CN114583800A - 一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，包括稳压模块、PMOS充电管、自关断栅压箝位电路、带限流的电压转换电流电路、电流检测设定电路和充电控制器，稳压模块输出端与带限流的电压转换电流电路、电流检测设定电路和充电控制器输入端连接，电流检测设定电路输出端与充电控制器输入端连接，充电控制器输出端与带限流的电压转换电流电路输入端连接，带限流的电压转换电流电路输出端与自关断栅压箝位电路输入端连接，自关断栅压箝位电路输出端与PMOS充电管输入端连接。本发明通过在薄栅氧工艺上实现了一种能承受高压输入和输出、带电池反接保护的线性充电电路；具备高密度，易集成的特点。

Description

一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路

技术领域

本发明涉及电源管理集成电路技术领域，具体为一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路。

背景技术

近年来，充电电子设备相关领域迅速发展，更高的功率密度和更安全的性能是其未来发展的重要方向，电池充电管理芯片作为其中的主要部分，其性能的优劣直接决定着电子设备的功率密度大小和安全与否。由于现在各电子设备接口电压越来越高，且电压高低波动越来越大，各类电子设备电池包的电压也越来越高，所以普遍需要一种能承受输入和输出高压的电池充电管理芯片。为防止在生产和使用中，电池的正负极接反导致产品失效或产生安全事故，电池充电管理芯片同样也应该具备反向保护功能。与此同时，伴随着摩尔定律的发展，能提供更高集成度，更低成本的薄栅氧工艺也成为了当今半导体制造业界的主流工艺。因此使用薄栅氧工艺开发高输入电压范围且带保护的电池充电电路是必然需求。

现有中国文献，如授权公告号为CN100442629的专利，已知的线性充电器(参考附图5)通常由一个基于P型MOS管的结构构成，其控制管为M2，输出管为M1，PMOS管M1的源极连接电源VDD，漏极连接电池端VBAT，栅极控制电压为地至电源VDD之间；薄栅氧工艺只能提供源极和漏极之间耐高压的器件，无法提供源极和栅极之间耐高压的器件，如果电源VDD持续增加，栅极与源极之间电压超过栅氧耐压的话，MOS管就会损坏；所以该结构不能用于高压输入。如授权公告号为US10439421的专利中使用的结构也类似，同样使用了P型MOS管，如果将其应用在高压场合下将无法采用薄栅氧工艺加工。如授权公告号为CN101431295/US8248049的专利，使用了N型MOS管结构，N型MOS的漏极连接电源，N型MOS的源极连接电池端；但由于N型MOS管的源极与P型衬底之间存在一个二极管，所以当电池端反接的时候，N型NMOS管的源极和地之间会加上一个负电压，二极管会通过非常大的电流，使电路烧毁；而且如果反接电压足够高，该结构N型NMOS管的栅极和源极之间的电压也有可能超过栅氧耐压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，包括稳压模块、PMOS充电管、自关断栅压箝位电路、带限流的电压转换电流电路、电流检测设定电路和充电控制器，所述稳压模块的输出端与所述带限流的电压转换电流电路、所述电流检测设定电路和所述充电控制器的输入端相连接，所述电流检测设定电路的输出端与所述充电控制器的输入端相连接，所述充电控制器的输出端与所述带限流的电压转换电流电路的输入端相连接，所述带限流的电压转换电流电路的输出端与所述自关断栅压箝位电路的输入端相连接，所述自关断栅压箝位电路的输出端与所述PMOS充电管的输入端相连接。

进一步的，所述带限流的电压转换电流电路包括MP6、电流源I1、MN1和MN2，所述MP6为PMOS管，所述MN1和所述MN2均为NMOS管，其功能是限制输出电流的幅度，避免输出电流过大导致自关断栅压箝位电路失效。

进一步的，所述MN1的漏极连接Vg，所述MN1的栅极连接Vc，所述MN1的源极连接地，所述MN2的漏极连接Vd，所述MN2的栅极连接Vc，所述MN2的源极连接地，所述MP6的漏极连接地，所述MP6的栅极连接Vd，所述MP6的源极连接Vc，所述电流源I1的上端连接VDD，所述电流源I1的下端连接Vd。

进一步的，所述PMOS充电管包括MP1和MP2，所述MP1与所述MP2均为PMOS管，所述MP1的漏极连接输入VIN，所述MP2的漏极连接输出VBAT，所述MP1的源极与所述MP2的源极相连，所述MP1和所述MP2的栅极均连接所述自关断栅压箝位电路的Vg输出，其功能是，输出VBAT到输入VIN间的高电压可以利用MP1的源极和漏极之间的耐压来承受；输入VIN到输出VBAT间的高电压可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受；电池反接可能使VBAT负电压，这可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受。

进一步的，所述自关断栅压箝位电路包括电阻R1、MP3、MP4和MP5，所述MP3、所述MP4和所述MP5均为PMOS管，通过自关断栅压箝位电路，MP1和MP2的栅极Vg和源极Vcom的电压被保护在薄栅氧工艺的耐压范围之内，且能正常打开和关闭PMOS充电管。

进一步的，所述MP3的源极连接Vcom，所述MP3的栅极和漏极连接所述MP4的源极，所述MP4的栅极和漏极连接所述MP5的源极，所述MP5的栅极和漏极连接Vg，所述电阻R1的一端连接Vcom，所述电阻R1的另一端连接Vg。

进一步的，所述电流检测设定电路的作用是检测充电电流、并通过串联的所述电阻R2的大小设定电流，其输出控制信号Ic连接到所述充电控制器的输入端，所述充电控制器根据控制信号Ic和输出电压VBAT，输出一个控制电压Vc。

进一步的，所述稳压模块包括电阻R3、稳压二极管D1、电容C1和MN3，所述MN3为NMOS管，当VIN电压升高时，稳压二极管D1会击穿，产生一个恒定电压Vcl，而VDD则是一个低于Vcl的电压，将VDD作为内部模块的电源，所以所有VDD供电的模块不会受VIN高电压的影响。

进一步的，所述电阻R3的一端连接输入VIN，所述电阻R3的另一端连接Vcl，所述稳压二极管D1的负极连接Vcl，所述稳压二极管D1的正极接地，所述MN3的漏极连接VIN，所述MN3的源极连接VDD，所述MN3的栅极连接Vcl，所述电容C1的上极板连接VDD，所述电容C1的下极板接地。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明通过在薄栅氧工艺上实现了一种能承受高压输入且输出带电池反接保护的线性充电电路；该线性充电电路基于薄栅氧工艺，具备高密度，易集成的特点，且能承受高电压输入和输出、具备可靠的反接保护功能，适用于广泛的应用场合。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例一的电路图；

图2是本发明实施例二的电路图；

图3是本发明实施例三的电路图；

图4是本发明实施例四的电路图

图5是本发明背景技术中参考的电路图。

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。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。

请参阅图1-图5，本发明提供技术方案：一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，包括稳压模块、PMOS充电管、自关断栅压箝位电路、带限流的电压转换电流电路、电流检测设定电路和充电控制器，所述稳压模块的输出端与所述带限流的电压转换电流电路、所述电流检测设定电路和所述充电控制器的输入端相连接，所述电流检测设定电路的输出端与所述充电控制器的输入端相连接，所述充电控制器的输出端与所述带限流的电压转换电流电路的输入端相连接，所述带限流的电压转换电流电路的输出端与所述自关断栅压箝位电路的输入端相连接，所述自关断栅压箝位电路的输出端与所述PMOS充电管的输入端相连接，所述带限流的电压转换电流电路包括MP6、电流源I1、MN1和MN2，所述MP6为PMOS管，所述MN1和所述MN2均为NMOS管，其功能是限制输出电流的幅度，避免输出电流过大导致自关断栅压箝位电路失效，所述MN1的漏极连接Vg，所述MN1的栅极连接Vc，所述MN1的源极连接地，所述MN2的漏极连接Vd，所述MN2的栅极连接Vc，所述MN2的源极连接地，所述MP6的漏极连接地，所述MP6的栅极连接Vd，所述MP6的源极连接Vc，所述电流源I1的上端连接VDD，所述电流源I1的下端连接Vd，所述PMOS充电管包括MP1和MP2，所述MP1与所述MP2均为PMOS管，所述MP1的漏极连接输入VIN，所述MP2的漏极连接输出VBAT，所述MP1的源极与所述MP2的源极相连，所述MP1和所述MP2的栅极均连接所述自关断栅压箝位电路的Vg输出，所述自关断栅压箝位电路包括电阻R1、MP3、MP4和MP5，所述MP3、所述MP4和所述MP5均为PMOS管，所述MP3的源极连接Vcom，所述MP3的栅极和漏极连接所述MP4的源极，所述MP4的栅极和漏极连接所述MP5的源极，所述MP5的栅极和漏极连接Vg，所述电阻R1的一端连接Vcom，所述电阻R1的另一端连接Vg，所述电流检测设定电路的作用是检测充电电流、并通过串联的所述电阻R2的大小设定电流，其输出控制信号Ic连接到所述充电控制器的输入端，所述充电控制器根据控制信号Ic和输出电压VBAT，输出一个控制电压Vc，所述稳压模块包括电阻R3、稳压二极管D1、电容C1和MN3，所述MN3为NMOS管，当VIN电压升高时，稳压二极管D1会击穿，产生一个恒定电压Vcl，而VDD则是一个低于Vcl的电压，将VDD作为内部模块的电源，所以所有VDD供电的模块不会受VIN高电压的影响，所述电阻R3的一端连接输入VIN，所述电阻R3的另一端连接Vcl，所述稳压二极管D1的负极连接Vcl，所述稳压二极管D1的正极接地，所述MN3的漏极连接VIN，所述MN3的源极连接VDD，所述MN3的栅极连接Vcl，所述电容C1的上极板连接VDD，所述电容C1的下极板接地。

实施例一：图1是本发明的一个实施例：

稳压模块中电阻R3的一端连接VIN，另一端连接二极管D1的N端Vcl，二极管D1的N端连接Vcl，P端连接地；NMOS管MN3的漏极连接VIN，源极连接电容C1的上极板VDD，栅极连接Vcl；电容C1的上极板连接VDD，下极板连接地；当VIN电压升高时，稳压二极管会击穿，产生一个恒定电压Vcl，而VDD则是一个低于Vcl的电压，将VDD作为内部模块的电源，所以所有VDD供电的模块不会受VIN高电压的影响；

电流检测设定电路为VDD供电模块，它的功能是检测充电电流Icharge、并通过电阻R2的大小设定充电电流，其输出控制信号Ic连接到充电控制器模块；

充电控制器为VDD供电模块，其输入信号为控制信号Ic和电池电压VBAT；输出信号为控制电压Vc；

带限流的电压转换电流电路为VDD供电模块，它的输入信号为Vc；其中，NMOS管MN1的漏极连接Vg，栅极连接Vc，源极连接地；NMOS管MN2的漏极连接Vd，栅极连接Vc，源极连接地；PMOS管MP6的漏极连接地，栅极连接Vd，源极连接Vc；电流源I1的上端连接VDD，下端连接Vd；该电路将控制信号Vc转换成电流信号由NMOS管MN1输出到自关断栅压箝位电路；其功能是限制输出电流的幅度，避免输出电流过大导致自关断栅压箝位电路失效；

自关断栅压箝位电路中的PMOS管MP3的源极连接Vcom，栅极和漏极连接PMOS管MP4的源极；PMOS管MP4的源极连接PMOS管MP3的栅极和漏极，栅和漏极连接PMOS管MP5的源极；PMOS管MP5的源极连接PMOS管MP4的栅极和漏极，栅和漏极连接Vg；电阻R1的一端连接Vcom，另一端连接Vg；通过自关断栅压箝位电路，PMOS充电管MP1和MP2的栅极Vg和源极Vcom的电压被保护在薄栅氧工艺的耐压范围之内，且能正常打开和关闭PMOS充电管；

PMOS充电管中，PMOS管MP1的漏极连接VIN，栅极连接Vg，源极连接PMOS管MP2的源极Vcom；PMOS管MP2的漏极连接VBAT，栅极连接Vg，源极连接PMOS管MP1的源极Vcom；因此输出VBAT到输入VIN间的高电压可以利用MP1的源极和漏极之间的耐压来承受；输入VIN到输出VBAT间的高电压可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受；电池反接可能使VBAT负电压，这可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受；

实施例二：图2是本发明的另一个实施例，该实施例与图2实施例的区别在于，电流检测设定电路中，PMOS管MP7的源极连接Vcom，栅极连接Vg，漏极连接Ve，放大器OP1的负极输入连接VBAT，正极输入连接PMOS管MP7的漏极Ve，输出连接Vop；NMOS管MN4的栅极连接Vop，源极连接Ic，漏极连接Ve；电阻R2的一端连接Ic另一端连接地；该电路实现了通过镜像PMOS管MP7的方式，将充电电流采样出来，叠加到电阻R2上，并通过调节电阻R2的阻值设定充电电流大小；

实施例三：图3是本发明的又另一个实施例；该实施例与图2实施例的区别在于电流检测设定电路中，放大器OP1负极输入连接Vcom，正极输入连接VIN，输出连接电阻R2的一端Ic；该电路通过直接放大PMOS管MP1两端的电压差来将充电电流采样出来叠加到电阻R2上，并通过调节电阻R2的阻值设定充电电流大小；

实施例四：图4是本发明的还一个实施例；该实施例采用二极管D2代替图2实施例中的PMOS管MP1，该二极管既可放在芯片内也可以放在芯片外，此实施例既可以节省成本，又方便灵活配置。

本发明的工作原理：

本发明的线性充电器是通过电流检测设定电路，将检测到的充电电流与设定的充电电流比较，产生控制信号Ic送至充电控制器；充电控制器根据控制信号Ic和检测到的VBAT电压来产生控制信号Vc，再通过带限流的电压转换电流电路将Vc传递到自关断栅压箝位电路，进而产生PMOS充电管的栅极控制信号Vg，Vg通过控制PMOS充电管的开启和关断，最终实现输入VIN至输出VBAT的恒流或恒压充电的功能；针对背景中提到的问题，本发明首先针对VIN输入高电压场合，将VIN通过稳压模块转换后，再给内部其他模块供电，这样做的好处是让内部器件不受VIN高电压的影响；其次，本发明还通过带限流的电压转换电流电路将控制电路的电压信号转换成一个限幅的电流信号传递到PMOS充电管处，其功能是限制输出电流的幅度，避免输出电流过大导致自关断栅压箝位电路失效；再次，在充电管处，本发明使用了两个P型MOS管MP1和MP2，由于薄栅氧工艺只能提供源极和漏极之间耐高压的器件，无法提供源极和栅极之间耐高压的器件；因此输出VBAT到输入VIN间的高电压可以利用MP1的源极和漏极之间的耐压来承受；输入VIN到输出VBAT间的高电压可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受；电池反接后VBAT的负电压，可以利用MP2的源极和漏极之间的耐压来承受；最后，PMOS充电管MP1和MP2的栅极与源极之间的电压差则由本发明的自关断栅压箝位电路保护在薄栅氧工艺的耐压范围之内。

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过程、方法、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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)

1.一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：包括稳压模块、PMOS充电管、自关断栅压箝位电路、带限流的电压转换电流电路、电流检测设定电路和充电控制器，所述稳压模块的输出端与所述带限流的电压转换电流电路、所述电流检测设定电路和所述充电控制器的输入端相连接，所述电流检测设定电路的输出端与所述充电控制器的输入端相连接，所述充电控制器的输出端与所述带限流的电压转换电流电路的输入端相连接，所述带限流的电压转换电流电路的输出端与所述自关断栅压箝位电路的输入端相连接，所述自关断栅压箝位电路的输出端与所述PMOS充电管的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述带限流的电压转换电流电路包括MP6、电流源I1、MN1和MN2，所述MP6为PMOS管，所述MN1和所述MN2均为NMOS管。

3.根据权利要求2所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述MN1的漏极连接Vg，所述MN1的栅极连接Vc，所述MN1的源极连接地，所述MN2的漏极连接Vd，所述MN2的栅极连接Vc，所述MN2的源极连接地，所述MP6的漏极连接地，所述MP6的栅极连接Vd，所述MP6的源极连接Vc，所述电流源I1的上端连接VDD，所述电流源I1的下端连接Vd。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述PMOS充电管包括MP1和MP2，所述MP1与所述MP2均为PMOS管，所述MP1的漏极连接输入VIN，所述MP2的漏极连接输出VBAT，所述MP1的源极与所述MP2的源极相连，所述MP1和所述MP2的栅极均连接所述自关断栅压箝位电路的Vg输出。

5.根据权利要求1所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述自关断栅压箝位电路包括电阻R1、MP3、MP4和MP5，所述MP3、所述MP4和所述MP5均为PMOS管。

6.根据权利要求5所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述MP3的源极连接Vcom，所述MP3的栅极和漏极连接所述MP4的源极，所述MP4的栅极和漏极连接所述MP5的源极，所述MP5的栅极和漏极连接Vg，所述电阻R1的一端连接Vcom，所述电阻R1的另一端连接Vg。

7.根据权利要求1所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述电流检测设定电路的作用是检测充电电流、并通过串联的所述电阻R2的大小设定电流，其输出控制信号Ic连接到所述充电控制器的输入端，所述充电控制器是输出一个控制电压的电路。

8.根据权利要求1所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述稳压模块包括电阻R3、稳压二极管D1、电容C1和MN3，所述MN3为NMOS管。

9.根据权利要求8所述的一种基于薄栅氧工艺，带反接保护的高压线性充电电路，其特征在于：所述电阻R3的一端连接输入VIN，所述电阻R3的另一端连接Vcl，所述稳压二极管D1的负极连接Vcl，所述稳压二极管D1的正极接地，所述MN3的漏极连接VIN，所述MN3的源极连接VDD，所述MN3的栅极连接Vcl，所述电容C1的上极板连接VDD，所述电容C1的下极板接地。

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