一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路及实现方法与流程

本发明涉及集成电路设计领域，具体地说，是涉及一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路及实现方法。

背景技术：

常规的降压转化器只能工作在输入电压比输出电压更高的地方；当输入电压低于或接近输出电压的时候，转换器不能正常工作。在如图1所示的降压电路中，当vin低于vout时，如果想要支持直通工作模式同时vout还能稳定输出的话，需要此时hd信号长期维持为高电平。hd由如图2所示的自举电路产生，但是由于boot的相关驱动电路有电流功耗，所以被自举电路升压起来的boot电路，如果不能持续让自举电路工作的话，boot的电压将会掉下来，导致hd的电压慢慢下降，最终当hd低于vout+vth_nm2(nm2的阈值电压)的时候，nm2就不再开启。

为了解决nm2由于hd的电压下降而不能开启的问题。通常会在hd开启一段时间后，比如50us，会强制hd拉低，同时把ld信号拉高大约200ns，实现sw出现200ns的低电平时间，这样图2的自举电路开始工作，给cboot电容充电，维持boot的电压。当下个周期hd变高的时候，就等于boot电压。这样hd在这样的条件下是可以持续工作的。

但是，该方式存在如下缺点：hd信号需要周期性的开关一次，当hd关断的时候，vout会出现纹波电压，如图3所示，特别是在vout的负载电流较大的时候，vout的纹波电压较高；当负载电流较大的时候，可能导致vin和vout的电压差值较大，特别是当vin电压偏低例如低于5v的时候，自举电路导致boot的电压较低，将会导致图1中nm2的导通电阻rdson较大，从而导致vin和vout的电压差较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路，解决现有方案中，导致boot电压会掉落的问题，必须周期性的给boot补充能量，从而导致vout可能纹波偏大的问题；且在负载电流较大、vin偏低时会导致vin和vout的电压差较大。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路，如图4所示，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，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出现的纹波电压的boot自动升压电路。

如图5所示，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。

如图6所示，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。

如图7所示，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。

如图1所示，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。

如图2所示，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。

基于上述所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路，本发明还提供了该电路的实现方法，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boot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，用于控制输出电压vout的状态。

具体的，在步骤(3)中：

(一)当vin和vout接近时：

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。

(二)当vin低于vout时：

(a)当vin>5v时：

(a1)若输入电压vin>5v，则vcc为5v，电荷泵自动升压电路的输出电压boot为：

boot＝vin+vcc＝vin+5v；

(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：

vgs＝hd–vout＝vin+5v–vout；

(a3)mos管nm2的vgs最终表达式如下：

vgs＝5v；

(b)当vin<＝5v时：

(b1)若输入电压vin<＝5v，则vcc为vin，电荷泵自动升压电路的输出电压boot为：

boot＝vin+vcc＝vin+vin＝2*vin；

(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：

vgs＝hd–vout＝2*vin–vout；

(b3)mos管nm2的vgs最终表达式如下：

vgs＝vin；

(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：

vout＝vin-rdson*iout

rdson*iout的值越小，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设置的电荷泵自动升压电路用于在比较器检测vin和vout接近时稳定boot电压，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；当vin低于vout且vin电压较低时，若此时使用者需要使用较大的输出电流iout，则在直通工作模式下的输出电压vout偏低，此时，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nm2上的vgs电压差，由原来的vin变为2*vin或者多倍vin，从而减小mos管nm2的导通电阻rdson，在同样输出电流iout条件下，减小vin和vout的电压差，避免了在vin较低，且输出电流iout较大时造成vout偏低的问题，达到使vout接近vin的目的。

附图说明

图1为现有方案的降压电路的电路图。

图2为现有方案的高压自举电路的电路图。

图3为现有方案输出电压vout的变化图。

图4为本发明的电路原理框图。

图5为本发明的boot自动升压电路的电路图。

图6为本发明的单个电荷泵自动升压电路的电路图。

图7为本发明的两级电荷泵自动升压电路的电路图。

图8为本发明输出电压vout的变化图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图4所示，本发明公开的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，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出现的纹波电压的boot自动升压电路。

如图5所示，本发明的所述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。

如图6所示，本发明的电荷泵自动升压电路为现有的电路，该电路包括稳压器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；本电路用于在en_cp为高电平时控制boot点的电压稳定为vin+vcc，彻底解决了现有的电路中boot电压会跌落的问题。

如图7所示，为减小输入电压vin与输出电压vout的压差，本发明将所述电荷泵自动升压电路设置为多个，电路之间级联，具体连接时，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。

具体的，如图1所示的降压电路包括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。

如图2所示的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。

在本实施例中忽略了肖特基二极管的导通压降。

基于上述所述的一种无缝切换降压和直通工作模式的转换电路，本发明还提供了该电路的实现方法，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boot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，用于控制输出电压vout的状态。

具体的，在步骤(3)中：

(一)当vin和vout接近时：

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。

(二)当vin低于vout时：

(a)当vin>5v时：

(a1)若输入电压vin>5v，则vcc为5v，电荷泵自动升压电路的输出电压boot为：

boot＝vin+vcc＝vin+5v；

(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：

vgs＝hd–vout＝vin+5v–vout；

(a3)mos管nm2的vgs最终表达式如下：

vgs＝5v；

(b)当vin<＝5v时：

(b1)若输入电压vin<＝5v，则vcc为vin，电荷泵自动升压电路的输出电压boot为：

boot＝vin+vcc＝vin+vin＝2*vin；

(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：

vgs＝hd–vout＝2*vin–vout；

(b3)mos管nm2的vgs最终表达式如下：

vgs＝vin；

(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：

vout＝vin-rdson*iout

rdson*iout的值越小，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。

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。

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。

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+vcc＝vin+vin＝2*vin，第二级电荷泵自动升压电路boot的电压为2*vin+vcc＝2*vin+vin＝3*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。

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。