[發明專利]四開關管升降壓變換器自適應電荷泵控制電路及控制方法

在審

• 申請號: 202110392471.1
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113315371A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 王紅義;陳帥謙;劉童博;陶韜;毛豪
• 申請（專利權）人: 西安拓爾微電子有限責任公司
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156;H02M1/08;H03K17/687
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

1.一種四開關管升降壓變換器自適應電荷泵控制電路，包括P溝道增強型MOS管MP1-MP13，N溝道增強型MOS管MN1-MN12，分壓電阻R1-R4，反相器I1-I2，其特征在于：

所述四開關管升降壓變換器自適應電荷泵控制電路，還包括VCC端口、SWBAT端口、BTBAT端口、電荷泵電路模塊和固定偏置電流模塊，所述VCC端口與電源輸入端連接，所述SWBAT端口與開關管上管子連接；

所述P溝道增強型高壓MOS管MP1源極端連接BTAT端，柵極漏極接外部固定電路模塊和P溝道增強型高壓MOS管MP2的柵極；所述P溝道增強型高壓MOS管MP3源極端連接MP1的漏極，柵極漏極接外部固定電路模塊和P溝道增強型高壓MOS管MP4的柵極；所述電阻R1一端與MP3漏極端相連，另外一端與SWBAT端相連；所述P溝道增強型高壓MOS管MP12、MP13還有電阻R4串聯，其中M12源極端與M13的漏極端相連，電阻R1和P溝道增強型高壓MOS管MP1，MP2，MP3和MP4共同組成電流鏡電路，把BTAT端與SWBAT的壓差鏡像到電流鏡右端，所述電阻R4和P溝道增強型高壓MOS管MP12和MP13將電流鏡電流導通到地。

所述P溝道增強型MOS管MP5源極連接所述電源VCC端，P溝道增強型MOS管MP5的柵極漏極連接P溝道增強型MOS管MP6的柵極，它的源極連接電源VCC端，共同構成一個電流鏡電路模塊，P溝道增強型MOS管MP7連接P溝道增強型MOS管MP6的漏極，以電流鏡的輸出作為MP7的柵極電壓；

所述P溝道增強型MOS管MP9源極連接所述電源VCC端，P溝道增強型MOS管MP9的柵極漏極連接P溝道增強型MOS管MP10的柵極，它們共同構成一個電流鏡電路模塊，P溝道增強型MOS管MP11的源極連接P溝道增強型MOS管MP10的漏極，P溝道增強型MOS管MP8的柵極連接反相器I2的輸出端，源極連接電源端VCC，漏極連接電阻R3的上端；

所述N溝道增強型MOS管MN1的柵極與P溝道增強型MOS管MP4的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN1的漏極與P溝道增強型MOS管MP5的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN2的柵極與P溝道增強型MOS管MP6的漏極相連,N溝道增強型MOS管MN2的柵極與電阻R3的下端相連，N溝道增強型MOS管MN2的源極與N溝道增強型MOS管MN1的源極相連；

所述N溝道增強型MOS管MN3的漏極連接固定偏置電流模塊，N溝道增強型MOS管MN3的漏極與柵極相連，N溝道增強型MOS管MN7漏極與N溝道增強型MOS管MN3的源極相連，N溝道增強型MOS管MN7的柵極與N溝道增強型MOS管MN3的柵極相連，N溝道增強型MOS管MN4的柵極、N溝道增強型MOS管MN5的柵極、N溝道增強型MOS管MN6的柵極、N溝道增強型MOS管MN7的柵極、N溝道增強型MOS管MN8的柵極、N溝道增強型MOS管MN9的柵極還有N溝道增強型MOS管MN10的柵極都與N溝道增強型MOS管MN3的柵極相連；其中N溝道增強型MOS管MN4的源極與N溝道增強型MOS管MN8的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN5的源極與N溝道增強型MOS管MN9的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN6的源極與N溝道增強型MOS管MN10的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN3、N溝道增強型MOS管MN7和N溝道增強型MOS管MN4、N溝道增強型MOS管MN8共同組成一組電流鏡模塊電路，N溝道增強型MOS管MN3、N溝道增強型MOS管MN7和N溝道增強型MOS管MN5、N溝道增強型MOS管MN9共同組成一組電流鏡模塊電路，N溝道增強型MOS管MN3、N溝道增強型MOS管MN7和N溝道增強型MOS管MN6、N溝道增強型MOS管MN10共同組成一組電流鏡模塊電路；N溝道增強型MOS管MN5的漏極與N溝道增強型MOS管MN1的源極相連，N溝道增強型MOS管MN6的漏極與P溝道增強型MOS管MP7的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN6的漏極與電阻R2的下端相連；

所述N溝道增強型MOS管MN11的柵極與N溝道增強型MOS管MN3的柵極相連，它的漏極與P溝道增強型MOS管MP9的漏極相連，N溝道增強型MOS管MN3、N溝道增強型MOS管MN7和N溝道增強型MOS管MN11組成一組電流鏡電路，N溝道增強型MOS管MN11的漏極接P溝道增強型MOS管MP9的柵極與漏極，為P溝道增強型MOS管MP9、MP10組成的電流鏡提供偏置電流；

所述N溝道增強型MOS管MN12的柵極與P溝道增強型MOS管MP11的柵極相連，N溝道增強型MOS管MN12的漏極與P溝道增強型MOS管MP11的漏極相連，組成一個反相器結構；

所述電阻R4的上端與P溝道增強型高壓MOS管MP13的漏極相連，電阻R2與電阻R3串聯，電阻R2的上端接電源端VCC，R3的下端與N溝道增強型MOS管MN2的柵極還有N溝道增強型MOS管MN6的漏極相連，電阻R4的上端與N溝道增強型高壓MOS管的漏極相連，電阻R4的下端與地相連；

所述反相器I1的輸入端與輸出端口VOUT相連，反相器I1的輸出端與P溝道增強型MOS管MP8的柵極相連，反相器I2的輸出端與輸出端口VOUT，輸入端口與P溝道增強型MOS管MP11的漏極相連。

所述固定偏置電流模塊連接N溝道增強型MOS管MN3的漏極柵極和N溝道增強型MOS管MN7的柵極，提供外部固定的電流偏置。

2.一種利用權利要求1所述四開關管升降壓變換器自適應電荷泵控制電路的控制方法，其特征在于包括下述步驟：

BTAT為電源VCC經過一個二極管后產生的電壓，當電源VCC供電時，所述P溝道增強型高壓MOS管MP1、P溝道增強型高壓MOS管MP2、P溝道增強型高壓MOS管MP3和P溝道增強型高壓MOS管MP4組成電流鏡，將BTAT與SWBAT端的電壓差鏡像到N溝道增強型高壓MOS管MN3的柵極，P溝道增強型高壓MOS管MP12、MP13和電阻R4為P溝道增強型高壓MOS管MP4的漏極提供一個下拉電流；MN3的漏極與源極接固定偏置電流模塊，為整體電路提供偏置電流；P溝道增強型MOS管MP5、MP6和MP7還有N溝道增強型MOS管MN1、MN2、MN4、MN5、MN8和MN9共同組成了一個兩級放大器，N溝道增強型MOS管MN1、MN2和P溝道增強型MOS管MP1、MP2共同構成一個差分放大器，而P溝道增強型MOS管MP7和N溝道增強型MOS管MN5、MN9組成一個共源共柵放大器，N溝道增強型MOS管MN1的柵極電壓等效為BTAT端與SWAT端的電壓差，N溝道增強型MOS管MN2的柵極接MN6的漏端，MN2的柵極電壓為電源電壓VCC經過電阻R2、R3的壓降，當N溝道增強型MOS管MN1的柵極電壓即BTAT端電壓與SWBAT端電壓差值小于N溝道增強型MOS管MN2的柵極電壓時，開關管的柵極電壓正常工作，開關管的柵極電壓正常時兩級放大器的輸出為低，經過N溝道增強型MOS管MP11與P溝道增強型MOS管MN12組成的反相器與反相器I2后，輸出邏輯為0，即低電平，此時電荷泵電路模塊使能端關斷，不工作；當N溝道增強型MOS管MN1的柵極電壓即BTAT端電壓與SWBAT端電壓差值大于等于N溝道增強型MOS管MN2的柵極電壓時，開關管的柵極電壓不正常工作，常兩級放大器的輸出為高，經過N溝道增強型MOS管MP11與P溝道增強型MOS管MN12組成的反相器與反相器I2后，輸出邏輯為1，即高電平，此時電荷泵電路模塊使能端打開，電荷泵電路模塊開始工作，給開關管柵極電壓充電，抬高開關管柵極電壓，N溝道增強型MOS管MN1的柵極電壓即BTAT端電壓與SWBAT端電壓差值小于或等于N溝道增強型MOS管MN2的柵極電壓，此時電荷泵控制電路輸出為低，控制電荷泵電路模塊不工作；

反相器I2與P溝道增強型MOS管MP8、電阻R2組一個遲滯結構，當BTAT端與SWBAT端的電壓差從高到低變化時，反相器I2輸出為低電平，P溝道增強型MOS管MP8打開，電流不從電阻R1流過，此時BTAT端與SWBAT端的電壓差比在BTAT端與SWBAT端的電壓差從低到高變化時高出0.2V時，整個電路的輸出邏輯才能變化。