CN109217242A - 一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路，通过该电源转换电路，当输入电压小于0时，第一寄生二极管和第三寄生二极管正向导通，第一开关管的控制端电压和第三开关管的控制端电压均会跟随输入电压变负，当输入电压小于第四开关管的阈值电压的负值时，第三开关管和第四开关管导通，则将第二开关管的控制端和电压输入端短接，当第二开关管的控制端电压与其第一端电压的差值小于0，且小于其阈值电压时，则第二开关管关断，第二寄生二极管处于反偏状态，输出电压不会跟随输入电压变为负压。该电源转换电路可集成于芯片中，通过使用数量较少的器件，以实现防反接且耐负压，保护负载电路或负载器件不被负压损坏，避免烧毁芯片。

Description

一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，特别是涉及一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路。

背景技术

在集成电路设计中，由于耐高压的器件通常是特殊器件，需要特殊的隔离和器件结构，其占用芯片面积较大，因此，不可能全芯片全部采用能承受高压的器件。当芯片输入电压范围较大时，一般都采用一个电源转换模块，将宽范围的输入电压转换为较低的恒定电压给内部电路供电，工作于恒定低压范围的器件，可以选择相对低耐压的器件，占用芯片面积小，而一般芯片的电源端都只能接正电压，若将芯片的电源和地反接，即电源电压为负，则可能烧毁芯片。

现有技术中传统的电源转换是通过在芯片内部集成一个LDO(Low DropoutRegulator，低压差线性稳压器)，使LDO使用在线性区域内运行的晶体管，从输入电压中减去超额的电压，从而产生经过调节的输出电压，但LDO没有耐负压的能力，而要防反接耐负压的系统，需要增加专门的防反接电路，例如在供电通路增加开关和相应控制电路来防反接。虽然LDO的优点是输出电压精度较高，但是需要用到带隙基准提供参考电压，还涉及到复杂的反馈环路补偿，使得整体电路设计复杂度较高，而且会占用较大的芯片面积。然而对于某些模拟集成电路，电源电压的精度要求并不高，只要求电源电压在安全范围内不会烧毁内部电路即可，而且供电能力要求也不是很高，通常在mA级以下，在上述情况下，使用LDO就显得比较浪费。

针对上述情形，提供一种简单可靠的具有防反接功能的电源转换电路，实现防反接且耐负压，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路，通过使用数量较少的器件，减少占用芯片资源，以实现防反接且耐负压，保护负载电路或负载器件不被负压损坏，从而避免烧毁芯片的问题。

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种具有防反接功能的电源转换电路，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一寄生二极管、第二寄生二极管、第三寄生二极管、第四寄生二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及齐纳二极管，其中：

所述第一寄生二极管的负极与所述第一开关管的第一端相连，所述第一寄生二极管的正极与所述第一开关管的第二端相连；所述第二寄生二极管的负极与所述第二开关管的第一端相连，所述第二寄生二极管的正极与所述第二开关管的第二端相连；所述第三寄生二极管的负极与所述第三开关管的第一端相连，所述第三寄生二极管的正极与所述第三开关管的第二端相连；所述第四寄生二极管的负极与所述第四开关管的第一端相连，所述第四寄生二极管的正极与所述第四开关管的第二端相连；

所述第一开关管的第一端、所述第三开关管的第一端以及所述第一电阻的一端作为所述电源转换电路的电压输入端，接收输入电压，所述第一电阻的另一端与所述齐纳二极管的负极相连，其公共端分别与所述第一开关管的控制端和所述第二电阻的一端相连，所述齐纳二极管的正极接地；

所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第二端相连，其公共端与所述第三电阻的一端相连，所述第三开关管的控制端、所述第三电阻的另一端和所述第四开关管的控制端接地；

所述第四开关管的第一端与所述第二开关管的控制端相连，其公共端与所述第二电阻的另一端相连，所述第二开关管的第二端作为所述电源转换电路的电压输出端，输出输出电压；

当所述输入电压小于0时，所述第一寄生二极管和所述第三寄生二极管正向导通，所述第一开关管的控制端电压和所述第三开关管的控制端电压均会跟随所述输入电压变负，当所述输入电压小于所述第四开关管的阈值电压的负值时，所述第三开关管和所述第四开关管导通，则将所述第二开关管的控制端和所述电压输入端短接，即所述第二开关管的控制端电压等于所述输入电压；当所述第二开关管的控制端电压与所述第二开关管的第一端电压的差值小于0，且小于所述第二开关管的阈值电压时，则所述第二开关管关断，所述第二寄生二极管处于反偏状态，所述输出电压不会跟随所述输入电压变为负压。

进一步的，当所述输入电压大于0，且小于所述齐纳二极管的击穿电压时，则所述齐纳二极管未反向击穿，所述第一开关管的控制端电压为所述输入电压，所述输出电压为所述第一开关管或所述第二开关管的第一端电压。

进一步的，当所述输入电压大于所述齐纳二极管的击穿电压时，则所述齐纳二极管反向击穿，所述第一开关管的控制端电压为所述齐纳二极管的击穿电压，所述输出电压为所述齐纳二极管的击穿电压与所述第一开关管的阈值电压的差值。

进一步的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管均为NMOS管。

进一步的，所述NMOS管的第一端为源极、第二端为漏极以及控制端为栅极。

一种集成电路，包括上述所述的具有防反接功能的电源转换电路。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种具有防反接功能的电源转换电路、集成电路，该电源转换电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一寄生二极管、第二寄生二极管、第三寄生二极管、第四寄生二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及齐纳二极管，当输入电压小于0时，第一寄生二极管和第三寄生二极管正向导通，第一开关管的控制端电压和第三开关管的控制端电压均会跟随输入电压变负，当输入电压小于第四开关管的阈值电压的负值时，第三开关管和第四开关管导通，则将第二开关管的控制端和电压输入端短接，当第二开关管的控制端电压与其第一端电压的差值小于0，且小于其阈值电压时，则第二开关管关断，第二寄生二极管处于反偏状态，输出电压不会跟随输入电压变为负压。该电源转换电路可集成于芯片中，通过使用数量较少的器件，减少占用芯片资源，以实现防反接且耐负压，保护负载电路或负载器件不被负压损坏，避免烧毁芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种具有防反接功能的电源转换电路。

具体实施方式

术语解释：

集成电路(Integrated Circuit)是一种微型电子器件或部件，采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，也称为芯片或IC。

MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(英文全拼：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(Field-Effect Transistor)。MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其简称尚包括NMOS、PMOS。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种具有防反接功能的电源转换电路，包括：第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4、第一寄生二极管D1、第二寄生二极管D2、第三寄生二极管D3、第四寄生二极管D4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及齐纳二极管Z1，其中：

上述第一寄生二极管D1的负极与上述第一开关管M1的第一端相连，上述第一寄生二极管D1的正极与上述第一开关管M1的第二端相连；上述第二寄生二极管D2的负极与上述第二开关管M2的第一端相连，上述第二寄生二极管D2的正极与上述第二开关管M2的第二端相连；上述第三寄生二极管D3的负极与上述第三开关管M3的第一端相连，上述第三寄生二极管D3的正极与上述第三开关管M3的第二端相连；上述第四寄生二极管D4的负极与上述第四开关管M4的第一端相连，上述第四寄生二极管D4的正极与上述第四开关管M4的第二端相连。

上述第一开关管M1的第一端、上述第三开关管M3的第一端以及上述第一电阻R1的一端作为上述电源转换电路的电压输入端，接收输入电压VDD_HV，上述第一电阻R1的另一端与上述齐纳二极管Z1的负极相连，其公共端分别与上述第一开关管M1的控制端和上述第二电阻R2的一端相连，上述齐纳二极管Z1的正极接地。

上述第三开关管M3的第二端与上述第四开关管M4的第二端相连，其公共端与上述第三电阻R3的一端相连，上述第三开关管M3的控制端、上述第三电阻R3的另一端和上述第四开关管M4的控制端接地。

上述第四开关管M4的第一端与上述第二开关管M2的控制端相连，其公共端与上述第二电阻R2的另一端相连，上述第二开关管M2的第二端作为上述电源转换电路的电压输出端，输出输出电压VDD_LV。

如图1所示，VDD_HV是输入电压，范围比较宽，例如正常情况为0V～20V，VDD_LV为经过本发明电路转换后得到的较低的安全电压。齐纳二极管Z1，其反向击穿电压为V_{BR_Z1}，其特点是反向击穿后，两端的电压保持恒定。第一开关管M1和第二开关管M2是电源转换用的NMOS功率管，第一寄生二极管D1和第二寄生二极管D2分别为第一开关管M1和第二开关管M2的寄生二极管，第三开关管M3和第四开关管M4是控制第二开关管M2控制端用的NMOS管，第三寄生二极管D3和第四寄生二极管D4分别为第三开关管M3和第四开关管M4的寄生二极管。

当上述输入电压VDD_HV小于0时，上述第一寄生二极管D1和上述第三寄生二极管D3正向导通，上述第一开关管M1的控制端电压V_{M1_Source}和上述第三开关管M3的控制端电压V_{M3_Source}均会跟随上述输入电压VDD_HV变负，当上述输入电压VDD_HV小于上述第四开关管M4的阈值电压V_{th_M4}的负值，即VDD_HV<–V_{th_M4}时，上述第三开关管M3和上述第四开关管M4导通，则将上述第二开关管M2的控制端和上述电压输入端短接，即上述第二开关管M2的控制端电压V_{Gate_M2}等于上述输入电压VDD_HV，当V_{Gate_M2}-V_{Source_M2}＝VDD_HV-V_{Source_M2}<0V<V_{TH_M2}时，则上述第二开关管M2关断，上述第二寄生二极管D2处于反偏状态，上述输出电压VDD_LV不会跟随上述输入电压VDD_HV变为负压。

当0V<VDD_HV<V_{BR_Z1}时，则齐纳二极管Z1未反向击穿，因此第一开关管M1的控制端电压V_{Gate_M1}＝VDD_HV，由于第三开关管M3和第四开关管M4关断，第三开关管M2的控制端通过第二电阻R2连接到第一开关管M1的控制端，两者电压相等，此时第一开关管M1和第二开关管M2的第一端电压V_{Source_M1}＝V_{Source_M2}＝V_{Gate_M1}–V_{th_M1}＝V_{Gate_M2}–V_{th_M2}，其中V_{th_M1}是第一开关管M1的阈值电压，V_{th_M2}是第二开关管M2的阈值电压，对于第二开关管M2来讲，其第一端电压比控制端电压低V_{th_M1}，而第二开关管M2和第一开关管M1的V_th是相等的，则第二开关管M2导通，则输出电压为第一开关管M1或第二开关管M2的第一端电压，即VDD_LV＝V_{Source_M1}＝V_{Gate_M1}–V_{th_M1}＝VDD_HV–V_{th_M1}。

当VDD_HV>V_{BR_Z1}时，则齐纳二极管Z1反向击穿，第一开关管M1的控制端电压维持恒定，即第一开关管的控制端电压V_{Gate_M1}＝V_{BR_Z1}，第一开关管M1～第四开关管M4的工作状态与前面相同，则输出电压为齐纳二极管的击穿电压与第一开关管的阈值电压的差值，即：VDD_LV＝V_{BR_Z1}–V_{th_M1}。

需要说明的是，上述第一开关管、上述第二开关管、上述第三开关管以及上述第四开关管的第一端为源极、第二端为漏极以及控制端为栅极。

在本发明实施例中，需要说明的是，当VDD_HV<0V时，本发明电路从GND向VDD_HV的漏电路径有3条：第一条为从GND经过第三电阻R3和第三寄生二极管D3向电压输入端漏电，漏电流会被第三电阻R3限流；第二条为从齐纳二极管Z1和第一电阻R1向电压输入端漏电，会被第一电阻R1限流；第三条为从齐纳二极管Z1经第二电阻R2，再从第三开关管M3和第四开关管M4向电压输入端漏电，该路径会被第二电阻R2限流，因此通过控制第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的值可以控制输入电压VDD_HV为负时的漏电流大小，此电流通常为uA级，属于VDD_HV为负压时正常的工作电流，不会损坏芯片。

本发明实施例在上述公开的具有防反接功能的电源转换电路的基础上，还公开了一种集成电路，该集成电路包括上述所述的具有防反接功能的电源转换电路。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种具有防反接功能的电源转换电路，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一寄生二极管、第二寄生二极管、第三寄生二极管、第四寄生二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及齐纳二极管，其中：

所述第一寄生二极管的负极与所述第一开关管的第一端相连，所述第一寄生二极管的正极与所述第一开关管的第二端相连；所述第二寄生二极管的负极与所述第二开关管的第一端相连，所述第二寄生二极管的正极与所述第二开关管的第二端相连；所述第三寄生二极管的负极与所述第三开关管的第一端相连，所述第三寄生二极管的正极与所述第三开关管的第二端相连；所述第四寄生二极管的负极与所述第四开关管的第一端相连，所述第四寄生二极管的正极与所述第四开关管的第二端相连；

所述第一开关管的第一端、所述第三开关管的第一端以及所述第一电阻的一端作为所述电源转换电路的电压输入端，接收输入电压，所述第一电阻的另一端与所述齐纳二极管的负极相连，其公共端分别与所述第一开关管的控制端和所述第二电阻的一端相连，所述齐纳二极管的正极接地；

所述第三开关管的第二端与所述第四开关管的第二端相连，其公共端与所述第三电阻的一端相连，所述第三开关管的控制端、所述第三电阻的另一端和所述第四开关管的控制端接地；

所述第四开关管的第一端与所述第二开关管的控制端相连，其公共端与所述第二电阻的另一端相连，所述第二开关管的第二端作为所述电源转换电路的电压输出端，输出输出电压；

当所述输入电压小于0时，所述第一寄生二极管和所述第三寄生二极管正向导通，所述第一开关管的控制端电压和所述第三开关管的控制端电压均会跟随所述输入电压变负，当所述输入电压小于所述第四开关管的阈值电压的负值时，所述第三开关管和所述第四开关管导通，则将所述第二开关管的控制端和所述电压输入端短接，即所述第二开关管的控制端电压等于所述输入电压；当所述第二开关管的控制端电压与所述第二开关管的第一端电压的差值小于0，且小于所述第二开关管的阈值电压时，则所述第二开关管关断，所述第二寄生二极管处于反偏状态，所述输出电压不会跟随所述输入电压变为负压。

2.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，当所述输入电压大于0，且小于所述齐纳二极管的击穿电压时，则所述齐纳二极管未反向击穿，所述第一开关管的控制端电压为所述输入电压，所述输出电压为所述第一开关管或所述第二开关管的第一端电压。

3.根据权利要求2所述的电源转换电路，其特征在于，当所述输入电压大于所述齐纳二极管的击穿电压时，则所述齐纳二极管反向击穿，所述第一开关管的控制端电压为所述齐纳二极管的击穿电压，所述输出电压为所述齐纳二极管的击穿电压与所述第一开关管的阈值电压的差值。

4.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管均为NMOS管。

5.根据权利要求4所述的电源转换电路，其特征在于，所述NMOS管的第一端为源极、第二端为漏极以及控制端为栅极。

6.一种集成电路，其特征在于，包括上述权利要求1-5任意一项所述的具有防反接功能的电源转换电路。