CN111884639B - 一种rs-485芯片驱动器的反向电压保护电路 - Google Patents

一种rs-485芯片驱动器的反向电压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种RS－485芯片驱动器的反向电压保护电路，包括第一共模比较器及第二共模比较器，第一共模比较器的输出端与PMOS功率管的栅极电连接，第二共模比较器的输出端与NMOS功率管的栅极电连接。还包括第一电阻及第二电阻，第一电阻跨接设置在PMOS功率管的漏极与栅极之间，第二电阻跨接设置在NMOS功率管的漏极与栅极之间。PMOS功率管的源极及NMOS功率管的源极形成驱动器总线端，第一共模比较器用于比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小；第二共模比较器用于比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小。反向电压保护电路能避免栅源电压击穿MOS功率器件，确保RS－485芯片正常使用。

Description

一种RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路
技术领域
本发明涉及保护电路技术领域，具体为一种RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路。
背景技术
RS-485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，其能够在远距离条件以及电子噪声大的环境下确保数字通信网络进行信号的有效传输。而目前由于RS-485芯片的应用场景不同，在RS-485芯片的总线接口可能会出现或正或负的共模电压。根据RS-485芯片接口标准规定总线共模电压的范围-7V～+12V，在此电压范围内要求功率管的输出端口对电源和对地在没有信号传输时应为高阻态，在此基础上才能保证RS-485芯片的正常工作。
目前，将RS-485芯片的总线共模电压控制在-7V～+12V范围，是通过在RS-485芯片驱动器电路内设计反向保护电路实现的，如图1所示，其原理是：将共模电压与电源电压和地电压进行比较，然后根据比较的结果改变MOS功率管的衬底电位，从而将总线共模电压控制在-7V～+12V范围内，以避免共模电压对RS-485芯片功能的影响。
上述反向保护电路在工作过程中，功率管的衬底电位就要随Y/Z端口(即总线共模电压)电压的变化而变化，并保证NMOS管的衬底电位为最低电位，PMOS管的衬底电位为最高电位。在RS-485芯片驱动器中，可能存在：GND、VCC、-7V、12V，其NMOS管及PMOS管的衬底电位变化如下表所示：
正常工作 Y/Z＝-7V Y/Z＝12V
NMOS管的衬底电位 GND -7V GND
PMOS管的衬底电位 VCC VCC 12V
一般来说，不同的MOS功率管，其栅极或漏极对于漏源电压或栅源电压具有不同的承受压力，当RS-485芯片的总线共模电压过高或者过低，如在低于-7V或高于+12V时，普通的MOS功率管具有可能因栅源电压过大导致MOS功率管被击穿的风险，从而影响RS-485芯片功能。
因此，需要对有必要对现有的RS-485芯片驱动器电路进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路，通过在RS-485芯片驱动器电路上设计新的反向电压保护电路，以确保对于任何材质、任何质量的MOS功率管，其在总线共模电压过高或者过低时RS-485芯片驱动器的MOS功率管的栅源电位均是等同的，能避免栅源电压击穿MOS功率器件，确保RS-485芯片的正常使用。
实现发明目的的技术方案如下：一种RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路，包括第一共模比较器及第二共模比较器，第一共模比较器的输出端与PMOS功率管的栅极电连接，第二共模比较器的输出端与NMOS功率管的栅极电连接。
反向电压保护电路还包括第一电阻及第二电阻，第一电阻跨接设置在PMOS功率管的漏极与栅极之间，第二电阻跨接设置在NMOS功率管的漏极与栅极之间。
PMOS功率管的源极及NMOS功率管的源极形成驱动器总线端，第一共模比较器用于比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平；第二共模比较器用于比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平。
本发明的反向电压保护电路的思路是：通过比较驱动器总线端的输出电压与电源电压以及地电压的大小，第一共模比较器及第二共模比较器的输出结果控制PMOS功率管及NMOS功率管的栅电位，PMOS功率管及NMOS功率管的衬底电位(衬底与PMOS功率管及NMOS功率管的源极连接，衬底电位即为源极电位)一直与驱动器总线端的输出电压连接一起，本发明的PMOS功率管及NMOS功率管的栅电位的变化如下表所示：
正常工作 Y/Z＝-7V Y/Z＝12V
NMOS功率管的栅电位 VCC -7V 12V
PMOS功率管的栅电位 GND -7V 12V
本发明反向电压保护电路的工作原理是：通过第一共模比较器比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小，第二共模比较器比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小，从而输出高电平或低电平，使得第一电阻或第二电阻上有电流流过或者无电流流过，从而控制PMOS功率管的栅电位被下拉到地或者跟随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。或控制NMOS功率管的栅电位被上拉到电源或者跟随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。
进一步的，驱动器是由PMOS功率管与NMOS功率管组成的桥式驱动器。
进一步的，反向电压保护电路还包括第一NMOS控制管及第二NMOS控制管，第一NMOS控制管位于第一共模比较器的输出端与PMOS功率管的栅极之间，第二NMOS控制管位于第二共模比较器的输出端与NMOS功率管的栅极之间。
进一步的，第一NMOS控制管的栅极与第一共模比较器的输出端电连接，第一NMOS控制管的源极与PMOS功率管的栅极电连接，第一NMOS控制管的漏极接地。第二NMOS控制管的栅极与第二共模比较器的输出端电连接，第二NMOS控制管的源极与NMOS功率管的栅极电连接，第二NMOS控制管的漏极接地。
在本发明中，第一NMOS控制管在第一共模比较器输出高电平时导通，在输出低电平时不导通，从而控制第一电阻上是否有电流通过，进而控制PMOS功率管的栅电位的变化；第二NMOS控制管根据在第二共模比较器输出高电平时导通，在输出低电平时不导通，从而控制第二电阻上是否有电流通过，进而控制NMOS功率管的栅电位的变化。
进一步的，第一NMOS控制管的源极与PMOS功率管的栅极之间还设有第一电流产生结构，第一电流产生结构用于产生电流，即第一电流产生结构在第一NMOS控制管不导通时正常工作产生电流，第一电阻上有电流流过；第一电流产生结构在第一NMOS控制管导通时不工作不产生电流，第一电阻上没有电流流过。第二NMOS控制管的源极与NMOS功率管的栅极之间还设有第二电流产生结构，第二电流产生结构用于产生电流，即第二电流产生结构在第二NMOS控制管不导通时正常工作产生电流，第二电阻上有电流流过；第二电流产生结构在第二NMOS控制管导通时不工作不产生电流，第二电阻上没有电流流过。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路，能够有效克服栅源电压可能过大导致的MOS功率器件击穿的风险，确保RS-485芯片的正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的反向电压保护电路的电路图；
图2为本发明的反向电压保护电路的电路图；
其中，1.第一共模比较器；2.第二共模比较器；3.PMOS功率管；4.NMOS功率管；5.第一电阻；6.第二电阻；7.第一NMOS控制管；8.第二NMOS控制管；9.第一电流产生结构；10.第二电流产生结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
请参图2所示，一种RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路，在本实施方式中，反向电压保护电路包括第一共模比较器1及第二共模比较器2，第一共模比较器1的输出端与PMOS功率管3的栅极电连接，第二共模比较器2的输出端与NMOS功率管4的栅极电连接。
反向电压保护电路还包括第一电阻5及第二电阻6，第一电阻5跨接设置在PMOS功率管3的漏极与栅极之间，第二电阻6跨接设置在NMOS功率管4的漏极与栅极之间。
PMOS功率管3的源极及NMOS功率管4的源极形成驱动器总线端，第一共模比较器1用于比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平；第二共模比较器2用于比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平。
本实施例的反向电压保护电路的思路是：通过比较驱动器总线端的输出电压与电源电压以及地电压的大小，第一共模比较器1及第二共模比较器2的输出结果控制PMOS功率管3及NMOS功率管4的栅电位，PMOS功率管3及NMOS功率管4的衬底电位(衬底与PMOS功率管及NMOS功率管的源极连接，衬底电位即为源极电位)一直与驱动器总线端的输出电压连接一起，本实施例的PMOS功率管3及NMOS功率管4的栅电位的变化如下表所示：
正常工作 Y/Z＝-7V Y/Z＝12V
NMOS功率管4的栅电位 VCC -7V 12V
PMOS功率管3的栅电位 GND -7V 12V
本实施例反向电压保护电路的工作原理是：通过第一共模比较器1比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小，第二共模比较器2比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小，从而输出高电平或低电平，使得第一电阻5或第二电阻6上有电流流过或者无电流流过，从而控制PMOS功率管3的栅电位被下拉到地或者跟随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。或控制NMOS功率管4的栅电位被上拉到电源或者跟随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。
具体的，当驱动器总线端的输出电压(即总线共模电压)＞电源电压或者驱动器总线端的输出电压(即总线共模电压)＜地电位时，PMOS功率管3的栅电位以及NMOS功率管4的栅电位接到总线端；当驱动器总线端的输出电压(即总线共模电压)＜电源电压，且驱动器总线端的输出电压(即总线共模电压)＞地电位时，PMOS功率管3的栅电位接到电源，将NMOS功率管4的栅电位接到地。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上对RS-485芯片驱动器的反向电压保护电路进行进一步的改进。
请参图2所示，反向电压保护电路包括第一共模比较器1及第二共模比较器2，第一共模比较器1的输出端与PMOS功率管3的栅极电连接，第二共模比较器2的输出端与NMOS功率管4的栅极电连接。
在本实施例中，如图2所示，反向电压保护电路还包括第一电阻5及第二电阻6，第一电阻5跨接设置在PMOS功率管3的漏极与栅极之间，第二电阻6跨接设置在NMOS功率管4的漏极与栅极之间。
在本实施例中，如图2所示，PMOS功率管3的源极及NMOS功率管4的源极形成驱动器总线端，在本实施例中，驱动器是由PMOS功率管与NMOS功率管组成的桥式驱动器。
在本实施例中，如图2所示，反向电压保护电路还包括第一NMOS控制管7及第二NMOS控制管8，第一NMOS控制管7位于第一共模比较器1的输出端与PMOS功率管3的栅极之间，第二NMOS控制管8位于第二共模比较器2的输出端与NMOS功率管4的栅极之间。具体的，第一NMOS控制管7的栅极与第一共模比较器1的输出端电连接，第一NMOS控制管7的源极与PMOS功率管3的栅极电连接，第一NMOS控制管7的漏极接地。第二NMOS控制管8的栅极与第二共模比较器2的输出端电连接，第二NMOS控制管8的源极与NMOS功率管4的栅极电连接，第二NMOS控制管8的漏极接地。
进一步的，第一NMOS控制管7的源极与PMOS功率管3的栅极之间还设有第一电流产生结构9，第一电流产生结构9在第一NMOS控制管7不导通时正常工作产生电流，第一电阻5上有电流流过；第一电流产生结构9在第一NMOS控制管7导通时不工作不产生电流，第一电阻5上没有电流流过。第二NMOS控制管8的源极与NMOS功率管4的栅极之间还设有第二电流产生结构10，第二电流产生结构10在第二NMOS控制管8不导通时正常工作产生电流，第二电阻6上有电流流过；第二电流产生结构10在第二NMOS控制管8导通时不工作不产生电流，第二电阻6上没有电流流过。在此，需要说明的是，第一电流产生结构9及第二电流产生结构10均为采用常规的电流产生结构，其具体结构参见图2所示，可以采用其他结构的电流产生结构。
在本实施例中，第一共模比较器1用于比较电源电压与驱动器总线端的输出电压的大小。
当驱动器总线端的输出电压小于电源电压时，第一共模比较器1输出低电平；第一NMOS控制管7不导通，第一电流产生结构9产生电流，第一电阻5上有电流通过，产生的压降使得PMOS功率管3的栅极处的电压下拉到地。
当驱动器总线端的输出电压大于电源电压时，第一共模比较器1输出高电平；第一NMOS控制管7导通，第一电流产生结构9不产生电流，第一电阻5上有无电流通过，PMOS功率管3的栅极处的电压随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。
在本实施例中，第二共模比较器2用于比较地电压与驱动器总线端的输出电压的大小。
当驱动器总线端的输出电压大于电源电压时，第二共模比较器2输出低电平；第二NMOS控制管8不导通，第二电流产生结构10产生电流，第二电阻6上有电流通过，产生的压降使得NMOS功率管4的栅极处的电压上拉到电源。
当驱动器总线端的输出电压小于电源电压时，第二共模比较器2输出高电平；第二NMOS控制管8导通，第二电流产生结构10不产生电流，第二电阻6上无电流通过，使得NMOS功率管4的栅极处的电压随驱动器总线端的输出电压的变化而变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种RS－485芯片驱动器的反向电压保护电路，其特征在于：包括第一共模比较器及第二共模比较器，所述第一共模比较器的输出端与PMOS功率管的栅极电连接，所述第二共模比较器的输出端与NMOS功率管的栅极电连接；
反向电压保护电路还包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻跨接设置在所述PMOS功率管的漏极与栅极之间，所述第二电阻跨接设置在所述NMOS功率管的漏极与栅极之间；
所述PMOS功率管的源极及所述NMOS功率管的源极形成驱动器总线端，所述第一共模比较器用于比较电源电压与所述驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平；所述第二共模比较器用于比较地电压与所述驱动器总线端的输出电压的大小，并输出高电平或低电平。
2.根据权利要求1所述的反向电压保护电路，其特征在于：所述驱动器是由所述PMOS功率管与所述NMOS功率管组成的桥式驱动器。
3.根据权利要求2所述的反向电压保护电路，其特征在于：反向电压保护电路还包括第一NMOS控制管及第二NMOS控制管，所述第一NMOS控制管位于所述第一共模比较器的输出端与所述PMOS功率管的栅极之间，第二NMOS控制管位于所述第二共模比较器的输出端与所述NMOS功率管的栅极之间。
4.根据权利要求3所述的反向电压保护电路，其特征在于：所述第一NMOS控制管的栅极与所述第一共模比较器的输出端电连接，所述第一NMOS控制管的源极与所述PMOS功率管的栅极电连接，所述第一NMOS控制管的漏极接地；
所述第二NMOS控制管的栅极与所述第二共模比较器的输出端电连接，所述第二NMOS控制管的源极与所述NMOS功率管的栅极电连接，所述第二NMOS控制管的漏极接地。
5.根据权利要求4所述的反向电压保护电路，其特征在于：所述第一NMOS控制管的源极与所述PMOS功率管的栅极之间还设有第一电流产生结构；所述第二NMOS控制管的源极与所述NMOS功率管的栅极之间还设有第二电流产生结构；
所述第一电流产生结构及所述第二电流产生结构均用于产生电流。
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