CN105245121A - 一种带自举电路的整流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带自举电路的整流电路，其包括：NMOS交叉耦合输入级电路，用于接收一个正负跳变的交流信号；PMOS开关输出级电路，用于对接收到的所述交流信号实现整流并且提供输出电流；自举电路，用于提供PMOS开关输出级的开启电压以抵消阈值损耗；所述交叉耦合连接的NMOS输入级电路包括交叉耦合连接的第一NMOS管和第二NOMS管；所述PMOS开关输出级电路320包括栅极互联的第一PMOS管和第二PMOS管；所述自举电路包括第三PMOS管和自举电容，所述第三PMOS管的源极接输出电压，漏极和栅极接所述自举电容，其利用二极管连接的第三PMOS管向所述自举电容提供充放电回路，并且使得所述自举电容充电至小于所述PMOS开关输出级电路中第一PMOS管或第二PMOS管MP2的源级一个阈值电压的电位。
Description
技术领域
本发明涉及高频整流领域，尤其是高频整流电路中的MOS整流电路模块。
背景技术
整流电路是将交流电压变换成直流电压的电路。整流电路按照电路结构分可以分成半波整流电路和全波整流电路，半波整流电路去掉了交流电的半周，但没有改变直流电中交流电的频率，全波整流将交流电正负半周按原样合并，因而整流的频率扩展成了交流电的两倍，对于滤波电路来说也有利于高频信号的滤波。所以对于要求高能量转换效率的系统来说，一般都会使用全波整流电路。
在中低频应用领域，对于高能量转换效率的系统，传统整流元件一般使用桥式二极管整流，但是在高频的应用领域，由于二极管的反向恢复时间长、导通压降高，普通的元件已经不满足能量转换效率的应用，即能量转换效率会很低。
高频整流电路的应用十分广泛，是当前的研究热点，例如在射频识别领域的无源智能卡中，携带信息和能量的交流信号通过高频整流电路将交流信号转变成直流信号，并利用其对无源智能卡中的其他模块进行供电，这就要求整流电路具有较高的转换效率；此外，在微型隔离电源中，高频整流电路的应用也十分广泛，在微型隔离电源领域，其整流电路的工作频率往往可以达到上百兆赫兹，但传统整流电路中二极管的反向恢复时间和导通压降的损耗已经不能满足高功率转换的要求，因此，该领域的高频整流电路一般多采用肖特基二极管的全桥整流方式。目前，采用肖特基二极管的全桥整流电路较MOS管的整流方案而言，具有导通压降大，反向恢复时间长的缺点；此外，肖特基二级管的工艺制造成本也比标准CMOS工艺高。
MOS管整流方案可以很好地规避肖特基二极管整流方案的缺点，并且目前MOS管整流技术已经广泛应用于射频识别领域。但是传统的MOS管整流电路同样存在一定的缺点【参考文献姜帆，郭东辉，“无源射频识别标签整流电路的分析与设计，”上海交通大学学报，第41卷2007年4月】。如图1所示，图1a是利用NMOS交叉耦合并带NMOS二极管接法的整流电路，该电路利用漏极和栅极相连的二极管连接NMOS做为开关，但它存在一个阈值电压损耗，会影响能量转换的效率，目前，多采用专门设计具有零阈值电压的MOS管来解决这个问题，但是需要专门工艺的支持，这就增加了制造成本；图1b是利用NMOS、PMOS交叉耦合的整流电路，该电路充分利用了MOS管的交叉耦合特性，使得该电路在导通时抵消了阈值电压的损耗，但是当输出的电压高于PMOS管的栅极电压时，负载电流会回流到输入端，同样会影响能量转换效率。
随后，针对传统MOS整流电路，研究人员对其做了改进，提出了自举型MOS整流电路【参考文献S.Hashemi，M.Sawan，andY.Savaria，“Fully-IntegratedLow-VoltageHigh-EfficiencyCMOSRectifierforWirelesslyPoweredDevices，”NEWCAS-TAISA2009，Jul.2009.】，如图1c所示，该方案利用对自举电容充电将其电压自举到PMOS管的栅极，保证输入和输出均高于自举电压，从而在抵消阈值损耗的同时也防止了PMOS管的电流回流现象。但是该方案中存在两个电容元件和两个二极管连接的PMOS管，其电路结构复杂，且电容元件也会占据芯片版图的大量面积，从而提高了生产成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的：
1、抵消整流电路中MOS管的阈值电压损耗，避免负载电流回流现象，确保MOS器件没有反向恢复时间限制以提升整流电路的能量转换效率；
2、采用标准CMOS工艺实现整流电路，以降低工艺制造方面的成本；
3、提供一种超低功耗的二极管连接方法，以有效防止MOS管在亚阈值区的漏电流情况；
4、提供一种结构简单并且有效的减小完整芯片面积的方案。
(二)技术方案
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种带自举电路的整流电路，其包括：
NMOS交叉耦合输入级电路，用于接收一个正负跳变的交流信号；
PMOS开关输出级电路，用于对接收到的所述交流信号实现整流并且提供输出电流；
自举电路，其包括二极管连接的PMOS管和电容，用于提供PMOS开关输出级的开启电压以抵消阈值损耗；
其中，所述交叉耦合连接的NMOS输入级电路包括交叉耦合连接的第一NMOS管和第二NOMS管；
所述PMOS开关输出级电路320包括栅极互联的第一PMOS管和第二PMOS管；
所述自举电路包括第三PMOS管和自举电容，所述第三PMOS管的源极接输出电压，漏极和栅极接所述自举电容，其利用二极管连接的第三PMOS管向所述自举电容提供充放电回路，并且使得所述自举电容充电至小于所述PMOS开关输出级电路中第一PMOS管或第二PMOS管MP2的源级一个阈值电压的电位。
根据本发明第二方面，其提供了一种全集成隔离电源模块，其包括：
振荡器，用于将直流电压逆变成交流信号；
微型变压器，用于对所述交流信号进行耦合传输；
如上所述的整流电路，用于对耦合传输后的交流电压进行整流，得到输出信号；
反馈控制器，用于检测输出电压的变化以稳定输出电压。
根据本发明第三方面，其还提供了一种无源智能卡芯片，其包括：
天线，用于接收高频的交流信号；
如上所述的整流电路，用于对接收到的交流信号进行整流滤波，以获得直流能量对所述无源智能卡芯片进行供电；
负载。
作为本发明的另一个方面，整个整流电路均使用MOS管和电容，采用标准CMOS工艺设计以及制造，减少了工艺制造成本；并且与相同面积的肖特基二极管相比，具有更大的驱动能力和更高的工作效率，尤以高频工作更为明显。
(三)有益效果
本发明的MOS整流电路具有如下优点，有益效果均一一对应要解决的技术问题：
1、能量转换效率高：改进的自举型MOS整流电路消除了阈值电压损耗，没有反向恢复时间的限制，并且自举的电容电压(VCAP)使PMOS开关管(MP1、MP2)不会出现由于反向导通而形成的负载电流向输入级回流的现象；
2、降低了成本：本发明所述的改进型MOS方案，用标准CMOS工艺实现，不需要采用特殊工艺的肖特基二极管制造，且在相同面积条件下，MOS整流较肖特基二极管的整流能力更强；
3、性能提升：本发明中所述的超低功耗二极管接法，可以有效防止PMOS二极管连接的漏电流现象，自举电容充电快速，提高了系统的响应速率，从而提高了整流电路的性能指标；
实现方式简单：采用一组超低功耗二极管和电容就可以实现自举模块，避免了芯片面积过大的缺点。
附图说明
图1a为传统的NMOS交叉耦合并带二极管连接的MOS整流电路示意图；
图1b为传统的NMOS、PMOS交叉耦合的MOS整流电路示意图；
图1c为自举型MOS整流电路示意图；
图2a为不带超低功率二级管的改进自举型MOS整流电路模块；
图2b为改进自举型MOS整流电路模块；
图2c为应用于集成隔离电源中的改进自举型整流电路示意图；
图2d为应用于射频识别中的改进自举型整流电路示意图；
图3为整流模块的关键波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明第一实施例中提供了一种带自举电路的整流电路。如图2a所示，该整流电路包括：
NMOS交叉耦合输入级电路310，用于接收一个正负跳变的交流信号Vp、Vn；
PMOS开关输出级电路320，用于对接收到的所述交流信号实现整流并且提供输出电流Vo；
自举电路330，其包括二极管连接的PMOS管和电容，用于提供PMOS开关输出级320的开启电压以抵消阈值损耗。
所述交叉耦合连接的NMOS输入级电路310包括交叉耦合连接的第一NMOS管MN1和第二NOMS管MN2，其在导通的时候没有阈值电压损耗。
所述PMOS开关输出级电路320包括第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2，其源极分别连接所述正负跳变的交流信号的正负极，漏极连接至输出电压，栅极相互连接。所述PMOS开关输出级电路320是向负载提供功率的开关器件，向负载提供足够大的电流，并且导通时也没有阈值电压损耗。
所述自举电路330包括第三PMOS管MP3和自举电容CAP，第三PMOS管的源极接输出端，漏极和栅极接自举电容CAP的上极板，且所述第三PMOS管MP3的栅极与所述PMOS开关输出级电路320连接；，所述自举电路330利用二极管连接的第三PMOS管MP3一方面提供所述自举电容CAP的充放电回路；另一方面使得电容充电至小于所述PMOS开关输出级电路320中第一PMOS管MP1或第二PMOS管MP2的源级一个阈值电压的电位，以保证PMOS开关电路320能够正常无阈值损耗的打开。
所述整流电路的输入和输出的关系式为：
Vout＝Vin-(|VTHP3|-|VTHP2|)(1)
VCAP＝Vout-|VTHP3|＝Vin-|VTHP2|(2)
其中Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，VTHP3表示自举电路330中第三PMOS管MP3的阈值电压，VTHP2表示PMOS开关电路320中的第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的阈值电压。
从上述公式可以看出，在阈值电压相等的情况下，输入和输出电压相等，没有阈值电压损失。
更进一步地，本发明第二实施例提供了一种带自举电路的整流电路。相较于第一实施例公开的整流电路，第二实施例中提供的整流电路的自举电路部分中带有超低功率二极管，其解决了第一实施例中存在一个问题，即当二极管连接的PMOS管(MP3)在未完全关断的时，PMOS管工作于亚阈值区，MOS的源漏之间还会有电流存在，负载的电流回流至自举部分330，这时输出的电压会有所降低，存在一定漏电流损耗。
本发明第二实施例针对自举部分的漏电现象，提出了超低功耗的二极管接法的改进整流电路，如图2b所示，本实施例相较于第一实施例而言，在自举电路330中，采用PMOS和NMOS交替连接形成了二极管，有效防止了第三PMOS管MP3作为二极管时工作在亚阈值区形成的漏电流，从而影响自举效率。第二实施例中，所述自举电路330包括：第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN3和电容CAP，第三PMOS管MP3的源极接第三NMOS管MN3的栅极，第三PMOS管MP3的栅极接第三NMOS管MN3的源级，第三PMOS管MP3与第三NMOS管MN3漏极相连，第三NMOS管MN3源极接电容CAP上极板，第三PMOS管MP3源级接至输出端，其工作原理为：当第三PMOS管MP3还未关断处于亚阈值区的时候，会存在漏电流，则存在一定损耗。但在第三PMOS管MP3后串接一个第三NMOS管MN3，则当第三PMOS管MP3的漏电流增加时，节点X的电位会有所下降，但工作在亚阈值区的第三NMOS管MN3流过的漏电流与第三PMOS管MP3的漏电流的电流方向相反，则抵消第三PMOS管MP3的漏电流，使得整个第三PMOS管MP3和第三NMOS管MN3形成了超低功耗的二极管，从而提升了整流的性能。
作为本发明的另一个方面，整个整流电路均使用MOS管和电容，采用标准CMOS工艺设计以及制造，减少了工艺制造成本；并且与相同面积的肖特基二极管相比，具有更大的驱动能力和更高的工作效率，尤以高频工作更为明显。
(1)本发明提出的整流电路在集成隔离电源中的应用
本发明提供一种应用了整流电路的全集成隔离电源模块，如图2c所示，其包括振荡器100、微型功率变压器200、整流电路300、负载400、反馈控制模块500。
振荡器100将直流电压逆变成交流信号；微型变压器200用于对交流信号进行耦合传输；整流电路300用于对耦合传输后的交流电压进行整流，得到输出信号；反馈控制器500用于检测输出的变化以稳定输出电压，进而保证电源系统的稳定。本发明是在上述系统中针对整流电路的改进，采用改进型的MOS整流电路使得电源系统具有高效率、低成本以及快响应速率等特点。
如图2b所示，改进型MOS整流电路包括NMOS交叉耦合输入级310(MN1、MN2)、PMOS开关320(MP1、MP2)以及由NMOS(MN3)和PMOS(MP3)交替连接形成的超低功率二极管与电容(CAP)组成的自举部分输出级330。本发明的一种实施，可以采用标准CMOS工艺设计MOS管和电容。
根据本发明的一种实施方式，NMOS交叉耦合输入级(MN1、MN2)310采用两个相同的标准CMOS工艺下的NMOS，其参数设置与输出功率的大小匹配。
根据本发明的一种实施方式，两个PMOS开关输出级320(MP1、MP2)采用两个相同的标准CMOS工艺下的PMOS，其参数设置与输出功率的大小匹配。
根据本发明的一种实施方式，自举电路330中的PMOS(MP3)采用标准CMOS工艺下的PMOS、NMOS(MN3)采用标准CMOS工艺下的NMOS，且其尺寸满足对自举电容(CAP)充放电电流大小的要求。自举电容采用标准CMOS工艺下的电容，电容的大小能够满足维持自举电压的大小。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图2b和图2c，本发明实施例提供的隔离电源模块结构中，振荡器将3.3V电压的直流电压逆变成幅度为正负10V、频率为180MHz的正弦交流信号；微型变压器用于对交流信号进行耦合传输；整流电路用于对耦合传输后的正负10V电压合并，得到滤波之后的输出3.3V直流电压；反馈控制模块用于检测输出变化调整输出电压，保证电源系统的稳定。
对于改进自举型MOS整流电路的工作原理如下：
如图2b所示，利用NMOS交叉耦合的电路形式，当Vp高电平到达的时候，第二NMOS管MN2导通到地，当Vn高电平到达的时候，第二NMOS管MN1导通到地。由于交叉耦合NMOS交替导通，有效抵消了导通电压。
交流信号会始终对自举电容CAP充电，由于PMOS开关电路320中的第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和自举电容CAP构成的超低功率二极管)均导通，则Vcap始终小于Vp或Vn一个阈值电压，且输出始终比Vcap大一个阈值电压，故输出和输入相等(可参见公式1)，抵消了阈值损耗，又由于防止了第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2回流，提高了能量转换效率(关键波形见图3所示)。
(2)本发明提出的整流电路在射频识别中的应用
本发明实施例还提供一种应用了上述改进型整流电路的无源智能卡芯片。如图2d所示，所述无源智能卡芯片包括天线600、整流电路300和负载700。
在射频识别应答器中没有单独电源进行供电，应答器芯片依靠接收天线600上的高频的交流信号，然后对其进行整流滤波，以获得较为稳定的直流能量对应当器芯片进行供电，所以，整流电路对整个射频识别应当器芯片而言尤为重要。需要一个具有低成本、高能量转换效率的整流电路来满足系统芯片的要求。
根据本发明的一种实施方式，自举部分330中的PMOS(MP3)采用标准CMOS工艺下的PMOS、NMOS(MN3)采用标准CMOS工艺下的NMOS，且其尺寸满足对自举电容(CAP)充放电电流大小的要求。自举电容采用标准CMOS工艺下的电容，电容的大小能够满足维持自举电压的大小。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图2d，对本发明进一步详细说明。
天线600的正端A1接收到正电压信号，如图2b所示，利用NMOS交叉耦合的电路形式，第二NMOS管MN2导通到地，当天线600负端A2接收到负电压信号的时候，第一NMOS管MN1导通到地。由于交叉耦合NMOS交替导通，有效抵消了导通电压。
天线上的交流信号会始终对电容充电，由于PMOS开关电路320和超低功率二极管均导通，则Vcap始终小于A1或A2一个阈值电压，且输出始终大于Vcap一个阈值电压，故输出和输入相等(可以参见公式1)，抵消了阈值损耗，又由于防止了回流提高了能量转换效率(关键波形见图3所示)。
如图3所示，改进自举型MOS整流电路的关键波形，输入为一对正负电压为10V，频率为100MHz的交流信号。电源输出负载为50欧姆，该电路在稳定时，自举电容达到低于输出幅度一个阈值电压的电压VCAP约为5.0V，输出电压Vo为6.5V，其输出的功率为0.845W。能量转换效率为70％，对比现有产品中具有相同面积下的肖特基二极管的效率为54％，相同工艺下传统的MOS整流效率为46％，有了明显提高。
值得一提的是，本发明的整流电路，其整流电压范围可以达到MOS管所能承受的最大电压(通常可以达到30V左右)；其整流的频率范围大致可以满足目前广泛应用的集成隔离电源模块中谐振频率(通常可以满足为500MHz左右)。并且本发明提出的改进自举型MOS整流电路不仅可以应用于隔离器中的电源转换模块也可应用于射频识别领域，亦可用于AC-DC变换器等涉及到高频整流电路的系统中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带自举电路的整流电路，其包括：
NMOS交叉耦合输入级电路，用于接收一个正负跳变的交流信号；
PMOS开关输出级电路，用于对接收到的所述交流信号实现整流并且提供输出电流；
自举电路，其包括二极管连接的PMOS管和电容，用于提供PMOS开关输出级的开启电压以抵消阈值损耗；
其中，所述交叉耦合连接的NMOS输入级电路包括交叉耦合连接的第一NMOS管和第二NOMS管；
所述PMOS开关输出级电路320包括栅极互联的第一PMOS管和第二PMOS管；
所述自举电路包括第三PMOS管和自举电容，所述第三PMOS管的源极接输出电压，漏极和栅极接所述自举电容，其利用二极管连接的第三PMOS管向所述自举电容提供充放电回路，并且使得所述自举电容充电至小于所述PMOS开关输出级电路中第一PMOS管或第二PMOS管MP2的源级一个阈值电压的电位。
2.如权利要求1所述的整流电路，其中，所述自举电路还包括第三NMOS管，其串接在所述第三PMOS管后，与所述第三PMOS管形成超低功率二极管。
3.如权利要求1或2所述的整流电路，其中，所述第一NMOS管和第二NMOS管采用相同标准的CMOS工艺形成，且参数设置于输出功率的大小匹配。
4.如权利要求1或2所述的整流电路，其中，所述第一PMOS管和第二PMOS管采用相同标准的CMOS工艺形成，且参数设置于输出功率的大小匹配。
5.如权利要求1或2所述的整流电路，其中，所述第一PMOS管和第二PMOS管源极分别连接所述正负跳变的交流信号的正负极，漏极连接至输出电压，栅极相互连接。
6.如权利要求1所述的整流电路，其中，所述第三PMOS管的源极连接至输出电压，漏极连接至电容的上极板，栅极连接至第一PMOS管和第二PMOS管的栅极，且栅极与漏极相连。
7.如权利要求2所述的整流电路，其中，所述第三PMOS管的源极连接至输出电压，漏极连接至第三NMOS管的漏极，栅极连接至第一PMOS管和第二PMOS管的栅极，所述第三NMOS管的源极连接至电容的上极板，栅极连接至输出电压。
8.一种全集成隔离电源模块，其包括：
振荡器，用于将直流电压逆变成交流信号；
微型变压器，用于对所述交流信号进行耦合传输；
如权利要求1-7任一项所述的整流电路，用于对耦合传输后的交流电压进行整流，得到输出信号；
反馈控制器，用于检测输出电压的变化以稳定输出电压。
9.一种无源智能卡芯片，其包括：
天线，用于接收高频的交流信号；
如权利要求1-7任一项所述的整流电路，用于对接收到的交流信号进行整流滤波，以获得直流能量对所述无源智能卡芯片进行供电；
负载。
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