CN103645765B - 一种用于高压功率mosfet电路中的高压大电流控制电路 - Google Patents

Abstract

一种用于高压功率MOSFET中的高压大电流控制电路，包括PMOS管MP1、MP2和MP3，三极管Q1和Q2，MOSFET管M1和M2，电阻R1和R2。MP1、MP2和MP3共栅极，源极与VDD连接，MP2和MP3的漏极分别与Q1和Q2的集电极连接。Q1和Q2的基极互连，Q1和Q2的发射极分别与R1和R2连接。M1和M2共栅极，共漏极，M1的源极与R1连接。M2的源极、R1和R2接地。Q1与Q2互相匹配，R1与R2是按照比例关系的匹配电阻。M1和M2的宽长比为一定比例。本发明不考虑晶体管沟道长度调制效应，由R1引入负反馈，将大电流转化为电流比较信号，实现了在高电压大电流模式下对电流的精确控制。

Description

一种用于高压功率MOSFET电路中的高压大电流控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于高压功率MOSFET的电流控制电路，尤其涉及一种精确设置普通MOS管电流基准转化为高压功率MOSFET电路的高压大电流控制电路。

背景技术

图1是已知的电流源镜像电路，镜像参考电流I_ref由低温度系数模块的电流基准源，即BIAS产生，MP1与MP2为普通PMOS管，MN1和MN2为普通NMOS管。流过NMOS管MN1的漏极电流I_D1和流过NMOS管MN2的漏极电流I_D2分别为：

$I_{D1}=\frac{1}{2}{u}_n{c}_{ox}\frac{W}{L}{(V_{GS1}-V_{TH})}^2(1+{\mathrm{\λV}}_{DS1});$

$I_{D2}=\frac{1}{2}{u}_n{c}_{ox}\frac{W}{L}{(V_{GS2}-V_{TH})}^2(1+\mathrm{\λ}|V_{DS2}\left|\right).$

其中，μ_n为NMOS管沟道中电子的迁移率，c_ox为单位面积的栅氧化层电容，NMOS管MN1的栅极宽长比为NMOS管MN2的栅极宽长比为NMOS管MN1的栅极和源极间的电压为V_GS1；NMOS管MN2的栅极和源极间的电压为V_GS2；NMOS管MN1的漏极和源极间的电压为V_DS1；NMOS管MN2的漏极和源极间的电压为V_DS2；V_TH为NMOS管的导通阈值电压，λ为NMOS管的沟道长度的调制系数。

当NMOS管MN1和MN2的沟道长度较长，且电源电压较低时，NMOS管的沟道长度调制系数λ较小，NMOS管的漏极的源极间的电压V_DS1和V_DS2也较小，那么已有的电流镜像电路可以较高精度的完成电流镜像；并且，NMOS管MN1和MN2的漏极电流之比为：

$\frac{I_{D2}}{I_{D1}}=\frac{{\left(\frac{W}{L}\right)}_2}{{\left(\frac{W}{L}\right)}_1}.$

但是，随着高压功率MOSFET管的广泛应用，高压功率MOSFET中的电流大小设置成为DMOS工艺设计中新的难题。一方面，随着工艺的改进，功率MOSFET管沟道长度较短，导致沟道长度调制效应较为严重。另一方面，功率MOSFET管漏极耐压高，电压变化范围大，进一步减小了MOS管的电流镜像精度。已有的电流镜像结构不再能够广泛适用于高压情况下功率MOSFET的电流控制。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于高压功率MOSFET中的高压大电流控制电路，引入了对功率MOSFET电流检测的微电阻，通过对普通MOS管所提供电流基准的精确镜像，提供了稳定的高压功率MOSFET电流源，具有电路结构简单，应用广泛的特点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，以满足高压情况下，精确设置功率MOSFET所流过电路的大小。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其特征在于，包括MOSFET管(M1)、MOSFET管(M2)、PMOS管(MP1)、PMOS管(MP2)、PMOS管(MP3)、电阻(R1)、电阻(R2)、三极管(Q1)和三极管(Q2)；

所述PMOS管(MP1)的源极、所述PMOS管(MP2)的源极和所述PMOS管(MP3)的源极与电源VDD连接；所述PMOS管(MP3)的栅极、所述PMOS管(MP2)的栅极、所述PMOS管(MP1)的栅极和所述PMOS管(MP1)的漏极的电流为基准电流I_ref；所述PMOS管(MP2)的漏极与所述三极管(Q1)的集电极连接；所述PMOS管(MP3)的漏极分别与所述三极管(Q2)的集电极、所述MOSFET管(M1)的栅极和所述MOSFET管(M2)的栅极连接；

所述三极管(Q1)的基极分别与自身的集电极和所述三极管(Q2)的基极连接；所述三极管(Q1)的发射极接入所述MOSFET管(M1)和所述电阻(R1)之间；所述三极管(Q2)集电极与所述PMOS管(MP3)的漏极、所述MOSFET管(M1)的栅极和所述MOSFET管(M2)的栅极连接；所述三极管(Q2)的发射极与所述电阻(R2)连接，所述电阻(R2)的另一端直接接地；

所述MOSFET管(M1)的源极分别与所述三极管(Q1)的发射极和所述电阻(R1)连接，所述电阻(R1)的另一端直接接地；所述MOSFET管(M1)的漏极与所述MOSFET管(M2)的漏极相连；所述MOSFET管(M2)的源极直接接地；

所述PMOS管(MP1)、所述PMOS管(MP2)和所述PMOS管(MP3)均采用长沟道的PMOS管。

进一步地，所述MOSFET管(M1)和所述MOSFET管(M2))的衬底与源极接相同电位，因此可以忽略衬底的偏置效应。

进一步地，所述三极管(Q1)和所述三极管(Q2)的面积相同且完全匹配。

进一步地，所述电阻(R2)和所述电阻(R1)的大小比例为N:1。

进一步地，所述MOSFET管(M1)的宽长比和所述MOSFET管(M2)的宽长比的比例设置为1：M。

进一步地，所述MOSFET管(M2)的电流为I_out＝(N-1)×(M+1)×I_ref。

在本发明的一个较佳实施例中，I_ref为电流基准源，MP1，MP2，MP3为普通PMOS晶体管，M1和M2为宽长比为一定比例的匹配功率MOSFET，Q1和Q2为互相匹配的三极管，电阻R1和R2为一定比例关系的匹配电阻。电阻R2的阻值较小，电阻R2上的压接近为零。电流基准源I_ref作为控制功率MOSFET中电流大小的参考电流。电阻R2和电阻R1的大小比例关系为N：1；功率管M1和M2的宽长比比例设置为1：M。由电阻R1所引入的负反馈，使得电阻R2和R1上的压降大小相等。故I_out＝(N-1)×(M+1)×I_ref。

本发明实现了一种能够工作于高压大电流模式的功率MOSFET中电流控制方法，并将检测结果作用于反馈回路，将大电流转化为电流比较信号，实现了在高电压大电流模式下不考虑晶体管的沟道长度调制效应而实现的电流精确控制。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是传统的电流源镜像电路的电路图；

图2是本发明的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路的电路图具体如图2所示，包括MOSFET管M1、MOSFET管M2、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、电阻R1、电阻R2、三极管Q1和三极管Q2。

PMOS管MP1的源极、PMOS管MP2的源极和PMOS管MP3的源极与电源VDD连接；PMOS管MP3的栅极、PMOS管MP2的栅极、PMOS管MP1的栅极和PMOS管MP1的漏极的电流为基准电流I_ref；PMOS管MP2的漏极与三极管Q1的集电极连接；PMOS管MP3的漏极分别与三极管Q2的集电极、MOSFET管M1的栅极和MOSFET管M2的栅极连接。

三极管Q1的基极分别与自身的集电极和三极管Q2的基极连接；三极管Q1的发射极接入MOSFET管M1和电阻R1之间；三极管Q2的集电极分别与PMOS管MP3的漏极、MOSFET管M1的栅极和MOSFET管M2的栅极连接；三极管Q2的发射极与电阻R2连接。

MOSFET管M1的源极分别与三极管Q1的发射极和电阻R1连接；MOSFET管M1的漏极与MOSFET管M2的漏极相连；MOSFET管M1的栅极与MOSFET管M2的栅极、三极管Q2的集电极、PMOS管MP3的漏极连接。

MOSFET管M2的栅极与MOSFET管M1的栅极、三极管Q2的集电极、PMOS管MP3的漏极连接；MOSFET管M2的源极直接接地；MOSFET管M2的漏极与MOSFET管M1的漏极连接在一起。

其中，功率管M1和M2衬底与源极接相同的电位，因此可以忽略MOSFET管的衬底偏置效应。并且，PMOS管MP1、MP2、和MP3均采用长沟道(沟道长度大于0.5μm)的普通PMOS晶体管，因此其电流大小完全相同；三极管Q1和Q2采用面积相同且完全匹配的两个三极管。

进一步地，功率管M2的宽长比与功率管M1的宽长比的比例为M；电阻R2与电阻R1的大小比例为N。M和N由具体的使用情况来限定。

如图2所示，I_ref为电流基准源，因此，流过PMOS管的电流大小为I_ref。由于PMOS管MP1、MP2和MP3互相匹配，且MP1、MP2和MP3的栅极的电压相同，所以MP1、MP2和MP3的饱和电流都为I_ref。

由于三极管Q1和Q2完全匹配，当流过的Q1和Q2的电流大小相等时，Q1的基极与发射极间的电压降V_BE1和Q2的基极与发射极间的电压降V_BE2大小相等，因此，电阻R1和电阻R2上的电压降也相等。

当功率管M1的栅极的电位较低，导致流过电阻R2的电流较小时，电阻R2的上压降小于电阻R1的上压降，所以V_BE2<V_BE1。此时，三极管Q2工作于放大区，Q2集电极电压上升，即M1栅极电位提高，流过R1的电流增大，使得电阻R1和R2上压降大小相等。

当功率管M1的栅极电位较高，导致流过电流R2的电流较大时，电阻R2上压降大于电阻R1上压降时，则V_BE2>V_BE1。此时，三极管Q2工作于饱和区，Q2集电极电压下降，即M1栅极电位降低，流过R1的电流减小，使得电阻R1和R2上压降大小相等。电阻R1、R2，三极管Q1和Q2，PMOS管MP2，MP3，引入了对M1构成了负反馈作用，使得电阻R1和R2上压降大小相等，即

I_ref×R₁＝(I₁+I_ref)×R₂；

其中，I_ref为流过电阻R1的电流，I₁为流过功率管M1的电流。

由于电阻R1和R2的大小比例为N，所以流过功率管M1的电流为

I₁＝(N-1)I_ref。

另一方面，流过功率管M1的晶体管电流I₁和流过功率管M2的晶体管电流I_OUT可由以下两个公式计算得出：

$I_1=K^{\&prime;}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{\&lsqb;V_G-I_1{R}_1-V_{TH}\&rsqb;}^2;$

$I_{OUT}=I_1+K^{\&prime;}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2{\&lsqb;V_G-V_{TH}\&rsqb;}^2;$

其中，K'功率MOSFET的工艺参数，V_TH为功率MOSFET的阈值电压，取电阻R1值较小，使得I₁R₁□V_TH，接近于零，即M1管和M2管的源极电压近似相同，则

$I_1=K^{\&prime;}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1{\&lsqb;V_G-V_{TH}\&rsqb;}^2;$

那么，

$\frac{I_{OUT}}{I_1}=\frac{I_1+{\mathrm{MI}}_1}{I_1}=M+1;$

因此，流过M2晶体管的电流是流过M1晶体管电流的M倍。由于I₁＝(N-1)I_ref，所以，

I_OUT＝(M+1)(N-1)I_ref。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其特征在于，包括第一MOSFET管(M1)、第二MOSFET管(M2)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)；

所述第一PMOS管(MP1)的源极、所述第二PMOS管(MP2)的源极和所述第三PMOS管(MP3)的源极与电源VDD连接；所述第三PMOS管(MP3)的栅极、所述第二PMOS管(MP2)的栅极、所述第一PMOS管(MP1)的栅极和所述第一PMOS管(MP1)的漏极的电流为基准电流I_ref；所述第二PMOS管(MP2)的漏极与所述第一三极管(Q1)的集电极连接；所述第三PMOS管(MP3)的漏极分别与所述第二三极管(Q2)的集电极、所述第一MOSFET管(M1)的栅极和所述第二MOSFET管(M2)的栅极连接；

所述第一三极管(Q1)的基极分别与自身的集电极和所述第二三极管(Q2)的基极连接；所述第一三极管(Q1)的发射极接入所述第一MOSFET管(M1)和所述第一电阻(R1)之间；所述第二三极管(Q2)集电极与所述第三PMOS管(MP3)的漏极、所述第一MOSFET管(M1)的栅极和所述第二MOSFET管(M2)的栅极连接；所述第二三极管(Q2)的发射极与所述第二电阻(R2)连接，所述第二电阻(R2)的另一端直接接地；

所述第一MOSFET管(M1)的源极分别与所述第一三极管(Q1)的发射极和所述第一电阻(R1)连接，所述第一电阻(R1)的另一端直接接地；所述第一MOSFET管(M1)的漏极与所述第二MOSFET管(M2)的漏极相连；所述第二MOSFET管(M2)的源极直接接地；

所述第一PMOS管(MP1)、所述第二PMOS管(MP2)和所述第三PMOS管(MP3)均采用长沟道的PMOS管。

2.如权利要求1所述的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其中，所述第一MOSFET管(M1)和所述第二MOSFET管(M2)的衬底与源极接相同电位。

3.如权利要求1所述的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其中，所述第一三极管(Q1)和所述第二三极管(Q2)的面积相同且完全匹配。

4.如权利要求3所述的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其中，所述第二电阻(R2)和所述第一电阻(R1)的大小比例为N:1。

5.如权利要求4所述的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其中，所述第一MOSFET管(M1)的宽长比和所述第二MOSFET管(M2)的宽长比的比例为1：M。

6.如权利要求5所述的一种用于高压功率MOSFET中的大电流控制电路，其中，所述第二MOSFET管(M2)的电流为I_out＝(N-1)×(M+1)×I_ref。