一种连接在输入源极电压和输出负载之间的开关电路的制作方法

本发明涉及输入选择功率路径的开关装置，具体而言，涉及一种连接在输入源极电压和输出负载之间的开关电路。

背景技术：

随着现代便携式系统越来越复杂以及封装越来越密集，电路和器件需要在低的电源电压下进行工作。现有的许多处理器和存储器的工作电压都在1v或1v以下，为了保护这些系统，常常饮用负载开关控制负载装置的开、关特性，负载开关的引入使得用户既能软启动系统，又能将其关断使得其在不使用时不消耗功率。对于前几代系统来说，电源电压都超过了2v，占主导地位的负载开关技术是使用pmos功率晶体管。在pmos器件作为负载开关时，栅极被引入到接地电势，以接通开关。为了使pmos器件提供在源极和负载之间的低阻抗路径，源极电压必须至少是栅极阈值电压的2倍；也就是说，对于典型的cmos工艺，pmos器件的栅极阈值电压约为0.8v，因此为了pmos器件的充分增强，源极电压必须高于1.6v。pmos负载开关所具有的一个优点是在导通状态下几乎不消耗功率，因为栅极电压可以通过一个简单的反相器保持在低电位。然而，当系统电压需要低于2v时，pmos器件的导通电阻随着栅极电压的降低而增加，对于电源电压在1v范围内的系统，pmos负载开关是不可用的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种连接在输入源极电压和输出负载之间的开关电路，以解决pmos负载开关电源电压在1v范围内，pmos负载开关不可用的问题。

为了达到上述技术目的，本发明采取的技术方案是：一种连接在在输入源极电压和输出负载之间的开关电路，包括nmos负载开关、控制电路，所述nmos负载开关包括负载开关栅极、负载开关源极和负载开关漏极，所述控制电路的输出端与所述负载开关栅极电连接；

所述开关电路通过所述负载开关栅极上的控制电压来控制从所述负载开关漏极传递到所述负载开关源极的浪涌电流；

所述控制电路用于将所述负载开关栅极电压泵送至vin电压以上。

进一步地，所述控制电路包括电荷泵电路cp，所述电荷泵电路cp的输出端与所述负载开关栅极电连接，用于向上泵送所述负载开关栅极电压。

进一步地，所述控制电路还包括环形振荡器rosc、反馈回路，所述反馈回路包括电容分压器、比较器comp，所述电容分压器的输入端与所述开关负载栅极电连接，所述电容分压器的输出端与所述比较器comp的输入端电连接，所述比较器comp的输出端与环形振荡器rosc的输入端电连接，所述环形振荡器rosc的输出端与电荷泵电路cp的输入端电连接；所述环形振荡器rosc用于向所述电荷泵电路cp中的电荷泵提供时钟输入，所述反馈回路控制所述环形振荡器rosc的开关状态，所述电容分压器控制所述反馈回路的电压增益。

更进一步地，所述电容分压器包括电容c4和电容c5，电容c4的一端与负载开关栅极电连接，另一端连接电容c5的一端及比较器comp的输入端，电容c5的另一端接地。

更进一步地，所述比较器comp为施密特触发器或模拟比较器comp。

进一步地，所述控制电路还包括滤波器fl，所述滤波器fl的输出端电连接所述开关负载栅极，输入端连接电荷泵电路cp的输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)引入nmos晶体管作为负载开关，这样只要栅极电压超过源极电压，nmos晶体管便接通，通过控制电路调节nmos负载开关的栅极电压，电荷泵电路和环形振荡器可以将负载开关栅极电压向上泵送到通过反馈回路设置的阈值电压(即源极电压)，一旦达到阈值电压，通过反馈回路关断电荷泵电路和环形振荡器，从而减小消耗功率。

(2)由于第一功率nmos开关的栅极是单纯电容，因而负载开关栅极上的电压可以保持稳定很长一段时间，因而反馈回路在很长一段时间都关断电荷泵电路和环形振荡器，当负载开关栅极漏电导致电压电平衰减到预定的阈值时，反馈回路才重新闭合电荷泵电荷和环形振荡器，以对负载开关栅极电压充电，从而减小功率消耗。

(3)可以减小在负载开关导通时，输出负载上的浪涌电流，这样减小输出负载的损坏几率。

附图说明

本发明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，在附图中：

图1为实施例1所述的开关电路的总体框图；

图2为实施例1所述的控制电路的操作时序图；

图3为实施例1及实施例2所述的电荷泵电路图；

图4为实施例1及实施例2所述的环形振荡器电路图；

图5为实施例1及实施例2所述的所述的可以用于控制环形振荡器的导通和截止行为的施密特触发器的电路图；

图6为实施例2所述的开关电路的总体框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

实施例1

参见图1至图6，一种连接在输入源极电压vin和输出负载之间的开关电路，该开关电路包括连接在vin引脚和vout引脚之间的nmos负载开关及与nmos负载开关的栅极电连接的控制电路。控制电路包括电荷泵电路cp、环形振荡器rosc及反馈回路，反馈回路包括电容分压器、比较器comp；

具体地电路连接方式为：nmos负载开关的源极与vin引脚电连接，漏极与vout引脚电连接，电荷泵电路cp的输出端与nmos负载开关的栅极电连接，电荷泵电路cp的输入端与环形振荡器rosc的输出端电连接，电容分压器的输入端与第一功率nmos功率负载开关的栅极电连接，电容分压器的输出端与比较器comp的输入端电连接，比较器comp的输出端与环形振荡器rosc的输入端电连接，环形振荡器rosc的开关状态通过en输入引脚和反馈回路控制。

其中，电荷泵电路cp为cts电荷泵，如图3所示，电荷泵电路cp的工作方式如下：当clk为高并且clkb为低时，c1上的电压从v1变为v2，v1+δv＝v2；在下一个时钟周期中，c2上的电压变为v3，v2+δv＝v3等，直至cl点上的电压达到vout电平。为使开关电路正常工作，需要在每个时钟周期都向前传送电荷，这样就要求开关ms2必须通过c3上的电压被接通。ms2的栅源电压为2δv，这必须大于ms2的vt，即：v>vt；

cts电荷泵的电压增益可以由下式给出：

gv＝gv2＝v2–v1＝v。

本实施例也可以选用cts电荷泵外的其他电荷泵电路cp，其达到的结果是相同的。本开关电路的独特性不取决于特定类型的电荷泵电路cp来实现最终结果。

其中，环形振荡器rosc电路如图4所示，该类型的环形振荡器rosc的工作电压在1v左右，本实施例中的环形振荡器rosc属于行业中公知的环形振荡器rosc，并在许多关于数字电路设计的教材中都有详细描述。

其中，电容分压器包括电容c4和电容c5，电容c4的一端与负载开关栅极电连接，另一端连接电容c5的一端及比较器comp的输入端，电容c5的另一端接地；电容器c4及电容c5的比值确定反馈回路的整体增益，使反馈电压按比率地输入到比较器comp。

其中，比较器comp为施密特触发器，如图5所示，施密特触发器是伪数字电路，可以以非常低的电源电压进行工作，其通过测量电容分压器输送过来的负载开关栅极电压分压来导通或关断环路振荡器，调节环形振荡器rosc和电荷泵的开启时间，从而实现更低的功率损耗。且施密特触发器电路具有内置滞后，并且其电平简单地可以被设计。可以通过晶体管m1和m3的w/l比率来设置施密特触发器的输入电平的上升阈值，同时可以通过调整晶体管m5和m6的w/l比率来调整输入电平的下降阈值。

在本实施例中，比较器comp也可选择模拟比较器comp，如图6所示，模拟比较器comp针对较高的输入电压时，在电压比较精度和对负载开关栅极电压的控制上有更高的灵活性。

在本实施例中，开关电路还包括使能缓冲器enab、下拉负载开关nmos，使能使能缓冲器enab的输入端与使能引脚en电连接，输出端与环形振荡器rosc的输入端电连接，下拉负载开关nmos的栅极与使能缓冲器enab的输出端电连接，下拉负载开关nmos的漏极接地，下拉负载开关nmos的源极与nmos负载开关的源极电连接；使能缓冲器enab的作用是使en使能信号经过使能缓冲器enab缓冲后开启环形振荡器rosc，当给使能缓冲器enab输入低电平时，经使能缓冲器enab内部的反相器给下拉开关nmos的栅极输出高电平，使下拉负载开关nmos导通，这样，vout经下拉电阻放电到地。

图2给出了本开关电路的控制电路的操作时序图：当en输入引脚达到高电平，即t0时，环形振荡器rosc与电荷泵电路cp接通，电荷泵电路cp向上泵送负载开关栅极电压vgate，环形振荡器rosc向电荷泵提供时钟输入；一旦负载开关栅极电压达到阈值电压时，即t1时刻，比较器comp关断环形振荡器rosc和电荷泵电路cp，负载开关栅极电压vgate开始下降；当负载开关栅极电压vgate下降至预定的阈值时，即t2时刻，比较器comp再次接通环形振荡器rosc和电荷泵电路cp，电荷泵电路cp再次向上泵送负载开关栅极电压vgate；直到负载开关栅极电压vgate被泵送回阈值电压，即t3时刻，比较器comp再次关断环形振荡器rosc和电荷泵电路cp，负载开关栅极电压vgate又开始下降，如此循环往复，直至vout电压等于vin引脚上的电压。使用这种技术，开关电路只在环形振荡器rosc运行且电荷泵电路cp向上泵送栅极电压vgate时才消耗功率，在其他时间，功率消耗接近零。

实施例2

参见图2至图6，图6示出了本实施例的开关电路的总体框图，除控制电路还包括滤波器fl外，其余与实施例1相同，滤波器fl的输出端电连接开关负载栅极，滤波器fl的输入端电连接电荷泵电路cp的输出端，该滤波器fl用于在开关电路启动时，nmos负载开关在导通时间期间控制负载开关栅极电压的转换速率，以便于限制从vin到vout上负载电容的浪涌电流，从而避免输出负载因浪涌电流造成的损坏。

本实施例中，下拉负载开关nmos的栅极与环形振荡器rosc的输出端电连接，下拉负载开关nmos的漏极接地，下拉负载开关nmos的源极与nmos负载开关的源极电连接，这样，下拉负载开关nmos的作用是；使能缓冲器enab输入低电平时，其经过内部反相器输出的高电平经环形振荡器电路rosc输入到下拉负载开关nmos的栅极，使下拉负载开关nmos导通，这样vout经下拉电阻放电到地。

以上实施例叙述的较为具体和详细，也给出了实施例的一些优选措施，但是，该实施例和优选措施并不能作为对本发明的限制，本领域的技术人员看到该方案时，做出的其他变形和等同手段的替换，均应在本发明的保护范围之内。