CN112104208B - 一种浮动电压源电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及集成电路领域，尤其涉及一种浮动电压源电路。通过在电路中设置运算放大器、多个P型高压MOS管以及多级电流镜单元，使浮动电压源的电压值仅由电流镜级数和参考电压决定，而电流镜级数和参考电压值均可以根据实际需要进行设置，因此可以实现对浮动电压源的电压值的精确控制，使其不会受负载电流和低侧功率管导通电阻的影响，从而可以保证转换器的效率。

Description

一种浮动电压源电路

技术领域

本公开涉及集成电路领域，尤其涉及一种浮动电压源电路。

背景技术

为提高能量转换效率，半桥结构转换器的高侧和低侧功率管通常为N 型功率管。浮动电压源作为其高侧N型功率管驱动器的供电电源，影响该转换器的转换效率以及高侧驱动器和功率管的可靠性。传统的浮动电压源供电电压随转换器负载电流和功率管导通阻抗的变化而变化。从可靠性角度考虑，浮动电压源要保证在负载电流最大和低侧功率管导通阻抗最大情况下，其供电电压不超过高侧驱动器和功率管的工作电压。这使得转换器工作在非最大负载电流时，浮动电压源电压过小，从而降低了转换器的效率。

发明内容

为了提高转换器的效率，本公开提供了一种浮动电压源电路，所述电路包括第一P型高压MOS管、第二P型高压MOS管、N级电流镜单元、第三P型高压MOS管和运算放大器，所述N级电流镜单元中的每一级电流镜单元包括一个P型MOS管和一个镜像P型MOS管， N为大于1的正整数；

所述第一P型高压MOS管的背栅极和源极均与浮动电压源电路的供电电源连接，所述第一P型高压MOS管的漏极与所述第二P型高压MOS管的漏极连接，所述第一P型高压MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；

所述第二P型高压MOS管的背栅极和源极均与浮动电压源的正极连接，所述第二P型高压MOS管的栅极与控制信号连接；

在第一级电流镜单元中，P型MOS管的源极和镜像P型MOS管的源极均与所述浮动电压源的正极连接，P型MOS管的漏极与下一级电流镜单元中的P型MOS管的源极连接，镜像P型MOS管的漏极与下一级电流镜单元中的镜像P型MOS管的源极连接；

在第N级电流镜单元中，P型MOS管的漏极与浮动电压源的浮动地连接，镜像P型MOS管的漏极与所述第三P型高压MOS管的源极连接；

所述第三P型高压MOS管的漏极、所述运算放大器的正极与所述浮动电压源的地连接；

所述浮动电压源的正极与所述浮动电压源的浮动地通过第一电容连接。

可选地，所述电路包括附加P型MOS管；

所述第三P型高压MOS管的漏极和所述运算放大器的正极与所述附加P型MOS管的源极连接，且所述第三P型高压MOS管的漏极和所述运算放大器的正极通过第二电容与所述浮动电压源的地连接；

所述附加P型MOS管的栅极和漏极通过第一电阻与所述浮动电压源的地连接。

可选地，在第N级电流镜单元中，P型MOS管的漏极与浮动电压源的浮动地通过第二电阻连接。

可选地，

R₂＝N×R₁，

其中，R₁表示第一电阻的电阻值，R₂表示第二电阻的电阻值

可选地，所述N级电流镜单元中的所有P型MOS管和镜像P型 MOS管与所述附加P型MOS管的尺寸均相同。

可选地，在每一级电流镜单元中，P型MOS管的栅极和漏极与镜像P型MOS管的栅极连接。

可选地，所述第一P型高压MOS管的背栅极和漏极之间连接有第一寄生二极管，所述第二P型高压MOS管的背栅极和漏极之间连接有第二寄生二极管。

本公开实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：

通过在电路中设置运算放大器、多个P型高压MOS管以及多级电流镜单元，使浮动电压源的电压值仅由电流镜级数和参考电压决定，而电流镜级数和参考电压值均可以根据实际需要进行设置，因此可以实现对浮动电压源的电压值的精确控制，使其不会受负载电流和低侧功率管导通电阻的影响，从而可以保证转换器的效率。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是现有技术中一种采用N型功率管的半桥结构转换器电路示意图；

图2是现有技术中一种采用浮动电压源的半桥结构转换器电路示意图；

图3是本公开实施例提供的浮动电压源电路示意图；

图4是本公开实施例提供的浮动电压源电路中第二P型高压MOS管的控制开关的时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

图1示出了现有技术中一种采用N型功率管的半桥结构转换器电路。其中，PWM1和PWM2表示具有一定占空比的数字信号，Q₁和Q₂表示 N型功率管，V_SW表示高侧驱动电路的浮动地(Switching，SW)的电压，V_BST表示浮动电压源的正极电压，V_DDL表示低侧栅驱动器的供电电源电压。当上管Q₁导通、下管Q₂关断时，V_SW接近转换器电路的输入电压 V_IN。当下管Q₂导通、上管Q₁关断时，V_SW接近接地电压GND。浮动电压源电路为高侧栅驱动器的供电电路，浮动电压源电路的电压值 V_Float＝V_BST-V_SW。

图2示出了现有技术中一种采用浮动电压源的半桥结构转换器电路。其中，PWM1和PWM2表示具有一定占空比的数字信号，S₁表示控制信号，D₁表示寄生二极管，Q₁和Q₂表示N型功率管，V_SW表示高侧驱动电路的浮动地SW的电压，V_BST表示浮动电压源的正极电压，V_DDL表示低侧栅驱动器的供电电源电压。当下管Q₂导通、上管Q₁关断时，浮动电压源的开关管M1导通，低侧栅驱动器的供电电源对高侧栅驱动器的供电电容C_BST充电。此时，V_BST＝V_DDL，高侧栅驱动器的供电电压(浮动电压源电路的电压)V_Float＝V_BST-V_SW＝V_DDL-V_SW。由于V_SW的值由负载电流I_L和Q₂的导通电阻R_{ds_on}(Q₂)决定，即V_SW＝-I_L*R_{ds_on}(Q₂)。所以， V_Float＝V_DDL+I_L*R_{ds_on}(Q₂)。这就导致高侧栅驱动器的供电电压V_Float的值并不稳定，容易随负载电流的大小和方向以及下管的导通电阻的值的变化而变化。造成这种问题的原因是，在该电路中，浮动电压源是通过低侧栅驱动器的供电电源(V_DDL)对高侧栅驱动器的浮动电容C_BST充电，得到的浮动电容电压V_BST的值是相对于接地电压GND而不是浮动地电压 V_SW。

为了解决现有技术中存在的因为浮动电压源电压不稳定而导致转换器的工作效率低下的问题，本公开实施例提供了一种高精度的浮动电压源电路。

如图3所示，本公开实施例提供的浮动电压源电路包括：第一P型高压MOS管HPM1、第二P型高压MOS管HPM2、N级电流镜单元、第三P型高压MOS管HPM3和运算放大器U1；其中，N级电流镜单元中的每一级电流镜单元包括一个P型MOS管和一个镜像P型MOS 管，N为大于1的正整数；

第一P型高压MOS管HPM1的背栅极和源极均与浮动电压源电路的供电电源V_IN连接，第一P型高压MOS管HPM1的漏极与第二P 型高压MOS管HPM2的漏极连接，第一P型高压MOS管HPM1的栅极与运算放大器U1的输出端连接；

第二P型高压MOS管HPM2的背栅极和源极均与浮动电压源的正极V_BST连接，第二P型高压MOS管HPM2的栅极与控制信号S₁连接；其中，控制信号S₁为第二P型高压MOS管的栅极端控制信号；

在第一级电流镜单元中，P型MOS管PM1的源极和镜像P型MOS 管PM1_M的源极均与浮动电压源的正极V_BST连接，P型MOS管PM1 的漏极与下一级电流镜单元中的P型MOS管的源极连接，镜像P型 MOS管PM1_M的漏极与下一级电流镜单元中的镜像P型MOS管的源极连接；

在第N级电流镜单元中，P型MOS管PMN的漏极与浮动电压源的浮动地V_SW连接，镜像P型MOS管PMN_M的漏极与第三P型高压MOS管HPM3的源极连接；

第三P型高压MOS管HPM3的漏极、运算放大器U1的正极与浮动电压源的地GND连接；

浮动电压源的正极V_BST与浮动电压源的浮动地V_SW通过第一电容 C_BST连接。

需要说明的是，图3中的箭头方向指示了电流方向。另外，在本实施例中，P型高压MOS管的源极与漏级之间的电压差可以很大(例如可以是50V等)，P型MOS管的源极与漏级之间的电压差则比较小(例如可以是5V等)。

在一种可能的实现方式中，第一P型高压MOS管HPM1的背栅极和漏极之间可以连接有第一寄生二极管，第二P型高压MOS管HPM2的背栅极和漏极之间可以连接有第二寄生二极管。其中，第一寄生二极管和第二寄生二极管均可以为寄生PN结二极管。当电路中出现很大的瞬间反向电流时，可以通过寄生二极管导出电流，防止该瞬间电流击穿MOS管。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，本实施例提供的浮动电压源电路包括附加P型MOS管PMP。在该种实现方式中，第三P型高压MOS管HPM3的漏极和运算放大器U1的正极与附加P型MOS 管PMP的源极连接，第三P型高压MOS管HPM3的漏极和运算放大器U1的正极通过第二电容C₁与浮动电压源的地GND连接，附加P 型MOS管PMP的栅极和漏极通过第一电阻R₁与浮动电压源的地GND 连接。第一电阻R₁上可以有压降ΔU，ΔU＝R₁*I_{1_M}。其中，I_{1_M}表示镜像P型MOS管的镜像电流。第二电容C₁可以用于滤波，以减轻V_SW的快速变化对V_N的影响。第三P型高压MOS管HPM3可以保证附加 P型MOS管PMP的源极电压V_N在浮动地电压V_SW电压接近浮动电压源电路的供电电源电压V_IN时，仍在V_REF附近。其中，V_REF是运算放大器U1的负极输入电压，或者也可以称之为参考电压。

在一种可能的实现方式中，运算放大器U1的电路由N型MOS 管和P型MOS管组成。

在一种可能的实现方式中，N级电流镜单元中的所有P型MOS 管(PM1～PMN)和镜像P型MOS管(PM1_M～PMN_M)与附加P 型MOS管PMP的尺寸均相同。另外，由于附加P型MOS管PMP的尺寸与N级电流镜单元中的P型MOS管(PM1～PMN)的尺寸相同，因此由二极管连接的附加P型MOS管PMP与N级电流镜单元中的P 型MOS管(PM1～PMN)具有相同的栅源电压V_GS。

在一种可能的实现方式中，在每一级电流镜单元中，P型MOS管的栅极和漏极可以与镜像P型MOS管的栅极连接。

在一种可能的实现方式中，在第N级电流镜单元中，P型MOS 管PMN的漏极与浮动电压源的浮动地V_SW通过第二电阻R₂连接。在设置第二电阻R₂的电阻值时，可以设置为R₂＝N×R₁，即第二电阻和第一电阻的比值是电流镜的级数N。

由于第一P型高压MOS管HPM1的栅极与运算放大器U1的输出端连接，因此当第二P型高压MOS管HPM2导通时，运算放大器U1 可以通过控制第一P型高压MOS管HPM1的栅电压来给第一电容C_BST (也可称之为浮动电容)充电。由于每一级电流镜单元中的P型MOS 管和镜像P型MOS管的尺寸均相同，因此I₁＝I_{1_M}。其中，I₁表示流过第一级电流镜单元中的P型MOS管PM1的源漏电流，I_{1_M}表示流过第一级电流镜单元中的镜像P型MOS管PM1_M的镜像电流。另外需要说明的是，各电流镜单元中的源漏电流和镜像电流都是相等的。运算放大器U1负反馈控制V_N＝V_REF，从而可以得到：

其中，R₂＝N×R₁，I₁＝I_{1_M}，因此可得：

由于V_GS(PM1)＝V_GS(PMP)，因此可得：

V_Float＝N×V_REF。

可见，浮动电压源的电压值V_Float仅由电流镜级联系数N和参考电压V_REF决定。由于电流镜级联系数N和参考电压V_REF均可以根据实际需要进行设置，因此，浮动电压源的值V_Float可以实现精确控制。其中的参考电压V_REF可以来自带隙基准源，这样可以大大降低温度对浮动电压源的影响。在实际应用中，可以根据系统对浮动电压源的电压V_Float的要求，合理设置电流镜的级数N和参考电压V_REF的值，从而可以保证设计的灵活性。

在实际应用中，例如当图3所示的浮动电压源电路应用到图1中时，第二P型高压MOS管HPM2的栅极控制信号S₁的时序要求如图4所示，这样可以保证只有下管Q₂导通后，V_IN通过本实施例提供的浮动电压源电路对浮动电容C_BST充电，并在Q₂截止之前关断HPM2，防止上管Q₂导通时该浮动电压源电路出现由于浮动电压源的正极电压 V_BST大于浮动电压源电路的供电电源电压V_IN导致的大电流串通现象。其中，图4中的死区时间表示上管Q₁和下管Q₂同时处于关断状态的时间。

本实施例提供的浮动电源电路，通过在电路中设置运算放大器、多个P型高压MOS管以及多级电流镜单元，使第二电阻R₂和第一电阻R₁的比值为电流镜单元的级数，使浮动电压源的电压值仅由电流镜级数和参考电压决定，而电流镜级数和参考电压值均可以根据实际需要进行设置，因此可以实现对浮动电压源的电压值的精确控制，使其不会受负载电流和低侧功率管导通电阻的影响，从而可以保证转换器的效率。另外，电流镜级数和参考电压值均可以根据实际需要进行设置，也使得本实施例提供的浮动电源电路具有高设计自由度的特点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种浮动电压源电路，其特征在于，所述电路包括第一P型高压MOS管、第二P型高压MOS管、N级电流镜单元、第三P型高压MOS管和运算放大器，所述N级电流镜单元中的每一级电流镜单元包括一个P型MOS管和一个镜像P型MOS管，N为大于1的正整数；

所述第一P型高压MOS管的背栅极和源极均与浮动电压源电路的供电电源连接，所述第一P型高压MOS管的漏极与所述第二P型高压MOS管的漏极连接，所述第一P型高压MOS管的栅极与所述运算放大器的输出端连接；

所述第二P型高压MOS管的背栅极和源极均与浮动电压源的正极连接，所述第二P型高压MOS管的栅极与控制信号连接；

在第一级电流镜单元中，P型MOS管的源极和镜像P型MOS管的源极均与所述浮动电压源的正极连接，P型MOS管的漏极与下一级电流镜单元中的P型MOS管的源极连接，镜像P型MOS管的漏极与下一级电流镜单元中的镜像P型MOS管的源极连接；

在第N级电流镜单元中，P型MOS管的漏极与浮动电压源的浮动地连接，镜像P型MOS管的漏极与所述第三P型高压MOS管的源极连接；

所述第三P型高压MOS管的漏极、所述运算放大器的正极与所述浮动电压源的地连接；

所述浮动电压源的正极与所述浮动电压源的浮动地通过第一电容连接；

所述浮动电压源的计算如下式所示：

V_Float＝V_BST-V_SW＝N*V_REF；其中，V_REF为参考电压；

所述电路包括附加P型MOS管；

所述第三P型高压MOS管的漏极和所述运算放大器的正极与所述附加P型MOS管的源极连接，且所述第三P型高压MOS管的漏极和所述运算放大器的正极通过第二电容与所述浮动电压源的地连接；

所述附加P型MOS管的栅极和漏极通过第一电阻与所述浮动电压源的地连接。

2.根据权利要求1所述的浮动电压源电路，其特征在于，在第N级电流镜单元中，P型MOS管的漏极与浮动电压源的浮动地通过第二电阻连接。

3.根据权利要求2所述的浮动电压源电路，其特征在于，

R₂＝N×R₁，

其中，R₁表示第一电阻的电阻值，R₂表示第二电阻的电阻值。

4.根据权利要求1所述的浮动电压源电路，其特征在于，所述N级电流镜单元中的所有P型MOS管和镜像P型MOS管与所述附加P型MOS管的尺寸均相同。

5.根据权利要求1-4任一所述的浮动电压源电路，其特征在于，在每一级电流镜单元中，P型MOS管的栅极和漏极与镜像P型MOS管的栅极连接。

6.根据权利要求1-4任一所述的浮动电压源电路，其特征在于，所述第一P型高压MOS管的背栅极和漏极之间连接有第一寄生二极管，所述第二P型高压MOS管的背栅极和漏极之间连接有第二寄生二极管。

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