本發(fā)明涉及集成電路，特別是一種低功耗自適應(yīng)高電壓切換電路。

背景技術(shù)：

1、隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，高電壓切換電路在集成電路中的應(yīng)用越來越廣泛，其重要性也日益凸顯。集成電路的性能和功能不斷提升，對(duì)高電壓切換電路的性能要求也隨之提高。高電壓切換電路不僅要滿足基本的電壓選擇功能，還需要具備更高的精度、更低的功耗和更小的面積，以適應(yīng)現(xiàn)代集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，電池管理系統(tǒng)(bms)在確保電池安全、延長(zhǎng)電池壽命、提高能效等方面的作用日益凸顯。bms的核心功能之一是控制電池的充放電過程，以確保電池始終工作在安全、高效的狀態(tài)。在充放電管理芯片中，高電壓切換電路是實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵組成部分。

2、在實(shí)際應(yīng)用中，電池管理系統(tǒng)需要在多個(gè)高壓電源之間進(jìn)行選擇，以滿足不同工況下的充放電需求。例如，在電動(dòng)汽車中，電池組可能需要在不同的充電模式下工作，如慢充、快充等，這就要求充放電管理芯片能夠根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的充電電壓和電流路徑。此外，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組可能需要在不同的負(fù)載條件下進(jìn)行充放電，也需要高電壓切換電路來實(shí)現(xiàn)電源的靈活切換。

3、目前的高電壓切換電路在性能和應(yīng)用上還存在一些不足之處。一方面，傳統(tǒng)的高電壓切換電路在面對(duì)多個(gè)高壓源并且電壓接近的情況時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)平滑的切換，容易產(chǎn)生電壓波動(dòng)和干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，部分高電壓切換電路在設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，增加了成本和功耗，不利于在大規(guī)模應(yīng)用中的推廣。同時(shí)，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，電源電壓或負(fù)載條件可能會(huì)發(fā)生變化，這就要求高電壓切換電路能夠自適應(yīng)地進(jìn)行切換，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)高電壓切換電路通常需要外部控制信號(hào)來觸發(fā)切換動(dòng)作，這在一定程度上限制了電路的靈活性和適應(yīng)性。

4、隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的日益多樣化，對(duì)高電壓切換電路的性能要求也越來越高。未來的發(fā)展趨勢(shì)包括：更高的精度和可靠性：能夠更精確地檢測(cè)和選擇電壓，確保電池在充放電過程中的安全性和穩(wěn)定性。更低的功耗和成本：通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和采用更先進(jìn)的半導(dǎo)體器件，降低功耗和成本，提高系統(tǒng)的整體能效。更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性：能夠適應(yīng)不同的電池類型和應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電源的靈活管理和切換。更小的體積和更高的集成度：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高電壓切換電路將朝著更小體積、更高集成度的方向發(fā)展，以滿足便攜式設(shè)備和緊湊型系統(tǒng)的需求。

5、綜上所述，開發(fā)一種適用于電池管理系統(tǒng)中充放電管理芯片的自適應(yīng)高電壓切換電路，對(duì)于提升電池管理系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提出一種低功耗自適應(yīng)高電壓切換系統(tǒng)，以期解決在電池管理系統(tǒng)中需要快速以及穩(wěn)定自適應(yīng)選擇高電壓方面的矛盾，高電壓切換電路在在期望快速響應(yīng)時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤選擇，穩(wěn)定輸出高電壓無法保證快速輸出，電壓變化時(shí)無法自適應(yīng)切換的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種自適應(yīng)高電壓切換系統(tǒng)，包含襯底選擇電路，第一級(jí)高電壓切換電路，二級(jí)電壓選擇電路。

3、本發(fā)明提出的整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路由三個(gè)部分組成分別是襯底切換電路，第一季電壓選擇電路還有第二級(jí)高電壓切換電路。襯底切換電路以及第一、第二級(jí)電壓選擇電路由圖2至圖4所示。

4、整體電路的工作過程：外部輸入的一高一低電平通過襯底選擇電路之后產(chǎn)生襯底電壓，第一級(jí)高電壓切換電路通過將兩個(gè)外部輸入電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生高電壓控制信號(hào)輸入第二級(jí)高電壓切換電壓電路后輸出高電壓提供系統(tǒng)所需要的電源電壓和電壓標(biāo)識(shí)信號(hào)。

5、本發(fā)明的子模塊電路工作原理如下：

6、如圖2，襯底切換電路由兩個(gè)pmos采用交叉耦合連接方式，兩者的漏極分別接到外部輸入的兩個(gè)電壓，同時(shí)將兩者的源級(jí)與襯底短接消除體效應(yīng)，將源極連接到一起，通過pmos的低通特性產(chǎn)生p型襯底所需的高電壓，同時(shí)確保全局pmos的襯底電位為恒定高電平，消除掉體效應(yīng)造成的閾值損失。p1節(jié)點(diǎn)選擇出的高電壓作為后續(xù)電路中pmos的襯底電壓。

7、如圖3，第一級(jí)高電壓切換電路由mp1-mp9、mn1-mn9。反相器inv1、電阻r1構(gòu)成。mn1、mn2、mp1、mp2、r1構(gòu)成了電流產(chǎn)生電路，mos管采用二極管嵌套連接方式產(chǎn)生電流，r1可以采用阻值較大的電阻，可以有效地降低電路的靜態(tài)電流。mn3-mn6、mp3-mp6，其中mp3、mp4、mn3、mn4構(gòu)成一組電流比較器，mp3將vin2產(chǎn)生的電流通過mn3、mn4電流鏡與mp4中由vin1產(chǎn)生的電流進(jìn)行比較，輸出高低電平。同理，右側(cè)的mp5、mp6、mn5、mn6,也構(gòu)成一組電流比較器。兩組電流比較器，產(chǎn)生不同的控制電平，控制mp7,mp8開關(guān)管的導(dǎo)通后輸出v_h高電壓為后續(xù)的邏輯電路提供高電平。mp7,mp8與前面的電路構(gòu)成內(nèi)部遲滯，作為放大器的預(yù)放大電路，提高電路的響應(yīng)速度。mp9-mp11、mn9、inv1構(gòu)成的遲滯比較器，進(jìn)一步提高輸出端下部的響應(yīng)速度。同時(shí)，通過調(diào)整mp7、mp8以及mp9-mp11、mn9、inv1構(gòu)成的遲滯比較器的mos管尺寸實(shí)現(xiàn)特定的遲滯電壓控制，有效地防止電路中的錯(cuò)誤切換。

8、圖4和圖5展示了第二級(jí)高電壓切換器的電路細(xì)節(jié)，第一級(jí)inv1的輸出端p2節(jié)點(diǎn)通過反相器鏈接入第二級(jí)的vin端之后再通過邏輯電路分別控制上下管的導(dǎo)通與關(guān)斷。mp12、mp13、mn10、mn11分別作為開關(guān)管對(duì)電路進(jìn)行控制，同時(shí)nmos負(fù)載采用pmos交叉耦合降低負(fù)載阻抗提高響應(yīng)速度，最后產(chǎn)生輸出高電壓。同時(shí)mp14、mp15、mn10、mn11，組成比較器對(duì)反相器inv2的輸入輸出電壓進(jìn)行比較放大后，產(chǎn)生標(biāo)識(shí)信號(hào)。圖9顯示了p4節(jié)點(diǎn)電路的仿真測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示當(dāng)輸入電壓vin1小于vin2電壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)p4輸出高電平，同理可得當(dāng)p4節(jié)點(diǎn)輸出低電平時(shí)表示輸入電壓vin1大于vin2。該節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)一步拓展作為電源管理系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)信號(hào)參與后續(xù)的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)拓展功能。

9、下面以vin1為兩個(gè)輸入電壓中較高電平對(duì)第二級(jí)和第三級(jí)電路進(jìn)行分析：當(dāng)vin1為高電平時(shí)則mp1、mp4、mp5通過高電流，則mp4將漏端上拉產(chǎn)生高電壓將mp8管關(guān)斷，同理對(duì)低電壓vin2進(jìn)行分析后可以得出mp7開啟，此時(shí)由于mp7的源端連接高電壓，則輸出高電壓，此高電壓作為后續(xù)邏輯電路的電源電平可以有效保證電源域的一致；inv1輸出低電壓后將mp13導(dǎo)通，同時(shí)控制下面pmos交叉耦合負(fù)載保持關(guān)斷高阻狀態(tài)，輸出高電平v_h2；inv1輸出低電平時(shí)，inv2輸入端為高電平，輸出端為低電平，使得mn10導(dǎo)通，mn11關(guān)斷，進(jìn)一步使得mp14導(dǎo)通，p4節(jié)點(diǎn)輸出v_h2高電壓。同理可得當(dāng)vin2為較高電平時(shí)p4節(jié)點(diǎn)輸出端為地電位。

10、通過上述分析后可以看出，本發(fā)明中的高電壓切換器通過時(shí)序的控制，當(dāng)電壓穩(wěn)定之后才產(chǎn)生最后一級(jí)的輸出高電壓，可以有效保證內(nèi)部供電電源的純凈性。

11、本發(fā)明的測(cè)試電路如圖6所示，vin1端口給定固定電壓，vin2給一個(gè)變化的pwl電壓，分別對(duì)內(nèi)部的v_h電壓以及輸出端的v_h2電壓進(jìn)行曲線繪制。根據(jù)輸出特性曲線可以看出，輸出端的電壓始終選擇兩個(gè)輸入電壓中的高電壓，最后一級(jí)的輸出電壓可以有效保證輸出端高電壓的穩(wěn)定性，避免誤觸發(fā)的錯(cuò)誤發(fā)生。

12、對(duì)反相器inv1的輸出節(jié)點(diǎn)p2采用進(jìn)行遲滯電壓仿真，由圖8所示，輸出電壓約0.1v的遲滯電壓。通過遲滯可以有效的防止輸出端高電壓的錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)。

13、綜上所述，本發(fā)明具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1.采用分布控制策略產(chǎn)生高電壓，有效保證電路內(nèi)部電源的穩(wěn)定性；2.采用電流比較器與局部遲滯鎖存的結(jié)構(gòu)有效提升了電路的響應(yīng)速度與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)高電壓的自適應(yīng)切換；3.通過電流尾部串聯(lián)的大電阻降低電路的靜態(tài)電流，降低電路的靜態(tài)功耗；4.輸出端通過交叉耦合負(fù)載比較器產(chǎn)生標(biāo)識(shí)信號(hào)，使得電路具有可拓展特性。