一种低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片

摘要

本申请公开了一种低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片，包括电容、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管，第二PMOS管，第三PMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、驱动电路。利用电容电压不会突变的特性，以及上述元件的连接关系，本申请能够实现将0‑1.8V的低压转到0‑3.3V的高压的效果。在本申请的电压转换电路中，每个MOS管的电压差均不超过1.8V，将先进工艺中的元件应用在本申请中，也不会出现耐压问题，达到了利用耐压1.8V的MOS管来实现1.8V转3.3V的电压转换效果。

权利要求

1.一种低压转高压的电压转换电路，其特征在于，包括电容、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管，第二PMOS管，第三PMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、驱动电路，其中：所述第一NMOS管的栅极接第一信号，源极接地，漏极与所述电容的第一端连接；

所述第二NMOS管的栅极接第二信号，源极与所述第一NMOS管的漏极连接，漏极与所述第一PMOS管的漏极连接；

所述第一PMOS管的栅极接所述第二信号，源极与第一电压电源连接；

所述第二PMOS管的源极接所述第一电压电源，漏极与所述电容的第二端连接；

所述第三PMOS管的栅极与所述第二NMOS管的漏极连接，源极与所述第二PMOS管的栅极连接，漏极与所述电容的第二端连接；

所述第三NMOS管的栅极与所述第三PMOS管的源极连接，源极与所述第一NMOS管的漏极连接，漏极与所述第二NMOS管的漏极连接；

所述第四NMOS管的栅极与漏极分别与所述第三PMOS管的源极连接；

所述第五NMOS管的栅极与所述第一电压电源连接，漏极与所述第四NMOS管的源极连接；

所述第六NMOS管的栅极接所述第一信号，源极接地，漏极与所述第五NMOS管的源极连接；

所述第七NMOS管的栅极接所述第三NMOS管的栅极，源极与所述第一电压电源连接，漏极与所述电容的第一端连接；

所述驱动电路的第一电源端接所述第一电压电源，第二电源端接第二电压电源，第一输入端和第二输入端分别接所述电容的第一端和第二端；

所述第一电压电源和所述第二电压电源分别为1.8V和3.3V，所述第一信号与所述第二信号互为反相，当所述第一信号为0V，所述驱动电路输出0V，当所述第一信号为1.8V，所述驱动电路输出3.3V；

所述驱动电路包括第一驱动PMOS管、第二驱动PMOS管、第一驱动NMOS管、第二驱动NMOS管，其中：

所述第一驱动PMOS管的源极作为所述驱动电路的所述第二电源端，栅极作为所述驱动电路的所述第二输入端，漏极与所述第二驱动PMOS管的源极连接；

所述第一驱动NMOS管的源极接地，栅极作为所述驱动电路的所述第一输入端，漏极与所述第二驱动NMOS管的源极连接；

所述第二驱动NMOS管的栅极与所述第二驱动PMOS管的栅极连接并作为所述驱动电路的第一电源端，所述第二驱动NMOS管的漏极与所述第二驱动PMOS管的漏极连接并作为所述驱动电路的输出端。

2.根据权利要求1所述电压转换电路，其特征在于，还包括将所述第一信号转换为所述第二信号的反相器。

3.根据权利要求1所述电压转换电路，其特征在于，还包括：将初始信号转换为所述第一信号的第一反相器；

将所述第一信号转换为所述第二信号的第二反相器。

4.根据权利要求1‑3任一项所述电压转换电路，其特征在于，所述第一信号和所述第二信号均为高速动态信号。

5.根据权利要求4所述电压转换电路，其特征在于，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的衬底均接地。

6.一种低压转高压的电压转换集成芯片，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述低压转高压的电压转换电路。

说明书

一种低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片

技术领域

[0001] 本发明涉及电压转换电路设计领域，特别涉及一种低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片。

背景技术

[0002] 随着工艺的不断进步，MOS管的电源电压越来越低，在一些先进工艺(如simc14nm)中，I/O器件的电源电压已经降到了1.8V，但是在一些应用中，如USB(Universal Serial 
Bus，通用串行总线)、SDIO(Secure Digital Input and Output，安全数字输入输出卡)、
EMMC((Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒体控制器)等，协议仍需要用到3.3V电源
电压。然而，先进工艺中没有耐3.3V的器件，因此很难将先进工艺应用在这些协议的电路设
计中。尤其是在高速应用中，暂时没有利用耐压1.8V的MOS管来实现1.8V转3.3V的电压转换
方案。

[0003] 因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐压较低的低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片。其具体方案如下：

[0005] 一种低压转高压的电压转换电路，包括电容、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管，第二PMOS管，第三PMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS
管、驱动电路，其中：

[0006] 所述第一NMOS管的栅极接第一信号，源极接地，漏极与所述电容的第一端连接；

[0007] 所述第二NMOS管的栅极接第二信号，源极与所述第一NMOS管的漏极连接，漏极与所述第一PMOS管的漏极连接；

[0008] 所述第一PMOS管的栅极接所述第二信号，源极与第一电压电源连接；

[0009] 所述第二PMOS管的源极接所述第一电压电源，漏极与所述电容的第二端连接；

[0010] 所述第三PMOS管的栅极与所述第二NMOS管的漏极连接，源极与所述第二PMOS管的栅极连接，漏极与所述电容的第二端连接；

[0011] 所述第三NMOS管的栅极与所述第三PMOS管的源极连接，源极与所述第一NMOS管的漏极连接，漏极与所述第二NMOS管的漏极连接；

[0012] 所述第四NMOS管的栅极与漏极分别与所述第三PMOS管的源极连接；

[0013] 所述第五NMOS管的栅极与所述第一电压电源连接，漏极与所述第四NMOS管的源极连接；

[0014] 所述第六NMOS管的栅极接所述第一信号，源极接地，漏极与所述第五NMOS管的源极连接；

[0015] 所述第七NMOS管的栅极接所述第三NMOS管的栅极，源极与所述第一电压电源连接，漏极与所述电容的第一端连接；

[0016] 所述驱动电路的第一电源端接所述第一电压电源，第二电源端接第二电压电源，第一输入端和第二输入端分别接所述电容的第一端和第二端；

[0017] 所述第一电压电源和所述第二电压电源分别为1.8V和3.3V，所述第一信号与所述第二信号互为反相，当所述第一信号为0V，所述驱动电路输出0V，当所述第一信号为1.8V，
所述驱动电路输出3.3V。

[0018] 优选的，所述驱动电路包括第一驱动PMOS管、第二驱动PMOS管、第一驱动NMOS管、第二驱动NMOS管，其中：

[0019] 所述第一驱动PMOS管的源极作为所述驱动电路的所述第二电源端，栅极作为所述驱动电路的所述第二输入端，漏极与所述第二驱动PMOS管的源极连接；

[0020] 所述第一驱动NMOS管的源极接地，栅极作为所述驱动电路的所述第一输入端，漏极与所述第二驱动NMOS管的源极连接；

[0021] 所述第二驱动NMOS管的栅极与所述第二驱动PMOS管的栅极连接并作为所述驱动电路的第一电源端，所述第二驱动NMOS管的漏极与所述第二驱动PMOS管的漏极连接并作为
所述驱动电路的输出端。

[0022] 优选的，所述电压转换电路还包括将所述第一信号转换为所述第二信号的反相器。

[0023] 优选的，所述电压转换电路还包括：

[0024] 将初始信号转换为所述第一信号的第一反相器；

[0025] 将所述第一信号转换为所述第二信号的第二反相器。

[0026] 优选的，所述第一信号和所述第二信号均为高速动态信号。

[0027] 优选的，所述第二PMOS管和所述第三PMOS管的衬底均接地。

[0028] 相应的，本发明还公开了一种低压转高压的电压转换集成芯片，包括如上文任一项所述低压转高压的电压转换电路。

[0029] 本申请公开了一种低压转高压的电压转换电路，包括电容、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管，第二PMOS管，第三PMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS
管、第七NMOS管、驱动电路。利用电容电压不会突变的特性，以及上述元件的连接关系，本申
请能够实现将0‑1.8V的低压转到0‑3.3V的高压的效果。在本申请的电压转换电路中，每个
MOS管的电压差均不超过1.8V，将先进工艺中的元件应用在本申请中，也不会出现耐压问
题，达到了利用耐压1.8V的MOS管来实现1.8V转3.3V的电压转换效果。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图。

[0031] 图1为本发明实施例中一种低压转高压的电压转换电路的电路结构图；

[0032] 图2为本发明实施例中电压展缓电路的电位的变化过程图；

[0033] 图3a为本发明实施例中输入信号的一种信号产生电路；

[0034] 图3b为本发明实施例中输入信号的另一种信号产生电路。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0036] 在一些应用中，如USB、SDIO、EMMC等，协议仍需要用到3.3V电压电源。然而，先进工艺中没有耐3.3V的器件。本申请则通过耐压1.8V的MOS管实现了1.8V转3.3V的电压转换方
案。

[0037] 本发明实施例公开了一种低压转高压的电压转换电路，参见图1所示，包括电容Cc、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2，第一PMOS管MP1，第二PMOS管MP2，第三PMOS管MP3，第三
NMOS管MN3，第四NMOS管MN4，第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、驱动电路Dr‑
C，其中：

[0038] 第一NMOS管MN1的栅极接第一信号in‑a，源极接地，漏极与电容Cc的第一端连接；

[0039] 第二NMOS管MN2的栅极接第二信号in‑b，源极与第一NMOS管MN1的漏极连接，漏极与第一PMOS管MP1的漏极连接；

[0040] 第一PMOS管MP1的栅极接第二信号in‑b，源极与第一电压电源VDD18连接；

[0041] 第二PMOS管MP2的源极接第一电压电源VDD18，漏极与电容Cc的第二端连接；

[0042] 第三PMOS管MP3的栅极与第二NMOS管MN2的漏极连接，源极与第二PMOS管MP2的栅极连接，漏极与电容Cc的第二端连接；

[0043] 第三NMOS管MN3的栅极与第三PMOS管MP3的源极连接，源极与第一NMOS管MN1的漏极连接，漏极与第二NMOS管MN2的漏极连接；

[0044] 第四NMOS管MN4的栅极与漏极分别与第三PMOS管MP3的源极连接；

[0045] 第五NMOS管MN5的栅极与第一电压电源VDD18连接，漏极与第四NMOS管MN4的源极连接；

[0046] 第六NMOS管MN6的栅极接第一信号in‑a，源极接地，漏极与第五NMOS管MN5的源极连接；

[0047] 第七NMOS管MN7的栅极接第三NMOS管MN8的栅极，源极与第一电压电源VDD18连接，漏极与电容Cc的第一端连接；

[0048] 驱动电路Dr‑C的第一电源端接第一电压电源VDD18，第二电源端接第二电压电源VDD33，第一输入端A和第二输入端B分别接电容Cc的第一端和第二端；

[0049] 第一电压电源VDD18和第二电压电源VDD33分别为1.8V和3.3V，第一信号in‑a与第二信号in‑b互为反相，当第一信号in‑a为0V，驱动电路Dr‑C输出0V，当第一信号in‑a为
1.8V，驱动电路Dr‑C输出3.3V。

[0050] 具体的，驱动电路Dr‑C包括第一驱动PMOS管MP‑d1、第二驱动PMOS管MP‑d2、第一驱动NMOS管MN‑d1、第二驱动NMOS管MN‑d2，其中：

[0051] 第一驱动PMOS管MP‑d1的源极作为驱动电路Dr‑C的第二电源端，栅极作为驱动电路Dr‑C的第二输入端B，漏极与第二驱动PMOS管MP‑d2的源极连接；

[0052] 第一驱动NMOS管MN‑d1的源极接地，栅极作为驱动电路Dr‑C的第一输入端A，漏极与第二驱动NMOS管MN‑d2的源极连接；

[0053] 第二驱动NMOS管MN‑d2的栅极与第二驱动PMOS管MP‑d2的栅极连接并作为驱动电路Dr‑C的第一电源端，第二驱动NMOS管MN‑d2的漏极与第二驱动PMOS管MP‑d2的漏极连接并
作为驱动电路Dr‑C的输出端。

[0054] 通常情况下，为了避免漏电，第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的衬底均接地。

[0055] 具体的，输入信号的不同电平下，电路中各MOS管的状态不同，具体如下：

[0056] 当第一信号in‑a为1.8V，与之反相的第二信号in‑b为0V，此时第一NMOS管MN1闭合，图1中电容Cc的第一端A点电压被拉至0V；第一PMOS管PM1和第二NMOS管MN2构成输入信
号为第二信号in‑b的反相器，使图1中C点电压与第二信号in‑b相反，也即此时第一PMOS管
MP1闭合，C点电压为1.8V；第六NMOS管MN6闭合；第五NMOS管MN5导通，第四NMOS管MN4不受外
界输入信号干扰始终闭合导通，此时图1中D点的电压为Vthn，第二PMOS管MP2闭合导通，第
三PMOS管MP3断开，电容Cc的第二端B点电位为1.8V，同时第三NMOS管MN3和第七NMOS管MN7
均断开。

[0057] 当第一信号in‑a从1.8V跳变为0V，第二信号in‑b跳变为1.8V，由于电容Cc的电压不会突变，A点电压暂时保持为0V，B点电压暂时保持1.8V；此时第一NMOS管MN1和第六NMOS
管MN6均断开，第二NMOS管MN2导通，第一PMOS管MP1断开，在一瞬间从1.8V变为A点的电压
0V，第三PMOS管MP3会瞬间闭合，D点的电压被瞬间拉至B点的电压1.8V，此时第二PMOS管MP2
断开，第三NMOS管MN3和第七NMOS管MN7均导通，这时A点的电压会瞬间被充电到1.8V，于是C
点的电压重新回到1.8V，B点和D点的电压由A点的电压与电容Cc的电压相加得到3.6V。

[0058] 具体的，在驱动电路Dr‑C中，当第一信号in‑a为1.8V，A点的电压为0V，B点的电压为1.8V，第一驱动PMOS管MP‑d1和第二驱动PMOS管MP‑d2均导通，输出OUT为3.3V；当第一信
号in‑a为0V，A点的电压为1.8V，B点的电压为3.6V，第一驱动NMOS管MN‑d1和第二驱动NMOS
管MN‑d2均导通，输出OUT为0V。

[0059] 以上所有电位的变化过程均可参见图2所示。

[0060] 下面讨论上述情况下的耐压问题：

[0061] 当第一信号in‑a为1.8V时，A点和B点、C点、D点的电压分别为0V和1.8V、1.8V、0V，电路中所有MOS管的电压均不超过1.8V，可满足耐压1.8V；

[0062] 当第一信号in‑a从1.8V跳到0V，A点和B点、C点、D点的电压变化分别为0V‑1.8V和1.8V‑3.6V、1.8V‑0V‑1.8V、0V‑3.6V，此时图1的电路中有B点、D点、E点为3.6V，现在分别对
相关MOS管进行讨论：

[0063] 第二PMOS管MP2：栅极3.6V漏极3.6V源极1.8V，不存在1.8V耐压问题；

[0064] 第三PMOS管MP3：栅极1.8V漏极3.6V源极1.8V，不存在1.8V耐压问题；

[0065] 第三NMOS管MN3：栅极3.6V漏极1.8+VTHP源极3.3V，不存在1.8V耐压问题；

[0066] 第四NMOS管MN4：栅极3.6V漏极3.6V源极3.6‑VTHN，不存在1.8V耐压问题；

[0067] 第五NMOS管MN5：栅极1.8V漏极3.6‑VTHN源极1.8‑VTTHN，不存在1.8V耐压问题。

[0068] 综上可见，本申请实施例中的电压转换电路，能够使用耐压1.8V的MOS管将0～1.8V转到0～3.3V。

[0069] 可以理解的是，由于第一信号in‑a和第二信号in‑b互为反相，因此可设置反相器来生成输入信号，也即参见图3a所示，电压转换电路还可包括将第一信号in‑a转换为第二
信号in‑b的反相器inv0。又或者参见图3b所示，电压转换电路还可包括：将初始信号in‑0转
换为第一信号in‑a的第一反相器inv1；将第一信号in‑a转换为第二信号in‑b的第二反相器
inv2。实际上，第二种方案中，可直接将初始信号in‑0作为第二信号in‑b。

[0070] 可以理解的是，第一信号in‑a和第二信号in‑b均为高速动态信号。

[0071] 由于电容Cc两极板间的电压不会突变，A点和B点的变化都非常迅速，使得本实施例能够在非常高速的环境中应用。值得注意的是，本实施例中电压转换电路没有静态电流，
只有在工作时才会消耗电流，而电路工作时必须有电容充放电过程，因此该电路不适用于
静态应用。

[0072] 本申请公开了一种低压转高压的电压转换电路，包括电容、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管，第二PMOS管，第三PMOS管，第三NMOS管，第四NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS
管、第七NMOS管、驱动电路。利用电容电压不会突变的特性，以及上述元件的连接关系，本申
请能够实现将0‑1.8V的低压转到0‑3.3V的高压的效果。在本申请的电压转换电路中，每个
MOS管的电压差均不超过1.8V，将先进工艺中的元件应用在本申请中，也不会出现耐压问
题，达到了利用耐压1.8V的MOS管来实现1.8V转3.3V的电压转换效果。

[0073] 相应的，本发明实施例还公开了一种低压转高压的电压转换集成芯片，包括如上文任一项所述低压转高压的电压转换电路。

[0074] 其中，具体有关所述低压转高压的电压转换电路的细节可参照上文实施例中相应描述，此处不在赘述。

[0075] 其中，本实施例具有与上文实施例中电压转换电路相同的有益效果，此处不再赘述。

[0076] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那
些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者
设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排
除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0077] 以上对本发明所提供的一种低压转高压的电压转换电路及电压转换集成芯片进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施
例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人
员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明
书内容不应理解为对本发明的限制。