專利名稱：寬輸出范圍的同步降壓-升壓型dc-dc轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及模擬集成電路，特別是一種寬輸出范圍的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路。
背景技術(shù)：
在降壓-升壓型DC-DC的典型拓撲結(jié)構(gòu)中，通常采用肖特基二極管作為續(xù)流功率管。但由于肖特基二極管的正向?qū)▔航递^大，在工作時所產(chǎn)生的損耗也較大，限制了轉(zhuǎn)換器的效率的提高，于是同步整流技術(shù)應(yīng)運而生。同步整流技術(shù)采用金屬氧化物MOS管替代肖特基二極管，由于續(xù)流功率MOS管的導(dǎo)通壓降遠遠小于肖特基二極管的正向?qū)▔航?，降低了續(xù)流功率管在工作時所產(chǎn)生的損耗，大大提高了轉(zhuǎn)換器的效率。然而續(xù)流功率MOS管無法隨電感兩端電壓的變化自動地導(dǎo)通與截止，故需要一個驅(qū)動電路控制續(xù)流功率MOS管導(dǎo)通與截止以實現(xiàn)整流功能。圖1顯示了傳統(tǒng)負壓輸出的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖。如圖ι所示，傳統(tǒng)續(xù)流功率MOS管的驅(qū)動電路的低電平輸入端B與降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出Vout相連接，高電平輸入端A連接到零電平，故驅(qū)動電路的電源與地之間的壓差就等于轉(zhuǎn)換器輸出與零電平之間的壓差。然而通常驅(qū)動電路中的器件均采用低壓工藝，為了防止驅(qū)動電路中的器件以及續(xù)流功率MOS管高壓擊穿，輸出電壓必須設(shè)計在一定的范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致輸出電壓的變化范圍即輸出動態(tài)范圍減小，限制了轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的不足，提出了一種寬輸出范圍的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，以增大轉(zhuǎn)換器的輸出動態(tài)范圍。為實現(xiàn)上述目的，包括開關(guān)功率管Ml、續(xù)流功率管M2、PM0S驅(qū)動電路、NMOS驅(qū)動電路、儲能電感L和輸出濾波電容Cout ；PMOS驅(qū)動電路的輸出連接開關(guān)功率管Ml的柵極，該功率管Ml的源極接直流電源，儲能電感L跨接于Ml的漏極與零電平之間；NMOS驅(qū)動電路的輸出連接到M2的柵極，用于驅(qū)動續(xù)流功率管M2，該續(xù)流功率管M2的漏極與開關(guān)功率管Ml 的漏極相連，M2的源極為降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Vout ；輸出電容Cout跨接于輸出電壓Vout與零電平之間；其特征在于NM0S驅(qū)動電路連接有電平移位電路，用于為NMOS驅(qū)動電路提供電源；所述電平移位電路，包括誤差放大器EA、基準(zhǔn)電流源I1和外圍電阻；該基準(zhǔn)電流源I1 一端接直流電源VIN，另一端通過電阻R3、R4連接到輸出電壓Vout ；基準(zhǔn)電流源I1與 R3的公共端接到誤差放大器EA的偏置端A，為誤差放大器EA提供電壓偏置；誤差放大器EA 的正輸入端VR與電阻R3和R4的公共端相連，輸出端通過電阻R1、R2接到輸出電壓Vout ； 誤差放大器EA的負輸入端與電阻Rl和R2的公共端相連，構(gòu)成負反饋環(huán)路。上述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其中誤差放大器EA，包括差分輸入級、箝位電路、補償網(wǎng)絡(luò)和源、漏極之間耐壓值大于12V的高壓PMOS管M3 ；該差分輸入級設(shè)有兩個輸入端、一個偏置端、一個補償端和一個輸出端；兩個輸入端分別作為誤差放大器EA的正輸入端VR和負輸入端VF ；高壓PMOS管M3的柵極與差分輸入級的輸出端連接，源極與直流電源VIN相連； 箝位電路連接在高壓PMOS管M3的源極與柵極之間，用于對M3的柵極進行箝位，M3的漏極通過補償網(wǎng)絡(luò)連接到差分輸入級的補償端，作為誤差放大器的輸出。上述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其中差分輸入級，包括源、漏極之間耐壓值大于12V的兩個高壓NMOS管M6、M7，兩個任意極之間耐壓值小于5V的低壓PMOS管M4、M5和低壓NMOS 管M8、M9及電流源I2 ；該低壓NMOS管M8與M9的源極相連構(gòu)成差分對并連接到電流源12， 柵極分別作為差分輸入級的兩個輸入端；低壓NMOS管M8的漏極與高壓NMOS管M6的源極相連并作為補償端連接到補償網(wǎng)絡(luò)；低壓NMOS管M9的漏極與高壓NMOS管M7的源極相連； 高壓NMOS管M6與M7的柵極相連作為偏置端；低壓PMOS管M4與M5的柵極相連組成有源電流鏡結(jié)構(gòu)，M4和M5的漏極分別與高壓NMOS管M6和M7的漏極相連；低壓PMOS管M4的漏極作為輸出端連接到高壓PMOS管M3的柵極。上述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其中箝位電路，包括三個低壓PMOS管M10、M11和M12，這三個低壓PMOS管串聯(lián)連接在高壓PMOS管M3的源極和柵極之間，它們的柵極分別與各自的漏極相連，構(gòu)成二極管接法，對高壓PMOS管M3的柵極電壓進行箝位。上述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其中補償網(wǎng)絡(luò)，包括電阻R5和電容Cl，該電阻R5與電容 Cl串聯(lián)跨接于高壓PMOS管M3的漏極與高壓NMOS管M6的源極之間，用于環(huán)路補償。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于添加了一個電平移位電路為驅(qū)動電路供電，以使邏輯驅(qū)動電平可隨降壓-升壓型DC-DC輸出的不同而變化，在保護驅(qū)動模塊中低壓器件以及同步管的同時有效地增大了輸出動態(tài)范圍。(2)本發(fā)明由于在電平移位電路中設(shè)有誤差放大器EA，且該誤差放大器的反相端電壓始終等于降壓-升壓型DC-DC的輸出電壓Vout與固定電壓之和，以使續(xù)流功率管的柵極和源極電壓差保持恒定，保證了轉(zhuǎn)換器的效率以及輸出電壓均不受電源和輸出變化的影響，進一步提高了轉(zhuǎn)換器輸出的電源抑制比PSRR。


圖1為傳統(tǒng)的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明DC-DC轉(zhuǎn)換電路的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中電平移位電路的方框圖；圖4為本發(fā)明電平移位電路中的誤差放大器EA結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明中電平移位電路的電路原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及其實施例對本發(fā)明作進一步描述。參照圖2，本發(fā)明的寬輸出范圍的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路包括開關(guān)功率管Ml、續(xù)流功率管M2、PMOS驅(qū)動電路、NMOS驅(qū)動電路、電平移位電路、儲能電感L和輸出濾波電容Cout ；該PMOS驅(qū)動電路的高電平輸入端A與直流電源VIN相連，低電平輸入端B 接零電平，輸出端C連接到開關(guān)功率管Ml的柵極，用于驅(qū)動開關(guān)功率管Ml ；該開關(guān)功率管Ml的源極連接到直流電源VIN，漏極通過儲能電感L接到零電平；電平移位電路的高電平輸入端A與直流電源VIN相連，低電平輸入端B與NMOS驅(qū)動電路的低電平輸入端B相連，并連接到續(xù)流功率管M2的源極；該NMOS驅(qū)動電路的高電平輸入端A與電平移位電路的輸出端C相連，輸出端C連接到續(xù)流功率管M2的柵極，用于驅(qū)動續(xù)流功率管M2 ；該續(xù)流功率管 M2的漏極與開關(guān)功率管Ml的漏極相連，源極為降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓 Vout ；輸出電容Cout跨接于輸出電壓Vout與零電平之間。參照圖3和圖5，所述的電平移位電路，包括誤差放大器EA、基準(zhǔn)電流源I1和電阻 R1、R2、R3、R4，其中誤差放大器EA如圖4所示，它包括差分輸入級、箝位電路、補償網(wǎng)絡(luò)和源、漏極之間耐壓值大于12V的高壓PMOS管M3。其中所述差分輸入級，包括源、漏極之間耐壓值大于12V的兩個高壓NMOS管M6、M7，兩個任意極之間耐壓值小于5V的低壓PMOS管M4、M5和低壓匪OS管M8、M9及電流源12，該低壓PMOS管M4與M5的柵極相連組成電流鏡結(jié)構(gòu)，低壓PMOS管M5的柵極與漏極相連，并通過高壓NMOS管M7連接到低壓NMOS管M9的漏極；該低壓PMOS管M4的漏極通過高壓匪OS 管M6連接到低壓NMOS管M8的漏極；該高壓NMOS管M6與M7的柵極相連作為誤差放大器 EA的偏置端A，用于保護低壓NMOS管M8、M9 ；該低壓NMOS管M8與M9的源極相連構(gòu)成差分對并連接到電流源12，M8的柵極作為誤差放大器EA的正輸入端VR，M9的柵極作為誤差放大器EA負輸入端VF;所述箝位電路，包括三個低壓PMOS管M10、M11和Ml2，這三個低壓PMOS管串聯(lián)連接在高壓PMOS管M3的源極和柵極之間，它們的柵極分別與各自的漏極相連，構(gòu)成二極管接法，對高壓PMOS管M3的柵極電壓進行箝位；所述補償網(wǎng)絡(luò)，包括電阻R5和電容Cl，該電阻R5與電容Cl串聯(lián)跨接于高壓PMOS 管M3的漏極與高壓NMOS管M6的源極之間，用于環(huán)路補償；所述高壓PMOS管M3的柵極與低壓PMOS管M4的漏極相連，源極與直流電源VIN 相連，漏極作為誤差放大器的輸出端。該基準(zhǔn)電流源I1 一端接直流電源VIN，另一端通過電阻R3、R4連接到輸出電壓 Vout ；基準(zhǔn)電流源I1與R3的公共端接到誤差放大器EA的偏置端A，為誤差放大器EA提供電壓偏置；該誤差放大器EA的正輸入端VR連接到電阻R3和R4的公共端，輸出作為電平移位電路的輸出端通過電阻Rl、R2接到輸出電壓Vout ；負輸入端VF與電阻Rl與R2的公共相連。本發(fā)明的具體工作原理是同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，PMOS驅(qū)動電路和 NMOS驅(qū)動電路產(chǎn)生具有相同占空比的周期信號，分別用來控制開關(guān)功率管Ml和續(xù)流功率管M2的導(dǎo)通與截止。NMOS驅(qū)動電路的電源由電平移位電路提供，該電平移位電路中誤差放大器EA的正輸入端VR的電壓Vvk為Vve = Vout+IXR4(l)由公式(1)可得VVE-Vout = I X R4 (2)其中I為基準(zhǔn)電流源I1的輸出電流，由公式(2)可以看出VR端電壓Vvk與輸出電壓Vout之間的差值恒等于恒定電流I與R4的乘積，合理的選擇R4和基準(zhǔn)電流源I1，可以使Vvk與Vout的壓差保持低壓。
根據(jù)理想運算放大器的正輸入端與負輸入虛短路性質(zhì)，可知誤差放大器的輸出電壓，即電平移位的輸出電壓Vdd為
權(quán)利要求
1.一種寬輸出范圍的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，包括開關(guān)功率管Ml、續(xù)流功率管M2、PMOS驅(qū)動電路、NMOS驅(qū)動電路、儲能電感L和輸出濾波電容Cout ；PMOS驅(qū)動電路的輸出連接開關(guān)功率管Ml的柵極，該功率管Ml的源極接直流電源，儲能電感L跨接于Ml的漏極與零電平之間；NMOS驅(qū)動電路的輸出連接到M2的柵極，用于驅(qū)動續(xù)流功率管M2，該續(xù)流功率管M2的漏極與開關(guān)功率管Ml的漏極相連，M2的源極為降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Vout ；輸出電容Cout跨接于輸出電壓Vout與零電平之間；其特征在于NM0S 驅(qū)動電路連接有電平移位電路，用于為NMOS驅(qū)動電路提供電源；所述電平移位電路，包括誤差放大器EA、基準(zhǔn)電流源I1和外圍電阻；該基準(zhǔn)電流源I1 一端接直流電源VIN，另一端通過電阻R3、R4連接到輸出電壓Vout ；基準(zhǔn)電流源I1與R3的公共端接到誤差放大器EA的偏置端A，為誤差放大器EA提供電壓偏置；誤差放大器EA的正輸入端VR與電阻R3和R4的公共端相連，輸出端通過電阻R1、R2接到輸出電壓Vout ；誤差放大器EA的負輸入端與電阻Rl和R2的公共端相連，構(gòu)成負反饋環(huán)路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其特征在于誤差放大器EA，包括差分輸入級、箝位電路、補償網(wǎng)絡(luò)和源、漏極之間耐壓值大于12V的高壓PMOS管M3 ；該差分輸入級設(shè)有兩個輸入端、一個偏置端、一個補償端和一個輸出端；兩個輸入端分別作為誤差放大器 EA的正輸入端VR和負輸入端VF ；高壓PMOS管M3的柵極與差分輸入級的輸出端連接，源極與直流電源VIN相連；箝位電路連接在高壓PMOS管M3的源極與柵極之間，用于對M3的柵極進行箝位，M3的漏極通過補償網(wǎng)絡(luò)連接到差分輸入級的補償端，作為誤差放大器的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述差分輸入級，包括源、漏極之間耐壓值大于12V的兩個高壓匪OS管M6、M7，兩個任意極之間耐壓值小于5V的低壓PMOS 管M4、M5和低壓NMOS管M8、M9及電流源I2 ；該低壓NMOS管M8與M9的源極相連構(gòu)成差分對并連接到電流源I2，柵極分別作為差分輸入級的兩個輸入端；低壓NMOS管M8的漏極與高壓NMOS管M6的源極相連并作為補償端連接到補償網(wǎng)絡(luò)；低壓NMOS管M9的漏極與高壓 NMOS管M7的源極相連；高壓NMOS管M6與M7的柵極相連作為偏置端；低壓PMOS管M4與 M5的柵極相連組成有源電流鏡結(jié)構(gòu)，M4和M5的漏極分別與高壓NMOS管M6和M7的漏極相連；低壓PMOS管M4的漏極作為輸出端連接到高壓PMOS管M3的柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述箝位電路，包括三個低壓 PMOS管M10、Mll和M12，這三個低壓PMOS管串聯(lián)連接在高壓PMOS管M3的源極和柵極之間，它們的柵極分別與各自的漏極相連，構(gòu)成二極管接法，對高壓PMOS管M3的柵極電壓進行箝位。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，其特征在于所述補償網(wǎng)絡(luò)，包括電阻R5和電容Cl，該電阻R5與電容Cl串聯(lián)跨接于高壓PMOS管M3的漏極與高壓NMOS管M6的源極之間，用于環(huán)路補償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬輸出范圍的同步降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換電路，主要解決現(xiàn)有技術(shù)輸出動態(tài)范圍小的問題。該電路包括開關(guān)功率管M1、續(xù)流功率管M2、PMOS驅(qū)動電路、NMOS驅(qū)動電路、電平移位電路、儲能電感L和輸出濾波電容Cout；PMOS驅(qū)動電路和NMOS驅(qū)動電路分別與開關(guān)功率管M1和續(xù)流功率管M2的柵極相連，用于驅(qū)動M1和M2導(dǎo)通與截止；電平移位電路的輸出連接到NMOS驅(qū)動電路的電源輸入端，以使續(xù)流功率管M2的柵極電壓可隨降壓-升壓型DC-DC的輸出Vout的不同而變化，當(dāng)M2導(dǎo)通時，其柵極和源極電壓之間的差值始終保持恒定。本發(fā)明有效地增大了轉(zhuǎn)換器的輸出動態(tài)范圍且提高了轉(zhuǎn)換器輸出的電源抑制比，可用于采用DC-DC開關(guān)電源的設(shè)備中。
文檔編號H02M3/157GK102497102SQ20111044278
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者葉強, 張宇苗, 張震, 來新泉, 邵麗麗 申請人:西安啟芯微電子有限公司