CN101853041A - 一种适用于宽输入范围的高压预调整降压电路 - Google Patents

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于奇
宁宁
罗谦
刘浩
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Abstract

本发明公开了一种适用于宽输入范围的高压预调整降压电路，所述的高压预调整降压电路设置于芯片内受电单元之前，包括当输入高压时可以恒定输出预调整后的低电压的高压恒定输出电路和当输入电压低于某个阈值时可输出跟随输入电压变化的输出电压的低压跟随电路，所述的高压恒定输出电路与低压跟随电路设有共有的电压输入端Vin和低电压输出端Vtemp。本发明适用于宽输入范围的高压预调整降压电路的输入电压下限可低至芯片内部供电电压并能够适应较宽输入范围。

Description

一种适用于宽输入范围的高压预调整降压电路
技术领域
本发明涉及芯片供电电路，尤其是指一种将芯片外部高压直流供电电压转换为可供芯片内部使用的低压直流电压的高压预调整降压电路。
背景技术
目前的开关电源高压芯片一般均有高、低两个电源。一个是外加的高压输入电源，主要对开关管以及与其相关的模块进行供电。另一个是低压内部电源，为内部控制部分和低压电路供电，由一个稳压模块得到。稳压模块一般采用LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)结构，但LDO一般不能耐高压，之前还要通过一个预调整降压电路将高输入电压降到合适的值给LDO做输入电源，转化模块图如图1所示，U3模块现有技术中简单的LDO电路如图2所示。
对于图1中的高压预调整降压电路，目前普遍采用的电路结构如图3所示。它由分压模块1和输出模块2组成。分压模块1由N个栅极和漏极短接的大宽长比PMOS管以及电阻串联而成，N的取值主要看芯片内部供电电压的值。输出模块2由一个N型功率MOS管组成。输入电压标记为Vin，预调整后的输出电压标记为Vtemp。功率MOS管漏端与Vin相连，源端与输出Vtemp相连，同时通过一个电容旁路到地。
现在参考图3普遍采用的降压电路结构来描述本发明所要改进的问题：由于M1到Mn的PMOS管的宽长比足够大，由公式：
Figure DEST_PATH_GSB00000193203900021
式中，VGS为MOS管的栅源电压，VTH为MOS管的阈值电压，ID为漏电流，′为载流子迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，为MOS管的宽长比。可以知每个PMOS管栅源电压VGS近似等于该管的阈值电压VTH。当ID一定时，
Figure DEST_PATH_GSB00000193203900023
的值越大，则VGS越接近VTH。当
Figure DEST_PATH_GSB00000193203900024
一定时，ID越小，则VGS越接近VTH。所以N型功率管NMPOW的栅电压为nVTH，而功率管NMPOW的栅源电压也近似等于其阈值电压VNPTH，因此，通过调节电阻R1的大小与串联PMOS管的宽长比和个数，就可以得到合适的输出电压Vtemp，即nVTH-VNPTH。当输入电压Vin降到nVTH以下后，输出电压Vtemp＝Vin-VNPTH。由此看出当输入电压Vin降到nVTH以下后，Vin必须比片内供电电源大一个功率MOS管阈值电压的值，而此值典型值在2V左右。这就较大的限制了Vin下限值，从而限制了芯片的应用范围。
例如在汽车照明领域，在天气寒冷的时候，启动装置会令电池供电电压大幅下跌，可跌至6V左右。由于LED驱动器的输入供电端连接电池的输入端，因此像刹车灯这类涉及驾驶安全的汽车灯必须不受冷启动的影响，甚至必须能够在这种情况下继续正常运行。而这类LED驱动芯片的内部供电电压一般为5V左右。这样若用图3的预调整降压电路，冷启动时只能提供内部4V左右的内部电压，使芯片不能正常工作。
发明内容
本发明需解决的问题是克服现有高压降压电路存在的问题，提供一种输入电压下限可低至芯片内部供电电压、能够适应较宽输入范围的高压预调整降压电路。
为了实现上述目的，本发明设计出一种适用于宽输入范围的高压预调整降压电路，所述的高压预调整降压电路设置于芯片内受电单元之前，包括当输入高压时可以恒定输出预调整后的低电压的高压恒定输出电路和当输入电压低于某个阈值时可输出跟随输入电压变化的输出电压的低压跟随电路，所述的高压恒定输出电路与低压跟随电路设有共有的电压输入端Vin和低电压输出端Vtemp。
所述的高压恒定输出电路包括包括一个控制输出的第一功率MOS管和一条分压支路，所述的分压支路由第一电阻和第二电阻以及N个栅漏短接的MOS管串联构成，第一功率MOS管的漏端接输入，源端接输出，栅端接第二电阻与N个串联MOS管之间，第一电阻一端接输入，一端与第二电阻相接。第二电阻一端与第一电阻相接，另一端接第一个栅漏短接的MOS管的源端，N个栅漏短接的MOS管依次漏源相接，第N个栅漏短接的MOS管的漏端接地。
所述的低压跟随电路包括控制输出的第二功率MOS管和两条分压支路，其中一条分压支路由另N个栅漏短接的MOS管串联构成，另一条分压支路由第三电阻和第一MOS管和第二MOS管串联而成，第四电阻和第五电阻串联在两条分压支路的干路上，第二功率MOS管的漏端接输出，源端接输入，栅端接第一MOS管的漏端。N个栅漏短接的MOS管依次漏源相接，同时第一个栅漏短接的MOS管源端接输入，栅端同时接第一MOS管的栅端，第N个栅漏短接的MOS管漏端接第二MOS管的源端，源端接第二MOS管的栅端。第一MOS管的源端接输入电压，第三电阻接于第一MOS管的漏端与第二MOS管的漏端之间。第二MOS管的源端同时接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接第五电阻一端，第五电阻另一端接地。
所述的第一MOS管(MP1)是P型MOS管，第二MOS管(MN1)是N型MOS管，且第一MOS管(MP1)的宽长比比第二MOS管(MN1)的宽长比大的多。
本发明在普通高压恒定输出模块基础上添加了当输入电压低于阈值时，输出电压等于输入电压且跟随输入电压变化的低压跟随模块，基于此低压跟随模块的高压预调整降压电路可拓宽输入电压的下限。在本发明中，输入高压时第一功率MOS管工作，第二功率MOS管关断，输出恒定的预调整电压。低压时第一功率MOS管，第二功率MOS管工作，输出电压等于输入电压且跟随输入电压变化，从而拓宽了输入电压的下限，使该电路有更广的应用范围。输出的预调整电压可以连接到一个欠压检测模块来检测是否欠压，从而控制芯片的工作。输出的预调整电压可以连接LDO稳压模块，产生更加恒定的芯片内部工作电压。
附图说明：
图1为本发明高压预调整降压电路实际应用中的原理方框图；
图2为现有的低压差线性稳压器LDO电路图；
图3为现有的高压预调整降压电路的电路原理图；
图4为本发明高压预调整降压电路的电路原理图；
图5为本发明高压预调整降压电路中欠压检测电路的电路原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明的结构原理作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明高压预调整降压电路是连接在外加的高压输入电源输入端Vin和低压差线性稳压器LDO模块U3之间，为芯片内受电单元提供低压电源，LDO模块U3可以当作为稳压模块，但因LDO模块U3不能耐高压，因此在LDO模块U3之前还要通过一个预调整降压模块U1将高输入电压降到合适的值给LDO做输入电源，该预调整降压模块U1可以与欠压检测模块U2连接，用于检测预调整降压模块U1是否欠压。
如图2所示，现有的低压差线性稳压器LDO包括比较器EA、电阻R1、R2、电容C1和三极管NPN，上述组成为现有的成熟电路，具体的连接关系在此不再详述。
如图4所示，本发明高压预调整降压电路的一实施例，所述的高压预调整降压电路设置于芯片内受电单元之前，包括当输入高压时可以恒定输出预调整后的低电压的高压恒定输出电路和当输入电压低于某个阈值时可输出跟随输入电压变化的输出电压的低压跟随电路，所述的高压恒定输出电路与低压跟随电路设有共有的电压输入端Vin和低电压输出端Vtemp。
所述的高压恒定输出电路包括包含第一电阻R1和第二电阻R2以及N个串联的栅漏短接的MOS管MR1到MRn。模块4包括第一功率MOS管NMPOW，第一功率MOS管NMPOW的漏端接输入，源端接输出，栅端接第二电阻R2与MR1之间，第一电阻R1一端接输入，一端与第二电阻R2相接。第二电阻R2一端与第一电阻R1相接，另一端接MR1的源端，MR1到MRn依次漏源相接，MRn的漏端接地。
所述的低压跟随电路包括控制输出的第二功率MOS管和包含N个串联的栅漏短接的MOS管ML1到MLn。模块3由第三电阻R3、第一MOS管MP1和第二MOS管MN1串联而成。模块5包含第二功率MOS管PMPOW。模块2和模块3并联相接，在他们的干路上接有第四电阻R4和第五电阻R5。第二功率MOS管PMPOW的漏端接输出，源端接输入，栅端接第一MOS管MP1的漏端。ML1到MLn依次漏源串联相接，同时ML1源端接输入，栅端同时接第一MOS管MP1的栅端。而MLn漏端接第二MOS管MN1的源端，源端接第二MOS管MN1的栅端。第一MOS管MP1的源端接输入电压，第三电阻R3接于第一MOS管MP1的漏端与第二MOS管MN1的漏端之间。第二MOS管MN1的源端同时接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接第五电阻R5一端，第五电阻R5另一端接地。
所述的第一MOS管(MP1)是P型MOS管，第二MOS管(MN1)是N型MOS管，且第一MOS管(MP1)的宽长比比第二MOS管(MN1)的宽长比大的多。
所述的低压跟随模块中第二功率MOS管(PMPOW)与第一功率MOS管(NMPOW)不同，它是P型功率MOS管，且漏极接输出Vtemp，源极接输入Vin，栅极接在第一MOS管(MP1)的漏端，开关状态由第一MOS管(MP1)控制，而此处的功率MOS管如同第一功率MOS管(NMPOW)一样可并联多个使用。
如图5所示，本发明所述的预调整电压与可检测是否欠压的欠压检测电路连接，所述的欠压检测电路连接包括电压比较器U1(COMP)，电压比较器U1的正输入端与参考电压端Vref连接，电压比较器U1的负输入端与低电压输出端Vtemp连接，电压比较器U1的输出端Uvlo与芯片连接。
本发明的工作原理是：
假设MR1到MRn以及ML1到MLn的阈值电压为VTH，第一功率MOS管NMPOW和第二功率MOS管PMPOW的阈值电压为VNPTH。当Vin远大于nVTH，由公式：
Figure GSA00000070205500071
可以看出，由于模块1中第一电阻R1和第二电阻R2的大阻值和MOS管MR1到MRn的大宽长比，使得模块4中第一功率MOS管NMPOW的栅极电压近似等于nVTH，输出电压Vtemp等于nVTH-VNPTH。而对于模块2可知ML1到MLn的每个MOS管的栅源电压也可近似认为为VTH，误差大约在0.2V到0.3V左右。模块3中第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的栅源电压则等于ML1到MLn的每个MOS管的栅源电压。由于第二MOS管MN1的宽长比比第一MOS管MP1的小的多，由公式：
Figure DEST_PATH_GSB00000193203900081
可得：
Figure DEST_PATH_GSB00000193203900082
其中第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的沟道长度调制系数。VGS为第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的栅源电压，
Figure GSA00000070205500083
为第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的宽长比，为第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的载流子迁移率，VTH VTH2为第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的阈值电压，VDS1 VDS2为第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的漏源电压。可知很小。而由于一般|VTH|比VTH2高0.1V到0.2V，当Vin远大于nVTH时，第一MOS管MP1和第二MOS管MN1的栅源电压VGS比VTH大大约0.2V到0.3V。所以可得
Figure GSA00000070205500085
依然较小，从而可知VDS2比VDS1大的多，使得模块5中的第二功率MOS管PMPOW的栅电压近似等于Vin，第二功率MOS管PMPOW关断。
当Vin降到接近nVTH时，模块4中的第一功率MOS管NMPOW的栅极电压等于Vin。而对于模块2可知ML1到MLn的每个MOS管的栅源电压将极接近于VTH，误差将会变得较小，此时
Figure GSA00000070205500086
急剧的增大，使
Figure GSA00000070205500091
变得较大，从而使VDS1比VDS2大的多，从而使得模块5中的第二功率MOS管PMPOW开启。从而对流过第一功率MOS管NMPOW的电流进行分流，而第一功率MOS管NMPOW的栅极电压等于Vin不变，则其源电位将上升，同时也即第二功率MOS管PMPOW的漏电压上升，使得第一功率MOS管NMPOW和第二功率MOS管PMPOW工作在深线性区。至此输出Vtemp将比Vin低极小的第一功率MOS管NMPOW和第二功率MOS管PMPOW漏源压降，即Vtemp将跟随Vin输出。
根据芯片内部的工作电压要求，可给Vin设置一个欠压值，即Vin低到该值时芯片内部工作电压达不到要求，需要关断芯片工作。对于图1中U2模块一个简单的欠压锁定电路如图5所示。包括一个基准电压Vref的输入，第一、二、三电阻R1、R2、R3，第一电容C和一个电压比较器COMP。根据芯片内部的工作电压要求通过合理设置第二、三电阻R2、R3的阻值，即可达到欠压锁定功能，即输出UVLO翻转，达到控制芯片关断的目的。
以上结合了附图对本发明进行了详细的说明，然而实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，如分压支路MOS管的个数N的取值，以及并联多个功率管的使用，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域技术人员根据本发明的构思，所做出的适当变通或修改，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于宽输入范围的高压预调整降压电路，所述的高压预调整降压电路设置于芯片内受电单元之前，其特征在于：包括当输入高压时可以恒定输出预调整后的低电压的高压恒定输出电路和当输入电压低于某个阈值时可输出跟随输入电压变化的输出电压的低压跟随电路，所述的高压恒定输出电路与低压跟随电路设有共有的电压输入端Vin和低电压输出端Vtemp。
2.根据权利要求1所述的高压预调整降压电路，其特征在于：所述的高压恒定输出电路包括一个控制输出的第一功率MOS管和一条分压支路，所述的分压支路由第一电阻和第二电阻以及N个栅漏短接的MOS管串联构成，第一功率MOS管的漏端接输入，源端接输出，栅端接第二电阻与N个串联MOS管之间，第一电阻一端接输入，一端与第二电阻相接。第二电阻一端与第一电阻相接，另一端接第一个栅漏短接的MOS管的源端，N个栅漏短接的MOS管依次漏源相接，第N个栅漏短接的MOS管的漏端接地。
3.根据权利要求1或2所述的高压预调整降压电路，其特征在于：所述的低压跟随电路包括控制输出的第二功率MOS管和两条分压支路，其中一条分压支路由另N个栅漏短接的MOS管串联构成，另一条分压支路由第三电阻和第一MOS管和第二MOS管串联而成，第四电阻和第五电阻串联在两条分压支路的干路上，第二功率MOS管的漏端接输出，源端接输入，栅端接第一MOS管的漏端，N个栅漏短接的MOS管依次漏源相接，同时第一个栅漏短接的MOS管源端接输入，栅端同时接第一MOS管的栅端，第N个栅漏短接的MOS管漏端接第二MOS管的源端，源端接第二MOS管的栅端。第一MOS管的源端接输入电压，第三电阻接于第一MOS管的漏端与第二MOS管的漏端之间。第二MOS管的源端同时接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接第五电阻一端，第五电阻另一端接地。
4.根据权利要求3所述的高压预调整降压电路，其特征在于：所述的第一MOS管(MP1)是P型MOS管，第二MOS管(MN1)是N型MOS管，且第一MOS管(MP1)的宽长比比第二MOS管(MN1)的宽长比大的多。
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TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20101109

Address after: 523000, No. two, No. 17, Songshan Lake Science and Technology Industrial Park, Guangdong, Dongguan

Applicant after: Institute of Electronic and Information Engineering In Dongguan, UESTC

Co-applicant after: University of Electronic Science and Technology of China

Address before: 523000 building B3, room 104, Songshan administrative office area, Dongguan, Guangdong

Applicant before: Institute of Electronic and Information Engineering In Dongguan, UESTC

C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20101006