[发明专利]一种DC-DC变换器输出级功率开关管衬底连接方法和电路

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路领域，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。

背景技术

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M_ip和一个NMOS管M_in，输出级开关组包括一个NMOS管M_on和n个PMOS管M_op1～M_opn。转换器工作时，控制信号G_o0～G_on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V_ok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V_ok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V_ok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V_th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V_th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V_ok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V_o1～V_on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V_ok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(V_X2)和漏极V_ok的电位，然后利用比较器的输出结果控制两个MOS管M_pk1和M_pk2，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V_X2的电位会变化n+1次，如果要功率管M_opk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。

发明内容