BE1020663A5 - Dc-dc-convertercircuit. - Google Patents

Description

DC-DC-converterci rcuit

Gebied van de uitvinding

[0001] De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het vakgebied van circuits voor DC-DC-conversie, waarbij een DC-ingangsspanning wordt verhoogd.

Achtergrond van de uitvinding

[0002] De druk om meer functies en complexiteit te integreren op chips om de afmetingen en kosten te verlagen en om de marktintroductietijd te verminderen, duwt IC-technologieën in de richting van standaard nanometer CMOS-laagspanningsschakelingen. Een vaak toegepaste praktijk om de kloof te overbruggen met toepassingen die hoogspanning nodig hebben, zoals LED, MEMS,..., is het gebruik van dure uitbreidingen op de digitale CMOS-technologie om spanningen te tolereren die hoger liggen dan de nominale voeding. In het verleden werden al oplossingen voorgesteld voor de reguliere CMOS op basis van het principe van gestapelde ("stacked") apparaten. De werking van deze circuits is echter afhankelijk van de aanwezigheid van veelvouden van de nominale voedingsspanning (2V0D, 3V0D, ...) om op een betrouwbare manier te kunnen functioneren. Het extern opwekken van deze spanningen en de hoogspanningsrail zelf leiden onvermijdelijk tot een duurdere stuklijst.

[0003] In de paper “Digitally Assisted Discontinuous Conduction Mode 5V/100MHz and 10V/45MHz DC-DC Boost Converters with Integrated Schottky Diodes in Standard 0.13um CMOS” (P.Li et al., ISSCC Digest of Technical Papers, blz. 206-207, februari 2010) werd een step-upconverter voorgesteld in een CMOS-technologie met laagspanning. De conversie wordt echter uitgevoerd door een geschakelde inductorfase gevolgd door een zwevende condensatorconfiguratie om een 10 V-output te verwerken. Dit verlaagt de efficiëntie aanzienlijk en beperkt het gebruik tot toepassingen met een laag vermogen.

[0004] Om anderzijds de middenspanningen op te wekken, worden oplossingen voorgesteld met step-downconverters. Een voorbeeld daarvan wordt beschreven in “20uA to lOOmA DC-DC Converter with 2.8 to 4.2V Battery Supply for Portable Applications in 45nm CMOS" (S. Bandyopadhyay et al., ISSCC Digest of Technical Papers, blz. 386-387, februari 2011). Gestapelde regelaars worden gebruikt voor het opwekken van de middenspanningen. Beide circuits werken direct vanaf de hoogspanningsvoeding. Derhalve zijn extra opstartcircuits nodig om ervoor te zorgen dat de apparaten niet worden overbelast tijdens het opstarten.

[0005] Daarom is er behoefte aan een DC-DC-convertercircuit waarbij het gebruik van een aantal veelvouden van de nominale voedingsspanning wordt vermeden. Het DC-DC-convertercircuit moet verder ook worden geïmplementeerd op een efficiënte manier en geschikt zijn voor een brede waaier aan toepassingen.

Samenvatting van de uitvinding

[0006] Het is een doel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om een circuit te voorzien voor het verhogen van een DC-ingangsspanningssignaal naar een DC-uitgangsspanningssignaal, waarbij geen extra opstartcircuits nodig zijn voor het opwekken van middenspanningen.

[0007] Het bovenstaande doel wordt verwezenlijkt door een DC-DC-convertercircuit overeenkomstig de onderhavige uitvinding. Het DC-DC-convertercircuit omvat een ingangsaansluiting voor het aanleggen van een DC-ingangsspanningssignaal en een uitgangsaansluiting voor het uitvoeren van een DC-uitgangsspanningssignaal zijnde een verhoogde versie van voornoemd DC-ingangsspanningssignaal. Het DC-DC-convertercircuit omvat een halfgeleiderschakelaar omvattende een meervoudig aantal schakelelementen. De schakelelementen zijn schakelbaar tussen een open toestand en een gesloten toestand. Ten minste één van de schakelelementen kan de (hoge) DC-uitgangsspanning niet tolereren. De halfgeleiderschakelaar is verbonden met een spanningsdoorlaatelement dat van de schakelaar een signaal ontvangt op een spanningsniveau dat hoger ligt dan het DC-uitgangsspanningssignaal. Het spanningsdoorlaatelement voert het DC-uitgangsspanningssignaal uit dat wordt geleverd aan de uitgangsaansluiting. Het DC-DC-convertercircuit omvat verder een eerste instelmiddel (biasing means) dat wordt gevoed met het DC-uitgangsspanningssignaal en dat is aangepast om van de DC-uitgangsspanning ten minste één middenspanningssignaal af te leiden met een spanningsniveau dat lager is dan het DC-uitgangsspanningssignaal. Een tweede instelmiddel ontvangt het DC-ingangsspanningssignaal en voornoemd ten minste één middenspanningssignaal en is ingericht voor het leveren van het DC-ingangsspanningssignaal en het ten minste één middenspanningssignaal aan ten minste één schakelelement van de halfgeleiderschakelaar. Wegens de ten minste één middenspanning is de halfgeleiderschakelaar aangepast om in zijn open toestand een spanningsniveau te tolereren dat hoger is dan het DC-uitgangsspanningssignaal.

[0008] Een regelblok ontvangt het DC-ingangsspanningssignaal dat de nominale voedingsspanning vormt voor de regelblokcircuits. Het regelblok ontvangt ook het DC-uitgangsspanningssignaal. Het regelblok omvat schakelregellogica om het DC- uitgangsspanningssignaal te vergelijken met een referentiespanningssignaal, waarna een aandrijfsignaal wordt verstuurd overeenkomstig het resultaat van voornoemde vergelijking. Een buffer is ingericht om het aandrijfsignaal te ontvangen en een spanningssignaal te leveren dat overeenkomt met het DC-ingangsspanningssignaal aan een schakelelement van de halfgeleiderschakelaar.

[0009] Het voorgestelde DC-DC-convertercircuit gebruikt alleen de nominale DC-spanning als input en levert een verhoogd DC-spanningssignaal op als output. Door de middenspanningen op te wekken en toe te passen door middel van de instelcircuits wordt een schakelontwerp verkregen dat, wanneer de schakelaar opent en wordt blootgesteld aan een hogere spanning dan de DC-uitgangsspanning, dergelijke hoge spanning tolereert. Deze hogere spanning wordt doorgaans geleverd door een inductieve koppeling waaraan een DC-batterijspanning (bij voorkeur, maar niet noodzakelijk, gelijk aan het spanningsniveau van het om te zetten DC-ingangsspanningssignaal) wordt aangelegd.

Via bijv. een diode wordt de DC-uitgangsspanning afgeleid van de toegepaste hogere spanning. De DC-uitgangsspanning wordt niet alleen geleverd aan de uitgangsaansluiting, maar ook aan het reeds vernoemde eerste instelmiddel en aan het regelblok.

De halfgeleiderschakelaar kan worden gesloten door middel van de nominale voedingsspanning. Om de schakelelementen te beveiligen die zijn gestapeld in de halfgeleiderschakelaar wanneer voornoemde schakelaar wordt geopend, wordt een eerste instelmiddel voorzien waarin ten minste één middenspanningssignaal met een spanningsniveau lager dan de DC-uitgangsspanning wordt afgeleid en toegepast op een schakelelement van de halfgeleiderschakelaar. Het moet ook worden opgemerkt dat de middenspanningssignalen niet aanwezig zijn bij het opstarten, maar geleidelijk aan worden opgebouwd in de loop van de opstartfase (m.a.w. terwijl de schakelaar wordt geopend), waarbij ze de opgewekte DC-uitgangsspanning volgen. Dit wordt meer in detail uitgelegd verderop in deze beschrijving. Bijgevolg is het met de uitvinding mogelijk om van één (laag) spanningssignaal op nominale waarde één of, bij voorkeur, meer middenspanningsniveaus te creëren die verschillende schakelelementen van de schakelaar beschermen.

De middenspanning(en) wordt/worden gevoed naar een tweede instelmiddel dat verder ook wordt gevoed met het DC-ingangsspanningssignaal. Het tweede instelmiddel zorgt ervoor dat het DC-ingangsspanningssignaal en de middenspanning(en) worden geleverd aan één of meer schakelelementen van de schakelaar.

Een belangrijk element in het circuit van de uitvinding is het regelblok. Het regelblok ontvangt zowel de DC-ingangsspanning als de DC-uitgangsspanning als input. Het regelblok is uitgerust met regellogica om de DC-uitgangsspanning te vergelijken met een referentiespanningssignaal. Een aandrijfsignaal wordt verstuurd afhankelijk van het resultaat van voornoemde vergelijking. Het aandrijfsignaal wordt als input verstuurd naar een buffer, die op zijn beurt een spanningssignaal dat overeenkomt met het DC-ingangssignaal, levert aan een schakelelement van de halfgeleiderschakelaar.

[0010] De schakelelementen van de halfgeleiderschakelaar zijn bij voorkeur veldeffecttransistors, bijv. nMOS-transistors. De schakelaar omvat doorgaans een aantal gestapelde transistors. Deze laagspanningsschakelelementen worden gebruikt om een hoogspanning op te wekken.

[0011] In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat het eerste instelmiddel ten minste één circuit met gematchte, bij elkaar horende weerstanden. Via dergelijk bijbehorend weerstandsnetwerk worden knooppunten met evenredig verdeelde spanningen aangemaakt. Deze spanningen worden vervolgens gebruikt als middenspanningen.

[0012] In een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het eerste instelmiddel een push-pull uitgangstrap. Dat is voordelig voor het verwijderen van de MOS-drempelspanning. De push-pull outputfase kan bijvoorbeeld worden geïmplementeerd als een klasse AB-uitgangstrap.

[0013] In een uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het regelblok verder een startcircuit dat is aangepast om de pulsbreedte van het aandrijfsignaal te regelen tijdens het opstarten van het DC-DC-convertercircuit.

[0014] In een andere uitvoeringsvorm omvat het regelblok verder circuits om de stroom door de halfgeleiderschakelaar te beperken.

[0015] In een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het spanningsdoorlaatelement uitgevoerd als een diode-element. In dat geval wordt een asynchrone topologie verkregen. Als alternatief kan het spanningsdoorlaatelement worden uitgevoerd als een tweede hoogspanningshalfgeleiderschakelaar omvattende een verder meervoudig aantal schakelelementén.

[0016] De uitvinding heeft ook betrekking op een circuit omvattende een DC-DC-convertercircuit zoals beschreven in het voorgaande en omvattende een inductieve koppeling via dewelke een DC-batterijspanningssignaal wordt toegepast op het DC-DC-convertercircuit. Het DC-batterijspanningssignaal heeft bij voorkeur dezelfde waarde als het DC-ingangsspanningssignaal, zodat slechts één spanningsniveau, namelijk de nominale voedingsspanning, vereist is om het circuit te bedienen.

[0017] In een voorkeursuitvoeringsvorm omvat het circuit een DC-DC-convertercircuit zoals beschreven en een geschakelde uitgangstrap die is ingericht om te worden gevoed met het DC-uitgangsspanningssignaal van het DC-DC-convertercircuit. Voordeligerwijze is de geschakelde uitgangstrap ingericht als een klasse D-versterker.

[0018] In nog een andere uitvoeringsvorm omvat de geschakelde uitgangstrap verder schakelelementen om het DC-uitgangsspanningssignaal naar een ander spanningsniveau te brengen. Met andere woorden, ze vormen een pull-up- of puil-downnetwerk. Voordeligerwijze worden ten minste twee van de verdere schakelelementen voorzien van invers aangesloten diodes om lekkage aan de pin te voorkomen.

[0019] In een andere voorkeursuitvoeringsvorm omvat het circuit een klemcircuit voor elektrostatische ontlading (ESD). Het ESD-klemcircuit omvat bij voorkeur een meervoudig aantal ESD-klemmen waarbij een klemspanningssignaal kan worden opgewekt op het ten minste één middenspanningssignaalniveau.

[0020] Om de uitvinding en de verwezenlijkte voordelen ten opzichte van de stand van de techniek samen te vatten, werden bepaalde doelen en voordelen van de uitvinding hierboven beschreven. Het spreekt uiteraard voor zich dat alle dergelijke doelen of voordelen niet noodzakelijk worden verwezenlijkt overeenkomstig één specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding. Derhalve zullen personen die geschoold zijn in deze materie bijvoorbeeld erkennen dat de uitvinding kan worden belichaamd of uitgevoerd op een manier die één voordeel of groep van voordelen verwezenlijkt of optimaliseert zoals hierin beschreven, zonder noodzakelijk andere doelen of voordelen te verwezenlijken die hierin worden beschreven of gesuggereerd.

[0021] De bovenstaande en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk worden en nader toegelicht worden met verwijzing naar de uitvoeringsvorm(en) die hierna worden beschreven.

Korte beschrijving van de tekeningen

[0022] De uitvinding zal nu verder worden beschreven, bij wijze van voorbeeld, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarbij:

[0023] Fig. 1 een uitvoeringsvorm voorstelt van een DC-DC-convertercircuit overeenkomstig de uitvinding.

[0024] Fig. 2 een schematisch overzicht voorstelt van het eerste instelmiddel (algemeen instelcircuit).

[0025] Fig. 3 een schematisch overzicht voorstelt van het tweede instelmiddel (lokaal instelcircuit).

[0026] Fig. 4 een schematisch overzicht voorstelt van de hoogspanningsversterker van klasse D en de ESD-bescherming.

[0027] Fig. 5 een meting illustreert van de efficiëntie van het DC-DC-convertercircuit.

[0028] Fig. 6 een meting illustreert van de efficiëntie van de hoogspanningsversterker van klasse D.

[0029] Fig. 7 een meting illustreert van de transient golfvormen van de uitgangsspanning en de inductorspanning van het DC-DC-convertercircuit en de uitgangsspanning van de klasse D-versterker.

[0030] Fig. 8 het lekkageprobleem illustreert dat zich kan voordoen.

[0031] Fig. 9 een schematisch overzicht illustreert van de oplossing voor de lekkage.

[0032] De figuren zijn slechts schematisch en niet-beperkend. In de figuren kan de grootte van sommige van de elementen worden overdreven en niet op schaal zijn getekend voor illustratieve doeleinden. De afmetingen en de relatieve afmetingen komen niet noodzakelijk overeen met de eigenlijke uitvoeringsvormen van de uitvinding. Eventuele verwijzingen in de conclusies mogen niet worden opgevat als een beperking van de reikwijdte. In de verschillende figuren verwijzen dezelfde verwijzingen naar dezelfde of analoge elementen.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen

[0033] De onderhavige uitvinding zal worden beschreven met betrekking tot specifieke uitvoeringsvormen en verwijzend naar bepaalde tekeningen, doch de uitvinding is hiertoe niet beperkt, maar wordt alleen beperkt door de conclusies.

[0034] Bovendien worden de termen eerste, tweede, enzovoort in de beschrijving en in de conclusies gebruikt om een onderscheid te maken tussen soortgelijke elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, hetzij in de tijd, in de ruimte, wat betreft belang of op eender welke andere manier. Het moet worden begrepen dat de gebruikte termen onderling verwisselbaar zijn onder de juiste omstandigheden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding die hierin worden beschreven in staat zijn om te werken in andere volgordes dan hierin beschreven of geïllustreerd. Bovendien worden de termen boven, onder, enzovoort in de beschrijving en de conclusies gebruikt voor beschrijvende doeleinden en niet noodzakelijk om relatieve posities te beschrijven. Het moet worden begrepen dat de gebruikte termen onderling verwisselbaar zijn onder de juiste omstandigheden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding die hierin worden beschreven in staat zijn om te werken in andere oriëntaties dan hierin beschreven of geïllustreerd.

[0035] Het moet worden opgemerkt dat de term "omvattende" zoals gebruikt in de conclusies niet mag worden geïnterpreteerd als beperkt tot de middelen die daarna zijn opgegeven; het sluit geen andere elementen of stappen uit. Het moet dus worden geïnterpreteerd als een specificatie van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, eenheden, stappen of onderdelen waarnaar wordt verwezen, maar het sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meer andere kenmerken, eenheden, stappen of onderdelen of groepen daarvan niet uit. Daarom mag het bereik van de uitdrukking "een apparaat omvattende middelen A en B" niet worden beperkt tot apparaten die alleen bestaan uit onderdelen A en B. Het betekent dat met betrekking tot de onderhavige uitvinding, de enige relevante onderdelen van het apparaat A en B zijn.

[0036] Verwijzingen in deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekenen dat een bepaalde eigenschap, structuur of kenmerk beschreven in samenhang met de uitvoeringsvorm is inbegrepen in ten minste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Vermeldingen van de frase "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op verschillende plaatsen in deze specificatie verwijzen niet noodzakelijk allemaal naar dezelfde uitvoeringsvorm, maar het is wel mogelijk. Verder kunnen de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken op eender welke geschikte manier in één of meer uitvoeringsvormen worden gecombineerd, zoals voor de gemiddelde vakman uit deze openbaring duidelijk zal zijn.

[0037] Op een soortgelijke manier moet worden opgemerkt dat in de beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormen van de uitvinding verschillende kenmerken van de uitvinding soms worden gegroepeerd in een enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan om de openbaarmaking te stroomlijnen en het begrip van een of meer van de verschillende inventieve aspecten te vergemakkelijken. Deze methode van openbaarmaking mag echter niet worden geïnterpreteerd als een uiting van een intentie dat de geclaimde uitvinding meer kenmerken vereist dan uitdrukkelijk vermeld in elke conclusie. Zoals weergegeven in de volgende conclusies, liggen de inventieve aspecten in minder dan alle kenmerken van een enkele voorgaande geopenbaarde uitvoeringsvorm. Derhalve worden de conclusies die volgen op de gedetailleerde beschrijving hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, waarbij elke conclusie op zichzelf staat als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

[0038] Bovendien, aangezien sommige uitvoeringsvormen die hierin worden beschreven sommige, maar niet andere kenmerken bevatten die zijn opgenomen in andere uitvoeringsvormen, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld om te vallen binnen het bereik van de uitvinding en verschillende uitvoeringsvormen te vormen, zoals zal worden begrepen door iemand die geschoold is in dit vakgebied. Zo kan bijvoorbeeld in de volgende conclusies eender welke van de geclaimde uitvoeringsvormen worden gebruikt in eender welke combinatie.

[0039] Het moet worden opgemerkt dat het gebruik van bepaalde terminologie bij het beschrijven van bepaalde aspecten van de uitvinding niet impliceert dat de terminologie hierin wordt geherdefinieerd om te worden beperkt tot eender welke specifieke eigenschappen van de kenmerken of aspecten van de uitvinding waarmee die terminologie is geassocieerd.

[0040] In de beschrijving die hier wordt gegeven, worden talrijke specifieke details uiteengezet. Het wordt echter begrepen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen worden uitgewerkt zonder deze specifieke details. In andere gevallen werden goed gekende methoden, structuren en technieken niet in detail weergegeven om het begrip van deze beschrijving niet te belemmeren.

[0041] Fig. 1 toont een schematische voorstelling van een uitvoeringsvorm van een DC-DC-converter overeenkomstig de uitvinding met een inductieve koppeling. Een asynchrone topologie wordt gebruikt, hetgeen betekent dat slechts één hoogspanningsschakelaar wordt gebruikt en de tweede schakelaar zoals die aanwezig is in een synchrone topologie wordt vervangen door een diode. Twee belangrijke onderdelen kunnen in de schematische voorstelling worden onderscheiden: de hoogspanningsschakelaar met zijn instelcircuits (eerste en tweede) en het regelblok. Een aan/uit-regelopstelling wordt gebruikt: de converter schakelt op een vaste klokfrequentie van bijv. 1 MHz en met een vaste pulsbreedteverhouding van 87,5%. Wanneer de uitgangsspanning hoger wordt dan de gewenste uitgangsspanning (bv. 10 V), stopt de converter met schakelen. De pulsbreedte kan worden afgebroken door twee extra circuits in het regelblok: een softstartcircuit en een stroombeperkend circuit. Het softstartcircuit zorgt ervoor dat de converter start met een erg lage bedrijfscydus die geleidelijk in de tijd wordt verhoogd tot 87,5%. Op die manier wordt de uitgangsspanning geleidelijk opgebouwd en wordt de inschakelstroom verlaagd. Het stroombeperkende circuit kan de pulsbreedte op elk moment afbreken. De stroom wordt gemeten door de spanning over de schakelaar te volgen. Als deze spanning te hoog wordt, wordt de pulsbreedte afgebroken.

[0042] De DC-DC-converter werkt in klokcycli. Eén klokcyclus bevat twee fasen. In één fase wordt de schakelaar gesloten en wordt één zijde van de inductor met de aarde verbonden. Energie wordt opgebouwd in de inductor. In de volgende fase wordt de schakelaar geopend en de energie overgedragen aan de uitgangsaansluiting. Door de diodedrempel en procesvariaties in het regelblok, kan de spanning over de schakelaar een spanningsniveau tot 11 V reiken.

[0043] De schakelaar (111) kan de 11 V tolereren door gebruik te maken van vijf gestapelde geïsoleerde nMOS-transistors (112) van 3,3 V. Transistor MNi wordt rechtstreeks aangedreven door het regelblok (110) via een conische buffer (118). De schakelaar wordt gesloten door middel van de 3,3 V-voeding, die wordt toegepast op alle poorten via transistors MLBi, MLB2 en MLB3 in het lokale instelcircuit( 109). Om de schakelaar te openen wordt de poort van transistor MN1 met de aarde verbonden. Wanneer de poort van MN2 wordt aangesloten op de 3,3 V-ingangsspanning, kan knooppunt nl stijgen tot 3,3 V voordat MN2 volledig wordt uitgeschakeld. Bijgevolg is MN1 beschermd. Om de andere transistors MN2, MN3, MN4 en MN5 te beschermen, moeten de middenspanningen 5,0 V, 7,5 V en 10,0 V respectievelijk worden toegepast op de poorten van MN3, MN4 en MN5. Veelvouden van 2,5 V worden genomen om voldoende speling te voorzien voor proces- en temperatuurvariaties en om transient spanningspieken op te vangen over de MOS-aansluitingen van 3,3 V. Bij het opstarten zijn deze spanningen echter niet aanwezig. Om de schakelaar te openen zonder betrouwbaarheidsproblemen, moeten de middenspanningen de opgewekte 10 V-voeding volgen. Dit proces wordt uitgevoerd door het algemene instelcircuit (108).

[0044] In Fig. 2 wordt een gedetailleerd schematisch overzicht gegeven van het algemene instelcircuit (108). Twee resistieve laddernetwerken (1) en (2) kunnen worden herkend. Een eerste laddernetwerk (1) wordt uitgebreid met diodegeconfigureerde nMOS-transistors en het andere laddernetwerk (2) wordt uitgebreid met diodegeconfigureerde pMOS-transistors Door de weerstanden op elkaar af te stemmen en de transistors in te stellen in hun subdrempelgebied, worden evenredig verdeelde spanningen opgewekt op de knooppunten (3), (4), (5), (23), (24) en (25). Het sinken of sourcen van stroom van deze knooppunten is echter niet mogelijk. Bijgevolg worden de stromen doorheen de diodegeconfigureerde transistors gespiegeld naar een push-pull uitgangstrap. Op die manier wordt ook de drempelvariatie van de transistors gecompenseerd. De poorten van de op de diode aangesloten transistors (6) en (7) zijn verbonden met de poorten van de push-pull transistors (8) en (9). Op een soortgelijke manier zijn de poorten van de op de diode aangesloten transistors (10) en (11) aangesloten op respectievelijk de push-pull transistors (12) en (13), en de poorten van de op de diode aangesloten transistors (14) en (15) zijn aangesloten op de push-pull transistors (16) en (17). Op die manier wordt een serieverbinding van drie push-pull fasen verkregen, hetgeen de 10 V-voeding verdeelt in de middenspanningen 7,5 V, 5,0 V en 2,5 V. Deze spanningen variëren alleen met de temperatuursafhankelijkheid van het weerstandsnetwerk en volgen relatief de spanningen op de 10 V-voeding. Ook zijn de transistors in de push-pull outputstructuur ingesteld in hun subdrempelgebied om een lage outputimpedantie te verkrijgen. Op die manier kunnen de middenspanningen stromen sourcen en sinken. Bovendien beperkt dit het DC-stroomverbruik van het algemene instelcircuit tot slechts 60 μΑ.

[0045] De 10 V-voeding en de middenspanningen 7,5 V, 5,0 V en 2,5 V worden aangelegd aan het lokale instelcircuit (109) van de hoogspanningsschakelaar. Op fig. 3 is een gedetailleerd overzicht te zien van de hoogspanningsschakelaar (111) met zijn lokaal instelcircuit. De schakelaar heeft twee standen: open en gesloten.

[0046] De schakelaar wordt gesloten door 3,3 V aan te leggen aan de poort van MN1. Knooppunt nl wordt ontladen naar de aarde en transistor MN2 geleidt aangezien zijn poort vast verbonden is met 3,3 V. Knooppunt n2 wordt op zijn beurt ontladen naar de aarde zodat transistor MLP1 kan geleiden. Op die manier wordt knooppunt nl2 ontladen naar 3,3 V en begint transistor MN3 te geleiden. Dezelfde redenering geldt voor transistors en MN4, en M,j>3 en MN5.

[0047] De schakelaar wordt geopend door 0 V aan te leggen aan de poort van MNi. Knooppunt nl wordt geladen tot een maximum van 3,3 V aangezien zijn poort vast verbonden is met 3,3 V. Bijgevolg geleidt transistor MN2 niet meer en de spanning op knooppunt n2 laadt op. Om het spanningsverlies over de aansluitingen van transistor MN2 te beperken, mag de poort van transistor MN3 niet ingesteld zijn op een spanning hoger dan 6,6 V. Om voldoende speling in de spanning te voorzien, worden spanningsveelvouden van 2,5 V gekozen. Bijgevolg moet de poort van transistor MN3 ingesteld zijn op 5,0 V. Om dezelfde reden moeten de poorten van transistors MN4 en MN5 worden ingesteld op respectievelijk 7,5 V en 10 V. Dit proces vindt plaats in het lokale instelcircuit (109). Wanneer de poort van transistor MN1 in de schakelaar met de aarde wordt verbonden, wordt de poort van transistor MLP7 in het lokale instelcircuit naar 7,5 V getrokken. Dat betekent dat knooppunt nl7 wordt geladen tot 10 V. Derhalve geleidt transistor MLP6 aangezien zijn poort verbonden is met de 7,5 V van het algemene instelcircuit. Bijgevolg wordt knooppunt nl6 opgeladen tot 10 V en knooppunt nl9 tot 7,5 V via transistor MNL3, die geleidt. Dezelfde redenering geldt voor transistors MLps, MLN2 en MLp4. Op deze manier wordt de poort van transistor MN5, knooppunt n4, opgeladen tot 10 V en de poort van transistor MN4, knooppunt nl3, opgeladen tot 7,5 V. Bijgevolg geleidt transistor MLN1 en wordt de poort van transistor MN3, knooppunt nl2, opgeladen tot 5 V.

[0048] In het geval dat de hoogspanningsschakelaar (111) wordt gesloten, moeten de transistors MLP4 en MLp5 in het lokale instelcircuit (109) beschermd worden tegen te grote spanningen door respectievelijk 3,3 V en 5 V toe te passen op hun poorten. Dit wordt verwezenlijkt via de transistors en MLP2 voor de poort van MLP4 en via transistor MLN1 voor de poort van transistor MLP5.

[0049] Het moet dus worden opgemerkt dat de poort van transistor MN1 samen met de poort van transistor MLP7 schakelt. De poort van transistor MN1 schakelt tussen 0 V en 3,3 V en de poort van transistor MLP7 moet worden geschakeld tussen 7,5 V en 10 V. Deze functie wordt uitgevoerd door een standaard niveauverschuiver (level shifter) met capacitieve koppeling.

[0050] De combinatie van de algemene (108) en lokale (109) instelcircuits laat een implementatie toe van een hoogspanningsschakelaar met standaard laagspanningsapparaten en garandeert dat de betrouwbaarheid van deze apparaten niet in het gedrang komt door te hoge spanningen op hun aansluitingen.

[0051] De 10 V-uitgang van het inductieve convertercircuit kan dienst doen als de voeding voor een geschakelde uitgangstrap. Fig. 4 is een schematische voorstelling van de klasse D-versterker met zijn instelcircuits. De 10,0 V-rail wordt beschermd door een aangepaste ESD-klem voor hoogspanning. De klasse D-versterker omvat vijf gestapelde, geïsoleerde pMOS- en nMOS-transistors in respectievelijk het pull-up- en pull-downnetwerk om te kunnen omgaan met procesen temperatuurvariaties en snelle schakelovergangen. De lokale instelopstelling is gebaseerd op de paper "A 237mW aDSL2+ CO Line Driver in a Standard 1.2V 130nm CMOS technology" (B. Serneels et al., ISSCC Digest of Technical Papers, blz. 524-525, februari 2007) en vereist de middenspanningen 2,5 V, 5,0 V en 7,5 V voor een betrouwbare werking. Deze spanningen worden opgewekt uit de 10 V-voeding, zoals het algemene instelcircuit in de inductieve converter. Tijdens het opstarten van de converter wordt de klasse D-versterker in tri-state ingesteld via transistors MN1 en Mpi. De 10 V-rail wordt geleidelijk aan opgebouwd en de middenspanningen volgen relatief. Derhalve komt de betrouwbaarheid van het apparaat in de klasse D-versterker niet in het gedrang.

[0052] De ESD-klem van 10 V bestaat uit vier gestapelde nMOS ESD-klemmen van 3,3 V die elk instaan voor een 2,5 V-rail. Het voordeel van het gebruik van een nMOS in het actieve gebied als een ESD-klem is de lage houdspanning. Tijdens een een electrostatische ontlading volgen de middenspanningen de ESD-puls. Deze spanningen zijn verbonden met de 2,5 V, 5,0 V en 7,5 V-rails van de algemene instelblokken op de testchip via p-type DNW-diodes. Op deze manier wordt een gelijkmatige spreiding van de ESD-puls over de gestapelde apparaten verkregen, waarbij de ESD-robuustheid van de circuits wordt verbeterd.

[0053] Om de uitstekende prestaties van de DC-DC-converter van de onderhavige uitvinding te illustreren, worden enkele numerieke resultaten voorgesteld.

[0054] Fig.5 geeft de efficiëntie weer van een inductieve DC-DC-converter overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de uitvinding in functie van het uitgangsvermogen voor een variatie van 10% op de 3,3 V-ingangsspanning en drie temperaturen. De piekefficiëntie is 81% bij een uitgangsvermogen van 732 mW voor een ingangsspanning van 3,3 V bij 25°C. Het maximale uitgangsvermogen is 1,5 W. Fig. 6 geeft de efficiëntie weer van de klasse D-versterker in functie van zijn schakelfrequentie voor een belasting van 66 Ω. Een efficiëntie van 97% wordt verkregen voor de klasse D-versterker. De gecombineerde efficiëntie (klasse D en DC-DC) is gelijk aan 74%. De efficiëntie begint achteruit te gaan bij een schakelfrequentie van 1,0 MHz. Gemeten golfvormen van de opgewekte 10 V-voeding, de output van de klasse D-versterker en de inductorstroom worden getoond in Fig. 7. De gemiddelde uitgangsspanning van de converter is 9,9 V. De klasse D-versterker behaalt een uitgangsspanningszwaai van 9,6 V voor een belasting van 66 Ω, wat resulteert in een uitgangsvermogen van 350 mW. De schakelfrequentie is 20 kHz. De stroomgolfvorm van de inductor bestaat uit bursts van één volledige klokcyclus van 1 ps en één cyclus waarin de pulsbreedte wordt afgebroken, waarbij de aan/uit-werking van de converter wordt gevisualiseerd.

[0055] Het is belangrijk om op te merken dat in de configuratie getoond in Fig. 4, de klasse D-versterker dienst doet als een hoogspanningsuitgangsbuffer, maar de voorgestelde hoogspanningstopologie is niet beperkt tot alleen maar uitgangsbuffers. Wanneer de uitgangsbuffer is ingesteld in tri-state, kan een spanning worden toegepast aan de uitgang. Het is bekend dat wanneer de toegepaste spanning hoger is dan zijn voedingsspanning, een lekkagepad bestaat van de uitgang via de parasitaire drain-bulkdiodes van de outputfase naar de voedingsspanning. Conventionele l/O-buffers leiden onder een ongewenst lekstroompad (lekkage aan de pin) wanneer de l/O-spanning aan de pin groter wordt dan de werkspanning. Lekkage aan de pin kan zich voordoen via de parasitaire PN-diode van de pMOS of via het pMOS-kanaal wanneer de l/O-ingangsspanning groter is dan VDD+Vtp (zie Fig. 8).

[0056] Er wordt nu een topologie voorgesteld die dit lekkagepad verwijdert. Dit wordt geïllustreerd op een l/O-buffer met Vdd-uitgang en 2Vdd-ingang. De voorgestelde oplossing wordt in detail uitgelegd met verwijzing naar Fig. 9. Fig. 9 is een circuitdiagram waarin de pre-driver 21 en de uitgangsbuffer 22 van de gemengde spanning-ingang/uitgang-buffer wordt getoond. Het voorbeeld wordt gegeven van een ingangs-/uitgangsbuffer die kan verzenden op VDD-niveaus en kan ontvangen op 2VDD-niveaus (twee keer het VDD-niveau). De uitgangsbuffer omvat twee pMOS pull-uptransistors 23 en 24, twee nMOS pull-downtransistors 28 en 29 en insteltransistors 25, 26, 27 en 30. De uitgang van de uitgangsbuffer 22 is aangesloten op de l/O PAD 210 van de gemengde spanning-ingang/uitgang-buffer. De pMOS pull-uptransistors 23 en 24 delen dezelfde bulk-sourceverbinding (knooppunt N2) en dezelfde poortverbinding (knooppunt N4). De overeenkomstige drain-bulkdiodes van de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 zijn respectievelijk D2 en Dl. Wegens hun gemeenschappelijke poort en bronverbinding, zijn de N-zijden van de diodes Dl en D2 verbonden met knooppunt N2 en zijn de P-zijden van de diodes Dl en D2 verbonden met respectievelijk de l/O PAD 210 en de voeding VDD van uitgangsbuffer 22. De pre-driver 21 verzendt het datasignaal Dun naar de uitgangsbuffer 22 en stelt de uitgangsbuffer 22 in tri-statemodus via het OEN-signaal (Output Enable). Wanneer de uitgangsbuffer 22 is ingesteld in tri-statemodus, kan het 2V0D-signalen aan de l/O PAD 210 weerstaan zonder lekkage naar zijn VDD-voeding en zonder oxidestress op elk apparaat in de uitgangsbuffer 22.

[0057] Wanneer de uitgangsbuffer 22 is ingeschakeld, werkt de ingangs-/uitgangsbuffer in verzendmodus. Het signaal aan de l/O PAD 210 zal hoog of laag zijn overeenkomstig het datasignaal Durr. In verzendmodus is een hoog uitgangssignaal een signaal op VDD en een laag uitgangssignaal is een signaal op GND.

[0058] Voor een hoge output op l/O PAD 210, worden de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 ingesteld in hun lineair gebied en de nMOS pull-downtransistors worden afgeschakeld. De pMOS pull-uptransistors 23 en 24 worden ingesteld in het lineaire gebied door hun poorten te ontladen naar GND. Dat wordt uitgevoerd door twee gestapelde nMOS-transistors 26 en 27. De poort van transistor 26 is vast verbonden met VDD. De poort van transistor 27 wordt aangedreven naar VDD. De verbinding tussen de poorten, knooppunt N4 en de bronnen, knooppunt N2 van de pMOS pull-uptransistors 23 en 24, tot stand gebracht door transistor 25 wordt afgebroken. Dat wordt uitgevoerd door transistor 25 af te schakelen door zijn poort naar GND te verbinden. In Fig. 8 wordt transistor 25 uitgevoerd als een pMOS-transistor. Er zijn echter andere oplossingen mogelijk zoals een transmissiepoort. De nMOS pull-downtransistor 29 wordt afgeschakeld door zijn poort met VDD te verbinden. Als de l/O PAD 210 wordt geladen naar VDD, wordt knooppunt NI geladen naar V0D - Vtn. De poort van de nMOS pull-downtransistor 28 is vast verbonden met VDD. Bijgevolg wordt de transistor 28 automatisch afgeschakeld.

[0059] Voor een lage output op l/O PAD 210, worden de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 afgeschakeld en de nMOS pull-downtransistors 28 en 29 worden ingesteld in het lineaire gebied. De pMOS pull-uptransistors 23 en 24 worden afgeschakeld door hun poorten te verbinden met hun bronnen of door knooppunt N2 te verbinden met knooppunt N4. Dat wordt uitgevoerd door transistor 25 in te stellen in het lineaire gebied door zijn poort naar GND te verbinden. Op die manier zijn de poort-bronspanningen van de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 gelijk aan 0 V. Transistor 27 wordt afgeschakeld door zijn poort naar 0 V te brengen. De knooppunten N2 en N4 worden op een constante spanning VDD gehouden via transistor 30.

[0060] Als de buffer 22 is uitgeschakeld of ingesteld in tri-state via het OEN-signaal, werkt de ingangs-/uitgangsbuffer in ontvangstmodus. De tri-statemodus houdt in dat zowel pull-up- als pull-downpaden worden afgebroken. Voor de nMOS pull-downtransistors 28 en 29 wordt deze actie uitgevoerd door de poort van transistor 29 naar GND te leiden om af te schakelen. Voor het pMOS pull-uppad wordt deze actie uitgevoerd door kortsluiting van poorten, knooppunt N4 en bronnen, knooppunt N2 van de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 en door transistor 27 zo in te stellen dat de knooppunten N2 en N4 kunnen zweven tussen de l/O PAD 210 en de voeding V0D van de uitgangsbuffer 22. In ontvangstmodus kan het signaal aan de l/O PAD 210 stijgen tot 2V0D. Naast de oxidestress die de transistors van de uitgangsbuffer 22 kunnen ondergaan, moet het lekkagepad van de l/O PAD 210 naar de VDD-voeding van de uitgangsbuffer 22 worden afgebroken. Dit pad wordt gevormd door de pull-uptransistors 23 en 24. Het lek via de drain-bulkdiode Dl van transistor 24 wordt gestopt door de invers aangesloten drain-bulkdiode D2 van transistor 23. Bovendien is geen stroom mogelijk door het kanaal van de pMOS pull-uptransistors 23 en 24 aangezien in tri-statewerking van de uitgangsbuffer 22 de poorten en de bronnen van de pull-uptransistors 23 en 24 worden kortgesloten door transistor 25 en deze knooppunten zweven tussen de 1/0 PAD 210 en de voeding VDD van de uitgangsbuffer, afhankelijk van welke van de twee het hoogste is. Wanneer de spanning aan de 1/0 PAD 210 op 2VDD ligt, stijgt de spanning aan de knooppunten N2 en N4 tot 2 VDD-V0 (waarbij VD gelijk is aan het spanningsverlies over de diode). De oxide van transistor 27 is beschermd tegen de spanning 2VDD-VD door transistor 26. De poort van transistor 26 is vast verbonden met V00, wat ervoor zorgt dat de spanning op knooppunt N3 niet hoger stijgt dan VDD. In het nMOS pull-downpad is de oxide van transistor 29 op dezelfde manier beschermd tegen de spanning 2VD0 door transistor 28 met een vaste poortverbinding naar VDD. Wanneer de spanning aan de 1/0 PAD 210 op 0 V ligt, zakt de spanning aan de knooppunten N2 en N4 naar VDD via transistor 30, welke zich in het triodegebied bevindt.

[0061] De oplossing is niet beperkt tot het voorkomen van lekken vanaf de l/O-pin naar de voeding van de uitgangsbuffer. Op een zelfde manier kan ze geïmplementeerd worden in het nMOS pull-downpad om lekstroom te voorkomen naar de aarding van de uitgangsbuffer.

[0062] Afhankelijk van de waarde van het OEN-controlesignaal (Output Enable), kan de 1/0-buffer dienst doen ais een ingangsbuffer of als een uitgangsbuffer.

[0063] De voorgestelde oplossing voor het probleem van lekkage aan de pin maakt gebruik van het minst aantal apparaten om de gewenste functie te implementeren in vergelijking met bestaande oplossingen. De oplossing is redelijk eenvoudig. Complexiteit door timing, transient stress en metalen verbindingen wordt sterk verminderd. Bovendien is de oplossing niet afhankelijk van instelknooppunten intern in de l/O-buffer. Bijgevolg wordt de aanwezigheid van overlapstromen (shoot through) en stroomlekken onder de drempelwaarde geminimaliseerd en kan een resistieve belasting worden uitgevoerd zonder gevolgen.

[0064] Hoewel de uitvinding werd geïllustreerd en in detail werd beschreven in de tekeningen en voorgaande beschrijving, moeten dergelijke illustraties en beschrijvingen als illustratie of voorbeeld worden beschouwd en niet als zijnde restrictief. De voorgaande beschrijving verklaart bepaalde uitvoeringsvormen van de uitvinding in detail. Het moet echter worden opgemerkt dat hoe gedetailleerd het voorgaande ook in de tekst is opgenomen, de uivinding op vele manieren kan worden uitgevoerd. De uitvinding is niet beperkt tot de geopenbaarde uitvoeringsvormen.

[0065] Andere variaties op de geopenbaarde uitvoeringsvormen kunnen worden begrepen en uitgevoerd door personen die geschoold zijn in dit domein en door de geclaimde uitvinding in de praktijk te brengen, door een studie van de tekeningen, de openbaarmaking en de bijgevoegde conclusies. In de conclusies sluit het woord "omvattende" geen andere elementen of stappen uit en het onbepaald lidwoord "een" sluit geen meervoud uit. Eventuele verwijzingen in de conclusies mogen niet worden opgevat als een beperking van de reikwijdte.

Claims (14)

1. DC-DC-convertercircuit om een DC-ingangsspanningssignaal (103) te verhogen naar een DC-uitgangsspanningssignaal (105), omvattende - een ingangsaansluiting (104) om een DC-ingangsspanningssignaal (103) aan te leggen, - een uitgangsaansluiting om een DC-uitgangsspanningssignaal uit te voeren dat een verhoogde versie is van voornoemd DC-ingangsspanningssignaal, - een meervoudig aantal schakelelementen (112), ingericht om te worden geschakeld tussen een open toestand en een gesloten toestand, waarbij ten minste één van voornoemde schakelelementen niet in staat is om voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal te tolereren, - een halfgeleiderschakelaar (111) omvattende voornoemd meervoudig aantal schakelelementen (112), - een spanningsdoorlaatelement (107) verbonden met voornoemde halfgeleiderschakelaar en ingericht om een signaal te ontvangen op een hoger spanningsniveau dan voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal en om voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal (105) te leveren aan voornoemde uitgangsaansluiting, - eerste instelmiddelen (108) ingericht om te worden gevoed met voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal en om van voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal ten minste één middenspanningssignaal (113) af te leiden met een spanningsniveau dat lager is dan voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal, - tweede instelmiddel (109) dat is ingericht om te worden gevoed met voornoemd DC-ingangsspanningssignaal en met voornoemd ten minste één middenspanningssignaal en om voornoemd DC-ingangsspanningssignaal en voornoemd ten minste één middenspanningssignaal te leveren aan ten minste één schakelelement van voornoemde halfgeleiderschakelaar, zodat voornoemde halfgeleiderschakelaar in voornoemde open toestand voornoemde spanning die hoger is dan voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal kan tolereren, - een regelblok (110) ingericht om voornoemd DC-ingangsspanningssignaal en voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal te ontvangen en omvattende schakelbesturingslogica (117) ingericht om voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal te vergelijken met een referentiespanningssignaal (114) en om een aandrijfsignaal (116) uit te voeren overeenkomstig het resultaat van voornoemde vergelijking, - een buffer (118) ingericht om het aandrijfsignaal (116) te ontvangen en een spanningssignaal (120) te leveren overeenkomstig het DC-ingangsspanningssignaal aan een schakelelement van voornoemde halfgeleiderschakelaar.

2. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig conclusie 1, waarbij voornoemd eerste instelmiddel ten minste één circuit met gematchte weerstanden omvat.

3. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig conclusie 1 of 2, waarbij voornoemd eerste instelmiddel een push-pull uitgangstrap omvat.

4. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de conclusies 1 tot en met 3, waarbij voornoemd regelblok verder een startcircuit omvat dat is aangepast om de pulsbreedte te regelen van voornoemd aandrijfsignaal tijdens het opstarten van het DC-DC-convertercircuit.

5. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij voornoemd regelblok verder circuits omvat om stroom doorheen voornoemde halfgeleiderschakelaar te beperken.

6. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de conclusies 1 tot en met 5, waarbij voornoemd spanningsdoorlaatelement een diode-element is.

7. DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de conclusies 1 tot en met 5, waarbij voornoemd spanningsdoorlaatelement is geïmplementeerd als een tweede halfgeleiderschakelaar omvattende een tweede meervoudig aantal schakelelementen

8. Circuit omvattende een DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, omvattende een inductor via dewelke een DC-batterijspanningssignaal kan worden toegepast.

9. Circuit omvattende een DC-DC-convertercircuit overeenkomstig één van de conclusies 1 tot en met 7, en een geschakelde uitgangstrap ingericht om te worden gevoed met voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal van voornoemd DC-DC-convertercircuit.

10. Circuit overeenkomstig conclusie 9, waarbij voornoemde geschakelde uitgangstrap is ingericht als een klasse D-versterker.

11. Circuit overeenkomstig conclusie 9 of 10, waarbij voornoemde geschakelde uitgangstrap verder schakelelementen omvat om voornoemd DC-uitgangsspanningssignaal naar een ander spanningsniveau te brengen

12. Circuit overeenkomstig conclusie 11, waarbij ten minste twee van voornoemde verdere schakelelementen worden voorzien van invers aangesloten diodes om lekken te voorkomen.

13. Circuit overeenkomstig één van de conclusies 8 tot en met 10, verder omvattende een klemcircuit voor elektrostatische ontlading.

14. Circuit overeenkomstig conclusie 11, waarbij voornoemd klemcircuit voor elektrostatische ontlading een meervoudig aantal elektrostatische ontladingsklemmen omvat, waarbij een klemspanningssignaal kan worden opgewekt op voornoemd ten minste één middenspanningssignaalniveau.