输出电压HVDD供电，开关管的驱动电路由稳压电路输出的5V电压供电，从而使得在BOOST升压电路稳定工作后，开关管的栅极驱动电压足够5V，保证其有效的导通能力。
常规放大器用于设计LDO时，需要用耐高压电容进行相位补偿。然而，高耐压电容在集成IC中是不易实现的，即使工艺支持耐高压补偿电容，高压管很差的匹配度也会导致LDO的面积增大或者性能变差。针对这一问题，本实施例还给出了便于集成的稳压电路结构。
所述稳压电路由调节支路和输出支路构成，所述调节支路主要包括第一NMOS管NM1、连接于所述第一NMOS管源极的反馈调节电路，所述输出支路主要包括第二NMOS管NM2，所述稳压电路输出取自所述第二NMOS管的源极。
所述第一NMOS管的栅极连接所述第二NMOS管的栅极，输出电压HVDD经偏置电流源I1连接所述第一NMOS管的漏极和栅极；所述反馈调节电路主要包括低压放大器和电压抬升电路，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和反馈信号，其输出经过所述电压抬升电路连接所述第一NMOS管的源极。
在本实施例中，所述反馈信号取自所述输出支路，如图2所示，所述第二NMOS管的源极依次经第一调整电阻R1和第二调整电阻R2接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压。
低压放大器正常工作，其正负输入端电压近似相等，即VREF和A点电压近似相等。通过第一调整电阻R1和第二调整电阻R2的比例，使得输出LDO_OUT高于VDD且带有驱动能力。通过调整电压抬升电路的抬升电压，保证低压放大器的正常工作。由于工艺角偏差和器件参数的温度偏差，电压抬升电路的抬升电压偏差较大，但是结合低压放大器，电压抬升电路可容忍的抬升电压最大偏差范围为0V-VDD。本实施例，输出LDO_OUT在反馈环路内，从而输出电压值较为精准。
偏置电流I1用于为第一NMOS管NM1提供直流工作点。芯片内部有两个电压域，即低压VDD和高压HVDD。低压放大器输入电压为VDD，即工作在低压域，其输出范围为0V-VDD；第一、第二NMOS管工作在高压域。偏置电流I1可以使用普通电阻代替，优选采用PMOS构成的恒流源。
反馈调节电路中的电压抬升电路可以有多种实现方式，例如多个依次栅漏连接的PMOS管构成，如图5所示，所述低压放大器输出连接第一个PMOS管栅极，最后一个PMOS管源极连接所述第一NMOS管源极，PMOS管的具体数量根据实际需要设置，图5中为3个；还可以由PMOS管和稳压二极管构成，如图6所示，所述低压放大器输出连接所述PMOS管栅极，所述PMOS管源极经所述稳压二极管连接所述第一NMOS管源极。
实施例2
区别于实施例1，所述反馈信号取自所述调节支路，所述第一NMOS管NM1的源极依次经第一调整电阻R1和第二调整电阻R2接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管NM2的源极经接地电阻R3接地，如图3所示。
本实施例适用于输出LDO_OUT要求不太精确的应用中，LDO_OUT不在环路内，更容易保证电路的稳定性，但是LDO_OUT电压会随着负载电流和环境温度的变化而有微小的变化。
实施例3
区别于实施例1，所述反馈信号取自所述调节支路，所述第一NMOS管NM1的栅极依次经第一调整电阻R1和第二调整电阻R2接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管NM2的源极经接地电阻R3接地，如图4所示。
本实施例同样适用于输出LDO_OUT要求不太精确的应用中，LDO_OUT不在环路内，更容易保证电路的稳定性，但是LDO_OUT电压会随着负载电流和环境温度的变化而有微小的变化。
实施例4
在BOOST刚启动时，若输入电压VDD很低(低于2V)时，则输出电压HVDD也很低，若稳压电路中HVDD到LDO_OUT的压降偏大，可能会存在芯片无法启动的问题。
为确保输入电压VDD很低时，芯片仍然可以正常启动，需要适时减小稳压电路中HVDD到LDO_OUT的压降。
为此，本实施例在实施例1的基础上，在输出电压HVDD与所述稳压电路输出LDO_OUT之间连接有限压PMOS管PM1，输出电压HVDD连接所述限压PMOS管PM1的漏极，所述限压PMOS管PM1的源极连接所述稳压电路输出LDO_OUT，其栅极接入控制信号SCT，如图7所示。
芯片内部电路对输出电压HVDD进行检测，其电压值较低时，控制信号SCT输出低电平，打开限压PMOS管PM1，此时LDO_OUT输出等于HVDD电压，以确保BOOST开关管可以正常开启。当输出电压HVDD升高到既定电压值后，控制信号信号SCT输出高电平，关断高压PMOS管PM1，交由环路决定稳压电路输出LDO_OUT。
当然限压PMOS管PM1也可以同样的方式施加与实施例2与实施例3公开的稳压电路，分别如图8、图9所示，此处不再赘述。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种输入电压低、驱动能力强的BOOST升压电路，输入电压VDD，输出电压HVDD，其特征在于，芯片内部设置有稳压电路和驱动电路，输出电压HVDD接入所述稳压电路，所述稳压电路连接所述驱动电路，所述驱动电路连接开关管的栅极，所述开关管的漏极与输出电压HVDD之间正向连接有二极管，所述开关管的源极接地，输入电压VDD通过电感连接所述开关管的漏极。
2.根据权利要求1所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述稳压电路由调节支路和输出支路构成，所述调节支路主要包括第一NMOS管、连接于所述第一NMOS管源极的反馈调节电路，所述输出支路主要包括第二NMOS管，所述稳压电路输出LDO_OUT取自所述第二NMOS管的源极；
所述第一NMOS管的栅极连接所述第二NMOS管的栅极，输出电压HVDD经偏置电流源连接所述第一NMOS管的漏极和栅极；所述反馈调节电路主要包括低压放大器和电压抬升电路，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和反馈信号，其输出经过所述电压抬升电路连接所述第一NMOS管的源极。
3.根据权利要求2所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述反馈信号取自所述输出支路，所述第二NMOS管的源极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压。
4.根据权利要求2所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述反馈信号取自所述调节支路，所述第一NMOS管的源极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管的源极经接地电阻接地。
5.根据权利要求2所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述反馈信号取自所述调节支路，所述第一NMOS管的栅极依次经第一调整电阻和第二调整电阻接地，所述低压放大器正负输入端分别接入基准参考电压VREF和第二调整电阻电压；所述第二NMOS管的源极经接地电阻接地。
6.根据权利要求3-5任意一项所述的BOOST升压电路，其特征在于，输出电压HVDD与所述稳压电路输出LDO_OUT之间连接有限压PMOS管，输出电压HVDD连接所述限压PMOS管的漏极，所述限压PMOS管的源极连接所述稳压电路输出LDO_OUT，其栅极接入控制信号SCT。
7.根据权利要求6所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述电路抬升电路由多个依次栅漏连接的PMOS管构成，所述低压放大器输出连接第一个PMOS管栅极，最后一个P MOS管源极连接所述第一NMOS管源极。
8.根据权利要求6所述的BOOST升压电路，其特征在于，所述电路抬升电路由PMOS管和稳压二极管构成，所述低压放大器输出连接所述PMOS管栅极，所述PMOS管源极经所述稳压二极管连接所述第一NMOS管源极。
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