CN107039964A - 一种电源反向保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源反向保护电路，其包含：高压NMOS管，其源端与衬底端分别连接外部电源VDD，其漏端作为所述电压反向保护电路的输出端连接所述内部电路的输入端，该漏端电压为VDDI；电荷泵电路，其输入端连接VDDI，其地端接地GND；栅端控制电路，其输入端连接所述电荷泵电路的输出端，其输出端连接所述高压NMOS管的栅端，其第一参考端连接外部电源VDD，其第二参考端连接VDDI。其优点是：该电源反向保护电路在实现反向保护功能的同时具备较低的启动工作电压以降低反向保护管的功率损耗。

Description

一种电源反向保护电路
技术领域
本发明涉及模拟电源技术领域，具体涉及一种电源反向保护电路。
背景技术
如图1，传统反向保护电路采用NMOS管作为反向保护电路，源端、衬底端、栅端都接VDD，漏端为反向保护电路输出电压VDDI。其中，VDD=VDDI+Vthn（Vthn为NMOS管开启阈值电压，一般在0.7V左右），或者VDD=VDDI+VBE（VBE为NMOS管衬底端到漏端的寄生二极管导通压降，一般在0.7V左右）。上述0.7V左右的电压导致电路启动电压偏高，以及功耗偏大等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源反向保护电路，连接需要被反向保护的内部电路，其采用高压NMOD管作为反向保护管，通过增加电荷泵电路和栅端控制电路，使得该电源反向保护电路在实现反向保护功能的同时具备较低的启动工作电压。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种电源反向保护电路，其特征是，该电源反向保护电路的输出端连接一需要被反向保护的内部电路的输入端，该内部电路的输出端接地GND，所述的电源反向保护电路包含：
高压NMOS管，其源端与衬底端分别连接外部电源VDD，其漏端作为所述电压反向保护电路的输出端连接所述内部电路的输入端，该漏端电压为VDDI；
电荷泵电路，其输入端连接VDDI，其地端接地GND；
栅端控制电路，其输入端连接所述电荷泵电路的输出端，其输出端连接所述高压NMOS管的栅端，其第一参考端连接外部电源VDD，其第二参考端连接VDDI；
当外部电源VDD电位低于地GND电位，电荷泵电路不工作，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与源端短接使高压NMOS管关断，实现电源反向保护；
当外部电源VDD电位高于地GND电位，电荷泵电路工作，电荷泵电路的输出端输出一个较其输入端VDDI高的电位VPP，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与VPP短接使高压NMOS管开启，此时VDD=Vdson+VDDI，其中，Vdson为高压NMOS管的导通后源漏压差，实现较低的工作启动电压。
上述的电源反向保护电路，其中，所述的栅端控制电路包含：
第一高压PMOS管，其漏端连接高压NMOS管的栅端，其源端与衬底端分别连接所述电荷泵电路的输出端，其栅端连接VDDI；
第一电阻，其一端连接高压NMOS管的栅端，其另一端连接外部电源VDD。
上述的电源反向保护电路，其中，所述的栅端控制电路包含：
第二高压PMOS管，其栅端连接VDDI，其源端与衬底端分别连接电荷泵电路的输出端，其漏端连接高压NMOS管的栅端；
电流镜，由第一NMOS管和第二NMOS管构成；所述第一NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第一NMOS管的栅极和漏极短接；所述第二NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第二NMOS管的栅端连接第一NMOS关的栅端，第二NMOS管的漏端连接高压NMOS管的栅端；
第二电阻，一端连接VDDI，另一端连接第一NMOS管的漏端。
上述的电源反向保护电路，其中，
所述的第一电阻采用poly电阻。
上述的电源反向保护电路，其中，
所述的第二电阻采用poly电阻。
本发明与现有技术相比具有以下优点：该电源反向保护电路在实现反向保护功能的同时具备较低的启动工作电压以降低反向保护管的功率损耗。
附图说明
图1为现有技术中电源反向保护电路的电路图；
图2为本发明的电源反向保护电路的电路图；
图3为本发明一实施例中的电源反向保护电路的具体电路；
图4为本发明一实施例中的电源反向保护电路的具体电路。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图2所示， 一种电源反向保护电路，该电源反向保护电路的输出端连接一需要被反向保护的内部电路的输入端，该内部电路的输出端接地GND，内部电路作为反向保护电路的负载电路，即需要被反向保护的内部模块，所述的电源反向保护电路包含：高压NMOS管，其源端与衬底端分别连接外部电源VDD，其漏端作为所述电压反向保护电路的输出端连接所述内部电路的输入端，该漏端电压为VDDI，本示例中，以6V作为NMOS管高压与低压的分界； 电荷泵电路（charge pump），其输入端连接VDDI，其地端接地GND，电荷泵电路结构自选，其工作原理是利用电容将电荷从低电位搬到高电位，使输出电位高于输入电位；栅端控制电路，其输入端连接所述电荷泵电路的输出端，其输出端连接所述高压NMOS管的栅端，其第一参考端vd1连接外部电源VDD，其第二参考端vd2连接VDDI。
当电源反向（外部电源VDD电位低于地GND电位），电荷泵电路不工作，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与源端短接使高压NMOS管关断，实现电源反向保护；
当电源正向（外部电源VDD电位高于地GND电位），电荷泵电路工作，电荷泵电路的输出端输出一个较其输入端VDDI高的电位VPP，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与VPP短接使高压NMOS管开启，此时VDD=Vdson+VDDI，其中，Vdson为高压NMOS管的导通后源漏压差，实现较低的工作启动电压。
本发明的栅端控制电路的实现方式有很多，但必须包含两个电路：栅端开启电路，栅端关断电路；当电源反向，栅端关断电路工作，栅端开启电路不工作或者不影响栅端关断电路；当电源正向，栅端开启电路工作，栅端关断电路不工作或不影响栅端开启电路。
以下举2个具体实施例电路结构，但不限于此：
实施例一
如图3所示，所述的栅端控制电路包含：第一高压PMOS管PMOS1，其漏端连接高压NMOS管的栅端，其源端与衬底端分别连接所述电荷泵电路的输出端，其栅端连接VDDI，本示例中，以6V作为PMOS管高压与低压的分界；第一电阻R1，采用poly电阻，其一端连接高压NMOS管的栅端，其另一端连接外部电源VDD。应当注意的是，R1不能采用diffusion电阻或阱电阻，因为diffusion电阻或阱电阻与SUB端存在寄生二极管。
上述电路的工作原理是，当电源反向(VDD电位低于GND电位)，PMOS1关断，电阻R1将NMOS 栅端电位拉低到源端电位，高压NMOS管也关断。GND到VDD无电流通路，电路实现反向保护功能。当电源正向(VDD电位高于GND电位)，电荷泵电路工作， 所以VPP高于VDDI。当VPP-VDDI>VTH_P(VTH_P为高压PMOS管PMOS1的开启阈值电压)， PMOS1将开启。当PMOS1开启，其漏端电位等于其源端电位，即NMOS管栅端电位等于VPP电位。当VPP-VDDI>VTH_N(VTH_N为高压NMOS管的开启阈值电压)，高压NMOS管也开启。高压NMOS管开启，VDD = Vdson + VDDI，其中Vdson为高压NMOS管的源漏导通压降，一般为几百甚至几十mV。而传统反向保护电路，VDD =VBE + VDDI，VBE约为0.7V。基于Vdson<VBE，所以与传统电路相比，本电路启动电压较低，而且高压NMOS管的功率损耗也较低。
实施例二
如图4所示，所述的栅端控制电路包含：第二高压PMOS管PMOS1，其栅端连接VDDI，其源端与衬底端分别连接电荷泵电路的输出端，其漏端连接高压NMOS管的栅端，本示例中，以6V作为PMOS管高压与低压的分界；电流镜，由第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2构成；所述第一NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第一NMOS管的栅极和漏极短接；所述第二NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第二NMOS管的栅端连接第一NMOS关的栅端，第二NMOS管的漏端连接高压NMOS管的栅端；第二电阻R1, 采用poly电阻，一端连接VDDI，另一端连接第一NMOS管的漏端。
相较图3的电路，本栅端控制电路由PMOS1、NMOS1、NMOS2、R1替换。上述电路的工作原理是，当电源反向(VDD电位低于GND电位)，PMOS1管关断。NOMS2与NMOS1为电流镜结构，当电阻R1有电流流过，NMOS2将NMOS管栅端电位拉到VDD端电位。高压NMOS管的源端与栅端端短接，该高压NMOS管关断，GND到VDD无电流通路，电路实现反向保护功能。当电源正向(VDD电位高于GND电位)，同样电荷泵电路工作，输出电位VPP相对输入电位VDDI被抬高。同图3电路，PMOS1开启，高压NMOS管也开启。VDD = Vdson + VDDI。其中NMOS1、NMOS2在电源正向情况下都关断。
综上所述，本发明的电源反向保护电路，实现在电源反向工作模式下，电荷泵电路不工作，栅端控制电路将高压NMOS管关断，反向耐压可达几十伏特，同时实现在电源正向条件下，降低启动电压。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种电源反向保护电路，其特征在于，该电源反向保护电路的输出端连接一需要被反向保护的内部电路的输入端，该内部电路的输出端接地GND，所述的电源反向保护电路包含：
高压NMOS管，其源端与衬底端分别连接外部电源VDD，其漏端作为所述电压反向保护电路的输出端连接所述内部电路的输入端，该漏端电压为VDDI；
电荷泵电路，其输入端连接VDDI，其地端接地GND；
栅端控制电路，其输入端连接所述电荷泵电路的输出端，其输出端连接所述高压NMOS管的栅端，其第一参考端连接外部电源VDD，其第二参考端连接VDDI；
当外部电源VDD电位低于地GND电位，电荷泵电路不工作，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与源端短接使高压NMOS管关断，实现电源反向保护；
当外部电源VDD电位高于地GND电位，电荷泵电路工作，电荷泵电路的输出端输出一个较其输入端VDDI高的电位VPP，栅端控制电路将高压NMOS管的栅端与VPP短接使高压NMOS管开启，此时VDD=Vdson+VDDI，其中，Vdson为高压NMOS管的导通后源漏压差，实现较低的工作启动电压。
2.如权利要求1所述的电源反向保护电路，其特征在于，所述的栅端控制电路包含：
第一高压PMOS管，其漏端连接高压NMOS管的栅端，其源端与衬底端分别连接所述电荷泵电路的输出端，其栅端连接VDDI；
第一电阻，其一端连接高压NMOS管的栅端，其另一端连接外部电源VDD。
3.如权利要求1所述的电源反向保护电路，其特征在于，所述的栅端控制电路包含：
第二高压PMOS管，其栅端连接VDDI，其源端与衬底端分别连接电荷泵电路的输出端，其漏端连接高压NMOS管的栅端；
电流镜，由第一NMOS管和第二NMOS管构成；所述第一NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第一NMOS管的栅极和漏极短接；所述第二NMOS管的源端与衬底端分别连接外部电源VDD，第二NMOS管的栅端连接第一NMOS关的栅端，第二NMOS管的漏端连接高压NMOS管的栅端；
第二电阻，一端连接VDDI，另一端连接第一NMOS管的漏端。
4.如权利要求2所述的电源反向保护电路，其特征在于：
所述的第一电阻采用poly电阻。
5.如权利要求3所述的电源反向保护电路，其特征在于：
所述的第二电阻采用poly电阻。
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