CN115167591B - 一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，利用齐纳二极管钳压电路，用于产生相较于输入电压低固定值的电压信号；浮动偏置产生电路，用于为齐纳二极管钳压电路提供负载，产生一个固定电压偏置，为高压运放器提供固定偏置电压；分压反馈电路，用于在输出电压的电流变化的情况下反馈至高压运算放大器，以使高压运算放大器通过自身的反馈作用，输出稳定的分压信号，控制分压反馈电压电路的输出电压跟随所述输入电压的变化而变化。本发明利用齐纳二极管的击穿原理来提供电压基准，简化电路结构，无需带隙基准电路，电路面积小，成本低，可以在10‑35V内实现相较于输入电压低5V的电压输出，并且可以跟随输入电压的变化而迅速变化。

Description

一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路。
背景技术
浮动高端电源地产生电路作为5V以上的高压DC-DC电路中PMOS管驱动的一部分，是不可或缺的。当电路的高端电压大于5V时，高端PMOS管的源极电压也会大于5V，如果仍然使用5V逻辑下的电源高和地，则会使得PMOS管的VGS电压在开启时大于5V，导致MOS管的击穿，并因此损坏整个电路的功能。常见的高端电源地都是固定输入电压，从而输出一个相对于高端电压低5V的电压来控制高端的PMOS管开关。
上述方法利用固定偏置产生固定的电流，若输入电压时刻发生大信号的变化，则输出难以跟随输入变化，若用传统方法产生的电压给需要快速开关的PMOS管提供低电压轨，则电压变化难以跟随。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路包括：
齐纳二极管钳压电路，浮动电流偏置电路，高压运算放大器和电阻分压反馈电路，其中，
齐纳二极管钳压电路的第一输入端连接输入电压V_IN，第二输入端连接NMOS管电流偏置电压V_BIAS_N，输出端连接浮动偏置电路的第二输入端和高压运算放大器的第三输入端；浮动偏置电路的第一输入端连接输入电压V_IN，输出端连接高压运算放大器的第二输入端；高压运算放大器的第一输入端连接输入电压V_IN，第一输出端连接分压反馈电路的第二输入端，第二输出端连接分压反馈电路的第三输入端；分压反馈电路的第一输入端连接输入电压V_IN，输出端输出高压电源地电压V_SS；
齐纳二极管钳压电路，用于产生相较于输入电压V_IN低固定值的电压信号输入至浮动偏置产生电路；
浮动偏置产生电路，用于为齐纳二极管钳压电路提供负载，以使自身在输入电压以及低于输入电压固定值的电压范围内工作，产生一个固定电压偏置，为高压运放器提供固定偏置电压；
高压运算放大器，用于在固定偏置电压的作用下产生分压信号至分压反馈电路；
分压反馈电路，用于接收分压信号，并根据分压信号产生输出电压，在输出电压的电流变化的情况下反馈至高压运算放大器，以使高压运算放大器通过自身的反馈作用，输出稳定的分压信号，控制分压反馈电压电路的输出电压跟随输入电压的变化而变化。
可选的，齐纳二极管钳压电路包括第一LDMOS管LDM1、第二LDMOS管LDM2、第一MOS管M1和齐纳二极管Z1，其中，
齐纳二极管Z1的负极作为第一输入端连接输入电压V_IN，正极分别连接第一LDMOS管LDM1的栅极和漏极，以及第二LDMOS管LDM2的栅极；
第一LDMOS管LDM1的源极连接第一MOS管M1的漏极；
第一MOS管M1的栅极作为第二输入端连接NMOS管电流偏置电压V_BIAS_N；
第二LDMOS管LDM2的源极作为齐纳二极管钳压电路的输出端连接浮动偏置电路的第二输入端和高压运算放大器的第三输入端；
第一MOS管M1的源极和第二LDMOS管LDM2的漏极均连接接地端GND。
可选的，浮动偏置产生电路包括第三LDMOS管LDM3、第四LDMOS管LDM4、第五LDMOS管LDM5、第六LDMOS管LDM6、第七LDMOS管LDM7、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第一电阻R1和第二电阻R2，其中，
第一电阻R1的负极分别连接第三LDMOS管LDM3的漏极和第四LDMOS管LDM4的栅极；
第二电阻R2的正极分别连接第三LDMOS管LDM3的栅极和第四LDMOS管LDM4的源极；第二电阻R2的负极分别连接第三LDMOS管LDM3的源极，第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极，第三MOS管M3的源极作为浮动电流偏置电路的第二输入端，与齐纳二极管钳压电路的输出端连接；
第四LDMOS管LDM4的漏极分别连接第五LDMOS管LDM5的栅极和漏极，以及第六LDMOS管LDM6的栅极；
第六LDMOS管LDM6的漏极分别连接第二MOS管M2的栅极和漏极，以及第三MOS管M3的栅极；
第三MOS管M3的漏极连接第七LDMOS管LDM7的栅极和漏极，并且作为浮动偏置产生电路的输出端；
第一电阻R1的正极作为浮动电流偏置电路的第一输入端，与第五LDMOS管LDM5的源极，第六LDMOS管LDM6的源极和第七LDMOS管LDM7的源极均连接输入电压V_IN。
可选的，高压运算放大器包括第八LDMOS管LDM8、第九LDMOS管LDM9、第十LDMOS管LDM10、第四MOS管M4和第五MOS管M5，其中，
第八LDMOS管LDM8的源极作为高压运算放大器的第一输入端连接输入电压V_IN，栅极作为高压运算放大器的第二输入端连接浮动偏置产生电路的输出端，漏极分别连接第九LDMOS管LDM9的源极和第十LDMOS管LDM10的源极；
第九LDMOS管LDM9的栅极作为高压运算放大器的第三输入端连接齐纳二极管钳压电路的输出端，漏极连接第四MOS管M4的漏极，并且作为高压运算放大器的第一输出端；
第十LDMOS管LDM10的漏极分别连接第四MOS管M4的栅极、第五MOS管M5的栅极和漏极，栅极作为高压运算放大器的第二输出端；
第四MOS管M4的源极和第五MOS管M5的源极均连接接地端GND。
可选的，分压反馈电路包括第十一LDMOS管LDM11、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1，其中，
第三电阻R3的正极作为分压反馈电路的第一输入端连接输入电压V_IN，负极作为分压反馈电路的第二输入端分别连接高压运算放大器的第二输出端和第四电阻R4的正极；
第四电阻R4的负极分别连接第一电容C1的负极和第十一LDMOS管LDM11的源极，并且作为分压反馈电路的输出端；
第一电容C1的正极作为分压反馈电路的第三输入端分别连接高压运算放大器的第一输出端和第十一LDMOS管LDM11的栅极；
第十一LDMOS管LDM11的源极连接接地端GND。
本发明的有益效果：
1.本发明的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，可以在10-35V内实现相较于输入电压低5V的电压输出，并且可以跟随输入电压的变化而迅速变化。
2.本发明的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，利用齐纳二极管的击穿原理来提供电压基准，简化电路结构，无需带隙基准电路，电路面积小，成本低。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路包括：
齐纳二极管钳压电路，浮动电流偏置电路，高压运算放大器和电阻分压反馈电路，其中，
齐纳二极管钳压电路的第一输入端连接输入电压V_IN，第二输入端连接NMOS管电流偏置电压V_BIAS_N，输出端连接浮动偏置电路的第二输入端和高压运算放大器的第三输入端；浮动偏置电路的第一输入端连接输入电压V_IN，输出端连接高压运算放大器的第二输入端；高压运算放大器的第一输入端连接输入电压V_IN，第一输出端连接分压反馈电路的第二输入端，第二输出端连接分压反馈电路的第三输入端；分压反馈电路的第一输入端连接输入电压V_IN，输出端输出高压电源地电压V_SS；
齐纳二极管钳压电路，用于产生相较于输入电压V_IN低固定值的电压信号输入至浮动偏置产生电路；
其中，固定值为4.5V。
浮动偏置产生电路，用于为齐纳二极管钳压电路提供负载，以使自身在输入电压以及低于输入电压固定值的电压范围内工作，产生一个固定电压偏置，为高压运放器提供固定偏置电压；
高压运算放大器，用于在固定偏置电压的作用下产生分压信号至分压反馈电路；
分压反馈电路，用于接收分压信号，并根据分压信号产生输出电压，在输出电压的电流变化的情况下反馈至高压运算放大器，以使高压运算放大器通过自身的反馈作用，输出稳定的分压信号，控制分压反馈电压电路的输出电压跟随输入电压的变化而变化。
作为本发明一种可选的实施方式，参考图2，齐纳二极管钳压电路包括第一LDMOS管LDM1、第二LDMOS管LDM2、第一MOS管M1和齐纳二极管Z1，其中，
齐纳二极管Z1的负极作为第一输入端连接输入电压V_IN，正极分别连接第一LDMOS管LDM1的栅极和漏极，以及第二LDMOS管LDM2的栅极；
第一LDMOS管LDM1的源极连接第一MOS管M1的漏极；
第一MOS管M1的栅极作为第二输入端连接NMOS管电流偏置电压V_BIAS_N；
第二LDMOS管LDM2的源极作为齐纳二极管钳压电路的输出端连接浮动偏置电路的第二输入端和高压运算放大器的第三输入端；
第一MOS管M1的源极和第二LDMOS管LDM2的漏极均连接接地端GND。
作为本发明一种可选的实施方式，参考图2，浮动偏置产生电路包括第三LDMOS管LDM3、第四LDMOS管LDM4、第五LDMOS管LDM5、第六LDMOS管LDM6、第七LDMOS管LDM7、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第一电阻R1和第二电阻R2，其中，
第一电阻R1的负极分别连接第三LDMOS管LDM3的漏极和第四LDMOS管LDM4的栅极；
第二电阻R2的正极分别连接第三LDMOS管LDM3的栅极和第四LDMOS管LDM4的源极；第二电阻R2的负极分别连接第三LDMOS管LDM3的源极，第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极，第三MOS管M3的源极作为浮动电流偏置电路的第二输入端，与齐纳二极管钳压电路的输出端连接；
第四LDMOS管LDM4的漏极分别连接第五LDMOS管LDM5的栅极和漏极，以及第六LDMOS管LDM6的栅极；
第六LDMOS管LDM6的漏极分别连接第二MOS管M2的栅极和漏极，以及第三MOS管M3的栅极；
第三MOS管M3的漏极连接第七LDMOS管LDM7的栅极和漏极，并且作为浮动偏置产生电路的输出端；
第一电阻R1的正极作为浮动电流偏置电路的第一输入端，与第五LDMOS管LDM5的源极，第六LDMOS管LDM6的源极和第七LDMOS管LDM7的源极均连接输入电压V_IN。
作为本发明一种可选的实施方式，参考图2，高压运算放大器包括第八LDMOS管LDM8、第九LDMOS管LDM9、第十LDMOS管LDM10、第四MOS管M4和第五MOS管M5，其中，
第八LDMOS管LDM8的源极作为高压运算放大器的第一输入端连接输入电压V_IN，栅极作为高压运算放大器的第二输入端连接浮动偏置产生电路的输出端，漏极分别连接第九LDMOS管LDM9的源极和第十LDMOS管LDM10的源极；
第九LDMOS管LDM9的栅极作为高压运算放大器的第三输入端连接齐纳二极管钳压电路的输出端，漏极连接第四MOS管M4的漏极，并且作为高压运算放大器的第一输出端；
第十LDMOS管LDM10的漏极分别连接第四MOS管M4的栅极、第五MOS管M5的栅极和漏极，栅极作为高压运算放大器的第二输出端；
第四MOS管M4的源极和第五MOS管M5的源极均连接接地端GND。
作为本发明一种可选的实施方式，参考图2，分压反馈电路包括第十一LDMOS管LDM11、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1，其中，
第三电阻R3的正极作为分压反馈电路的第一输入端连接输入电压V_IN，负极作为分压反馈电路的第二输入端分别连接高压运算放大器的第二输出端和第四电阻R4的正极；
第四电阻R4的负极分别连接第一电容C1的负极和第十一LDMOS管LDM11的源极，并且作为分压反馈电路的输出端；
第一电容C1的正极作为分压反馈电路的第三输入端分别连接高压运算放大器的第一输出端和第十一LDMOS管LDM11的栅极；
第十一LDMOS管LDM11的源极连接接地端GND。
进一步地，对本实施例的基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路的工作原理进行说明。
值得说明的是：齐纳二极管Z1、第一LDMOS管LDM1和第一MOS管M1为齐纳二极管的击穿提供通路，并且使得输入电压有5.7V的压降。第二LDMOS管LDM2～第七LDMOS管LDM7、第二MOS管M2、第三MOS管M3和第一电阻R1、第二电阻R2构成了电压抬升和电流偏置回路，为二极管压降提供一个1.5V的VGS抬升，作为反向输入端提供给高压运放。后级的第八LDMOS管LDM8～第十一LDMOS管LDM11、第四MOS管M4、第五MOS管M5近似构成两级放大器，第一电容C1为第十一LDMOS管LDM11提供补偿，第三电阻R3、第四电阻R4作为分压电阻提供输出电压。
当输入电压V_IN大于5.7V时，电压会击穿齐纳二极管Z1并造成5.7V的压降，最终电压值为V_IN-5.7V，这一电压施加到第二LDMOS管LDM2的栅极，并由其栅源电压VGS抬升1.2V至V_IN-4.5V。因此高压运算放大器的反向输入端电压保持V_IN-4.5V，由于运放具有虚短特性，其正向输入端电压也被钳位至V_IN-4.5V，因此第三电阻R3和第四电阻R4之间的电压是V_IN-4.5V，将第三电阻R3和第四电阻R4的阻值比例设定成4.5:0.5，就可以使得浮动高端电源地产生电路的输出电压保持在V_IN-5V，实现设计目标。
如果输出端的负载电流变化不定，以输出负载变高，负载电流变大为例。输出负载电流变大会从第十一LDMOS管LDM11抽取更多的电流，导致其VDS电压增加，使得输出电压从V_IN-5V增大，并且这一趋势经过第四电阻R4使得高压运算放大器的正向输入端电压抬升。由于运算放大器的正向输入端和输出变化同向，因此运放的输出端，也即第十一LDMOS管LDM11的栅极电压会抬升，因此第十一LDMOS管LDM11的VGS电压抬升，允许通过的电流迅速增加，使得第十一LDMOS管LDM11所需要的漏源电压VDS下降，进而使得输出电压消除抬升的趋势，维持在稳定的V_IN-5V输出，起到负反馈调节的作用。
本发明的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，可以在10-35V内实现相较于输入电压低5V的电压输出，并且可以跟随输入电压的变化而迅速变化，而且，利用齐纳二极管的击穿原理来提供电压基准，简化电路结构，无需带隙基准电路，电路面积小，成本低。
本发明提供的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路进行了仿真实验，对其效果进行说明。请参见图3，图3是本发明实施例提供的基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路的仿真波形图。本实施例的实验条件为输入电压V_IN为10V-35V，电压周期1us，上升下降沿均为300us，脉宽200us，偏置电压V_BIAS_N设为1.06V。如图所示，在本实施例中，截取了电路输入电压V_IN和输出电压V_BIAS_N在2～5us内的波形图，上方的黑色实线是输入电压V_IN，下方的黑色虚线是输出电压V_SS。
本实施例的基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，可以在10-35V内实现相较于输入电压低5V的电压输出，并且可以跟随输入电压的变化而迅速变化。

Claims (5)

1.一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，其特征在于，包括：
齐纳二极管钳压电路，浮动电流偏置电路，高压运算放大器和电阻分压反馈电路，其中，
所述齐纳二极管钳压电路的第一输入端连接输入电压(V_IN)，第二输入端连接NMOS管电流偏置电压(V_BIAS_N)，输出端连接所述浮动偏置电路的第二输入端和所述高压运算放大器的第三输入端；所述浮动偏置电路的第一输入端连接输入电压(V_IN)，输出端连接所述高压运算放大器的第二输入端；所述高压运算放大器的第一输入端连接输入电压(V_IN)，第一输出端连接所述分压反馈电路的第二输入端，第二输出端连接所述分压反馈电路的第三输入端；所述分压反馈电路的第一输入端连接输入电压(V_IN)，输出端输出高压电源地电压(V_SS)；
所述齐纳二极管钳压电路，用于产生相较于输入电压(V_IN)低固定值的电压信号输入至所述浮动偏置产生电路；
所述浮动偏置产生电路，用于为所述齐纳二极管钳压电路提供负载，以使自身在输入电压以及低于输入电压固定值的电压范围内工作，产生一个固定电压偏置，为高压运放器提供固定偏置电压；
所述高压运算放大器，用于在固定偏置电压的作用下产生分压信号至分压反馈电路；
所述分压反馈电路，用于接收分压信号，并根据分压信号产生输出电压，在输出电压的电流变化的情况下反馈至高压运算放大器，以使高压运算放大器通过自身的反馈作用，输出稳定的分压信号，控制分压反馈电压电路的输出电压跟随所述输入电压的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，其特征在于，所述齐纳二极管钳压电路包括第一LDMOS管(LDM1)、第二LDMOS管(LDM2)、第一MOS管(M1)和齐纳二极管(Z1)，其中，
所述齐纳二极管(Z1)的负极作为第一输入端连接输入电压(V_IN)，正极分别连接所述第一LDMOS管(LDM1)的栅极和漏极，以及所述第二LDMOS管(LDM2)的栅极；
所述第一LDMOS管(LDM1)的源极连接所述第一MOS管(M1)的漏极；
所述第一MOS管(M1)的栅极作为第二输入端连接NMOS管电流偏置电压(V_BIAS_N)；
所述第二LDMOS管(LDM2)的源极作为所述齐纳二极管钳压电路的输出端连接所述浮动偏置电路的第二输入端和所述高压运算放大器的第三输入端；
所述第一MOS管(M1)的源极和所述第二LDMOS管(LDM2)的漏极均连接接地端(GND)。
3.根据权利要求1所述的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，其特征在于，所述浮动偏置产生电路包括第三LDMOS管(LDM3)、第四LDMOS管(LDM4)、第五LDMOS管(LDM5)、第六LDMOS管(LDM6)、第七LDMOS管(LDM7)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，其中，
所述第一电阻(R1)的负极分别连接所述第三LDMOS管(LDM3)的漏极和所述第四LDMOS管(LDM4)的栅极；
所述第二电阻(R2)的正极分别连接第三LDMOS管(LDM3)的栅极和所述第四LDMOS管(LDM4)的源极；所述第二电阻(R2)的负极分别连接所述第三LDMOS管(LDM3)的源极，所述第二MOS管(M2)的源极和所述第三MOS管(M3)的源极，所述第三MOS管(M3)的源极作为浮动电流偏置电路的第二输入端，与所述齐纳二极管钳压电路的输出端连接；
所述第四LDMOS管(LDM4)的漏极分别连接所述第五LDMOS管(LDM5)的栅极和漏极，以及所述第六LDMOS管(LDM6)的栅极；
所述第六LDMOS管(LDM6)的漏极分别连接所述第二MOS管(M2)的栅极和漏极，以及所述第三MOS管(M3)的栅极；
所述第三MOS管(M3)的漏极连接所述第七LDMOS管(LDM7)的栅极和漏极，并且作为所述浮动偏置产生电路的输出端；
所述第一电阻(R1)的正极作为浮动电流偏置电路的第一输入端，与所述第五LDMOS管(LDM5)的源极，所述第六LDMOS管(LDM6)的源极和所述第七LDMOS管(LDM7)的源极均连接输入电压(V_IN)。
4.根据权利要求1所述的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，其特征在于，所述高压运算放大器包括第八LDMOS管(LDM8)、第九LDMOS管(LDM9)、第十LDMOS管(LDM10)、第四MOS管(M4)和第五MOS管(M5)，其中，
所述第八LDMOS管(LDM8)的源极作为高压运算放大器的第一输入端连接输入电压(V_IN)，栅极作为高压运算放大器的第二输入端连接所述浮动偏置产生电路的输出端，漏极分别连接所述第九LDMOS管(LDM9)的源极和所述第十LDMOS管(LDM10)的源极；
所述第九LDMOS管(LDM9)的栅极作为高压运算放大器的第三输入端连接所述齐纳二极管钳压电路的输出端，漏极连接所述第四MOS管(M4)的漏极，并且作为所述高压运算放大器的第一输出端；
所述第十LDMOS管(LDM10)的漏极分别连接所述第四MOS管(M4)的栅极、所述第五MOS管(M5)的栅极和漏极，栅极作为所述高压运算放大器的第二输出端；
所述第四MOS管(M4)的源极和所述第五MOS管(M5)的源极均连接接地端(GND)。
5.根据权利要求1所述的一种基于齐纳二极管的浮动高端电源地产生电路，其特征在于，所述分压反馈电路包括第十一LDMOS管(LDM11)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)和第一电容(C1)，其中，
所述第三电阻(R3)的正极作为分压反馈电路的第一输入端连接输入电压(V_IN)，负极作为分压反馈电路的第二输入端分别连接所述高压运算放大器的第二输出端和所述第四电阻(R4)的正极；
所述第四电阻(R4)的负极分别连接所述第一电容(C1)的负极和所述第十一LDMOS管(LDM11)的源极，并且作为所述分压反馈电路的输出端；
所述第一电容(C1)的正极作为分压反馈电路的第三输入端分别连接所述高压运算放大器的第一输出端和所述第十一LDMOS管(LDM11)的栅极；
所述第十一LDMOS管(LDM11)的源极连接接地端(GND)。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0817373A2 (en) * 1996-06-25 1998-01-07 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Negative feedback amplifier
CN101013332A (zh) * 2006-11-24 2007-08-08 华中科技大学 一种超低电压参考源
CN102262414A (zh) * 2010-05-29 2011-11-30 比亚迪股份有限公司 一种带隙基准源产生电路

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宽输入快速启动的高精度电压基准电路设计;王辉;王松林;来新泉;代国定;郭宝龙;;西安电子科技大学学报(02);全文 *

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