适用于电源管理的电平转换模块的制作方法

本发明涉及微电子技术领域，尤其是适用于电源管理的电平转换模块。

背景技术：

图1为现有众所周知的降压型变换器，高边功率管pm1采用p型功率管，低边功率管nm1采用n型功率管，随着开关电源集成度的越来越高，高压功率管均集成到芯片内部，如果功率管采用薄栅功率管减小器件制造的层数，从而达到减少成本；为了驱动高边功率管pm1，高边的驱动电路driver电源接vin，地接vin-5v的电压差，从而实现驱动高边功率管pm1的目的；同理，低边的驱动电路电源接vdd，地接gnd；低边驱动电路需要通过电平转换器h2l_levelshift将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路driver监测高边功率管pm1的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器(也称为电平转换模块)即为图1中的h2l_levelshift模块。

图2为现有众所周知的另一款降压型变换器，高边功率管nm2采用n型功率管，低边功率管nm1采用n型功率管。为了驱动高边功率管nm2，高边的驱动电路driver电源接sw+5v，地接sw，从而实现驱动高边功率管nm2的目的；同理，低边的驱动电路电源接vdd，地接gnd；低边驱动电路需要通过电平转换器h2l_levelshift将高电平转换为低电平，送给低边驱动电路driver监测高边功率管nm2的开关状态决定是否开启下管，防止上下管直通产生大电流，毁坏器件。本文所述的电平转换器为图2中的h2l_levelshift模块。

如图3所示，现有的电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电流比较模块。

工作原理：电平转换器接收高边驱动器hv_driver信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当hv_driver为高时，关断pm2，导通pm1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当hv_driver为低时，关断pm1，导通pm2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块nm1和nm2采用二极管连接的形式，吸收电平转换过程中产生的尖峰电流，从而实现一定的箝位功能，电流比较模块通过镜像管nm3和nm4镜像流过下拉模块中nm1和nm2的电流，其中流过nm3电流经过pm3和pm4镜像，与nm4电流比较，从而实现高电平到低电平的转换。

注：文中pm1和pm2采用高压薄栅管，其余管子均为低压薄栅管；

hv_vcc：高压电平；

float_gnd:为hv_vcc减5v电压差；

lv_vcc：低压电平；

gnd:0v

现有技术的问题和缺点：

a、电平转换速度慢(因为电平转换器采用电流采样做比较的方式，低功耗小电流意味着速度慢，牺牲功耗可换取转换速度)

b、低压管存在被击穿可能(在hv_driver转换瞬间，下拉管存在较大过冲，增大电流提高转换速度的同时，也增加了被击穿的风险)

如图4所示，现有的另一款电平转换器分为三个部分：上拉模块、下拉模块和电压比较模块。

工作原理：电平转换器接收高边驱动器hv_driver信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当hv_driver为高时，关断pm2，导通pm1产生上拉电流，该电流送入下拉模块；当hv_driver为低时，关断pm1，导通pm2产生上拉电流，该电流送入下拉模块；下拉模块nm1和nm2采用交叉互联正反馈的形式，快速将上拉模块产生的上拉电流转换为高电压hv_vcc到gnd之间的电平信号，电压比较模块通过输入管nm3和nm4采样下拉模块中nm1和nm2的电压，经过交叉互联的pm3和pm4镜像，与nm4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。

注：文中pm1和pm2采用高压薄栅管,pm3和pm4采用低压薄栅管，其余管子均为高压厚栅管；

现有技术的问题和缺点：

a、功耗大(因为在hv_driver转换瞬间，存在上拉模块和下拉模块均存在直通情况，产生大电流)

b、多层数(因为电平转换过程中，下拉管的电位能达到hv_vcc，需采用高压厚栅管)。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种电平转换速度快、低压管不容易被击穿、功耗较小的电平转换模块。

本发明的技术方案为：

适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；

所述上拉模块包括pm1a场效管、pm2a场效管、pm1场效管和pm2场效管，所述pm1a场效管的漏极、pm2a场效管的漏极共同连接inv1反相器的vcc端、inv2反相器的vcc端，所述inv1反相器的接地端、inv2反相器的接地端共同接地，所述pm1a场效管的栅极连接pm2场效管的栅极，所述pm2a场效管的栅极连接pm1场效管的栅极，所述pm1a场效管的源极连接pm1场效管的漏极，所述pm2a场效管的源极连接pm2场效管的漏极，所述pm1场效管的栅极连接inv1反相器的输出端，所述pm2场效管的栅极连接inv2反相器的输出端；

所述电流偏置模块包括pm5场效管、pm6场效管和pm7场效管，所述pm5场效管的漏极分别连接pm2a场效管的漏极、pm6场效管的漏极和pm7场效管的漏极，pm5场效管、pm6场效管和pm7场效管的栅极共同连接pm7场效管的源极，所述pm7场效管的源极外接偏置电流模块(ibias)，所述pm5场效管的源极连接pm2场效管的漏极，所述pm6场效管的源极连接pm1场效管的漏极；

所述下拉模块包括nm1a场效管和nm2a场效管，所述nm1a场效管的漏极和nm2a场效管的栅极共同连接pm1场效管的源极，所述nm1a场效管的栅极和nm2a场效管的漏极共同连接pm2场效管的源极，所述nm1a场效管的源极和nm2a场效管的源极共同接地；

所述低压箝位模块包括nm1场效管和nm2场效管，所述nm1场效管的栅极和漏极连接nm1a场效管的漏极，所述nm2场效管的漏极和栅极连接nm2a场效管的漏极，所述nm1场效管的源极和nm2场效管的源极共同连接nm2a场效管的源极；

所述电压比较模块包括nm3场效管、nm4场效管、pm3场效管和pm4场效管，所述nm3场效管的栅极连接nm1场效管的漏极，所述nm4场效管的栅极连接nm2场效管的漏极，所述nm3场效管的源极和nm4场效管的源极共同连接nm2场效管的源极，所述pm3场效管的源极和pm4场效管的栅极共同连接nm3场效管的漏极，所述pm4场效管的源极和pm3场效管的栅极共同连接nm4场效管的漏极，所述pm3场效管的漏极连接pm4场效管的漏极，所述nm4场效管的漏极还连接inv3反相器的输入端，所述inv3反相器的输出端连接inv4反相器的输入端，所述inv3反相器和inv4反相器的vcc端共同连接pm4场效管的漏极，所述inv3反相器和inv4反相器的接地端共同连接nm4场效管的源极。

作为本发明的改进，所述pm1场效管的源极与nm1a场效管的漏极之间设有r1电阻，所述pm2场效管的源极与nm2a场效管的漏极之间设有r2电阻，所述nm1a场效管的漏极和源极之间设有c3电容，所述nm2a场效管的漏极和源极之间设有c4电容，所述pm1a场效管的源极和漏极之间设有c1电容，所述pm2a场效管的源极和漏极之间设有c2电容。

本发明的有益效果为：功耗低：电平转换器采用电流偏置电路，偏置电流小；同时上拉电路采用双层p型mos管控制，转换过程中产生的尖峰电流小；层数少：电平转换只用到p型高压薄栅管，其余均为低压管；转换速度快：电平转换器采用正反馈交叉互联电压采样比较的方式；可靠性高：电平转换器有上拉模块保护低压型p管，箝位模块保护低压n型管。

附图说明

图1为现有技术其中一款降压型变换器的电路图；

图2为现有技术另一款降压型变换器的电路图；

图3为现有技术其中一款电平转换器的电路图；

图4为现有技术另一款电平转换器的电路图；

图5为本发明实施例1的电路图；

图6为本发明实施例2的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例1

如图5所示，适用于电源管理的电平转换模块，其特征在于：它包括上拉模块、电流偏置模块、下拉模块、低压箝位模块和电压比较模块，其中上拉模块分别连接电流偏振模块和下拉模块，下拉模块连接低压箝位模块模块，所述低压箝位模块连接电压比较模块；

所述上拉模块包括pm1a场效管(pm1a)、pm2a场效管(pm2a)、pm1场效管(pm1)和pm2场效管(pm2)，所述pm1a场效管(pm1a)的漏极、pm2a场效管(pm2a)的漏极共同连接inv1反相器(inv1)的vcc端、inv2反相器(inv2)的vcc端，所述inv1反相器(inv1)的接地端、inv2反相器(inv2)的接地端共同接地，所述pm1a场效管(pm1a)的栅极连接pm2场效管(pm2)的栅极，所述pm2a场效管(pm2a)的栅极连接pm1场效管(pm1)的栅极，所述pm1a场效管(pm1a)的源极连接pm1场效管(pm1)的漏极，所述pm2a场效管(pm2a)的源极连接pm2场效管(pm2)的漏极，所述pm1场效管(pm1)的栅极连接inv1反相器(inv1)的输出端，所述pm2场效管(pm2)的栅极连接inv2反相器(inv2)的输出端；

所述电流偏置模块包括pm5场效管(pm5)、pm6场效管(pm6)和pm7场效管(pm7)，所述pm5场效管(pm5)的漏极分别连接pm2a场效管(pm2a)的漏极、pm6场效管(pm6)的漏极和pm7场效管(pm7)的漏极，pm5场效管(pm5)、pm6场效管(pm6)和pm7场效管(pm7)的栅极共同连接pm7场效管(pm7)的源极，所述pm7场效管(pm7)的源极外接偏置电流模块(ibias)，所述pm5场效管(pm5)的源极连接pm2场效管(pm2)的漏极，所述pm6场效管(pm6)的源极连接pm1场效管(pm1)的漏极；

所述下拉模块包括nm1a场效管(nm1a)和nm2a场效管(nm2a)，所述nm1a场效管(nm1a)的漏极和nm2a场效管(nm2a)的栅极共同连接pm1场效管(pm1)的源极，所述nm1a场效管(nm1a)的栅极和nm2a场效管(nm2a)的漏极共同连接pm2场效管(pm2)的源极，所述nm1a场效管(nm1a)的源极和nm2a场效管(nm2a)的源极共同接地；

所述低压箝位模块包括nm1场效管(nm1)和nm2场效管(nm2)，所述nm1场效管(nm1)的栅极和漏极连接nm1a场效管(nm1a)的漏极，所述nm2场效管(nm2)的漏极和栅极连接nm2a场效管(nm2a)的漏极，所述nm1场效管(nm1)的源极和nm2场效管(nm2)的源极共同连接nm2a场效管(nm2a)的源极；

所述电压比较模块包括nm3场效管(nm3)、nm4场效管(nm4)、pm3场效管(pm3)和pm4场效管(pm4)，所述nm3场效管(nm3)的栅极连接nm1场效管(nm1)的漏极，所述nm4场效管(nm4)的栅极连接nm2场效管(nm2)的漏极，所述nm3场效管(nm3)的源极和nm4场效管(nm4)的源极共同连接nm2场效管(nm2)的源极，所述pm3场效管(pm3)的源极和pm4场效管(pm4)的栅极共同连接nm3场效管(nm3)的漏极，所述pm4场效管(pm4)的源极和pm3场效管(pm3)的栅极共同连接nm4场效管(nm4)的漏极，所述pm3场效管(pm3)的漏极连接pm4场效管(pm4)的漏极，所述nm4场效管(nm4)的漏极还连接inv3反相器(inv3)的输入端，所述inv3反相器(inv3)的输出端连接inv4反相器(inv4)的输入端，所述inv3反相器(inv3)和inv4反相器(inv4)的vcc端共同连接pm4场效管(pm4)的漏极，所述inv3反相器(inv3)和inv4反相器(inv4)的接地端共同连接nm4场效管(nm4)的源极。

本实施例中：

上拉模块；接收高边驱动信号控制偏置电流关断，转换为低压控制电平信号；

电流偏置模块:为电平转换器提供翻转偏置电流；

下拉模块：接收节点net1和net2电平通过交叉互联正反馈，提高电平转换速度；

低压箝位模块：保证节点net1和net2电压在低压器件耐压承受的工作范围内，防止下拉模块和电压比较模块中的器件被击穿；

高压比较模块：采样节点net1和net2电压，通过交叉正反馈实现快速比较；

工作原理：电平转换器接收高边驱动器hv_driver信号，经过反相器整形后送给上拉模块，当hv_driver为高电平时，关断pm2并导通pm2a,将pm2a的漏端上拉至hv_vcc此时，节点net2被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通pm1并关断pm1a,电流偏置模块中的pm6产生的电流流过上拉模块中的pm1管，上拉pm1a的漏端电压，防止pm1a管源漏击穿(pm1a采用低压普通管)，节点net1被偏置电流充电至高电平；当hv_driver为低电平时，关断pm1并导通pm1a,将pm1a的漏端上拉至hv_vcc此时，节点net1被下拉模块和箝位模块下拉至低电平；与此同时，导通pm2并关断pm2a,电流偏置模块中的pm5产生的电流流过上拉模块中的pm2管，上拉pm2a的漏端电压，防止pm2a管源漏击穿(pm2a采用低压普通管)，节点net2被偏置电流充电至高电平；箝位模块将节点net1和节点net2电压限制在5v(低压薄栅管栅氧击穿电压一般是5v)范围内,防止下拉模块和电压比较模块中的低压n型管栅氧击穿；下拉模块nm1a和nm2a采用交叉互联正反馈的形式，快速将节点net1和net2电压转换为5v到gnd之间的电平信号，电压比较模块通过输入管nm3和nm4采样节点net1和net2电压，经过交叉互联的pm3和pm4镜像，与nm4电压做比较，从而实现高电平到低电平的转换。

注：文中pm1和pm2采用高压薄栅管,其余管子均为低压薄栅管。

实施例2

如图6所示，所述pm1场效管(pm1)的源极与nm1a场效管(nm1a)的漏极之间设有r1电阻(r1)，所述pm2场效管(pm2)的源极与nm2a场效管(nm2a)的漏极之间设有r2电阻(r2)，所述nm1a场效管(nm1a)的漏极和源极之间设有c3电容(c3)，所述nm2a场效管(nm2a)的漏极和源极之间设有c4电容(c4)，所述pm1a场效管(pm1a)的源极和漏极之间设有c1电容(c1)，所述pm2a场效管(pm2a)的源极和漏极之间设有c2电容(c2)。

该电平转换器在图5的基础上增加了电容c1～c4和电阻r1～r2，组成滤波电路，防止电平转换过程中产生的尖峰，其他部分工作原理与实施例1相同。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。