CN112398470B - 一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路 - Google Patents
一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路,其中浮动地产生模块用于产生一个具有驱动能力的浮动地信号,浮动地信号与驱动电路的电源电压之间的电压差根据使能信号的电源轨确定;自偏置模块利用第一电阻、第一NMOS管和第一PMOS管产生浮动地产生模块的电流偏置,无需额外偏置电流电路;电平位移模块用于将使能信号的电源轨进行抬升,实现低压控制高压,能够兼容低压与中高压应用;逻辑模块用于将使能信号被电平位移模块抬升电源轨后的信号进行逻辑处理获得功率路径管理驱动电路的输出信号,使得使能信号有效时将功率管断开,由外部供电电压为负载供电,同时充电器为电池充电;使能信号无效时将功率管导通,由电池为负载供电。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计/微电子设计/电子电路技术领域,涉及一种功率路径管理(PowerPath)的驱动电路,功率路径管理(PowerPath)集成在充电器(charger)内,且不需要外部结构提供偏置电流。
背景技术
充电器(charger)往往集成了功率路径管理(PowerPath)用以适应各种情况下的正常充电,如图1所示是集成了PowerPath通路的charger,其中VBUS为外部供电电压,EN为使能信号。使能信号EN控制电荷泵(charge pump)、DC-DC转换器和功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive),电荷泵(charge pump)的输出控制开关管NM3和NM4,开关管NM3和NM4接在外部供电电压VBUS和负载端口VSYS之间;功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)用于控制功率管PM0,功率管PM0接在电池和负载端口VSYS之间。
当使能信号EN为高电平时,电荷泵(charge pump)使能,控制开关管NM3与NM4都处于导通的状态,外部供电电压VBUS可以直接供电到负载端口VSYS。并且使能信号EN为高时,DC-DC 转换器也处于使能情况,DC-DC 转换器向电池VBAT充电。而使能信号EN为高时,功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)被关闭,将功率管PM0直接关闭。
当使能信号EN为低电平0时,电荷泵(charge pump)和DC-DC 转换器不被使能,都处于不工作的状态,而功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)被使能,处于工作的状态,将功率管PM0打开,此时电池VBAT可以通过功率管PM0对负载端口VSYS供电。
功率管PM0的驱动控制由功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)根据使能信号EN实现,如何产生具有驱动能力且能兼容低压与中高压应用的功率管栅极驱动信号BAT_DRV是本领域技术人员的研究重点;另外传统驱动电路需要外接电流偏置,因此需要额外的偏置电流电路,增加了电路面积和功耗。
发明内容
针对上述对功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)的设计要求,以及需要外部偏置带来的面积和功耗的问题,本发明提出一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路,通过对驱动电路的电源和浮动地信号的钳位,配合电平转换器的使用,实现了低压控制高压,能够兼容低压与中高压应用;通过内部负反馈环路的引入加强了浮动地信号的驱动能力;还提出了一种利用电阻实现自偏置的结构为浮动地产生模块提供电流偏置,无需额外偏置电流电路。
本发明的技术方案为:
一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路,所述充电器还包括电池、以及接在所述电池和负载之间的功率管;使能信号有效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号将所述功率管断开,使得负载由外部供电电压进行供电,同时所述充电器对所述电池充电;使能信号无效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号将所述功率管导通,使得负载由所述电池进行供电;
所述功率路径管理驱动电路包括浮动地产生模块、自偏置模块、电平位移模块和逻辑模块,所述功率路径管理驱动电路以所述充电器的负载端电压作为电源电压;
所述浮动地产生模块用于产生一个具有驱动能力的浮动地信号,且所述浮动地信号与所述电源电压之间的电压差等于所述使能信号的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差;
所述自偏置模块包括第一电阻、第一NMOS管和第一PMOS管,第一电阻的一端连接所述电源电压,另一端连接第一NMOS管的栅极和漏极;第一PMOS管的源极连接第一NMOS管的源极,其栅极和漏极连接所述浮动地信号;第一NMOS管用于组成电流镜并将第一电阻、第一NMOS管和第一PMOS管支路的电流镜像到所述浮动地产生模块中用以提供电流偏置;
所述电平位移模块用于将所述使能信号的电源轨进行抬升,抬升后的电源轨中相对地信号是所述浮动地信号,相对电源信号是所述电源电压;
所述逻辑模块用于将所述使能信号被所述电平位移模块抬升电源轨后的信号进行逻辑处理获得所述功率路径管理驱动电路的输出信号。
具体的,所述浮动地产生模块包括钳位单元、放大器、第二NMOS管和第二电阻,所述钳位单元的输入端连接所述电源电压,其输出端产生所述电源电压减去钳位值后的电压信号,所述钳位值为所述使能信号的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差;
所述放大器的正向输入端连接所述钳位单元的输出端并通过第二电阻后接地,其负向输入端和其输出端互连并输出所述浮动地信号,所述放大器由所述自偏置模块提供电流偏置。
具体的,所述钳位单元包括齐纳二极管,齐纳二极管的阴极连接所述钳位单元的输入端,其阳极连接所述钳位单元的输出端,所述钳位值为齐纳二极管的击穿电压。
具体的,所述功率管为PMOS功率管,PMOS功率管的源极连接负载,其漏极连接所述电池,其栅极连接所述功率路径管理驱动电路的输出信号;在所述使能信号有效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号为高电平;在使能信号无效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号为低电平。
本发明的有益效果为:本发明利用第一电阻R1、第一NMOS管NM1和第一PMOS管PM1组成自偏置结构为浮动地产生模块提供电流偏置,无需额外偏置电流电路,减少了电路面积和功耗;且通过内部负反馈环路产生浮动地信号F_GND,加强了浮动地信号F_GND的驱动能力,配合电平位移模块将使能信号EN的电源轨进行抬升,实现了低压控制高压,能够兼容低压与中高压应用。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述,这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见,不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1是充电器中集成功率路径管理驱动电路的具体结构示意图。
图2是本发明提出的一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路的具体实现电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然,所描述的实施例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它实施例,都属于本发明保护的范围。
为了配合充电器中对功率管PM0的控制,本发明设计了一种自偏置的功率路径管理驱动电路,在使能信号EN有效时,功率路径管理驱动电路产生的输出信号BAT_DRV用于将功率管断开,使得负载由外部供电电压VBUS进行供电,同时充电器对电池充电;在使能信号EN无效时,功率路径管理驱动电路产生的输出信号BAT_DRV将功率管导通,使得负载由电池进行供电。
本发明提出的功率路径管理驱动电路包括浮动地产生模块、自偏置模块、电平位移模块和逻辑模块,以充电器的负载端VSYS电压作为功率路径管理驱动电路的电源。
浮动地产生模块用于产生一个具有驱动能力的浮动地信号F_GND,要求浮动地信号F_GND与功率路径管理驱动电路的电源(即充电器负载端VSYS的信号)之间的电压差等于使能信号EN的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差。如图2所示给出了浮动地产生模块的一种具体实现结构,本实施例中浮动地产生模块包括钳位单元、放大器AMP、第二NMOS管NM2和第二电阻R2,钳位单元的输入端连接功率路径管理驱动电路的电源电压VSYS,其输出端产生驱动电路的电源电压VSYS减去钳位值后的电压信号,钳位值为使能信号EN的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差;放大器AMP的正向输入端连接钳位单元的输出端并通过第二电阻R2后接地,其负向输入端和其输出端互连并输出浮动地信号F_GND,放大器AMP由自偏置模块提供电流偏置。
根据使能信号EN的电源轨设置钳位单元的钳位值,如使能信号EN的电源轨为0~5V,则设定钳位单元的钳位值为5V,浮动地信号F_GND与电源电压VSYS之间的电压差也等于5V。一些实施例中,可以通过齐纳二极管实现钳位单元对驱动电路的电源与浮动地的钳位,例如可由多个级联的齐纳二极管实现钳位,也可由单个齐纳二极管实现钳位。本实施例中就利用一个齐纳二极管D1实现钳位,如图2所示,齐纳二极管D1的阴极连接钳位单元的输入端并连接驱动电路的电源电压VSYS,其阳极连接钳位单元的输出端并产生电压V_ZDIO,当驱动电路的电源电压VSYS较高时可以实现对钳位单元输出电压V_ZDIO的钳位,设定齐纳二极管D1的击穿电压为5V,则钳位单元的输出端电压V_ZDIO= VSYS-5V。
钳位单元的输出信号V_ZDIO进入放大器AMP的正向输入端,放大器AMP的负向输入端与输出端短接在一起形成负反馈缓冲器BUFFER结构,这样放大器AMP输出端产生的浮动地信号F_GND就具有一定的驱动能力,可以当作一个浮动地驱动外部PowerPath电路了。
本发明中放大器AMP的电流偏置由自偏置模块提供,如图2所示,自偏置模块包括第一电阻R1、第一NMOS管NM1和第一PMOS管PM1,第一电阻R1的一端连接驱动电路的电源电压VSYS,另一端连接第一NMOS管NM1的栅极和漏极;第一PMOS管PM1的源极连接第一NMOS管NM1的源极,其栅极和漏极连接浮动地信号F_GND;第一电阻R1产生的偏置电流为:
第一NMOS管NM1用于组成电流镜并将第一电阻R1、第一NMOS管NM1和第一PMOS管PM1支路的电流镜像到浮动地产生模块中用以提供电流偏置;如本实施例中利用第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2构成电流镜结构,第二NMOS管NM2的栅极连接第一NMOS管NM1的栅极和漏极,第二NMOS管NM2的漏极连接驱动电路的电源电压VSYS,第二NMOS管NM2的源极输出的镜像电流为放大器AMP提供电流偏置,无需额外的电流镜来获取电流偏置。
本发明提出的自偏置模块基于浮动地信号F_GND产生电流偏置,且利用电阻产生自偏置电流,节省了电路面积和功耗,且保证了浮动地产生结构的精度。
电平位移模块基于驱动电路的电源电压VSYS和浮动地信号F_GND进行电平转换,将使能信号EN的电源轨进行抬升,如本实施例中使能信号EN是一个低压信号,其电源轨为0~5V,通过电平位移模块将0~5V的使能信号EN转移到VSYS-F_GND电压域,这样使能信号EN抬升后的电源轨中相对地信号是浮动地信号F_GND,相对电源信号是驱动电路的电源电压VSYS。
逻辑模块用于将使能信号EN被电平位移模块抬升电源轨后的信号进行逻辑处理获得功率路径管理驱动电路的输出信号BAT_DRV,使得使能信号EN有效时,信号BAT_DRV能够将功率管断开,使能信号EN无效时,信号BAT_DRV能够将功率管导通。令使能信号EN高电平有效,若功率管是PMOS管,如图1所示,PMOS功率管PM0的源极连接负载,其漏极连接电池,其栅极连接功率路径管理驱动电路的输出信号BAT_DRV。由图1可以看出,使能信号EN进入功率路径管理驱动电路(PowerPath Drive)时要先进行反相获得使能信号的反相信号EN’,电平位移模块输出的信号是使能信号反相信号EN’经过电源轨抬升后的信号,又由于本实施采用PMOS功率管PM0,因此逻辑模块设置一个反相器,使得使能信号EN为高电平时,功率路径管理驱动电路输出信号BAT_DRV为高电平,将PMOS功率管PM0关断;使能信号EN为低电平时,功率路径管理驱动电路输出信号BAT_DRV为低电平,将PMOS功率管PM0打开。
综上所述,本实施例中利用放大器AMP构成负反馈BUFFER结构,将驱动电路的电源电压VSYS与浮动地信号F_GND之间的电压差被保持在5V,实现用一个0~5V的低压信号即使能信号EN通过一个电平位移模块(LEVEL-SHIFT)而把使能信号EN转移到VSYS-F_GND电压域,从而产生功率路径管理驱动电路的输出信号BAT_DRV;同时利用第一电阻R1、第一NMOS管NM1和第一PMOS管PM1组成自偏置结构为放大器AMP提供电流偏置。在使能信号EN为高电平时,使能信号的反相信号EN’为低电平0,EN’进行电平位移并经过逻辑模块的反相器进行反相后获得功率路径管理驱动电路输出信号BAT_DRV=VSYS,使功率管PM0处于关断off状态,由外部供电电压VBUS为负载供电,同时充电器为电池充电;在使能信号EN为低电平时,使能信号的反相信号EN’为高电平1,EN’进行电平位移并经过反相后得到BAT_DRV=F_GND=VSYS-5V,此时功率管PM0处于导通on状态,由电池为负载供电。
上述实施例虽然给出了浮动地产生模块和钳位单元的具体实现结构,以及实施例采用0~5V的低压信号作为使能信号,采用PMOS管作为功率管,但本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种集成在充电器内的自偏置功率路径管理驱动电路,所述充电器还包括电池、以及接在所述电池和负载之间的功率管;使能信号有效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号将所述功率管断开,使得负载由外部供电电压进行供电,同时所述充电器对所述电池充电;使能信号无效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号将所述功率管导通,使得负载由所述电池进行供电;
其特征在于,所述功率路径管理驱动电路包括浮动地产生模块、自偏置模块、电平位移模块和逻辑模块,所述功率路径管理驱动电路以所述充电器的负载端电压作为电源电压;
所述浮动地产生模块用于产生一个具有驱动能力的浮动地信号,且所述浮动地信号与所述电源电压之间的电压差等于所述使能信号的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差;
所述自偏置模块包括第一电阻、第一NMOS管和第一PMOS管,第一电阻的一端连接所述电源电压,另一端连接第一NMOS管的栅极和漏极;第一PMOS管的源极连接第一NMOS管的源极,其栅极和漏极连接所述浮动地信号;所述浮动地产生模块包括第二NMOS管,第一NMOS管和第二NMOS管用于组成电流镜并将第一电阻、第一NMOS管和第一PMOS管支路的电流镜像到所述浮动地产生模块中用以提供电流偏置;
所述电平位移模块用于将所述使能信号的电源轨进行抬升,抬升后的电源轨中相对地信号是所述浮动地信号,相对电源信号是所述电源电压;
所述逻辑模块用于将所述使能信号被所述电平位移模块抬升电源轨后的信号进行逻辑处理获得所述功率路径管理驱动电路的输出信号。
2.根据权利要求1所述的自偏置功率路径管理驱动电路,其特征在于,所述浮动地产生模块还包括钳位单元、放大器和第二电阻,所述钳位单元的输入端连接所述电源电压,其输出端产生所述电源电压减去钳位值后的电压信号,所述钳位值为所述使能信号的电源轨中相对电源信号与相对地信号之间的电压差;
所述放大器的正向输入端连接所述钳位单元的输出端并通过第二电阻后接地,其负向输入端和其输出端互连并输出所述浮动地信号,所述放大器由所述自偏置模块提供电流偏置。
3.根据权利要求2所述的自偏置功率路径管理驱动电路,其特征在于,所述钳位单元包括齐纳二极管,齐纳二极管的阴极连接所述钳位单元的输入端,其阳极连接所述钳位单元的输出端,所述钳位值为齐纳二极管的击穿电压。
4.根据权利要求1-3任一项所述的自偏置功率路径管理驱动电路,其特征在于,所述功率管为PMOS功率管,PMOS功率管的源极连接负载,其漏极连接所述电池,其栅极连接所述功率路径管理驱动电路的输出信号;在所述使能信号有效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号为高电平;在使能信号无效时,所述功率路径管理驱动电路的输出信号为低电平。
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