DC-DC升压变换器的制作方法

dc-dc升压变换器
技术领域
1.本发明涉及dc-dc变换电源技术领域，具体涉及一种dc-dc升压变换器。


背景技术：

2.为了提供向有源矩阵有机发光二极体(amoled)板输入的直流电压，需要通过改变由电池或预定的直流电源所提供的直流输入电压的等级来换成适合上述有源矩阵有机发光二极体板的直流输出电压，这种功能可由dc-dc升压变换器执行。
3.或者，为了提供向进行无线充电时所充电的电池进行输入的直流输出电压，需要通过改变无线充电装置所提供的直流输入电压的等级来换成适合上述电池的直流输出电压，这种功能也可由dc-dc升压变换器执行。
4.此外，有多种对dc-dc升压变换器进行应用的应用程序。dc-dc升压变换器主要使用于由电池提供电力的手机及笔记本电脑等的便携式电子装置。这种电子装置通常包括几个子电路，但各个子电路具有其自身的电压水平要求事项，且这种电压水平不同于电池所提供的电压水平。
5.传统的dc-dc升压变换器中包含有两个mos管如双nmos功率管，但是该双mos管在某些条件下可能发生同时导通的情况，进而会导致升压变换器芯片出现错误的输出或效率下降，甚至损坏。
6.现有的解决方法为将两个mos管的控制信号做非交叠处理，避免两个mos管同时导通。
7.因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种dc-dc升压变换器，能够避免升压变换器中两个nmos开关管同时导通的情况，同时不影响升压变换器中开关管的导通电阻和芯片效率。
9.根据本发明提供的一种dc-dc升压变换器，包括：第一功率管、第二功率管和电感，所述第一功率管和所述第二功率管依次串联于升压变换器的输出端与接地端之间；所述电感连接于所述升压变换器的输入端和所述第一功率管和所述第二功率管的连接节点之间，所述电感、所述第一功率管和所述第二功率管用于基于第一控制信号和第二控制信号将所述输入端接收的输入电压进行升压输出；
10.所述升压变换器还包括：栅极驱动电路，分别与所述第一功率管的栅极和所述第二功率管的栅极连接，用以分别向所述第一功率管提供所述第一控制信号和向所述第二功率管提供所述第二控制信号，其中，所述第一控制信号控制所述第一功率管于所述第二控制信号控制所述第二功率管关断后延时导通。
11.优选地，所述第一功率管和所述第二功率管均为nmos晶体管。
12.优选地，所述栅极驱动电路进一步包括：第一反相器，输入端接收初始控制信号；
第二反相器，输入端接收所述初始控制信号；延时单元，输入端与所述第一反相器的输出端连接，用于对所述第一反相器的输出信号进行延时输出；第一开关管，第一通路端接收供电电压，第二通路端输出所述第一控制信号，控制端与所述延时单元的输出端连接；第二开关管，第一通路端接收供电电压，第二通路端输出所述第一控制信号，控制端与所述第一反相器的输出端连接；第三开关管，第一通路端与所述第一开关管的第二通路端连接，第二通路端接地，控制端与所述第二反相器的输出端连接。
13.优选地，所述第一开关管和所述第二开关管均为pmos晶体管，所述第三开关管为nmos晶体管。
14.优选地，所述延时单元为缓冲器。
15.优选地，所述延时单元包括多个串联的反相器。
16.优选地，所述延时单元为电阻电容延时网络，包括：第一电阻，第一端与所述延时单元的输入端连接，第二端与所述延时单元的输出端连接；第一电容，连接于所述第一电阻的第二端与接地端之间。
17.优选地，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通时，所述第一控制信号的上升沿时间与所述延时单元的延时时间相同，且所述第一控制信号的上升沿的上升速度与所述第二开关管的尺寸正相关；所述第一开关管和所述第二开关管均导通时，所述第一控制信号的上升沿的上升速度与所述第一开关管的尺寸正相关。
18.优选地，所述第二开关管的尺寸小于所述第一开关管的尺寸。
19.优选地，所述第一开关管关断且所述第二开关管导通时，所述第一控制信号的上升沿时间与所述延时单元的延时时间相同，且大于所述第一开关管和所述第二开关管均导通时，所述第一控制信号的上升沿时间。
20.本发明的有益效果是：本发明公开了一种dc-dc升压变换器，通过第一功率管、第二功率管和电感联合实现对输入电压的升压输出，同时在升压过程中，与第一功率管的栅极相连接的栅极驱动电路输出第一控制信号控制第一功率管于第二控制信号控制的第二功率管关断后延迟一段时间导通，在不改变栅极驱动电路的初始控制信号的前提下，避免了第一功率管和第二功率管的连接节点处电压上升时耦合第二功率管的栅极而造成第二功率管导通时第一功率管也导通的情况，进而避免了两个开关管同时导通所导致的升压变换器你芯片出现错误的输出或效率下降，也能够避免升压变换器芯片不被损坏。
21.通过在栅极驱动电路中增加延时单元和第二开关管的方式实现栅极驱动电路输出的第一控制信号控制第一功率管延时导通，电路结构简单，同时也能够实现对第一功率管进行驱动时先开一部分，再开另一部分的分级驱动，在实现第一功率管延时导通的同时，不影响升压变换器的正常工作，保证了升压变换器的工作效率。
22.栅极驱动电路中的延时单元的可选电路结构多，能够满足不同的场景需求。
23.栅极驱动电路中，第二开关管的尺寸小于第一开关管的尺寸，以小尺寸的第二开关管先导通提供第一控制信号驱动第一功率管，以避免在升压变换器工作过程中出现第一、第二功率管同时导通的情况。延迟一段时间后以比第二开关管尺寸大的第一开关管导通，并结合第二开关管一起提供上升沿的上升速度足够快的第一控制信号驱动第一功率管导通，不会影响电路中第一功率管的导通阻抗，进而能够保证在避免第一、第二功率管同时导通时不会对影响升压变换器芯片的工作效率。
24.应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
25.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
26.图1示出一种dc-dc升压变换器的部分电路结构图；
27.图2示出现有的一种dc-dc升压变换器中开关管的栅极驱动电路的电路结构图；
28.图3示出根据本发明实施例提供的dc-dc升压变换器中开关管的栅极驱动电路的电路结构图；
29.图4示出根据本发明实施例提供的栅极驱动电路提供的一控制信号的时序图。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
32.在以下说明的实施例中表述的特定电压值是为了便于说明而特定的，需要注意的是，即使改变该电压值，本发明的思想也将维持。
33.下面，参照附图对本发明进行详细说明。
34.图1示出一种dc-dc升压变换器的部分电路结构图。
35.如图1所示，本实施例中，dc-dc升压变换器或芯片主要包括：开关引脚，通过电感连接输入电压；使能引脚，用于通过外部输入高/低电平决定升压变换器或芯片是否开启；输出引脚，用于输出经输入电压升压后的固定(如5v)的输出电压；接地引脚，提供整个芯片的参考地。
36.dc-dc升压变换器内部电路包括：第一功率管mnhs、第二功率管 mnls、电感l1和栅极驱动电路100。其中，第一功率管mnhs和第二功率管mnls依次串联于dc-dc升压变换器的输出端vout与接地端之间，电感l1的第一端与dc-dc升压变换器的输入端连接以接收输入电压vin，电感l1的第二端与第一功率管mnhs和第二功率管mnls的连接节点 sw连接。输入端电压vin经电感l1后输入至第一功率管mnhs和第二功率管mnls的连接节点sw，也即前文提到的芯片的开关引脚。
37.进一步地，电感l1、第一功率管mnhs和第二功率管mnls用于基于第一控制信号和第二控制信号将输入端接收的输入电压vin进行升压输出。在本发明的一个实施例中，第一功率管mnhs和第二功率管mnls 均为nmos晶体管。
38.栅极驱动电路100分别与第一功率管mnhs的栅极和第二功率管 mnls的栅极连接，用以分别向第一功率管mnhs提供第一控制信号 hs_gate，和向第二功率管mnls提供第二控
制信号ls_gate。
39.为使得dc-dc升压变换器工作正常，上述第一控制信号hs_gate和第二控制信号ls_gate应能够以分别周期性的高电平和低电平切换的方式产生，以分别控制第一功率管mnhs和第二功率管mnls不同时导通。在本发明一实施例中，上述第一控制信号hs_gate和第二控制信号 ls_gate可具有互补的值。根据基于上述第一控制信号hs_gate和第二控制信号ls_gate分别维持第一功率管mnhs和第二功率管mnls的导通状态即关断状态的时间长度的比例来定义控制信号的占空比，则dc-dc 升压变换器的输出电压的值可变得不同。
40.dc-dc升压变换器的升压过程包括以下内容：首先，栅极驱动电路 100控制第一功率管mnhs关断、控制第二功率管mnls导通。此时，第一控制信号hs_gate可为低电平，第二控制信号ls_gate可为高电平，所述电路中基于输入电压vin形成的电流经由第二功率管mnls流通，节点 sw处电位为0。
41.之后，栅极驱动电路100控制第一功率管mnhs导通、控制第二功率管mnls关断。此时，第一控制信号hs_gate可为高电平，第二控制信号 ls_gate可为低电平，所述电路中基于输入电压vin形成的电流经由第一功率管mnhs流通。在图1所示电路部分中功率管进行状态转换的区间内，电感l1中流通的电流的连续性得到保障，节点sw处的电位被逐渐拉升，并最终使得输出端vout的电位也逐渐升高。
42.需要说明的是，在本发明的一个实施例中，栅极驱动电路100可为基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate，之后将第一控制信号 hs_gate进行转换后提供第二控制信号ls_gate，或将基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate过程中的某一中间信号作为第二控制信号 ls_gate。在本发明的另一个实施例中，栅极驱动电路100可为包括第一栅极驱动控制模块和第二栅极驱动控制模块，其中，由第一栅极驱动控制模块基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate，由第二栅极驱动控制模块同样基于初始控制信号提供第二控制信号ls_gate。
43.可以理解的是，dc-dc升压变换器内部电路结构还可包括设置内部电源选择模块、内部基准与偏置模块、电感电流侦测电阻、前沿消隐单元、过流保护模块、pwm(脉宽调制)比较模块、控制逻辑与驱动模块。、振荡器、使能模块、空载侦测比较模块、输入电压反馈分压电阻、输出电压反馈分压电阻以及控制开关等结构，以共同实现dc-dc升压变换器的稳定、安全工作。关于dc-dc升压变换器的一些内部电路结构不影响本技术中对技术问题的解决，则此处不再赘述。
44.以下主要对dc-dc升压变换器中的栅极驱动电路的电路结构及相应的与第一功率管mnhs和第二功率管mnls的工作原理进行说明。
45.图2示出现有的一种dc-dc升压变换器中开关管的栅极驱动电路的电路结构图。
46.现有的dc-dc升压变换器中，栅极驱动电路中提供第一控制信号 hs_gate部分的电路结构包括：第一反相器u1、第二反相器u2、第一开关管mp1和第三开关管mn1。其中，第一反相器u1的输入端和第二反相器u2的输入端均接收初始控制信号hs_on，第一反相器u1的输出端与第一开关管mp1的控制端连接，第二反相器u2的输出端与第三开关管mn1 的控制端连接，第一开关管mp1和第三开关管mn1依次串联于供电端 vcc与接地端之间，同时，第一开关管mp1和第三开关管mn1的连接节点处输出第一控制信号hs_gate。
47.可以理解的是，栅极驱动电路中提供第二控制信号ls_gate部分的电路结构可为
在图2所示电路结构的基础上在第一开关管mp1和第三开关管mn1的连接节点与第一控制信号hs_gate的输出端之间增加反相器，由第一控制信号hs_gate经过反相器后产生第二控制信号ls_gate；或者为直接由初始控制信号hs_on驱动类似第一开关管mp1和第三开关管 mn1的另两个开关管，在其连接连接处产生第一控制信号hs_gate。需要特别说明的是，在实际操作中，需要对第一开关管mp1和第三开关管 mn1所分别接收的控制信号(即第一反相器u1的输出信号与第二反相器 u2的输出信号)做非交叠处理，以避免出现第一开关管mp1和第三开关管mn1同时导通的情况。同时类似第一开关管mp1和第三开关管mn1的另两个开关管所分别接收的控制信号亦要做同样的处理。
48.进一步地，参考图1，当第二功率管mnls关断，第一功率管mnhs 导通时，由于第二功率管mnls的寄生电容c1的存在，节点sw的上升沿会耦合到第二功率管mnls的栅极，进而导致第一功率管mnhs导通的同时第二功率管mnls也导通，此时将会有很大的电流从输出端vout通过第一功率管mnhs和第二功率管mnls流入接地端中，降低芯片的效率，甚至损坏芯片。
49.而现有的栅极驱动电路中，第一开关管mp1尺寸的大小决定了第一控制信号hs_gate上升沿的快慢，第一控制信号hs_gate的上升速度决定了节点sw的上升速度，进而决定了第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通的时间。在第一开关管mp1尺寸很小时可以避免第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通，但会增加第一功率管mnhs 的阻抗，进而影响升压变换器的升压效率。若第一开关管mp1尺寸的很大，又会使第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通。
50.因此，本发明实施例在图2所示电路结构的基础上对栅极驱动电路的电路结构进行了如图3所示的改进，以解决上述技术问题。
51.图3示出根据本发明实施例提供的dc-dc升压变换器中开关管的栅极驱动电路的电路结构图，图4示出根据本发明实施例提供的栅极驱动电路提供的一控制信号的时序图。
52.如图3所示，本实施例中，栅极驱动电路100包括：第一反相器u1、第二反相器u2、延时单元10、第一开关管mp1、第二开关管mp2和第三开关管mn1。其中，第一反相器u1的输入端和第二反相器u2的输入端均接收初始控制信号hs_on，第一反相器u1的输出端与延时单元10的输入端连接，延时单元10的输出端与第一开关管mp1的控制端连接，第二反相器u2的输出端与第三开关管mn1的控制端连接，第一开关管mp1的第一通路端与供电端vcc连接，第一开关管mp1的第二通路端与第一控制信号输出端连接以输出第一控制信号hs_gate，第二开关管mp2的第一通路端与供电端vcc连接，第二开关管mp2的第二通路端与第一控制信号输出端连接以输出第一控制信号hs_gate，第三开关管mn1的第一通路端与第一开关管mp1的第二通路端连接，第三开关管mn1的第二通路端与接地端连接。其中，第一开关管mp1和第三开关管mn1的连接节点处即为第一控制信号输出端，以输出第一控制信号hs_gate。
53.本实施例中，栅极驱动电路100提供的第一控制信号hs_gate控制第一功率管mnhs于第二控制信号ls_gate控制第二功率管mnls关断后延时导通。进而避免了在第二功率管mnls关断后，由于第一功率管 mnhs和第二功率管mnls的连接节点sw处电压上升时耦合第二功率管mnls的栅极而造成第二功率管mnls再次导通时第一功率管mnhs 也导通的情况，在不改变栅极驱动电路的初始控制信号的前提下，避免了两个开关管同时导通所导致的升压变换器芯片出现错误的输出或效率下降，也能够避免升压变换器芯片不被损坏。
54.进一步地，第一开关管mp1和第二开关管mp2均为pmos晶体管，第三开关管mn1为nmos晶体管。
55.需要说明的是，上述图3仅示出了栅极驱动电路100中提供第一控制信号hs_gate输出部分的电路结构。在本发明的一个实施例中，栅极驱动电路100可为基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate，之后将基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate过程中的某一中间信号作为第二控制信号ls_gate。而在本发明的另一个实施例中，栅极驱动电路 100可为包括第一栅极驱动控制模块和第二栅极驱动控制模块，其中，由第一栅极驱动控制模块基于初始控制信号提供第一控制信号hs_gate，由第二栅极驱动控制模块同样基于初始控制信号提供第二控制信号ls_gate。
56.进一步地，延时单元10为缓冲器、多个串联的反相器/非门(偶数个)以及电阻电容延时网络的其中之一。而当延时单元10为电阻电容延时网络时，包括第一电阻和第一电容。其中第一电阻的第一端与延时单元10的输入端(即第一反相器u1的输出端)连接，第一电阻的第二端与延时单元10的输出端(即第一开关管mp1的控制端)连接，第一电容连接于第一电阻的第二端与接地端之间。本实施例中，栅极驱动电路中100的延时单元10的可选电路结构多，能够满足不同的场景需求。
57.通过在栅极驱动电路中增加延时单元10和第二开关管mp2的方式实现栅极驱动电路100输出的第一控制信号hs_gate控制第一功率管 mnhs延时导通，电路结构简单，同时也能够实现对第一功率管mnhs 进行驱动时先开一部分，再开另一部分的分级驱动，在实现第一功率管 mnhs延时导通的同时，不影响升压变换器的正常工作，保证了升压变换器的工作效率。
58.结合图1、图3和图4，栅极驱动电路100所输出的第一控制信号 hs_gate的上升沿包括两个部分，即t1时间段和t2时间段。
59.当初始控制信号hs_on为高电平时，第一反相器u1和第二反相器u2 均输出低电平，此时在t1时间段内，第一开关管mp1和第三开关管mn1 均被控制为关断状态，第二开关管mp2被控制为处于导通状态，此时由供电端vcc经过第二开关管mp2在栅极驱动电路100的输出端提供第一控制信号hs_gate。由于第二开关管mp2的尺寸很小，因而第一控制信号hs_gate的上升沿幅度较小，在此时间段内，即使第二功率管mnls 因为节点sw处电压的上升沿耦合而导通，第一功率管mnhs在此时间段内仍处于非导通或轻微导通等高阻抗状态，进而很好的避免了第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通的情况的出现。
60.此时在t2时间段内，第一开关管mp1也变为导通状态，此时由供电端vcc同时经过第一开关管mp1和第二开关管mp2以在栅极驱动电路 100的输出端提供第一控制信号hs_gate，因此第一控制信号hs_gate的上升沿的上升速度即幅值变化更快，此时t2时间段的时间足够快因此不会影响第一功率管mnhs的导通电阻，进而不影响芯片的工作效率。
61.进一步地，第一开关管mp1关断且第二开关管mp2导通时，第一控制信号hs_gate的上升沿时间即t1时间段与延时单元10的延时时间相同，且此时第一控制信号hs_gate的上升沿的上升速度与第二开关管mp2的尺寸呈正相关(即第二开关管mp2的尺寸越小则t1时间段内第一控制信号hs_gate的上升沿的上升速度越慢)。而第一开关管mp1与第二开关管mp2均导通时，第一控制信号hs_gate的上升沿的上升速度与第一开关管mp1的尺寸呈正相关(即第一开关管mp1的尺寸越大则t1时间段内第一控制信号hs_gate的上升沿的上升速度越
块)。因此，通过合理的选取第二开关管mp2和第一开关管mp1的尺寸，则避免第一功率管 mnhs和第二功率管mnls同时导通的效果会更佳，也能够更好的保证 dc-dc升压变换器的工作效率和质量。
62.本实施例中，对于第一开关管mp1和第三开关管mn1所分别接收的控制信号(即第一反相器u1的输出信号与第二反相器u2的输出信号)，还需要进行非交叠处理，以避免出现第一开关管mp1和第三开关管mn1 同时导通的情况，进而更好的保护电路不受损伤。例如，可以在电路中设置比较模块以对第一反相器u1的输出电位与第二反相器u2的输出电位进行比较，当两者电位的高低状态不一致时，通过例如下拉高电位的输出信号或上拉低电位的输出信号等，使得第一反相器u1的输出电位与第二反相器u2的输出电位的高低状态一致。可以理解的是，还可以在第一反相器u1的输出端或第二反相器u2的输出端设置相应的延时装置使得第一反相器u1的输出电位与第二反相器u2的输出电位的高低状态一致。本发明对比不作限定。
63.优选地，第二开关管mp2的尺寸小于第一开关管mp1的尺寸，且本实施例中，t1时间段内第一控制信号hs_gate的上升沿速度小，t2时间段内第一控制信号hs_gate的上升沿速度快。通过小尺寸的第二开关管 mp2先导通以驱动第一功率管mnhs，以避免在升压变换器工作过程中出现第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通的情况。延迟一段时间后以比第二开关管mp2尺寸大的第一开关管mp1导通，之后结合第二开关管mp2一起提供上升沿的上升速度足够快的第一控制信号 hs_gate驱动第一功率管mnhs导通。
64.另一方面，通过控制栅极控制电路100中延时单元10的延时时间，即设置合适的第二开关管mp2的导通时间和第一开关管mp1的延时时间，能够更好的在影响电路中第一功率管的导通阻抗的情况下，保证在避免第一功率管mnhs和第二功率管mnls同时导通时不会对影响升压变换器芯片的工作效率。优选地，第一开关管mp1关断且第二开关管mp2导通时，第一控制信号hs_gate的上升沿时间(t1时间段)与延时单元10 的延时时间相同，且大于第一开关管mp1和第二开关管mp2均导通时，第一控制信号hs_gate的上升沿时间(t2时间段)，以保证t2时间段足够快。
65.综上，本发明通过第一功率管、第二功率管和电感联合实现对输入电压的升压输出，同时在升压过程中，与第一功率管的栅极相连接的栅极驱动电路输出第一控制信号控制第一功率管于第二控制信号控制的第二功率管关断后延迟一段时间导通，在不改变栅极驱动电路的初始控制信号的前提下，避免了第一功率管和第二功率管的连接节点处电压上升时耦合第二功率管的栅极而造成第二功率管导通时第一功率管也导通的情况，进而避免了两个开关管同时导通所导致的升压变换器芯片出现错误的输出或效率下降，也能够避免升压变换器芯片不被损坏。
66.应当说明的是，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
67.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做
出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。