本发明属于集成电路
技术领域：
：，涉及一种直流-直流电平转换器，具体涉及一种基于无源全通网络结构的抗高压直流-直流(dc-dc)降压转换器。
背景技术：
：：随着消费者对电子产品包括电池供电便携式应用的需求迅速增加，电源管理集成电路(ics)如高开关效率的直流-直流转换器，正成为这些产品的关键组成部分。芯片的成本与其面积成比例，减小芯片的面积和在一定区域集成更多的元器件成为消费电子ic设计的两个重要目标。在先进深亚微米标准cmos工艺，如65nm节点或45nm节点中，核心器件的额定工作电压约为1.2v。然而，普通锂电池或碱性电池的额定电压范围在1.5～3.7v之间，超过了先进工艺中核心器件的电压上限。因此，直流-直流转换器通常由额定工作电压高得多并且可承受较高电源电压的io设备来实现。事实上，功率晶体管的面积占直流-直流转换器芯片的很大一部分。利用io设备会极大地增加整个芯片的面积和成本，因为io设备在一定制造过程中需要更长的最小沟道长度，更大的有源区面积和更低的跨导(gm)。为了降低芯片成本，利用核心器件实现直流-直流转换器是十分重要的。为了应对较高的电源电压，已有一些有效的方法公开发表。如图1a所示，对于栅氧化层保护，开关电容(sc)直流-直流转换器和电平转换器等内部电压转换模块适合用于提供多个电压(s.bandyopadhyay,y.k.ramadass,anda.p.chandrakasan,“20μato100madc-dcconverterwith2.8–4.2vbatterysupplyforportableapplicationsin45nmcmos,”ieeej.solid-statecircuits,vol.46,no.12,pp.2807–2820,dec.2011.)。另一种方法是基于连接到晶体管栅极的电容，该电容可以增加有效的栅极氧化层厚度，如图1b所示，双电容方案也展示在图中(使用c1和c2)(r.chebli,m.sawan,andy.savaia,“gateoxideprotectioninhvcmos/dmosintegratedcircuits:designandexperimentalresults,”inproc.ieeeicecs,dec.2005.)。而对于有源区保护，多重功率晶体管是必要的。漏极区域扩展是一种可以保护功率晶体管不被击穿的标准cmos工艺兼容方式。然而，额外的scdc-dc转换器或电平转换器产生的多个内部电压的使用会增加dc-dc转换器的复杂性并导致额外的转换效率损失。可以将电容连接到晶体管栅极从而使栅极浮动，该方法仅适用于恒定的输入电压。在先进的深亚微米标准cmos工艺中，晶体管严重的二阶效应和极薄的栅氧会导致严重的泄漏，降低了dc-dc转换器的功率转换效率，而堆叠式晶体管也可能导致泄漏并增加设计的复杂性。技术实现要素：本发明的目的是针对上述问题，提供一种抗高压直流-直流降压转换器，基于全通网络无源电平转换器，其具备耐高压，效率高，兼容性高，成本低，可集成度高，适合芯片soc(systemonchip系统芯片集成)等特点。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种抗高压直流-直流降压转换器，包括一带有无源电平转换器的功率晶体管、一片外电感、一片外rc负载网络、一电压反馈模块、一零电流检测器和两缓冲级，带有无源电平转换器的功率晶体管包含n型晶体管和p型晶体管，n型晶体管和p型晶体管的输入端各与一缓冲级的输出端相连，带有无源电平转换器的功率晶体管的输出端与片外电感的一端和零电流检测器的输入端相连，零电流检测器的输出端与连接于n型晶体管的缓冲级的输入端相连，片外电感的另一端与片外rc负载网络的输入端相连，片外rc负载网络的输出端与电压反馈模块的输入端相连，电压反馈模块的输出端与连接于p型晶体管的缓冲级的输入端相连。进一步地，n型晶体管和p型晶体管漏极相连，n型晶体管的源极与体端相连接地，p型晶体管的源极与体端相连接外部供电电压。进一步地，无源电平转换器包括一片上电容、一晶体管栅等效电容、以及两个串联电阻，每个串联电阻由两个mohm量级的大电阻串联，用于构成分压结构；片上电容串接在n型晶体管栅端，一串联电阻的一大电阻与片上电容并联构成输入端，另一大电阻与n型晶体管源极相连，两大电阻之间的一中间节点与n型晶体管栅端相连以及与片上电容的连接于n型晶体管栅端的一端相连；晶体管栅等效电容串接在p型晶体管栅端，另一串联电阻的一大电阻与晶体管栅等效电容并联构成输入端，另一大电阻与p型晶体管源极相连，两大电阻之间的一中间节点与p型晶体管栅端相连以及与晶体管栅等效电容的连接于p型晶体管栅端的一端相连。进一步地，无源电平转换器的每个电阻可由两个串联的反偏二极管接法的mos管代替。进一步地，n型晶体管和p型晶体管均采用源漏扩展的ldmos结构。进一步地，n型晶体管和p型晶体管均采用厚栅氧mos管和普通薄栅氧mos管串联，各厚栅氧mos管栅极外加一偏置电压。进一步地，零电流检测器包括一低功耗的比较器和一2输入1输出的与逻辑门；比较器的正输入极接地，负输入极作为零电流检测器的输入端接带有无源电平转换器的功率晶体管的输出端，比较器的输出端接与逻辑门的一输入端，与逻辑门的另一输入端与电压反馈模块的输出端及p型晶体管所连接的缓冲级的输入端相连，逻辑门的输出端与n型晶体管所连接的缓冲级的输入端相连。进一步地，电压反馈模块包括一sr锁存器和一比较器，比较器的负输入端接参考电平，正输入端接片外rc负载网络的输出端，比较器的输出端与sr锁存器的复位输入端(r)相连，sr锁存器的选通端(s)接入参考时钟信号，sr锁存器的非输出端(q)与连接于p型晶体管的缓冲级的输入端和零电流检测器的输入端相连。进一步地，片外rc负载网络由负载电容、可变负载电阻、串联分压电阻并联构成，其中串联分压电阻的中间节点作为输出端与电压反馈模块中的比较器的正输入端相连。进一步地，缓冲级由多级反相器串联构成。本发明的原理是，通过基于全通网络的高耐压结构为核心器件，提供了栅氧层保护并避免了器件严重的泄漏电流，同时采用兼容标准cmos工艺的漏极拓展解决mos管源漏承受高压的问题。图2a显示了一个基本的全通网络结构，它实际上由两个电阻和两个电容组成。在理想条件下，从节点vin到节点vx,y的传递函数可以表示为：如果选择了正确的r1,r2,c1,c2值，使得下式成立：r2c1＝r2c2(2)(1)式可以简化为(3)式(3)式表明vx,y跟随vin变化并且在vx,y节点可以建立一定的直流电压。当所有无源器件的值都满足(2)式时，在x节点和y节点之间没有电流流过，从而网络达到了平衡的状态。功率晶体管通常会占用较大的面积，因此，晶体管的漏电流，如栅极隧穿电流、穿透电流和亚阈值漏电流等在先进的深亚微米标准cmos工艺中会成为严重的问题。因此，基本的全通网络应该增加一个电流源，如图2a所示。图2b显示了栅氧保护方案的实际情况。一个栅极面积较大的功率晶体管取代了图2a中的电容c2，其衬底与源和地相连。考虑到可以真正检测到的栅极漏电流，需要仔细选择rn1、rn2和cn1的值以使方程(2)式成立，从而在栅极上建立一定的直流电压。在这种情况下，如带箭头曲线路径所示，不平衡的电流补偿了栅极漏电流的影响，进而保证了直流电压。图3给出了一种由该结构实现的耐高压反向器。输入是电压从0到vbat变化的理想脉冲信号，其中vbat高于核心器件的电压上限。在选择合适的无源器件值之后，如图4a-4c中的波形所示，vgp和vgn的范围分别为vbat/2到vbat和0到vbat/2。因此，栅极和衬底之间的最大电压是有限的，即vbat允许超过一倍的晶体管击穿电压，但不能超过2倍的击穿电压，从而栅氧可以受到很好的保护。此外，全通网络还可以减轻晶体管漏电流的影响。具体来说，本发明的抗高压直流-直流降压转换器基于全通网络无源电平转换器，具有以下有益效果：1)耐高压能力强：本发明提出的无源全通网络结构，能够有效降低mos管栅端所承受电压，漏端通过自定制版图添加sti区域的漏拓展技术增加源漏击穿电压，使得本转换器整体能够承受的电压超出标准cmos核心晶体管击穿电压2倍以上，极大提高耐高压能力。2)兼容性好：与片上工艺完全兼容，基于的全通网络电平转换器由无源器件构成，mos管采用的漏极拓展技术利用自定制版图即可实现，适用于标准cmos工艺，兼容性好。3)效率高：本发明采用标准cmos工艺核心管作为功率管，利用其高跨导特点，降低自身能量消耗，尽可能少的引入比较器，逻辑门等辅助电路，实现电压转换功能，并且在轻负载条件下采用dcm工作模式，使得本转换器可以实现高效率。4)体积小，集成度高：由于本发明核心电路由片上工艺制造，所以相对于传统分立器件制造的环形器等器件，可以作为一个模块与其他电路与系统集成在单一芯片上，体积小，成本低，极大地提高了系统的集成度。附图说明图1a-1b为传统的应对栅端高压耐压方案的电路图；图2a-2b为先进标准cmos工艺下栅漏电等效模型图；图3为全通网络等效网络结构图；图4a-4c为全通网络等效网络的电压波形图；图5为零电流检测器示意图；图6为零电流检测器的关键波形图；图7为全通网络等效网络以及漏拓展结构衬底剖面图；图8为实施例1的一种抗高压直流-直流降压转换器的结构图；图9为实施例2的一种抗高压直流-直流降压转换器的结构图；图10为实施例3的一种抗高压直流-直流降压转换器的结构图；图11为实施例4的一种抗高压直流-直流降压转换器的结构图。具体实施方式为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图详细描述。实施例1如图8所示在hlmc55nmcmos工艺下实现一种抗高压直流-直流降压转换器，基于全通网络无源电平转换器，包括带有无源电平转换器的功率晶体管、电压反馈模块、零电流检测器、片外rc负载网络和缓冲器，缓冲级的输出端分别与带有无源电平转换器的功率晶体管的n型晶体管、p型晶体管的输入端相连，带有无源电平转换器的功率晶体管的输出端分别与片外电感的一端和零电流检测器的输入端相连，零电流检测器的输出端与连接于n型晶体管的缓冲级的输入端相连，片外电感的另一端与片外rc负载网络的输入端相连，片外rc负载网络的输出端与电压反馈模块的输入端相连，电压反馈模块的输出端与连接于p型晶体管的缓冲级的输入端相连。对于图5所示的比较器，当负载电流从0.1ma变化到10ma时，变流器在低负载状态下运行，电感电流在一定的时间内变为负值，从而导致功率转换效率显著降低。为了在保持高转换效率的同时减小电感的尺寸，需要采用不连续导电模式(dcm)操作。图6给出了关键的时间序列波形。零电流检测器由一个传统的pmos输入比较器和一个与逻辑门(如图5所示)组成。比较器的负输入检测电感输入端(vx)电压的变化。经过比较器的精心设计，比较器的10-20ns延时提供了一个非重叠序列，如图6所示，因此可以节省非重叠时钟发生器的使用。电压反馈模块由一个传统的比较器和一个sr锁存器组成。时钟信号vclk可以由系统提供，而本转换器在实际应用中就是为这个系统服务的。sr锁存器对vclk信号进行采样，使功率晶体管vclkp和vclkn的栅极控制信号能够在负载电流变化时保持自适应。实际上，额外的时钟是可选的，电压反馈模块中比较器的输出是可以直接提供给pmos功率晶体管的。所提出的无源电平移位器由晶体管和mom电容实现，如图7所示。二极管或二极管连接的晶体管被用来代替电阻得到更大的阻值，并提供几百纳安的电流来补偿晶体管栅极的泄漏电流。电阻是由适当尺寸的pmos晶体管在1.2v工作电压下实现的。电容可以放置在晶体管上面而不需要占用额外的面积。漏端通过自定制版图添加sti区域的漏拓展技术增加源漏击穿电压。在55nm标准cmos工艺下(核心电压1.2v)，采用22uh片外电感，2uf片外电容，实现输入电压范围：1.8～3.7v，输出电压1.2v，负载电流：0.1～10ma，最高效率93.7％(在1.8v输入，10ma负载电流时达到)，在相同条件下高出当前文献记载水平。实施例2本实施例提供的抗高压直流-直流降压转换器与实施例1大致相同，如图9所示，区别在于：带有无源电平转换器的功率晶体管由源漏扩展的ldmos结构改为由厚栅氧mos管和普通薄栅氧mos管串联，厚栅氧mos管栅极需要外加合适的偏置电压vbiasp、vbiasn。实施例3本实施例提供的抗高压直流-直流降压转换器与实施例1大致相同，如图10所示，区别在于：无源全通网络的电阻采用两个串联的反偏二极管接法的mos管实现，保持反偏情况下产生等效大电阻。实施例4本实施例提供的抗高压直流-直流降压转换器与实施例1大致相同，如图11所示，区别在于：带有无源电平转换器的功率晶体管由源漏扩展的ldmos结构改为由厚栅氧mos管和普通薄栅氧mos管串联，厚栅氧mos管栅极需要外加合适的偏置电压vbiasp、vbiasn；无源全通网络的电阻采用反偏二极管接法的mos管实现，保持反偏情况下产生等效大电阻。以上通过实施案例描述了本发明的抗高压直流-直流降压转换器，本领域技术人员可以据以作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明的保护范围，因此本发明不局限于以上实施例中所公开的内容，本发明的保护范围应以权利要求为准。当前第1页12当前第1页12