CN110333750A - 一种高压偏置电路的启动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压偏置电路的启动电路，包括：启动偏置管、限流电阻、反馈PMOS管、嵌位PMOS管及启动电流产生管。只要本发明的启动电路的启动偏置电压端口获得一个偏置电压，不需要高压电阻就可作为高压偏置电路的启动电路，有效驱使电路摆脱简并偏置点，并且电流建立后启动电路不影响偏置电路的工作，适用于数百伏工艺器件的启动，启动电路的设计对工艺器件没有特殊要求，成本低。
Description
技术领域
本发明属于偏置电路技术领域，尤其涉及一种零简并点和去除零简并点的高压偏置电路的启动电路。
背景技术
在模拟集成设计中，由于半导体体工艺离子注入、扩散等流程具有较大离散性的固有特点，不能把半导体器件参数的绝对值做得精确，再有粒子热运动的作用，半导体器件的温度系数也是较大的，所以集成电路设计中器件的参数具有较大的工艺偏差和温度系数。但是，集成电路设计具有一个优质的特点就是，可以把靠得很近的同一类型的器件参数实现高度一致，这种方法常称为匹配，通过器件的匹配实现高精度的比例系数，这种比例系数受工艺偏差和温度的影响很小。所以，不像电子电路那样能获得高精度的电阻，常用电阻来实现电路的静态偏置电流，在集成电路设计中常用电流作为电路的偏置，因为只要获得所需的偏置电流，就可以通过器件的匹配而轻易获得成精确比例的偏置电流源，在很多程度上抵消半导体工艺离散性较大劣势。先获得基准电压或者基准电流源，再通过器件匹配进行复制，成为了模拟集成电路设计最突出的特点。
产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流，如图1所示,是拉扎维编著陈贵灿等翻译的《模拟CMOS集成电路设计》中第十一章《带隙基准》第二节提供的与电源无关的偏置电路，也是模拟电路设计中常用的基本结构，可算出通过MOS管PM3、MOS管NM2或电阻RS的电流大小为：
其中μn电子迁移率，COX是氧化层单位面积的电容，W/L是N沟道MOS管NM1的宽长比，K是MOS管NM2与MOS管NM1的宽长比的比例系数，这些都是与电压源无关的参数。可见，图1中偏置电路产生了与电源无关的基准电流源，若其它电路需要电流偏置，仅需通过器件的匹配进行复制便可轻易获取。
然而，在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题是“简并”偏置点的存在。如图1的电路中，如果当电源上电时，所有晶体管均传输零电流，因为环路两边的分支允许零电流，则它们可以无限期地保持关断。也就是说，电路可以稳定在两种不同的工作状态中的一种，一种是零电流，一种是上述公式的电流。这个问题被称为电路的启动问题，它可以通过增加一种电路加以解决，该电路在电源上电时能驱使电路摆脱简并偏置点。如图2所示是《模拟CMOS集成电路设计》提供的一种启动电路，它采用MOS管NM5作为启动器件，电路启动后MOS管NM5不再起作用。如图3所示，也是实际中常用的一种偏置电路的启动电路，它由反馈偏置电流管PMIB、启动管PMST和启动电阻RST组成。它的工作原理是：假如电源上电后偏置电路处于零“简并”偏置点，此时MOS管PM3和MOS管PM4都是关断的，那么反馈偏置电流管PMIB也是关断的，由于启动电阻的耗电必然会使得启动管PMST的栅极电压下降，直到它导通。一旦启动管PMST导通，偏置电路中的MOS管NM1也导通，进而触发MOS管NM2、MOS管PM3、MOS管PM4的导通，驱使偏置电路摆脱简并偏置点而产生上述公式的静态偏置电流。偏置电流产生后，反馈偏置电流管PMIB也变成一个电流源，该电流需要设计的足够大以使得启动管的栅极电压较高，促使启动管PMST关断，从而启动电路不再影响偏置电路，这也是启动电路应有的要求。
以上介绍的启动电路只能满足低压输入的常规应有，在偏置电路供电电源电压在100V甚至数百伏时，常规的启动电路是不能满足要求的。启动电路实际上提供一个触发电流来使偏置电路摆脱简并点，最终是需要一个电阻或者起到电阻作用的器件来产生这个触发电流。然而，在高压电路中一般需要耐高压的电阻，电阻在半导体工艺中是制作在具有一定厚度的氧化层上，氧化下面是半导体硅衬底，衬底处于低电位，所以电阻与硅衬底之间的耐压由它们之间的氧化层决定。为提高电阻的耐压，氧化层需要比较厚，制作成本就高，而其它器件并不没有这样厚氧化层的要求，所以即使在数百伏的高压半导体工艺中电阻的耐压最高达到100V左右。所以，随着高压BCD工艺越来越流行，需要一种适合高压偏置电路的解决方案，在没有高耐压电阻或者特殊器件的工艺中也能有效地实现启动电路。
发明内容
有鉴于现有偏置电路的启动电路不能满足高压供电电源时的需求，因其需要更高耐压的电阻或者要求工艺专门设计特殊的启动器件才能实现的技术问题，本发明提供一种高压偏置电路的启动电路。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种高压偏置电路的启动电路，包括：启动偏置管、限流电阻、反馈PMOS管、嵌位PMOS管及启动电流产生管；
所述启动偏置管的漏极与所述反馈PMOS管的漏极、所述启动电流产生管的栅极，以及所述嵌位PMOS管的漏极、栅极连接；
所述嵌位PMOS管的源极与所述反馈PMOS管的源极、启动电流产生管的源极连接；
所述启动偏置管的源极与所述限流电阻的第一端口连接。
在一些可选的实施例中，所述的一种高压偏置电路的启动电路，包括：电源输入正端口、电源输入负端口、启动偏置电压端口、反馈偏置电压端口、启动电流输出端口；
所述启动偏置管的栅极与所述启动偏置电压端口连接；
所述嵌位PMOS管的源极、所述反馈PMOS管的源极、启动电流产生管的源极相连接的一端与所述电源输入正端口连接；
所述启动电流产生管的漏极和所述启动电流输出端口连接；
所述限流电阻的第二端口与所述电源输入负端口连接；
所述反馈PMOS管的栅极与所述反馈偏置电压端口连接。
在一些可选的实施例中，所述的一种高压偏置电路的启动电路，还包括：关断PMOS管；所述关断PMOS管的栅极与所述启动偏置管的栅极、所述启动偏置电压端口连接；所述关断PMOS管的源极与所述启动电流产生管的漏极、所述启动电流输出端口连接；所述关断PMOS管的漏极与所述限流电阻的第二端口、所述电源输入负端口连接。
在一些可选的实施例中，所述启动偏置管为N型沟道的高压MOS晶体管。
在一些可选的实施例中，所述反馈PMOS管、所述嵌位PMOS管、所述启动电流产生管均为P型沟道的高压MOS晶体管。
本发明所带来的有益效果：只要本发明的启动电路的启动偏置电压端口获得一个偏置电压，不需要高压电阻就可作为高压偏置电路的启动电路，有效驱使电路摆脱简并偏置点，并且电流建立后启动电路不影响偏置电路的工作，适用于数百伏工艺器件的启动，启动电路的设计对工艺器件没有特殊要求，成本低。
附图说明
图1为现有技术与电源电压无关的偏置电路的基本电路结构图；
图2为现有技术具有启动电路的偏置电路的电路图；
图3为现有技术偏置电路的启动电路的电路图；
图4为本发明实施例一提出的高压偏置电路的启动电路应用图；
图5为本发明实施例二提出的具有使能关断功能的高压偏置电路的启动电路应用图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
实施例一：
如图4所示，在一些说明性的实施例中，提供一种高压偏置电路的启动电路，包括：启动偏置管NHVST、限流电阻RLIMT、反馈PMOS管PMIB、嵌位PMOS管PMD及启动电流产生管PMST。
启动偏置管NHVST的漏极与反馈PMOS管PMIB的漏极、启动电流产生管PMST的栅极，以及嵌位PMOS管PMD的漏极、栅极连接；嵌位PMOS管PMD的源极与反馈PMOS管PMIB的源极、启动电流产生管PMST的源极连接；启动偏置管NHVST的源极与限流电阻RLIMT的第一端口连接。
本发明的高压偏置电路的启动电路包括5个端口，分别为电源输入正端口402、电源输入负端口405、启动偏置电压端口401、反馈偏置电压端口403、启动电流输出端口404。
启动偏置管NHVST的栅极与启动偏置电压端口401连接；嵌位PMOS管PMD的源极、反馈PMOS管PMIB的源极、启动电流产生管PMST的源极相连接的一端与电源输入正端口402连接；启动电流产生管PMST的漏极和启动电流输出端口404连接；限流电阻RLIMT的第二端口与电源输入负端口405连接；反馈PMOS管的栅极与所述反馈偏置电压端口403连接。
开关电源集成电路控制芯片100包括：本发明所提出的启动电路400及常用的与电源无关的偏置电路411的基本电路结构。
开关电源集成电路控制芯片100的引脚UVP是输入欠压保护引脚，常用来检测输入电压VIN，当输入电压小于设定值时停止开关电源工作，这样可以防止变压器在低输入电压下饱和而损坏器件。在芯片外围通过电阻Rin1和Rin2分压来采样输入电压，所以一旦电源输入端VIN上电，端口UVP就有电压，正好给本发明的启动电路提供偏置电压。在开关电源集成电路控制芯片100内部，除了本发明的启动电路400和偏置电路411外，还有低压差线性稳压器(LDO，low dropout regulator)，当偏置电路脱离简并点后产生偏置电流，P沟道MOS管PM5镜像P沟道MOS管PM4的电流，可为LDO提供偏置，它工作后可产生芯片内部控制电路所需要的低压供电电源。
本发明的启动电路工作原理：
电源输入端VIN上电，偏置电路411有可能处于零简并点，也就是MOS管NM1、NM2、PM3、PM4都不通过电流，是偏置电路的一个零解，可以一直保持这样状态，所以需要设计专门的启动电路来打破这一状态，使得偏置电流进入非零解，产生偏置电流，并且待电流建立后启动电路不能影响偏置电路的工作。这是偏置电路和启动电路的基本原理，在背景技术中已有阐述，而本发明要解决的问题是高压输入下的遇到问题。例如，电源输入端VIN的输入电压是150V，那么启动电路400和偏置电路411中的P沟道MOS管的源极、漏极的耐压要超过150V，这些P沟道MOS管的源极及栅极耐压是低压的，开通MOS管的栅极及源极驱动电压也是较低的。启动电流产生管PMST的阈值电压是0.8V的话，源极和栅极之间的压差是1V就可以导通了，那么它栅极所处的A节点的电压就是149V，按照传统的启动电路需要高耐压的电阻才行，这在一般的工艺中不容易满足。
偏置电路411摆脱零电流的过程：设定输入欠压保护模块的比较阈值电压是3V，那么要做工作电源工作，引脚UVP的电压一定会超过3V，足以使得启动偏置管NHVST导通，A节点的电压开始下降，150V-0.8V＝149.2V，即下降到149.2V，启动电流产生管PMST开始导通，从启动电流输出端口404产生电流给偏置电路411，使得MOS管NM1的栅极电压上升，MOS管NM1和MOS管NM2导通，MOS管NM2的漏极电压下降，MOS管PM3导通，进而MOS管PM4也导通了。当MOS管PM4导通后，它就可为MOS管NM1提供电流了，偏置电路411形成了自反馈，不再需要启动电流产生管PMST提供的启动电流，而且需要把该启动电流关闭才不会影响偏置电路自反馈产生的最终电流值。
启动电路400的关闭过程：MOS管PM3导通后，反馈PMOS管PMIB也产生偏置电流，该电流需要设计得比通过启动偏置管NHVST的电流大，A节点电压开始上升，超过149.2V时启动电流产生管PMST关断。启动电路400关断后的静态电流由限流电阻RLIMT决定，一般设计在微安级别。假设启动偏置管NHVST的栅源驱动电压是1V，UVP＝4V，那么限流电阻RLIMT＝3M就实现了1uA的静态电流。对称传统的启动电路结构，即使工艺提供高压电阻，那么实现1uA的静态电流，需要100M欧姆的电阻，会占用相当大的芯片面积。
限流电阻RLIMT是为了限制通过启动偏置管NHVST的电流大小，使它小于反馈PMOS管PMIB的电流，从而能充分关断启动电流产生管PMST。
嵌位PMOS管PMD的作用：在偏置电流处于零简并点时，反馈PMOS管PMIB是关断，如果没有嵌位PMOS管PMD的作用，启动偏置管NHVST不断抽取电流以致A节点的电压下降到VIN以下数十伏特，启动电流产生管PMST的栅源会被击穿。由于嵌位PMOS管PMD是二极管连接方式，即栅极和漏极连接在一起，节点A的电压下降后嵌位PMOS管PMD开启，不会让A处的电压继续下降很多，这样就保护了启动电流产生管PMST。因此，嵌位PMOS管PMD可防止启动电流产生管PMST的栅极电压下降过大而超过其栅源的耐压值。
启动偏置管NHVST为N型沟道的高压MOS晶体管。反馈PMOS管PMIB、嵌位PMOS管PMD、启动电流产生管PMST均为P型沟道的高压MOS晶体管。
若上电后启动电路400所连接的偏置电路411处于零简并点，反馈偏置电压端口403的电压等于或略小于启动电路的供电电压，反馈PMOS管PMIB处于截止状态；启动偏置管NHVST的栅极在启动电路的启动偏置电压的作用下开始导通，从而启动电流产生管PMST的栅极电压开始下降直到它导通，向偏置电路注入电流，促使偏置电路脱离原来的简并点而产生与电源无关的偏置电流；一旦偏置电路产生偏置电流，反馈PMOS管PMIB栅极电压降低而导通，导通电流使得启动电流产生管PMST的栅极电压升高，致使它恢复到关断状态，不影响偏置电路的正常工作。
从以上的工作原理可知，只要本发明的启动电路400的启动偏置电压端口401获得一个偏置电压，不需要高压电阻就可作为高压偏置电路的启动电路。在很多集成电路芯片中，例如开关电源的控制芯片，常常需要检测开关电源的输入电压，那么在芯片外围通过电阻分压后接入芯片的检测引脚，只要将本发明的启动偏置电压端口401与该类电压检测引脚连接就可获取所需要的偏置电压。
实施例二：
如图5所示，如实施例一中的图4相比，实施例二只增加了关断PMOS管PMOFF，关断PMOS管PMOFF与启动电流产生管PMST形成一对推挽输出结构。在将偏置电路411摆脱零状态的过程中，随着启动偏置电压端口401电压的上升，关断PMOS管PMOFF的栅极电压也是上升的，它一直处于关断状态，不起作用。所以偏置电路从零状态启动的过程与实施一中所述的是一样的。
关断PMOS管PMOFF的栅极与启动偏置管NHVST的栅极、启动偏置电压端口401连接；关断PMOS管PMOFF的源极与启动电流产生管PMST的漏极、启动电流输出端口404连接；关断PMOS管PMOFF的漏极与限流电阻RLIMT的第二端口、电源输入负端口405连接。
当需要使能关闭整个芯片时，启动偏置电压端口401的电压被拉到“地”电位，关断PMOS管PMOFF导通，最终关断PMOS管PMOFF的源极电压，也就是启动电流输出端口404的电压也被拉低，致使偏置电路中的MOS管NM1和MOS管NM2截止，MOS管PM3也截止，进而MOS管PM4也被关断，也就切断了偏置电路自反馈的电流，重新回到零简并状态。给LDO提供偏置电流源的MOS管PM5也被关闭，LDO不能正常输出，切断了整个芯片的供电系统，从而进入接近零待机功耗的休眠状态，使偏执电路从非简并偏置点进入零偏置的简并点，实现偏置电路的零待机功耗。
可关闭偏置电路的启动电路的工作原理是：该启动电路400使得偏置电路411摆脱零简并点而产生偏置电流的原理是一样的，不同的是关闭偏置电路411，即将已经形成偏置电流的正常工作的偏置电流重新回到零简并状态。当启动偏置电压端口401接近于零电位时，关断PMOS管PMOFF导通而把它源极的电荷抽走，将源极电压限定在低电位，偏置电路的自偏置电流被切断，重新回到零电流状态。
可见，通过把启动偏置电压端口401的电压拉到低电压，可关断整个高压偏置电流，进而可以切断集成电路芯片的供电芯片，进入使能关断状态，这样能够实现非常小的待机功耗，这种功能在例如储能电池的领域非常重要，在电池生产完之后，出售到客户手里之前，不能因为电池电源管理电路自身的损耗而把电量耗光。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (5)
1.一种高压偏置电路的启动电路，其特征在于，包括：启动偏置管、限流电阻、反馈PMOS管、嵌位PMOS管及启动电流产生管；
所述启动偏置管的漏极与所述反馈PMOS管的漏极、所述启动电流产生管的栅极，以及所述嵌位PMOS管的漏极、栅极连接；
所述嵌位PMOS管的源极与所述反馈PMOS管的源极、启动电流产生管的源极连接；
所述启动偏置管的源极与所述限流电阻的第一端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种高压偏置电路的启动电路，其特征在于，包括：电源输入正端口、电源输入负端口、启动偏置电压端口、反馈偏置电压端口、启动电流输出端口；
所述启动偏置管的栅极与所述启动偏置电压端口连接；
所述嵌位PMOS管的源极、所述反馈PMOS管的源极、启动电流产生管的源极相连接的一端与所述电源输入正端口连接；
所述启动电流产生管的漏极和所述启动电流输出端口连接；
所述限流电阻的第二端口与所述电源输入负端口连接；
所述反馈PMOS管的栅极与所述反馈偏置电压端口连接。
3.根据权利要求2所述的一种高压偏置电路的启动电路，其特征在于，还包括：关断PMOS管；所述关断PMOS管的栅极与所述启动偏置管的栅极、所述启动偏置电压端口连接；所述关断PMOS管的源极与所述启动电流产生管的漏极、所述启动电流输出端口连接；所述关断PMOS管的漏极与所述限流电阻的第二端口、所述电源输入负端口连接。
4.根据权利要求3所述的一种高压偏置电路的启动电路，其特征在于，所述启动偏置管为N型沟道的高压MOS晶体管。
5.根据权利要求4所述的一种高压偏置电路的启动电路，其特征在于，所述反馈PMOS管、所述嵌位PMOS管、所述启动电流产生管均为P型沟道的高压MOS晶体管。
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