CN112152451A - 一种内置自举电容dcdc变换电路 - Google Patents

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Abstract

一种内置自举电容DCDC变换电路，能够省去一个输出Pin脚BST，同时节省一个片外电容，还能够保持DCDC变换器正常工作，从而既降低了工艺成本又提高了应用的便利性，包括片内电路，其特征在于，所述片内电路包括内置自举电容Cbs，所述内置自举电容Cbs的一端连接高边驱动电路HS的高位端形成内部电压自举端BST，所述内置自举电容Cbs的另一端连接所述高边驱动电路HS的低位端，所述高边驱动电路HS的低位端连接开关节点SW，所述开关节点SW通过外接电感L连接输出电压端Vout，所述内置自举电容Cbs由低压差线性稳压器LDO提供充电电源。

Description

一种内置自举电容DCDC变换电路
技术领域
本发明涉及DCDC变换器技术，特别是一种内置自举电容DCDC变换电路，通过在片内电路内部设置自举电容，能够省去一个输出Pin脚BST，同时节省一个片外电容，还能够保持DCDC变换器正常工作，从而既降低了工艺成本又提高了应用的便利性。
背景技术
DCDC变换器是将一个直流输入电压变换成另一个不同直流电压值后进行输出的电路。DCDC就是直流至直流(DC-DC，Direct Current to Direct Current)。现有的DCDC变换器会引出Pin脚BST(自举电压端)，在BST与Pin脚SW(开关节点)间连接一个较大的片外自举电容CBS。参考图1，图1是现有技术中的自举电容DCDC变换器电路结构示意图，图1中虚框内电路为片内电路in-chip-curcuit。如图1所示，在片内电路in-chip-curcuit中，上端NMOS功率管MN_HS的漏极连接供电电压端Vin，MN_HS的源极连接下端NMOS功率管MN_LS的漏极，MN_LS的源极连接接地端GND，MN_HS的源极与MN_LS的漏极之间形成开关节点SW，SW通过外接电感L连接输出电压端Vout，Vout通过负载电容Cload连接接地端GND，Vout通过负载电阻Rload连接接地端GND，MN_HS的栅极连接高边驱动电路HS的输出端，MN_LS的栅极连接低边驱动电路LS的输出端，HS的控制信号输入端接入高边驱动输入信号clk2，LS的控制信号输入端接入低边驱动输入信号clk1，clk1与clk2互为异步信号，HS的高位端连接电压自举端BST，BST通过CBS连接SW，HS的高位端连接二极管的负极，所述二极管的正极连接低压差线性稳压器LDO输出端Vcp，HS的低位端连接SW，LS的高位端连接Vcp，LS的低位端连接接地端GND，LDO连接Vin。当下端功率管MN_LS打开时，SW电位为零，BST_BIAS电路(电压自举偏置电路)对片外自举电容CBS进行充电至5V，此时BST的电位为5V。当上端功率管MN_HS打开时，SW的电位变为Vin，BST的电位为Vin+5V。上端功率管MN_HS和下端功率管MN_LS由异步信号clk2和clk1来控制开关。与此同时，由于变换器中存在着检测电路需要消耗电流，使得在长时间未刷新补电的情况下，BST的电位会往下掉，以致变换器无法实现100％占空比工作。本发明人发现，片外自举电容CBS和输出Pin脚BST的存在增加了DCDC变换器的应用成本和工艺成本。本发明人认为，如果在片内电路内部设置自举电容，能够省去一个输出Pin脚BST，同时节省一个片外电容，还能够保持DCDC变换器正常工作，从而既降低了工艺成本又提高了应用的便利性。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种内置自举电容DCDC变换电路，通过在片内电路内部设置自举电容，能够省去一个输出Pin脚BST，同时节省一个片外电容，还能够保持DCDC变换器正常工作，从而既降低了工艺成本又提高了应用的便利性。
本发明技术方案如下：
一种内置自举电容DCDC变换电路，包括片内电路，其特征在于，所述片内电路包括内置自举电容Cbs，所述内置自举电容Cbs的一端连接高边驱动电路HS的高位端形成内部电压自举端BST，所述内置自举电容Cbs的另一端连接所述高边驱动电路HS的低位端，所述高边驱动电路HS的低位端连接开关节点SW，所述开关节点SW通过外接电感L连接输出电压端Vout，所述内置自举电容Cbs由低压差线性稳压器LDO提供充电电源。
所述高边驱动电路HS的输出端连接上端NMOS功率管的栅极，所述上端NMOS功率管的漏极连接供电电压端Vin，所述上端NMOS功率管的源极通过所述开关节点SW连接下端NMOS功率管的漏极，所述下端NMOS功率管的栅极连接低边驱动电路LS的输出端，所述下端NMOS功率管的源极和所述低边驱动电路LS的低位端均连接接地端，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述高边驱动电路HS的控制信号输入端接入高边驱动输入信号，所述低边驱动电路LS的控制信号输入端接入低边驱动输入信号，所述高边驱动输入信号与所述低边驱动输入信号互为异步信号。
所述内部电压自举端BST分别连接第二开关的开端和第一开关的开端，所述第一开关的闭端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述第二开关的闭端通过电荷泵连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端。
所述第一开关的控制端连接所述低边驱动输入信号，所述第二开关的控制端连接所述高边驱动输入信号。
所述电荷泵连接供电电压端Vin。
所述低压差线性稳压器LDO连接供电电压端Vin。
所述内置自举电容Cbs的电容值小于所述上端NMOS功率管栅源之间的寄生电容Cgs的电容值，且大于Cgs的二分之一电容值。
所述输出电压端Vout通过负载电阻连接接地端。
所述输出电压端Vout通过负载电容连接接地端。
所述电荷泵既用于对所述内置自举电容Cbs充电和对所述上端NMOS功率管栅源之间的寄生电容Cgs充电，又用于补偿BST检测电路产生的漏电，对所述漏电的补偿，使得BST电压即使功率管没有开关动作时依然不会有降低，从而使得DCDC变换器实现100％占空比工作。
本发明技术效果如下：本发明一种内置自举电容DCDC变换电路，通过在片内电路内部设置自举电容Cbs替换现有的片外自举电容CBS，明确了无片外自举电容的DCDC变换器实现方式，又由于片外自举电容CBS较大，而内置自举电容Cbs较小，实际上Cbs＜＜CBS，例如Cbs是CBS的千分之一左右，这就使得电路实现颇为简单。本发明的特点是：1.可实现节省一个Pin脚和一个片外大电容，有效降低成本。2.在保证BST电位长时间稳定的条件下，可实现100％占空比。3.电路实现十分简单。
附图说明
图1是现有技术中的自举电容DCDC变换器电路结构示意图。图1中虚框内电路为片内电路，自举电容CBS在片内电路之外，即CBS为片外自举电容，CBS一端连接电压自举端BST(或称为pin脚BST)，另一端通过电感L连接输出电压端Vout，或者说另一端连接开关节点SW(或称为pin脚SW)。这个CBS是一个电容值较大的电容。
图2是实施本发明一种内置自举电容DCDC变换电路的结构示意图。图2中虚框内电路为片内电路，片内电路外不需要自举电容，也不需要电压自举端管脚。片外自举电容CBS的功能已经被片内电路内设置的内置自举电容Cbs所取代。这个Cbs是一个电容值较小的电容，Cbs＜＜CBS，例如Cbs是CBS的千分之一左右。
图3是图2中片内电路的简化结构示意图。
图4是图2中片内电路的工作示意图。图4中纵坐标为电压，横坐标为时间(time)。
附图标记列示如下：Vin-供电电压或供电电压端；Vout-输出电压或输出电压端；Rload-负载电阻；Cload-负载电容；L-电感；GND-接地端；CBS-片外自举电容；SW-开关节点；BST-电压自举端；MN_HS-上端NMOS功率管；MN_LS-下端NMOS功率管；HS-高边驱动电路；LS-低边驱动电路；clk1-低边驱动输入信号(clk1与clk2互为异步信号)；clk2-高边驱动输入信号(clk1与clk2互为异步信号)；LDO-低压差线性稳压器；D1-二极管；Vcp-直流电压或直流稳压输出端；Cbs-内置自举电容；Cgs-栅源寄生电容；S1-第一开关；S2-第二开关；Chargepump-电荷泵；in-chip-curcuit-片内电路；CP charging-电荷泵充电；Vhigh-高电平；Vlow-低电平；time-时间；X-电压自举端BST的电压为“Vin+2V”的点；Y-开关节点SW电位由零上升到Vin的点(这时X、Y两点的压差VXY＝2V，随后电荷泵充电至BST电位保持Vin+5V稳定)。
具体实施方式
下面结合附图(图2-图4)对本发明进行说明。
图2是实施本发明一种内置自举电容DCDC变换电路的结构示意图。图3是图2中片内电路的简化结构示意图图4是图2中片内电路的工作示意图。参考图1至图4，一种内置自举电容DCDC变换电路，包括片内电路in-chip-curcuit，所述片内电路in-chip-curcuit包括内置自举电容Cbs，所述内置自举电容Cbs的一端连接高边驱动电路HS的高位端形成内部电压自举端BST，所述内置自举电容Cbs的另一端连接所述高边驱动电路HS的低位端，所述高边驱动电路HS的低位端连接开关节点SW，所述开关节点SW通过外接电感L连接输出电压端Vout，所述内置自举电容Cbs由低压差线性稳压器LDO提供充电电源。所述高边驱动电路HS的输出端连接上端NMOS功率管MN_HS的栅极，所述上端NMOS功率管MN_HS的漏极连接供电电压端Vin，所述上端NMOS功率管MN_HS的源极通过所述开关节点SW连接下端NMOS功率管MN_LS的漏极，所述下端NMOS功率管MN_LS的栅极连接低边驱动电路LS的输出端，所述下端NMOS功率管MN_LS的源极和所述低边驱动电路LS的低位端均连接接地端GND，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端(即直流稳压输出端Vcp)，所述高边驱动电路HS的控制信号输入端接入高边驱动输入信号clk2，所述低边驱动电路LS的控制信号输入端接入低边驱动输入信号clk1，所述高边驱动输入信号clk2与所述低边驱动输入信号clk1互为异步信号。所述内部电压自举端BST分别连接第二开关S2的开端和第一开关S1的开端，所述第一开关S1的闭端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端(Vcp＝5V)，所述第二开关S2的闭端通过电荷泵Charge pump连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端。
所述第一开关S1的控制端连接所述低边驱动输入信号clk1，所述第二开关S2的控制端连接所述高边驱动输入信号clk2。所述电荷泵Charge pump连接供电电压端Vin。所述低压差线性稳压器LDO连接供电电压端Vin。所述内置自举电容Cbs的电容值小于所述上端NMOS功率管MN_HS栅源之间的寄生电容Cgs的电容值，且大于Cgs的二分之一电容值。所述输出电压端Vout通过负载电阻Rload连接接地端GND。所述输出电压端Vout通过负载电容Cload连接接地端GND。所述电荷泵Charge pump既用于对所述内置自举电容Cbs充电和对所述上端NMOS功率管栅源之间的寄生电容Cgs充电，又用于补偿BST检测电路产生的漏电，对所述漏电的补偿，使得BST电压即使功率管没有开关动作时依然不会有降低，从而使得DCDC变换器实现100％占空比工作。
在图2中，电源上电后，LDO为片内电路in-chip-curcuit提供大小为5V的稳定的直流电压Vcp。下端NMOS功率管MN_LS导通时，SW电位为零、BST电位为5V，Cbs为片内自举电容，容值很小，Cbs两端的电压为5V；上端NMOS功率管MN_HS导通时，Cbs上存储的电荷可打开上端NMOS功率管MN_HS，SW电位由零上升到Vin，同时电荷泵Charge pump电路对BST进行充电，使得BST电位跟随着抬升，最终稳定在Vin+5V，内置自举电容Cbs两端的电压保持为5V。
当clk1为高电平、clk2为低电平，第一开关S1闭合、第二开关S2断开，此时LS电路驱动下端NMOS功率管MN_LS导通、HS电路驱动上端NMOS功率管MN_HS截止，SW电位为零，电容Cbs两端的电压为5V，即BST电位为5V。当clk2为高电平、clk1为低电平，第二开关S2闭合、第一开关S1断开，此时HS电路驱动上端NMOS功率管MN_HS导通、LS电路驱动下端NMOS功率管MN_LS截止，SW电位由零上升到Vin，BST电位由5V逐渐上升到Vin+5V。
在图3中，LS电路驱动下端NMOS功率管MN_LS导通时，内置自举电容Cbs两端的电压为5V；在HS电路驱动上端NMOS功率管MN_HS导通的过程中，上端NMOS功率管MN_HS的栅-源寄生电容Cgs与Cbs并联，会首先对5V电压进行分压，然后通过电荷泵Charge pump电路对两个电容进行充电。当Cgs两端电压大于上端NMOS功率管MN_HS的导通阈值VTh时，上端NMOS功率管MN_HS导通，使得SW电位由零逐渐上升。为了使上端NMOS功率管MN_HS导通得更快，我们需要保证BST与SW之间的最小压差必须大于等于MN_HS的阈值电压VTh(VTh假设为2V)。通过保证Cbs＝2/3Cgs，可以使得图4中X、Y两点的压差VXY＝2V。当BST电压到达X点之后，BST电压等于Vin+2V，然后利用电荷泵Charge pump继续对Cbs充电(即电荷泵充电CP charging)，最终BST电位保持Vin+5V稳定。
另外当功率管长期没有开关动作时，由于BST检测电路等电路会消耗电流，使得BST电压逐渐降低，这时需要BST刷新电路以保持BST上有足够的电压，但是刷新电路需要对功率管进行开关，因此DC/DC变换器无法满足100％占空比工作。而本电路由于电荷泵Charge pump的存在，可补偿BST检测电路产生的电流消耗，使得BST电压在即使功率管没有开关动作时依然不会有降低，使变换器实现100％占空比工作。本电路最大特点是将DC/DC变换器的自举电容内置，并可实现100％占空比工作。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，例如，采用其他振荡器调节电路实现方式等，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种内置自举电容DCDC变换电路，包括片内电路，其特征在于，所述片内电路包括内置自举电容Cbs，所述内置自举电容Cbs的一端连接高边驱动电路HS的高位端形成内部电压自举端BST，所述内置自举电容Cbs的另一端连接所述高边驱动电路HS的低位端，所述高边驱动电路HS的低位端连接开关节点SW，所述开关节点SW通过外接电感L连接输出电压端Vout，所述内置自举电容Cbs由低压差线性稳压器LDO提供充电电源。
2.根据权利要求1所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述高边驱动电路HS的输出端连接上端NMOS功率管的栅极，所述上端NMOS功率管的漏极连接供电电压端Vin，所述上端NMOS功率管的源极通过所述开关节点SW连接下端NMOS功率管的漏极，所述下端NMOS功率管的栅极连接低边驱动电路LS的输出端，所述下端NMOS功率管的源极和所述低边驱动电路LS的低位端均连接接地端，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述高边驱动电路HS的控制信号输入端接入高边驱动输入信号，所述低边驱动电路LS的控制信号输入端接入低边驱动输入信号，所述高边驱动输入信号与所述低边驱动输入信号互为异步信号。
3.根据权利要求1所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述内部电压自举端BST分别连接第二开关的开端和第一开关的开端，所述第一开关的闭端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述第二开关的闭端通过电荷泵连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端，所述低边驱动电路LS的高位端连接所述低压差线性稳压器LDO的输出端。
4.根据权利要求3所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述第一开关的控制端连接所述低边驱动输入信号，所述第二开关的控制端连接所述高边驱动输入信号。
5.根据权利要求3所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述电荷泵连接供电电压端Vin。
6.根据权利要求1所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器LDO连接供电电压端Vin。
7.根据权利要求2所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述内置自举电容Cbs的电容值小于所述上端NMOS功率管栅源之间的寄生电容Cgs的电容值，且大于Cgs的二分之一电容值。
8.根据权利要求1所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述输出电压端Vout通过负载电阻连接接地端。
9.根据权利要求1所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述输出电压端Vout通过负载电容连接接地端。
10.根据权利要求3所述的内置自举电容DCDC变换电路，其特征在于，所述电荷泵既用于对所述内置自举电容Cbs充电和对所述上端NMOS功率管栅源之间的寄生电容Cgs充电，又用于补偿BST检测电路产生的漏电，对所述漏电的补偿，使得BST电压即使功率管没有开关动作时依然不会有降低，从而使得DCDC变换器实现100％占空比工作。
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