一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法和电路技术

本发明专利技术公开了一种DC‑DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法和电路，电路包括有输入级开关组、电感、输出级总控制开关和多个输出支路，每个输出支路包括有支路功率开关管、支路衬底开关模块和支路输出电路模块，所述支路衬底开关模块用于在支路功率开关管导通时将支路功率开关管的衬底与漏极或源极连接，并在支路功率开关管截止时使支路功率开关管的衬底保持高电位。本发明专利技术通过在输出支路中加入衬底开关模块实现变换器中对功率开关管衬底的电压控制，电路结构简单、转换速度快、功耗低，不会引起体效应，避免寄生体二极管的影响，稳定工作的同时保持其灵活性。本发明专利技术作为一种DC‑DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法和电路可广泛应用于集成电路领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路领域，尤其是一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法和电路。
技术介绍
单电感多输出(Single-InductorMultiple-Output，SIMO)DC-DC转换器是一种将电感分时复用的新型DC-DC转换器结构，系统只需要一个电感，就能提供多路独立的输出。因此减少了片外电感的数目，减小了转换器的体积，并降低了成本。近年来提出的自动升降压型单电感多输出DC-DC转换器更是拓展了此类转换器的应用范围。自动升降型单电感多输出DC-DC变换器的功率级电路如图1所示，该功率级电路包括输入级开关组和输出级开关组，其中输入级开关组包括一个PMOS管Mip和一个NMOS管Min，输出级开关组包括一个NMOS管Mon和n个PMOS管Mop1～Mopn。转换器工作时，控制信号Go0～Gon控制输出级开关组依次导通，并且不会发生同时导通的情况，其可能的一种工作时序图如图2所示，当控制信号为高电平时，PMOS管截止，NMOS管导通；当控制信号为低电平时，PMOS管导通，NMOS管截止。目前最为常用的PMOS管剖面结构图如图3所示，通常是在P型衬底上制作N阱，然后在N阱中制作PMOS，两个P型重掺杂区分别为PMOS管的源极(S)和漏极(D)，N型重掺杂区为PMOS管的衬底(B)，G为PMOS管的栅极。从掺杂关系可以知道，P型重掺杂区的源极S和漏极D会分别与N型重掺杂区的衬底B形成寄生体二极管。在典型的MOS管工作中，源极/漏极对衬底的寄生体二极管必须反偏，以免寄生体二极管正向导通，发生漏电，影响系统的工作效率，甚至使系统无法正常工作，所以PMOS管的衬底B通常被接到系统的最高电位。然而在单电感多输出DC-DC转换器，尤其是自动升降压型单电感多输出DC-DC转换器中，系统的最高电位是无法确切知道的，因此输出级PMOS管的衬底连接成了一个问题。在目前的研究中，这个问题有三种解决方法。第一种方法是设定此转换器的第k通道输出电压Vok为所有输出中的最高电位，于是将所有输出级开关组内的PMOS的衬底均接至Vok这个最高输出电位，这样就能保证所有的寄生体二极管都处于反偏状态，如图4所示。但是这种方法的缺点比较多，首先是此转换器在应用时必须要设计第k通道的输出电压Vok是系统的最高电压，这限制了芯片使用时的灵活性，也限制了动态电压调节(dynamicvoltagescaling，DVS)的应用；其次，对于其他通道的输出PMOS管来说，这种接法导致了体效应的产生，体效应可以使PMOS管的阈值电压Vth增大，当两个输出电压差别太大、体效应比较严重时，阈值电压Vth增大太多可能导致该PMOS管无法开启，从而使得变换器无法正常工作。第二种方法是在第一种方法上做出的改进，它不是固定设置转换器的第k通道输出电压Vok为所有输出中的最高电位，而是引入一个最高电压选择器，将转换器的n个输出电压Vo1～Von相比较，选出其中最大的一个电压，然后将所有输出级开关组内的PMOS的衬底均接至这个选出的最大电压，如图5所示。这种做法虽然打破了必须要设计第k通道的输出电压Vok是系统的最高电压这一限制，但是体效应的影响仍然存在。第三种方法如图6所示，每一个通道利用一个比较器cmpk实时比较该通道的PMOS管的源极(VX2)和漏极Vok的电位，然后利用比较器的输出结果控制两个MOS管Mpk1和Mpk2，让PMOS管的衬底接到电位较高的一端，这样也能保证所有的寄生体二极管都处于反偏状态。但是该电路对比较器的速度要求比较高，因为单电感多输出DC-DC转换器的工作频率一般为MHz数量级，在一个周期内VX2的电位会变化n+1次，如果要功率管Mopk的衬底准确接在电位较高的一端，则需比较器的反应速度至少在ns级别，这对比较器的设计来说也是一个不小的挑战。此外，该电路结构复杂，n个比较器也增加了电路的功耗。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是：提供一种通过简单电路消除体效应和寄生体二极管影响、降低功耗的DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路。为了解决上述技术问题，本专利技术的另一目的是：提供一种通过简单电路消除体效应和寄生体二极管影响、降低功耗的DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路，包括有输入级开关组、电感、输出级总控制开关和多个输出支路，所述输入级开关组的输出端通过电感连接至输出级总控制开关的输出端，所述输出级总控制开关的输出端还分别连接有多个输出支路的输入端；所述多个输出支路中，每个输出支路包括有支路功率开关管、支路衬底开关模块和支路输出电路模块，所述支路功率开关管为PMOS管，所述输出级总控制开关的输出端连接至支路功率开关管的源极，所述支路功率开关管的漏极与支路输出电路模块的输入端连接，所述支路功率开关管的栅极用于接入控制信息；所述支路衬底开关模块用于在支路功率开关管导通时将支路功率开关管的衬底与支路功率开关管的漏极或源极连接，并在支路功率开关管截止时使支路功率开关管的衬底保持高电位。进一步，所述支路衬底开关模块为PMOS管，所述支路衬底开关模块的源极和衬底均与支路功率开关管的衬底连接，所述支路衬底开关模块的栅极与支路功率开关管的栅极连接，所述支路衬底开关模块的漏极与支路功率开关管的漏极或源极连接。进一步，所述多个输出支路中还包括有最高电压选择器、选择器开关管和反相器，所述选择器开关管为PMOS管，所述支路功率开关管的栅极通过反相器连接至选择器开关管的栅极，所述选择器开关管的衬底和源极均连接至支路功率开关管的衬底，所述多个输出支路的支路输出电路模块输出端均连接至最高电压选择器的输入端，所述最高电压选择器的输出端连接至选择器开关管的漏极。进一步，所述输入级开关组包括有输入级PMOS管和输入级NMOS管，所述输入级PMOS管的源极和衬底连接并用于接入输入信号，所述输入级NMOS管的源极和衬底连接并接地，所述输入级PMOS管的漏极和输入级NMOS管的漏极均连接至电感一端，所述输入级PMOS管的栅极和输入级NMOS管的栅极用于接入控制信息。进一步，所述输出级总控制开关包括有输出级总控制NMOS管，所述输出级总控制NMOS管的源极和衬底连接并接地，所述输出级总控制NMOS管的漏极分别连接至电感另一端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DC‑DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路，其特征在于：包括有输入级开关组、电感、输出级总控制开关和多个输出支路，所述输入级开关组的输出端通过电感连接至输出级总控制开关的输出端，所述输出级总控制开关的输出端还分别连接有多个输出支路的输入端；所述多个输出支路中，每个输出支路包括有支路功率开关管、支路衬底开关模块和支路输出电路模块，所述支路功率开关管为PMOS管，所述输出级总控制开关的输出端连接至支路功率开关管的源极，所述支路功率开关管的漏极与支路输出电路模块的输入端连接，所述支路功率开关管的栅极用于接入控制信息；所述支路衬底开关模块用于在支路功率开关管导通时将支路功率开关管的衬底与支路功率开关管的漏极或源极连接，并在支路功率开关管截止时使支路功率开关管的衬底保持高电位。

【技术特征摘要】
1.一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路，其特征在于：包括有输入级开关组、电感、输出级总控制开关和多个输出支路，所述输入级开关组的输出端通过电感连接至输出级总控制开关的输出端，所述输出级总控制开关的输出端还分别连接有多个输出支路的输入端；
所述多个输出支路中，每个输出支路包括有支路功率开关管、支路衬底开关模块和支路输出电路模块，所述支路功率开关管为PMOS管，所述输出级总控制开关的输出端连接至支路功率开关管的源极，所述支路功率开关管的漏极与支路输出电路模块的输入端连接，所述支路功率开关管的栅极用于接入控制信息；
所述支路衬底开关模块用于在支路功率开关管导通时将支路功率开关管的衬底与支路功率开关管的漏极或源极连接，并在支路功率开关管截止时使支路功率开关管的衬底保持高电位。
2.根据权利要求1所述的一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路，其特征在于：所述支路衬底开关模块为PMOS管，所述支路衬底开关模块的源极和衬底均与支路功率开关管的衬底连接，所述支路衬底开关模块的栅极与支路功率开关管的栅极连接，所述支路衬底开关模块的漏极与支路功率开关管的漏极或源极连接。
3.根据权利要求2所述的一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接电路，其特征在于：所述多个输出支路中还包括有最高电压选择器、选择器开关管和反相器，所述选择器开关管为PMOS管，所述支路功率开关管的栅极通过反相器连接至选择器开关管的栅极，所述选择器开关管的衬底和源极均连接至支路功率开关管的衬底，所述多个输出支路的支路输出电路模块输出端均连接至最高电压选择器的输入端，所述最高电压选择器的输出端连接至选择器开关管的漏极。
4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭建平，祝磊，郑彦祺，陈彪，陈弟虎，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44