无二极管的高压BUCK芯片低功耗自举供电电路设计*

2014-09-28冯全源

电子器件 2014年1期

关键词：低端导通二极管

苟静，冯全源

(西南交通大学信息科学与技术学院微电子研究所，成都610031)

无二极管的高压BUCK芯片低功耗自举供电电路设计*

苟静，冯全源*

(西南交通大学信息科学与技术学院微电子研究所，成都610031)

BUCK芯片中传统的自举电路都需要一个肖特基二极管，由于工艺限制，用普通二极管并联得到，这种做法很占芯片面积，不利于芯片集成。采用新颖的自举电路，用一个高压PMOS管代替了传统结构中的二极管，其电流导通能力更强，导通压降更小，并且能够在更广泛的工艺上实现。该电路还实现了整流管全集成供电，相对于用普通二极管做的自举电路模块节省了约8.9%的面积，并且进一步降低了功耗。电路基于0.5μm BCD工艺库，利用Cadence和Hspice软件进行电路仿真，在芯片系统典型应用环境下仿真得到BS引脚电压比LX引脚高约4.56 V，静态电流42.82μA。

BUCK芯片;自举电路;肖特基二极管;低功耗

DC/DC BUCK芯片以其效率高、输出电流大、功耗低等优点被广泛应用于便携式设备中。为这些设备提供电源管理时，常应用具有高转换率的DCDC转换器，为了减小设备体积和重量，电源模块必须最小化，因此，实现转化器的高转换效率以及高集成度成为一种趋势［1］。

目前很多电路中都采用NMOSFET功率管作为开关管，而不采用P型功率管，因为版图布局时相同的导通电阻Rds(on)和栅源电压Vgs，NMOSFET功率管需要的面积较小［2］。但功率管尺寸仍然较大，MOS管的寄生电容大，一般情况下NMOS开关管的栅极电容高达几十皮法(pF).［3］。我们采用电压自举技术来提升栅极电压，从而增强门的驱动能力［4］，使NMOS功率开关管工作在线性放大区。

传统的自举电路都需要肖特基二极管(导通压降小)，由于工艺限制，一般采用普通二极管并联替代，很占芯片面积。针对这个问题，本文所采用的自举电路采用低端管的供电电源给BS充电，作为打开高端管的驱动电路电源。将高低端管的驱动电路电源集成，无二极管，从而节约了芯片面积。

1 自举电路的工作原理

自举电路的本质就是利用电容两端电压瞬间不能突变的特点来改变电路中某一点的瞬时电位［5］。

传统典型的自举电路框图如图1所示，其工作原理如下:首先电源电压VL给自举电容C充电，使BS点的电压比SW点的电压高ΔV(ΔV由电源电压与二极管导通压降差决定)。信号CTR_H0和CTR _H1使M1导通，SW点的电压上升至VIN，电容的自举作用使得BS点的电压在原来ΔV的基础上也随之上升至ΔV+VIN(如果忽略驱动电路引起电容C的放电作用，那么BS将始终比SW高ΔV。)，然后通过高端驱动(High Driver)，把BS点的电压切换到M1的栅极输入端，M1的栅源电压就维持在ΔV，可以使M1充分导通;反之，High Driver就把SW点的电压切换到M1的栅极输入端，使M1的栅源电压保持为零，使M1截止［6］。

图1 传统的自举电路框图

图中的二极管有两个作用:一是正向导通时，VL给BS充电;二是高端管开启，BS电压比VIN还高，二极管反偏截止，防止BS回流到VL。电路中采用二极管，并且高低端驱动电路用不同的电源供电，这样很占芯片面积，针对这个弊端，本文采用了一个新颖的电路来替代二极管。

2 无二极管、低功耗自举电路的设计

本文采用的电路无需二极管，且高低端整流管都由同一个稳压器供电，具体框图如图2所示。工作原理为:当DRVL=1时，低端管打开(LX=0)，供电电源V_LSD给低端管驱动电路供电，与此同时通过低端管的DRVL形成两路反馈信号:一路反馈信号通过反相器I1，再经过一个同相的Level shift和一个反相器链来驱动PMOS管P1(为了减小V_LSD到BS的压降，P1管的Rds(on)要小，故尺寸较大，栅极电容较大，需要反相器链来驱动)，此时A=0，P1打开，V_LSD给BS和LX之间的自举电容C充电，直至V_LSD;另一路反馈信号通过反相器I2，经过一个反相器链延时(调节CF电容使这路信号的延时比DRVL信号反馈到A点的延时大)输入到High Driver的HS_en，其为使能信号，此时为低电平，故High Driver未工作，高端管未开启。

当DRVL=0时，低端管关闭，反馈信号A=1，先将PMOS P1关闭，然后通过I2的反馈信号才将HS_en翻转为高电平，使能有效，High Driver工作。因为低端管开启时自举电容上已经有了一个值为V_LSD的电压，高端管开启时，LX=VIN，电容电压不能突变，故BS=VIN+V_LSD，DRVH为BS电压，功率管M1上的栅源极压差保持在一个V_LSD左右，足以使其开启。

图2 本文所采用的自举电路框图

该电路具体工作时序如图3所示。

图3 工作时序图

根据分析可以得知，该电路的优点为:采用时序来控制BS的电平，用一个高压PMOS替代传统电路中的二极管，其电流导通能力更强，导通压降更小，性能更好;高端管和低端管采用同一个电源供电。值得注意的是:低端管关闭切换到高端管开启时，为了防止BS电压回流到V_LSD，一定要先将P1关闭。

3 整流管供电集成稳压器实现

本文对自举电路中高低整流管的供电稳压器也做了相应的改进，实现了集成供电，如图4所示。

其中I为偏置电流，给整个模块供电，Vref为基准电压，先经过第1级比较然后输入到共源共栅级电路进行第2级放大，OUT1为输出，C1和C2的作用分别是补偿一个主极点和一个零点，改善相位裕度，提高系统稳定性。M19、M17、M9和R2构成了负反馈环路，最终使OUT1稳定在某个电压值。OUT1给M10提供栅极电压，M10和R3构成源极跟随器，最终使V_LSD电压稳定。当DRVL=1时，A=0，P1导通使BS=V_LSD。即V_LSD同时作为高低端管的电源，实现了整流管供电集成。M9和 M10采用NLDMOS，可以增强栅极对漏极电流驱动能力。K为V_LSD的开关，K=1时，V_LSD=0。其框架图如图5所示。

图4 整流管供电集成的稳压器电路

图5 图4的框架图

从输入到OUT1的增益为［7-8］:从OUT1到V_LSD为源极跟随器，增益为:

则，从输入到输出的总增益为:

其主极点为:

零点为:

由式(1)～式(5)，可以根据需要调节稳压器的增益和零点、极点使相位裕度满足要求，系统响应较快。同时调节R2也可以改变V_LSD。

4 仿真结果与分析

先进行模块单独仿真，仿得指标如下:

仿真条件:采用0.5μm BCD工艺，仿真了VIN=8 V，12 V，15 V，TEMP=-40℃，25℃，85℃，125℃，tt、ff、ss等6个工艺角，该稳压器的环路增益和相位如图6所示。

图6 环路增益和相位

仿真结果:其增益为54.14 dB～60.59 dB，相位裕度在84.10°～86.95°之间，满足要求。

当VIN=12 V，tt工艺角，温度25℃，外接自举电容为0.1μF时瞬态和静态电流仿真结果如图7所示。

仿真结果表明在低端管开启时，V_LSD和BS都能稳定在5 V，低端管关闭时，P1关闭，V_LSD不再给BS充电，由于外接自举电容上已有5 V电压，开始放电以维持BS电平。此为单仿，DRVL=0时，低端管关闭而高端管并未打开，BS最后稳定在4.4 V左右。而在实际应用时，高低端管开关频率很高，下一个周期来临时V_LSD又给BS充电，BS和LX的差值能保持在4.4 V以上，故可以保证NMOSFET功率管完全打开。综上，本文采用的低端管电源和自举电路相结合的电路确实可以实现，并且由图7(b)可以看出其静态电流为42.82μA，与传统的自举电路电路相比降低了近一半的功耗。

最后，我们将该模块电路应用于实际系统中，并将供电电源VIN变化10%，tt、ff、ss等6个corner的仿真结果如图8所示。

图7 瞬态和总静态电流仿真

图8 系统仿真结果

从系统仿真我们可以看到该电路在系统中正常工作，在低端管开启的瞬间V_LSD要同时给BS和Low Driver供电，最差的Case电压瞬间下坠至2.52 V，但是很快恢复到4.5 V左右，对Low Driver供电没有影响，而高低端管开关切换时，BS和LX的压差始终保持在4.57 V以上，足以给High Driver供电，系统正常工作。

5 结论

针对自举电路采用多个普通二极管来替代肖特基二极管的做法，其占用大量芯片面积，本文采用的自举电路不仅实现了无二极管的自举功能，还实现了高低端整流管全集成供电，从两方面节省了芯片面积，且功耗较低，无论是从芯片的面积还是功耗考虑，它都表现出了很大的优越性，对于BUCK DC/DC芯片具有很大的参考价值。

［1］郑浩，刘岩，王道平.采用BCDMOS技术的电流模降压型DCDC转换器功率级设计［J］.电子技术应用，2011，37(4):48.

［2］Jader A，De Lima，Wallace A Pimenta.A Current-Mode Active Clampling for Boostrap Circuit Applied to DC/DC Buck Converters［C］//Circuits and Systems，2009.ISCAS 2009.IEEE International Symposium on.

［3］潘华兵，来新泉，贾立刚.一种低电压高频率采用自举电路的BiCOMS驱动电路［J］.世界电子元器件，2004(3):65-67.

［4］彭刚.低压低功耗集成电路中电压自举电路的分析与设计［D］.成都:电子科技大学，2010:3-5.

［5］李东超，戴庆元，林刚磊，等.一种应用于DC/DC转换器的自举电路设计［J］.电子器件，2009，32(1):87-88.

［6］赵新毅.基于BCD工艺的单片BUCK DC/DC变换器芯片设计［D］.西安:西安科技大学，2006:32-33.

［7］毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，2003:57-58，249.

［8］魏廷存，陈莹梅，胡正飞.模拟CMOS集成电路设计［M］.北京:清华大学出版社，2010:88-90.

A Low Consumption Bootstrap Power Supply Circuitwithout Diode for Buck Converter*

GOU Jing，FENGQuanyuan*
(Institute of Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Traditional bootstrap circuit of Buck converter requires a Schottky diode，or common diodes in parallel are adopted to realize the same performance due to process limitation.However，thosemethods result in large chip area，and further the incapacity of integrating.A novel bootstrap circuit is introduced by using a high voltage PMOS instead of the diode in the traditional structure.The PMOSexhibits stronger current conduction ability and smaller conduction voltage drop.The proposed circuit can bemanufactured by a wider range of processes.Moreover，the proposed circuit also presents a full integrated rectifier tube power supply and reduces power consumption，the chip area saves about 8.9%relative to the bootstrap circuitmodule using ordinary diodes.The proposed circuit is verified by using Cadence and Hspice software based on 0.5μm BCD library.Simulation results show that，under the typical application environments，the voltage of BSminus LX is about4.56V，and supply quiescent current is 42.82μA.

BUCK chips;bootstrap circuit;schottky diode;low power consumption

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.008

TN433 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0030-04

项目来源:国家自然科学基金项目(60990320，60990323，61271090);国家高技术研究发展(863)计划基金项目(2012AA012305);四川省科学与技术支持项目(2012GZ0101)

2013-05-18修改日期:2013-06-17

EEACC:1210

苟静(1988-)，女，汉族，四川省南充市人，硕士研究生。研究方向为模拟集成电路设计;