专利名称：一种电平位移电路的制作方法
技术领域：
本发明属于芯片设计技术领域，涉及高压功率MOS栅驱动集成电路，具体涉及一种电平位移电路。
背景技术：
功率MOS栅驱动集成电路是HVIC (高压集成电路)的典型电路之一，广泛应用于家用电器与工业设备、航空、航天、武器系统等方面。其具体应用的一个重要方面是用来实现高低压电平位移，到目前为止，通用的功率MOS栅驱动集成电路大都采用两路完全相同的LDMOS来实现电平位移电路，即双脉冲触发式的电平位移电路。两路电平位移的方式使电路结构复杂和芯片面积增大。研究表明，电平位移电路占据整个系统功耗的80%以上。一种比较经典的高压电平位移电路如图1所示，包括两个窄脉冲产生电路A和 B、两个脉冲滤波电路A和B和信号恢复电路，由于LDMOS耐高压的特性，该电路通过高压 LDMOS管Ml和M2及其负载电阻Rl和R2进行电平位移，可以弥补通常电平位移电路不耐高压的缺点，并且具有功耗低的优点，尤其针对不同的占空比输入电压都可以有效的实现电平位移。但是由于该电路通过使用两个窄脉冲表征输入控制信号的上升沿和下降沿，在电平转换中分别使用两路LDMOS电平位移电路，高压器件利用率低，增加了电路版图的面积。为克服电路版图的面积较大的问题，在文献“武振宇、方健、乔明、李肇基，单路 LDMOS实现的高压电平位移电路及其应用，微电子学，Vol 37 (2)，2007，250-254",提出了另一种高压电平位移电路，包括脉冲产生电路、脉冲整形电路、滤波电路、信号恢复电路，该电平位移电路使用了一个LDMOS管及其负载电阻进行电平位移，该电路实现了单路LDMOS电平位移电路，高压器件利用率提高，电路版图面积减少了，但是会带来另外一个问题是单路窄脉冲无法表征输入控制信号的上升沿和下降沿，无法使不同的占空比输入电压都可以有效的实现电平位移。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电平位移电路存在的缺陷，提出了一种电平位移电路。为了实现上述目的，本发明的技术方案，一种电平位移电路，包括双脉冲产生与整形电路、高低电平位移转换电路、高压脉冲滤波整形电路和RS触发器，输入电压连接到双脉冲产生与整形电路输入端，其特征在于，高低电平位移转换电路包括LDMOS管，NMOS管， 第一电阻，第二电阻，第三电阻，第一二极管和第二二极管，输入电压连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极与LDMOS管的源极相连，NMOS管的源极与第一电阻相连，第一电阻的另一端连接到绝对地，第二电阻与LDMOS管的漏极相连，第二电阻的另一端连接到绝对地，第三电阻一端接LDMOS管的漏极，另一端与外部的高压电源相连，第一二极管的正极与LDMOS管的漏极相连，第一二极管的负极与第二二极管的正极相连，第二二极管的负极与外部的高压电源相连，双脉冲产生与整形电路的输出端与LDMOS管的栅极相连，LDMOS管的漏极与高压脉冲滤波整形电路的输入端相连，高压脉冲滤波整形电路的两个输出端分别与RS触发器的R端和S端相连，其中上升沿脉冲输出端与RS触发器的R端相连，下降沿脉冲输出端与RS触发器的S端相连，RS触发器的Q端即为电平位移电路输出电压。上述高压脉冲滤波整形电路包括第一比较器，第二比较器和或非门，其中，第一比较器的负输入端与第二比较器的正输入端相连接作为高压脉冲滤波整形电路的输入端， 第一比较器的正输入端与外部的第一基准电压相连，第二比较器的负输入端与外部的第二基准电压相连，第一比较器和第二比较器的电源端与外部的高压电源相连，第一比较器和第二比较器的地端与外部的浮动地相连，第二比较器的输出端即为高压脉冲滤波整形电路的下降沿脉冲输出端，第一比较器与第二比较器的输出端分别与或非门的两个输入端相连，或非门的输出端即为高压脉冲滤波整形电路的上升沿脉冲输出端。本发明的有益效果相比现有的高压电平位移电路使用两个LDMOS管，本发明的电平位移电路只使用了一个LDMOS管，其他器件为中低压普通器件，因而减小了版图面积， 简化了电路结构设计，降低了工艺实现的难度；相比文献中的单路LDMOS电路，本发明的电平位移电路可以通过单路脉冲的高低电平表征输入控制信号的上升沿和下降沿，实现不同的占空比输入电压的有效电平位移。
图1为现有的一种电平位移电路结构示意图。图2为本发明的电平位移电路结构示意图。图3为本发明实施例的高低电平位移转换电路结构示意图。图4为本发明实施例的高压脉冲滤波整形电路结构示意图。图5为本发明实施例的仿真结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。如图2所示，一种电平位移电路，包括双脉冲产生与整形电路1、高低电平位移转换电路2、高压脉冲滤波整形电路3和RS触发器4，输入电压VIN连接到双脉冲产生与整形电路4输入端。这里的双脉冲产生与整形电路1属于现有技术，在此不再进行详细描述。为了便于书写方便，下面作如下规定双脉冲产生与整形电路的输出信号记为 Vol ；高低电平位移转换单元输出的信号记为Vo2 ；高压脉冲滤波整形电路的上升沿脉冲输出端输出的信号记为Vo3 ；高压脉冲滤波整形电路的下降沿脉冲输出端输出的信号记为Vo4 ；输入电压记为Vin ；外部的浮动地记为VSD ；高压浮空电源记为V⑶；电平位移电路输出电压记为=Vout。如图3所示，高低电平位移转换电路2包括LDMOS管M21，NMOS管M22，第一电阻 R23，第二电阻R24，第三电阻R25，第一二极管拟6和第二二极管D27，输入电压Vin连接到 M22的栅极，M22的漏极与LDMOS管M21的源极相连，M22的源极与第一电阻R23相连，第一电阻R23的另一端连接到共地GND，第二电阻RM与LDMOS管M21的漏极相连，第二电阻R24 的另一端连接到共地GND，第三电阻R25 —端接LDMOS管M21的漏极，另一端与外部的高压电源V⑶相连，第一二极管D26的正极与LDMOS管的漏极相连，第一二极管D26的负极与第二二极管D27的正极相连，第二二极管D27的负极与外部的高压电源V⑶相连，双脉冲产生与整形电路1的输出端与LDMOS管M21的栅极相连，LDMOS管M21的漏极与高压脉冲滤波整形电路3的输入端相连，高压脉冲滤波整形电路3的上升沿脉冲输出端与RS触发器的R 端相连，高压脉冲滤波整形电路3的下降沿脉冲输出端与RS触发器的S端相连，RS触发器的Q端即为电平位移电路的输出。如图4所示，高压脉冲滤波整形电路3包括第一比较器A，第二比较器B，或非门 M31，其中第一比较器A的负输入端与第二比较器B的正输入端相连接作为高压脉冲滤波整形电路3的输入端，第一比较器A的正输入端与外部的第一基准电压VREFl相连，第二比较器B的负输入端与外部的第二基准电压VREF2相连，第一比较器A和第二比较器B的电源端与外部的高压电源V⑶相连，第一比较器A和第二比较器B的地端与外部的浮动地VSD 相连，第二比较器B的输出端即为高压脉冲滤波整形电路3的下降沿脉冲输出端，第一比较器A与第二比较器B的输出端分别与或非门M31的两个输入端相连，或非门M31的输出端即为高压脉冲滤波整形电路3的上升沿脉冲输出端。以本实施例为例说明本发明整体电路的工作原理本实施例中，高压脉冲滤波整形电路3和RS触发器4的高压部分的地VSD是高压浮空地，电平位移电路的输出电压的高电平为VCD，低电平为VSD，电平位移电路的功能是将低压部分的输出传送到高压部分。图3中，双脉冲产生与整形电路1的输出信号Vol控制着LDMOS管M21的开启与关断，高低电平位移转换单元电路的输出端(LDM0S的漏极)输出的信号Vo2会随着Vol的反向变化而发生变化，当LDMOS管M21关断的时候，Vo2 = VCD，当偏置NMOS管M21开启的时候，Vo2由电阻R23和R24决定。电路输入信号Vin输入双脉冲产生与整形单元的同时，也连接到中压NMOS管M22 的栅极上，当Vin为高电平时，匪OS管M22导通，电阻R23与RM并联接通到LDMOS管M21 的源极，此时，上升沿所产生的脉冲控制LDMOS管栅极短暂开启，LDMOS管的漏极电压会生成Vo2，Vo2的低电平电位记为VL ；当输入信号Vin为低电平时，M22关闭，RM单独接通到 LDMOS管的源极，下降沿所产生的脉冲控制LDMOS管栅极短暂开启，LDMOS的漏极电压会产生Vo2，Vo2的低电平电位记为VH。由于LDMOS管在关断与开启过程中容易产生较大的位移电流，在电阻R25、R23和RM上会有较大的电压波动，所以在高压浮空电源V⑶与Vo2之间增加两个反向耐压为6. 5 7V的齐纳二极管D3，D4构成外围自举电路，将R25上的最大压降限制在13 14V，避免下级倒相器的栅氧化层击穿。图4中，高压脉冲滤波整形单元3的输入端会连续交叉输入上升沿脉冲信号S2与下降沿脉冲信号S3，由于上升沿脉冲信号S2与下降沿脉冲信号S3的脉冲下拉电平不同， 在高压脉冲滤波整形单元3中会有两个基准电压不同的比较器电路，其中外部的第一基准电压VREFl接比较器A的正端，外部的第二基准电压VREF2连接比较器B的正端，输入要求 VREFl的电压大小介于VH与V⑶之间，VREF2的电压大小介于VL与VH之间。当上升沿脉冲信号S2到达比较器时，由于信号S2的脉冲下拉电平VL小于基准电压VREFl，VREF2，比较器A输出逻辑0，比较器B输出逻辑1 ；当Vo2 = V⑶时，由于V⑶大于基准电压VREF1，VREF2，比较器A输出逻辑1，比较器B输出逻辑0 ；由于信号S3的脉冲下拉电平VH低于基准电压VREFl，高于基准电压VREF2，因此比较器A输出逻辑0，比较器B输出逻辑0。比较器在判断输出电平的高低的同时，也有很好的滤波功能，会消除d(VCD)/ dt产生的误触发，比较器B的输出即为高压脉冲滤波整形电路的下降沿脉冲输出端输出的信号Vo4，比较器A与比较器B的输出端分别与或非门M31的两个输入端相连，或非门M31 的输出即为高压脉冲滤波整形电路的上升沿脉冲输出端输出的信号Vo3。Vo3信号会输入到RS触发器4的R端，会触发生成位移电平的上升沿；Vo4信号会连接到RS触发器4的S端，相应地也会生成位移电平的下降沿。在RS触发器4的Q端会输出的位移后的高压电平。图5给出了实施例的仿真结果图，观察高压上升沿脉Vo3，高压下降沿脉冲Vo4，高压电平输出Vout波形之间的关系。Vo3信号的脉冲触发可以位移高压方波输出的上升沿； 同样，Vo4信号通过触发器可以使Vout中的高压电平变低，实现下降沿的位移控制。高低电平位移转换电路2输出的信号Vo2在LDMOS管栅极短暂开启和关闭的情况下，分别产生两个电平VH和VL，当输入信号的占空比不同说会造成误触发，在本实施例中通过比较器在判断输出电平VH和VL的高低，来消除产生的误触发，从而达到在不同的占空比输入电压下实现有效的电平位移。本实施例的仿真条件为高压浮空电源V⑶为80V ；高压浮空地VSD为70V ；低压电源VCC为5. 8V ；电路输入电压Vin范围0V 5. 8V。仿真结果如图所示电平位移电路输出电压Vout的范围70V 80V，频率与输入相同，即输出端相对高电位逻辑关系与输入端相对低逻辑关系相同，达到了高低电平位移的目的。从上述分析可以看出，本发明的高压电平位移电路在减小电路版图面积的同时， 解决了在不同占空比下输入电压的有效的电平位移。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种电平位移电路，包括双脉冲产生与整形电路、高低电平位移转换电路、高压脉冲滤波整形电路和RS触发器，输入电压连接到双脉冲产生与整形电路输入端，其特征在于， 高低电平位移转换电路包括LDMOS管，NMOS管，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第一二极管和第二二极管，输入电压连接到NMOS管的栅极，NMOS管的漏极与LDMOS管的源极相连，NMOS 管的源极与第一电阻相连，第一电阻的另一端连接到绝对地，第二电阻与LDMOS管的漏极相连，第二电阻的另一端连接到绝对地，第三电阻一端接LDMOS管的漏极，另一端与外部的高压电源相连，第一二极管的正极与LDMOS管的漏极相连，第一二极管的负极与第二二极管的正极相连，第二二极管的负极与外部的高压电源相连，双脉冲产生与整形电路的输出端与LDMOS管的栅极相连，LDMOS管的漏极与高压脉冲滤波整形电路的输入端相连，高压脉冲滤波整形电路的输出端的上升沿脉冲与RS触发器的R端相连，高压脉冲滤波整形电路的输出端的下降沿脉冲与RS触发器的S端相连，RS触发器的Q端即为电平位移电路输出电压。
2.根据权利要求1所述的电平位移电路，其特征在于，所述高压脉冲滤波整形电路包括第一比较器，第二比较器和或非门，第一比较器的负输入端与第二比较器的正输入端相连接作为高压脉冲滤波整形电路的输入端，第一比较器的正输入端与外部的第一基准电压相连，第二比较器的负输入端与外部的第二基准电压相连，第一比较器和第二比较器的电源端与外部的高压电源相连，第一比较器和第二比较器的地端与外部的浮动地相连，第二比较器的输出端即为高压脉冲滤波整形电路的下降沿脉冲输出端，第一比较器与第二比较器的输出端分别与或非门的两个输入端相连，或非门的输出端即为高压脉冲滤波整形电路的上升沿脉冲输出端。
全文摘要
本发明公开了一种电平位移电路。针对现有的电平位移电路不能同时实现较小的电路版图的面积和不同占空比输入电压都可以有效的电平位移的缺陷，本发明提出了一种电平位移电路，包括双脉冲产生与整形电路、高低电平位移转换电路、高压脉冲滤波整形电路和RS触发器，其特征在于，高低电平位移转换电路包括LDMOS管，NMOS管，第一电阻，第二电阻，第三电阻，第一二极管和第二二极管。相比现有的电平位移电路使用两个LDMOS管，本发明只使用了一个LDMOS管，因而减小了版图面积，并且通过单路脉冲的高低电平表征输入控制信号的上升沿和下降沿，实现了不同占空比输入电压的有效的电平位移。
文档编号H03K5/08GK102185592SQ20111002993
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者吴琼乐, 方健, 杨毓俊, 柏文斌, 王泽华, 管超, 罗杰, 陈吕赟, 高大伟 申请人:电子科技大学