CN105227166A - 一种mos管背栅电压控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MOS管背栅电压控制电路，至少包括：背栅电压控制电路及MOS管，其中：所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。本发明具有以下有益效果：通过控制MOS管的背栅电压，可以改变其寄生二极管的正负极朝向，在如升压电路及电池供电电路等供电电路中，使输出电压为零电压，是上述的供电电路或类似的电路得到更广泛的应用，并且，具有节省系统用电，提高系统供电效率等优点，因而具有非常深远的应用前景。

Description

一种MOS管背栅电压控制电路

技术领域

本发明半导体集成电路领域，特别是涉及一种MOS管背栅电压控制电路。

背景技术

MOS管的英文全称叫MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为场效应管。它的栅-源间电阻比结型效应管大得多，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛应用于大规模和超大规模集成电路之中。MOS管导电性可控，还有整流作用。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

目前，由于不管NMOS管还是PMOS本身都有结构性的寄生PN结二极管，例如PMOS管的背栅(Bulk)和源极(Source)接同电位时，从漏极(Drain)至源极会产生一个寄生的PN结二极管，即PN结二极管的正负极朝向为漏极朝向源极。又例如，NMOS管的背栅和源极接同电位时，从源极至漏极有一个寄生的PN结二极管(即PN结二极管的正负极朝向为源极朝向漏极)。在一些电池供电电路(Charger)或升压电路(Boost)等系统中，由于上述电路的天生的架构，在开机(Poweron)时，电路的输出电压会获得一个Vout＝Vin-Vdiode的电位，而无法达到Vout＝0V的应用需求。

图1显示为现有的一种升压电路(Boost)结构，对于这种升压电路结构，当输入电压Vin进来时，输出电压Vout就会得到一个Vin-Vdiode的电位，并无法达到输出电压Vout＝0的情况，这种结构的升压电路往往会造成一些系统的不方便且不能使用。

图2显示为一种系统供电电路结构，对于这种电路结构，如果想达到开机时，输出电压Vout没电位，通常会在输出端和电感Lx之间或者输出端外面加一个PMOS管(图2中虚线圈所示)，来达到到输出电压为零的效果，但这样在电路中由于多加了一个PMOS管，此PMOS管又在主要的大电流路径，其源漏电阻Rds的值要求非常小，所以其制作尺寸必需要很大，如果该PMOS管制造于电路内部，会浪费电路的许多面积，如果该PMOS管制造于电路外部，则会浪费一个PMOS管的组件，增加整个电路结构的成本。

鉴于以上原因，必须要对以上两种电路结构或其它类似用途的电路结构上做出一些改变，以达到应用和尺寸均满足使用要求的目的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MOS管背栅电压控制电路，用于解决现有技术中由于MOS管中的寄生二极管使输出电压难以达到零电压，或需要浪费大量的电路面积才能达到零电压的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MOS管背栅电压控制电路，至少包括：

背栅电压控制电路及MOS管，其中：

所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；

所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。

作为本发明的MOS管背栅电压控制电路的一种优选方案，所述MOS管为PMOS管，其漏极连接输入电压，源极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极。

进一步地，当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第二控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极。

作为本发明的MOS管背栅电压控制电路的一种优选方案，所述MOS管为NMOS管，其源极连接输入电压，漏极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极。

进一步地，当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第二控制电压，以使所述NMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极。

作为本发明的MOS管背栅电压控制电路的一种优选方案，所述MOS管的第一极连接于升压电路或电池供电电路，用于向所述MOS管输入所述输入电压。

作为本发明的MOS管背栅电压控制电路的一种优选方案，所述背栅电压控制电路包括第一电压输出模块及第二电压输出模块；

所述第一电压输出模块包括：第一电位转换电路、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、及第一电容；

其中：所述第一电位转换电路的第一输出端连接于所述第一MOS管及第二MOS管的栅极，第二输出端连接于所述第三MOS管的栅极，所述第一MOS管的第一极接输出电压，第二极与所述第二MOS管的第二极相连，所述第二MOS管的第一极连接所述第一电位转换电路的输出端、所述第三MOS管的第一极及所述第一电容的第一电极，所述第一电容的第二电极接地，所述第三MOS管的第二极连接输入电压；

所述第二电压输出模块包括：第二电位转换电路、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、及第二电容；

其中：所述第二电位转换电路的第一输出端连接于所述第四MOS管及第五MOS管的栅极，第二输出端连接于所述第六MOS管的栅极，所述第四MOS管的第一极接输出电压，第二极与所述第五MOS管的第二极相连，所述第五MOS管的第一极连接所述第二电位转换电路的输出端、所述第六MOS管的第一极及所述第二电容的第一电极，所述第二电容的第二电极接地，所述第六MOS管的第二极连接输入电压。

进一步地，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管均为PMOS管，所述PMOS管的第一极为源极，第二极为漏极。

或者，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管均为NMOS管，所述PMOS管的第一极为漏极，第二极为源极。

如上所述，本发明提供一种MOS管背栅电压控制电路，至少包括：背栅电压控制电路及MOS管，其中：所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。本发明具有以下有益效果：通过控制MOS管的背栅电压，可以改变其寄生二极管的正负极朝向，在如升压电路及电池供电电路等供电电路中，使输出电压为零电压，是上述的供电电路或类似的电路得到更广泛的应用，并且，具有节省系统用电，提高系统供电效率等优点，因而具有非常深远的应用前景。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种升压电路的结构示意图。

图2显示为现有技术中的一种系统供电电路的结构示意图。

图3显示为本发明的MOS管背栅电压控制电路的结构示意图。

图4显示为本发明的MOS管背栅电压控制电路的一种应用示例(升压电路)结构示意图。

图5显示为本发明的MOS管背栅电压控制电路的另一种应用示例(电池供电电路)结构示意图。

图6显示为本发明的MOS管背栅电压控制电路的背栅电压控制电路的一种实施示例结构示意图。

元件标号说明

M1MOS管

Vin输入电压

Vout输出电压

A第一MOS管

B第二MOS管

C第三MOS管

D第四MOS管

E第五MOS管

F第六MOS管

C1第一电容

C2第二电容

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图3～图4及图6所示，本实施例提供一种MOS管背栅电压控制电路，至少包括：

背栅电压控制电路及MOS管M1，其中：

所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；

所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管M1的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。

在本实施例中，所述MOS管M1为PMOS管，其漏极连接输入电压，源极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极，即由图3中的b端朝向a端，即相当于把MOS管M1的开关箭头拨向a端。

当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第二控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极，即由图3中的a端朝向b端，即相当于把MOS管M1的开关箭头拨向b端。

另外，在另一实施例中，所述MOS管为NMOS管，其源极连接输入电压，漏极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极，即由图3中b端朝向a端，即相当于把MOS管M1的开关箭头拨向a端。

当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第二控制电压，以使所述NMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极，即由图3中的a端朝向b端，即相当于把MOS管M1的开关箭头拨向b端。

需要说明的是，所述MOS管M1中显示的开关所代表的是MOS管M1的寄生二极管正负极朝向的示意。

如图6所示，在本实施例中，所述背栅电压控制电路包括第一电压输出模块及第二电压输出模块；

所述第一电压输出模块包括：第一电位转换电路、第一MOS管A、第一MOS管B、第三MOS管C、及第一电容C1；

其中：所述第一电位转换电路的第一输出端连接于所述第一MOS管A及第一MOS管B的栅极，第二输出端连接于所述第三MOS管C的栅极，所述第一MOS管A的第一极接输出电压，第二极与所述第一MOS管B的第二极相连，所述第一MOS管B的第一极连接所述第一电位转换电路的输出端、所述第三MOS管C的第一极及所述第一电容C1的第一电极，所述第一电容C1的第二电极接地，所述第三MOS管C的第二极连接输入电压；

所述第二电压输出模块包括：第二电位转换电路、第四MOS管D、第五MOS管E、第六MOS管F、及第二电容C2；

其中：所述第二电位转换电路的第一输出端连接于所述第四MOS管D及第五MOS管E的栅极，第二输出端连接于所述第六MOS管F的栅极，所述第四MOS管D的第一极接输出电压，第二极与所述第五MOS管E的第二极相连，所述第五MOS管E的第一极连接所述第二电位转换电路的输出端、所述第六MOS管F的第一极及所述第二电容C2的第一电极，所述第二电容C2的第二电极接地，所述第六MOS管F的第二极连接输入电压。

作为示例，所述第一MOS管A、第一MOS管B、第三MOS管C、第四MOS管D、第五MOS管E、第六MOS管F均为PMOS管，所述PMOS管的第一极为源极，第二极为漏极。

或者，所述第一MOS管A、第一MOS管B、第三MOS管C、第四MOS管D、第五MOS管E、第六MOS管F均为NMOS管，所述PMOS管的第一极为漏极，第二极为源极。

当然，本实施例所述的背栅电压控制电路仅为一种具体的实施方案，其他只要能实现用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向的背栅电压控制电路均应落在本发明的保护范围内。

图4为本实施例的一种MOS管背栅电压控制电路的应用示例，其中，所述MOS管的第一极连接于升压电路。所述升压电路由电感L和开关MOS管Q组成，所述电感L的一端连接Vin，另一端与所述开关MOS管Q的第一极及所述MOS管M1的第一极连接，所述开关MOS管Q的第二极接地。对于图4的升压电路，图6中的背栅电压控制电路的工作原理如下：

1)当刚开机(Poweron)时，需要所述输出电压Vout＝0，此时，通过所述第一电位转换电路使所述第三MOS管C打开，第一MOS管A和第一MOS管B关闭，通过所述输入电压Vin给所述第一电容C1充电，最终把第一电压输出模块的输出端的电压VPH充至接近输入电压Vin的电位；

同时间通过所述第二电位转换电路使所述第四MOS管D及第五MOS管E打开，第六MOS管F关闭，通过所述输出电压Vout给所述第二电容C2充电，最终把第二电压输出模块的输出端的电压VPL充接近输出电压Vout的电位；

此时，将所述第一电压输出模块的输出端的电压VPH(其等于或接近Vin)接至所述MOS管M1的背栅，使该MOS管M1的寄生二极管正负极朝向为漏极朝向源极，即由b端朝向a端，便可实现所述输出电压Vout＝0；

2)当开机(Poweron)一段时间后，当系统需要电位时，即输出电压为高电位时，此时，通过所述第二电位转换电路使所述第六MOS管F打开，使所述第四MOS管D和第五MOS管E关闭，通过所述输入电压Vin给所述第二电容C2充电，最终把第二电压输出模块的输出端的电压VPL充至接近输入电压Vin的电位；

同时间，通过所述第一电位转换电路使所述第一MOS管A和第二MOS关打开，第三MOS关关闭，通过所述输出电压Vout给所述第一电容C1充电，最终把第一电压输出模块的输出端的电压VPH充至接近输出电压Vout的电位；

此时，将所述第一电压输出模块的输出端的电压VPH(其等于或接近Vout)接至所述MOS管M1的背栅，使该MOS管M1的寄生二极管正负极朝向为源极朝向漏极，即由a端朝向b端，降低所述MOS管的阻值，实现电路省电及高效的效果。

实施例2

如图3及图5～图6所示，本实施例提供一种MOS管背栅电压控制电路，所述MOS管背栅电压控制电路(如图3所示)及所述背栅电压控制电路(如图6所示)的基本结构均如实施例1。

图5为本实施例的一种MOS管背栅电压控制电路的应用示例，其中，所述MOS管的第一极连接于电池供电电路。所述电池供电电路包括两个开关MOS管，一个电感，一个电容、及一个供电电池BAT，所述MOS管M1的栅极连接开关信号，第一极与所述供电电池BAT相连，第二极与所述电容的第一电极、所述电感的第一端及所述电池供电电路的输出端SYS相连。对于图5的应用示例，其控制方法如实施例1，通过控制所述MOS管M1的寄生二极管正负极的朝向，可以使所述输出端SYS获得零电位，在此不再叙述。

如上所述，本发明提供一种MOS管背栅电压控制电路，至少包括：背栅电压控制电路及MOS管，其中：所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。本发明具有以下有益效果：通过控制MOS管的背栅电压，可以改变其寄生二极管的正负极朝向，在如升压电路及电池供电电路等供电电路中，使输出电压为零电压，是上述的供电电路或类似的电路得到更广泛的应用，并且，具有节省系统用电，提高系统供电效率等优点，因而具有非常深远的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种MOS管背栅电压控制电路，其特征在于，至少包括：

背栅电压控制电路及MOS管，其中：

所述MOS管的栅极连接开关信号，第一极连接输入电压，第二极连接输出电压；

所述背栅电压控制电路用于产生控制电压以使所述MOS管的第一极及第二极之间形成寄生二极管，并通过调节该控制电压的值控制所述寄生二极管正负极的朝向。

2.根据权利要求1所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：

所述MOS管为PMOS管，其漏极连接输入电压，源极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极。

3.根据权利要求2所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：

当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述PMOS管，所述背栅电压控制电路向所述PMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第二控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极。

4.根据权利要求1所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：

所述MOS管为NMOS管，其源极连接输入电压，漏极连接输出电压；

当所述输出电压需要输出零电位时，所述开关信号关断所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输出电压的第一控制电压，以使所述PMOS管的寄生二极管正负极的朝向为漏极朝向源极。

5.根据权利要求4所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：

当所述输出电压需要输出高电位时，所述开关信号导通所述NMOS管，所述背栅电压控制电路向所述NMOS管的背栅输出等于或接近所述输入电压的第二控制电压，以使所述NMOS管的寄生二极管正负极的朝向为源极朝向漏极。

6.根据权利要求1所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：所述MOS管的第一极连接于升压电路或电池供电电路，用于向所述MOS管输入所述输入电压。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：所述背栅电压控制电路包括第一电压输出模块及第二电压输出模块；

所述第一电压输出模块包括：第一电位转换电路、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、及第一电容；

其中：所述第一电位转换电路的第一输出端连接于所述第一MOS管及第二MOS管的栅极，第二输出端连接于所述第三MOS管的栅极，所述第一MOS管的第一极接输出电压，第二极与所述第二MOS管的第二极相连，所述第二MOS管的第一极连接所述第一电位转换电路的输出端、所述第三MOS管的第一极及所述第一电容的第一电极，所述第一电容的第二电极接地，所述第三MOS管的第二极连接输入电压；

所述第二电压输出模块包括：第二电位转换电路、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、及第二电容；

其中：所述第二电位转换电路的第一输出端连接于所述第四MOS管及第五MOS管的栅极，第二输出端连接于所述第六MOS管的栅极，所述第四MOS管的第一极接输出电压，第二极与所述第五MOS管的第二极相连，所述第五MOS管的第一极连接所述第二电位转换电路的输出端、所述第六MOS管的第一极及所述第二电容的第一电极，所述第二电容的第二电极接地，所述第六MOS管的第二极连接输入电压。

8.根据权利要求7所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管均为PMOS管，所述PMOS管的第一极为源极，第二极为漏极。

9.根据权利要求7所述的MOS管背栅电压控制电路，其特征在于：所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管均为NMOS管，所述PMOS管的第一极为漏极，第二极为源极。