CN101997526A - 能防止电流倒灌的功率管电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能防止电流倒灌的功率管电路结构，其包括：源极和漏极中的一者作为输入信号接入端、另一者作为输出信号端的普通功率管、一端与所述普通功率管的栅极连接且另一端作为功率管电路结构的栅端的第一受控开关；连接在所述输入信号接入端和所述普通功率管的衬底之间的第二受控开关；连接在所述普通功率管的衬底和所述输出信号端之间的第三受控开关；连接在所述普通功率管的栅极和所述输出信号端之间的第四受控开关；其中，所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关各自的受控端分别连接所述输入信号接入端及输出信号端中的一者，由此可防止电流倒灌。

Description

能防止电流倒灌的功率管电路结构
技术领域
本发明涉及一种功率管，特别涉及一种能防止电流倒灌的功率管电路结构。
背景技术
金属氧化物场效应管(MOSFET)，特别是P型MOSFET被广泛应用于各种功率转换的集成电路中，如开关电源电路、LDO电路、充电电路等等。而金属氧化物场效应管的结构是对称的，也就是说，当器件的源极和漏极的电压发生变化时，源极和漏极的作用是可以发生互换的。图1示出了PMOS的结构，如图所示，在一块P型薄硅片的P型区上，以N阱(N-WELL)作为衬底，在N阱上扩散两个高浓度杂质的P型区P+，分别作为PMOS功率管的源极S和漏极D，再在硅片表面覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个栅极G，由此即形成了PMOS功率管的结构。该PMOS功率管无论是处在一般工作状态还是关断状态，为避免由于PN结的正偏引起的漏电，其P型区与N阱之间形成的二极管必须要反偏，同时N阱的电位不能高于其中任何一个N阱内的P+电位。由于典型的PMOS功率管在工作时其漏极和源极与衬底形成的PN结二极管都必须反偏，所以PMOS的衬底(即N阱)要连接到PMOS管的最高电位上。如图中所示，由于PMOS器件是构成在N阱中，所以PMOS的源漏电极与N阱之间的PN结必须不论在正常工作(Vin＞Vout)还是在反偏(Vin＜Vout)时，都必须保持反偏，这样才能避免源极或漏极到衬底之间的漏电流。同时对于PMOS管，在正常工作时(Vin＞Vout)，其栅极电位需连接到电路的其他部分，以实现特定的功能；而在反偏时(Vin＜Vout)，由于功率PMOS通常尺寸非常大，必须将其栅极连接在最高电位上，以避免由PMOS引入的漏电流。
由于PMOS功率管在使用中必须保证其P型区与N阱之间形成的二极管反偏，而且当PMOS管自身处于反偏(即Vin＜Vout)时，其栅极要连接在最高电位(即Vout)上，因此，现有研发人员提出多种通过监测PMOS功率管输入和输出电压来防止功率管电流倒灌的方法。如申请号为200810041912.8的中国专利中，提出了一种用比较器加上几个CMOS的传输门的方法来解决当PMOS功率管在反偏时可能出现的大的倒灌电流的问题；再例如，在NO.7394633B2的美国专利中，提出了一种类似上述检测偏置极性的方法来改变功率MOSFET的偏置，从而防止倒灌的方法；再例如，在NO.7394307B2的美国专利中，提出了一种在功率管PMOS中串联一个开关管并采用与上述方法类似的检测电路来开关这个开关管，以达到防止倒灌的目的；还有，在NO.005682050A的美国专利中，提出了一种用转换PMOS管衬底电位和栅极的方法来防止PMOS管的电流倒灌。前述这些例子中，或者需要增加检测电路，或者需要增加消耗大量的硅片面积的开关管，这些方式都会导致电路复杂，难以有效实行，甚至还会降低转换效率。
因此，迫切需要一种能防止电流倒灌的功率管电路结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能防止电流倒灌的功率管电路结构。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的能防止电流倒灌的功率管电路结构，其包括：包含衬底、源极、漏极、和栅极的普通功率管，其源极和漏极中的一者作为输入信号接入端，另一者作为输出信号端；一端与所述普通功率管的栅极连接且另一端作为功率管电路结构的栅端的第一受控开关；连接在所述输入信号接入端和所述普通功率管的衬底之间的第二受控开关；连接在所述普通功率管的衬底和所述输出信号端之间的第三受控开关；连接在所述普通功率管的栅极和所述输出信号端之间的第四受控开关；其中，所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关各自的受控端分别连接所述输入信号接入端及输出信号端中的一者。
较佳的，所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关都采用MOSFET管，其中，所述第一受控开关的开启电压低于所述普通功率管的开启电压；例如，所述第一受控开关采用本征MOSFET管。
此外，各受控开关根据各自的类型和所述普通功率管的类型选择是连接在所述输入信号接入端还是输出信号端。
综上所述，本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构采用由输入信号或输出信号控制的多个受控开关，来实现防止电流倒灌的功能。
附图说明
图1为现有P型功率管的结构示意图。
图2为本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构的示意图。
图3为本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构的在正常工作状态时的等效电路示意图。
图4为本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构的在反偏状态时的等效电路示意图。
具体实施方式
请参阅图2，本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构包括：普通功率管M1、第一受控开关MN、第二受控开关MD、第三受控开关MS、及第四受控开关MG等。
所述普通功率管M1包括衬底SUB、源极、漏极、和栅极VG0，且所述源极和漏极中的一者作为输入信号接入端，另一者作为输出信号端。例如，所述普通功率管M1的漏极作为输入信号接入端而源极作为输出信号端；或者源极作为输入信号接入端而漏极作为输出信号端。所述普通功率管M1可以是P型MOSFET管，也可以是N型MOSFET管；例如，可以是如图1所示的结构的MOSFET管。在本实施例中，所述普通功率管M1为P型MOSFET管。
所述第一受控开关MN与所述普通功率管M1的栅极VG0连接，另一端作为能防止电流倒灌的功率管电路结构的栅端VG；所述第二受控开关MD连接在所述输入信号接入端Vin和所述普通功率管M1的衬底SUB之间；所述第三受控开关MS连接在所述普通功率管M1的衬底SUB和所述输出信号端Vout之间；所述第四受控开关MG连接在所述普通功率管M1的栅极VG0和所述输出信号端Vout之间。
对于第一受控开关MN、第二受控开关MD、第三受控开关MS、及第四受控开关MG，各自的受控端分别连接所述输入信号接入端及输出信号端中的一者。这四个受控开关可以采用MOSFET管，故各MOSFET管的受控端(即栅端)是连接所述输入信号接入端还是输出信号端，可根据各MOS管的类型(即P型还是N型)以及所述普通功率管的类型(即P型还是N型)来确定。不过，为确保功率管的有效运行，较佳的选择是使所述第一受控开关的开启电压低于所述普通功率管的开启电压，例如，可以选用本征MOSFET管，这样的MOSFET可以降低面积消耗。
如图2所示，在本实施例中，所述普通功率管M1为P型MOSFET管，所述第一受控开关MN采用NMOSFET管，第二受控开关MD、第三受控开关MS、和第四受控开关MG都采用PMOSFET管，如此，所述第一受控开关MN、第三受控开关MS和第四受控开关MG的栅端连接在所述输入信号接入端Vin，所述第二受控开关MD的栅端连接在所述输出信号端Vout。
以下将上述能防止电流倒灌的功率管电路结构进行分析：
1、正常状态时，即当所述输入信号端Vin接入的电压大于信号输出端Vout输出的电压，也就是Vin＞Vout时，根据各受控开关(即MOS管)的开关特性，第四受控开关MG和第三受控开关MS处于打开状态，而第二受控开关MD和第一受控开关MN处于闭合状态，如此，图2所示的电路就等效为图3中的右边的等效PMOS功率管，该等效PMOS功率与普通功率管正常工作所需要的状态是一致的。
2、如果由于外部原因使功率管要处于反偏状态，即输入信号接入端Vin接入的电压小于信号输出端Vout的电压，也就是Vin＜Vout时，同样基于采用MOS管的各受控开关的开关特性，第一受控开关MN和第二受控开关MD处于打开状态，而第四受控开关MG和第三受控开关MS处于闭合状态，如此，图2所示的电路就等效为图4中右边的等效电路，等效的PMOS功率管处于一个反向的二极管状态。此时，尽管Vout＞Vin，等效的PMOS功率管也不会存在反向倒灌电流。
尽管上述仅列示了一种各受控开关和输入信号接入端及输出信号端的连接方式，而且经过分析，此种功率管电路结构在两种不同状态也符合功率管实际应用时的要求，但上述示例仅为了更好描述本发明的方案，而非用于限制本发明，事实上，如果当所述普通功率管是N型MOSFET管时，所述第一受控开关采用PMOSFET管，第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关都采用NMOSFET管，则所述第一受控开关、第三受控开关和第四受控开关的受控端连接在所述输入信号接入端，所述第二受控开关的受控端连接在所述输出信号端；此外，本领域的技术人员应该理解，无论所述普通功率管是P型MOSFET管还是N型MOSFET管，所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开都可根据上述所述的原理，采用其他类型的开关管，并选择连接在相应的输入信号接入端和输出信号端，由此来实现所述普通功率管电流防倒灌的功能，在此，不再对各种情形下的连接方式一一说明。
综上所述，本发明的能防止电流倒灌的功率管电路结构采用多个由输入信号接入端所接入的信号或者输出信号端输出的信号来控制的受控开关，由此，可有效防止电流倒灌，相对于现有采用监测功率管的输入电压和输出电压的方式，本电路结构占据的芯片面积小，而且各受控开关全都是被动器件，因此，可以实现零功耗来达到防倒灌的目的。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种能防止电流倒灌的功率管电路结构，其特征在于包括：
包括衬底、源极、漏极、和栅极的普通功率管，所述源极和漏极中的一者作为输入信号接入端，另一者作为输出信号端；
第一受控开关，与所述普通功率管的栅极连接，另一端作为功率管电路结构的栅端；
第二受控开关，一端连接在所述输入信号接入端和所述普通功率管的衬底之间；
第三受控开关，连接在所述普通功率管的衬底和所述输出信号端之间；
第四受控开关，连接在所述普通功率管的栅极和所述输出信号端之间；
其中，所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关各自的受控端分别连接所述输入信号接入端及输出信号端中的一者。
2.如权利要求1所述的能防止电流倒灌的功率管电路结构，其特征在于：所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关都采用MOSFET管，其中，所述第一受控开关的开启电压低于所述普通功率管的开启电压。
3.如权利要求1或2所述的能防止电流倒灌的功率管电路结构，其特征在于：所述第一受控开关采用本征MOSFET管。
4.如权利要求1或2所述的能防止电流倒灌的功率管电路结构，其特征在于：所述第一受控开关、第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关根据各自的类型和所述普通功率管的类型选择是连接在所述输入信号接入端还是输出信号端。
5.如权利要求4所述的能防止电流倒灌的功率管电路结构，其特征在于：当所述普通功率管是P型MOSFET管时，所述第一受控开关采用NMOSFET管，第二受控开关、第三受控开关、和第四受控开关都采用PMOSFET管，且所述第一受控开关、第三受控开关和第四受控开关的受控端连接在所述输入信号接入端，所述第二受控开关的受控端连接在所述输出信号端。
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