CN109004821A - 高压转低压电路以及应用其的电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种高压转低压电路以及应用其的电子装置，其中，高压转低压电路包括：稳压单元，稳压单元的第一端通过第一电阻与高压输入端连接，稳压单元的第二端接地，用于钳位高压输入端的输入高电压；场效应管，场效应管的栅极与稳压单元的第二端连接，场效应管的漏极与高压输入端连接，场效应管的源极作为低压输出端以输出低电压；电容缓冲单元，电容缓冲单元的一端连接场效应管的栅极，另一端接地，以在场效应管的栅极电压随高压输入端的电压上升时，控制栅极电压上升的时间常数。

Description

高压转低压电路以及应用其的电子装置

技术领域

本申请实施例涉及电路技术领域，尤其涉及一种高压转低压电路以及应用其的电子装置。

背景技术

在现有的电源芯片使用时，经常遇到高压转低压的情况，例如需要将10V的电压转换为5V。现有的较为简单的高压转低压电路一般包括mos管，使得在高压转低压的同时通过mos管提供输出电流。

但是现有的高压转低压电路中，若高压输入端上电较快(即电压值上升速度较高)，会导致mos管的栅极电压上升速度较快，但是mos管的源极电压上升速度较慢，进而导致mos管的瞬间冲击电流较大，这个大电流可能使电源芯片过载，或损坏电源芯片，进而使得电源芯片无法正常地供电。

因此，亟待提供一种技术方案，以有效解决高压转低压电路中高压输入端的电压值上升过快导致的mos管中冲击电流较大的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例所解决的技术问题之一在于提供一种高压转低压电路以及应用其的电子装置，用以解决现有技术中高压转低压电路中高压输入端的电压值上升过快导致的mos管中冲击电流较大的问题。

本申请实施例提供了一种高压转低压电路，其包括：

稳压单元，所述稳压单元的第一端通过第一电阻与高压输入端连接，稳压单元的第二端接地，用于钳位所述高压输入端的输入高电压；

场效应管，所述场效应管的栅极与所述稳压单元的第二端连接，场效应管的漏极与所述高压输入端连接，所述场效应管的源极作为低压输出端以输出低电压；

电容缓冲单元，所述电容缓冲单元的一端连接所述场效应管的栅极，另一端接地，以在所述场效应管的栅极电压随所述高压输入端的电压上升时，控制所述栅极电压上升的时间常数。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述稳压单元包括稳压二极管。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述场效应管为高压场效应管。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述电容缓冲单元为低压电容器件。

可选地，在本申请的任一实施例中，其特征在于，所述时间常数为：

τ＝R1*C1，

其中，τ为所述时间常数，R1为所述第一电阻的电阻值，C1为所述电容缓冲单元的等效电容值。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述第一电阻的电阻值和/或所述电容缓冲单元的等效电容值可调整，以调整所述时间常数。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述第一电阻的电阻值和/或所述电容缓冲单元的等效电容值根据所述高压输入端输入电压值的上升速度调整。

可选地，在本申请的任一实施例中，还包括输出单元，所述场效应管的源极与所述输出单元的一端连接，所述输出单元的另一端接地。

可选地，在本申请的任一实施例中，所述输出单元包括并联的第二电阻以及第二电容。

本申请实施例还提供了一种电子装置，其包括如上所述的高压转低压电路。

本申请实施例的高压转低压电路以及应用其的电子装置，通过电容缓冲单元控制时间常数，可以在高压输入端VDD的电压上升时，控制栅电极电压上升的时间常数，从而控制场效应管M1的栅极以及源极之间的电压差，进而可以控制流经场效应管M1的栅极以及源极的电流的电流值的大小，以在高压输入端VDD的电压快速上升时，避免场效应管M1中冲击电流较大的问题，可以有效保护高压转低压电路所在的电源芯片和与该高压转低压电路连接的其他器件。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请实施例的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本申请实施例提供的一种高压转低压电路的电路结构示意图；

图2为去掉图1中的缓冲电容后的高压转低压电路的电路结构示意图；

图3为图2中高压输入端、A’点电压、场效应管的电流、B’点的电压对应的曲线图；

图4为图1中高压输入端、A点电压、场效应管的电流、B点的电压对应的曲线图。

具体实施方式

实施本申请实施例的任一技术方案必不一定需要同时达到以上的所有优点。

为了使本领域的人员更好地理解本申请实施例中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请实施例保护的范围。

下面结合本申请实施例附图进一步说明本申请实施例具体实现。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种高压转低压电路的电路结构示意图，如图1所示，其包括：稳压单元、场效应管M1、电容缓冲单元。

本实施例中，所述稳压单元的第一端通过第一电阻R1与高压输入端VDD连接，稳压单元的第二端接地，用于钳位所述高压输入端VDD的输入高电压。

具体地，本实施例中，所述稳压单元包括稳压二极管Z1，与使用其他类型的稳压单元相比，稳压二极管Z1的结构简单，从而可以使得高压转低压电路的结构更加简单。

本实施例中，所述场效应管M1的栅极与所述稳压单元的第二端连接，场效应管M1的漏极与所述高压输入端VDD连接，所述场效应管M1的源极作为低压输出端以输出低电压。

根据上述可知，场效应管M1的源极输出电压Vout为：

Vout＝Va-Vgs，

其中，Va即图1中A点的电压，亦即场效应管M1的栅极电压，且Va的电压最大值稳压二极管Z1的钳位电压，Vgs为场效应管M1导通后的源漏电压。

另外，本实施例中，由于高压输入端VDD输入的电压较大，则对应的，所述场效应管M1可以为高压场效应管M1。

本实施例中，所述电容缓冲单元的一端连接所述场效应管M1的栅极，另一端接地，以在所述场效应管M1的栅极电压随所述高压输入端VDD的电压上升时，控制所述栅极电压上升的时间常数。

本实施例中，通过电容缓冲单元控制时间常数，可以在高压输入端VDD的电压上升时，控制栅电极电压上升的时间常数，从而控制场效应管M1的栅极以及源极之间的电压差，进而可以控制流经场效应管M1的栅极以及源极的电流的电流值的大小，以在高压输入端VDD的电压快速上升时，避免场效应管M1中冲击电流较大的问题，可以有效保护高压转低压电路所在的电源芯片和与该高压转低压电路连接的其他器件。

另外，本实施例中，接入电容缓冲单元后，栅极电压上升至稳压二极管Z1的钳位电压，所述栅极电压上升的时间常数为：

τ＝R1*C1，

其中，τ为所述时间常数，R1为所述第一电阻的电阻值，C1为所述电容缓冲单元的等效电容值。

图1中仅以电容缓冲单元为缓冲电容C1进行举例说明，其还可以为其他能够等效为电容的电路器件。

根据上述时间常数的公式可知，时间常数τ的大小与第一电阻R1的电阻值或者电容缓冲单元的电容值成正比例关系，则可以通过调整所述第一电阻R1的电阻值和/或所述电容缓冲单元的等效电容值，以调整所述时间常数。

具体地，在实际使用时，可以在芯片中集成有第三电阻或第三电容。当需要调整第一电阻R1的电阻值时，可以将第三电阻与上述第一电阻R1并联或串联，以调整第一电阻R1的电阻值；同理，可以通过第三电容调整上述电容缓冲单元的电容值。

在调整所述第一电阻R1的电阻值时，可以根据所述高压输入端VDD输入电压值的上升速度调整。

例如，若高压输入端VDD输入电压的上升速递较快，导致现有的时间常数的值不能避免场效应管M1中冲击电流较大使得电路出现故障的问题，则可以通过第三电阻来增大上述第一电阻R1的电阻值，从而增大时间常数，进而减小场效应管M1中冲击电流。

当然，本实施例中，由于时间常数τ的大小与第一电阻R1的电阻值或者电容缓冲单元的电容值成正比例关系，则所述电容缓冲单元的等效电容值调整的方式与第一电阻R1的电阻值调整的方式类似，在此不再赘述。

另外需要说明的是，本实施例中，高压转低压电路还可以包括输出单元，所述场效应管M1的源极与所述输出单元的一端连接，所述输出单元的另一端接地。具体地，所述输出单元包括并联的第二电阻R2以及第二电容C2。

在实际使用时，输出单元也可以为其他电路，本实施例在此仅举例说明，并不对输出电路的内容进行限定。

实施例二

本申请实施例通过将图2与上述图1进行对比分析，以对控制时间常数对高压转低压电路中电流的影响进行示例性说明。其中，本实施例中，以稳压单元为稳压二极管Z1、场效应管M1均为nmos管、电容缓冲单元为缓冲电容C1为例，进行具体说明。

首先，本实施例结合图2以及图3对没有通过电容缓冲单元设置时间常数的情况进行说明。

本实施例中，图2为去掉电容缓冲单元之后的高压转低压电路，假设高压输入端VDD输入的电压在1us的时间内由0V匀速上升至10V，则图2中高压输入端VDD的电压值VDD、流经场效应管M1的电流值Id、A’点的电压值VA’(即场效应管M1的栅极电压)、B’点的电压值VB’(即场效应管M1的源极电压)的变化曲线如图3所示，图3中，横坐标为时间，横坐标单位为us。

具体地，如图2所示，稳压二极管Z1的第二端的电压(即A’点电压)由0V上升至钳位电压，在此将钳位电压设为5.6V，则A’点的电压变化图如图3所示。

另外，由于nmos的导通电流公式如下：

其中，Id为nmos管M1的导通电流；k为一常数，其用于表征nmos管M1本身的参数对电流的影响，例如制造工艺不同时会导致k值不同；W是nmos管M1的有源区宽度，L是nmos管M1的沟道长度，Vgs是nmos管M1的栅源电压亦是图2里A，B两点间电压，Vth是NMOS管M1的导通阈值。

当高压输入端VDD快速上电时，即高压输入端VDD输入的电压在1us的时间内由0V匀速上升至10V，具体可以参见图3中的参考点M4:2.80487us 10.0V，A点电压也会快速钳位到稳压二极管Z1的钳位电压5.6V，具体可以参见图3中的参考点M3:1.35619us 5.64342V。

此时，由于上电速度较快，但nmos管M1还未导通，则B点的电压近似为0V，在NMOS管M1尺寸工艺确定的情况下，nmos管M1导通后，会导致nmos管M1的电流Id在这个瞬间具有电流峰值,即产生冲击电流。

具体地，若将上述公式中的k设置为60uA/V²，将W设置为1920微米，将L设置为0.5微米，将上述公式中的Vth设置为1.38V，同时，将图中的第一电阻R1设置为R1＝1.25MΩ，输出单元的第二电阻R2以及第二电容C2的值对nmos管M1电流Id的电流峰值产生的影响较小，因此忽略。在软件中仿真后，根据软件的仿真结果可知，nmos管M1的电流Id的电流峰值为1.0756A，具体可以参见图3中的参考点M5:1.35619us 1.07567A。

在实际使用中，这个电流峰值有可能损坏高压输入端VDD连接的输入电源，或者由于电流过载到时无法通过高压转低压电路有效地供电。

下面结合上述图1以及图4，对通过电容缓冲单元设置时间常数后的电路进行说明。图1中高压输入端VDD的电压值VDD、流经nmos管M1的电流值Id、A点的电压值VA(即nmos管M1的栅极电压)、B点的电压值VB(即nmos管M1的源极电压)的变化曲线如图4所示。

同样的，在图1中nmos的导通电流公式仍然为：

对应的，与上述相同的是，仍将高压输入端VDD输入的电压设置为在1us的时间内由0V匀速上升至10V，具体可以参见图4中的参考点M2：1.0us 10.0V，稳压二极管Z1的钳位电压5.6V，仍将上述公式中的k设置为60uA/V²，将W设置为1920微米，将L设置为0.5微米，将上述公式中的Vth设置为1.38V，第一电阻R1＝1.25MΩ。

此外，与上述不同的是，本实施例中，将图1中的缓冲电容C1的电容值设置为C1＝5pF，此时，时间常数τ＝R1*C1＝1.25MΩ*5pF＝6.25us。

如图4所示，则A点的电压值上升速度较为缓慢，例如，图4中A点电压的参考点M3:8.20753us 5.63904V。

对应的，nmos管M1的冲击电流的电流峰值也较小，仅有653mA，例如图4中的参考点M1:5.9892us 653.333mA。与上述图2对应的仿真结果相比，图1中电流峰值减小了39.2％。

需要说明的是，上述实施例仅仅是示例性解释，上述技术方案也可以应用到任一需要提供较高电源电压的场景中。

本申请另一实施例还提供一种电子装置，其包括如上所述的高压转低压电路。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读记录介质包括用于以计算机(例如计算机)可读的形式存储或传送信息的任何机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储介质、电、光、声或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)等，该计算机软件产品包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

本领域的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种高压转低压电路，其特征在于，包括：

稳压单元，所述稳压单元的第一端通过第一电阻与高压输入端连接，稳压单元的第二端接地，用于钳位所述高压输入端的输入高电压；

场效应管，所述场效应管的栅极与所述稳压单元的第二端连接，场效应管的漏极与所述高压输入端连接，所述场效应管的源极作为低压输出端以输出低电压；

电容缓冲单元，所述电容缓冲单元的一端连接所述场效应管的栅极，另一端接地，以在所述场效应管的栅极电压随所述高压输入端的电压上升时，控制所述栅极电压上升的时间常数。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述稳压单元包括稳压二极管。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述场效应管为高压场效应管。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电容缓冲单元为低压电容器件。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述时间常数为：

τ＝R1*C1，

其中，τ为所述时间常数，R1为所述第一电阻的电阻值，C1为所述电容缓冲单元的等效电容值。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电阻的电阻值和/或所述电容缓冲单元的等效电容值可调整，以调整所述时间常数。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第一电阻的电阻值和/或所述电容缓冲单元的等效电容值根据所述高压输入端输入电压值的上升速度调整。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括输出单元，所述场效应管的源极与所述输出单元的一端连接，所述输出单元的另一端接地。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述输出单元包括并联的第二电阻以及第二电容。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的高压转低压电路。