CN210053391U - 一种恒定栅源电压模拟开关电路 - Google Patents

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罗旭程
程剑涛
杜黎明
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Abstract

本申请提供的恒定栅源电压模拟开关电路，包括：低压差线性稳压器、振荡器、第一电荷泵、第二电荷泵、电平转移模块和模拟开关；通过电路设计，能够使得输出端电压比输入端电压提高多倍，从而在电源电压输入较低的情况下，同样保持恒定栅源电压，从而保证了更低电压的功率传输，使得恒定栅源模拟开关电路的应用范围更加广泛。

Description

一种恒定栅源电压模拟开关电路
技术领域
本实用新型涉及模拟电路技术领域，尤其涉及一种恒定栅源电压模拟开关电路。
背景技术
模拟开关在电子设备中具有广泛的应用，其主要用于传输相应的模拟信号或者断开信号的传输路径。例如在电子设备充电器中，需要实现USB接口和内部充电芯片之间的供电通断，人们常会在两者之间添加一模拟开关，这种开关也常常称为负载开关。随着负载开关的广泛应用，人们对开关的性能需要也不断提高，例如实现更低电压的信号传输，例如电池和系统之间供电路径的通断。由于部分电池的电压较低，通常小于2.5V，因此需要相应的模拟开关具备更低电压传输能力。
由于这类芯片自身供电就是从模拟信号而来，因此，如何在芯片最低电压较低情况下实现功率传输，成为业界内的一项具有挑战的工作。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种恒定栅源电压模拟开关电路，以解决现有技术中模拟开关传输更低电压(小于2.5V)时，无法满足人们需求的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种恒定栅源电压模拟开关电路，包括：
低压差线性稳压器、振荡器、第一电荷泵、第二电荷泵、电平转移模块和模拟开关；
所述低压差线性稳压器的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号；
所述低压差线性稳压器的输出端与所述振荡器的输入端和所述第一电荷泵的输入端相连；
所述振荡器的输出端与所述第一电荷泵的时钟信号输入端相连，所述振荡器将所述低压差线性稳压器的输出电压转换为相位相反的第一时钟信号，再输入至所述第一电荷泵的时钟信号输入端；
所述第一电荷泵的输出端与所述电平转移模块的输入端相连，用于控制所述电平转移模块将相位相反的所述第一时钟信号转换为幅度与所述第一时钟信号不同，且相位相反的第二时钟信号；
所述第二电荷泵的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号，并接收所述第二时钟信号；所述第二电荷泵的输出端与所述模拟开关的栅端相连；
所述模拟开关的第二端作为所述恒定栅源电压模拟开关电路的输出端。
优选地，所述输入电压信号的电压值范围为1.25V～5V，包括端点值。
优选地，所述模拟开关为NMOS管。
优选地，所述模拟开关的第一端为NMOS管的漏极，所述模拟开关的第二端为NMOS管的源极。
优选地，所述第一电荷泵为用于将所述第一电荷泵的输入端电压叠加一倍所述第一时钟信号的高电平的电荷泵。
优选地，所述第二电荷泵为用于将所述第二电荷泵的输入端电压叠加两倍所述第二时钟信号的高电平的电荷泵。
经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的恒定栅源电压模拟开关电路，通过电路设计，能够使得输出端电压比输入端电压提高多倍，从而在电源电压输入较低的情况下，同样保持恒定栅源电压，从而保证了更低电压的功率传输，使得恒定栅源模拟开关电路的应用范围更加广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的恒定栅源电压模拟开关结构示意图；
图2为现有技术中振荡器产生的时钟信号波形图；
图3为本实用新型实施例提供的一种恒定栅源电压模拟开关电路结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的振荡器产生的第一时钟信号波形图；
图5为本实用新型实施例提供的恒定栅源电压模拟开关电路中的第一电荷泵结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的恒定栅源电压模拟开关电路中的第二电荷泵结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中的模拟开关，无法进行最低电压较低(小于2.5V)的功率传输。
发明人发现，出现上述现象的原因如下：
现有的常用技术如图1所示，该开关电路中，输入信号310充当电源，模拟开关305的输入同时作为模拟开关305的驱动所需要的电源电压。电源电压VDD经过LDO4(LDO，lowdropout regulator，是一种低压差线性稳压器)调节后产生一个固定电压，后续经过电荷泵320转换为驱动NMOS管305的栅端电压，该电压相对于NMOS管305的漏端电压恒定，此处由于导通状态下NMOS管305的漏端和源端近似相等，一般习惯将栅漏电压，也叫做栅源电压。严格意义上讲，栅源电压和栅漏电压定义不同，但这类开关导通状态下栅源电压和栅漏电压在数值上几乎相等，所以，本实用新型中将栅漏电压也称作栅源电压。
需要说明的是，发明人发现，上述电路存在缺点，使得其不能应用于更低电压的功率传输的，这是由于上述开关电路的栅电压是LDO4的输出电压经过倍压器(也即电荷泵)生成的；也就是说电荷泵的输出电压也就是开关电压模拟开关的栅端电压，是基于模拟开关输入电压VDD叠加LDO4的输出电压而来，进而产生恒定栅源电压。该恒定栅源电压等于LDO4和电荷泵的共同作用产生的电压变化。
而LDO4的电源来自于漏端电压VDD，当漏端电压(也即开关电路的输入电压)较低时，LDO4输出的最高电压就是漏端电压，而栅端电压是两倍的漏端电压(电荷泵为2倍电荷泵)，这样栅漏电压大小数值上等于漏端电压，因此，漏端电压降低，栅漏电压(栅源电压相同)也降低。也即当输入电压较低时，模拟开关的栅源电压降低，进而导致模拟开关的导通电阻变大，使得其传输能力下降，甚至无法满足低压应用。
具体原理包括：
310为电源信号，记为VIN；
该开关电路的目的是将VIN电源经过NMOS管305传输到330(记为VOUT)；
LDO4、振荡器、电压转换器构成了驱动NMOS管305打开的基本模块；
这些模块都是基于VIN直接或间接进行供电而工作；其中，LDO4的作用：生成一个电压VLDO4给振荡器。例如2.5V。图1中LDO4的输出电压低于等于VIN。例如VIN小于2.5V时，振荡器电源电压低于2.5V。振荡器335作用：将LDO输出电压变换为两个相位相反的时钟信号，其波形如图2所示。电压转换器320：在输入信号电压基础上叠加两倍的VLDO4电压。这样也就是NMOS管305的栅端电压就是VIN加上2*VLDO4。这样就得到NMOS管305的栅漏电压为(2*VLDO4+VIN)-VIN，就是2倍的VLDO4，也即LDO4和电荷泵的共同作用产生的电压变化。
当LDO4的输入电压，也即电源信号VIN降低，小于2.5V时，对应的，模拟开关的栅源电压降低，导致模拟开关的导通电阻变大，使得其传输能力下降，甚至无法满足低压应用。
基于此，本实用新型提供一种恒定栅源电压模拟开关电路，包括：
低压差线性稳压器、振荡器、第一电荷泵、第二电荷泵、电平转移模块和模拟开关；
所述低压差线性稳压器的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号；
所述低压差线性稳压器的输出端与所述振荡器的输入端和所述第一电荷泵的输入端相连；
所述振荡器的输出端与所述第一电荷泵的时钟信号输入端相连，所述振荡器将所述低压差线性稳压器的输出电压转换为相位相反的第一时钟信号，再输入至所述第一电荷泵的时钟信号输入端；
所述第一电荷泵的输出端与所述电平转移模块的输入端相连，用于控制所述电平转移模块将相位相反的所述第一时钟信号转换为幅度与所述第一时钟信号不同，且相位相反的第二时钟信号；
所述第二电荷泵的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号，并接收所述第二时钟信号；所述第二电荷泵的输出端与所述模拟开关的栅端相连；
所述模拟开关的第二端作为所述恒定栅源电压模拟开关电路的输出端。
本实用新型提供的恒定栅源电压模拟开关电路，通过电路设计，能够使得输出端电压比输入端电压提高多倍，从而在电源电压输入较低的情况下，同样保持恒定栅源电压，从而保证了更低电压的功率传输，使得恒定栅源模拟开关电路的应用范围更加广泛。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供一种新的电路结构，使得模拟开关的打开电压相同的情况下，能够满足更低的电源传输。即在电路结构的输入电压降低的情况下，同样能够保持满足模拟开关打开的恒定栅源电压。
请参见图3，图3为本实用新型提供的一种恒定栅源电压模拟开关电路的整体电路结构示意图；所述恒定栅源电压模拟开关电路包括：
低压差线性稳压器LDO1、振荡器OSC、第一电荷泵CP1、第二电荷泵CP2、电平转移模块LS和模拟开关M0；
低压差线性稳压器LDO1的输入端与模拟开关M0的第一端相连，接收输入电压VIN信号；
低压差线性稳压器LDO1的输出端与振荡器OSC的输入端和第一电荷泵CP1的输入端相连；
振荡器OSC的输出端与第一电荷泵CP1的时钟信号输入端相连，振荡器OSC将低压差线性稳压器LDO1的输出电压转换为相位相反的第一时钟信号，再输入至第一电荷泵CP1的时钟信号输入端；
第一电荷泵CP1的输出端与电平转移模块LS的输入端相连，用于控制电平转移模块LS将相位相反的第一时钟信号转换为幅度与第一时钟信号不同，且相位相反的第二时钟信号；
第二电荷泵CP2的输入端与模拟开关M0的第一端相连，接收输入电压信号，并接收第二时钟信号；第二电荷泵CP2的输出端与模拟开关M0的栅端相连；
模拟开关M0的第二端作为恒定栅源电压模拟开关M0电路的输出端VOUT。
需要说明的是，低压差线性稳压器LDO1的作用为：当输入电压VIN信号大于等于某一值时，低压差线性稳压器LDO1输出该某一值；当输入电压VIN信号小于某一值时，LDO1输出电压为VIN。此处假设LDO1是可以生成1.25V电压的LDO1，当VIN高于1.25V的时候，LDO1输出就是1.25V。当VIN低于1.25V的时候，LDO输出大小为VIN，此时模拟开关的栅源电压随着输入电压VIN变化而变化，不再保持恒定栅源电压，因此，不在本实用新型考虑的范围中。
本实用新型实施例中的1.25V电压值，只是低压差线性稳压器LDO1的一个设定值，在实际使用过程中，可以根据实际情况，设定不同的情况，也即，本实用新型的恒定栅源电压模拟开关能够传输的最低电压VIN的值由低压差线性稳压器LDO1能够传输的最低电压决定，只要能够驱动低压差线性稳压器LDO1工作，并使得LDO1输出恒定电压值的VIN电压均为本实用新型实施例中所述的恒定栅源电压模拟开关电路的电源电压范围。
振荡器OSC的作用是将低压差线性稳压器LDO1的输出电压VOSC转换为两个相位相反，高电平为VOSC，低电平为0的第一时钟信号，第一时钟信号包括CK和CKB，其波形请参见图4。本实用新型实施例中第一时钟信号包括相位相反，幅度相同的两个时钟信号。
第一电荷泵CP1包括时钟信号输入端、输入端和输出端，请参见图5，图5为本实用新型提供的一种第一电荷泵CP1的结构示意图；第一电荷泵CP1由两个NMOS管(N1和N2)和两个PMOS管(P1和P2)交叉连接形成，还包括电容C1和电容C2，分别用于接收时钟信号CK和CKB。本实用新型中，第一电荷泵为用于将第一电荷泵的输入端电压叠加一倍第一时钟信号的高电平的电荷泵，第一电荷泵CP1的输出端电压VO＝VI+时钟信号幅度值，也即VCP1＝VOSC+VOSC＝2VOSC。
本实用新型实施例中第一电荷泵CP的结构为现有技术中的电荷泵结构，作用也相似，本实用新型实施例中对此不作详细说明。
第二电荷泵CP2同样包括时钟信号输入端、输入端和输出端，请参见图6，图6为本实用新型实施例提供的一种第二电荷泵CP2的结构示意图，第二电荷泵CP2包括串联的两个电荷泵，其中，每一个电荷泵的结构与第一电荷泵结构相同，本实施例中对此不作详细说明，不同的是，第二电荷泵中接收的时钟信号为第二时钟信号，第二时钟信号为相位相反，幅度与第一时钟信号幅度不同的CK1和CKB1信号。
本实施例中为了得到第二时钟信号，还包括电平转移模块LS，所述电平转移模块LS接收第一电荷泵的输出电压作为电源电压，然后将第一时钟信号的幅度转换为电源电压的幅度，得到第二时钟信号，也即第二时钟信号的幅度为VCP1。
第二电荷泵CP2的输出端电压即为模拟开关M0的栅端电压。由于第二电荷泵CP2包括两个电荷泵模块，第二电荷泵为用于将第二电荷泵的输入端电压叠加两倍所述第二时钟信号的高电平的电荷泵。因此第二电荷泵CP2的输出电压VO＝VI+2倍的第二时钟信号的幅度，VCP2＝VIN+2VCP1。
那么，模拟开关的栅源电压在导通的情况下，与其栅漏电压相同，因此，栅源电压VGS＝VCP2-VIN＝VIN+2VCP1-VIN＝2VCP1＝4VOSC。当VIN大于VOSC的情况下，LDO1输出的均为VOSC，栅源电压恒定。且由于栅源电压等于4倍的VOSC，当VGS需要为5V时，只要VIN大于1.25V即可。现有技术中，输入电压最低为2.5V，相对于现有技术输入电压而言，本实用新型实施例中的输入电压能够更低，同样能够保证栅源电压恒定，从而适用于传输更低输入电压的情况，也即扩展了输入电压的应用范围。本实用新型实施例中提供的输入电压信号的电压范围值可以为1.25V～5V，包括端点值。
需要说明的是，本实用新型中对所述模拟开关的类型不作限定，所述模拟开关可以是NMOS管，也可以是PMOS管。本实用新型实施例中先以所述模拟开关M0为NMOS管为例进行说明。当所述模拟开关为NMOS管时，对应的，上述模拟开关的第一端为NMOS管的漏极，上述模拟开关的第二端为NMOS管的源极，漏极接收输入电压信号，源极作为整个电路的输出端。导通状态下，NMOS管的栅源电压与栅漏电压相同，因此，本实用新型中将栅漏电压作为栅源电压进行说明。
相对于现有技术中，要求VIN高于2.5V才能使得NMOS完全导通。本实用新型实施例提供的恒定栅源电压模拟开关电路结构，只要VIN高于1.25V即可使得NMOS管完全导通，使得本实用新型提供的电路能够在输入电压较低的情况下，依旧能够实现功率传输，从而应用范围更广，能够适用于更多低电源情况。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，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物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，包括：
低压差线性稳压器、振荡器、第一电荷泵、第二电荷泵、电平转移模块和模拟开关；
所述低压差线性稳压器的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号；
所述低压差线性稳压器的输出端与所述振荡器的输入端和所述第一电荷泵的输入端相连；
所述振荡器的输出端与所述第一电荷泵的时钟信号输入端相连，所述振荡器将所述低压差线性稳压器的输出电压转换为相位相反的第一时钟信号，再输入至所述第一电荷泵的时钟信号输入端；
所述第一电荷泵的输出端与所述电平转移模块的输入端相连，用于控制所述电平转移模块将相位相反的所述第一时钟信号转换为幅度与所述第一时钟信号不同，且相位相反的第二时钟信号；
所述第二电荷泵的输入端与所述模拟开关的第一端相连，接收输入电压信号，并接收所述第二时钟信号；所述第二电荷泵的输出端与所述模拟开关的栅端相连；
所述模拟开关的第二端作为所述恒定栅源电压模拟开关电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，所述输入电压信号的电压值范围为1.25V～5V，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，所述模拟开关为NMOS管。
4.根据权利要求3所述的恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，所述模拟开关的第一端为NMOS管的漏极，所述模拟开关的第二端为NMOS管的源极。
5.根据权利要求4所述的恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，所述第一电荷泵为用于将所述第一电荷泵的输入端电压叠加一倍所述第一时钟信号的高电平的电荷泵。
6.根据权利要求5所述的恒定栅源电压模拟开关电路，其特征在于，所述第二电荷泵为用于将所述第二电荷泵的输入端电压叠加两倍所述第二时钟信号的高电平的电荷泵。
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