CN112787493A - 开关式稳压器及电源管理集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关式稳压器及电源管理集成电路。开关式稳压器包括第一开关电路、第二开关电路和保护电路。第一开关电路具有耦接到第一参考电压的第一连接节点和耦接到电感器的一端的第二连接节点。第二开关电路具有耦接到第二参考电压的第一连接节点和耦接到电感器的一端的第二连接节点。保护电路感测在第一开关电路的第一连接节点处的电压电平，并且响应于该感测的电压电平来选择性地启用辅助电流路径，其中，辅助电流路径和至少第一开关电路以并联方式连接。

Description

开关式稳压器及电源管理集成电路
技术领域
本发明涉及稳压器(voltage regulator)设计，更具体地，涉及使用保护电路以避免电压应力(voltage stress)的开关式稳压器以及相关的电源管理集成电路(powermanagement integrated circuit，PMIC)。
背景技术
开关式稳压器(switching regulator)广泛应用于各种电子装置中，以向电子装置内的电子电路提供适当的电压。例如，开关式稳压器是使用开关元件将输入电源转换为脉冲电压然后使用无源组件(例如电感器、电容器和/或电阻器)对脉冲电压进行平滑的稳压器。开关元件可以由金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)晶体管来实现。安全工作区(safe operating area，SOA)是MOS晶体管在不被永久损坏或劣化的情况下工作的电压和电流条件。MOS晶体管不应当暴露在安全工作区之外的条件下，即使瞬间也不应当暴露。但是，在电源路径中存在寄生电阻器、电感器和电容器。在切换期间，由于电源路径中的寄生电阻器、电感器和电容器引起的电压弹跳(voltage bouncing)，在开关式稳压器中实现的MOS晶体管可能会违背SOA。一种典型的解决方案是以电源效率为代价来保护开关式稳压器免于违背SOA。此外，该典型的解决方案需要复杂的硬件检测器，并且难以确定用于保护开关元件的最佳控制设置。因此，需要一种具有简单的检测器设计并且可以在满足SOA要求的同时能够保持电源效率的创新的开关式稳压器。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种使用保护电路以避免电压应力的开关式稳压器以及相关的电源管理集成电路(PMIC)。
根据本发明的第一方面，公开了一种示例性的开关式稳压器。该开关式稳压器包括第一开关电路、第二开关电路和保护电路。第一开关电路具有耦接到第一参考电压的第一连接节点和耦接到电感器的一端的第二连接节点。第二开关电路具有耦接到与第一参考电压不同的第二参考电压的第一连接节点和耦接到电感器的所述一端的第二连接节点。保护电路感测在第一开关电路的第一连接节点处的电压电平，并且响应于在第一开关电路的第一连接节点处的电压电平来选择性地启用辅助电流路径，其中，辅助电流路径和至少第一开关电路以并联连接的方式布置。
根据本发明的第二方面，公开了一种示例性电源管理集成电路(PMIC)。该示例性PMIC包括第一引脚、第二引脚、第三引脚和开关式稳压器。第一引脚用于接收第一参考电压。第二引脚用于接收不同于第一参考电压的第二参考电压。第三引脚用于输出脉冲电压。开关式稳压器用于产生脉冲电压。开关式稳压器包括第一开关电路、第二开关电路和保护电路。第一开关电路具有耦接到第一引脚的第一连接节点和耦接到第三引脚的第二连接节点。第二开关电路具有耦接到第二引脚的第一连接节点和耦接到第三引脚的第二连接节点。保护电路感测在第一开关电路的第一连接节点处的电压电平，并且响应于在第一开关电路的第一连接节点处的电压电平来选择性地启用辅助电流路径，其中，辅助电流路径和至少第一开关电路以并联连接的方式布置。
本发明提出的保护电路具有简单的设计，其可以根据感测的开关电路的第一连接节点处的电压电平自动地启用辅助电流路径，并且可以在满足SOA要求的条件下保持开关式稳压器的电源效率。
在阅读了以下在各种附图和附图中示出的优选实施例的详细说明之后，本发明的这些和其他目的对于本领域的技术人员无疑将变得显而易见。
附图说明
在下面的详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例。在其他情况下，示意性地示出了公知的结构和设备，以简化附图。
图1是示出根据本发明的实施例的电源管理集成电路(power managementintegrated circuit，PMIC)的示意图。
图2是示出根据本发明的实施例的具有高端(high-side)SOA保护的第一开关式稳压器的电路图。
图3根据本发明的实施例示出了图2所示的开关式稳压器中的各种电压和辅助电流的波形图。
图4是示出图2中的开关式稳压器在电压调节周期(voltage regulation cycle)内的第一时段t1-t2期间操作的示意图。
图5是示出图2中的开关式稳压器在电压调节周期(voltage regulation cycle)内的第二时段t2-t3期间操作的示意图。
图6是示出根据本发明实施例的具有高端SOA保护的第二开关式稳压器的示意图。
图7是示出根据本发明实施例的具有高端SOA保护的第三开关式稳压器的示意图。
图8是根据本发明的实施例示出图7所示的开关式稳压器中的各种电压和辅助电流的波形图。
图9是示出根据本发明的实施例的具有高端SOA保护的第四开关式稳压器的示意图。
图10是示出根据本发明的实施例的具有低端(low-side)SOA保护的第一开关式稳压器的电路图。
图11是示出图10中的开关式稳压器在电压调节周期内的第一时段期间工作的示意图。
图12是示出图10中的开关式稳压器在电压调节周期内的第二时段期间工作的示意图。
图13是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第二开关式稳压器的示意图。
图14是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第三开关式稳压器的示意图。
图15是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第四开关式稳压器的示意图。
具体实施方式
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，电子设备制造商可以会用不同的名词来称呼同一组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区别组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置电连接于第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。
图1是示出根据本发明的实施例的电源管理集成电路(power managementintegrated circuit，PMIC)的示意图。PMIC 100是由电子设备用来向同一电子设备中的其他组件提供稳定电压的芯片。在该实施例中，PMIC 100由诸如蜂窝电话、平板电脑或可穿戴设备的移动设备使用。因此，移动设备由电池10供电。如图1所示，PMIC 100包括开关式稳压器102，其中，开关式稳压器102包括控制器104和电源级(power stage)106。控制器104是一种控制电路，其可以采用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)方案或其他控制方案来控制电源级106中的开关元件(例如，晶体管)的导电状态(即，导通/截止状态)。除了开关元件(例如，晶体管)之外，电源级106还包括所提出的保护电路108，以确保开关元件(例如，晶体管)能够满足SOA要求。
可以分开提供控制器104的电源电压和电源级106的电源电压。类似地，可以分开提供控制器104的接地电压和电源级106的接地电压。PMIC 100具有多个引脚112、114、116、118，以分别接收多个参考电压VAVDD、VAGND、VPVDD、VPGND。具体地，引脚112是电源引脚，用于接收控制器104所需的电源电压(例如，VAVDD)。引脚114是接地引脚，用于接收控制器104所需的接地电压(例如，VAGND)。引脚116是另一电源引脚，用于接收电源级106所需的电源电压(例如，VPVDD)。引脚118是另一接地引脚，用于接收电源级106所需的接地电压(例如，VPGND)。经由第一印刷电路板12(以“PCB1”表示)上的电路组件提供电源电压VAVDD，经由第二印刷电路板14(以“PCB2”表示)上的电路组件提供电源电压VPVDD，经由第三印刷电路板16(以“PCB3”表示)上的电路组件提供接地电压VAGND，经由第四印刷电路板18(以“PCB4”表示)上的电路组件提供接地电压VPGND。PMIC 100还包括一个引脚120，引脚120是电压输出引脚，用于将从电源级106产生的脉冲电压VLX输出到负载电路。例如，负载电路可以经由电感器连接到引脚120。
电源电压VAVDD和VPVDD可以被设计为具有相同的稳态电压值，接地电压VAGND和VPGND可以被设计为具有相同的稳态电压值。然而，由于控制器104和电源级106的固有特性，电源电压VAVDD的噪声电平低于电源电压VPVDD的噪声电平，接地电压VAGND的噪声电平低于接地电压VPGND的噪声电平。换句话说，电源电压VAVDD比电源电压VPVDD干净得多，接地电压VAGND比接地电压VPGND干净得多。在一个示例性的SOA保护设计中，保护电路108可以使用电源电压VAVDD作为参考，以监视引脚116处的电源电压上弹跳的电压。在另一个示例性的SOA保护设计中，保护电路108可以使用接地电压VAGND作为参考，以监视在引脚118处的接地电压上弹跳的电压。然而，这些仅是用于例示说明，并不意味着对本发明的限制。实际上，使用所提出的SOA保护设计的任何开关式稳压器设计都落入本发明的保护范围内。例如，保护电路108可以使用较高的稳态参考电压电平来监视在引脚116处的电源电压上弹跳的电压。再例如，保护电路108可以使用较低的稳态参考电压电平来监视引脚118处的接地电压上弹跳的电压。所提出的SOA保护设计的更多细节将参考附图进行描述。
图2是示出根据本发明的实施例的具有高端(high-side)SOA保护的第一开关式稳压器的电路图。图1所示的开关式稳压器102可以利用开关式稳压器200来实现。为了清楚和简单起见，图2中仅示出了与本发明有关的电路组件。在实践中，开关式稳压器200可以还包括其他电路组件。如图2所示，开关式稳压器200包括多个开关电路202和204以及保护电路206。开关电路202和204用作电源级106的开关元件，电源级106的保护电路108可以由保护电路206实现。开关电路202是高端(high-side，HS)开关，其具有耦接到第一参考电压(例如，电源电压VPVDD)的第一连接节点和耦接到片外电感器(off-chip inductor)L的一端的第二连接节点，其中开关电路202通过引脚116接收电源电压VPVDD，片外电感器L通过引脚120耦接到开关电路202。此外，开关电路202的导电状态(即，接通/关断状态)由一个开关控制信号S1控制。例如，从图1所示的控制器104产生该开关控制信号S1。
开关电路204是低端(low-side，LS)开关，其具有耦接到第二参考电压(例如，接地电压VPGND)的第一连接节点和耦接至片外电感器L的一端的第二连接节点，第二参考电压与第一参考电压(例如，电源电压VPVDD)不同，其中开关电路204经由引脚118接收接地电压VPGND。此外，开关电路204的导电状态(即，接通/关断状态)由另一个开关控制信号S2控制。例如，从图1所示的控制器104生成该开关控制信号S2。
保护电路206被设置为在开关电路202的第一连接节点处感测电压电平VPVDD,IN，并且响应于在开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN而选择性地启用辅助电流路径208，其中辅助电流路径208和开关电路202以并联连接的方式设置。
在该实施例中，开关电路202由P沟道金属氧化物半导体(P-channel metal-oxide-semiconductor，PMOS)晶体管MHS实现，其源极耦接到引脚116，漏极耦接到引脚120，栅极耦接到控制器(例如，图1所示的控制器104)；开关电路204由N沟道金属氧化物半导体(N-channel metal-oxide-semiconductor，NMOS)晶体管MLS实现，其源极耦接到引脚118，漏极耦接到引脚120，栅极耦接到控制器(例如，图1所示的控制器104)；保护电路206由作为辅助晶体管的PMOS晶体管MAUX实现，其源极耦接至引脚116，漏极耦接至引脚120，栅极耦接至引脚112。
由PCB和半导体封装产生的寄生电感器可以由LHS,par和LLS,par表示，由PCB、半导体封装以及开关电路202和204产生的寄生电容器由CHS,par和CLS,par表示。
请结合图3至图4参考图2。图3根据本发明的实施例示出了图2所示的开关式稳压器200中的各种电压和辅助电流的波形图。图4是示出图2中的开关式稳压器200在电压调节周期(voltage regulation cycle)内的第一时段t1-t2期间操作的示意图。PMOS晶体管MAUX的栅极-源极电压的绝对值由|VGS,AUX|表示。PMOS晶体管MHS的栅极-源极电压的绝对值由|VGS,P|表示。NMOS晶体管MLS的栅极-源极电压的绝对值由|VGS,N |表示。PMOS晶体管MHS的漏极-源极电压的绝对值由|VDS, P|表示。
在第一时段t1-t2期间，开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)接通，开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)关断。因此，开关式稳压器200产生流过寄生电感器LHS,par、开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)和电感器L的一个电流IL。因而，脉冲电压VLX具有高电压电平。由于开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN大约等于由保护电路206所接收的电源电压VAVDD，因此保护电路206(具体地，PMOS晶体管MAUX)被关断，意味着在开关电路202的第一连接节点和第二连接节点之间未启用辅助电流路径208。
请结合图3和图5参考图2。图5是示出图2中的开关式稳压器200在电压调节周期(voltage regulation cycle)内的第二时段t2-t3期间操作的示意图。在紧接在第一时段t1-t2之后的第二时段t2-t3期间，开关控制信号S1被设置为关断开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)，开关控制信号S2被设置为接通开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)。因此，开关式稳压器200产生流过寄生电感器LLS,par、开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)和电感器L的电流IL。因此，脉冲电压VLX从高电压电平转换到低电压电平。由于开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)被控制为关断并且流过寄生电感器LHS,par的电流应当是连续的，因此寄生电感器LHS,par仍然有电流IHS,par流过，因此，增加了开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN。在省略了所提出的保护电路206的情况下，开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN被显著地提高了，如虚线302所示。如虚线304所示，PMOS晶体管MHS的漏极-源极电压的绝对值(由|VDS,P|表示)将超过SOA电压VSOA，这导致PMOS晶体管MHS损坏。
为了解决这个问题，所提出的保护电路206可以提供SOA保护。当电流IHS,par通过寄生电感器LHS,par时，开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN增加到高于作为PMOS晶体管MAUX的栅极电压的电源电压VAVDD，并且PMOS晶体管MAUX的栅极-源极电压的绝对值(由|VGS,AUX|表示)相应地增加。一旦PMOS晶体管MAUX的栅极-源极电压的绝对值(由|VGS,AUX|表示)超过PMOS晶体管MAUX的阈值电压的绝对值|VTH|，保护电路206(具体地，PMOS晶体管MAUX)被自动接通，从而启用开关电路202的第一连接节点和第二连接节点之间的辅助电流路径208。换句话讲，保护电路206为IHS,par提供另一个电流路径。由于电流IHS,par的一部分(由IAUX表示)流经辅助电流路径208，因此如实线306所示，减轻了在开关电路202的第一连接节点处的弹跳的电压。因此，PMOS晶体管MHS的漏极-源极电压的绝对值(由|VDS,P|表示)将不超过SOA电压VSOA，如实线308所示。
在图2所示的上述实施例中，保护电路206由PMOS晶体管MAUX实现。然而，这仅出于说明的目的，并不意味着对本发明的限制。替代地，保护电路206可以由能根据辅助参考电压(例如，VAVDD)和开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
提出的保护电路206具有简单的设计，其可以根据辅助参考电压(例如，VAVDD)和开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值，自动地启用辅助电流路径208。另外，不需要降低PMOS晶体管MHS的摆率(slew rate)来进行SOA保护，从而可以在PMOS晶体管MHS满足SOA要求的条件下保持开关式稳压器200的电源效率。
电流IHS,par的最大值取决于负载电路所需的电流IL的最大值，并且还取决于PCB和半导体封装产生的寄生电感器、电容器和电阻器。由于所提出的保护电路206可以确保PMOS晶体管MHS满足SOA要求，因此不需要为了SOA保护而限制最大电流能力，和/或不必要为了SOA保护而对PCB和半导体封装的设计规则进行限制。
关于图2所示的实施例，保护电路206被设置为选择性地启用耦接在开关电路202的第一连接节点与电感器L的一端之间的辅助电流路径208。由于脉冲电压VLX是开关式稳压器200的输出并且经由引脚120被提供到电感器L，寄生电感器LHS,par上的功率可以通过辅助电流路径208被循环到开关式稳压器200的输出。然而，这仅出于说明目的，并不意味着是本发明的限制。通过启用耦接在开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)的第一连接节点与一个参考电压(例如，接地电压VPGND)之间的辅助电流路径208，可以实现为开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)提供SOA保护的相同目的。
图6是示出根据本发明实施例的具有高端SOA保护的第二开关式稳压器的示意图。开关式稳压器200和600之间的主要区别在于，开关式稳压器600具有由辅助晶体管实现的保护电路606，该辅助晶体管是PMOS晶体管M'AUX，其源极耦接至引脚116，漏极耦接至引脚118，栅极耦接至引脚112。因此，当启用辅助电流路径608时，寄生电感器LHS,par上的功率不会循环到开关式稳压器600的输出。可替代地，保护电路606可以由能根据辅助参考电压(例如，VAVDD)和开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
图7是示出根据本发明实施例的具有高端SOA保护的第三开关式稳压器的示意图。开关式稳压器200和700之间的主要区别在于，开关式稳压器700的保护电路706包括电阻器-电容器(RC)电路707和前述辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)。RC电路707包括电阻器R和电容器C。电阻器R的第一端耦接到辅助参考电压(例如，电源电压VAVDD)，电阻器R的第二端耦接到辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)的控制节点。电容器C的第一端耦接到辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)的控制节点，电容器C的第二端耦接到电感器L的一端。如图3和图5所示，在第二时段t2-t3期间，开关控制信号S1被设置为用于关断开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)，开关控制信号S2被设置为用于接通开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)。因此，脉冲电压VLX从高电压电平转变到低电压电平。由于脉冲电压VLX通过RC电路707耦接到辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)的控制节点，因此，辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)的控制节点处的电压电平VAVDD,RC由于脉冲电压VLX而被暂时拉低。在电压电平VAVDD,RC由于脉冲电压VLX而被暂时拉低之后，它将被辅助参考电压(例如，电源电压VAVDD)拉高。
替代地，保护电路706中的辅助晶体管(例如，PMOS晶体管MAUX)可以由能根据辅助晶体管的控制节点处的电压电平VAVDD,RC和开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
请结合图8参考图7。图8是根据本发明的实施例示出图7所示的开关式稳压器700中的各种电压和辅助电流的波形图。当电压电平VAVDD,RC被脉冲电压VLX暂时拉低之后，PMOS晶体管MAUX的栅极-源极电压增加，从而使得辅助电流路径208上更高的电流密度。因此，流过辅助电流路径208的电流IAUX增大，从而导致开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN的较小的电压增加量，如虚线806所示。由于PMOS晶体管MHS的漏极-源极电压的绝对值较小，因而减轻了开关电路202的第一连接节点处弹跳的电压，如虚线808所示。与保护电路206的设计相比，保护电路706的设计可以为开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)提供更好的SOA保护。
图9是示出根据本发明的实施例的具有高端SOA保护的第四开关式稳压器的示意图。开关式稳压器600和900之间的主要区别在于，开关式稳压器900的保护电路906包括电阻器-电容器(RC)电路907和上述辅助晶体管(例如，PMOS晶体管M'AUX)。RC电路907包括电阻器R'和电容器C'。电阻器R'的第一端耦接到辅助参考电压(例如，电源电压VAVDD)，电阻器R'的第二端耦接到辅助晶体管(例如，PMOS晶体管M'AUX)的控制节点。电容器C'的第一端耦接到辅助晶体管(例如，PMOS晶体管M'AUX)的控制节点，电容器C'的第二端耦接到一个参考电压(例如，接地电压VPGND)。本领域技术人员在阅读了针对保护电路706的以上段落之后可以容易地理解保护电路906的原理，为简洁起见，在此省略进一步的描述。
替代地，保护电路906中的辅助晶体管(例如，PMOS晶体管M'AUX)可以由能根据辅助晶体管的控制节点处的电压电平VAVDD,RC和开关电路202的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
关于图2、图6、图7和图9中所示的实施例，每个提出的保护电路206、606、706和906被设计为向高端(high-side，HS)开关电路202提供SOA保护。然而，这些仅出于说明的目的，并不意味着对本发明的限制。可以采用相同的SOA保护设计，为低端(low-side，LS)开关电路204提供SOA保护。
图10是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第一开关式稳压器的电路图。图1所示的开关式稳压器102可以使用开关式稳压器1000来实现。开关式稳压器200和1000之间的主要区别在于，开关式稳压器1000包括保护电路1006，保护电路1006被布置为感测开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN并且响应于开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN选择性地启用辅助电流路径1008，其中，辅助电流路径1008和开关电路204以并联连接的方式布置。在该实施例中，保护电路1006由辅助晶体管实现，该辅助晶体管是NMOS晶体管MNAUX，其源极耦接到引脚118，漏极耦接到引脚120，栅极耦接到引脚114。
请结合图11参考图10。图11是示出图10中的开关式稳压器1000在电压调节周期内的第一时段期间工作的示意图。在电压调节周期内的第一时段期间，开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)接通(switch on)，并且开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)关断(switchoff)。因此，开关式稳压器1000产生流过电感器L、开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)和寄生电感器LLS,par的电流IL。通过这种方式，脉冲电压VLX具有低电压电平。由于开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN大约等于保护电路1006所接收的接地电压VAGND，因此，保护电路1006(具体地，NMOS晶体管MNAUX)被关断，意味着在开关电路204的第一连接节点和第二连接节点之间的辅助电流路径1008未被启用。
请结合图12参考图10。图12是示出图10中的开关式稳压器1000在电压调节周期内的第二时段期间工作的示意图。在紧接在第一时段之后的第二时段期间，开关控制信号S2被设置为关断开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)，开关控制信号S1被设置为接通开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)。因此，开关式稳压器1000产生流过电感器L、开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)以及寄生电感器LHS,par的电流IL。因此，脉冲电压VLX从低电压电平转变到高电压电平。由于开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)被控制为关断并且流过寄生电感器LLS,par的电流应当是连续的，所以寄生电感器LLS,par仍然有电流ILS,par通过，因此，降低了开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN。在省略了所提出的保护电路1006的情况下，开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN被显著拉低。因此，NMOS晶体管MLS的漏极-源极电压的绝对值将超过SOA电压，从而导致NMOS晶体管MLS的损坏。
为了解决这个问题，所提出的保护电路1006被实现为提供SOA保护。当电流ILS,par通过寄生电感器LLS,par时，开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN降低至低于作为NMOS晶体管MNAUX的栅极电压的接地电压VAGND，并且NMOS晶体管MNAUX的栅极-源极电压的绝对值相应地增加。一旦NMOS晶体管MNAUX的栅极-源极电压的绝对值超过NMOS晶体管MNAUX的阈值电压|VTH|的绝对值，保护电路1006(具体地，NMOS晶体管MNAUX)被自动接通，从而启用开关电路204的第一连接节点和第二连接节点之间的辅助电流路径1008。换句话讲，保护电路1006为ILS,par提供另一电流路径。由于辅助电流IAUX(电流ILS,par的一部分)流过辅助电流路径1008，因此减轻了在开关电路204的第一连接节点处的弹跳的电压。以此方式，NMOS晶体管MLS的漏极-源极电压的绝对值将不超过SOA电压。
在图10所示的上述实施例中，保护电路1006由NMOS晶体管MNAUX实现。然而，这仅出于说明的目的，并不意味着对本发明的限制。可替代地，保护电路1006可以由能根据辅助参考电压(例如，VAGND)和开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
图13是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第二开关式稳压器的示意图。开关式稳压器1000和1300之间的主要区别在于，开关式稳压器1300具有由辅助晶体管实现的保护电路1306，该辅助晶体管是NMOS晶体管MN'AUX，其源极耦接至引脚118，漏极耦接至引脚116和栅极耦接到引脚114。因此，当辅助电流路径1308被启用时，寄生电感器LLS,par上的功率不会循环到开关式稳压器1300的输出。可替换地，保护电路1306可以由能根据辅助参考电压(例如，VAGND)和开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
图14是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第三开关式稳压器的示意图。开关式稳压器1000和1400之间的主要区别在于，开关式稳压器1400具有保护电路1406，保护电路1406包括电阻器-电容器(RC)电路1407和前述辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)。RC电路1407包括电阻器R和电容器C。电阻器R的第一端耦接到辅助参考电压(例如，接地电压VAGND)，电阻器R的第二端耦接到辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)的控制节点。电容器C的第一端耦接到辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)的控制节点，电容器C的第二端耦接到电感器L的一端。可替换地，保护电路1406中的辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)可以由能根据辅助晶体管的控制节点处的电压电平VAGND,RC与开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。
在电压调节周期的第二时段期间，开关控制信号S2被设置为关断开关电路204(具体地，NMOS晶体管MLS)，开关控制信号S1被设置为接通开关电路202(具体地，PMOS晶体管MHS)。因此，脉冲电压VLX具有从低电压电平到高电压电平的转变。由于脉冲电压VLX通过RC电路1407耦接到辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)的控制节点，因此，辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MNAUX)的控制节点处的电压电平VAGND,RC由于脉冲电压VLX而被暂时拉高。在电压电平VAGND,RC被脉冲电压VLX暂时拉高之后，其将被辅助参考电压(例如，接地电压VAGND)拉低。
当电压电平VAGND,RC被脉冲电压VLX暂时拉高时，NMOS晶体管MNAUX的栅极-源极电压增加，使得辅助电流路径1008上更高的电流密度。因此，流过辅助电流路径1008的电流增大，从而导致开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPGND,IN的较小的电压降低幅度。因此，由于NMOS晶体管MLS的漏极-源极电压的较小的绝对值，减轻了开关电路204的第一连接节点处的弹跳的电压。与保护电路1006的设计相比，保护电路1406的设计可以为开关电路204(特别是NMOS晶体管MLS)提供更好的SOA保护。
图15是示出根据本发明的实施例的具有低端SOA保护的第四开关式稳压器的示意图。开关式稳压器1300和1500之间的主要区别在于，开关式稳压器1500具有保护电路1506，保护电路1506包括电阻器-电容器(RC)电路1507和上述辅助晶体管(例如，NMOS晶体管M'AUX)。RC电路1507包括电阻器R'和电容器C'。电阻器R'的第一端耦接到辅助参考电压(例如，接地电压VAGND)，电阻器R'的第二端耦接到辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MN'AUX)的控制节点。电容器C'的第一端耦接到辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MN'AUX)的控制节点，电容器C'的第二端耦接到参考电压(例如，电源电压VPVDD)。可替代地，保护电路1506中的辅助晶体管(例如，NMOS晶体管MN'AUX)可以由能根据辅助晶体管的控制节点处的电压电平VAGND,RC与开关电路204的第一连接节点处的电压电平VPVDD,IN之间的差值而选择性地导通的PNP双极晶体管或其他晶体管来实现。本领域技术人员在阅读上述关于保护电路1406的相关段落后，将容易地理解保护电路1506的原理，简洁起见，在此省略进一步的描述。
在以上实施例中，开关电路202和204可以由MOS晶体管实现。但是，这些仅是为了说明，并不意味着对本发明的限制。另选地，开关电路202和204中的至少一个可以由二极管或肖特基二极管实现。简而言之，本发明对开关电路202和204的实现没有限制。因此，每个开关电路202和204可以由具有可切换导电状态的任何电路元件来实现。这些替代设计均落入本发明的范围内。
本领域技术人员将容易地认识到，在保持本发明的教导的同时，可以对装置和方法进行多种修改和变更。因此，以上公开内容应被解释为仅由所附权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种开关式稳压器，包括：
第一开关电路，其第一连接节点耦接至第一参考电压，第二连接节点耦接至电感器的第一端；
第二开关电路，其第一连接节点耦接至不同于所述第一参考电压的第二参考电压，第二连接节点耦接至所述电感器的所述第一端；以及
保护电路，被布置为感测所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平，并且响应于所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平来选择性地启用辅助电流路径，其中，所述辅助电流路径和至少所述第一开关电路以并联连接的方式布置。
2.根据权利要求1所述的开关式稳压器，其中，所述第一参考电压是电源电压，所述第二参考电压是接地电压。
3.根据权利要求1所述的开关式稳压器，其中，所述第一参考电压是接地电压，所述第二参考电压是电源电压。
4.根据权利要求1所述的开关式稳压器，其中，所述保护电路还被布置为接收辅助参考电压，并且根据所述辅助参考电压和所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平之间的差值自动地启用所述辅助电流路径。
5.根据权利要求4所述的开关式稳压器，其中，所述开关式稳压器被实现在芯片中，所述保护电路通过所述芯片的一个引脚接收所述辅助参考电压，并且所述第一开关电路通过所述芯片的另一引脚接收所述第一参考电压。
6.根据权利要求5所述的开关式稳压器，其中，所述辅助参考电压的噪声电平低于所述第一参考电压的噪声电平。
7.根据权利要求4所述的开关式稳压器，其中，所述保护电路包括：
辅助晶体管，其控制节点被布置为接收所述辅助参考电压，其第一连接节点耦接到所述第一开关电路的第一连接节点，以及其第二连接节点耦接到所述电感器的所述第一端。
8.根据权利要求7所述的开关式稳压器，其中，所述辅助晶体管的所述控制节点处的电压电平是恒定的。
9.根据权利要求7所述的开关式稳压器，其中，所述保护电路还包括：
具有电阻器和电容器的电阻器-电容器RC电路，其中所述电阻器的第一端耦接到所述辅助参考电压，所述电阻器的第二端耦接到所述辅助晶体管的所述控制节点，所述电容器的第一端耦接到所述辅助晶体管的所述控制节点，所述电容器的第二端耦接到所述电感器的所述第一端。
10.根据权利要求4所述的开关式稳压器，其中，所述保护电路包括：
辅助晶体管，其控制节点被布置为接收所述辅助参考电压，其第一连接节点耦接到所述第一开关电路的第一连接节点，其第二连接节点耦接到所述第二参考电压。
11.一种电源管理集成电路，包括：
第一引脚，用于接收第一参考电压；
第二引脚，用于接收与所述第一参考电压不同的第二参考电压；
第三引脚，用于输出脉冲电压；以及
开关式稳压器，用于产生所述脉冲电压，其中，所述开关式稳压器包括：
第一开关电路，其第一连接节点耦接至所述第一引脚，第二连接节点耦接至所述第三引脚；
第二开关电路，其第一连接节点耦接至所述第二引脚，第二连接节点耦接至所述第三引脚；以及
保护电路，用于感测所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平，并且响应于所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平来选择性地启用辅助电流路径，其中，所述辅助电流路径和至少所述第一开关电路以并联连接的方式布置。
12.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，其中，所述第一参考电压是电源电压，所述第二参考电压是接地电压。
13.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，其中，所述第一参考电压是接地电压，所述第二参考电压是电源电压。
14.根据权利要求11所述的电源管理集成电路，还包括：
第四引脚，用于接收辅助参考电压；
其中，所述保护电路还耦接至所述第四引脚，并根据所述辅助参考电压与所述第一开关电路的第一连接节点处的电压电平之间的差值自动地启用所述辅助电流路径。
15.根据权利要求14所述的电源管理集成电路，其中，所述辅助参考电压的噪声电平低于所述第一参考电压的噪声电平。
16.根据权利要求14所述的电源管理集成电路，其中，所述保护电路包括：
辅助晶体管，其控制节点耦接至所述第四引脚，其第一连接节点耦接到所述第一开关电路的第一连接节点，其第二连接节点耦接到所述第三引脚。
17.根据权利要求16所述的电源管理集成电路，其中，所述辅助晶体管的所述控制节点处的电压电平是恒定的。
18.根据权利要求16所述的电源管理集成电路，其中，所述保护电路还包括：
具有电阻器和电容器的电阻器-电容器RC电路，其中所述电阻器的第一端耦接到所述第四引脚，所述电阻器的第二端耦接到所述辅助晶体管的所述控制节点，所述电容器的第一端耦接到所述辅助晶体管的控制节点，所述电容器的第二端耦接到所述第三引脚。
19.根据权利要求14所述的电源管理集成电路，其中，所述保护电路包括：
辅助晶体管，其控制节点耦接到所述第四引脚，其第一连接节点耦接到所述第一开关电路的第一连接节点，其第二连接节点耦接到所述第三引脚。
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