一種低電壓高頻率采用自舉電路的BiCMOS驅(qū)動(dòng)電路

引言

在設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備和無(wú)線產(chǎn)品時(shí)，提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)電池工作時(shí)間是設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的兩個(gè)問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于為便攜式設(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)有：（1）高頻化技術(shù)：隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減小，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級(jí)。（2）低輸出電壓技術(shù)：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來(lái)越低，這就要求未來(lái)的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。 

這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源芯片電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。首先，隨著開關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時(shí)必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級(jí)的開關(guān)頻率下正常工作。其次，對(duì)于電池供電的便攜式電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，電路的工作電壓低（以鋰電池為例，工作電壓2.5～3.6V），因此，電源芯片的工作電壓較低。

MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻，消耗能量較低，在目前流行的高效DC－DC芯片中多采用MOS管作為功率開關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對(duì)于設(shè)計(jì)高工作頻率DC－DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

在低電壓ULSI設(shè)計(jì)中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常工作，并且能夠在負(fù)載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路，設(shè)計(jì)了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)能力的，適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過Hspice仿真驗(yàn)證，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時(shí)，工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。


自舉升壓電路

自舉升壓電路的原理圖如圖1所示。所謂的自舉升壓原理就是，在輸入端IN輸入一個(gè)方波信號(hào)，利用電容Cboot將A點(diǎn)電壓抬升至高于VDD的電平，這樣就可以在B端輸出一個(gè)與輸入信號(hào)反相，且高電平高于VDD的方波信號(hào)。具體工作原理如下。 

當(dāng)VIN為高電平時(shí)，NMOS管N1導(dǎo)通，PMOS管P1截止，C點(diǎn)電位為低電平。同時(shí)N2導(dǎo)通，P2的柵極電位為低電平，則P2導(dǎo)通。這就使得此時(shí)A點(diǎn)電位約為VDD，電容Cboot兩端電壓UC≈VDD。由于N3導(dǎo)通，P4截止，所以B點(diǎn)的電位為低電平。這段時(shí)間稱為預(yù)充電周期。

當(dāng)VIN變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，NMOS管N1截止，PMOS管P1導(dǎo)通，C點(diǎn)電位為高電平，約為VDD。同時(shí)N2、N3截止，P3導(dǎo)通。這使得P2的柵極電位升高，P2截止。此時(shí)A點(diǎn)電位等于C點(diǎn)電位加上電容Cboot兩端電壓，約為2VDD。而且P4導(dǎo)通，因此B點(diǎn)輸出高電平，且高于VDD。這段時(shí)間稱為自舉升壓周期。

實(shí)際上，B點(diǎn)電位與負(fù)載電容和電容Cboot的大小有關(guān)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整。具體關(guān)系將在介紹電路具體設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)討論。在圖2中給出了輸入端IN電位與A、B兩點(diǎn)電位關(guān)系的示意圖。


驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

圖3中給出了驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。驅(qū)動(dòng)電路采用Totem輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上拉驅(qū)動(dòng)管為NMOS管N4、晶體管Q1和PMOS管P5。下拉驅(qū)動(dòng)管為NMOS管N5。圖中CL為負(fù)載電容，Cpar為B點(diǎn)的寄生電容。虛線框內(nèi)的電路為自舉升壓電路。

本驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思想是，利用自舉升壓結(jié)構(gòu)將上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極（B點(diǎn)）電位抬升，使得UB>VDD+VTH ，則NMOS管N4工作在線性區(qū)，使得VDSN4 大大減小，最終可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出高電平達(dá)到VDD。而在輸出低電平時(shí)，下拉驅(qū)動(dòng)管本身就工作在線性區(qū)，可以保證輸出低電平位GND。因此無(wú)需增加自舉電路也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

考慮到此驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電容CL很大，一般能達(dá)到幾十皮法，還需要進(jìn)一步增加輸出電流能力，因此增加了晶體管Q1作為上拉驅(qū)動(dòng)管。這樣在輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q1導(dǎo)通，由N4、Q1同時(shí)提供電流，OUT端電位迅速上升，當(dāng)OUT端電位上升到VDD－VBE時(shí)，Q1截止，N4繼續(xù)提供電流對(duì)負(fù)載電容充電，直到OUT端電壓達(dá)到VDD。

在OUT端為高電平期間，A點(diǎn)電位會(huì)由于電容Cboot 上的電荷泄漏等原因而下降。這會(huì)使得B點(diǎn)電位下降，N4的導(dǎo)通性下降。同時(shí)由于同樣的原因，OUT端電位也會(huì)有所下降，使輸出高電平不能保持在VDD。為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，又增加了PMOS管P5作為上拉驅(qū)動(dòng)管，用來(lái)補(bǔ)充OUT端CL的泄漏電荷，維持OUT端在整個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)為高電平。

驅(qū)動(dòng)電路的傳輸特性瞬態(tài)響應(yīng)在圖4中給出。其中（a）為上升沿瞬態(tài)響應(yīng)，（b）為下降沿瞬態(tài)響應(yīng)。從圖4中可以看出，驅(qū)動(dòng)電路上升沿明顯分為了三個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)上拉驅(qū)動(dòng)管起主導(dǎo)作用的時(shí)期。1階段為Q1、N4共同作用，輸出電壓迅速抬升，2階段為N4起主導(dǎo)作，使輸出電平達(dá)到VDD，3階段為P5起主導(dǎo)作用，維持輸出高電平為VDD。而且還可以縮短上升時(shí)間，下降時(shí)間滿足工作頻率在兆赫茲級(jí)以上的要求。


需要注意的問題及仿真結(jié)果

電容Cboot的大小的確定

Cboot的最小值可以按照以下方法確定。在預(yù)充電周期內(nèi)，電容Cboot 上的電荷為VDDCboot 。在A點(diǎn)的寄生電容（計(jì)為CA）上的電荷為VDDCA。因此在預(yù)充電周期內(nèi)，A點(diǎn)的總電荷為

Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A} （1）

B點(diǎn)電位為GND，因此在B點(diǎn)的寄生電容Cpar上的電荷為0。

在自舉升壓周期，為了使OUT端電壓達(dá)到VDD，B點(diǎn)電位最低為VB＝VDD+Vthn。因此在B點(diǎn)的寄生電容Cpar上的電荷為

Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar （2）

忽略MOS管P4源漏兩端壓降，此時(shí)Cboot上的電荷為VthnCboot ，A點(diǎn)寄生電容CA的電荷為（VDD+Vthn）CA。A點(diǎn)的總電荷為

QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A} （3）

同時(shí)根據(jù)電荷守恒又有

Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2} （4）

綜合式（1）～（4）可得

C_{boot}=frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A} （5）

從式（5）中可以看出，Cboot隨輸入電壓變小而變大，并且隨B點(diǎn)電壓VB變大而變大。而B點(diǎn)電壓直接影響N4的導(dǎo)通電阻，也就影響驅(qū)動(dòng)電路的上升時(shí)間。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，Cboot的取值要大于式（5）的計(jì)算結(jié)果，這樣可以提高B點(diǎn)電壓，降低N4導(dǎo)通電阻，減小驅(qū)動(dòng)電路的上升時(shí)間。

P2、P4的尺寸問題

將公式（5）重新整理后得：

V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}frac{C_{A}}{Cpar} （6）

從式（6）中可以看出在自舉升壓周期內(nèi)， A、B兩點(diǎn)的寄生電容使得B點(diǎn)電位降低。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了得到合適的B點(diǎn)電位，除了增加Cboot大小外，要盡量減小A、B兩點(diǎn)的寄生電容。 在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)充電PMOS管P2的尺寸盡可能的取小，以減小寄生電容CA。而對(duì)于B點(diǎn)的寄生電容Cpar來(lái)說(shuō)，主要是上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極寄生電容，MOS管P4、N3的源漏極寄生電容只占一小部分。我們?cè)谇懊娴姆治鲋泻雎粤薖4的源漏電壓，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要盡量的加大P4的寬長(zhǎng)比，使其在自舉升壓周期內(nèi)的源漏電壓很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大，要保證P4的源極寄生電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極寄生電容。

阱電位問題

如圖3所示，PMOS器件P2、P3、P4的N-well連接到了自舉升壓節(jié)點(diǎn)A上。這樣做的目的是，在自舉升壓周期內(nèi)，防止他們的源/漏--阱結(jié)導(dǎo)通。而且這還可以防止在源/漏--阱正偏時(shí)產(chǎn)生由寄生SRC引起的閂鎖現(xiàn)象。

上拉驅(qū)動(dòng)管N4的阱偏置電位要接到它的源極，最好不要直接接地。這樣做的目的是消除襯底偏置效應(yīng)對(duì)N4的影響。

Hspice仿真驗(yàn)證結(jié)果

驅(qū)動(dòng)電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過Hspice仿真驗(yàn)證。在表1中給出了電路在不同工作電壓、不同負(fù)載條件下的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf 的仿真結(jié)果。在圖5中給了電路工作在輸入電壓1.5V、工作頻率為5MHz、負(fù)載電容60pF條件下的輸出波形。

結(jié)論

本文采用自舉升壓電路，設(shè)計(jì)了一種BiCMOS Totem結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路。該電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)，可在1.5V電壓供電條件下正常工作，而且在負(fù)載電容為60pF的條件下，工作頻率可達(dá)5MHz以上。該電路已應(yīng)用于某種高性能壓型DC－DC芯片，并已投片。

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