CN112783257B

CN112783257B - 一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路

Info

Publication number: CN112783257B
Application number: CN202110004328.0A
Authority: CN
Inventors: 庄文贤; 余岱原; 邱伟茗
Original assignee: Shenzhen Nanfang Silicon Valley Semiconductor Co ltd
Current assignee: Shenzhen Nanfang Silicon Valley Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-01-04
Also published as: CN112783257A

Abstract

本发明公开了一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路，涉及芯片的补偿电路技术领域，解决线性电压转换器可靠度低的技术问题。本发明包括n+1个串联的高压补偿电容、高压传输晶体管、第一高压开关晶体管以及第二高压开关晶体管，所述第一高压开关晶体管、高压补偿电容、第二高压开关晶体管依次串联，所述高压传输晶体管与所述高压补偿电容并联，在每两个串联的所述高压补偿电容之间均接入一可调电压。本发明串联多个高压补偿电容，在每两个串联的高压补偿电容之间分别接入可调电压，从而有效保护了晶体管的安全，从而提升了线性电压转换器的可靠度。

Description

一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路

技术领域

本发明涉及芯片的补充电路技术领域，尤其涉及一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路。

背景技术

在SoC(System on Chip，SoC)电源架构中，上层采用数个线性电压转换器，主要目的有两个：一是，直流电压降转(5V-to-1V)，提供低电压给下层的核心电路；二是，让下层多个模拟或数字负载电路彼此之间有很好的隔离度，进而提高传输效能。

其中，线性电压转换器区可分为核心级和输出级，核心级主要是参考电压跟反馈电压通过误差放大器，让线性电压转换器有一个稳定的电压输出。输出级为高压传输晶体管、高压补偿电容、反馈电阻跟负载电容所构成，还包括关闭线性电压转换器的两个高压开关晶体管。其中两个反馈电阻的比例，是根据参考电压跟所需的输出电压去做设计。为了维持系统稳定度，高压补偿电容是必须的。目前，线性电压转换器常使用PMOS晶体管(P-channel MOSFET)作为高压补偿电容与高压传输晶体管。

由于家居设备常见的输出电压是直流5V，因此线性电压转换器要能够承受大于3.3V耐压。如果是采用较旧有制程技术，大部分晶体管厂商提供的MOS晶体管能力都可以承受5V耐压，对于线性电压转换器设计上是容易的；而较先进的制程技术，尽管晶体管厂商有提供高压MOS晶体管，但仅针对漏级到源级可以保证承受5V耐压，而栅极到源级或栅极到漏级，因为栅极氧化层变薄的关系，还是无法承受5V耐压，晶体管厂商也就没有提供相关技术保证。因此需要解决在采用先进制程的MOS晶体管时，如何降低其栅极到源级或栅极到漏级的工作电压，使其作为高压补偿电容时不会被烧坏，从而确保线性电压转换器的可靠度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述问题，提供一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路，其特征在于，包括n+1个串联的高压补偿电容M1、高压传输晶体管M2、第一高压开关晶体管M3以及第二高压开关晶体管M4，所述第一高压开关晶体管M3、高压补偿电容M1、第二高压开关晶体管M4依次串联，所述高压传输晶体管M2与所述高压补偿电容M1并联，在每两个串联的所述高压补偿电容M1之间均接入一可调电压Vc(i)，其中，i∈[1,n]，n为大于0的自然数；在多个所述高压补偿电容M1依次串联的结构中，每两个相互串联的所述高压补偿电容M1之间，其中一个所述高压补偿电容M1的栅极与另一所述高压补偿电容M1的漏极与源级均连接，连接处接入一所述可调电压Vc(i)，其中，i∈[1,n]，n为大于0的自然数；串联在首位所述高压补偿电容M1，其漏极与源级均与所述高压传输晶体管M2的栅极、第一高压开关晶体管M3的漏极连接，串联在末尾的所述高压补偿电容M1，其栅极与所述高压传输晶体管M2的漏极、第二高压开关晶体管M4的漏极均连接；所述高压传输晶体管M2的源级、第一高压开关晶体管M3的源级均连接一输入电压(Vin)；所述第二高压开关晶体管M4的源级接地；所述第一高压开关晶体管M3的栅极连接第一偏置电压(Ven)，第二高压开关晶体管M4的栅极连接第二偏置电压(Venb)；所述可调电压Vc(i)的电压值按照如下公式计算：可调电压Vc(i)的电压值灵敏度D＝Vin/(n+1)；可调电压Vc(i)的电压值Vi＝Vi-1-D；其中，可调电压Vc(1)的电压值V1＝Vin-D，Vin为所述输入电压(Vin)的电压值。

进一步地，所述高压补偿电容M1均为P-MOS晶体管。

优选地，所述第一高压开关晶体管M3、第二高压开关晶体管M4分别为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管。

优选地，所述高压传输晶体管M2为P-MOS晶体管。

进一步地，本串联式补偿电路还包括一误差放大器以及与所述误差放大器匹配的反馈电路；所述反馈电路包括串联的第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2；所述误差放大器的正极连接于所述第一反馈电阻R1及第二反馈电阻R2之间，其负极连接所述输入电压(Vin)，其输出端(Vo)与所述第一高压开关晶体管M3的漏极、高压传输晶体管M2的栅极均相连；所述第一反馈电阻R1的另一端与所述高压传输晶体管M2的漏极连接；所述第二反馈电阻R2的另一端连接至地。

进一步地，本串联式补偿电路还包括一负载电容C；所述负载电容C一极板连接在所述第一反馈电阻R1与所述第二高压开关晶体管M4的漏极之间，其另一极板连接至地。

进一步地，在所述第二高压开关晶体管M4与负载电容C之间还设有一输出端，所述输出端连接负载，并为所述负载提供稳定的电流源。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明在现有高压线性电压转换器中只有一个高压补偿电容的基础上，串联多个高压补偿电容，并在每两个串联的高压补偿电容之间分别接入可调电压，使得高压线性电压转换器的晶体管的栅极到源级或栅极到漏级之间的电压得远低于3.3V，从而有效保护了晶体管的安全，从而提升了线性电压转换器的可靠度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明实施例的串联式补偿电路的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的串联式补偿电路的n＝1时的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行电路和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，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，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，本发明提供一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路实施例，包括n+1个串联的高压补偿电容M1、高压传输晶体管M2、第一高压开关晶体管M3以及第二高压开关晶体管M4，第一高压开关晶体管M3、高压补偿电容M1、第二高压开关晶体管M4依次串联，高压传输晶体管M2与高压补偿电容M1并联。

本实施例在原有仅有一个高压补偿电容M1的基础上，增加n个高压补偿电容M1，即在原有的高压补偿电容M1后串联n个高压补偿电容M1，使得高压补偿电容M1数量为n+1个；同时，在每两个串联的高压补偿电容M1之间均接入一可调电压Vc(i)，其中，i∈[1,n]，n为大于0的自然数。上述n+1个高压补偿电容M1型号大小可以一样，也可以根据高压线性电压转换器实际情况而有所不同。高压补偿电容M1的数量根据高压线性电压转换器实际情况而确定。

进一步地，在多个高压补偿电容M1依次串联的结构中，每两个相互串联的高压补偿电容M1之间，其中一个高压补偿电容M1的漏极与源级均连接另一高压补偿电容M1的栅极，连接处接入一可调电压Vc(i)(i∈[1,n]，n为大于0的自然数)；串联在首位高压补偿电容M1，其漏极与源级均与高压传输晶体管M2的栅极、第一高压开关晶体管M3的漏极连接；串联在末尾的高压补偿电容M1，其栅极与高压传输晶体管M2的漏极、第二高压开关晶体管M4的漏极均连接。再者，高压传输晶体管M2的源级、第一高压开关晶体管M3的源级均连接一输入电压Vin，其电压值设为V_in，第二高压开关晶体管M4的源级接地，第一高压开关晶体管M3的栅极连接第一偏置电压(Ven)，第二高压开关晶体管M4的栅极连接第二偏置电压Venb。

本实施例中，可调电压Vc(i)的电压值按照公式(1)-(3)计算：

可调电压Vc(i)的电压值V_i＝V_i-1-D (1)

其中：

可调电压Vc(1)的电压值V₁＝V_in-D (2)

可调电压Vc(i)的电压值灵敏度D＝V_in/(n+1) (3)

需说明的是，所述输入电压Vin为高压线性电压转换器的输入的工作电压。可调电压Vc(i)的电压值可以按照上述公式进行调整，可以依上述公式计算的值为基础上下浮动也可以采用上述公式计算的值，但不能让其补偿电容跨压超过3.3V。

优选地，高压补偿电容M1均为P-MOS晶体管；第一高压开关晶体管M3、第二高压开关晶体管M4分别为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管；高压传输晶体管M2为P-MOS晶体管。

本串联式补偿电路还包括一误差放大器A以及与误差放大器A匹配的反馈电路，具体地，反馈电路包括串联的第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2。误差放大器的正极连接于第一反馈电阻R1及第二反馈电阻R2之间，其负极连接输入电压Vin，其输出端与第一高压开关晶体管M3的漏极、高压传输晶体管M2的栅极均相连，第一反馈电阻R1的另一端与高压传输晶体管M2的漏极连接，第二反馈电阻R2的另一端连接至地。进一步地，本串联式补偿电路还包括一负载电容C，负载电容C一极板连接在第一反馈电阻R1与第二高压开关晶体管M4的漏极之间，其另一极板连接至地。在第二高压开关晶体管M4与负载电容C之间还设有一输出端，输出端连接负载，并为负载提供稳定的电流源。

如图2所示，本发明提供的一种具体实施例为：高压线性电压转换器将输入电压Vin＝5V经高压晶体管转化，在输出端的输出电Vout＝1V。以n＝1为例，把原本高压线性电压转换器中输出级的高压补偿电容M1拆开，串联一个高压补偿电容M1，加上一个可调电压Vc(1)去控制串联的节点。

线性电压转换器使用时会有两种状态：

(1)正常操作时，输入电压Vin＝5V，输出电压Vout＝1V，第一高压开关晶体管M3的栅极接入第一偏置电压Ven为高位电压，第二高压开关晶体管M4的栅极接入第二偏置电压Venb为低位电压，此时，第一高压开关晶体管M3、第二高压开关晶体管M4均为截止状态，误差放大器A的输出电压Vo将送入高压传输晶体管M2的栅极，而M2的漏极通过第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2回受到误差放大器的正端使其形成回路，使得输出电压保持在1V。因此本实施例可以设计合适的可调电压Vc(1)，使高压补偿电容M1有最大的电容值，减小因为串联所付出的额外面积消耗。

(2)关闭操作时，输入电压Vin＝5V，第一高压开关晶体管M3的栅极接入第一偏置电压Ven为低位电压，第二高压开关晶体管M4的栅极接入第二偏置电压Venb为高位电压，第一高压开关晶体管M3、第二高压开关晶体管M4均为导通状态，使得误差放大器A的输出电压Vo会被拉到5V，输出电压Vout会被拉到GND，VOUT＝0V。此时把可调电压Vc(1)值设计在输入电压Vin的一半，让两个补偿电容个别跨压不会超过2.5V。保证了高压补偿电容M1、高压传输晶体管M2的栅极到源级或栅极到漏级的电压不会达到3.3V，从而保证了高压补偿电容M1、高压传输晶体管M2的安全，大大提升线性电压转换器可靠度。

综上所述，本发明在现有高压线性电压转换器中只有一个高压补偿电容的基础上，串联多个高压补偿电容，并在每两个串联的高压补偿电容之间分别接入可调电压，使得高压线性电压转换器的晶体管的栅极到源级或栅极到漏级之间的电压得远低于3.3V，从而有效保护了晶体管的安全，从而提升了线性电压转换器的可靠度。

在阅读完下面将要描述的内容之后，本领域的技术人员应当明白，本文描述的各种特征可通过方法、数据处理系统或计算机程序产品来实现。因此，这些特征可不采用硬件的方式、全部采用软件的方式或者采用硬件和软件结合的方式来表现。此外，上述特征也可采用存储在一种或多种计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式来表现，该计算机可读存储介质中包含计算机可读程序代码段或者指令，其存储在存储介质中。可读存储介质被配置为存储各种类型的数据以支持在装置的操作。可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。如静硬态盘、随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、光存储设备、磁存储设备、快闪存储器、磁盘或光盘和/或上述设备的组合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种在高压线性电压转换器中的串联式补偿电路，其特征在于，包括n+1个串联的高压补偿电容M1、高压传输晶体管M2、第一高压开关晶体管M3以及第二高压开关晶体管M4，所述第一高压开关晶体管M3、高压补偿电容M1、第二高压开关晶体管M4依次串联，所述高压传输晶体管M2与所述高压补偿电容M1并联，在每两个串联的所述高压补偿电容M1之间均接入一可调电压Vc(i)，其中，i∈[1,n]，n为大于0的自然数；

在多个所述高压补偿电容M1依次串联的结构中，每两个相互串联的所述高压补偿电容M1之间，其中一个所述高压补偿电容M1的栅极与另一所述高压补偿电容M1的漏极与源级均连接，连接处接入一所述可调电压Vc(i)，其中，i∈[1,n]，n为大于0的自然数；串联在首位所述高压补偿电容M1，其漏极与源级均与所述高压传输晶体管M2的栅极、第一高压开关晶体管M3的漏极连接，串联在末尾的所述高压补偿电容M1，其栅极与所述高压传输晶体管M2的漏极、第二高压开关晶体管M4的漏极均连接；

所述高压传输晶体管M2的源级、第一高压开关晶体管M3的源级均连接一输入电压(Vin)；所述第二高压开关晶体管M4的源级接地；所述第一高压开关晶体管M3的栅极连接第一偏置电压(Ven)，第二高压开关晶体管M4的栅极连接第二偏置电压(Venb)；

所述可调电压Vc(i)的电压值按照如下公式计算：可调电压Vc(i)的电压值灵敏度D＝V_in/(n+1)；可调电压Vc(i)的电压值V_i＝V_i-1-D；其中，可调电压Vc(1)的电压值V₁＝V_in-D，V_in为所述输入电压(Vin)的电压值。

2.根据权利要求1所述的串联式补偿电路，其特征在于，所述高压补偿电容M1为P-MOS晶体管。

3.根据权利要求1所述的串联式补偿电路，其特征在于，所述第一高压开关晶体管M3、第二高压开关晶体管M4分别为P-MOS晶体管、N-MOS晶体管。

4.根据权利要求1所述的串联式补偿电路，其特征在于，所述高压传输晶体管M2为P-MOS晶体管。

5.根据权利要求1所述的串联式补偿电路，其特征在于，还包括一误差放大器以及与所述误差放大器匹配的反馈电路；

所述反馈电路包括串联的第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2；

所述误差放大器的正极连接于所述第一反馈电阻R1及第二反馈电阻R2之间，其负极连接所述输入电压(Vin)，其输出端(Vo)与所述第一高压开关晶体管M3的漏极、所述高压传输晶体管M2的栅极均相连；

所述第一反馈电阻R1的另一端与所述高压传输晶体管M2的漏极连接；

所述第二反馈电阻R2的另一端连接至地。

6.根据权利要求5所述的串联式补偿电路，其特征在于，还包括一负载电容C；所述负载电容C一极板连接在所述第一反馈电阻R1与所述第二高压开关晶体管M4的漏极之间，其另一极板连接至地。

7.根据权利要求6所述的串联式补偿电路，其特征在于，在所述第二高压开关晶体管M4与负载电容C之间还设有一输出端，所述输出端连接负载，并为所述负载提供稳定的电流源。