CN210536514U

CN210536514U - 一种高低压转换的电源电路

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Publication number: CN210536514U
Application number: CN201921085605.XU
Authority: CN
Inventors: 罗寅; 谭在超; 丁国华; 汤晓燕; 张玉明
Original assignee: Suzhou Covette Semiconductor Co Ltd; Xidian University
Current assignee: Suzhou Covette Semiconductor Co Ltd; Xidian University
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2029-07-12

Abstract

本实用新型涉及一种高低压转换的电源电路，包括第一至第三MOS管、第一至第七三极管、第一至第九电阻，第一和第三MOS管的漏极接VIN，第三MOS管的源极输出VDD，在VIN从0V上升时，第一和第二MOS管的栅极随着VIN升高导通，将第三MOS管的栅极上拉使得第三MOS管导通，在VIN>Vgs2+Vgs3时，VDD开始上升，VDD随VIN一起上升至一定电压后，由于第二和第四三极管的支路产生一反馈电流将第二MOS管的栅极拉住，使得第三MOS管的栅极端电压不再上升，最终将VDD稳定在这一电压。VDD的温度特性可调节第五至第七电阻的阻值比例来实现零温度系数的电压输出，通过变形可方便将低压电源VDD设计为各种电压值。并可在第八和第九电阻的电阻串中抽取抽头以获取所需的偏置电压。

Description

一种高低压转换的电源电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源电路技术领域，尤其涉及一种需要进行高压转换成低压的电源电路。

背景技术

对于集成电路来说，其电源脚经常采用高压供电，然而集成电路内容却大量采用了低压器件，这就需要在集成电路内部设计低压电源，从而必然需要一个高压转低压的开关电源。

现有的高压转低压开关电源的设计思路通常是通过一个Bandgap（带隙基准电压源）模块得到1.2V的带隙基准电压，然后再将1.2V的带隙基准电压经过负反馈的稳压电路来获得一个低压电源。经典的通过PTAT电路产生带隙基准电压Vbg的电路结构如图1所示，与其适配的负反馈稳压电路如图2所示，采用图1和2的电路组合结构，不仅可以得到低压电源，而且还可从图2的电阻串中抽取抽头，得到各种基准电压。然而该种电路组合结构固然相当经典且实用，但通过其所获得的低压电源的温度特性却难以保证，另外，低压电源的电压值也不便调整。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单新颖的高低压转换的电源电路，可替代现有的低压电源实现电路结构，得到与温度无关的低压电源，并具有良好的温度特性，可实现接近零温度系数的电压输出，且能满足多种电压的低压电源需求。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种高低压转换的电源电路，包括第一至第三MOS管、第一至第七三极管、第一至第七电阻，第一和第三MOS管的漏极接高压电源VIN，第一MOS管的源极接第二MOS管的漏极，第二MOS管的源极接第三MOS管的栅极，第一和第二电阻串联后将第一电阻的一端接高压电源VIN，将第二电阻的一端接第七三极管的发射极，第一MOS管的栅极接在第一和第二电阻之间，第二MOS管的栅极接第七三极管的基极，第三电阻接第七三极管的发射极和基极，第四电阻串联在第二MOS管的源极和第七三极管的集电极之间，第三MOS管的源极和第七三极管的集电极相连，第三MOS管的源极输出低压电源VDD，第五三极管的集电极连接在第三MOS管的源极和第七三极管的集电极之间，第五三极管的发射极接第六三极管的基极，第五三极管的基极接第六三极管的集电极，第五电阻接第五三极管的集电极和基极之间，第六三极管的发射极串联第六电阻后接第一三极管的集电极，第一和第二三极管的基极共联，第二三极管的集电极接第二MOS管的栅极，第一三极管的集电极连接其基极，第一三极管的发射极接第三三极管的集电极，第三三极管的基极接第二三极管的发射极，第三三极管的发射极串联第七电阻后接地，第四三极管的基极接第一三极管的发射极，第四三极管的集电极接第二三极管的发射极，第四三极管的发射极接地。

作为本实用新型的一种改进，所述第一三极管和第二三极管的个数比为1：n，n个第二三极管并联连接，第三三极管和第四三极管的个数比为n:1，n个第三三极管并联连接。

作为本实用新型的一种改进，所述第一至第三MOS管均采用N沟道高压MOS管，所述第一至第六三极管采用NPN型三极管，所述第七三极管采用PNP型三极管。

作为本实用新型的一种改进，输出低压电源的电压计算公式为：

VDD=4Vbe+

V_T

其中，Vbe为三极管的BE结电压，V_T为热电压，ln(n)为一常数，n为第二三极管或第三三极管的个数，n取4或8。

作为本实用新型的一种改进，还包括第八和第九电阻，第八和第九电阻串联后将第八电阻的一端接在第五三极管的发射极和第六三极管的基极之间，而将第九电阻的一端接地，并在第八电阻和第九电阻之间抽取抽头，以获取偏置电压。

作为本实用新型的一种改进，所述第五至第七电阻采用同一种类型的电阻。

作为本实用新型的一种改进，所述高压电源的电压取值范围是在20~40V。

作为本实用新型的一种改进，所述第三电阻的阻值范围是100K~200K。

相对于现有技术，本实用新型的电流结构结构设计巧妙合理，易于实现，通过使用第一至第三MOS管来构建低压电源VDD跟随输入的高压电源VIN进行升压操作，并通过第二三极管和第四三极管的支路产生一反馈电流将第二MOS管的栅极拉住，使得第三MOS管的栅极端电压不再上升而将VDD稳定在一定的电压，并通过第三电阻和第七三极管的限流设计，使得由第二MOS管、第三MOS管、第五电阻、第六电阻、第一至第六三极管及第七电阻组成的反馈环路极易实现，并有利于整个电路的稳定。电路最终输出的低压电源VDD可由负温特性的Vbe和正温特性的V_T组合得到，通过变形可方便将低压电源VDD设计为各种电压值，并且该种电路结构在实现高压转低压功能的同时，能够通过调节第五至第七电阻的阻值比例来有效保证低压电源具备良好的温度特性。另外，在电路中的由第八电阻和第九电阻组成的电阻串之间抽取抽头，以获取偏置电压。

附图说明

图1为现有技术中常用的经典的通过PTAT电路产生带隙基准电压Vbg的电路结构。

图2为现有技术中与图1电路相适配的负反馈稳压电路。

图3为本实用新型优选实施例的高压转低压的电源电路结构。

图4为基于本实用新型优选实施例的高压转低压电源电路架构的仿真波形。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。

如图3所示，为本实用新型优选实施例所示出的一种高低压转换的电源电路，包括第一至第三MOS管、第一至第七三极管、第一至第九电阻，第一和第三MOS管的漏极接高压电源VIN，第一MOS管N1的源极接第二MOS管N2的漏极，第二MOS管N2的源极接第三MOS管N3的栅极，第一和第二电阻串联后将第一电阻R1的一端接高压电源VIN，将第二电阻R2的一端接第七三极管Q7的发射极，第一MOS管N1的栅极接在第一和第二电阻之间，第二MOS管N2的栅极接第七三极管Q7的基极，并在第二MOS管N2的栅极上串接一个电容C1，电容C1的另一端接地，第三电阻R3接第七三极管Q7的发射极和基极，第四电阻R4串联在第二MOS管N2的源极和第七三极管Q7的集电极之间，第三MOS管N3的源极和第七三极管Q7的集电极相连，第三MOS管N3的源极输出低压电源VDD，第五三极管Q5的集电极连接在第三MOS管N3的源极和第七三极管Q7的集电极之间，第五三极管Q5的发射极接第六三极管Q6的基极，第五三极管Q5的基极接第六三极管Q6的集电极，第五电阻R5接第五三极管Q5的集电极和基极之间，第六三极管Q6的发射极串联第六电阻R6后接第一三极极管Q1的集电极，第一和第二三极极管的基极共联，第二三极极管Q2的集电极接第二MOS管N2的栅极，第一三极极管Q1的集电极连接其基极，第一三极极管Q1的发射极接第三三极管Q3的集电极，第三三极管Q3的基极接第二三极极管Q2的发射极，第三三极管Q3的发射极串联第七电阻R7后接地，第四三极管Q4的基极接第一三极极管Q1的发射极，第四三极管Q4的集电极接第二三极极管Q2的发射极，第四三极管Q4的发射极接地。第八和第九电阻串联后将第八电阻R8的一端接在第五三极管Q5的发射极和第六三极管Q6的基极之间，而将第九电阻R9的一端接地，并在第八电阻R8和第九电阻R9之间抽取抽头，以获取偏置电压。

其中，所述第一三极极管Q1和第二三极极管Q2的个数比为1：n，n个第二三极极管Q2并联连接，第三三极管Q3和第四三极管Q4的个数比为n:1，n个第三三极管Q3并联连接。并且，所述第一至第三MOS管均采用N沟道高压MOS管，所述第一至第六三极管采用NPN型三极管，所述第七三极管Q7采用PNP型三极管。

所述高压电源VIN的电压取值是由芯片IC的应用决定，通常是取20~40V，也可以更高。所述第一至第三MOS管的耐压值取决于高压电源的工作范围。

本优选实施例的电路工作原理是：

在VIN从0V上升时，第一MOS管N1和第二MOS管N2的栅极（gate端）随着VIN升高并导通，将第三MOS管N3的栅极上拉使得第三MOS管N3导通，并在VIN>Vgs2+Vgs3时，VDD开始上升，在当VDD很低时，下半部分电路由于未开启，呈高阻态。VIN继续往上升高，VDD也随之继续升高，在当VDD升高至一定电压后，下半部分电路开启，由于第二三极极管Q2和第四三极管Q4的支路产生一反馈电流将第二MOS管N2的栅极（gate端）拉住，使得第三MOS管N3的栅极端电压不再上升，第三MOS管N3将无更多电流使得VDD继续上升，最终将VDD稳定在这一电压。

在本优选实施例的电路结构中，所述第一电阻R1一般取1M，第二电阻R2一般取200K，而第四电阻R4一般取几十K，第三电阻R3的阻值范围是100K~200K，第三MOS管N3是主要为VDD供电的器件，第二MOS管N2和第七三极管Q7不能提供很大的电流，第三电阻R3用于限制电容C1的供电电流，而第三电阻R3的电流最大值是通过第七三极管Q7固定在Vbe/R3，因此，只要由第二三极极管Q2和第四三极管Q4组成的反馈支路产生反馈电流时就很容易将第二MOS管N2的栅极（gate）端电压拉住。

在此假定流过由第五电阻R5、第六三极管Q6、第六电阻R6、第一三极极管Q1、第三三极管Q3和第七电阻R7构成的支路的电流为I1，当电路工作于稳定状态时，则将由如下等式成立：

Vbe1+Vbe4=Vbe2+Vbe3+I1*R7

其中，Vbe1-Vbe4分别为第一至第四三极管Q4的BE结电压，由于一个第一三极极管Q1和n个并联的第二三极极管Q2工作在不相等的电流密度下，它们的基极-发射极电压差值可表示为：

Vbe1-Vbe2=ΔVbe= V_T*ln(n)

其中，V_T为热电压，ln(n)为一常数，n为第二三极极管Q2的个数，n通常选择4或8。

同理可得一个第四三极管Q4和n个并联的第三三极管Q3之间的基极-发射极电压差值为：

Vbe4-Vbe3ΔVbe= V_T*ln(n)

其中，V_T为热电压，ln(n)为一常数，n为第三三极管Q3的个数，n通常选择4或8。

进一步可得：

I1*R7=(Vbe1-Vbe2)+(Vbe4-Vbe3)=2*ΔVbe=2*V_T*ln(n)

那么电流I1可进一步表示为

I1=

V_T

由此可得低压电源VDD的计算公式如下：

VDD=I1*(R5+R6+R7)+Vbe5+Vbe6+Vbe1+Vbe4

其中，Vbe1为第一三极极管Q1的BE结电压，Vbe4为第四三极管Q4的BE结电压，Vbe5为第五三极管Q5的BE结电压，Vbe6为第六三极管Q6的BE结电压，通常情况下，一个三极管的BE结电压（即一个pn结的正偏压降）差异不大，因此，低压电源VDD的计算公式可进一步简化为：

VDD=4Vbe+

V_T

其中，Vbe为三极管的BE结电压。由上述表达式可知，在设计时可通过调节第五电阻R5、第六电阻R6及第七电阻R7之间的阻值比例来获得VDD的具体电压。所述第五至第七电阻R7采用同类型的电阻，以确保产品生产的一致性，另外，由于Vbe具有负温度特性，V_T具有正温度特性，因此可通过调节上述三个电阻比例，使得低压电源VDD得到较好的温度特性。由此可见，低压电源VDD的温度特性可调节第五至第七电阻的阻值比例来实现零温度系数的电压输出，通过变形（主要是通过公式变形，例如针对3.3V器件，VDD=2Vbe+k*VT等）可方便将低压电源VDD设计为各种电压值，如5V或3.3V等。

图4给出了基于本优选实施例的电源电路架构的仿真波形（所采用的仿真参数具体为：R1=1M，R2=200K，R3=100K，R4=50K，R5=40K，R6=70K，R7=3K。有源器件MOS用于调电流能力，三极管采用5x5即可。），在当VIN高于8.1V时，低压电源VDD就稳定于5.6V了。

本实用新型所提出的高压转低压的电源电路为集成电路内部的高压转低压的开关电源模块提供了新思路，使得集成电路内部所需的低压电源VDD可由负温特性的Vbe和正温特性的V_T组合得到，通过计算公式变形可方便将低压电源VDD设计为各种电压值，并且该种电路结构在实现高压转低压功能的同时，能够通过调节第五至第七电阻R7的阻值比例来有效保证低压电源具备良好的温度特性。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高低压转换的电源电路，其特征在于：包括第一至第三MOS管、第一至第七三极管、第一至第七电阻，第一和第三MOS管的漏极接高压电源VIN，第一MOS管的源极接第二MOS管的漏极，第二MOS管的源极接第三MOS管的栅极，第一和第二电阻串联后将第一电阻的一端接高压电源VIN，将第二电阻的一端接第七三极管的发射极，第一MOS管的栅极接在第一和第二电阻之间，第二MOS管的栅极接第七三极管的基极，第三电阻接第七三极管的发射极和基极，第四电阻串联在第二MOS管的源极和第七三极管的集电极之间，第三MOS管的源极和第七三极管的集电极相连，第三MOS管的源极输出低压电源VDD，第五三极管的集电极连接在第三MOS管的源极和第七三极管的集电极之间，第五三极管的发射极接第六三极管的基极，第五三极管的基极接第六三极管的集电极，第五电阻接第五三极管的集电极和基极之间，第六三极管的发射极串联第六电阻后接第一三极管的集电极，第一和第二三极管的基极共联，第二三极管的集电极接第二MOS管的栅极，第一三极管的集电极连接其基极，第一三极管的发射极接第三三极管的集电极，第三三极管的基极接第二三极管的发射极，第三三极管的发射极串联第七电阻后接地，第四三极管的基极接第一三极管的发射极，第四三极管的集电极接第二三极管的发射极，第四三极管的发射极接地。

2.如权利要求1所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，所述第一三极管和第二三极管的个数比为1：n，n个第二三极管并联连接，第三三极管和第四三极管的个数比为n:1，n个第三三极管并联连接。

3.如权利要求2所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，所述第一至第三MOS管均采用N沟道高压MOS管，所述第一至第六三极管采用NPN型三极管，所述第七三极管采用PNP型三极管。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，还包括第八和第九电阻，第八和第九电阻串联后将第八电阻的一端接在第五三极管的发射极和第六三极管的基极之间，而将第九电阻的一端接地，并在第八电阻和第九电阻之间抽取抽头，以获取偏置电压。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，所述高压电源的电压取值范围是在20~40V。

6.如权利要求1-3任一项所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，所述第三电阻的阻值范围是100K~200K。

7.如权利要求1-3任一项所述的一种高低压转换的电源电路，其特征在于，所述第五至第七电阻采用同一种类型的电阻。