CN102468750A - 一种采用三极管串联结构的高压转低压电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用三极管串联结构的高压转低压电源电路，包括比例电流镜电路（1）和比例电阻网络（2），还包括三极管串联网络（3），所述比例电流镜电路（1）的输入是一个大小恒定的电流源，所述比例电阻网络（2）的输入是与电流镜电路（1）输出的大小相等的基准电流，由多路比例电阻组成，所述三极管串联网络（3）是由N个三极管的发射极和集电极串联组成。由于直接采用三极管电路来实现因此本发明不需要外接任何元件，也不需要特殊的器件。对于三极管的集电极和发射极之间的耐压也无特殊要求，只要确认电源电压和三极管的集电极和发射极的安全耐压，就可以求得需要串联NPN三极管的个数，个数不受限制，因此适用范围很广。

Description

一种采用三极管串联结构的高压转低压电源电路

技术领域

   本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种采用三极管串联结构的高压转低压电源电路。

背景技术

   高压电源供电的集成电路的内部电路可分为高压电路和低压电路两个模块。前者的供电直接由外接电源提供，后者的供电电路需要在芯片内产生，即对外接电源进行变换处理，形成一个恒定的低压电源给内部低压电路部分供电。如何产生这个低压电源是每个高压集成电路都必须面对的问题。

   高压电源供电的集成电路，由于其外接电源的变化范围比较大，一般要求在5V到几十伏的范围内的波动下都能正常工作。对于其内部的低压电路，则一般需要比较稳定的低压电路供电，因此，低压电路供电的稳定性和可靠性对整个系统的稳定工作至关重要。

   目前，高压转低压电源电路的主要控制方法有两种，一种是采用类似LDO的电路形式，采用高压运放以及基准电压产生固定不变的低压电源。这种方法的优点是低压输出电源比较恒定，但由于采用负反馈结构，电源电压变化范围大，低压电源的负载不固定等原因，环路的稳定性比较难以控制，设计不好容易产生振荡，这对低压电源来说是不允许的。另外一种是采用特殊器件如JFET器件，利用其器件特性先把高压电源转换成低压电源，然后再采用一般低压电路的控制方法产生固定不变的低压电源，这种方法的优点是结构简单，采用JFET器件就能很方便的把高压电源转换成相对低的低压电源，但受限于JFET的器件特性，其流电流能力一般不强，需要很多个JFET并联才能满足设计的要求，增大了芯片的面积，且JFET器件工艺控制难以保证。

    鉴于现行的高压转低压电源电路的缺点、电子系统对供电电源越来越高的要求，以及对芯片成本的考虑等因素，需要采用一种新的方法来解决高压转低压电源技术领域的问题。

 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种稳定可靠的高压转低压电源电路，该电路可以适用于任何一种高压供电的集成电路。它的技术方案如下：

电源电路由比例电流镜电路、比例电阻网络与三极管串联网络三部分组成，其中

比例电流镜电路的输入是一个大小恒定的电流源，此输入电流通过由高压PMOS管组成的电流镜电路产生大小相同的的多路输出电流，提供给比例电阻网络产生基准电压；比例电阻网络的输入是与电流镜电路输出的大小相等的基准电流，由多路比例电阻组成，比例电阻的单位电阻值为R，比例电阻网络的电阻值按照第一路单位电阻值R、第二路2倍单位电阻值R、第三路4倍单位电阻值R的关系设置，以此类推，第N路电阻值是第N-1路电阻值的两倍；三极管串联网络是由N个三极管的发射极和集电极串联组成，第一路三极管的发射极作为三极管串联网络的电压输出端，第一路三极管的集电极连接到第二路三极管的发射极，第二路三极管的集电极连接到第三路三极管的发射极，以此类推，第N-1路三极管的集电极连接到第N路三极管的发射极，第N路三极管的集电极连接到电源电压。

 

关于三极管串联网络中串联三极管的个数，是根据每个三极管集电极和发射极的安全工作的电压差VCE和整个芯片的电源电压VDD来决定的，按照三极管VCE安全工作电压的要求，N的值应该满足N>（VDD/VCE），在电路正常工作的时候每个三极管的VCE电压基本相等，用串联的方式把电源电压平均分配到每个三极管的集电极和发射极之间。

 

    与现有技术相比较，本发明的有益效果是：由于直接采用三极管电路来实现因此不需要外接任何元件，也不需要特殊的器件。对于三极管的集电极和发射极之间的耐压也无特殊要求，只要确认电源电压和工艺上实现的三极管的集电极和发射极的安全耐压，就可以求得需要串联NPN三极管的个数，个数不受限制，因此本发明电路的适用范围很广。

    另外，本发明电路采用高压工艺中最常用的器件来实现高压转低压功能，具体而言，用到了高压PMOS管，电阻，以及三极管，所用器件非常简单。根据电源电压的不同把电源电压N等分，每个三极管承受1./N的电源电压，这样相对于每个三极管来说工作都是安全的，同时，每个三极管的基极的电位也是受控的，控制的方法是第二级的基极电位比第一级高1/N电源电压，第三级的基极电位比第二级高1/N电源电压，以此类推。最终的输出电压为第一级的基极电压减去三极管基极和发射极的正向导通电压VBE，由于第一级的基极电位是固定的，三极管基极和发射极的正向导通电压VBE基本是固定的0.7V左右，所以输出电压是固定的，由于三极管的电流放大倍数较大，所以输出电流驱动能力较强，输出电压稳定，抗干扰能力较强。

 

附图说明

  图1为本发明的原理示意图，其中，1为比例电流镜电路，2为比例电阻网络，3为三极管串联网络；

  图2为本发明电流镜电路结构示意图；

图3为本发明比例电阻网络的结构示意图；

图4为本发明三极管串联电路的结构示意图；

图5为本发明采用三级电流镜电路结构示意图；

图6为本发明采用三级比例电阻网络的结构示意图；

图7为本发明采用三级三极管串联电路的结构示意图；

图8为本发明采用三级结构的整体高压转低压电源电路结构示意图。

 

具体实施方式

下面接合附图和实施例对本发明的实施作进一步详细的说明：

如图（1）所示，本发明提供的高压转低压电源电路由比例电流镜电路（1）、比例电阻网络（2）与三极管串联电路（3）三部分组成。如图（2）所示：比例电流镜电路（1）的输入是一个大小恒定的电流源I0，此输入电流I0通过由高压PMOS管（P0,P1,P2,P3,……,PN）组成的电流镜电路产生大小相同的的多路输出电流（I0,I1,I2,I3,……,IN），提供给比例电阻网络（2）产生基准电压。如图（3）所示：比例电阻网络（2）的输入是电流镜电路（1）输出的大小相等的基准电流(I0,I1,I2,I3,……,IN)，由多路比例电阻(R0,R1,R2,R3,……,RN)组成，比例电阻的单位电阻值为R，比例电阻网络的电阻值按照第一电阻R0取1倍单位电阻值R、第二电阻R1取2倍单位电阻值R、第三电阻R3取4倍单位电阻值R的关系设置，以此类推，第N电阻RN取N倍单位电阻。如图（4）所示：三极管串联网络（3）是由N个三极管（N1,N2,N3……,NN）的发射极和集电极串联组成，第一三极管N1的发射极作为三极管串联网络（3）的电压输出端VOUT，第一三极管N1的集电极连接到第二三极管N2的发射极，第二三极管N2的集电极连接到第三三极管N3的发射极，以此类推，第N-1三极管的集电极连接到第N三极管NN的发射极，第N三极管NN的集电极连接到电源电压VDD。

 

实施例：

    下面以电源电压为23V，比例电流镜电路（1），比例电阻网络（2），三极管串联电路（3）分别采用三级控制，低压电源输出为5.3V来说明本发明的具体结构。

    首先计算需要几级电路来实现本发明电路，假定电源电压为23V，高压工艺中三极管的集电极和发射极的安全工作电压时6V，输出电压VOUT为5.3V ,则需要的三极管个数为（23-5.3）/6,约等于2.95，所以以最高电源电压下安全工作为前提，需要三个三极管串联来实现把23V电压降为5.3V电压输出，按照以上推论设计的整体采用三极管串联结构的高压电源转低压电源的电路见图（8）。

    如图（5）所示的是采用四个高压PMOS管(P0,P1,P2,P3)来实现的电流镜电路，其中第零高压PMOS管P0的栅端和漏端接在一起，输入基准电流为I0，其他三路高压PMOS管P1，P2，P3的栅端连接到第零高压PMOS管P0的栅端，高压PMOS管P0，P1,P2,P3的源端都接电源电压VDD ,根据高压PMOS管饱和区电流公式I=K（VGS-VTH）²，如果这四个高压PMOS管的K取值一致，栅端电位和源端电位的电压差VGS一致，则流过高压PMOS管P1的第一电流I1=I0，流过高压PMOS管P2的第二电流I2=I0，流过高压PMOS管P3的第三电流I3=I0，四个PMOS管（P0,P1,P2,P3）的电流相等，输入基准电流I0的大小可根据图（6）中比例电阻网络中单位电阻的大小以及图（7）中第一三极管N1上设定的基极电压6V来确定，由公式I0=6/R来确定。

    如图（6）所示的是采用三级比例电阻(R1,R2,R3)实现图（7）中三个三极管(N1,N2,N3)基极电位设置电路，图（6）中第一电阻R1的电阻值设定为单位电阻R，由图（5）中输出的第一电流I1在第一电阻R1上产生的电压为6V，图（6）中第二电阻R2的电阻值设定为2倍R，由图（5）中输出第二电流I2在第二电阻R2上产生的电压为12V；同理图（6）中第三电阻R3的电阻值设定为3倍R，由图（5）中输出第三电流I3在第三R3上产生的电压为18V。第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3上分别产生的6V，12V，18V电压分别输出到图（7）中三个串联三极管（N1,N2,N3,）的基极。

    如图（7）所示的是采用三个三极管（N1,N2,N3）串联来实现的输出电压钳位电路，从图（5）和图（6）的电路分析可知，第三三极管N3的集电极接电源电位23V，基极电位接18V，第三三极管N3的发射极电压为基极电压减去基极和发射极的正向导通电压0.7V左右，大致为17.3V。所以对于第三三极管N3，其集电极和发射极的电压差为5.7V，满足其安全工作的条件。对于图（7）中的第二三极管N2，同理可以分析到其基极电位12V，集电极电位17.3V，发射极电位11.3V，集电极和发射极的电压差为6V，同样满足其安全工作的条件；同理图（7）中的第一三极管N1也是一样，基极电位6V，集电极电位11.3V，发射极电位5.3V，同样满足其安全工作的条件。第一三极管N1的集电极输出电压VOUT等于5.3V就是最终的低压电源的输出电压。

    以上实例是按照电源电压VDD等于23V，低压电源输出VOUT等于5.3V，三极管安全工作电压6V来设计，对于其他的电源电压、低压电源输出以及三极管安全工作电压下的设计都可以遵循上述的方法加以实施。

Claims (2)

1.一种采用三极管串联结构的高压转低压电源电路，包括比例电流镜电路（1）和比例电阻网络（2），其特征是还包括三极管串联网络（3），

所述比例电流镜电路（1）的输入是一个大小恒定的电流源，此输入电流通过由高压PMOS管组成的电流镜电路产生大小相同的多路输出电流，提供给比例电阻网络（2）产生基准电压；

 所述比例电阻网络（2）的输入是与电流镜电路（1）输出的大小相等的基准电流，由多路比例电阻组成，比例电阻的单位电阻值为R，比例电阻网络的电阻值按照第一路单位电阻值R、第二路2倍单位电阻值R、第三路4倍单位电阻值R的关系设置，以此类推，第N路电阻值是第N-1路电阻值的两倍；

所述三极管串联网络（3）是由N个三极管的发射极和集电极串联组成，第一路三极管的发射极作为三极管串联网络（3）的电压输出端，第一路三极管的集电极连接到第二路三极管的发射极，第二路三极管的集电极连接到第三路三极管的发射极，以此类推，第N-1路三极管的集电极连接到第N路三极管的发射极，第N路三极管的集电极连接到电源电压。

2.根据权利要求1所述的三极管串联结构的高压转低压电源电路，其特征在于所述三极管串联网络（3）是根据每个三极管集电极和发射极的安全工作的电压差VCE和整个芯片的电源电压VDD来决定所串三极管的个数N，按照三极管VCE安全工作电压的要求，N的值满足N>VDD/VCE，在电路正常工作的时候每个三极管的VCE电压基本相等，用串联的方式把电源电压平均分配到每个三极管的集电极和发射极之间。

Images