CN101997305A - 一种反向电压保护电路及功率管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于功率管领域，提供了一种反向电压保护电路及功率管装置；反向电压保护电路包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、反相器以及开关模块；开关模块的第一输入端连接至第一连接端，第二输入端连接至反相器的输出端，控制端接收控制信号，输出端连接主功率管的栅极，开关模块根据控制信号驱动主功率管工作。本发明提供的反向电压保护电路可以根据主功率管源极与漏极两端的电压的高低自动选择N阱的偏置电压，从而避免了主功率管体内寄生二极管的导通，达到了保护主功率管的目的；且该电路结构简单，所需要面积小，功耗低，具有很好的防范发生闩锁效应的能力，适用于不同的应用环境。
Description
技术领域
本发明属于功率管领域，尤其涉及一种反向电压保护电路及功率管装置。
背景技术
随着便携式电子产品的发展，对供电电源也提出了新的要求：高性能，低功耗，成本低。因此直流-直流(DC-DC)开关转换器，线性降压转换器(Low DropoutRegulator，LDO)以及锂电池充电器的使用越来越广泛。
出于成本的考虑，这些电源中所需要用到的功率管大部分都集成在芯片中。然而，在实际应用中，功率管会出现反向电压(Reverse-Voltage)的情况，即功率管的源，漏两端中的最高电压会出现来回交替的情况，或者其两端中的一端有电压，而另一端没有电压。而由于阱或者衬底电压没有正确偏置，功率管体内寄生的二极管就会导通，就会出现很大反向电流(Reverse-Current)，这种过大的反向电流会毁坏芯片。
为了解决上述问题，现有技术1提供了一种反向电压保护电路，其电路图如图1所示，该反向电压保护电路包括：比较器CMP1、缓冲器BUF1以及PMOS功率管M2，其中，比较器CMP1的正向输入端连接至PMOS功率管M1的漏极，比较器CMP1的反向输入端连接至电源VCC，比较器CMP1的输出端连接至功率管M2的栅极；缓冲器BUF1的输入端连接至功率管M1的栅极，缓冲器BUF1的输出端连接至功率管M2的栅极；功率管M2的源极连接至电源VCC，功率管M2的漏极连接至功率管M1的源极；D2为功率管M2的寄生二极管，寄生二极管D2的阳极连接至功率管M2的源极，寄生二极管D2的阴极连接至功率管M2的漏极；D1为功率管M1的寄生二极管，寄生二极管D1的阳极连接至功率管M1的源极，寄生二极管D1的阴极连接至功率管M1的漏极。
可以通过比较器CMP1将功率管的源极电压与漏极电压进行比较，从而控制功率管M2的栅极，进而达到避免寄生二极管D1和寄生二极管D2导通的目的。
然而现有技术1这种保护电路的缺点是：为了使功率管M2获得较低的压降，必须将功率管M2做得很大的尺寸，消耗了很大的面积，从而增加了芯片的面积。
图2示出了现有技术2提供的另一种反向电压保护电路的电路图，这种结构很简单，无论是功率管M3的源极或漏极哪一端的电位高，都不会出现反向大电流的现象。然而这种浮空的N阱很容易受到噪声的耦合干扰，从而引发闩锁效应(latch-up)；为了增强防范发生闩锁效应的能力，对工艺提出了比较高的要求：需要深度注入工序和占很大面积的保护环；存在工作稳定性的隐患，若要提高其工作的稳定性，则对工艺要求有所增加，给实际应用中带来了不少限制。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种反向电压保护电路，结构简单、功耗低、具有防范发生闩锁效应的能力。
本发明实施例是这样实现的，一种反向电压保护电路，所述反向电压保护电路包括：
第一MOS管，其栅极连接偏置电压；
第二MOS管，其栅极连接电源，所述第二MOS管的源极连接至所述第一MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极接地；将所述第二MOS管的源极与所述第一MOS管的漏极连接的连接端作为第一连接端；
第三MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第三MOS管的源极连接至电源；
反相器，其输入端连接至所述第一连接端；
第四MOS管，其栅极连接至所述反相器的输出端，所述第四MOS管的源极连接至所述第三MOS管的漏极；将所述第三MOS管的漏极与所述第四MOS管的源极连接的连接端作为第三连接端；
第五MOS管，其栅极连接至所述反相器的输出端，所述第五MOS管的源极连接至所述第四MOS管的漏极；所述第五MOS管的寄生二极管连接在源极与衬底之间；所述第五MOS管的衬底还连接至所述第三连接端；将所述第五MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极连接的连接端作为第四连接端；
开关模块，其第一输入端连接至所述第一连接端，所述开关模块的第二输入端连接至所述反相器的输出端，所述开关模块的控制端接收控制信号，所述开关模块的输出端连接主功率管的栅极，所述开关模块根据所述控制信号驱动所述主功率管工作；所述开关模块的输出端与所述主功率管的栅极连接的连接端还连接至所述第五MOS管的漏极；
主功率管的衬底连接至所述第三连接端；主功率管的第一寄生二极管连接在漏极与衬底之间，主功率管的第二寄生二极管连接在源极与衬底之间；
所述第一MOS管的源极以及所述第四连接端分别连接至所述主功率管的漏极；通过所述第三连接端的电压输出关断信号对主功率管进行保护。
其中，所述反相器进一步包括：第六MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第六MOS管的源极连接电源；以及第七MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第七MOS管的源极连接至所述第六MOS管的漏极，所述第七MOS管的漏极接地。
其中，所述第六MOS管为PMOS管，所述第七MOS管为NMOS管。
其中，所述开关模块进一步包括：第八MOS管以及第九MOS管；所述第八MOS管的栅极连接至所述反相器的输出端；所述第九MOS管的栅极连接至所述第一连接端；所述第八MOS管的源极与所述第九MOS管的源极连接后作为所述开关模块的控制端；所述第八MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极连接后再连接至所述主功率管的栅极；所述第八MOS管的衬底接地；所述第九MOS管的衬底连接至所述第五MOS管的衬底。
其中，所述第八MOS管为NMOS管，所述第九MOS管为PMOS管。
其中，所述第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管以及第五MOS管均为PMOS管。
其中，所述第二MOS管为NMOS管。
本发明实施例的另一目的在于提供一种功率管装置，其包括主功率管以及用于对所述主功率管进行保护的反向电压保护电路。
本发明实施例提供的反向电压保护电路可以根据主功率管源极与漏极两端的电压的高低自动选择N阱的偏置电压，从而避免了主功率管体内寄生二极管的导通，达到了保护主功率管的目的；且该电路结构简单，所需要面积小，功耗低，具有很好的防范发生闩锁效应的能力，适用于不同的应用环境。
附图说明
图1是现有技术1提供的反向电压保护电路的电路图；
图2现有技术2提供的反向电压保护电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的反向电压保护电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供电的反向电压保护电路通过判断主功率管源极与漏极两端的电压，自动切换主功率管衬底偏置电压到最高电位的那一端，从而防止其体内寄生二极管导通，达到了保护主功率管的目的。
本发明实施例提供电的反向电压保护电路主要应用于功率管装置中对主功率管进行保护，而该功率管装置适用于集成在芯片内的电源系统开机电路、充电器的PMOS功率管中，主要用于自动选择其N阱的正确偏置电压，以避免其体内寄生二极管导通。
图3示出了本发明实施例提供的反向电压保护电路的电路图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。
反向电压保护电路包括：第一MOS管MP5、第二MOS管MN6、第三MOS管MP1、第四MOS管MP2、第五MOS管MP7、反相器11以及开关模块12；其中第一MOS管MP5的栅极连接偏置电压VB；第二MOS管MN6的栅极连接电源VDD，第二MOS管MN6的源极连接至第一MOS管MP5的漏极，第二MOS管MN6的漏极接地；为了便于说明，将第二MOS管MN6的源极与第一MOS管MP5的漏极连接的连接端作为第一连接端S1；第三MOS管MP1的栅极连接至第一连接端S1，第三MOS管MP1的源极连接至电源VDD；反相器11的输入端连接至第一连接端S1；第四MOS管MP2的栅极连接至反相器11的输出端，第四MOS管MP2的源极连接至第三MOS管MP1的漏极；将第三MOS管MP1的漏极与第四MOS管MP2的源极连接的连接端作为第三连接端S3；第五MOS管MP7的栅极连接至反相器11的输出端，第五MOS管MP7的源极连接至第四MOS管MP2的漏极；第五MOS管MP7的寄生二极管D3连接在源极与衬底之间；第五MOS管MP7的衬底还连接至第三连接端S3；将第五MOS管MP7的源极与第四MOS管MP2的漏极连接的连接端作为第四连接端S4；开关模块12的第一输入端连接至第一连接端S1，开关模块12的第二输入端连接至反相器11的输出端，开关模块12的控制端接收控制信号VG-C，开关模块12的输出端连接主功率管MP0的栅极，开关模块12根据控制信号VG-C驱动主功率管MP0工作；开关模块12的输出端与主功率管MP0的栅极连接的连接端还连接至第五MOS管MP7的漏极；主功率管MP0的衬底连接至第三连接端S3；主功率管MP0的第一寄生二极管D1连接在漏极与衬底之间，主功率管MP0的第二寄生二极管D2连接在源极与衬底之间；第一MOS管MP5的源极以及第四连接端S4分别连接至主功率管MP0的漏极；通过第三连接端S3的电压输出关断信号对主功率管进行保护。其中，第三MOS管MP1的寄生二极管D5的阳极连接至第三MOS管MP1的源极，寄生二极管D5的阴极连接至第三MOS管MP1的漏极；第四MOS管MP2的寄生二极管D4的阳极连接至第四MOS管MP2的漏极，寄生二极管D4的阴极连接至第四MOS管MP2的源极。
作为本发明的一个实施例，第一MOS管MP5、第三MOS管MP1、第四MOS管MP2以及第五MOS管MP7可以为PMOS管；所述第二MOS管MN6可以为NMOS管。
在本发明实施例中，主功率管MP0是大尺寸的功率管，其他功率管均为小尺寸的功率管；因此整个功率管装置的整体面积很小，方便集成使用。
在本发明实施例中，反相器11进一步包括：第六MOS管MP3以及第七MOS管MN4；其中第六MOS管MP3的栅极连接至第一连接端S1，第六MOS管MP3的源极连接电源VDD；第七MOS管MN4的栅极连接至第一连接端S1，第七MOS管MN4的源极连接至第六MOS管MP3的漏极，第七MOS管MN4的漏极接地。为了便于说明，将第七MOS管MN4的源极与第六MOS管MP3的漏极连接的连接端作为第二连接端S2。
作为本发明的一个实施例，第六MOS管MP3可以为PMOS管，第七MOS管MN4可以为NMOS管。
在本发明实施例中，开关模块12进一步包括：第八MOS管MN8以及第九MOS管MP9；其中，第八MOS管MN8的栅极连接至反相器11的输出端(即第二连接端S2)；第九MOS管MP9的栅极连接至第一连接端S1；第八MOS管MN8的源极与第九MOS管MP9的源极连接后作为开关模块12的控制端连接控制信号VG-C；第八MOS管MN8的漏极与第九MOS管MP9的漏极连接后再连接至主功率管MP0的栅极；第八MOS管MN8的衬底接地；第九MOS管MP9的衬底连接至第五MOS管MP7的衬底。
作为本发明的一个实施例，第八MOS管MN8可以为NMOS管，第九MOS管MP9可以为PMOS管。
在本发明实施例中，根据主功率管MP0源极和漏极两端电压高低的不同，可以自动切换其N阱的偏置电压到最高电位的那一端，以防止其体内寄生二极管导通，消除了PMOS功率管在反向电压情况下出现的反向电流现象。采用本发明提供的反向电压保护电路，结构简单，所需要面积小，功耗低，具有很好的防范发生闩锁效应的能力，而且适用于不同的应用环境。
为了更进一步说明本发明实施例提供的反向电压保护电路，现结合图3详述其工作原理，为了便于说明，令主功率管MP0的阈值电压为Vtp，主功率管MP0的漏极输出电压为VOUT，第一MOS管MP5栅极连接的偏置电压为VB，第一连接端S1的电压为VEN_b，第二连接端S2的电压为VEN，第三连接端S3的电压为Vwell。
当VOUT＜VB+|Vtp|，第一MOS管MP5是关断的，VEN_b＝GND，VEN＝VDD，从而可得，第三MOS管MP1是导通的，而第四MOS管MP2是关断的，那么主功率管MP0的衬底偏置电压(也就是该N阱的偏置电压)Vwell就等于VDD。同时，第八MOS管MN8和第九MOS管MP9组成的开关模块12处于导通状态，因此主功率管MP0就直接由控制信号VG_C来驱动。
如果VOUT没有接到另外一个电压源上，那么VOUT的电位就肯定比VDD低，同时为了使主功率管MP0能正常导通或者关断，还要求一个条件：VB+|Vtp|≥VDD。因此在以上条件下，第一MOS管MP5一直处于关断状态，主功率管MP0根据控制信号VG_C来处于导通或关断状态，同时该保护电路没有直流导通的支路，也就是不用消耗电流。
当VOUT接到另外一个电压源时，且当VOUT＞VB+|Vtp|和VB+|Vtp|≥VDD时，VOUT的电位比电源VDD的电位高，这时第一MOS管MP5导通，VEN_b＝VOUT，VEN＝GND，第三MOS管MP1截止，第四MOS管MP2导通，那么主功率管MP0的衬底偏置电压Vwell就等于VOUT。因此，主功率管MP0的第一寄生二极管D1和第二寄生二极管D2均处于反向偏置状态，没有导通。与此同时，第八MOS管MN8和第九MOS管MP9组成的开关模块12处于截止状态，但由于第五MOS管MP7是导通的，所以开关模块12输出端的电压VG就被上拉到VOUT，这样就可以保证无论控制信号是什么状态，主功率管MP0都是关断的。
综上所述，当VOUT连接到另外一个电压源，且VOUT＞VB+|Vtp|≥VDD时，Vwell可以由VDD自动切换到VOUT，这样不仅可以将主功率管MP0关断，也同时保证了该反向电压保护电路中所有的寄生二极管D3、D4、D5都处于反向偏置状态，没有导通。
作为本发明的一个实施例，当电源VDD被关断，或者VDD＝GND，或者电源VDD处于浮空状态时，该反向电压保护电路都能很好的正常工作。
在本发明实施例中，可以根据实际中的不同应用，选择合适范围的偏置电压VB；因为确定一个合适的偏置电压VB范围可以精确的保证所有的寄生二极管均处于反向偏置状态。
本发明实施例提供的反向电压保护电路可以根据主功率管源极与漏极两端的电压的高低自动选择N阱的偏置电压，从而避免了主功率管体内寄生二极管的导通，达到了保护主功率管的目的；且该电路结构简单，所需要面积小，功耗低，具有很好的防范发生闩锁效应的能力，适用于不同的应用环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种反向电压保护电路，其特征在于，所述反向电压保护电路包括：
第一MOS管，其栅极连接偏置电压；
第二MOS管，其栅极连接电源，所述第二MOS管的源极连接至所述第一MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极接地；将所述第二MOS管的源极与所述第一MOS管的漏极连接的连接端作为第一连接端；
第三MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第三MOS管的源极连接至电源；
反相器，其输入端连接至所述第一连接端；
第四MOS管，其栅极连接至所述反相器的输出端，所述第四MOS管的源极连接至所述第三MOS管的漏极；将所述第三MOS管的漏极与所述第四MOS管的源极连接的连接端作为第三连接端；
第五MOS管，其栅极连接至所述反相器的输出端，所述第五MOS管的源极连接至所述第四MOS管的漏极；所述第五MOS管的寄生二极管连接在源极与衬底之间；所述第五MOS管的衬底还连接至所述第三连接端；将所述第五MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极连接的连接端作为第四连接端；
开关模块，其第一输入端连接至所述第一连接端，所述开关模块的第二输入端连接至所述反相器的输出端，所述开关模块的控制端接收控制信号，所述开关模块的输出端连接主功率管的栅极，所述开关模块根据所述控制信号驱动所述主功率管工作；所述开关模块的输出端与所述主功率管的栅极连接的连接端还连接至所述第五MOS管的漏极；
主功率管的衬底连接至所述第三连接端；主功率管的第一寄生二极管连接在漏极与衬底之间，主功率管的第二寄生二极管连接在源极与衬底之间；
所述第一MOS管的源极以及所述第四连接端分别连接至所述主功率管的漏极；通过所述第三连接端的电压输出关断信号对主功率管进行保护。
2.如权利要求1所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述反相器进一步包括：
第六MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第六MOS管的源极连接电源；以及
第七MOS管，其栅极连接至所述第一连接端，所述第七MOS管的源极连接至所述第六MOS管的漏极，所述第七MOS管的漏极接地。
3.如权利要求2所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述第六MOS管为PMOS管，所述第七MOS管为NMOS管。
4.如权利要求1所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述开关模块进一步包括：
第八MOS管以及第九MOS管；
所述第八MOS管的栅极连接至所述反相器的输出端；所述第九MOS管的栅极连接至所述第一连接端；所述第八MOS管的源极与所述第九MOS管的源极连接后作为所述开关模块的控制端；所述第八MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极连接后再连接至所述主功率管的栅极；所述第八MOS管的衬底接地；所述第九MOS管的衬底连接至所述第五MOS管的衬底。
5.如权利要求4所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述第八MOS管为NMOS管，所述第九MOS管为PMOS管。
6.如权利要求1所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述第一MOS管、第三MOS管、第四MOS管以及第五MOS管均为PMOS管。
7.如权利要求1所述的反向电压保护电路，其特征在于，所述第二MOS管为NMOS管。
8.一种功率管装置，其包括主功率管以及用于对所述主功率管进行保护的反向电压保护电路；其特征在于，所述反向电压保护电路为权利要求1-7任一项所述的反向电压保护电路。
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