CN208939826U - 适用于电源管理的电平转换模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微电子技术领域，尤其是适用于电源管理的电平转换模块；它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；功耗低：电平转换器采用电流偏置电路，偏置电流小；同时上拉电路采用双层P型MOS管控制，转换过程中产生的尖峰电流小；层数少：电平转换只用到P型高压薄栅管，其余均为低压管；转换速度快：电平转换器采用正反馈交叉互联电压采样比较的方式；可靠性高：电平转换器有上拉模块保护低压型P管，箝位模块保护低压N型管。
Description
技术领域
本实用新型涉及微电子技术领域，尤其是适用于电源管理的电平转换模块。
背景技术
图1为现有众所周知的降压型变换器，高边功率管PM1采用P型功率管，低边功率管NM1采用N型功率管，随着开关电源集成度的越来越高，高压功率管均集成到芯片内部，如果功率管采用薄栅功率管减小器件制造的层数，从而达到减少成本；为了驱动高边功率管PM1，高边的驱动电路DRIVER电源接VIN，地接VIN-5V的电压差，从而实现驱动高边功率管PM1的目的；同理，低边的驱动电路电源接VDD，地接GND；低边驱动电路需要通过电平转换器H2L_LEVELSHIFT将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路DRIVER监测高边功率管PM1的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器(也称为电平转换模块)即为图1中的H2L_LEVELSHIFT模块。
图2为现有众所周知的另一款降压型变换器，高边功率管NM2采用N型功率管，低边功率管NM1采用N型功率管。为了驱动高边功率管NM2，高边的驱动电路DRIVER电源接 SW+5V，地接SW，从而实现驱动高边功率管NM2的目的；同理，低边的驱动电路电源接 VDD，地接GND；低边驱动电路需要通过电平转换器H2L_LEVELSHIFT将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路DRIVER监测高边功率管NM2的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器为图2中的H2L_LEVELSHIFT 模块。
如图3所示，现有的电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电流比较模块。
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高时，关断PM2，导通PM1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当HV_DRIVER为低时，关断PM1，导通PM2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块NM1和NM2采用二极管连接的形式，吸收电平转换过程中产生的尖峰电流，从而实现一定的箝位功能，电流比较模块通过镜像管NM3和NM4镜像流过下拉模块中NM1和NM2 的电流，其中流过NM3电流经过PM3和PM4镜像，与NM4电流比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管，其余管子均为低压薄栅管；
HV_VCC：高压电平；
FLOAT_GND:为HV_VCC减5V电压差；
LV_VCC：低压电平；
GND:0V
现有技术的问题和缺点：
a、电平转换速度慢(因为电平转换器采用电流采样做比较的方式，低功耗小电流意味着速度慢，牺牲功耗可换取转换速度) ；
b、低压管存在被击穿可能(在HV_DRIVER转换瞬间，下拉管存在较大过冲，增大电流提高转换速度的同时，也增加了被击穿的风险) ；
如图4所示，现有的另一款电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电压比较模块。
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高时，关断PM2，导通PM1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当HV_DRIVER为低时，关断PM1，导通PM2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块NM1和NM2采用交叉互联正反馈的形式，快速将上拉模块产生的上拉电流转换为高电压HV_VCC到GND之间的电平信号，电压比较模块通过输入管NM3和NM4采样下拉模块中NM1和NM2的电压，经过交叉互联的PM3和PM4镜像，与NM4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管,PM3和PM4采用低压薄栅管，其余管子均为高压厚栅管；
现有技术的问题和缺点：
a、功耗大(因为在HV_DRIVER转换瞬间，存在上拉模块和下拉模块均存在直通情况，产生大电流)；
b、多层数(因为电平转换过程中，下拉管的电位能达到HV_VCC，需采用高压厚栅管)。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种电平转换速度快、低压管不容易被击穿、功耗较小的电平转换模块。
本实用新型的技术方案为：
适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管、PM2a场效管、PM1场效管和PM2场效管，所述PM1a场效管的漏极、PM2a场效管的漏极共同连接INV1反相器的VCC端、INV2反相器的VCC 端，所述INV1反相器的接地端、INV2反相器的接地端共同接地，所述PM1a场效管的栅极连接PM2场效管的栅极，所述PM2a场效管的栅极连接PM1场效管的栅极，所述PM1a场效管的源极连接PM1场效管的漏极，所述PM2a场效管的源极连接PM2场效管的漏极，所述PM1场效管的栅极连接INV1反相器的输出端，所述PM2场效管的栅极连接INV2反相器的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管、PM6场效管和PM7场效管，所述PM5场效管的漏极分别连接PM2a场效管的漏极、PM6场效管的漏极和PM7场效管的漏极，PM5场效管、 PM6场效管和PM7场效管的栅极共同连接PM7场效管的源极，所述PM7场效管的源极外接偏置电流模块(IBIAS)，所述PM5场效管的源极连接PM2场效管的漏极，所述PM6场效管的源极连接PM1场效管的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管和NM2a场效管，所述NM1a场效管的漏极和NM2a场效管的栅极共同连接PM1场效管的源极，所述NM1a场效管的栅极和NM2a场效管的漏极共同连接PM2场效管的源极，所述NM1a场效管的源极和NM2a场效管的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管和NM2场效管，所述NM1场效管的栅极和漏极连接NM1a场效管的漏极，所述NM2场效管的漏极和栅极连接NM2a场效管的漏极，所述NM1 场效管的源极和NM2场效管的源极共同连接NM2a场效管的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管、NM4场效管、PM3场效管和PM4场效管，所述 NM3场效管的栅极连接NM1场效管的漏极，所述NM4场效管的栅极连接NM2场效管的漏极，所述NM3场效管的源极和NM4场效管的源极共同连接NM2场效管的源极，所述PM3 场效管的源极和PM4场效管的栅极共同连接NM3场效管的漏极，所述PM4场效管的源极和 PM3场效管的栅极共同连接NM4场效管的漏极，所述PM3场效管的漏极连接PM4场效管的漏极，所述NM4场效管的漏极还连接INV3反相器的输入端，所述INV3反相器的输出端连接INV4反相器的输入端，所述INV3反相器和INV4反相器的VCC端共同连接PM4场效管的漏极，所述INV3反相器和INV4反相器的接地端共同连接NM4场效管的源极。
作为本实用新型的改进，所述PM1场效管的源极与NM1a场效管的漏极之间设有R1电阻，所述PM2场效管的源极与NM2a场效管的漏极之间设有R2电阻，所述NM1a场效管的漏极和源极之间设有C3电容，所述NM2a场效管的漏极和源极之间设有C4电容，所述PM1a 场效管的源极和漏极之间设有C1电容，所述PM2a场效管的源极和漏极之间设有C2电容。
本实用新型的有益效果为：功耗低：电平转换器采用电流偏置电路，偏置电流小；同时上拉电路采用双层P型MOS管控制，转换过程中产生的尖峰电流小；层数少：电平转换只用到P型高压薄栅管，其余均为低压管；转换速度快：电平转换器采用正反馈交叉互联电压采样比较的方式；可靠性高：电平转换器有上拉模块保护低压型P管，箝位模块保护低压N型管。
附图说明
图1为现有技术其中一款降压型变换器的电路图；
图2为现有技术另一款降压型变换器的电路图；
图3为现有技术其中一款电平转换器的电路图；
图4为现有技术另一款电平转换器的电路图；
图5为本实用新型实施例1的电路图；
图6为本实用新型实施例2的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
如图5所示，适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管(PM1a)、PM2a场效管(PM2a)、PM1场效管(PM1) 和PM2场效管(PM2)，所述PM1a场效管(PM1a)的漏极、PM2a场效管(PM2a)的漏极共同连接INV1反相器(INV1)的VCC端、INV2反相器(INV2)的VCC端，所述INV1 反相器(INV1)的接地端、INV2反相器(INV2)的接地端共同接地，所述PM1a场效管(PM1a) 的栅极连接PM2场效管(PM2)的栅极，所述PM2a场效管(PM2a)的栅极连接PM1场效管(PM1)的栅极，所述PM1a场效管(PM1a)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极，所述PM2a场效管(PM2a)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM1场效管(PM1) 的栅极连接INV1反相器(INV1)的输出端，所述PM2场效管(PM2)的栅极连接INV2反相器(INV2)的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)，所述PM5场效管(PM5)的漏极分别连接PM2a场效管(PM2a)的漏极、PM6场效管(PM6) 的漏极和PM7场效管(PM7)的漏极，PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7 场效管(PM7)的栅极共同连接PM7场效管(PM7)的源极，所述PM7场效管(PM7)的源极外接偏置电流模块(IBIAS)，所述PM5场效管(PM5)的源极连接PM2场效管(PM2) 的漏极，所述PM6场效管(PM6)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管(NM1a)和NM2a场效管(NM2a)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和NM2a场效管(NM2a)的栅极共同连接PM1场效管(PM1)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的栅极和NM2a场效管(NM2a)的漏极共同连接PM2场效管 (PM2)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的源极和NM2a场效管(NM2a)的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管(NM1)和NM2场效管(NM2)，所述NM1场效管(NM1)的栅极和漏极连接NM1a场效管(NM1a)的漏极，所述NM2场效管(NM2)的漏极和栅极连接NM2a场效管(NM2a)的漏极，所述NM1场效管(NM1)的源极和NM2场效管(NM2)的源极共同连接NM2a场效管(NM2a)的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管(NM3)、NM4场效管(NM4)、PM3场效管(PM3) 和PM4场效管(PM4)，所述NM3场效管(NM3)的栅极连接NM1场效管(NM1)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的栅极连接NM2场效管(NM2)的漏极，所述NM3场效管(NM3) 的源极和NM4场效管(NM4)的源极共同连接NM2场效管(NM2)的源极，所述PM3场效管(PM3)的源极和PM4场效管(PM4)的栅极共同连接NM3场效管(NM3)的漏极，所述PM4场效管(PM4)的源极和PM3场效管(PM3)的栅极共同连接NM4场效管(NM4) 的漏极，所述PM3场效管(PM3)的漏极连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的漏极还连接INV3反相器(INV3)的输入端，所述INV3反相器(INV3)的输出端连接INV4反相器(INV4)的输入端，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4) 的VCC端共同连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的接地端共同连接NM4场效管(NM4)的源极。
本实施例中：
上拉模块；接收高边驱动信号控制偏置电流关断，转换为低压控制电平信号；
电流偏置模块:为电平转换器提供翻转偏置电流；
下拉模块：接收节点net1和net2电平通过交叉互联正反馈，提高电平转换速度；
低压箝位模块：保证节点net1和net2电压在低压器件耐压承受的工作范围内，防止下拉模块和电压比较模块中的器件被击穿；
高压比较模块：采样节点net1和net2电压，通过交叉正反馈实现快速比较；
工作原理：电平转换器接收高边驱动器HV_DRIVER信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当HV_DRIVER为高电平时，关断PM2并导通PM2a,将PM2a的漏端上拉至HV_VCC 此时，节点net2被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通PM1并关断PM1a, 电流偏置模块中的PM6产生的电流流过上拉模块中的PM1管，上拉PM1a的漏端电压，防止PM1a管源漏击穿(PM1a采用低压普通管)，节点net1被偏置电流充电至高电平；当 HV_DRIVER为低电平时，关断PM1并导通PM1a,将PM1a的漏端上拉至HV_VCC此时，节点net1被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通PM2并关断PM2a,电流偏置模块中的PM5产生的电流流过上拉模块中的PM2管，上拉PM2a的漏端电压，防止PM2a管源漏击穿(PM2a采用低压普通管)，节点net2被偏置电流充电至高电平；箝位模块将节点net1 和节点net2电压限制在5V(低压薄栅管栅氧击穿电压一般是5V)范围内,防止下拉模块和电压比较模块中的低压N型管栅氧击穿；下拉模块NM1a和NM2a采用交叉互联正反馈的形式，快速将节点net1和net2电压转换为5V到GND之间的电平信号，电压比较模块通过输入管 NM3和NM4采样节点net1和net2电压，经过交叉互联的PM3和PM4镜像，与NM4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。
注：文中PM1和PM2采用高压薄栅管,其余管子均为低压薄栅管。
实施例2
如图6所示，所述PM1场效管(PM1)的源极与NM1a场效管(NM1a)的漏极之间设有R1电阻(R1)，所述PM2场效管(PM2)的源极与NM2a场效管(NM2a)的漏极之间设有R2电阻(R2)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和源极之间设有C3电容(C3)，所述 NM2a场效管(NM2a)的漏极和源极之间设有C4电容(C4)，所述PM1a场效管(PM1a) 的源极和漏极之间设有C1电容(C1)，所述PM2a场效管(PM2a)的源极和漏极之间设有 C2电容(C2)。
该电平转换器在图5的基础上增加了电容C1～C4和电阻R1～R2，组成滤波电路，防止电平转换过程中产生的尖峰，其他部分工作原理与实施例1相同。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理和最佳实施例，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。
Claims (2)
1.适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；
所述上拉模块包括PM1a场效管(PM1a)、PM2a场效管(PM2a)、PM1场效管(PM1)和PM2场效管(PM2)，所述PM1a场效管(PM1a)的漏极、PM2a场效管(PM2a)的漏极共同连接INV1反相器(INV1)的VCC端、INV2反相器(INV2)的VCC端，所述INV1反相器(INV1)的接地端、INV2反相器(INV2)的接地端共同接地，所述PM1a场效管(PM1a)的栅极连接PM2场效管(PM2)的栅极，所述PM2a场效管(PM2a)的栅极连接PM1场效管(PM1)的栅极，所述PM1a场效管(PM1a)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极，所述PM2a场效管(PM2a)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM1场效管(PM1)的栅极连接INV1反相器(INV1)的输出端，所述PM2场效管(PM2)的栅极连接INV2反相器(INV2)的输出端；
所述电流偏置模块包括PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)，所述PM5场效管(PM5)的漏极分别连接PM2a场效管(PM2a)的漏极、PM6场效管(PM6)的漏极和PM7场效管(PM7)的漏极，PM5场效管(PM5)、PM6场效管(PM6)和PM7场效管(PM7)的栅极共同连接PM7场效管(PM7)的源极，所述PM5场效管(PM5)的源极连接PM2场效管(PM2)的漏极，所述PM6场效管(PM6)的源极连接PM1场效管(PM1)的漏极；
所述下拉模块包括NM1a场效管(NM1a)和NM2a场效管(NM2a)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和NM2a场效管(NM2a)的栅极共同连接PM1场效管(PM1)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的栅极和NM2a场效管(NM2a)的漏极共同连接PM2场效管(PM2)的源极，所述NM1a场效管(NM1a)的源极和NM2a场效管(NM2a)的源极共同接地；
所述低压箝位模块包括NM1场效管(NM1)和NM2场效管(NM2)，所述NM1场效管(NM1)的栅极和漏极连接NM1a场效管(NM1a)的漏极，所述NM2场效管(NM2)的漏极和栅极连接NM2a场效管(NM2a)的漏极，所述NM1场效管(NM1)的源极和NM2场效管(NM2)的源极共同连接NM2a场效管(NM2a)的源极；
所述电压比较模块包括NM3场效管(NM3)、NM4场效管(NM4)、PM3场效管(PM3)和PM4场效管(PM4)，所述NM3场效管(NM3)的栅极连接NM1场效管(NM1)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的栅极连接NM2场效管(NM2)的漏极，所述NM3场效管(NM3)的源极和NM4场效管(NM4)的源极共同连接NM2场效管(NM2)的源极，所述PM3场效管(PM3)的源极和PM4场效管(PM4)的栅极共同连接NM3场效管(NM3)的漏极，所述PM4场效管(PM4)的源极和PM3场效管(PM3)的栅极共同连接NM4场效管(NM4)的漏极，所述PM3场效管(PM3)的漏极连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述NM4场效管(NM4)的漏极还连接INV3反相器(INV3)的输入端，所述INV3反相器(INV3)的输出端连接INV4反相器(INV4)的输入端，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的VCC端共同连接PM4场效管(PM4)的漏极，所述INV3反相器(INV3)和INV4反相器(INV4)的接地端共同连接NM4场效管(NM4)的源极。
2.根据权利要求1所述的适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：所述PM1场效管(PM1)的源极与NM1a场效管(NM1a)的漏极之间设有R1电阻(R1)，所述PM2场效管(PM2)的源极与NM2a场效管(NM2a)的漏极之间设有R2电阻(R2)，所述NM1a场效管(NM1a)的漏极和源极之间设有C3电容(C3)，所述NM2a场效管(NM2a)的漏极和源极之间设有C4电容(C4)，所述PM1a场效管(PM1a)的源极和漏极之间设有C1电容(C1)，所述PM2a场效管(PM2a)的源极和漏极之间设有C2电容(C2)。
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| GR01 | Patent grant | ||
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