一种用于BUCK变换器的高速电平位移电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于BUCK变换器的高速电平位移电路。

背景技术

在BUCK变换器中，一般存在高低两种电源轨，一种是内部电源的低电源轨，一种是输入电压的高电源轨。BUCK变换器中的上功率管一般工作在高电源轨，下功率管工作在低电源轨。因此需要电平位移模块进行高低电源轨之间的电平信号传输，需要将用于低电源轨的逻辑电平转换为高电源轨的逻辑电平以使得后续模块正常工作。传统的电平位移电路(如图1所示)存在转换功率较大以及传播速度较慢的问题。因此电平位移电路的功耗、传播速度以及应用的电压范围是一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决现有的电平位移电路功耗大，传播延时大的问题，提出了一种用于BUCK变换器的高速电平位移电路。

本发明的技术方案是：一种用于BUCK变换器的高速电平位移电路，其特征在于，

所述电平位移电路包括由第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和由一个PMOS管和一个NMOS管构成的高电源轨反向器INV1、INV2、INV3、INV4构成：其中，

SW为BUCK变换器的上下功率管连接的开关节点电平，BST为BUCK变换器的自举充电输出端电平，INP和INN为相反信号，VOUT为电平位移电路输出端；

第一PMOS管MP1的栅极接输入信号PWM’, 源极接BST电位，漏极接INV1输入端；

第一NMOS管MN1的栅极接输入信号PWM，源极接SW电位，漏极接INV2输入端；

第二PMOS管MP2的栅极接INV4的输出端，源极接BST电位，漏极接第二NMOS管MN2的漏极和第三PMOS管MP3的漏极；

第三PMOS管MP3的栅极接R1一端，通过R1接SW电位，源极接INV1输入端，其栅极和源极间通过第一电容C1连接；

第四PMOS管MP4的栅极接INV3的输出端，源极接BST电位，漏极接第三NMOS管MN3的漏极和第五PMOS管MP5的漏极；

第五PMOS管MP5的栅极接R2一端，通过R2接SW电位，源极接INV2输入端，其栅极和源极通过第二电容C2连接；

第四NMOS管MN4的栅极接INV1输出端，源极接SW电位，漏极接INV1输入端；

第五NMOS管MN5的栅极接INV2输出端，源极接SW电位，漏极接INV2输入端；

第二NMOS管MN2的栅极接输入信号INP，源极接地；

第三NMOS管MN3的栅极接输入信号INN，源极接地；

INV1的输出端接INV3的输入端，INV2的输出端接INV4的输入端；

INV3的输出端和第四PMOS管MP4的栅极接电平位移电路输出端VOUT。

本发明的有益效果为，相对于传统的电平位移电路，加快了转换速度，降低转换延时。

附图说明

图1 传统的电平位移电路示意图。

图2 本发明提出的高速电平位移电路框架图。

图3 本发明提出的高速电平位移电路的仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

图1为传统电平位移电路示意图，当M1输入高电平，X点接GND电位。M2栅极输入为反向低电位，此时M4栅极X点电位被M1拉至地，Y点电位被M4抬升到BST电位。反之当M1输入低电平时，X点电位为高，Y点电位为地。由此得到Y点相位与输入端相位相同，电源轨为BST-GND的信号，从而完成低电源轨到高电源轨的切换。

图2为本发明的电平位移电路图。如图所示，本方案采用了电压切换幅度相对较小，且不存在低阻抗对地通路的电路结构，从而兼顾了电平位移电路模块的速度与功耗问题。其中，由于处于高压环境，因此部分MOS管采用耐高压的LDMOS。

本发明的工作原理是：

如图2所示，第二NMOS管MN2栅极接BUCK前端模块输出信号INP，第三NMOS管MN3栅极接INP的反向信号INN。当BUCK变换器的上功率管开启时，INP信号为高电平。当INP信号翻转至高电平时，第二NMOS管MN2漏极电压降低。由于INP信号翻转为高电平前，高电源轨反相器IN1的输入端为高电平，此时SW节点电位为GND，第三PMOS管MP3导通，反相器INV1输入端电位被拉低，通过两个反相器INV1和INV3输出电平位移电路输出信号VOUT被拉低，此时输出高电源轨的INP反相信号即INN。

同理，当BUCK变换器的上功率管关断，下功率管开启时，INP信号为低电平，电平位移电路输出端VOUT信号输出为低电源轨的高电平信号。

当BUCK变换器中的电感电流触碰到峰值之前，PWM比较器的输出信号为低，此时第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1均处于关闭状态。直到BUCK系统中发送关闭上功率管的信号时，PWM端输出被拉高，此时第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1均开启，反相器INV1的输入端电位也被拉高。由于第二NMOS管MN2栅极几乎同时翻转至低电平，此时产生的低阻抗损耗可忽略。通过采用第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1直接拉高电平位移电路输出端的状态，而非从第三NMOS管到第二PMOS管再传输到INV1至输出端的过程，大幅提高了信号切换速度。

并且在信号传输过程中第四PMOS管MP4和第三NMOS管MN3将在高电源轨状态下同时导通，将带来能量损耗。因此本发明直接引入BUCK变换器前端模块PWM比较器的信号至电平位移模块，保证了更高的切换速度并且有效避免了能量损耗。

反相器INV1和反相器INV2与第四NMOS管MN4和第五NMOS管MN5构成锁存结构，且因为采用的是高压的LDMOS，LDMOS与反相器组成的双环路也构成锁存结构，故相应速度较快且输出稳定。

图3所示为1MHz频率下12V转5V的典型应用下电平位移电路的输入及输出仿真波形图。如图3所示，输入信号为INP，当上功率管需要开启时，INP电位翻转至高电平，电平位移电路输出端电平被拉低。随后电源轨升高，输出端电位升至输入电压的至，即高电源轨的低电平信号；当上功率管需要关闭时，PWM比较器输出高电平使得输出拉高至BST电位，将信号传输到后级关断上功率管，开启下功率管，电源轨翻转到低，随后输出低电源轨的高电平信号。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。