CN212367240U - 阻挡mos管的寄生二极管导通的电路及电荷泵 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路及电荷泵，该电路包括主MOS管和辅助MOS管；所述主MOS管的栅极与所述辅助MOS管的栅极连接；所述主MOS管的基极与所述辅助MOS管的源极、所述辅助MOS管的基极连接；所述主MOS管的源极与所述辅助MOS管的漏极连接。本实用新型的技术方案不仅可以彻底阻挡MOS管的寄生二极管导通，而且成本低，适宜推广应用。

Description

阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路及电荷泵

技术领域

本实用新型实施例涉及电子电路领域，尤其涉及一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路及电荷泵。

背景技术

在当代的电子系统中，大部分集成电路的芯片都是基于场效应晶体管(MOSFET)的设计，其中，MOSFET(金属氧化物-半导体-场效晶体管)是Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor的简称，以下简称MOS管。MOS管按导电沟道可分为P型沟道和N型沟道，无论哪个类型，都有栅极，源极，漏极和基极这4个电极，如图1a和图1b所示。在基极与源极，以及基极与漏极之间存在寄生的二极管。对于P型MOS管(即P型沟道MOS管)，基极是二极管的阴极，源极和漏极是二极管的阳极。对于N型MOS管(即N型沟道MOS管)，基极是二极管的阳极，源极和漏极是二极管的阴极。在实际应用中，4个电极都会连接到相应的电位。基极的电位选择通常需要防止寄生二极管导通。对于N型MOS管，衬底可以连接到最低电位，通常是地。对于P型MOS管，基极可以连接到最高电位，通常是电源。但是，在某些情况下，这样的连接并不可行。例如：电源不是最高电位，P型MOS管的源极或漏极的电压超过电源电压时。或者，N型MOS管的栅极，源极，或者漏极的电位太高时，基极连接到地的话，会超过允许的最大电压，造成MOS管损坏。这种情况下，另一个选择是将基极连接到源极，如图2a至图2d所示，此种连接的效果是短接了源极与基极之间的二极管。需要防止导通的只剩下漏极与基极之间的二极管。对于P型MOS管，需要保持漏极电压始终低于源极和基极电压。对于N型MOS管，需要保持漏极电压始终高于源极和基极电压。然而，在一些特殊电路里，无法满足这个要求，例如：电荷泵电路。

电荷泵常用于产生一个高于电源的电位。例如：当N型的功率MOS管连接到电源电位附近时，就需要基于电荷泵的驱动电路进行开启和关断。普通的电荷泵都是在电源电压的基础上翻倍，也就是说输出电压是输入电压的固定倍数，例如：2倍。但是在高压应用里，这个固定倍数的电压有可能过高，从而导致功率MOS管的栅极与源极之间的电压超出安全工作范围而受损。所以电荷泵的输出需要在源极电压的基础上，增加一个固定电压，以保证功率MOS管既可以正常开启又不会损坏。在过压保护的应用中，如图3所示，N型MOS管M1的源极连接到低压的内部电路，漏极连接到需要承受高压的外部电路。电荷泵包含如下部分：

I.电容充电电路：工作在输入端和地之间。其负责从输入取得电量并为飞跨电容C1充电。电容C1充好后的电压不高于MOS管M1的栅极和源极之间允许的最大电压。

II.电平转换电路：工作在输出端和地之间。其负责调整电容C1的负端的电位。在充电时，负端接近地(0V)。充好电后，负端接近输出端电位，放电给MOS管M1的栅极。

III.输出控制电路：工作在MOS管M1的栅极和源极之间。其负责开启和关断为电荷泵提供输出的P型MOS管M2。当电容C1充电时，MOS管M2关断，使得MOS管M1的栅极保持电量。当电容C1放电时，MOS管M2导通，使得电量能够从电容C1转移给MOS管M1的栅极，并不断提高MOS管M1的栅极电压，直至其接近电容C1的充满电压。

在这个应用中，当MOS管M1开启后，输出端和输入端电压接近。MOS管M1的栅极电压高于输出端。此时，电荷泵处于正常的工作状态，MOS管M2的寄生二极管D2A不导通。但是在这之前，MOS管M1的栅极电压有可能是0V。因为，内部电路有可能因为电池过放，或者卸载，没有电压。过压保护芯片在输入端接入外部电压之前也不工作。没有电源的情况下，MOS管M1的栅极和源极都为0V。当接入外部电压，过压保护芯片开始工作时，电容充电电路的电压高于电荷泵输出电压，使得寄生二极管D2A导通，分流了本应该给电容C1充电的电流，导致电容C1无法充电。当MOS管的寄生二极管导通，其流经的电流会有一部分泄露到基极。其余的电流有可能会通过输出控制电路泄露到输出端的负载。这是由于MOS管M1的栅极与源极之间的电压很低，输出控制电路不能保证切断栅极与源极之间的导通路径。当没有电流可以给MOS管M1的栅极持续充电时，MOS管M1无法开启。因此，在电荷泵的输出从0V开始慢慢上升到高于输入电压的这个过程中，MOS管M2的寄生二极管不能导通。

在任何情况下保证MOS管的寄生二极管不导通，才能保持电路正常工作，传统的解决方案是通过串联两个相同的MOS管来实现。串联时，可以源极与源极相连，或者漏极与漏极相连，使其寄生二极管按照相反方向背靠背连接，如图4a至图4d所示。但是，这样的设计大幅增加了成本。原因是MOS管的源极和漏极之间的电气特性等效于电阻。MOS管的面积越大，等效的电阻值越小，导通时功耗越小。所以需要根据导通时的电流，选择合适的等效电阻，并设计MOS管的面积。当两个相同的MOS管串联后，等效电阻变成两倍大。也就是说，要达到与原来相同的等效电阻，每个MOS管的等效电阻要减半，其面积就要加倍，导致整体的面积就是原来单独一个MOS管的四倍。

以上问题亟待解决。

实用新型内容

为解决相关技术问题，本实用新型提供一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路及电荷泵，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，该电路包括主MOS管和辅助MOS管；其中，所述主MOS管的栅极与所述辅助MOS管的栅极连接；所述主MOS管的基极与所述辅助MOS管的源极、所述辅助MOS管的基极连接；所述主MOS管的源极与所述辅助MOS管的漏极连接。

进一步的，所述主MOS管与所述辅助MOS管均为P型MOS管，其中，所述主MOS管的栅极G1与所述辅助MOS管的栅极G2连接，所述主MOS管的基极B1与所述辅助MOS管的源极S2、所述辅助MOS管的基极B2连接，所述主MOS管的源极S1与所述辅助MOS管的漏极D2连接，所述主MOS管的漏极D1与主MOS管的寄生二极管D1A的阳极连接，所述寄生二极管D1A的阴极与所述主MOS管的二极管D1B的阴极、所述主MOS管的基极B1连接，所述二极管D1B的阳极与所述主MOS管的源极S1连接，所述辅助MOS管的二极管D2A的阳极与辅助MOS管的漏极D2连接，所述二极管D2A的阴极与所述辅助MOS管的源极S2连接。

进一步的，所述主MOS管与所述辅助MOS管均为N型MOS管，其中，所述主MOS管的栅极G3与所述辅助MOS管的栅极G4连接，所述主MOS管的基极B3与所述辅助MOS管的源极S3、所述辅助MOS管的基极B4连接，所述主MOS管的源极S3与所述辅助MOS管的漏极D4连接，所述主MOS管的漏极D3与主MOS管的寄生二极管D3A的阴极连接，所述寄生二极管D3A的阳极与所述主MOS管的二极管D3B的阳极、所述主MOS管的基极B3连接，所述二极管D3B的阴极与所述主MOS管的源极S3连接，所述辅助MOS管的二极管D4A的阴极与辅助MOS管的漏极D4连接，所述二极管D4A的阳极与所述辅助MOS管的源极S4连接。

第二方面，本实用新型实施例进一步提供了一种电荷泵，该电荷泵采用上述实施例提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路。

本实用新型实施例的技术方案不仅可以彻底阻挡MOS管的寄生二极管导通，而且成本低，适宜推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明及理解本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型背景技术、实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1a为P型沟道MOS管示意图；

图1b为N型沟道MOS管示意图；

图2a为基极连接到源极的P型沟道MOS管示意图；

图2b为简化后的P型沟道MOS管示意图；

图2c为基极连接到源极的N型沟道MOS管示意图；

图2d为简化后的N型沟道MOS管示意图；

图3为采用传统电荷泵的过压保护芯片示意图；

图4a为源极相连的P型沟道MOS管示意图；

图4b为漏极相连的P型沟道MOS管示意图；

图4c为源极相连的N型沟道MOS管示意图；

图4d为漏极相连的N型沟道MOS管示意图；

图5为本实用新型实施例三提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路示意图；

图6为本实用新型实施例四提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路示意图；

图7为本实用新型实施例六提供的应用本实用新型来防止寄生二极管导通的过压保护芯片原理图。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

实施例一

本实施例提供一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，该电路包括主MOS管和辅助MOS管；其中，所述主MOS管的栅极与所述辅助MOS管的栅极连接；所述主MOS管的基极与所述辅助MOS管的源极、所述辅助MOS管的基极连接；所述主MOS管的源极与所述辅助MOS管的漏极连接。

在本实施例中所述主MOS管开启阈值电压要小于或者等于所述辅助MOS管的开启阈值电压与寄生二极管的压降之和。

示例性的，在本实施例中所述主MOS管与所述辅助MOS管为同类型的MOS管，即所述主MOS管与所述辅助MOS管可以均采用P型MOS管或，也可均采用N型MOS管。

实施例二

如图5所示，图5为本实用新型实施例三提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路示意图。

本实施例提供一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，该电路具体包括主MOS管M1和辅助MOS管M2。所述主MOS管M1与所述辅助MOS管M2均为P型MOS管。其中，所述主MOS管M1的栅极G1与所述辅助MOS管M2的栅极G2连接，所述主MOS管M1的基极B1与所述辅助MOS管M2的源极S2、所述辅助MOS管M2的基极B2连接，所述主MOS管M1的源极S1与所述辅助MOS管M2的漏极D2连接，所述主MOS管M1的漏极D1与主MOS管M1的寄生二极管D1A的阳极连接，所述寄生二极管D1A的阴极与所述主MOS管M1的二极管D1B的阴极、所述主MOS管M1的基极B1连接，所述二极管D1B的阳极与所述主MOS管M1的源极S1连接，所述辅助MOS管M2的二极管D2A的阳极与辅助MOS管M2的漏极D2连接，所述二极管D2A的阴极与所述辅助MOS管M2的源极S2连接。

在本实施例中所述主MOS管M1开启阈值电压要小于或者等于所述辅助MOS管M2的开启阈值电压与寄生二极管D1A的压降之和。

为便于理解本实施例提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路的工作原理，现介绍如下：

本实施例中需要阻挡的是主MOS管M1的漏极D1与主MOS管M1的基极B1之间的寄生二极管D1A的导通。当主MOS管M1的漏极D1高于其源极S1时，如果寄生二极管D1A会导通，电流唯一的通道只有辅助MOS管M2的沟道。因为，辅助MOS管M2的二极管D1B和二极管D2A都是与寄生二极管D1A的方向相反，无法与寄生二极管D1A同时导通。但是，辅助MOS管M2的沟道要导通的话，需要其源极S2的电压VS2高于其栅极G2的电压VG至少一个阈值电压VTH2。寄生二极管D1A要是导通的话，需要主MOS管M1的漏极D1的电压VD1高于其基极B1或者辅助MOS管M2的源极S2电压一个正向压降，大约0.7V(但不局限于此)。因此，这个唯一的电流通道能够成立的条件是：VS2-VG≥VTH2，VD1-VS2≥0.7V，两个公式合并可得：

VD1–VG≥VTH2+0.7V

然而，开启主MOS管M1的沟道只需要满足：

VD1–VG≥VTH1

如果辅助MOS管M2的开启阈值电压和主MOS管M1的开启阈值电压满足以下条件：

VTH2+0.7V≥VTH1

那么就意味着，主MOS管M1的寄生二极管D1A导通比其沟道导通需要更高的电压。也就是说，主MOS管M1的沟道会先于寄生二极管D1A导通。主MOS管M1沟道导通后，主MOS管M1的漏极D1的电压接近于源极S1的电压，从而保证寄生二极管D1A没有导通所需要的压降。

然而，要满足阈值电压这个条件，只要主MOS管M1和辅助MOS管M2选择同类型的MOS管即可，也就是：

VTH1＝VTH2＝VTH

主MOS管M1沟道导通后，

VD2＝VS1≈VD1

辅助MOS管M2也满足了沟道导通的条件

VD2–VG≥VTH

辅助MOS管M2沟道导通后，没有电流流过，辅助MOS管M2的源极S2与漏极D2的电压相等。通过辅助MOS管M2的沟道，主MOS管M1的基极B1与其源极S1相连。此时，主MOS管M1的连接方式等效于图2a和图2b。

与传统串联两个MOS管来阻挡MOS管的寄生二极管导通的方式相比，本实施例提供的方案虽然还是使用了两个MOS管，但是在主MOS管M1的电流通道上没有增加额外的器件，这使得主MOS管M1无需增加面积。辅助MOS管M2没有正常的工作电流经过，只有主MOS管M1的源极S1与基极B1之间的漏电流。这个漏电流与正常的工作电流相比，要小几个数量级。通常这个漏电流正比于主MOS管M1的面积。所以，可以根据主MOS管M1的大小选择辅助MOS管M2，只要保证漏电流导致的源极S1与基极B1之间的压降足够小，甚至忽略不计。所以，与传统串联两个MOS管来阻挡MOS管的寄生二极管导通而导致整体的面积就是原来单独一个MOS管的4倍的方式相比，本实施例提供的方案仅仅是增加了一个普通的辅助MOS管M2，对成本的影响微乎其微，成本低。

实施例三

如图6所示，图6为本实用新型实施例四提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路示意图。

本实施例提供一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，该电路具体包括主MOS管M3和辅助MOS管M4。所述主MOS管M3与所述辅助MOS管M4均为N型MOS管。其中，所述主MOS管M3的栅极G3与所述辅助MOS管M4的栅极G4连接，所述主MOS管M3的基极B3与所述辅助MOS管M4的源极S3、所述辅助MOS管M4的基极B4连接，所述主MOS管M3的源极S3与所述辅助MOS管M4的漏极D4连接，所述主MOS管M3的漏极D3与主MOS管M3的寄生二极管D3A的阴极连接，所述寄生二极管D3A的阳极与所述主MOS管M3的二极管D3B的阳极、所述主MOS管M3的基极B3连接，所述二极管D3B的阴极与所述主MOS管M3的源极S3连接，所述辅助MOS管M4的二极管D4A的阴极与辅助MOS管M4的漏极D4连接，所述二极管D4A的阳极与所述辅助MOS管M4的源极S4连接。

在本实施例中所述主MOS管M3开启阈值电压要小于或者等于所述辅助MOS管M4的开启阈值电压与寄生二极管D3A的压降之和。

本实施例提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路的工作原理同上述实施例三，在此不在赘述。

实施例四

本实施例提供一种电荷泵，该电荷泵采用上述实施例三所提供的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路。

实施例五

本实施例提供一种过压保护芯片，该过压保护芯片采用上述实施例五所述的电荷泵，原理图请参照图7。

本实用新型实施例的技术方案不仅可以彻底阻挡MOS管的寄生二极管导通，而且成本低，适宜推广应用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，其特征在于，该电路包括主MOS管和辅助MOS管；其中，所述主MOS管的栅极与所述辅助MOS管的栅极连接；所述主MOS管的基极与所述辅助MOS管的源极、所述辅助MOS管的基极连接；所述主MOS管的源极与所述辅助MOS管的漏极连接。

2.根据权利要求1所述的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，其特征在于，所述主MOS管与所述辅助MOS管均为P型MOS管，其中，所述主MOS管的栅极G1与所述辅助MOS管的栅极G2连接，所述主MOS管的基极B1与所述辅助MOS管的源极S2、所述辅助MOS管的基极B2连接，所述主MOS管的源极S1与所述辅助MOS管的漏极D2连接，所述主MOS管的漏极D1与主MOS管的寄生二极管D1A的阳极连接，所述寄生二极管D1A的阴极与所述主MOS管的二极管D1B的阴极、所述主MOS管的基极B1连接，所述二极管D1B的阳极与所述主MOS管的源极S1连接，所述辅助MOS管的二极管D2A的阳极与辅助MOS管的漏极D2连接，所述二极管D2A的阴极与所述辅助MOS管的源极S2连接。

3.根据权利要求1所述的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路，其特征在于，所述主MOS管与所述辅助MOS管均为N型MOS管，其中，所述主MOS管的栅极G3与所述辅助MOS管的栅极G4连接，所述主MOS管的基极B3与所述辅助MOS管的源极S3、所述辅助MOS管的基极B4连接，所述主MOS管的源极S3与所述辅助MOS管的漏极D4连接，所述主MOS管的漏极D3与主MOS管的寄生二极管D3A的阴极连接，所述寄生二极管D3A的阳极与所述主MOS管的二极管D3B的阳极、所述主MOS管的基极B3连接，所述二极管D3B的阴极与所述主MOS管的源极S3连接，所述辅助MOS管的二极管D4A的阴极与辅助MOS管的漏极D4连接，所述二极管D4A的阳极与所述辅助MOS管的源极S4连接。

4.一种电荷泵，其特征在于，该电荷泵采用权利要求1至3任一项所述的阻挡MOS管的寄生二极管导通的电路。

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