CN104702257B - 上电保护电路和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种上电保护电路，尤其涉及一种电源管理模块的上电保护电路，该上电保护电路可以为一级或多级保护电路，该保护电路包括电压输入端，电压输出端，以及接地端，在所述电压输入端和接地端之间依次连接有第一电容C1和第一电阻R1；由第一PMOS晶体管M1、第二电阻R2、第一二极管串组成的并联电路连接在所述电压输入端和电压输出端之间，其中所述第一PMOS晶体管M1的源极与所述电压输入端连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第一电容C1和第一电阻R1之间，在所述接地端和电压输出端之间连接有一负载，本申请上电保护电路具有易于实现、占用芯片面积小、可靠性高、动态范围宽等特点。

Description

上电保护电路和电子设备

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，尤其涉及一种电源管理模块的上电保护电路和电子设备。

背景技术

在微电子电路设计中，电源管理模块是系统中必不可少的一部分。由于外部电源给内部电路供电时，电压的上升时间非常短，可能会造成内部电路某些节点的电压突然升高，导致某些器件，例如二极管、三极管以及MOS管等，被击穿甚至烧坏。因此通常在电源管理模块中，需要一个上电保护电路，给内部电路提供一个缓慢上升的电压，达到保护的效果，也称为软启动，但是现有技术中的输出电压的动态范围往往比较窄。

本申请的上电保护电路具有易于实现、占用芯片面积小、可靠性高、动态范围宽等特点。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请所要解决的技术问题为，提供一种宽动态范围的上电保护电路，它将外部上升较快的电源电压信号转换为缓慢上升阶梯式电压信号，供给内部电路，以此起到保护内部电路器件在快速上电过程中不被击穿的效果。

为了解决以上技术问题，根据本申请实施例的一个方面，提供一种具有上电缓冲电压的上电保护电路，该上电保护电路包括第一级保护电路，该第一级保护电路包括电压输入端，电压输出端，以及接地端，在所述电压输入端和接地端之间依次连接有第一电容C1和第一电阻R1；由第一PMOS晶体管M1、第二电阻R2、第一二极管串组成的并联电路连接在所述电压输入端和电压输出端之间，其中所述第一PMOS晶体管M1的源极与所述电压输入端连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第一电容C1和第一电阻R1之间，在所述接地端和电压输出端之间连接有一负载。

根据本申请实施例的另一个方面，其中上电保护电路为多级保护电路，其中第二级保护电路包括依次连接于所述电压输入端和接地端之间的第二电容C2和第三电阻R3，串联连接的第二二极管串和第二PMOS晶体管M2连接在所述电压输入端和电压输出端之间，所述第二PMOS晶体管M2的源极与第二二极管串连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第二电容C2和第三电阻R3之间。

根据本申请实施例的另一个方面，其中所述第一二极管串和由首尾相连的n个二极管组成，所述第二二极管串由首尾相连的m个二极管组成，其中n>m。

本申请还提供一种采用上述一级电保护电路的上电启动方法，包括以下步骤：

(1)向上电保护电路的输入端施加电源信号，T1时刻，该输入端的输入电压VIN由零快速上升到VMAX，此时，第一PMOS管的栅极电压VG1接近VMAX，第一PMOS管关断，第一二极管串导通；

(2)T1时刻到T2时刻，电源通过第二电阻给所述负载充电，所述输出电压缓慢升高，第一二极管串关断，同时，所述第一PMOS管的栅极电压缓慢降低；

(3)T2时刻，第一PMOS管的栅极电压继续降低，PMOS管导通，所述输出电压的值被抬高至VMAX。

其中，T1时刻，所述输出电压的值上升到VIN-nVon，其中Von为所述第一二极管串中单个二极管的导通电压，n为二极管的数量；

T2时刻，第一PMOS管的栅极电压降至VIN-Vthp，其中Vthp为第一PMOS管的阈值电压。

以及根据本申请实施例的另一个方面，采用上述多级上电启动电路的上电启动方法包括以下步骤：

(1)向上电保护电路的输入端施加电源信号，T1时刻，该输入端的输入电压VIN由零快速上升到VMAX，此时，第一PMOS管的栅极电压VG1和第二PMOS管的栅极电压VG2都接近VMAX，第一、第二PMOS管均关断，第一二极管串导通；

(2)T1时刻到T2时刻，电源通过第二电阻给所述负载充电，所述输出电压缓慢升高，第一二极管串关断，同时，所述第一、第二PMOS管的栅极电压缓慢降低；

(3)T2时刻，第二PMOS管导通，所述输出电压继续被抬高；

(4)T2时刻到T3时刻，电源电压通过第二二极管串以及第二电阻继续给负载充电，所述输出电压缓慢升高，同时第一PMOS管的栅极电压继续降低；

(5)T3时刻，第一PMOS管的栅极电压继续降低，PMOS管导通，第二级保护电路被关断，所述输出电压的值被抬高至VMAX。

其中，T1时刻，所述输出电压的值上升到VIN-nVon，其中Von为所述第一二极管串中单个二极管的导通电压，n为二极管的数量。

T2时刻，第二PMOS管的栅极电压降至VIN-mVon-Vthp，所述输出电压被抬高至VIN-mVon；其中Von为所述第二二极管串中单个二极管的导通电压，m为二极管的数量，Vthp为第二PMOS管的阈值电压。

T3时刻，第一PMOS管的栅极电压降至VIN-Vthp，其中Vthp为第一PMOS管的阈值电压。

本申请还提供一种上电保护电路的上电启动方法，其中保护电路包括多级保护电路，上电过程中，该多级保护电路先后被导通，从而电路的输出电压被缓慢地阶梯式被抬高。

本申请还提供一种具有上述上电保护电路的电子设备。

本申请的有益效果在于：将外部上升较快的电源电压信号转换为缓慢上升的阶梯电压信号，供给内部电路，以此起到保护内部电路器件在快速上电过程中不被击穿的效果，另外，通过采用了多级保护电路，可以将输出电压设置为在宽动态范围内缓慢上升。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请具有一级保护电路的电路示意图；

图2是本申请采用一级保护电路的输出电压波形图；

图3是本申请具有两级保护电路的电路示意图；

图4是本申请采用两级保护电路的输出电压波形图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

如图1所示：上电保护电路包括第一级保护电路，其中第一级保护电路包括电压输入端，电压输出端，以及接地端，外部电源电压信号由输入端输入，输入端的输入电压VIN为由零快速上升到VMAX的电压信号，波形如图2所示，在所述电压输入端和接地端之间依次连接有第一电容C1和第一电阻R1；由第一PMOS晶体管M1、第二电阻R2、第一二极管串组成的并联电路连接在所述电压输入端和电压输出端之间，其中所述第一PMOS晶体管M1的源极与所述电压输入端连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第一电容C1和第一电阻R1之间，第一PMOS晶体管M1的栅极电压为VG1，在所述接地端和电压输出端之间连接有一负载。保护电路的输出电压为VOUT。所述第一二极管串由首尾相连的n个二极管[D1,…,Dn]串联组成，其中的二极管的型号可以相同，并且通过调整n的个数，可以使该上电保护电路的输出电压在较宽的动态范围内缓慢调整。

电压输出端的输出电压VOUT如附图2所示，该上电保护电路的上电启动流程如下所述，向上电保护电路的输入端施加电源信号，T1时刻，该输入端的输入电压VIN由零快速上升到VMAX，由于电容C1两端的电压不能突变，VG1的值接近VMAX，因此M1关断；而VOUT初始值为零，第一二极管串导通，T1时刻，VOUT的值上升到(VIN-nVon)，其中Von为第一二极管串中二极管的导通电压。该电压的取值，应使负载电路中的器件不在这个过程中被击穿为宜。

T1时刻到T2时刻，电源通过电阻R2给负载LOAD充电，使输出电压VOUT缓慢升高，第一二极管串关断。同时，电源电压给电容C1充电，使得VG1的值缓慢降低。T2时刻，第一PMOS管的栅极电压VG1继续降低至VIN-Vthp，其中Vthp为第一PMOS管的阈值电压，到达PMOS管导通的状态，所述输出电压的值被抬高至VMAX。

本申请中利用RC滤波器和电容的两端电压不能突变的特性，使PMOS管延时导通，从而使保护电路的输出电压VOUT从零缓慢地上升到VMAX，由附图2可以看出，输出电压较输入电压在长的时间内被抬高至VMAX。

作为本申请的另一实施例，为了能在更宽的动态范围内使保护电路的输出电压缓慢上升，如附图3所示，上电保护电路可以包括两级保护电路，除包括上述第一级保护电路外，还包括第二级保护电路，该第二级保护电路包括依次连接于所述电压输入端和接地端之间的第二电容C2和第三电阻R3，串联连接的第二二极管串和第二PMOS晶体管M2连接在所述电压输入端和电压输出端之间，所述第二PMOS晶体管M2的源极与第二二极管串连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第二电容C2和第三电阻R3之间。第二二极管串由首尾相连的m个二极管串联组成，其中n>m。该n个二极管和m个二极管的型号可以相同或不同，并且通过调整m，n的个数，可以使该上电保护电路的输出电压在所需的动态范围内缓慢调整，从而取得很好的上电缓冲的技术效果。电压输出端的输出电压VOUT如附图4所示。

电压输出端的输出电压VOUT如附图4所示，该上电保护电路的上电启动流程如下所述，向上电保护电路的输入端施加电源信号，T1时刻，该输入端的输入电压VIN由零快速上升到VMAX，此时，第一PMOS管的栅极电压VG1和第二PMOS管的栅极电压VG2都接近VMAX，由于电容C1两端的电压不能突变，VG1的值接近VMAX，第一、第二PMOS管均关断，而输出电压VOUT初始值为零，第一二极管串导通，T1时刻，VOUT的值上升到VIN-nVon，其中Von为第一二极管串中二极管的导通电压。该电压的取值，应使负载电路中的器件不在这个过程中被击穿为宜。

T1时刻到T2时刻，电源通过第二电阻给所述负载充电，所述输出电压缓慢升高，第一二极管串关断，同时，所述第一、第二PMOS管的栅极电压缓慢降低；T2时刻，第二PMOS管的栅极电压VG2降至VIN-mVon-Vthp，第二PMOS管导通，所述输出电压继续被抬高至VIN-mVon；其中Von为所述第二二极管串中单个二极管的导通电压，m为二极管的数量，Vthp为第二PMOS管的阈值电压。

T2时刻到T3时刻，电源电压通过第二二极管串以及第二电阻继续给负载充电，所述输出电压缓慢升高，同时第一PMOS管的栅极电压继续降低；T3时刻，第一PMOS管的栅极电压VG1继续降低至VIN-Vthp，其中Vthp为第一PMOS管的阈值电压，第一PMOS管导通，第二级保护电路被关断，所述输出电压的值被抬高至VMAX。整个上电过程结束。

由附图4及上述分析可以看出，由于两级保护电路中采用不同的RC滤波电路，两级保护电路先后被导通，输出电压阶梯式缓慢被抬高至VMAX，由附图4可以明显看出，采用两级保护电路较只采用一级保护电路的输出电压被抬高至VMAX的时间更长，调整的动态范围也更宽，因而当电源电压的电压值较大时，采用两级保护电路能够更好地确保内部电路器件在快速上电过程中不被击穿。

根据本申请的另外一个实施例，本申请的上电保护电路包括多级保护电路，从而在上电过程中，该多级保护电路先后被导通，使输出电压被缓慢地阶梯式被抬高。

根据本申请的另外一个实施例，提供一种电子设备，其具备前述实施例所述的上电保护电路。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (7)

1.一种上电保护电路，其特征在于：

该上电保护电路包括第一级保护电路，该第一级保护电路包括电压输入端，电压输出端，以及接地端，在所述电压输入端和接地端之间依次连接有第一电容C1和第一电阻R1；由第一PMOS晶体管M1、第二电阻R2、第一二极管串组成的并联电路连接在所述电压输入端和电压输出端之间，其中所述第一PMOS晶体管M1的源极与所述电压输入端连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第一电容C1和第一电阻R1之间，在所述接地端和电压输出端之间连接有一负载，

该上电保护电路为多级保护电路，其中第二级保护电路包括依次连接于所述电压输入端和接地端之间的第二电容C2和第三电阻R3，串联连接的第二二极管串和第二PMOS晶体管M2连接在所述电压输入端和电压输出端之间，所述第二PMOS晶体管M2的源极与第二二极管串连接，漏极与所述电压输出端连接，栅极连接于所述第二电容C2和第三电阻R3之间。

2.如权利要求1所述的上电保护电路，其特征在于，其中所述第一二极管串由首尾相连的n个二极管组成，所述第二二极管串由首尾相连的m个二极管组成，其中n>m。

3.一种如权利要求1所述的上电保护电路的上电启动方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)向上电保护电路的电压输入端施加电源信号，T1时刻，该电压输入端的输入电压VIN由零快速上升到VMAX，此时，第一PMOS管的栅极电压VG1和第二PMOS管的栅极电压VG2都接近VMAX，第一、第二PMOS管均关断，第一二极管串导通；

(2)T1时刻到T2时刻，电源通过第二电阻给所述负载充电，所述电压输出端的输出电压缓慢升高，第一二极管串关断，同时，所述第一、第二PMOS管的栅极电压缓慢降低；

(3)T2时刻，第二PMOS管导通，所述输出电压继续被抬高；

(4)T2时刻到T3时刻，电源电压通过第二二极管串以及第二电阻继续给负载充电，所述输出电压缓慢升高，同时第一PMOS管的栅极电压继续降低；

(5)T3时刻，第一PMOS管的栅极电压继续降低，PMOS管导通，第二级保护电路被关断，所述输出电压的值最终被抬高至VMAX。

4.如权利要求3所述的上电启动方法，其特征在于，T1时刻，所述输出电压的值上升到VIN-nVon，其中Von为所述第一二极管串中单个二极管的导通电压，n为二极管的数量。

5.如权利要求3所述的上电启动方法，其特征在于，T2时刻，第二PMOS管的栅极电压VG2降至VIN-mVon-Vthp，所述输出电压被抬高至VIN-mVon，其中Von为所述第二二极管串中单个二极管的导通电压，m为二极管的数量，Vthp为第二PMOS管的阈值电压；T3时刻，第一PMOS管的栅极电压VG1降至VIN-Vthp，其中Vthp为第一PMOS管的阈值电压。

6.一种上电保护电路的上电启动方法，其特征在于，该保护电路包括多级保护电路，该多级保护电路包括权利要求1所述的上电保护电路，上电过程中，该多级保护电路先后被导通，从而电路的输出电压被缓慢地阶梯式被抬高。

7.一种电子设备，其具有如权利要求1-2中任一项所述的上电保护电路。