CN101222218A - 压差可控开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压差可控开关，能够根据外电路两端电压差值控制电路的导通与断开。该压差可控开关具有：由两个或两个以上串联的MOS管构成、控制电路导通与断开的MOSFET开关管部分(1)；利用开关外接电路两端电压差对MOSFET开关管部分进行控制的控制和限幅输出部分(2)和(3)；根据外加信号对开关进行电平调整的电平位移部分(4)和(5)。该电路能够处理外界电路两端电压高于MOS管击穿电压一定范围的情形，合理的避免MOS管出现击穿。

Description

压差可控开关

所属技术领域

本发明涉及用于MOS集成电路开关。特别地，它涉及一种根据外电路两端电压差值控制电路的导通与断开的MOS集成电路开关。

背景技术

众所周知MOSFET开关管广泛地应用在各种各样的集成电路之中，开关管的导通或断开是由开关管栅极连接的集成电路的正电源和负电源来控制的。对于P型MOSFET开关管，它有源极、漏极、栅极和管衬底四个端口，通常集成电路是在P型硅片上制作的，它的衬底是P型硅片，P型MOSFET开关管的管衬底是由N阱区形成，接在这四个端口的最高电位上或者正电源电压上。当栅极连到负电源或地上时，栅极下面的N型硅反型成P型硅，开关管导通，电流或电压可以在源极和漏极之间流动，反之，当栅极连到正电源上时，开关管栅极下面的N型硅N型加强，源极和漏极被两个反相二级管隔断，在源极和漏极之间无电流或电压流动，开关管断开。对于N型MOSFET开关管，它有源极、漏极、栅极和管衬底四个端口，通常它的管衬底与集成电路芯片的衬底是同一个衬底，在P型硅片上制作的，它的衬底是与接在这四个端口的最低电位上或者负电源上，当栅极连到正电源上时，开关管导通，电流或电压可以在源极和漏极之间流动，反之，当栅极连到负电源上时，开关管断开，源极和漏极被隔断，在源极和漏极之间无电流或电压流动。

存在这样的应用，在某些时候，集成电路芯片上的供电正电源(或负电源)低于(或高于)外接输入或输出接口的电压，这样MOSFET开关管两端电压中的其中一端高于正电源或低于负电源，P型MOSFET开关管的管衬底不是接在开关管的四个端口的最高电位上，N型MOSFET开关管的管衬底不是接在开关管的四个端口的最低电位上，按以上所述方法连接的MOSFET开关管由于不能关断而将不能正常工作。

同时，当外接输入和输出接口的电压差值过大，特别是瞬时的过量电荷冲击超过了MOSFET开关管的承受能力，造成MOSFET开关管被击穿，则直接导致集成电路无法回复到符合设计要求的正常工作状态。

发明内容

本发明即为了解决上述问题，使开关能够根据外接电路的电压差值以及输入控制信号，自动的根据设置条件闭合与断开，并允许外界电压高于MOSFET开关管一定范围，从而对MOSFET开关管进行保护，防止瞬时的过量电荷冲击造成MOSFET开关管被击穿。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种压差可控开关，包括两类端口和三类模块，具体为：

外界端口，标记为A端与B端，开关闭合时外界端口A端与B端连通，开关断开时外界端口A端与B端断开；

控制端口，由若干端口C₁、C₂……C_n组成，向电平位移部分传送控制信号；MOSFET开关管部分，由两个或两个以上串联的MOS管构成，第一端与第二端分别连接在A端和B端，组成该部分的各MOS管的栅极连接不同的控制和限幅输出部分；

控制和限幅输出部分，第一端连接外界电路的A端或B端，其余端口连接电平位移部分，并视开关功能需要连接MOSFET开关管部分各MOS管的栅极；

电平位移部分，由外加控制信号C端进行控制，控制端口的数量不限，输出信号连接控制和限幅输出部分。

所述MOSFET开关管部分，既可以是两个MOSFET串联构成，也可以是多个MOSFET管的串联构成，还可以是两组或两组以上的MOSFET管串联以后再并联的混合结构。串联的MOS管中，最靠近A端的MOS管的衬底倒向A端，MOS管的栅极对应连接在与A端相连的控制与限幅输出部分；最靠近B端的MOS管的衬底倒向B端，MOS管的栅极对应连接在与B端相连的控制与限幅输出部分；位于中间的各MOS管根据需要，衬底可以倒向A端或B端，倒向A端时MOS管的栅极对应连接在与A端相连的控制与限幅输出部分，倒向B端时MOS管的栅极对应连接在与B端相连的控制与限幅输出部分。各组成MOS管既可以是P型MOSFET管，也可以是N型MOSFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意组合而成的混合体。

所述控制和限幅输出部分，包括交叉连接的双MOS开关管对，以及并联在开关管对的源漏级之间的限幅器。双MOS管开关管对的源极作为控制和限幅输出部分的第一端连接外界电路，双MOS开关管的栅极与漏极交叉连接，分别作为控制和限幅输出部分的输出端口，连接电平位移部分，并视开关功能和需要连接MOSFET开关管部分。并联在开关管对的源漏级之间的限幅器，对外界电路电压进行限幅，保护MOS开关管各MOS管不被击穿，具体实现可以为通常的模拟集成方法实现的各种限幅器。

所述电平位移部分，包括但不限于以下部分组成：输入信号处理单元；NMOS差分对管；恒流源。输入信号处理单元由一个或数个传输门结构的MOS管构成，每个传输门结构均由一个NMOS管和一个PMOS管组成，传输门MOS管的栅极由外加控制信号控制，从而将控制信号或控制信号的反相信号传至NMOS差分对管，进行了电平的位移；NMOS差分对管栅极连接输入信号单元，源极连接恒流源，漏极作为电平位移单元的输出端口连接控制和限幅输出部分；恒流源由通常的模拟电路实现方法实现，向NMOS差分对管提供稳定的电流，并提高NMOS差分对管源极的电压。

以上所述的MOSFET开关管部分、控制和限幅输出部分、电平位移部分，可采用普通MOS开关管以节约开销，其型号可采用同一类型，也可采用不同类型。

说明书附图

图1是表示本发明的压差可控开关的简略结构框图。

图2是表示本发明的压差可控开关的MOSFET开关管部分的实施方式的电路图。

图3是表示本发明压差可控开关的控制和限幅输出部分的实施方式的电路图。

图4是表示本发明的压差可控开关的第三输入控制信号处理部分的实施方式的电路图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的压差可控开关的的简略结构框图。图1所示的压差可控开关具有：由两个或两个以上串联的MOS管构成、控制电路导通与断开的MOSFET开关管部分1；对开关外接电路两端电压差进行比较和限幅的控制和限幅输出部分2、3；根据外加信号对开关进行电平调整的电平位移部分4、5。控制和限幅输出部分2、3可以一致也可以不一致；电平位移部分4、5可以一致也可以不一致。

由图1说明压差可控开关的工作原理如下：

当A、B两端电压未超出设定阈值时，控制与限幅输出部分将控制MOSFET部分各个MOS管工作在线性区，AB之间电路导通，MOSFET开关管部分的工作类似于电阻。

当A端和/或B端电压超出设定阈值时，连接在电压超出设定值一端的控制与限幅输出部分将发出控制信号，使栅极与之对应相连的MOSFET开关管中的MOS管截止，从而断开AB之间的电路。

当A端和/或B端电压过高有可能击穿MOS管或其他元器件时，控制与限幅输出部分将对电压值进行限幅，从而确保MOSFET开关管部分各开关管两端电压差值不超过MOS管的承受能力。

图2是表示本发明的压差可控开关的MOSFET开关管部分的实施方式的电路图。

图2(a)是本发明的压差可控开关的MOSFET开关管部分的第一实施例，由两个串联的PMOS管组成。MOS管M21的衬底连接A端，MOS管M21的栅极连接在与A端相连接的控制和限幅输出部分；MOS管M22的衬底连接B端，MOS管M22的栅极连接在与B端相连接的控制和限幅输出部分。

当外电路A端超过设置的门限阈值，与A端相连的控制与限幅输出部分将输出控制信号，使相应的MOS管M21的栅极收到高电平信号，从而断开MOS管M21，电路断开；同样的，当外电路B端超过设置的门限阈值，与B端相连的控制与限幅输出部分将输出控制信号，使相应的MOS管M22的栅极收到高电平信号，从而断开MOS管M22，电路断开；当A、B两端电压均超过设置的门限阈值，则MOS管M21、M22均截止，电路断开。

当外电路A端电压和B端均低于设定的门限阈值，两PMOS管将处于正常工作状态，MOS管M21和M22均可视之为电阻，电路导通，开关处于闭合状态。

图2(b)是表示本发明的压差可控开关的MOSFET开关管部分的第二实施例，由4个串联的PMOS管组成，其中M21、M23的衬底向A端偏置，栅极受到连接A端的控制与限幅输出部分的控制；M22、M24的衬底向B端偏置，栅极受到连接B端的控制与限幅输出部分的控制。这一连接方式较之图2(a)的连接，增加了串联的MOS管，从而能够提高设定的门限阈值，在A、B间导通时MOSFET则相当于较大的电阻，从而限制过大的电流对电路元件造成的损害。基于以上的原理，MOSFET开关管可以在以上实施例的基础上继续增加串联的MOSFET开关管，从而满足更高的电压差阈值需求，并限制过大电流对元件的损害。

图3是表示本发明的压差可控开关的控制与限幅输出部分的实施方式的电路图，由图可以看出，控制与限幅输出部分由交叉连接的MOS管对和限幅器电路组成。

由两个PMOS管组成的交叉连接的MOS开关管对，将外加电路A端或B端的电压通过MOS管对连接至电平位移部分，并视需要部分或全部连接MOSFET开关管部分。限幅器并联在交叉连接的MOS开关管对的源极和漏极之间，作为交叉连接的MOS开关管对的偏置电路。

由于PMOS管的栅极交叉连接，从而保证了MOS管的两输出端中仅有一个为高电平，另一个为低电平，M31和M32漏极端输出具体是高电平还是低电平则直接取决于电平位移部分接收到的外加输入信号。

基于这样的运用，交叉连接的MOS管M31和M32与MOSFET开关管部分的连接，将根据开关实现的功能和MOSFET开关管部分的MOS管类型来决定。

当外加电路A端或B端电压过高，且电平位移部分输出D点为高电平，则E点必为低电平，D点所连接的MOSFET开关管部分的各PMOS管，或E点所连接的MOSFET开关管部分的各NMOS管，将处于截止状态，从而使MOSFET开关管两端的外界电路断开。基于同样的原因，当三电平位移部分输出D点为低电平，则E点必为高电平，也可以控制电路的断开。

同时，并联在交叉连接的MOS开关管对的源极和漏极之间的限幅器，使得MOS开关管对源漏极之间的电压差比较稳定，控制与限幅输出部分输出端的电压幅度受到限制。

由于限幅器电路限制了A端(或B端)与D点(或E点)之间的电压差幅值，亦即限制了MOSFET开关管各相应MOS管的源极(或漏极)之间的电压差，从而防止过高的电压对MOSFET开关管的击穿，保护了开关管的正常工作。

图4表示本发明的压差可控开关的电平位移部分的电路图，包括但不限于以下单元：输入信号处理单元；NMOS差分对管；恒流源。

图4(a)表示本发明的压差可控开关的电平位移部分的第一实施例，图中：输入信号处理单元411和412，均由一个传输门组成，向NMOS差分对管的栅极传送外加的控制信号。图中的外加控制信号分别为C₁和C₂，可以将其扩展为多个控制端口，也可以在C₁或C₂之前增加一个反向器之后合并为一个控制信号端口，从而使输入信号处理单元的411和412的输入信号为反向信号。

输入信号处理单元411的传输门的NMOS管和PMOS管分别连接外加控制信号C₁和C₂，传输门的输入端连接外加电压V₁，输出端连接NMOS差分对管421的一MOS管的栅极；输入信号处理单元412的传输门的PMOS管和NMOS管分别连接外加控制信号C₁和C₂，传输门的输入端连接外加电压V₂，输出端连接NMOS差分对管421的另一MOS管的栅极。

NMOS差分对管421，其栅极连接输入信号单元411和412，源极连接恒流源431，漏极作为电平位移单元的第三端和第四端连接控制和限幅输出部分；

恒流源431，由通常的模拟电路实现方法实现，向NMOS差分对管提供稳定的电流，并提高NMOS差分对管源极的电压。

由于这样的连接方法，传输门在外加控制信号使之导通的时候，将相应的电平位移至NMOS差分对管，而不改变外加的电平值。具体而言，当C₁为高电平和/或C₂为低电平时，输入信号处理单元411将电平值V₁传至所连接的NMOS差分对管的栅极；当C₁为低电平和/或C₂为高电平时，输入信号处理单元411将电平值V₂传至所连接的NMOS差分对管的栅极。

NMOS差分对管421的两栅极将接收到的位移电平V₁和V₂通过差分放大后，由输出端D、E连接控制和限幅输出部分。这一连接使NMOS差分对管的源极和漏极的电压能够浮动在一定范围内，从而扩大了开关能够承载的电压，对保护开关不受击穿起到相应的作用。

图4(b)表示本发明的压差可控开关的电平位移部分的第二实施例，图中：输入信号处理单元411和412，均由两个串联个传输门组成，且两传输门倒向连接，亦即第一传输门的NMOS管连接第二传输门的PMOS管，第一传输门的PMOS管连接第二传输门的NMOS管。两传输门的衔接处作为输入信号处理单元411和42的输出端，向NMOS差分对管的栅极传送外加的控制信号。图中输入信号处理单元411和412的栅极所连接的外加控制信号已经合并为控制信号C，使输入信号处理单元的411和412的输入信号为反向信号，在实际应用中可以将其扩展为多个控制端口，也可以如图4(a)所示分为C₁和C₂。输入信号处理单元411中传输门的输入端分别连接V₁和V₂，输入信号处理单元412中传输门的输入端分别连接V₃和V₄，根据控制信号C，分别将不同的电压值加到NMOS差分对管421MOS管的栅极。

NMOS差分对管421和恒流源431的构建方式和工作原理与图4(a)相同。

这一连接方式能够使NMOS差分对管的栅极根据外加控制信号C的值，合理的选择传输的位移电平，使得NMOS差分对管的电压浮动范围进一步增大，并使D、E两点的电平能够根据控制信号C而产生很大的改变，并将这一电平传至控制与限幅输出部分，并视需要传递至MOSFET开赴开关管部分。

图4(c)表示本发明的压差可控开关的电平位移部分的第三实施例，在图(a)的基础上，两组相对独立的NMOS管差分对和恒流源共用输入信号处理单元，从而节约了器件开销和电路面积。根据电路的需要，可以继续增加相对独立的NMOS管差分对和恒流源数量而共用输入信号处理单元。其工作原理与图4(a)一致。

图4(d)表示本发明的压差可控开关的电平位移部分的第四实施例，在图(b)的基础上，两组相对独立的NMOS管差分对和恒流源共用输入信号处理单元，从而节约了器件开销和电路面积。根据电路的需要，可以继续增加相对独立的NMOS管差分对和恒流源数量而共用输入信号处理单元。其工作原理与图4(a)一致。

上述实施实例只是应用中的有限的一部分，其他实施实例还包括但不限于所述压差可控开关由以上所述功能块中的某一个部分、某几个部分或者所有部分的组合构成，并且本发明不局限于这些实施形态，而由权利要求的范围示出，与权利要求的范围均等的内容和权利要求的范围之内的所有变更或变化都包含在本发明要求的权利范围之内。

工业上利用和应用的可能性

本发明的压差可控开关可以应用于但不限于电池保护芯片、电源管理芯片、集成电路和集成芯片的保护电路或装置等等与本发明相关的所有应用范围和场合中。

Claims (6)

1.一种压差可控开关，其特征在于，包括两类端口和三类模块，具体为：

外界端口，标记为A端与B端，开关闭合时外界端口A端与B端信号通路连通，开关断开时外界端口A端与B端信号通路断开；

控制端口，由若干端口C₁、C₂……C_n组成，传递向电平位移部分传送控制信号；

第一类模块即MOSFET开关管部分，由两个或两个以上串联的MOS管构成，第一端与第二端分别连接在A端和B端，组成该部分的各MOS管的栅极连接不同的控制和限幅输出部分；

第二类模块即控制和限幅输出部分，第一端连接外界电路的A端或B端，其余端口连接电平位移部分，并视开关功能需要连接MOS管部分各MOS管的栅极；

第三类模块即电平位移部分，由外加控制信号通过控制口C₁、C₂……C_n进行控制，控制端口的数量不限，输出信号连接控制和限幅输出部分。

2.根据权利要求1所述压差可控开关，其特征在于，所述的MOSFET开关管部分，串联的MOS管中，最靠近A端的MOS管的衬底倒向A端，MOS管的栅极对应连接在与A端相连的控制与限幅输出部分；最靠近B端的MOS管的衬底倒向B端，MOS管的栅极对应连接在与B端相连的控制与限幅输出部分；位于中间的各MOS管根据需要，衬底可以倒向A端或B端，倒向A端时该MOS管的栅极对应连接在与A端相连的控制与限幅输出部分，倒向B端时该MOS管的栅极对应连接在与B端相连的控制与限幅输出部分。

3.根据权利要求1所述压差可控开关，其特征在于，所述的MOSFET开关管部分，既可以是两个MOSFET串联构成，也可以是多个MOSFET管的串联构成，还可以是两组或两组以上的多个MOSFET管串联以后再并联的混合结构，各MOS开关管既可以是P型MOSFET管，也可以是N型MOSFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意组合而成的混合体。

4.根据权利要求1所述压差可控开关，其特征在于，所述的控制和限幅输出部分，包括：交叉连接的双MOS开关管对，可以是PMOS开关管对或NMOS开关管对，MOS开关管的源极作为控制和限幅输出部分的第一端连接外界电路A端或B端，MOS开关管的栅极与漏极交叉连接，分别作为控制和限幅输出部分的输出端口，连接电平位移部分，并视开关功能和需要连接MOS管部分，从而将外加电路的较高的电压信号传至MOSFET开关管部分，使MOS管截止以断开外界电路；

并联在开关管对的源漏级之间的限幅器，对外界电路电压进行限幅，保护MOS开关管各MOS管不被击穿，具体实现可以为通常的模拟集成方法实现的各种限幅器。

5.根据权利要求1所述压差可控开关，其特征在于，所述的电平位移部分，包括：

输入信号处理单元，由一个或数个传输门结构的MOS管构成，传输门MOS管的栅极由外加控制信号控制，从而将控制信号或控制信号的反相信号传至NMOS差分对管，进行了电平的位移；NMOS差分对管，其栅极分别连接不同的输入信号单元，源极连接恒流源，漏极作为电平位移单元的输出端口连接控制和限幅输出部分；

恒流源，由通常的模拟电路实现方法实现，向NMOS差分对管提供稳定的电流，并提高NMOS差分对管源极的电压。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述压差可控开关，其特征在于：所述的MOSFET开关管部分、控制和限幅输出部分、电平位移部分，可采用普通MOS开关管以节约开销，其型号可采用同一类型，也可采用不同类型。

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