CN113687683A - 一种预稳压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预稳压电路，使用极少量高压器件，即可将大范围变化的高电压转换为较低，且较稳定的低电压。整个电路分为2个电压域，高压电源VCC和低压电源Vpre。所述的预稳压电路包括高压电源VCC，高压电源VCC与固定栅压产生电路和低压电源产生电路的正极连接，为固定栅压产生电路和低压电源产生电路进行供电。所述固定栅压产生电路的输出端与低压电源产生电路连接，低压电源产生电路输出低压电源Vpre，并将低压电源Vpre输入至负载，为负载进行供电。所述固定栅压产生电路、低压电源产生电路和负载的负极连接并接地。本发明用在宽电压范围的高压系统中，产生一个较为固定，具有一定带载能力的低压电源Vpre，给芯片的低压数字电路和低压模拟电路部分供电。

Description

一种预稳压电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种预稳压电路的设计。
背景技术
预稳压电路能够将其输入端输入的较高电压经过初步稳压后为后续电路提供低压电源，在高压工艺的集成电路领域中有着重要的应用。传统的预稳压电路通常只通过稳压管和三极管组合的方式，得到一个稳压管电压减去三极管的导通压降的电压，即输出电压取决于稳压管的电压。
而在高压工艺集成电路中，耐高压器件往往阈值电压高、性能差、占用面积大。而与之兼容的同工艺下的低压器件则阈值电压低、性能好，占用面积小。因此，在高压集成电路工艺中，设计人员希望尽可能使用低压器件。然而高压供电的电路中，使用低压器件又面临着器件容易被击穿的风险。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种预稳压电路；能有效的解决上述技术问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种预稳压电路，整个电路分为2个电压域，高压电源VCC和低压电源Vpre；所述的预稳压电路包括高压电源VCC，高压电源VCC与固定栅压产生电路和低压电源产生电路的正极连接，为固定栅压产生电路和低压电源产生电路进行供电；所述固定栅压产生电路的输出端与低压电源产生电路连接，低压电源产生电路输出低压电源Vpre，并将低压电源Vpre输入至负载，为负载供电；所述固定栅压产生电路、低压电源产生电路和负载的负极连接并接地。
进一步的，所述的固定栅压产生电路包括与电源电压VCC连接的偏置电流I1和电阻R1，偏置电流I1和电阻R1并联后与稳压二极管D1的负极、MOS管电容M2的栅极和MOS管M4的栅极连接；所述二极管D1的正极同时与MOS管M1的漏极和栅极连接，MOS管M1的源极与MOS管电容M2的漏极和源极连接并接地。
进一步的，所述的电阻R1采用MΩ级的大电阻，稳压二极管D1和MOS管M1采用普通的低压管。
进一步的，所述的MOS管M2为MOS电容。
进一步的，所述低压电源产生电路包括与电源电压VCC连接的电阻R2,电阻R2的另一端与MOS管M4的漏极连接，MOS管M4的栅极与固定栅压产生电路连接，MOS管M4的源极与MOS管M3的栅极、稳压二极管D2的负极和负载的输入端连接；MOS管M3的漏极和源极、稳压二极管D2的正极和负载的负极连接并接地。
进一步的，所述电阻R2为小阻值电阻，MOS管M4的漏极的电压近似为VCC-Vpre；MOS管M4采用漏极耐高压的高压MOS管。
进一步的，所述的MOS管M3为MOS电容。
进一步的，所述的高压电源VCC为输入的电源电压，在60V BCD工艺下，输入的电压为8~36V时，所述的低压电源Vpre为输出电压，其输出的电压为4~6V。
有益效果
本发明提出的一种预稳压电路，与传统的现有技术相比较，其具有以下有益效果：
（1）本技术方案用尽可能少的高压器件，在整个电路中只采用了一个高压器件MOS管M4，就可将高的电源电压预稳压到一个较低电压，利用这个较低电压给后续电路供电；就能够实现在高压系统中生成低压电源的功能。使得该电路可用于高压芯片系统中，在系统内部生成低电压电源，给后续的低压逻辑及低压模拟电路模块供电。后续电路即可以选用低压器件来实现，从而既能实现电路功能，又能降低芯片成本。
（2）本技术方案的固定栅压产生电路中，I1为uA级别的偏置电流，其与稳压二极管D1的负极连接，用于确保稳压二极管D1工作在反向击穿状态(可逆)。R1采用MΩ级的大电阻，可以确保绝大部分的电压落在电阻R1上，使得稳压二极管D1和MOS管M1可以采用普通的低压管。MOS管M2作为MOS电容，可以在系统上电时，使得稳压二极管D1产生的电压V1平稳上升，并且在电源电压VCC波动时，可有效防止电压V1的变化量过大，减小了电源噪声。
附图说明
图1是本发明中整体电路的原理框图。
图2是本发明中整体电路的具体电路原理图。
图3是本发明中Vpre随电源电压的变化波形图。
图4是本发明中Vpre随负载的变化波形图。
具体实施方式
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。
如图1所示，一种预稳压电路，整个电路分为2个电压域，高压电源VCC和低压电源Vpre。该电路用在宽电压范围的高压系统中，产生一个较为固定，具有一定带载能力的低压电源Vpre，给芯片的低压数字电路和低压模拟电路部分供电。
所述的预稳压电路包括高压电源VCC，高压电源VCC与固定栅压产生电路和低压电源产生电路的正极连接，为固定栅压产生电路和低压电源产生电路进行供电。所述固定栅压产生电路的输出端与低压电源产生电路连接，低压电源产生电路输出低压电源Vpre，并将低压电源Vpre输入至负载，为负载进行供电。所述固定栅压产生电路、低压电源产生电路和负载的负极连接并接地。
如图2所示，所述的固定栅压产生电路包括与电源电压VCC连接的偏置电流I1和电阻R1，偏置电流I1和电阻R1并联后与稳压二极管D1的负极、MOS管电容M2的栅极和MOS管M4的栅极连接；所述二极管D1的正极同时与MOS管M1的漏极和栅极连接，MOS管M1的源极与MOS管电容M2的漏极和源极连接并接地。
VCC为芯片的电源电压，VCC为高压电源。I1为uA级别的偏置电流，其与稳压二极管D1的负极连接，用于确保稳压二极管D1工作在反向击穿状态(该状态可逆，二极管并未损害)。R1采用MΩ级的大电阻，可以确保绝大部分的高电压落在电阻R1上，使得稳压二极管D1和MOS管M1可以采用普通的低压管。MOS管M2作为MOS电容，可以在系统上电时，使得稳压二极管D1产生的电压V1平稳上升，并且在电源电压VCC波动时，可有效防止电压V1的变化量过大，减小了电源噪声。
所述的低压电源产生电路包括与电源电压VCC连接的电阻R2,电阻R2的另一端与MOS管M4的漏极连接，MOS管M4的栅极与固定栅压产生电路连接，MOS管M4的源极与MOS管M3的栅极、稳压二极管D2的负极和负载的输入端连接；MOS管M3的漏极和源极、稳压二极管D2的正极和负载的负极连接并接地。
所述的低压电源产生电路采用了稳压二极管D2用作稳压功能，由于稳压二极管D2工作在反向击穿区，因此输出电压Vpre稳定在二极管钳位电压值。
电阻R2为小阻值电阻，MOS管M4的漏极的电压近似为VCC-Vpre，得到MOS管M4工作在饱和区，因此MOS管M4需要采用漏极耐高压的高压MOS管。
当偏置电流I1经过稳压管D1和MOS管M1时，稳压管D1反向击 穿，得到稳压二极管D1的电压VD1和MOS管M1的栅极和源极之间的 电压差VGS1。所述MOS管M4的栅极与串联的稳压二极管D1、MOS管 M1进行并联，使得MOS管M4的栅极的电压为：MOS管M1的栅极和源 极之间的电压差VGS1加上稳压二极管D1的电压VD1，用公式表示为VGS1+VD1。
MOS管M4的源极电压为Vpre，MOS管M4的源极电压为Vpre直接流 向D2，即Vpre与VD2相等；因此MOS管M4的栅极和源极之间的电压差 VGS4可通过下列公式得到：VGS4＝VGS1+VD1-VD2≈VGS1；由于稳压二极管 D1与稳压二极管D2是相同性能的稳压二极管，稳压二极管在反向击 穿时，其经过的电压是定值，因此，VD1的值等于VD2的值；由此可 以得到MOS管M4的栅极和源极之间的电压差VGS4约等于MOS管M1的 栅极和源极之间的电压差VGS1，VGS4的电位大于其阈值电压，因此MOS 管M4可以正常打开。
当MOS管M4工作在饱和区时，MOS管M4的源极流出的电流为：
Figure RE-GDA0003298183520000061
带载情况下，由于MOS管M4的栅极保持不 变，为维持Iload电流，MOS管M4的漏极电位呈下降趋势。
MOS管M4的过驱动电压VOV4低于1V，MOS管M4的漏源电压VDS即为输入电压VCC减掉输出电压Vpre所产生的压差，则为MOS管M4的电压降；MOS管M4的漏源电压VDS近似为：VCC-Vpre；在本实施例中，输入电压VCC为8~36V，输出电压Vpre为4~6V，MOS管M4的漏源电压VDS可能达30V以上，可以判断MOS管M4工作在饱和区，且MOS管M4需采用漏源耐高压的高压MOS管。
该电路常用于高压芯片系统中，在系统内部生成电压电源，给低压逻辑及低压模拟电路模块供电。整个电路只采用了一个高压器件M4，就能够实现在高压系统中生成低压电源的功能。
如图3所示，图3为Vpre随电源电压的变化的仿真波形，负载为500uA。如图4所示，图4为Vpre随负载的变化的仿真波形，VCC=8V。选用不同的工艺，输出波形会有所差异。
由于Vpre作为芯片低压电路的电源，使得预稳压电路需要提供一定的带载能力，该电路能够提供500uA的负载电流。该带载能力主要由M4管尺寸决定，如果选择更大的M4器件尺寸比W/L，则能提供更大的负载电流。仿真显示，在500uA负载时，在全温度全工艺角下Vpre的范围为4.08V-5.4V。
Vpre为后续基准、偏置、保护等电路供电，该值无需特别精确，3~6V都可维持低压模块正常工作，与LDO相比，虽然稳压精度差，但结构简单，功耗低，成本低。

Claims (8)

1.一种预稳压电路，整个电路分为2个电压域，高压电源VCC和低压电源Vpre；其特征在于：所述的预稳压电路包括高压电源VCC，高压电源VCC与固定栅压产生电路和低压电源产生电路的正极连接，为固定栅压产生电路和低压电源产生电路进行供电；所述固定栅压产生电路的输出端与低压电源产生电路连接，低压电源产生电路输出低压电源Vpre，低压电源Vpre为负载供电；所述固定栅压产生电路、低压电源产生电路和负载的负极连接并接地。
2.根据权利要求1所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述的固定栅压产生电路包括与电源电压VCC连接的偏置电流I1和电阻R1，偏置电流I1和电阻R1并联后与稳压二极管D1的负极、MOS管电容M2的栅极和MOS管M4的栅极连接；所述二极管D1的正极同时与MOS管M1的漏极和栅极连接，MOS管M1的源极与MOS管电容M2的漏极和源极连接并接地。
3.根据权利要求2所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述的电阻R1采用MΩ级的大电阻，稳压二极管D1和MOS管M1采用普通的低压管。
4.根据权利要求2所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述的MOS管M2为MOS电容。
5.根据权利要求1所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述低压电源产生电路包括与电源电压VCC连接的电阻R2,电阻R2的另一端与MOS管M4的漏极连接，MOS管M4的栅极与固定栅压产生电路连接，MOS管M4的源极与MOS管M3的栅极、稳压二极管D2的负极和负载的输入端连接；MOS管M3的漏极和源极、稳压二极管D2的正极和负载的负极连接并接地。
6.根据权利要求5所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述电阻R2为小阻值电阻，MOS管M4的漏极的电压近似为VCC-Vpre；MOS管M4采用漏极耐高压的高压MOS管。
7.根据权利要求5所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述的MOS管M3为MOS电容。
8.根据权利要求1所述的一种预稳压电路，其特征在于：所述的高压电源VCC为输入的电源电压，其输入的电压为8~36V；所述的低压电源Vpre为输出电压，其输出的电压为4~6V。
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