阅读说明：本技术 电平移位器电路 (Level shifter circuit ) 是由 E·乔达 J·贝克尔 于 2019-03-05 设计创作，主要内容包括：电平移位器(300)包括信号输入端子(342)、第一信号输出节点(350)、第一晶体管(308)、第二晶体管(314)、第三晶体管(332)和第一电容器(334)。第一晶体管(308)包括耦合到信号输入端子(342)的控制端子(352)。第二晶体管(314)包括耦合到第一晶体管(308)的输入端子(360)的输出端子(362)。第一电容器(334)包括耦合到第二晶体管(314)的输入端子(363)的底板(364)。第三晶体管(332)包括耦合到第一电容器(334)的顶板(392)的控制端子(366)和耦合到第一信号输出节点(350)的输出端子(368)。(A level shifter (300) includes a signal input terminal (342), a first signal output node (350), a first transistor (308), a second transistor (314), a third transistor (332), and a first capacitor (334). The first transistor (308) includes a control terminal (352) coupled to the signal input terminal (342). The second transistor (314) includes an output terminal (362) coupled to the input terminal (360) of the first transistor (308). The first capacitor (334) includes a bottom plate (364) coupled to an input terminal (363) of the second transistor (314). The third transistor (332) includes a control terminal (366) coupled to the top plate (392) of the first capacitor (334) and an output terminal (368) coupled to the first signal output node (350).)

电平移位器电路

背景技术

电子系统通常具有不同的电源电压供电的电路，或者是需要不同的信号电平来激活电路元件的电路。在这样的系统中，电平移位电路(电平移位器)用于将信号从一个电压电平转换到另一个电压电平。例如，电平移位器可用于将信号从较低电压转换为较高电压，或将信号从较高电压转换为较低电压。在开关模式电源中，电平移位器用于将控制信号转变/转换为使能电源的功率晶体管具有所需驱动能力的电压。

发明内容

在一个示例中，电平移位器包括信号输入端子、第一信号输出节点、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第一电容器。第一晶体管包括耦合到信号输入端子的控制端子。第二晶体管包括耦合到第一晶体管的输入端子的输出端子。第一电容器包括耦合到第二晶体管的输入端子的底板。第三晶体管包括耦合到第一电容器的顶板的控制端子和耦合到第一信号输出节点的输出端子。

在另一个示例中，电平移位器包括输入电路、输出电路和接口电路。输入电路耦合到低压轨并经配置以接收输入信号。输出电路耦合到高压轨，并且经配置以在高压轨的电压下生成输出信号。接口电路经配置以将信号从输入电路传输到输出电路。输出电路包括第一输出节点和第一升压电路。第一升压电路包括电容性地耦合到接口电路的第一晶体管。第一晶体管经配置以响应于从接口电路接收到的第一信号，将高压轨的电压驱动到第一输出节点上。

在又一个示例中，开关模式电源包括功率晶体管、栅极驱动器和电平移位器。功率晶体管经配置以驱动电感器。栅极驱动器耦合到功率晶体管，并且经配置以驱动功率晶体管的控制端子。电平移位器与栅极驱动器耦合。电平移位器包括低压轨、高压轨、输入电路、接口电路、输出电路。输入电路经由低压导轨供电。接口电路与输入电路耦合。输出电路耦合到高压轨和接口电路。输出电路包括第一升压电路和第二升压电路。第一升压电路包括电容性地耦合到接口电路的第一晶体管。第一晶体管经配置以响应于从接口电路接收到的第一信号，可切换地将高压轨连接到第一输出节点。第二升压电路包括电容性地耦合到接口电路的第二晶体管。第二晶体管经配置以响应于从接口电路接收到的第二信号，可切换地将高压轨连接到第二输出节点。

附图说明

图1示出了根据本说明书的包括电平移位器的开关模式电源的示例的框图。

图2示出了根据本说明书的电平移位器的示例的框图。

图3示出了根据本说明书的电平移位器的示例的示意图。

图4和图5示出了根据本说明的电平移位器中的信号的时序图。

具体实施方式

在本说明书中，术语“耦合”是指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是直接连接或经由其他设备和连接的间接连接。另外，在本说明书中，叙述“基于”是指“至少部分基于”。因此，如果X基于Y，则X可以是Y和任何数量的其他因素的函数。

电平移位器使在不同电源电压下工作的电路之间能够进行通信。为了使电路具有高速特性，希望通过电平移位器来减小传播延迟。电平移位器实施方式包括减少传播延迟的各种电路。一些电平移位器实施方式包括前馈电路，该前馈电路通过将输入电路电容性地耦合到电平移位器的输出电路来减少延迟。前馈电容器提供从输入到输出的直接动态控制。然而，传输延迟的减少随着输入电路电源电压的降低而降低，并且实施方式需要并非所有半导体工艺都可用的或增加制造成本的高压电容器。此外，需要钳位电路来降低输入电路中的过电压损坏的可能性。

其他电平移位器实施方式向输出电路添加置位/复位锁存器。这样的实施方式依靠通过低压电路的放电路径来快速切换高压电路输出的逻辑状态。解决锁存器中的亚稳态需要添加在电平移位器的高压域中运行的同步电路，这可能是个问题。

本文所述的电平移位器包括高压电路中的升压电路，以减少低到高输出信号跃迁的传播延迟。升压电路使用通过低压电路的晶体管的路径来触发高压电路输出的快速充电。不需要高压电容器和相关联的钳位电路或锁存同步电路。由于升压电路迅速地上拉高压输出，电平移位器的各种其他元件(例如，高压上拉和钳位设备)的尺寸可以减小。

图1示出了根据本说明书的包括电平移位器的开关模式电源100的示例的框图。开关模式电源100包括控制器102、高侧电平移位器104、低侧电平移位器106、高侧驱动器108、低侧驱动器110、高侧功率晶体管112、低侧功率晶体管114和电感器116。为了清楚起见，开关模式电源100可以包括图1中省略的附加元件。

控制器102生成控制低侧功率晶体管114和高侧功率晶体管112的切换的输出脉冲。例如，控制器102可以将电感器116的负载侧处的电压与基准电压进行比较以生成错误信号，并应用误差信号来控制脉冲宽度调制器。脉冲宽度调制器的输出是控制低侧功率晶体管114和高侧功率晶体管112的切换的脉冲。

在控制器102生成的输出信号的控制下，高侧功率晶体管112和低侧功率晶体管114分别将电感器116连接到电源轨。高侧功率晶体管112和低侧功率晶体管114可以是n-沟道金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)。低侧功率晶体管114耦合到低侧驱动器110。低侧驱动器110提供对低侧功率晶体管114的栅极电容进行快速充电所需的电流。低侧驱动器110耦合到低侧电平移位器106。低侧电平移位器106将从控制器102接收到的信号转移到更高的电压，以有效地驱动低侧功率晶体管114。因为低侧功率晶体管114耦合到地118，所以低侧电平移位器106的高压电路也可以被参考接地。

高侧驱动器108耦合到高侧功率晶体管112。高侧驱动器108提供对高侧功率晶体管112的栅极电容快速充电所需的电流。高侧驱动器108耦合到高侧电平移位器104。高侧电平移位器104将从控制器102接收到的信号转移到较高电压，以有效地驱动高侧功率晶体管112。因为高侧功率晶体管112未被参考接地118，所以高侧电平移位器104的高压电路也可以不被参考接地118，而高侧电平移位器104的低压电路可以被参考接地118。高侧电平移位器104包括减小高侧电平移位器104的输出信号的上升时间的升压电路。

图2示出了根据本说明书的电平移位器200的框图。电平移位器200可以是高侧电平移位器104的实施方式。电平移位器200包括输入电路202、接口电路204和输出电路206。输入电路202耦合到低压电源。例如，输入电路202可由1.8伏电源供电。输入电路202接收输入信号214，并经由接口电路204将接收到的信号提供给输出电路206。输入电路202可向接口电路204提供接收到的信号214的反相版本(如信号224)和非反相版本(如信号226)。

接口电路204包括钳位电路，该钳位电路将输入电路202的输出信号(224和226)传递到输出电路206，并限制由输出电路206接收的信号的电压不低于为输出电路206供电的高压电源的基准电压(例如接地)。高压电源的电压可以是例如10伏，由高压电源提供的接地基准可以处于高于由耦合到输入电路202的低压电源提供的接地基准的电压。

输出电路206包括交叉耦合电路208，该交叉耦合电路208接收由接口电路204提供的信号220和信号222，并且响应于所接收的信号，将输出电路206的输出驱动到由高压电源提供的电压。交叉耦合电路208包括升压电路210和升压电路212。升压电路210和升压电路212电容地耦合到接口电路204的输出。由于交叉耦合，信号220的下降沿导致输出218被升压电路210快速上拉，而信号222的下降沿导致输出216被升压电路210快速上拉。因此，升压电路210和升压电路212增加电平移位器200的输出沿速率并减小传播延迟。

图3示出了根据本说明书的电平移位器300的示意图。电平移位器300是高侧电平移位器104和电平移位器200的若干实施方式之一。电平移位器300以高于输入信号的电压的电压生成一个或更多个输出信号。图4示出由电平移位器300接收和输出的信号的示例。电平移位器300包括用于接收使用“较低”电源电压生成的输入信号的输入端子342，并且包括用于在较高电压下生成与所接收的输入信号相对应的输出信号的输出节点348和输出节点350。图4示出在电源轨VCC_LOW和GND_LOW之间生成的输入信号402。输出节点348处的信号406是信号402的反相版本，该信号406具有在电源轨VCC_UP和GND_UP之间生成的传播延迟t_d。输出节点350处的信号404是信号402的非反相版本，该信号404具有在电源轨VCC_UP和GND_UP之间生成的传播延迟t_d。实际上，输入信号402的沿与信号404和信号406的沿之间的传播延迟可以基于信号404和信号406的沿是上升还是下降而不同。

电平移位器300包括输入电路302、接口电路304和输出电路306、信号输入端子342、反相输出节点348、非反相输出节点350。输入电路302耦合到低压轨338和低压轨340。输出电路306耦合到高压轨344和高压轨346。高压轨344也可被称为高压电源端子。输入电路302是输入电路202的若干实施方式之一，接口电路304是接口电路204的若干实施方式之一，而输出电路306是输出电路206的若干实施方式之一。

输入电路302包括晶体管308、逆变器310和晶体管312。晶体管308和晶体管312可以是n-沟道MOSFET(可能具有漏极扩展)。晶体管308包括耦合到电平移位器300的信号输入端子342的控制端子352(例如，栅极端子)。逆变器310包括耦合到电平移位器300的信号输入端子342的输入端子354和耦合到晶体管312的控制端子358(例如，栅极端子)的输出端子356。

接口电路304包括晶体管314和晶体管316。晶体管314和晶体管316可以是p-沟道MOSFET(可能具有漏极扩展)。晶体管308的输入端子360(例如，漏极端子)耦合到晶体管314的输出端子362(例如，漏极端子)。晶体管312的输入端子378(例如，漏极端子)耦合到晶体管316的输出端子374(例如，漏极端子)。晶体管314的输入端子363(例如，源极端子)耦合到反相输出节点348。晶体管316的输入端子375(例如，源极端子)耦合到非反相输出节点350。激活晶体管308在晶体管314中产生电流，晶体管308将反相输出节点348拉到高压接地346。激活晶体管312在晶体管316中产生电流，晶体管312将非反相输出节点350拉到高压地346。

输出电路306包括交叉耦合电路，该交叉耦合电路基于非反相输出节点350的状态驱动反相输出节点348，并基于反相输出节点348的状态驱动非反相输出节点350。输出电路306的交叉耦合电路包括逆变器318、逆变器320、升压电路322和升压电路324。逆变器318包括耦合到反相输出节点348的输出端子395和耦合到非反相输出节点350的输入端子394。逆变器320包括耦合到非反相输出节点350的输出端子397和耦合到反相输出节点348的输入端子396。

升压电路322包括晶体管326、电容器328和电阻器330。晶体管326可以是p-沟道MOSFET。电容器328电容地将晶体管326耦合到非反相输出节点350，使得当非反相输出节点350由晶体管312经由晶体管316被下拉时，晶体管326瞬间被激活以上拉反相输出节点348，从而增加反相输出节点348的从低到高的跃迁速率(上升沿速率)。电容器328包括耦合到非反相输出节点350的底板376和耦合到晶体管326的控制端子380(例如，栅极端子)的顶板390。晶体管326的输入端子384(例如，源极端子)耦合到高压轨344。晶体管326的输出端子382(例如，漏极端子)耦合到反相输出节点348。电阻器330包括耦合到晶体管326的控制端子380的端子386和耦合到高压轨344的端子388。电阻器330为升压电路322提供复位。

升压电路324包括晶体管332、电容器334和电阻器336。晶体管332可以是p-沟道MOSFET。电容器334电容性地将晶体管332耦合到反相输出节点348，使得当反相输出节点348由晶体管308经由晶体管314被下拉时，晶体管332瞬间被激活以上拉非反相输出节点350，从而增加非反相输出节点350的从低到高的跃迁速率(上升沿速率)。电容器334包括耦合到反相输出节点348的底板364和耦合到晶体管332的控制端子366(例如，栅极端子)的顶板392。晶体管332的输入端子374(例如，源极端子)耦合到高压轨344。晶体管332的输出端子368(例如，漏极端子)耦合到非反相输出节点350。电阻器336包括耦合到晶体管332的控制端子366的端子370和耦合到高压轨344的端子372。电阻器336为升压电路324提供复位。

图5示出了根据本说明书的电平移位器中的信号的时序图。在图4中，当输入信号504在沿502处上升时，晶体管308被激活，并且反相输出节点348处的信号506经由晶体管314被迅速下拉到高压接地轨346。将反相输出节点348拉到地会瞬间将晶体管332的控制端子366拉到高压接地轨346，并激活晶体管332以快速地将非反相输出节点350向上拉至高压轨344，从而在信号508上形成快速上升沿510。如沿512所说明的，在缺少升压电路324的电平移位器的实施方式中，信号508的上升沿可能相当慢。

因此，升压电路322和升压电路324增加反相输出节点348和非反相输出节点350上的信号的上升沿速率，从而减小电平移位器300的传播延迟。电容器328和电容器334的额定电压可低于电平移位器中使用的电容器的电压，该电平移位器电容性地将输入电路耦合到输出电路，这简化了电路制造。由于电平移位器300不包括反相输出节点348和非反相输出节点350上的置位-复位锁存器，因此不需要同步电路来防止亚稳态。此外，由于升压电路322和升压电路324提供高上升沿驱动，因此相对于电平移位器的一些实施方式，可以减小反相器318、反相器320、晶体管314和晶体管316的尺寸。

在权利要求书的范围内，所描述的实施例可以进行修改，其他实施例也是可以修改的。