CN115037292B

CN115037292B - 一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路

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Publication number: CN115037292B
Application number: CN202210947749.1A
Authority: CN
Inventors: 邹永成
Original assignee: Chengdu Anbi Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Anbi Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2042-08-09
Also published as: CN115037292A

Abstract

本发明公开了一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，涉及集成电路技术领域，使能检测和掉电检测输出控制信号至MOS管P0和N0的栅极，P0的源极连接AVD，漏极连接P1和P2的源极，P1的栅极连接P2和N6的漏极，P2的栅极连接P1和N5的漏极；两个反相器差分输入MOS管N1和N2的栅极，N1和N2源极接地，N1漏极与N5源极连接，N2漏极与N6源极连接；M1源极连接AVD，漏极连接N5和N6的栅极，M1栅极连接M2的栅极和漏极，M2的源极接地；N6的漏极连接缓冲器后输出电平转移后的电压信号。本发明添加了耐压隔离器件，节省中间电平转换，完成了高压差的电平转移，节省功耗和面积。

Description

一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体的说，是一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路。

背景技术

随着集成电路工艺的发展，晶体管尺寸越来越小，为满足低压、低功耗设计的要求，数字电路的电源电压越来越低，在某些工艺下已经接近传统3.3VMOS器件的一个阈值导通电压，这使得传统的电平转换电路在某些高压差工艺角（数字电压变小10%，模拟电压变大10%）中难以正常转换。

现有技术中往往通过增加一个中间电压域做一个过渡以完成低电压向高电压的转移。如图1所示的电平转移电路，当需要从低电压域（如数字电压VDD）转换到高电压域（如模拟电压AVD）时得需要一个额外的中间电平（LAVD）。输入信号VIN_lv（VDD电压域）需要先经过模块L2H_OLD_1（低电压到中间电平电压转移模块）转换成VOUT_mv(LAVD电压域)，图2为图1中的模块L2H_OLD_1的具体电路，再经过模块L2H_OLD_2（中间电平电压到高电压转移模块）模块将信号转换成VOUT_hv(AVD电压域)，才能完成转换，图3为图1中的模块L2H_OLD_2的具体电路。例如数字电压VDD=0.8V±10%，模拟电压AVD=3.3V±10%，则需要额外提供一个中间电压域用于过渡，例如LAVD=2.5V±10%，此电压域可由内部或者外部提供。图1-图3中器件名称后缀lv表示VDD电压域，mv表示LAVD电压域，hv表示AVD电压域。

现有方案存在以下缺点：

一、多引入一个电压域给设计上带来了不必要的功耗以及浪费大量的面积，例如内部模拟电路产生该中间电平所需的基准电压和低压差线性稳压器（LDO）都需要额外预留面积和功耗，以及需要由外部提供则需要额外的电源端口，给系统集成带来额外的复杂度；

二、当数字电压（VDD）掉电以后，图2中的NMOS管N1_mv、NMOS管N2_mv的栅极电位为浮空或0，两个NMOS管关闭，则B点变为了浮空点（不定态电压），结果可能导致由PMOS管P3_mv和PMOS管N3_mv组成的反相器漏电。图3中的E点原理同图2中B点，也可能导致后级反相器漏电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，用于解决现有技术中采用两个电压域实现电平转移造成面积增加和功耗增加的问题以及掉电后造成后级反相器漏电的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，包括MOS管P0_hv、反相器INV1_lv、MOS管M1以及使能检测和掉电检测模块，所述使能检测和掉电检测模块用于在检测到掉电或者接收到使能信号时，输出控制信号至所述MOS管P0_hv的栅极，MOS管P0_hv的栅极连接MOS管N0_hv的栅极，MOS管P0_hv的源极连接高电压域AVD，MOS管P0_hv的漏极连接MOS管P1_hv的源极和MOS管P2_hv的源极，所述MOS管P1_hv的栅极连接所述MOS管P2_hv的漏极、MOS管N6_hv的漏极、MOS管N0_hv的漏极和缓冲器BUF1的输入端，MOS管P2_hv的栅极连接MOS管P1_hv的漏极和MOS管N5_hv的漏极；所述反相器INV1_lv的第一端连接输入信号，反相器INV1_lv的第二端连接反相器INV2_lv的第一端以及MOS管N2_mv的栅极，所述反相器INV2_lv的第二端连接MOS管N1_mv的栅极，所述MOS管N1_mv、MOS管N2_mv和MOS管N0_hv共源极连接并接地，MOS管N1_mv的漏极与所述MOS管N5_hv的源极连接，MOS管N2_mv的漏极与所述MOS管N6_hv的源极连接；所述MOS管M1的源极连接所述高电压域AVD，MOS管M1漏极连接所述MOS管N5_hv和MOS管N6_hv的栅极，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极和漏极，MOS管M2的源极接地；缓冲器BUF1的输出端输出电平转移后的电压信号。

所述使能检测和掉电检测模块包括MOS管P1’_hv、MOS管M1’和反相器Inv1’_lv，所述反相器Inv1’_lv的第一端连接使能信号，反相器Inv1’_lv的第二端连接反相器Inv2’_lv的第一端，反相器Inv2’_lv的第二端连接所述MOS管P1’_hv的栅极、MOS管N1’_mv的栅极和MOS管N0’_hv的漏极，所述MOS管N1’_mv和MOS管N0’_hv共源极连接并接地；MOS管N1’_mv的漏极连接MOS管N2_hv的源极，MOS管P1’_hv的漏极连接所述MOS管N2_hv的漏极、MOS管N0’_hv的栅极和缓冲器BUF2的输入端，所述缓冲器BUF2的输出端连接所述MOS管P0_hv的栅极；所述MOS管P1’_hv的源极连接高电压域AVD和所述MOS管M1’的源极，MOS管M1’的漏极连接所述MOS管N2_hv的栅极，MOS管M1’的栅极连接MOS管M2’的漏极和栅极，MOS管M2’的源极接地。

所述缓冲器BUF1和缓冲器BUF2均由串联的两个反相器组成。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明在传统电平转移电路上添加了耐压隔离器件，完美的解决了使用较小阈值电压MOS器件作为电平转移电路输入管存在的耐压问题，节省了单独的中间过渡电压域的电平转换模块，也节省了随之附带的电源供电模块，巧妙的完成了高压差的电平转移，节省功耗和面积。

（2）本发明改变传统电平转移电路结构，引入掉电保护MOS器件，使电路不工作时输出电压能够稳定在某一个电平上，而不是一个浮空状态，解决后续电路的掉电保护问题。

（3）本发明引入超低功耗的掉电保护核心电路，同时具备了使能信号检测的功能。

附图说明

图1为现有技术中的电平转移电路原理框图；

图2为图1中的低电压到中间电平电压转移模块L2H_OLD_1的电路原理图；

图3为图1中的中间电平电压到高电压转移模块L2H_OLD_2的电路原理图；

图4为本发明的原理图；

图5为图4中使能检测和掉电检测模块Keeper的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

结合附图4所示，一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，包括MOS管P0_hv、反相器INV1_lv、MOS管M1以及使能检测和掉电检测模块，所述使能检测和掉电检测模块用于在检测到掉电或者接收到使能信号时，输出控制信号至所述MOS管P0_hv的栅极，MOS管P0_hv的栅极连接MOS管N0_hv的栅极，MOS管P0_hv的源极连接高电压域AVD，MOS管P0_hv的漏极连接MOS管P1_hv的源极和MOS管P2_hv的源极，所述MOS管P1_hv的栅极连接所述MOS管P2_hv的漏极、MOS管N6_hv的漏极、MOS管N0_hv的漏极和缓冲器BUF1的输入端，MOS管P2_hv的栅极连接MOS管P1_hv的漏极和MOS管N5_hv的漏极；所述反相器INV1_lv的第一端连接输入信号，反相器INV1_lv的第二端连接反相器INV2_lv的第一端以及MOS管N2_mv的栅极，所述反相器INV2_lv的第二端连接MOS管N1_mv的栅极，所述MOS管N1_mv、MOS管N2_mv和MOS管N0_hv共源极连接并接地，MOS管N1_mv的漏极与所述MOS管N5_hv的源极连接，MOS管N2_mv的漏极与所述MOS管N6_hv的源极连接；所述MOS管M1的源极连接所述高电压域AVD，MOS管M1漏极连接所述MOS管N5_hv和MOS管N6_hv的栅极，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极和漏极，MOS管M2的源极接地；缓冲器BUF1输出电平转移后的电压信号。

工作原理：

输入信号VIN_lv经过两级低压域的反相器Inv1_lv和反相器Inv2_lv（反相器Inv1_lv和反相器Inv2_lv的供电电压VDD为低电压域）后生成两相信号，分别送入差分输入对MOS管N1_mv和MOS管N2_mv，信号经过一对耐压隔离器件MOS管N5_hv和MOS管N6_hv后A点、B点输出高电压域AVD的高低电平（具体高低电平随输入信号VIN_lv而定），最后B点电压经过缓冲器BUF1输出最终结果，完成转换。

举个例子，当输入信号VIN_lv=0.8V，信号经过低电压域VDD的两级反相器输出两相信号，则MOS管N1_mv栅极为0.8V，MOS管N2_mv栅极为低电平0V，MOS管N1_mv导通，MOS管N2_mv截止，C点由于MOS管N1_mv导通被拉到低电平，MOS管N5_hv栅极恒为高电平，则MOS管N5_hv恒导通，A点也被拉到低电平，则MOS管P2_hv导通，B点被上拉到高电平3.3V，B点电压再经过一级高电压域AVD的缓冲器BUF1输出最终结果VOUT_hv，至此完成0.8V到3.3V电压的转换。反之输入信号VIN_lv=0V时，工作原理同上，最终输出低电平0V。

为了在导通的同时保证耐压，差分对MOS管N1_mv和MOS管N2_mv使用了中间电平（如2.5V）的器件（即使用的mv后缀器件，若直接使用AVD电压域的hv器件，则该器件由于阈值电压Vth较大可能会在某些工艺角下无法正常导通），这时MOS管N1_mv和MOS管N2_mv的栅源电压Vgs肯定是小于0.8V电压域的，只需要考虑该差分对MOS管的漏源电压Vds会不会高于25%，即满足：2.5V*125%=3.125V即可。如果没有MOS管N5_hv和N6_hv，那么A点和C点直接相连，B点和D点直接相连，当使能检测和掉电检测模块Keeper输出控制信号PG信号为低电平时，MOS管P0_hv导通，MOS管N0_hv关断，电位转移电路正常工作。电路正常工作前提下，当输入信号VIN_lv为高电平VDD=0.8V时，MOS管N1_mv导通，MOS管N2_mv关断，则A点（C点）电压被拉到地，MOS管P2_hv导通，B点（D点）被拉到高电平，然后B点数据再经过两级反相器构成的缓冲器BUF1驱动输出。但是存在的问题就是MOS管N2_mv的漏源电压Vds已经达到AVD电压3.3V，显然已经超过耐压限制了，因此本设计引入了MOS管N5_hv和MOS管N6_hv两个器件做耐压隔离。MOS管N5_hv和MOS管N6_hv的栅极通过使用一个钳高单元TIH（Tie-High）始终接到AVD，保持常导通状态。这时，当B点（MOS管N6_hv的漏极）为高电平时，MOS管N6_hv的栅极和漏极都是高电平3.3V，此时相当于一个二极管，则D点的电压V_D等于AVD减去一个二极管的阈值电压Vth_N6_hv，即：

V_D=AVD-Vth_N6_hv

3.3V器件的MOS管阈值电压在0.7V左右，因此N2_mv的漏源电压Vds=3.3V-0.7V=2.6V左右，满足耐压要求，完成N5_hv和N6_hv两个器件的隔离功能。

同理，当VIN_lv输入为低电平时，N1_mv也同样满足耐压要求。至此，该电平转移电路完成了从低电压lv信号到高电压hv信号的转换。

另外，本发明在图1的基础上增加MOS管P0_hv和N0_hv，是为了在使能信号关闭或数字电源掉电后，电平转移电路输出信号能保持在一个期望的固定电位上，以防止后续电路因为控制信号浮空而产生漏电等现象。例如，当使能检测和掉电检测模块keeper检测到掉电或者使能信号关闭，则输出PG信号为高电平3.3V，则MOS管P0_hv关断，MOS管N0_hv导通，B点被下拉到低电平0V，0V经过一个缓冲器BUF1输出仍然为一个固定的0V，而非一个浮空的不定态电压。只要输出的是一个固定的高电平或低电平，就可以利用这个控制信号控制后续电路的工作情况，可以避免不定态输出对后续电路产生的漏电影响等。

所述缓冲器BUF1和缓冲器BUF2均由串联的两个反相器组成。

控制信号PG由keeper电路产生，其功能是检测数字电源掉电的同时检测使能信号，并始终能输出一个电平控制后续电路，起到漏电保护的作用，如图5所示。具体工作过程是，当VDD和AVD正常供电，使能信号EN_lv为高电平0.8V时，A’点为高电平0.8V，MOS管N1_mv导通，B’点为低电平，其中MOS管P1’_hv为沟道长度L很大的倒比管（通常L大小在几十至上百微米（um），具体值需要根据实际工艺情况，仿真流过该支路的直流电流确定，假设我们取沟道宽度W=500nm(nm为纳米)，L=100um（um为微米），此时MOS管P1’_hv相当于一个大电阻，并且流过一个微弱的直流电流，我们通常通过调整MOS管P1’_hv管尺寸去调整流过该MOS管的静态功耗电流，控制在100nA左右），因为栅极电压只有0.8V，无法做到完全关闭，因此功能类似一个大电阻，有超低的功耗电流流过。MOS管N2_hv在这里和图4中的MOS管N5_hv属于相同器件，也是起到隔离耐压的作用，栅极被TIH模块接到高电平，处于常导通状态，因此C’点也被拉到地，MOS管N0’_hv关断，C’点电压经缓冲器BUF2输出控制信号PG为低电平，于是图4中的电平转移电路正常工作。当使能信号EN_lv为低电平0V时，A’点为低电平0V，MOS管N1’_mv关断，MOS管P1’_hv导通，C’点为高电平，MOS管N0’_hv导通，A’点加速被拉低形成正反馈（添加正反馈的作用是防止图5中的倒比管P1’_hv的L取得过大导致导通性能下降，影响C’点的电平升高，但是需要注意的是MOS管N0’_hv的驱动能力需要小于MOS管N1_mv，不然在使能信号为高电平时，MOS管N1’_mv可能无法将B’点下拉倒地，因此MOS管N0’_hv可以取成倒比管），C’点电压经缓冲器BUF2输出控制信号PG为高电平，于是图4中的电平转移电路停止工作，输出信号VOUT_hv输出低电平，至此完成使能信号检测的工作。

当由于系统需要关闭数字电路，但要求模拟电路电源正常供电时，数字电源VDD会掉电，因此A’点的输入浮空，此时添加MOS管N0’_hv形成的正反馈环路真正的作用才凸显出来，正反馈环路会使A’点被下拉到地，控制信号PG输出固定高电平，于是图4中的电平转移电路固定输出低电平，起到掉电保护的作用。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims

1.一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，其特征在于，包括MOS管P0_hv、反相器INV1_lv、MOS管M1以及使能检测和掉电检测模块，所述使能检测和掉电检测模块用于在检测到掉电或者接收到使能信号时，输出控制信号至所述MOS管P0_hv的栅极，MOS管P0_hv的栅极连接MOS管N0_hv的栅极，MOS管P0_hv的源极连接高电压域电压AVD，MOS管P0_hv的漏极连接MOS管P1_hv的源极和MOS管P2_hv的源极，所述MOS管P1_hv的栅极连接所述MOS管P2_hv的漏极、MOS管N6_hv的漏极、MOS管N0_hv的漏极和缓冲器BUF1的输入端，MOS管P2_hv的栅极连接MOS管P1_hv的漏极和MOS管N5_hv的漏极；所述反相器INV1_lv的第一端连接输入信号，反相器INV1_lv的第二端连接反相器INV2_lv的第一端以及MOS管N2_mv的栅极，所述反相器INV2_lv的第二端连接MOS管N1_mv的栅极，所述MOS管N1_mv、MOS管N2_mv和MOS管N0_hv共源极连接并接地，MOS管N1_mv的漏极与所述MOS管N5_hv的源极连接，MOS管N2_mv的漏极与所述MOS管N6_hv的源极连接；所述MOS管M1的源极连接所述高电压域电压AVD，MOS管M1漏极连接所述MOS管N5_hv和MOS管N6_hv的栅极，MOS管M1的栅极连接MOS管M2的栅极和漏极，MOS管M2的源极接地；缓冲器BUF1输出电平转移后的电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，其特征在于，所述使能检测和掉电检测模块包括MOS管P1’_hv、MOS管M1’和反相器Inv1’_lv，所述反相器Inv1’_lv的第一端连接使能信号，反相器Inv1’_lv的第二端连接反相器Inv2’_lv的第一端，反相器Inv2’_lv的第二端连接所述MOS管P1’_hv的栅极、MOS管N1’_mv的栅极和MOS管N0’_hv的漏极，所述MOS管N1’_mv和MOS管N0’_hv共源极连接并接地；MOS管N1’_mv的漏极连接MOS管N2_hv的源极，MOS管P1’_hv的漏极连接所述MOS管N2_hv的漏极、MOS管N0’_hv的栅极和缓冲器BUF2的输入端，所述缓冲器BUF2的输出端连接所述MOS管P0_hv的栅极；所述MOS管P1’_hv的源极连接高电压域电压AVD和所述MOS管M1’的源极，MOS管M1’的漏极连接所述MOS管N2_hv的栅极，MOS管M1’的栅极连接MOS管M2’的漏极和栅极，MOS管M2’的源极接地。

3.根据权利要求2所述的一种带使能检测和掉电保护的高压差电平转移电路，其特征在于，所述缓冲器BUF1和缓冲器BUF2均由串联的两个反相器组成。