CN113541475B - 一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路。本发明在传统电路结构中，对电路的开关管及其驱动电路的供电方式进行改进，将驱动电路中的通路上的额外压降减小到零，从而消除这部分损耗。

Description

一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路。
背景技术
开关电容电压转换器作为一种基本的电源转换结构被广泛应用于各种电源管理场合，以实现各种不同比例的输入输出间电压电流转换。如图1所示就是一个典型的Dickson式4：1开关电容电压转换器，该电路通过电容CF1/CF2/CF3和开关管Q1～Q8将电荷从输入端搬运到输出端，实现输出电压VOUT＝VIN/4，输出电流IOUT＝4*IIN。
转换效率是开关电容电压转换器的最重要的指标，它决定了电压转换器的带载能力与温升状况。转换效率越高，电压转换器的带载能力越大，而温升也越低。开关电容电压转换器的主要损耗来自于：1)电路中各个开关的导通损耗；2)各个开关的驱动损耗；3)各个电容的ESR损耗；提高转换效率的关键就是如何减小上述的各项损耗，2)的损耗和各个开关的驱动电路结构有关。
图2所示是带上驱动电路结构的Dickson 4:1开关电容电压转换器，其中Q1管的驱动电路由BST1端供电，BST1端和C1P端之间有个电容CB1，BST1端电压比C1P端高一定电压，Q2/Q3/Q4管的驱动电路由VIN经过MN2/MN4/MN5钳位之后来供电，Q5管的驱动电路由C3P供电，Q6/Q8管的驱动电路直接由低压电源VCC供电，Q7管的驱动由C2P经过MN3钳位之后供电。其中MN3/MN4/MN5在打开Q7/Q3/Q4管时，它们的漏端和源端间有压差，该压差和驱动电流会导致MN3/MN4/MN5管上有损耗。
例如当VIN＝20V,VOUT＝5V时，MN3/MN4/MN5在打开Q7/Q3/Q4管时，它们的漏端和源端间分别有5V/5V/10V的压差，该压差就会导致MN3/MN4/MN5管上有损耗。所以为了减小损耗提高效率，需要尽可能的减小MN3/MN4/MN5管上的压降。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种能够将所有打开各个开关的驱动通路上的压降减小，从而减小驱动损耗，并提高转换效率的驱动电路。
本发明的技术方案是：
一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一开关管驱动电路、第二开关管驱动电路、第三开关管驱动电路、第四开关管驱动电路、第五开关管驱动电路、第六开关管驱动电路、第七开关管驱动电路、第八开关管驱动电路、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和升压电荷泵，升压电荷泵用于根据VIN产生一个值为VH＝VIN+VDD的电压；其中，第一开关管的漏极接输入电压VIN，栅极接第一开关管驱动电路的输出信号，第一开关管驱动电路的电源端接第一供电端BST1，BST1还通过第一电容后接第一开关管驱动电路的地端和第一开关管的源极；第一开关管驱动电路的电源端还接第一NMOS管的源极，第一NMOS管的漏极通过第一二极管接输入电压VIN，第一NMOS管的栅极通过第二二极管接第一电流源的一端，第一电流源的另一端接升压电荷泵，第一电流源的一端连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极通过第一齐纳二极管接第一电容与第一开关管源极的连接点；第二开关管的漏极接第一开关管的源极，第二开关管的栅极接第二开关管驱动电路的输出信号，第二开关管驱动电路的电源端接第二NMOS管的源极，第二NMOS管的漏极接输入电压VIN，第二NMOS管的栅极接第二电流源的一端，第二电流源的另一端接升压电荷泵；第二电流源的一端还通过第二齐纳二极管接第二开关管驱动电路的地端和第二开关管的源极；第三开关管的漏极接第二开关管的源极，第三开关管的栅极接第三开关管驱动电路的输出信号，第三开关管驱动电路的电源端接第二供电端BST2，BST2通过第二电容后接第三开关管驱动电路的地端和第三开关管的源极，BST2还通过第三二极管接BST3和第四开关管驱动电路的电源端；第四开关管的漏极接第三开关管的源极，第四开关管的栅极接第四开关管驱动电路的输出信号，第四开关管驱动电路的电源端接第三供电端BST3，第四开关管驱动电路的地端接第四开关管的源极；BST3通过第二开关和第四开关后接低压电源VCC；第二开关与第四开关的连接点通过第三电容后接第一开关和第三开关的连接点，第一开关的另一端接输出端VOUT，第三开关的另一端接地；第五开关管的漏极接第四开关管的源极，第五开关管的栅极接第五开关管驱动电路的输出信号，第五开关管驱动电路的电源端接第三开关管的源极，第五开关管驱动电路的电源端和地端之间具有第四电容，第五开关管驱动电路的地端接第五开关管的源极；第四电容与第五开关管驱动电路地端相连的一端还通过第五电容与第一电容连接，第五电容与第一电容的连接点接第一开关管的源极；第六开关管的漏极接第五开关管的源极，第六开关管的栅极接第六开关管驱动电路的输出端信号，第六开关管驱动电路的电源端接低压电源VCC，第六开关管驱动电路的地端与第六开关管的源极连接并接地；第七开关管的漏极接第四开关管的源极，第七开关管的栅极接第七开关管驱动电路的输出端信号，第七开关管驱动电路的电源端接第三NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极接第三电流源的一端，第三电流源的另一端接升压电荷泵，第三电流源还通过第三齐纳二极管接第七开关管驱动电路的地端，第三NMOS管的漏极接BST3，第七开关管驱动电路的地端接第七开关管的源极；第七开关管源极与第二开关管源极之间还具有第六电容；第八开关管的漏极接第七开关管的源极，第八开关管的栅极接第八开关管驱动电路的输出信号，第八开关管驱动电路的电源端接低压电源VCC，第八开关管驱动电路的地端接第八开关管的源极并接地；第五开关管漏极、第四开关管源极和第七开关管漏极的连接点接输出端VOUT；第一开关管驱动电路、第三开关管驱动电路、第五开关管驱动电路和第八开关管驱动电路输出的驱动信号同相，并且与第二开关管驱动电路、第四开关管驱动电路、第六开关管驱动电路和第七开关管驱动电路输出的驱动信号反相。
本发明的有益效果是：将驱动电路中的通路上的额外压降减小到零，从而消除这部分损耗。
附图说明
图1为典型的Dickson式4：1开关电容电压转换器；
图2为带上驱动电路结构的Dickson 4:1开关电容电压转换器；
图3为本发明的驱动电路结构示意图；
图4为图3电路信号时序图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
图3所示为一种新的Dickson开关电容转换器的驱动电路，图4为相关时序和节点电压。Q1/Q2/Q5/Q6/Q8管的驱动和图2一致。Q1驱动电路由BST1直接供电，BST1比C1P高大约一个VOUT电压，电容CB1在Q1管关断Q2管导通时通过D0和MN1由VIN充电。Q2驱动电路由VIN经过MN2钳位后供电，Q5驱动电路由C3P直接供电，Q6/Q8驱动电路由低压电源VCC直接供电。
增加电容CDRV通过开关SW1～SW4接在VCC/GND/VOUT上，如图4所示，在每次PH1变换为PH2和PH2变换为PH1之前的一段时间里，开关SW3/SW4导通，开关SW1/SW2关断，在其余时间里开关SW3/SW4关断，开关SW1/SW2导通。电容CDRV在开关SW3/SW4导通时由低压电源VCC充电，然后在开关SW1/SW2导通时接在VOUT和BST3之间，将BST3稳定在VOUT+VCC电压上，Q4管驱动电路由BST3直接供电，从而Q4管的驱动电路通路不再有压降损耗。
MN3管的漏端改接到BST3，在Q7管导通时C2N＝VOUT，MN3管上不再有压降损耗，从而Q7管的驱动电路通路不再有压降损耗。
增加电容CB2接到C3P上，由电容CB3和二极管D2在PH2时给CB2充电，将BST2稳定在C3P+VCC电压上，Q3管驱动电路由BST2直接供电，从而Q3管的驱动电路通路上不再有压降损耗。
从而所有管子Q1～Q8的驱动电路通路上均没有压降，也不再有压降损耗。

Claims (1)

1.一种Dickson开关电容电压转换器的驱动电路，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一开关管驱动电路、第二开关管驱动电路、第三开关管驱动电路、第四开关管驱动电路、第五开关管驱动电路、第六开关管驱动电路、第七开关管驱动电路、第八开关管驱动电路、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一电流源、第二电流源、第三电流源、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一齐纳二极管、第二齐纳二极管、第三齐纳二极管、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和升压电荷泵，升压电荷泵用于根据VIN产生一个值为VH＝VIN+VDD的电压；其中，第一开关管的漏极接输入电压VIN，栅极接第一开关管驱动电路的输出信号，第一开关管驱动电路的电源端接第一供电端BST1，BST1还通过第一电容后接第一开关管驱动电路的地端和第一开关管的源极；第一开关管驱动电路的电源端还接第一NMOS管的源极，第一NMOS管的漏极通过第一二极管接输入电压VIN，第一NMOS管的栅极通过第二二极管接第一电流源的一端，第一电流源的另一端接升压电荷泵，第一电流源的一端连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极通过第一齐纳二极管接第一电容与第一开关管源极的连接点；第二开关管的漏极接第一开关管的源极，第二开关管的栅极接第二开关管驱动电路的输出信号，第二开关管驱动电路的电源端接第二NMOS管的源极，第二NMOS管的漏极接输入电压VIN，第二NMOS管的栅极接第二电流源的一端，第二电流源的另一端接升压电荷泵；第二电流源的一端还通过第二齐纳二极管接第二开关管驱动电路的地端和第二开关管的源极；第三开关管的漏极接第二开关管的源极，第三开关管的栅极接第三开关管驱动电路的输出信号，第三开关管驱动电路的电源端接第二供电端BST2，BST2通过第二电容后接第三开关管驱动电路的地端和第三开关管的源极，BST2还通过第三二极管接BST3和第四开关管驱动电路的电源端；第四开关管的漏极接第三开关管的源极，第四开关管的栅极接第四开关管驱动电路的输出信号，第四开关管驱动电路的电源端接第三供电端BST3，第四开关管驱动电路的地端接第四开关管的源极；BST3通过第二开关和第四开关后接低压电源VCC；第二开关与第四开关的连接点通过第三电容后接第一开关和第三开关的连接点，第一开关的另一端接输出端VOUT，第三开关的另一端接地；第五开关管的漏极接第四开关管的源极，第五开关管的栅极接第五开关管驱动电路的输出信号，第五开关管驱动电路的电源端接第三开关管的源极，第五开关管驱动电路的电源端和地端之间具有第四电容，第五开关管驱动电路的地端接第五开关管的源极；第四电容与第五开关管驱动电路地端相连的一端还通过第五电容与第一电容连接，第五电容与第一电容的连接点接第一开关管的源极；第六开关管的漏极接第五开关管的源极，第六开关管的栅极接第六开关管驱动电路的输出端信号，第六开关管驱动电路的电源端接低压电源VCC，第六开关管驱动电路的地端与第六开关管的源极连接并接地；第七开关管的漏极接第四开关管的源极，第七开关管的栅极接第七开关管驱动电路的输出端信号，第七开关管驱动电路的电源端接第三NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极接第三电流源的一端，第三电流源的另一端接升压电荷泵，第三电流源还通过第三齐纳二极管接第七开关管驱动电路的地端，第三NMOS管的漏极接BST3，第七开关管驱动电路的地端接第七开关管的源极；第七开关管源极与第二开关管源极之间还具有第六电容；第八开关管的漏极接第七开关管的源极，第八开关管的栅极接第八开关管驱动电路的输出信号，第八开关管驱动电路的电源端接低压电源VCC，第八开关管驱动电路的地端接第八开关管的源极并接地；第五开关管漏极、第四开关管源极和第七开关管漏极的连接点接输出端VOUT；第一开关管驱动电路、第三开关管驱动电路、第五开关管驱动电路和第八开关管驱动电路输出的驱动信号同相，并且与第二开关管驱动电路、第四开关管驱动电路、第六开关管驱动电路和第七开关管驱动电路输出的驱动信号反相。
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