无缝切换降压和直通工作模式的转换电路及实现方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910461214.1 (22)申请日 2019.05.30 (71)申请人 上海南芯半导体科技有限公司 地址 200120 上海市浦东新区中国 （上海） 自由贸易试验区博霞路22号309室 (72)发明人 李强卞坚坚阮晨杰 (74)专利代理机构 成都众恒智合专利代理事务 所(普通合伙) 51239 代理人 钟显毅 (51)Int.Cl. H02M 3/07(2006.01) H02M 1/14(2006.01) (54)发明名称 一种无缝切换降压和直通工作模式的转换 电路。

2、及实现方法 (57)摘要 本发明公开了一种无缝切换降压和直通工 作模式的转换电路， 包括具有电压输入端VIN和 电压输出端VOUT的降压电路， 为降压电路提供高 电平使降压电路支持直通工作模式的高压自举 电路， 用于消除电压输入端VIN低于电压输出端 VOUT时， 电压输出端VOUT出现的纹波电压的BOOT 自动升压电路。 本发明通过比较器自动检测VIN 和VOUT的关系， 当VIN接近VOUT时， 比较器输出的 高电平控制电荷泵自动升压电路工作， 达到稳定 BOOT电压的目的， 从而稳定输出电压VOUT， 消除 纹波电压； 当VIN低于VOUT且VIN电压较低时， 采 用级联两个及两个以上电。

3、荷泵自动升压电路的 方式， 提高MOS管NM2上的VGS电压差， 从而减小 MOS管NM2的导通电阻Rdson， 在同样输出电流 IOUT条件下， 使VIN和VOUT的电压差降低， 达到 VOUT接近VIN的目的。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 110071630 A 2019.07.30 CN 110071630 A 1.一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 包括具有电压输入端VIN和电压输 出端VOUT的降压电路， 为降压电路提供高电平使降压电路支持直通工作模式的高压自举电 路， 其特征在于， 还包括用于消除电压输入端VIN低于电压输出端VOUT时电压输出端VOUT出 。

4、现的纹波电压的BOOT自动升压电路。 2.根据权利要求1所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 其特征在于， 所述BOOT自动升压电路包括比较器OP1， 连接在比较器OP1输出端EN_CP上的电荷泵自动升 压电路， 串联后一端与电压输入端VIN连接、 另一端与电压输出端VOUT连接的分压电阻R2、 R3、 R4和R5， 所述电阻R2的另一端与电压输入端VIN连接， 所述电阻R5的另一端与电压输出 端VOUT连接， 所述电阻R3和电阻R4的连接点接地， 所述比较器OP1的反相输入端连接在电阻 R2和R3的连接点上， 所述比较器OP1的正相输入端连接在电阻R4和R5的连接点上。 3.根据。

5、权利要求2所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 其特征在于， 所述电荷泵自动升压电路包括稳压器LDO， 栅极均加载有控制时钟CP_CLK的MOS管P1和MOS 管P2， 一端连接在MOS管P1漏极上的电容C1， 阴极连接在电容C1的另一端的肖特基二极管 D1， 阳极连接在肖特基二极管D1阴极的肖特基二极管D2， 连接在肖特基二极管D2阴极的电 容C2， 肖特基二极管D2的阴极为BOOT电压输出端， 所述MOS管P1的源极连接在稳压器LDO的 输出端VCC上， 肖特基二极管D1的阳极连接在电压输入端VIN上， 所述MOS管P1、 P2的漏极连 接， 该连接点为CP点， 所述电容C2的。

6、另一端和MOS管P2的源极均接地， 所述控制时钟CP_CLK 由电荷泵提供， 所述电荷泵的输入端与比较器OP1输出端EN_CP连接。 4.根据权利要求3所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 其特征在于， 所述电荷泵自动升压电路为多个级联， 级联时， 下一级的电压输入端VIN连接在上一级的 BOOT电压输出端上， 下一级的CP点与上一级的CP点连接。 5.根据权利要求4所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 其特征在于， 所述降压电路包括MOS管NM2， 漏极连接在MOS管NM2源极的MOS管NM1， 连接在MOS管NM2源极 的电感L1， 该连接点为SW， 一端接地、 另。

7、一端连接在电感L1另一端的电容Cout， 所述MOS管 NM2的栅极接HD信号， 所述MOS管NM1的栅极外接LD信号， 所述电感L1的另一端为电压输出端 VOUT， 所述MOS管NM2的漏极为电压输入端VIN， 所述MOS管NM1的源极接地。 6.根据权利要求5所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路， 其特征在于， 所述高压自举电路包括驱动器， 肖特基二极管D5， 所述驱动器的电源端BOOT连接在肖特基 二极管D5的阴极， 所述肖特基二极管D5的阳极连接在稳压器LDO的输出端VCC上， 所述驱动 器的控制端通过充电电容Cboot连接在肖特基二极管D5的阴极上， 驱动器的控制端连接在 。

8、MOS管NM1漏极和MOS管NM2源极之间， 所述驱动器的输出端HD与MOS管NM2的栅极连接。 7.如权利要求16任一项所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路的实 现方法， 其特征在于， 包括如下步骤： (1)输入电压VIN在降压电路中经过降压处理后得到输出电压VOUT， 并将VIN和VOUT经 过分压后传输至BOOT自动升压电路； (2)在BOOT自动升压电路中， 利用比较器OP1检测VIN和VOUT的关系， 比较器OP1的反相 输入端接VIN、 正相输入端接VOUT； (3)根据比较器OP1输出电平EN_CP控制电荷泵自动升压电路的工作状态， 将电荷泵自 动升压电路的输出信号BO。

9、OT反馈给高压自举电路， 高压自举电路输出HD信号至降压电路， 权利要求书 1/2 页 2 CN 110071630 A 2 用于控制输出电压VOUT的状态。 8.根据权利要求7所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路的实现方法， 其特征在于， 在步骤(3)中， 当VIN接近VOUT时， 比较器OP1的输出端EN_CP变为高电平， 控制电荷泵自动升压电路启 动， 使BOOT的电压固定为VIN+VCC， 从而稳定BOOT的电压， 消除VOUT的纹波。 9.根据权利要求7所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路的实现方法， 其特征在于， 在步骤(3)中： (a1)当VIN低于VOUT时。

10、， 在降压电路中， 直通模式下HD需为高电平； (a2)若输入电压VIN5V， 则VCC为5V， 电荷泵自动升压电路的输出电压BOOT为： BOOTVIN+VCCVIN+5V； (a3)直通模式下， 当HD为高电平时， HD的电压等于BOOT， 且VIN接近VOUT， MOS管NM2上的 VGS的计算公式如下： VGSHDVOUTVIN+5VVOUT； (a4)MOS管NM2的VGS最终表达式如下： VGS5V。 10.根据权利要求7所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路的实现方法， 其特征在于， 在步骤(3)中， (b1)当VIN低于VOUT时， 在降压电路中， 直通模式下HD需为高。

11、电平； (b2)若输入电压VIN5V时： 0022 (a1)若输入电压VIN5V， 则VCC为5V， 电荷泵自动升压电路的输出电压BOOT为： 0023 BOOTVIN+VCCVIN+5V； 0024 (a2)直通模式下， 当HD为高电平时， HD的电压等于BOOT， 且VIN接近VOUT， MOS管NM2 上的VGS的计算公式如下： 说明书 2/6 页 5 CN 110071630 A 5 0025 VGSHDVOUTVIN+5VVOUT； 0026 (a3)MOS管NM2的VGS最终表达式如下： 0027 VGS5V； 0028 (b)当VIN5V时： 0029 (b1)若输入电压VIN5。

12、V时： 0066 (a1)若输入电压VIN5V， 则VCC为5V， 电荷泵自动升压电路的输出电压BOOT为： 0067 BOOTVIN+VCCVIN+5V； 0068 (a2)直通模式下， 当HD为高电平时， HD的电压等于BOOT， 且VIN接近VOUT， MOS管NM2 上的VGS的计算公式如下： 0069 VGSHDVOUTVIN+5VVOUT； 0070 (a3)MOS管NM2的VGS最终表达式如下： 0071 VGS5V； 0072 (b)当VIN5V时： 0073 (b1)若输入电压VIN5V， 则VCC为VIN， 电荷泵自动升压电路的输出电压BOOT为： 0074 BOOTVIN。

13、+VCCVIN+VIN2*VIN； 0075 (b2)直通模式下， 当HD为高电平时， HD的电压等于BOOT， 且VIN接近VOUT， MOS管NM2 上的VGS的计算公式如下： 0076 VGSHDVOUT2*VINVOUT； 0077 (b3)MOS管NM2的VGS最终表达式如下： 0078 VGSVIN； 0079 (b4)级联多个电荷泵自动升压电路， MOS管NM2上的VGS变为多倍VIN， 使MOS管NM2 的导通电阻Rdson减小， 在同样输出电流IOUT条件下， 根据如下公式计算输出电压VOUT： 0080 VOUTVIN-Rdson*IOUT 0081 Rdson*IOUT的。

14、值越小， VIN和VOUT电压差就越小， 从而实现VOUT的电压接近VIN电 压的目的， VOUT的变化图如图8所示。 0082 在现有的电路中， 当VIN低于VOUT时， 若需要支持直通工作模式同时VOUT稳定输 出， 需要为HD持续提供高电平的高压自举电路持续工作， 否则， BOOT电压将会降下来， 导致 HD慢慢下降， 直至MOS管NM2断开， 为解决此问题， 本发明添加了电荷泵自动升压电路， 用于 在当VIN低于VOUT时控制BOOT点的电压稳定为VIN+VCC， 解决了现有的电路中BOOT电压会跌 落的问题， 使VOUT实现稳定输出， 从而达到消除VOUT纹波电压的目的。 0083 。

15、在VIN低于VOUT时， 若VIN电压低于3V， MOS管NM2的导通电阻Rdson较大， 若此时使 用者需要使用较大的输出电流IOUT， 则在MOS管NM2上产生的压降IOUT*Rdson较大， 因此， 在 直通工作模式下的输出电压VOUT偏低， 不能达到使用者的要求。 0084 因此， 本发明采用级联两个及两个以上电荷泵自动升压电路的方式， 提高MOS管 说明书 5/6 页 8 CN 110071630 A 8 NM2上的VGS电压差， 级联两个时， 第一级电荷泵自动升压电路BOOT1的电压为VIN+VCCVIN +VIN2*VIN， 第二级电荷泵自动升压电路BOOT的电压为2*VIN+V。

16、CC2*VIN+VIN3*VIN， 此时MOS管NM2的VGS由原来的VIN变为2*VIN； 在级联多个时， MOS管NM2的VGS由原来的VIN变 为多倍VIN， 从而使MOS管NM2的导通电阻Rdson变小， 在同样输出电流IOUT条件下， VIN和 VOUT的电压差将会较小， 避免了在VIN较低， 且输出电流IOUT较大时造成VOUT偏低的问题， 达到VOUT接近VIN的目的。 0085 上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一， 不应当用于限制本发明的保护范 围， 但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色， 其所解决 的技术问题仍然与本发明一致的， 均应当包含在本发明的保护范围之内。 说明书 6/6 页 9 CN 110071630 A 9 图1 图2 说明书附图 1/4 页 10 CN 110071630 A 10 图3 图4 图5 说明书附图 2/4 页 11 CN 110071630 A 11 图6 图7 说明书附图 3/4 页 12 CN 110071630 A 12 图8 说明书附图 4/4 页 13 CN 110071630 A 13 。