CN105711264B - 单向导通电路及供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单向导通电路，尤其涉及一种低成本、低压降的单向导通电路及供电系统。包括总输入端、总输出端、以及设置在所述输入端和所述输出端之间的单向导通单元、控制单元、监测单元、以及保护单元；所述单向导通单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述控制单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述监测单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述监测单元的监测输出端连接所述控制单元的第一控制端；所述保护单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述保护单元的选择输出端连接所述控制单元的第二控制端。本发明的单向导通单元使得由电源端至芯片端的电压压降由原来的0.7V减少为0.1‑0.2V，仅为原来的30%不到，大大减少了单向导通单元的功耗。

Description

单向导通电路及供电系统
技术领域
本发明涉及一种单向导通电路，尤其涉及一种低成本、低压降的单向导通电路及供电系统。
背景技术
现有的耗材容器，比如用于喷墨打印机的墨盒，当打印机端电压掉电后仍然需要对芯片进行供电。授权公告号CN 202513599 U，授权公告日2012年10月31日的实用新型专利公开了一种充电电路、存储芯片及耗材容器。该充电电路将二极管器件焊接在电路板上作为单向导通单元，将电容作为储能单元。储能单元在电源供电时存储能量，在掉电时为芯片供电。二极管在电源掉电、电容放电时，防止电路上的电流倒灌入电源端。
但是，二极管的成本较高、两端压降也较高。如图1，打印机端的电源信号VDD通过VIN连入二极管D1和电容C1再连入VIN_IC给芯片供电。二极管D1在VIN和VIN_IC之间起单向导通的作用，使电流只能由VIN向VIN_IC方向流动；电容C1在VIN_IC与GND之间起到储能的作用，使芯片在打印机端的电源掉电后仍然可以通过电容C1存储的电量工作一段时间。如图2，打印机端VDD的电压为3.3V、二极管D1的压降为0.7V，最终施加到芯片端的电压VIN_IC仅仅只有2.6V。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种单向电路及供电系统。本发明的技术方案如下：
一种单向导通电路，其特征在于：包括总输入端、总输出端、以及设置在所述总输入端和所述总输出端之间的单向导通单元、控制单元、监测单元、以及保护单元；所述单向导通单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述控制单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述监测单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述监测单元的监测输出端连接所述控制单元的第一控制端；所述保护单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述保护单元的选择输出端连接所述控制单元的第二控制端。
作为优选，所述单向导通单元包括单向导通晶体管，所述单向导通晶体管的源极连接所述总输入端，所述单向导通晶体管的栅极连接所述总输出端，所述单向导通晶体管的漏极连接所述总输出端，所述单向导通晶体管的衬底连接所述总输出端。
作为优选，所述控制单元包括控制晶体管，所述控制晶体管的源极连接所述总输入端，所述控制晶体管的栅极连接所述监测单元的监测输出端，所述控制晶体管的漏极连接所述总输出端，所述控制晶体管的衬底连接所述保护单元的选择输出端。
作为优选，所述监测单元包括反向模块、以及调整模块；所述反向模块连接所述总输入端和所述总输出端，所述调整模块连接所述反向模块。
作为优选，所述反向模块包括第一反向晶体管和第二反向晶体管；所述第一反向晶体管的源极连接所述总输出端，所述第一反向晶体管的漏极连接所述第二反向晶体管的漏极，所述第一反向晶体管的栅极连接所述第二反向晶体管的栅极，所述第一反向晶体管的衬底连接所述总输出端；所述第二反向晶体管的源极接地，所述第二反向晶体管的栅极连接所述第一反向晶体管的栅极，所述第二反向晶体管的漏极连接所述第一反向晶体管的漏极，所述第二反向晶体管的衬底接地；所述调整模块为电流调整模块，所述电流调整模块连接所述第一反向晶体管的源极和漏极。
作为优选，所述反向模块包括限流电阻，所述限流电阻的输入端连接所述总输入端，所述限流电阻的输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
作为优选，所述反向模块包括第一反向晶体管和第二反向晶体管；所述第一反向晶体管的源极连接所述总输出端，所述第一反向晶体管的漏极连接所述第二反向晶体管的漏极，所述第一反向晶体管的栅极连接所述第二反向晶体管的栅极，所述第一反向晶体管的衬底连接所述总输出端；所述第二反向晶体管的源极接地，所述第二反向晶体管的栅极连接所述第一反向晶体管的栅极，所述第二反向晶体管的漏极连接所述第一反向晶体管的漏极，所述第二反向晶体管的衬底接地；所述调整模块为电压调整模块，所述电压调整模块的调整输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
作为优选，所述电压调整模块包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的输入端连接所述总输入端，所述第一分压电阻的输出端连接所述第二分压电阻的输入端，所述第二分压电阻的输出端接地，所述第一分压电阻的输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
作为优选，所述保护单元包括第一选择晶体管和第二选择晶体管，所述第一选择晶体管的源极连接所述总输入端，所述第一选择晶体管的栅极连接所述总输出端，所述第一选择晶体管的漏极连接所述控制单元的第二控制端，所述第一选择晶体管的衬底连接所述控制单元的第二控制端；所述第二选择晶体管的源极连接所述总输出端，所述第二选择晶体管的栅极连接所述总输入端，所述第二选择晶体管的漏极连接所述控制单元的第二控制端，所述第二选择晶体管的衬底连接所述控制单元的第二控制端。
一种供电系统，包括电源和电源输出端口；其特征在于：所述电源和所述电源输出端口之间设有如前所述的一种单向导通电路；所述电源的输出端连接所述单向导通电路的总输入端，所述单向导通电路的总输出端连接所述电源输出端口；所述单向导通电路的总输出端连接储能电容。
所述单向导通单元保证所述总输入端和所述总输出端之间电流的单向性，所述监测单元监测所述总输入端的输入电压，并将监测结果输出至所述控制单元的控制端。所述控制单元连接在所述总输入端和所述总输出端之间，根据所述监测单元的监测结果连通或者断开。所述控制单元在连通时，保证所述总输入端和所述总输出端之间的超低压降，并且在断开时防止储能电容释放的电能倒灌入所述控制单元。
本发明的单向导通单元使得由电源端至芯片端的电压压降由原来的0.7V减少为0.1-0.2V，仅为原来的30%不到，大大减少了单向导通单元的功耗。整个单向导通电路仅由晶体管和电阻组成，电路元器件组成成分少，电路稳定性高，响应速度快。晶体管和电阻都为无源器件，不需要额外的电源电路来开启工作，功耗更低，电路工作性能更稳定。直接蚀刻在芯片晶圆上时的占用面积更小，降低芯片的成本，简化了整个供电系统的结构，提高了供电系统的工作稳定性。
附图说明
图1为现有技术供电系统图。
图2图1中供电系统的电压曲线图。
图3采用图1的供电系统的打印机系统示意图。
图4 本发明的供电系统示意图。
图5图4中供电系统的电压曲线图。
图6采用图4的供电系统的打印机系统示意图。
图7实施例一单向导通电路原理图。
图8实施例二单向导通电路原理图。
图9实施例三单向导通电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图6，一种打印机系统，包括打印机以及带有芯片的墨盒。芯片包括芯片控制电路、存储电路、以及单向导通电路。控制电路连接存储单路，控制电路连接单向导通电路。芯片输入端外接蓄电电路。打印机电源、单向导通电路、以及蓄电电路构成了为芯片供电的供电系统。打印机电源通过单向导通电路连接至芯片，为芯片供电，同时蓄电电路进行蓄电。打印机掉电以后。蓄电电路释放电能为芯片供电。
实施例一
如图4， 本实施例中打印机端输出电源VDD至单向导通电路的总输入端IN，经过单向导通电路的总输出端OUT输出至芯片。单向导通电路的总输出同连接有储能电容C1，储能电容C1的另一端接地。
如图7，单向导通电路由PMOS管（也可以为NMOS管，本实施例中以PMOS管为例进行描述）MP1，MP2，MP3，MP4，MP5，MP6和NMOS管（也可以为PMOS管，本实施例中以NMOS管为例进行描述）MN1以及电阻R1组成。
MP5连接在总输入端IN和总输出端OUT之间。MP5的栅极、漏极以及衬底连接到总输出端OUT，源极连接到总输入端IN。MP5起到一个连接到IN和OUT之间的单向导通单元的作用，相当于一个压降为0.6V的二极管。
MP1连接在总输入端IN和总输出端OUT之间，MP1的栅极连接在由MP4，MN1，MP6组成的监测单元的输出， MP1的源极连接总输入端IN，MP1的漏极连接总输出端OUT。
MP6，MP4，MN1组成监测单元，一端连接总输出端OUT，另一端接地GND。MP6的源极和衬底都连接到总输出端OUT,MP6的漏极连接到MP1的栅极，MP6的栅极连接到地GND；MP4的源极和衬底都连接到总输出端OUT, MP4的漏极连接到MP1的栅极，MP4的栅极连接到电阻R1的负端；MN1的源极和衬底都连接到地GND，MN1的漏极连接到MP1的栅极，MN1的栅极连接到R1的负端。R1的正端连接总输入端IN，R1的负端接MP4和MN1的栅极，起限流电阻的作用，保护MP4和MN1的栅极不会受到突然的大电压而导致烧毁。
MP2，MP3连接在总输入端IN与总输出端OUT之间，组成用于保护MP1的保护单元。MP2的源极连接总输入端IN，MP2的栅极连接总输出OUT，MP2的漏极和衬底短接到MP1的衬底并且与MP3的漏极和衬底短接；MP3的源极连接总输出端OUT, MP3的栅极连接总输入端IN,MP3的漏极和衬底短接到MP1的衬底并且与MP2的漏极和衬底短接。MP2和MP3构成的MP1的衬底的选择电路，使MP1的衬底电位选择总输入IN和总输出端OUT中较高的电位，保证MP1管不会发生内部漏电。
VIN与VOUT之间的压降：
Vdrop=Iload*Rmp1；
其中，Iload指的是总输出端OUT端带的等效负载；Rmp1指的是mp1的等效阻抗。
其中，Kp指的是MP1的跨导参数；L和W分别为MP1的栅长和栅宽；Vsg指的是MP1的源级和栅极之间的电压差；Vth指的是MP1的阈值电压。
监测单元的MP4和MN1组成反相器，监测总输入端IN的输入电流；MP6通过调整反相器的反转点，调整监测单元输出至MP1的栅极的电信号来调整MP1的栅极电压：
当总输入端IN端电压等于VDD时，将MP1的栅极电压置为0，使MP1强导通。储能电容C1通过MP1进行大电流充电，直到储能电容C1两端的电压等于VDD。当总输入端IN的电压下降到VDD-Vth<VIN<VDD时，将MP1的栅极电压置为VOUT。此时MP1被关断，也等同于二极管连接，从而保证总输出端OUT外接的储能电容C1的电量不会往总输入端IN倒灌漏电。
实施例二
如图8，单向导通电路由PMOS管（也可以为NMOS管，本实施例中以PMOS管为例进行描述）MP1，MP2，MP3，MP4，MP5和NMOS管（也可以为PMOS管，本实施例中以NMOS管为例进行描述）MN1以及电阻R1、R2组成。本实施例与实施例一的监测单元有所不同，其余部分均与实施例一相同，不再赘述。
R2，MP4，MN1组成监测单元，一端连接总输出端OUT，另一端接地GND。电阻R2的正端接输出端OUT，电阻R2的负端接MP1的栅极、MP4的漏极、以及MN1的源极；MP4的源极和衬底都连接到总输出端OUT, MP4的漏极连接到MP1的栅极，MP4的栅极连接到电阻R1的负端；MN1的源极和衬底都连接到地GND，MN1的漏极连接到MP1的栅极，MN1的栅极连接到R1的负端。R1的正端连接总输入端IN，R1的负端接MP4和MN1的栅极，起限流电阻的作用，保护MP4和MN1的栅极不会受到突然的大电压而导致烧毁。
监测单元的MP4和MN1组成反相器，监测总输入端IN的输入电流；电阻R2通过调整反相器的反转点，调整监测单元输出至MP1的栅极的电信号来调整MP1的栅极电压。
实施例三
如图8，单向导通电路由PMOS管（也可以为NMOS管，本实施例中以PMOS管为例进行描述）MP1，MP2，MP3，MP4，MP5和NMOS管（也可以为PMOS管，本实施例中以NMOS管为例进行描述）MN1以及电阻R1、R2组成。本实施例与实施例一的监测单元有所不同，其余部分均与实施例一相同，不再赘述。
R1，R2，MP4，MN1组成监测单元，一端连接总输出端OUT，另一端接地GND。R1的正端接总输入端IN, R1的负端接MP4和MN1的栅极；R2的正端接MP4和MN1的栅极，R2的负端接GND；MP4的源极和衬底都连接到总输出端OUT, MP4的漏极连接到MP1的栅极，MP4的栅极连接到电阻R1的负端；MN1的源极和衬底都连接到地GND，MN1的漏极连接到MP1的栅极，MN1的栅极连接到R1的负端。R1的正端连接总输入端IN，R1的负端接MP4和MN1的栅极，起限流电阻的作用，保护MP4和MN1的栅极不会受到突然的大电压而导致烧毁。
监测单元的MP4和MN1组成反相器，监测总输入端IN的输入电流；电阻R1和R2组成分压电路通过调整反相器输入电压，调整监测单元输出至MP1的栅极的电信号来调整MP1的栅极电压。
如图5，本发明的单向导通单元使得由电源端至芯片端的电压压降由原来的0.7V减少为0.1-0.2V，仅为原来的30%不到，大大减少了单向导通单元的功耗。整个单向导通电路仅由晶体管和电阻组成，电路元器件组成成分少，电路稳定性高，响应速度快。晶体管和电阻都为无源器件，不需要额外的电源电路来开启工作，功耗更低，电路工作性能更稳定。直接蚀刻在芯片晶圆上时的占用面积更小，降低芯片的成本，简化了整个供电系统的结构，提高了供电系统的工作稳定性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (9)

1.一种单向导通电路，其特征在于：单向导通电路由MOS管和电阻组成；所述单向导通电路集成在晶圆上，其包括总输入端、总输出端、以及设置在所述总输入端和所述总输出端之间的单向导通单元、控制单元、监测单元、以及保护单元；所述单向导通单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述控制单元连接所述总输入端和所述总输出端；所述监测单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述监测单元的监测输出端连接所述控制单元的第一控制端；所述保护单元连接所述总输入端和所述总输出端，所述保护单元的选择输出端连接所述控制单元的第二控制端；所述单向导通单元包括单向导通晶体管，所述单向导通晶体管的源极连接所述总输入端，所述单向导通晶体管的栅极连接所述总输出端，所述单向导通晶体管的漏极连接所述总输出端，所述单向导通晶体管的衬底连接所述总输出端。
2.根据权利要求1所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述控制单元包括控制晶体管，所述控制晶体管的源极连接所述总输入端，所述控制晶体管的栅极连接所述监测单元的监测输出端，所述控制晶体管的漏极连接所述总输出端，所述控制晶体管的衬底连接所述保护单元的选择输出端。
3.根据权利要求1所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述监测单元包括反向模块、以及调整模块；所述反向模块连接所述总输入端和所述总输出端，所述调整模块连接所述反向模块。
4.根据权利要求3所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述反向模块包括第一反向晶体管和第二反向晶体管；所述第一反向晶体管的源极连接所述总输出端，所述第一反向晶体管的漏极连接所述第二反向晶体管的漏极，所述第一反向晶体管的栅极连接所述第二反向晶体管的栅极，所述第一反向晶体管的衬底连接所述总输出端；所述第二反向晶体管的源极接地，所述第二反向晶体管的栅极连接所述第一反向晶体管的栅极，所述第二反向晶体管的漏极连接所述第一反向晶体管的漏极，所述第二反向晶体管的衬底接地；所述调整模块为电流调整模块，所述电流调整模块连接所述第一反向晶体管的源极和漏极。
5.根据权利要求4所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述反向模块包括限流电阻，所述限流电阻的输入端连接所述总输入端，所述限流电阻的输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
6.根据权利要求3所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述反向模块包括第一反向晶体管和第二反向晶体管；所述第一反向晶体管的源极连接所述总输出端，所述第一反向晶体管的漏极连接所述第二反向晶体管的漏极，所述第一反向晶体管的栅极连接所述第二反向晶体管的栅极，所述第一反向晶体管的衬底连接所述总输出端；所述第二反向晶体管的源极接地，所述第二反向晶体管的栅极连接所述第一反向晶体管的栅极，所述第二反向晶体管的漏极连接所述第一反向晶体管的漏极，所述第二反向晶体管的衬底接地；所述调整模块为电压调整模块，所述电压调整模块的调整输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
7.根据权利要求6所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述电压调整模块包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的输入端连接所述总输入端，所述第一分压电阻的输出端连接所述第二分压电阻的输入端，所述第二分压电阻的输出端接地，所述第一分压电阻的输出端连接所述第一反向晶体管的栅极。
8.根据权利要求1所述的一种单向导通电路，其特征在于：所述保护单元包括第一选择晶体管和第二选择晶体管，所述第一选择晶体管的源极连接所述总输入端，所述第一选择晶体管的栅极连接所述总输出端，所述第一选择晶体管的漏极连接所述控制单元的第二控制端，所述第一选择晶体管的衬底连接所述控制单元的第二控制端；所述第二选择晶体管的源极连接所述总输出端，所述第二选择晶体管的栅极连接所述总输入端，所述第二选择晶体管的漏极连接所述控制单元的第二控制端，所述第二选择晶体管的衬底连接所述控制单元的第二控制端。
9.一种供电系统，包括电源和电源输出端口；其特征在于：所述电源和所述电源输出端口之间设有如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的一种单向导通电路；所述电源的输出端连接所述单向导通电路的总输入端，所述单向导通电路的总输出端连接所述电源输出端口；所述单向导通电路的总输出端连接储能电容。
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