CN108549455A - 一种具有宽输入范围的降压电路 - Google Patents

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    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

Abstract

一种具有宽输入范围的降压电路，属于电力电子技术领域。包括基准电路、降压调整电路和反馈控制电路，基准电路利用工作在亚阈区的第一PMOS管和第二PMOS管产生稳定的内部电压；降压调整电路用于将宽范围的外界输入电压降低到稳定的输出电压；反馈控制电路通过基准电路对输出电压进行采样，并与降压调整电路连接成环，形成稳定的负反馈结构。本发明提出的降压结构适用于宽电压输入范围，可以实现在简单的降压电路结构下，对较高且变化的输入电压进行降压、稳压处理，产生不受输入电压影响的恒定输出电压；而且本发明不含双极型晶体管，适用于某些特定工艺与特殊应用场合，适用性强，版图面积较小。

Description

一种具有宽输入范围的降压电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种降压电路，特别涉及一种不含双极型晶体管的具有宽输入范围的降压电路。
背景技术
在宽输入电压范围的系统中，由变化范围很广的输入电压产生一个供系统内部使用的不受输入电压变化影响的稳定电压是非常关键和必要的。这种稳定电压可以作为系统内部电源或偏置提供给其它电路模块，如基准模块、过温保护模块等等。降压电路是电源管理芯片的重要组成，对外直接承接外部输入的电源电压，对内转换为可供内部使用的稳定电压。降压电路一般需要在较宽的电压输入范围、较大的温度变化范围内正常工作，要求功耗低、性能稳定，有较好的温度特性，版图的占用面积也要尽可能小。
随着电源管理芯片应用范围的不断拓宽，核工业、航空航天等领域对电源管理芯片提出了额外需求，由于双极型晶体管在接受高能粒子照射时很容易失效，因此亟待设计一种不含双极型晶体管的降压电路结构。利用场效应晶体管工作于亚阈区时电流、电压的指数型关系，可以设计一款不含双极型晶体管的降压电路，但是现有的不含双极型晶体管的降压电路结构复杂，外界电压输入范围窄，电路面积大、成本高。
发明内容
针对上述降压电路存在的电路结构复杂、电路面积大和输入电压范围窄等不足之处，本发明提出一种降压电路，不含双极型晶体管，电路结构简单、版图面积小，输入电压范围宽。
本发明的技术方案为：
一种具有宽输入范围的降压电路，包括降压调整电路、基准电路和反馈控制电路，
所述基准电路包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，
第一PMOS管MP1的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第三电阻R3的一端；
第二PMOS管MP2的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第一电阻R1的一端；
第二电阻R2的一端连接第一电阻R1的另一端，其另一端连接第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端作为所述降压电路的输出端；
所述降压调整电路包括高压管HVM1和第五电阻R5，
高压管HVM1的漏极连接第五电阻R5的一端并连接输入电压VIN，其栅极连接第五电阻R5的另一端，其漏极和衬底短接并连接所述降压电路的输出端；
所述反馈控制电路包括运算放大器、电容C1和第一NMOS管MN1，
运算放大器的正向输入端连接所述基准电路中第一PMOS管MP1的源极，其负向输入端连接所述基准电路中第一电阻R1和第二电阻R2的连接点，其输出端连接第一NMOS管MN1的栅极和电容C1的一端；
第一NMOS管MN1的衬底和源极接地，其漏极连接电容C1的另一端和所述降压调整电路中高压管HVM1的栅极。
本发明的有益效果为：本发明提出的降压电路，具有宽电压输入范围，电路结构简单；同时由于本发明不含双极型晶体管，具有适用性强和版图面积小的优点。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有宽输入范围的降压电路的结构示意图。
图2为本发明提出的一种具有宽输入范围的降压电路在宽输入电压范围内的输入-输出波形示意图。
具体实施方式
本发明的附图用来提供对发明的进一步理解，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的工作原理。
本发明提出的降压电路如图1所示，包括基准电路、降压调整电路和反馈控制控制电路。基准电路利用工作在亚阈区的MOS器件产生稳定的内部电压；降压调整电路用于将宽范围的外界输入电压VIN降低到稳定的输出电压VOUT；反馈控制电路通过基准电路对输出电压VOUT进行采样，并与降压调整电路连接成环，形成稳定的负反馈结构。本发明提出的降压结构适用于宽电压输入范围，可以实现在简单的降压电路结构下，对较高且变化的输入电压VIN进行降压、稳压处理，产生不受输入电压影响的恒定输出电压VOUT；而且本发明不含双极型晶体管，适用于某些特定工艺与特殊应用场合，适用性强，版图面积较小。
如图1所示，基准电路包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，第一PMOS管MP1的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第三电阻R3的一端并记为节点X；第二PMOS管MP2的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第一电阻R1的一端；第二电阻R2的一端连接第一电阻R1的另一端并记为节点Y，其另一端连接第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端作为降压电路的输出端。
利用反馈控制电路中运算放大器进行钳位，使得基准电路内部X节点和Y节点具有相同电压电位。由于参数的设置，电路接入外部电源的输入电压VIN后，第一PMOS管MP1与第二PMSO管MP2将工作于亚阈区，其电压电流具有指数变化关系，设置晶体管尺寸参数，使得第一PMOS管MP1源端与第二PMOS管MP2源端的电压差呈正温度系数，该压差落在第一电阻R1上，故流经第一电阻R1的呈正温度系数。由于X节点和Y节点电位相同，同时设置第二电阻R2和第三电阻R3具有相同的电阻值，因此基准电路两支路的电流相同，均为正温度系数。第三电阻R3、第二电阻R2和第四电阻R4上电压具有与温度呈正相关的特性。又因为第一PMOS管MP1的栅源电压具有与温度呈负相关的特性，对第一PMOS管MP1上的电压与第三电阻R3和第四电阻R4上的电压求和，通过调节第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的比例，可以得到与温度无关的零温输出电压VOUT。
如图1所示，降压调整电路包括高压管HVM1和第五电阻R5，高压管HVM1的漏极连接第五电阻R5的一端并连接输入电压VIN，其栅极连接第五电阻R5的另一端，其漏极和衬底短接并连接降压电路的输出端。
高压管HVM1为耐高压的NMOS管，高压管HVM1的源极电位由基准电路输出电压VOUT固定，栅极电压由反馈环路确定，漏极电压为外界输入电压VIN。高压管HVM1用于承受外界输入电压VIN与预降压输出的输出电压VOUT的电压差，因此需要有较高的耐压能力，同时其尺寸较大，防止大的负载电流变化引起的较大栅源电压变化。第五电阻R5为高压管HVM1的栅压提供偏置。
如图1所示，反馈控制电路包括运算放大器、电容C1和第一NMOS管MN1，运算放大器的正向输入端连接基准电路中第一PMOS管MP1的源极(即X节点)，其负向输入端连接基准电路中第一电阻R1和第二电阻R2的连接点(即Y节点)，其输出端连接第一NMOS管MN1的栅极和电容C1的一端；第一NMOS管MN1的衬底和源极接地，其漏极连接电容C1的另一端和降压调整电路中高压管HVM1的栅极。
运算放大器的两个输入端对基准电路的X节点和Y节点进行钳位，第一NMOS管MN1将运算放大器的输出反馈到高压管HVM1的栅极，形成负反馈结构，电容C1对反馈环路进行补偿，使环路稳定。
如图2所示是在特定工艺下，本发明提出的一种具有宽输入范围的降压电路在宽输入电压范围内的输入-输出波形示意图，可以看出该工艺下本发明提出的降压电路结构能够适用于3V至40V电压输入，产生1.25V电压输出。
综上所述，本发明提供了一种降压电路结构，利用运算放大器进行电压钳位，确保第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2工作在亚阈区产生稳定电压，利用反馈控制电路将基准电路产生的信号反馈回降压调整电路形成稳定的负反馈结构，使输入电压范围很窄的基准正常工作于几十伏的电压环境；本发明不含启动电路与双极型晶体管，具有版图面积小、结构简单、输入电压范围宽等优点。与传统预降压电路结构相比，不含双极型晶体管使得它的版图面积更小，工艺选择更灵活，应用场合范围更广。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有宽输入范围的降压电路，其特征在于，包括降压调整电路、基准电路和反馈控制电路，
所述基准电路包括第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，
第一PMOS管(MP1)的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第三电阻(R3)的一端；
第二PMOS管(MP2)的栅极、漏极和衬底接地，其源极连接第一电阻(R1)的一端；
第二电阻(R2)的一端连接第一电阻(R1)的另一端，其另一端连接第三电阻(R3)的另一端和第四电阻(R4)的一端，第四电阻(R4)的另一端作为所述降压电路的输出端；
所述降压调整电路包括高压管(HVM1)和第五电阻(R5)，
高压管(HVM1)的漏极连接第五电阻(R5)的一端并连接输入电压(VIN)，其栅极连接第五电阻(R5)的另一端，其漏极和衬底短接并连接所述降压电路的输出端；
所述反馈控制电路包括运算放大器、电容(C1)和第一NMOS管(MN1)，
运算放大器的正向输入端连接所述基准电路中第一PMOS管(MP1)的源极，其负向输入端连接所述基准电路中第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的连接点，其输出端连接第一NMOS管(MN1)的栅极和电容(C1)的一端；
第一NMOS管(MN1)的衬底和源极接地，其漏极连接电容(C1)的另一端和所述降压调整电路中高压管(HVM1)的栅极。
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