CN114362734B - 耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法及电路，所述衬底电压动态选择方法包括：选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压；将衬底的内部节点连接至选择的最低电压。本发明通过将衬底的内部节点连接至耐极低负压功率信号开关中的最低电压，能够保证芯片的正常工作，也极大的降低了闩锁效应风险。

Description

耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法及电路

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体而言，涉及一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法及电路。

背景技术

随着无线充电技术的发展，可穿戴设备的无线充电非常普遍，同时为了方便切换大功率无线充电线圈通路和小功率可穿戴无线线圈通路，需要特殊的可耐极负电压(如-40V)功率信号开关来控制线圈通道的切换。由于功率信号开关两端都要耐负压，同时耐压幅值要求近±40V（普通芯片负向耐压一般为-0.3V），所以常规的BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺没有完全隔离的器件来实现这样的功率信号开关，而使用SOI（silicononinsulator）工艺成本又极其昂贵。而非完全隔离的器件（N埋层（NBL-NBarrier Layer）和MOS管的漏极物理上分不开）实现这样的功率信号开关过程中，在漏极接-40V情况下，闩锁效应风险极高。

发明内容

本发明旨在提供一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法及电路，以解决非完全隔离的器件实现功率信号开关过程中，在漏极接-40V情况下容易触发闩锁效应的问题。

本发明提供的一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法，包括：

选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压；

将衬底的内部节点连接至选择的最低电压。

进一步的，所述选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压的方法为：

从耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中任选两个外接端口进行电压比较，输出两者中的第一最低电压；

从耐极低负压功率信号开关剩下的外接端口中任选一个外接端口与所述第一最低电压进行电压比较，输出两者中的第二最低电压；依次类推，直到比较完N个外接端口，得到N个外接端口中的最低电压。

在一些实施例中，N=3。

本发明提供的一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路，包括N-1个级联的电压比较单元；每个电压比较单元具有两个输入端口和一个输出端口，用于对两个输入端口的两个输入电压进行电压比较，并从输出端口输出两个输入电压中的最低电压；

第1个比较单元的两个输入端口以及第2～(N-1)个电压比较单元的其中一个输入端口分别连接耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口；第2～(N-1)个电压比较单元的另一个输入端口对应连接前一个电压比较单元的输出端口；第(N-1)个电压比较单元的输出端口用于连接衬底的内部节点。

进一步的，每个电压比较单元包括两个比较模块；每个比较模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一MOS管、第二MOS管、第一稳压管和第二稳压管；

每个比较模块的第一输入端，一方面依次经第一电阻、第一稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端，另一方面依次经第二电阻、第一MOS管的漏极、第一MOS管的源极、第二稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端；第一MOS管的栅极与第一电阻和第一稳压管之间的电性连接点连接；第一MOS管的源极与第二稳压管之间的电性连接点与第二MOS管的栅极连接；每个比较模块的第二输入端依次经第二MOS管的漏极、第二MOS管的源极后连接比较模块的输出端；

两个比较模块中：其中一个比较模块的第一输入端与另一个比较模块的第二输入端作为电压比较单元的第一输入端口；其中一个比较模块的第二输入端与另一个比较模块的第一输入端作为电压比较单元的第二输入端口；两个比较模块的输出端相连接，并作为电压比较单元的输出端口。

在一些实施例中，所述耐极低负压功率信号开关包括两个背靠背的功率管FETA和功率管FETB，功率管FETA和功率管FETB的漏极分别连接高压引脚TERM1和高压引脚TERM2；高压引脚TERM1和高压引脚TERM2与衬底的内部节点采用静电保护二极管系统接地PGND；所述耐极低负压功率信号开关中的外接端口包括高压引脚TERM1、高压引脚TERM2和地PGND；则N=3。

在一些实施例中，所述高压引脚TERM1和高压引脚TERM2与衬底的内部节点采用静电保护二极管系统接地是指：

高压引脚TERM1依次经静电保护二极管D1的负极和正极、衬底的内部节点一、静电保护二极管D2的正极和负极后接地；

高压引脚TERM2依次经静电保护二极管D3的负极和正极、衬底的内部节点二、静电保护二极管D4的正极和负极后接地。

在一些实施例中，所述静电保护二极管D1、静电保护二极管D2、静电保护二极管D3、静电保护二极管D4的反向击穿电压大于40V。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过将衬底的内部节点连接至耐极低负压功率信号开关中的最低电压，能够保证芯片的正常工作，也极大的降低了闩锁效应风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为一种耐极负电压高压引脚的耐极低负压功率信号开关的示意图。

图2为本发明实施例的耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法的流程框图。

图3为本发明实施例的耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路的结构框图。

图4为应用本发明实施例的衬底电压动态选择电路到图1所示的耐极低负压功率信号开关的示意图。

图5为图4所示的衬底电压动态选择电路的详细结构图。

图6为图5所述的衬底电压动态选择电路的仿真验证结果展示图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例

如图1所示的一种耐极负电压高压引脚的耐极低负压功率信号开关，功率管FETA和功率管FETB是背靠背的两个高压型NLD NMOS，功率管FETA和功率管FETB的漏极分别连接高压引脚TERM1和高压引脚TERM2；功率管FETA和功率管FETB的源极相连接。由于高压引脚TERM1和高压引脚TERM2都要耐负电压，因此衬底不能直接接地，如果衬底直接接地，衬底到功率管FETA的N型埋层或功率管FETB的N型埋层的二极管在高压引脚TERM1和/或高压引脚TERM2为-40V时产生极大电流。可以将高压引脚TERM1和高压引脚TERM2与衬底的内部节点采用静电保护二极管系统接地PGND；即高压引脚TERM1依次经静电保护二极管D1的负极和正极、衬底的内部节点一、静电保护二极管D2的正极和负极后接地；高压引脚TERM2依次经静电保护二极管D3的负极和正极、衬底的内部节点二、静电保护二极管D4的正极和负极后接地。这样，选择合适的静电保护二极管后，高压引脚TERM1和高压引脚TERM2能耐极负压。一般地，所述静电保护二极管D1、静电保护二极管D2、静电保护二极管D3、静电保护二极管D4的反向击穿电压大于40V。

在实现上述的耐极低负压功率信号开关时，需要选择衬底的内部节点连接最低电压来抑制闩锁效应，由此，如图2所示，本实施例提出一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法，包括：

选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压；

将衬底的内部节点连接至选择的最低电压。

其中，所述选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压的方法采用两两比较的方式，具体如下：

从耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中任选两个外接端口(A1,A2)进行电压比较，输出两者中的第一最低电压min(A1,A2)；

从耐极低负压功率信号开关剩下的外接端口中任选一个外接端口(A3)与所述第一最低电压进行电压比较，输出两者中的第二最低电压min(A1,A2,A3)；依次类推，直到比较完N个外接端口，得到N个外接端口中的最低电压min(A1,A2,…,AN)。

对应的上述的衬底电压动态选择方法，如图3所示，本实施例还实现了耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路，包括：N-1个级联的电压比较单元；每个电压比较单元具有两个输入端口和一个输出端口，用于对两个输入端口的两个输入电压进行电压比较，并从输出端口输出两个输入电压中的最低电压；

第1个比较单元的两个输入端口以及第2～(N-1)个电压比较单元的其中一个输入端口分别连接耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口；第2～(N-1)个电压比较单元的另一个输入端口对应连接前一个电压比较单元的输出端口；第(N-1)个电压比较单元的输出端口用于连接衬底的内部节点。

其中，每个电压比较单元包括两个比较模块；每个比较模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一MOS管、第二MOS管、第一稳压管和第二稳压管；

每个比较模块的第一输入端，一方面依次经第一电阻、第一稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端，另一方面依次经第二电阻、第一MOS管的漏极、第一MOS管的源极、第二稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端；第一MOS管的栅极与第一电阻和第一稳压管之间的电性连接点连接；第一MOS管的源极与第二稳压管之间的电性连接点与第二MOS管的栅极连接；每个比较模块的第二输入端依次经第二MOS管的漏极、第二MOS管的源极后连接比较模块的输出端；

两个比较模块中：其中一个比较模块的第一输入端与另一个比较模块的第二输入端作为电压比较单元的第一输入端口；其中一个比较模块的第二输入端与另一个比较模块的第一输入端作为电压比较单元的第二输入端口；两个比较模块的输出端相连接，并作为电压比较单元的输出端口。

所述衬底电压动态选择方法及电路适用于具有N个外接端口的耐极低负压功率信号开关。如图4所示为将所述衬底电压动态选择电路应用于如图1所示的耐极低负压功率信号开关的示意图，即所述耐极低负压功率信号开关中的外接端口包括高压引脚TERM1、高压引脚TERM2和地PGND；则N=3。此时，所述衬底电压动态选择电路如图5所示，包括用于对高压引脚TERM1和地PGND进行电压比较的第一电压比较单元，输出min(TERM,PGND)；以及用于对TERM2和min(TERM,PGND)进行电压比较的第二电压比较单元；

第一电压比较单元包括比较模块A和比较模块B：

比较模块A的第一输入端，一方面依次经第一电阻R1A、第一稳压管D1A的负极和正极后连接比较模块A的输出端，另一方面依次经第二电阻R2A、第一MOS管M1A的漏极、第一MOS管M1A的源极、第二稳压管D2A的负极和正极后连接比较模块A的输出端；第一MOS管M1A的栅极与第一电阻R1A和第一稳压管D1A之间的电性连接点连接；第一MOS管M1A的源极与第二稳压管D2A之间的电性连接点与第二MOS管M2A的栅极连接；比较模块A的第二输入端依次经第二MOS管M2A的漏极、第二MOS管M2A的源极后连接比较模块A的输出端；

比较模块B的第一输入端，一方面依次经第一电阻R1B、第一稳压管D1B的负极和正极后连接比较模块B的输出端，另一方面依次经第二电阻R2B、第一MOS管M1B的漏极、第一MOS管M1B的源极、第二稳压管D2B的负极和正极后连接比较模块B的输出端；第一MOS管M1B的栅极与第一电阻R1B和第一稳压管D1B之间的电性连接点连接；第一MOS管M1B的源极与第二稳压管D2B之间的电性连接点与第二MOS管M2B的栅极连接；比较模块B的第二输入端依次经第二MOS管M2B的漏极、第二MOS管M2B的源极后连接比较模块B的输出端；

比较模块A和比较模块B中，比较模块A的第一输入端和比较模块B的第二输入端作为电压比较单元的第一输入端口，连接高压引脚TERM1；比较模块A的第二输入端和比较模块B的第一输入端作为电压比较单元的第二输入端口，连接高压引脚PGND；比较模块A和比较模块B的输出端相连接，并作为第一电压比较单元的输出端口，输出min(TERM1,PGND)。

同理，第二电压比较单元包括比较模块C和比较模块D：

比较模块C的第一输入端，一方面依次经第一电阻R1C、第一稳压管D1C的负极和正极后连接比较模块C的输出端，另一方面依次经第二电阻R2C、第一MOS管M1C的漏极、第一MOS管M1C的源极、第二稳压管D2C的负极和正极后连接比较模块C的输出端；第一MOS管M1C的栅极与第一电阻R1C和第一稳压管D1C之间的电性连接点连接；第一MOS管M1C的源极与第二稳压管D2C之间的电性连接点与第二MOS管M2C的栅极连接；比较模块C的第二输入端依次经第二MOS管M2C的漏极、第二MOS管M2C的源极后连接比较模块C的输出端；

比较模块D的第一输入端，一方面依次经第一电阻R1D、第一稳压管D1D的负极和正极后连接比较模块D的输出端，另一方面依次经第二电阻R2D、第一MOS管M1D的漏极、第一MOS管M1D的源极、第二稳压管D2D的负极和正极后连接比较模块D的输出端；第一MOS管M1D的栅极与第一电阻R1D和第一稳压管D1D之间的电性连接点连接；第一MOS管M1D的源极与第二稳压管D2D之间的电性连接点与第二MOS管M2D的栅极连接；比较模块D的第二输入端依次经第二MOS管M2D的漏极、第二MOS管M2D的源极后连接比较模块D的输出端；

比较模块C和比较模块D中，比较模块C的第一输入端和比较模块D的第二输入端作为电压比较单元的第一输入端口，连接第一电压比较单元的输出端口，即min(TERM1,PGND)；比较模块C的第二输入端和比较模块D的第一输入端作为电压比较单元的第二输入端口，连接高压引脚TERM2；比较模块C和比较模块D的输出端相连接，并作为第二电压比较单元的输出端口，输出min(TERM1,TERM2,PGND)。需要说明的是，上述的各MOS管也可以采用三极管代替。

最后将这个最低电压min(TERM1,TERM2,PGND)连接至衬底的内部节点。如图6所示为如图5所示的衬底电压动态选择电路的仿真验证的结果，从中可以看出，衬底SUB能够动态地从高压引脚TERM1、高压引脚TERM2和地PGND中，实时选出-40V，-20V，0V这些最低电压。比如在100KHz频率的方波Sin波情况下，能很好地选出衬底的最低电压。这样的多级级联的动态选择方法，根据系统的需求，可以支持更高的工作频率。这样就保证了P型衬底动态连接了最低电压，能够保证芯片的正常工作，也极大的降低了闩锁效应风险。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (5)

1.一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法，其特征在于，所述衬底电压动态选择方法包括：

选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压；

将衬底的内部节点连接至选择的最低电压；

所述选择耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中的最低电压的方法为：

从耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口中任选两个外接端口进行电压比较，输出两者中的第一最低电压；

从耐极低负压功率信号开关剩下的外接端口中任选一个外接端口与所述第一最低电压进行电压比较，输出两者中的第二最低电压；依次类推，直到比较完N个外接端口，得到N个外接端口中的最低电压。

2.根据权利要求1所述的耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择方法，其特征在于，N=3。

3.一种耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路，其特征在于，包括N-1个级联的电压比较单元；每个电压比较单元具有两个输入端口和一个输出端口，用于对两个输入端口的两个输入电压进行电压比较，并从输出端口输出两个输入电压中的最低电压；

第1个比较单元的两个输入端口以及第2～(N-1)个电压比较单元的其中一个输入端口分别连接耐极低负压功率信号开关中的N个外接端口；第2～(N-1)个电压比较单元的另一个输入端口对应连接前一个电压比较单元的输出端口；第(N-1)个电压比较单元的输出端口用于连接衬底的内部节点；

每个电压比较单元包括两个比较模块；每个比较模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一MOS管、第二MOS管、第一稳压管和第二稳压管；

每个比较模块的第一输入端，一方面依次经第一电阻、第一稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端，另一方面依次经第二电阻、第一MOS管的漏极、第一MOS管的源极、第二稳压管的负极和正极后连接比较模块的输出端；第一MOS管的栅极与第一电阻和第一稳压管之间的电性连接点连接；第一MOS管的源极与第二稳压管之间的电性连接点与第二MOS管的栅极连接；每个比较模块的第二输入端依次经第二MOS管的漏极、第二MOS管的源极后连接比较模块的输出端；

两个比较模块中：其中一个比较模块的第一输入端与另一个比较模块的第二输入端作为电压比较单元的第一输入端口；其中一个比较模块的第二输入端与另一个比较模块的第一输入端作为电压比较单元的第二输入端口；两个比较模块的输出端相连接，并作为电压比较单元的输出端口；

所述耐极低负压功率信号开关包括两个背靠背的功率管FETA和功率管FETB，功率管FETA和功率管FETB的漏极分别连接高压引脚TERM1和高压引脚TERM2；高压引脚TERM1和高压引脚TERM2与衬底的内部节点采用静电保护二极管系统接地PGND；所述耐极低负压功率信号开关中的外接端口包括高压引脚TERM1、高压引脚TERM2和地PGND；则N=3。

4.根据权利要求3所述的耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路，其特征在于，所述高压引脚TERM1和高压引脚TERM2与衬底的内部节点采用静电保护二极管系统接地是指：

高压引脚TERM1依次经静电保护二极管D1的负极和正极、衬底的内部节点一、静电保护二极管D2的正极和负极后接地；

高压引脚TERM2依次经静电保护二极管D3的负极和正极、衬底的内部节点二、静电保护二极管D4的正极和负极后接地。

5.根据权利要求4所述的耐极低负压功率信号开关的衬底电压动态选择电路，其特征在于，所述静电保护二极管D1、静电保护二极管D2、静电保护二极管D3、静电保护二极管D4的反向击穿电压大于40V。

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