CN218549759U - 一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路及开关电源。基于超高压多晶硅电阻的保护电路具有四个端口，分别为VDD端、V_LVDD端、V_DD1端、GND端；基于超高压多晶硅电阻的保护电路包括：分压器、钳位器。本发明提供的基于超高压多晶硅电阻的保护电路通过特殊的多晶硅电阻结构技术能够实现对VDD端口进行0～100V超宽电压范围操作，让其既能提供用于监测VDD的低分压电压V_DD1，也能对内部线路提供低压电源V_LVDD，从而不仅节省了芯片本身的面积和成本，而且去除了传统开关电源中40V钳位器，因此，本发明的开关电源系统最大限度地节省了使用成本。

Description

一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路及开关电源

技术领域

本实用新型涉及快充开关电源技术领域，特别是涉及一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路及开关电源。

背景技术

快充开关电源已经成为当下电子设备最为流行的充电设备，快充标准也快速升级到了PD3.0，输出电压从5V～15V升级到3.3～20V，因此，开关电源系统VDD端口的变压器供电辅助绕组的最大输出电压从传统40V升到80～100V为了能够应对VDD这么高工作电压，大部分传统开关电源被迫在变压器辅助绕组La的整流管D2后增加一个40V钳位器13，以避免VDD端口电压超过最大额定电压40V而烧毁开关电源控制器集成电路，因此增加的40V钳位器13给用户增加了很大成本。

传统快充开关电源如图1所述，图1描绘了一种传统快充开关电源10，其工作波形如图5所示。通过将变压器TR次边输出电压Vo通过反馈器12采样至电源转换器11的FB脚端口与经变压器原边线圈中电流Ip通过功率管M1、限流电阻器Rcs采样至电源转换器11的CS脚端口来产生脉冲宽度变化的方波信号(Vsw)控制功率管(M1)的开启和关闭来完成变压器TR能量的传输。传统开关电源10的VDD端口耐压只有40V，因此外部串接了一个40V钳位器13后再接电阻器R1、整流管D2、辅助绕组La。传统开关电源10从启动到正常工作的过程波形如图5所示，每次VDD上电超过VDDON后完成启动并进入正常工作模式，当输出电压从5V挡位转换成20V档，变压器TR辅助绕组La输出电压会从小于40V跳升到60～100V。因此传统开关电源10需要增加40V钳位器13来应对辅助绕组La远超过40V的高工作电压，所以导致增加了成本和功耗。所以有必要采取特殊技术避免上述问题，从而达到用户设备的低成本性。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的是提供一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路及开关电源。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路具有四个端口，分别为VDD端、VLVDD端、VDD1端以及GND端；所述保护电路包括：分压器和钳位器；所述分压器的第一端分别与所述VDD端以及所述钳位器的第一端连接，所述分压器的第二端与所述VDD1端连接，所述分压器的第三端接地；所述钳位器的第二端与所述VLVDD端连接，所述钳位器的第三端接地。

可选地，所述分压器包括：第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器以及第五电阻器；所述第一电阻器的一端为所述分压器的第一端，所述第五电阻器的一端为所述分压器的第二端，所述第五电阻器的另一端为所述分压器的第三端；

所述第一电阻器的一端分别与所述VDD端以及所述钳位器的第一端连接，所述第一电阻器的另一端与所述第二电阻器的一端连接，所述第二电阻器的另一端与所述第三电阻器的一端连接，所述第三电阻器的另一端与所述第四电阻器的一端连接，所述第四电阻器的另一端与所述第五电阻器的一端连接，所述第五电阻器的一端还与所述VDD1端连接；所述第五电阻器另一端接地。

可选地，所述钳位器包括：第六电阻器、第七电阻器、第八电阻器、第一钳位管、第二钳位管、第三钳位管、第四钳位管以及高压管；所述第六电阻器的一端为所述钳位器的第一端，所述高压管的源极为所述钳位器的第二端，所述第一钳位管的阳极为所述钳位器的第三端；

所述第六电阻器的一端分别与所述第一电阻器的一端以及所述高压管的漏极连接，所述第六电阻器的另一端与所述第七电阻器的一端连接，所述第七电阻器的另一端与所述第八电阻器的一端连接，所述第八电阻器的另一端分别与所述高压管的栅极、所述第三钳位管的阴极以及所述第四钳位管的阴极连接；所述第三钳位管的阳极与所述第二钳位管的阴极连接，所述第二钳位管的阳极与所述第一钳位管的阴极连接，所述第一钳位管的阳极接地；所述第四钳位管的阳极与所述高压管的源极连接，所述高压管的源极还与所述VLVDD连接。

可选地，所述第一钳位管、所述第二钳位管、所述第三钳位管以及所述第四钳位管的击穿电压均为5.9～6.67V；所述高压管的漏极对源极、栅极以及衬底的耐压均为100V。

可选地，所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器、所述第四电阻器、所述第五电阻器、所述第六电阻器、所述第七电阻器以及所述第八电阻器均为多晶硅电阻。

可选地，所述第一电阻器和所述第六电阻器位于第一高压N阱中，所述第二电阻器和所述第七电阻器位于第二高压N阱中，所述第三电阻器和所述第八电阻器位于第三高压N阱中；所述第一高压N阱、所述第二高压N阱以及所述第三高压N阱通过连接孔和铝线与外界进行电性连接；

所述第一高压N阱通过连接孔及铝线连接所述VDD端及所述第一电阻的一端，所述第二高压N阱通过连接孔及铝线连接所述第七电阻器的一端以及所述第六电阻器的另一端，所述第三高压N阱通过连接孔及铝线连接所述第八电阻器的一端以及所述第七电阻器的另一端。

本实用新型提供了一种开关电源，包括：变压器、开关电源控制器集成电路、功率开关管和反馈器，所述开关电源控制器集成电路包括：上述的基于超高压多晶硅电阻的保护电路、欠压过压保护电路、脉宽调制器以及驱动电路；所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD端与所述开关电源控制器集成电路的电源端口连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VLVDD端分别与所述欠压过压保护电路的第一端、所述驱动电路的第四端以及所述脉宽调制器的第三端连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD1端与所述欠压过压保护电路的第二端连接；所述脉宽调制器的第一端与所述开关电源控制器集成电路的CS端连接，所述脉宽调制器的第二端与所述开关电源控制器集成电路的FB端连接，所述脉宽调制器的第四端与所述欠压过压保护电路的第四端以及所述驱动电路的第二端；所述脉宽调制器的第五端与所述驱动电路的第一端连接；所述欠压过压保护电路的第三端与所述驱动电路的第三端连接；所述驱动电路的第五端与所述开关电源控制器集成电路的DRV端连接。

本实用新型提供了一种开关电源，包括：变压器、开关电源控制器集成电路、功率开关管和反馈器，所述开关电源控制器集成电路包括：上述的基于超高压多晶硅电阻的保护电路、欠压过压保护电路、脉宽调制器、驱动电路以及高压启动电路；所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD端分别与所述开关电源控制器集成电路的电源端口连接以及所述高压启动电路第二端，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VLVDD端分别与所述欠压过压保护电路的第一端、所述驱动电路的第四端以及所述脉宽调制器的第三端连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD1端与所述欠压过压保护电路的第二端连接；所述脉宽调制器的第一端与所述开关电源控制器集成电路的CS端连接，所述脉宽调制器的第二端与所述开关电源控制器集成电路的FB端连接，所述脉宽调制器的第四端与所述欠压过压保护电路的第四端、所述高压启动电路的第三端以及所述驱动电路的第二端；所述脉宽调制器的第五端与所述驱动电路的第一端连接；所述欠压过压保护电路的第三端与所述驱动电路的第三端连接；所述驱动电路的第五端与所述开关电源控制器集成电路的DRV端连接；所述高压启动电路的第一端与所述开关电源控制器集成电路的HV端连接。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

(1)通过基于超高压多晶硅电阻的保护电路对开关电源控制器集成电路内其他模块的低压供电以及提供VDD脚电压监测，能够使本实用新型提供的开关电源拥有更低成本和更高安全性。

(2)本实用新型提供的开关电源无需借助外部40V钳位器就能实现传统开关电源的VDD脚对芯片内其他功能块线路的低压供电功能和VDD脚电压监测功能，也就是说将传统开关电源系统中的外部40V钳位器内置于开关电源控制器集成电路内部，因此极大地降低了客户的成本。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统开关电源的电路示意图；

图2为本实用新型提供的开关电源的电路示意图；

图3为本实用新型提供的基于超高压多晶硅电阻的保护电路的电性连接示意图；

图4为本实用新型提供的基于超高压多晶硅电阻的保护电路的关键器件结构版图设计示意图；

图5为传统开关电源VDD正常上电工作及过压保护工作时序波形

图6为本实用新型的开关电源VDD正常上电工作及过压保护工作时序波形

图中出现的符号说明如下：

10：传统开关电源，应用在PD3.0快充充电器中

10A：本实用新型的开关电源，应用在PD3.0快充充电器中

11：传统开关电源控制器集成电路

11A：本实用新型的开关电源控制器集成电路

12：反馈器，即FeedBack

13：40V钳位器

20：高压启动电路，即HVStartup

30：脉宽调制器，即PWM

40：驱动电路，即DRIVER

50：欠压过压保护电路，即UVLOVP

60：开关电源控制器集成电路11A内部的基于超高压多晶硅电阻的保护电路，即LDO

(D)：第一高压N阱(A)的阱连接孔

(E)：第二高压N阱(B)的阱连接孔

(F)：第三高压N阱(C)的阱连接孔

M1：外部功率开关管

M51：高压管

TR：变压器

Lp：TR的原边线圈

Ls：TR的次边线圈

La：TR的辅助线圈，负责给VDD端口的电容C_VDD供电

VDD：电源端口

FB：反馈端口

CS：电流监测端口

DRV：驱动输出端口

GND：地端口

VAC：交流输入电压

Vo：开关电源10的直流输出电压

Ip：变压器TR的原边线圈Lp中电流

D1：交流输入的全波整流二极管

D2、D3：二极管

Rst：开关电源系统10、10A的启动电阻

R1、Rx、Rcs：电阻器

R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58：分别为第一至第八电阻器

C1、Cx、C_VDD、C2：电容器

Z1、Z2、Z3、Z4：钳位电压为VZ的零温漂钳位管

51：分压器，对超高电压VDD进行精确分压后输入到其他模块进行VDD电压的监测

52：钳位器，对超高电压VDD进行钳位降压处理，以至于更适合于IC器件使用

Vsw：开关信号，即驱动功率管M1栅极的脉宽电压信号

V_FB：反馈电压

V_CS：CS端口的限流电压，M1源极电压，等于Lp中电流Ip与Rcs的乘积，与Vsw同频

V_DD：电源VDD端口电压

V_DD2：电阻器R54与R55公共端的电压

V_PWM：PWM输出逻辑信号，用于调制Vsw的脉冲宽度

EN：欠压过压保护电路50的上下电使能逻辑信号

OVP：欠压过压保护电路50输出的过压保护逻辑控制信号

V_DD1：VDD的正比例分压，11A中UVLOVP用此信号监测VDD电压

VDD_OFF：VDD电压下电阈值

VDD_ON：VDD电压上电阈值

V_{FB_OPEN}：FB端口开路电压

VB1：高压管M51栅极电压，也连接电阻器R57的另一端以及钳位管Z4的阴极

V_LVDD：高压管M51源极电压，也连接钳位管Z4的阳极

V_THN：M51的栅极开启阈值电压

V_GS51：正常工作时，M51的栅极和源极之间的电压差

V_{POLY56_58}：电阻器R56/R57/R58中每个电阻器两端之间的电压差

V_{POLY51_53}：电阻器R51/R52/R53中每个电阻器两端之间的电压差

“1”：逻辑高

“0”：逻辑低。

具体实施方式

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。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图2所示，本实用新型提供的基于超高压多晶硅电阻的保护电路60具有四个端口，分别为VDD端、V_LVDD端、V_DD1端以及GND端；基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的VDD端在其V_LVDD端产生较低压的供电电压源V_LVDD，供开关电源控制器集成电路11A内其他线路器件使用以便于降低面积和成本；基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的VDD端在V_DD1端产生分压信号供开关电源控制器集成电路11A内其他功能块使用以便于监测VDD端电压；基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的VDD端耐压可达100V，工作电压范围的上限可达80～100V之间。

基于超高压多晶硅电阻的保护电路60包括：分压器51和钳位器52。

分压器51的第一端分别与VDD端以及钳位器52的第一端连接，分压器51的第二端与V_DD1端连接，分压器51的第三端接地；钳位器52的第二端与V_LVDD端连接，钳位器52的第三端接地。

如图3所示，分压器51包括：第一电阻器R51、第二电阻器R52、第三电阻器R53、第四电阻器R54以及第五电阻器R55；第一电阻器R51的一端为分压器51的第一端，第五电阻器R55的一端为分压器51的第二端，第五电阻器R55的另一端为分压器51的第三端。

第一电阻器R51的一端分别与VDD端以及钳位器52的第一端连接，第一电阻器R51的另一端与第二电阻器R52的一端连接，第二电阻器R52的另一端与第三电阻器R53的一端连接，第三电阻器R53的另一端分别与第四电阻器R54的一端，第四电阻器R54的另一端与第五电阻器R55的一端连接，第五电阻器R55的一端还与V_DD1端连接，第五电阻器R55的另一端接地。

分压器51的第一端VDD在第二端V_DD1产生正比例的分压电压V_DD1，开关电源控制器集成电路11A中欠压过压保护电路50通过电压V_DD1监测VDD端电压用以11A的动作。

如图3所示，钳位器52包括：第六电阻器R56、第七电阻器R57、第八电阻器R58、第一钳位管Z1、第二钳位管Z2、第三钳位管Z3、第四钳位管Z4以及高压管M51；第六电阻器R56的一端为钳位器52的第一端，高压管M51的源极为钳位器52的第二端，第一钳位管Z1的阳极为钳位器52的第三端。

第六电阻器R56的一端分别与第一电阻器R51的一端以及高压管M51的漏极连接，第六电阻器R56的另一端与第七电阻器R57的一端连接，第七电阻器R57的另一端与第八电阻器R58的一端连接，第八电阻器R58的另一端分别与高压管M51的栅极、第三钳位管Z3的阴极以及第四钳位管Z4的阴极连接；第三钳位管Z3的阳极与第二钳位管Z2的阴极连接，第二钳位管Z2的阳极与第一钳位管Z1的阴极连接，第一钳位管Z1的阳极接地；第四钳位管Z4的阳极与高压管M51的源极连接，高压管M51的源极还分别与V_LVDD端连接。

钳位器52的第一端VDD在其第二端V_LVDD输出较低的供电电压源V_LVDD供其他线路器件使用以便于降低面积和成本；第四钳位管Z4可避免高压管M51栅源击穿。

具体的，第一钳位管Z1、第二钳位管Z2、第三钳位管Z3、第四钳位管Z4的击穿电压均为5.9～6.67V；高压管M1的漏极对源极、栅极、衬底的耐压均为100V；金属层与相邻物质层之间的耐压大于100V。

电阻器R51～R58均为多晶硅电阻，并且每个多晶硅电阻的两端头之间耐压为30V，每个多晶硅电阻体与相邻非金属物质层之间的耐压为30V，用于电性连接的金属层对相邻其他物质层耐压远超100V，R51、R52、R53电阻值相等，R56、R57、R58电阻值相等，R54电阻值是R55电阻值的2.333倍。

电阻器R51～R53以及R56～R58版图结构设计如图4所示，第一电阻器R51和第六电阻器R56位于第一高压N阱(A)中，第二电阻器R52和第七电阻器R57位于第二高压N阱(B)中，第三电阻器R53和第八电阻器R58位于第三高压N阱(C)中；高压N阱通过连接孔和铝线与外界进行电性连接；多晶硅电阻通过连接孔和铝线与外界进行电性连接。第一高压N阱(A)、第二高压N阱(B)、第三高压N阱(C)对地及衬底层的耐压均为100V。

第一高压N阱(A)通过其内的连接孔(D)以及铝线连接VDD端及第一电阻R51的一端；第二高压N阱(B)通过其内的连接孔(E)连接第七电阻器R57的一端以及第六电阻器R56的另一端，第三高压N阱(C)通过其内的连接孔(F)连接第八电阻器R58的一端以及第七电阻器R57的另一端。

电阻器R51～R53、R56～R58的物理结构中在其下面垫一层高压N阱以便于让高于30V工作的多晶硅电阻与接地的衬底层相互隔离，这样可避免高压工作的多晶硅电阻对衬底层漏电而导致多晶硅电阻器工作失效。

本实用新型实施例OptionA提供的一种开关电源，包括：变压器TR、开关电源控制器集成电路11A、功率开关管M1和反馈器12，开关电源控制器集成电路11A包括：上述的基于超高压多晶硅电阻的保护电路60、欠压过压保护电路50、脉宽调制器30以及驱动电路40。基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的VDD端与开关电源控制器集成电路11A的电源端口连接，基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的V_LVDD端分别与欠压过压保护电路50的第一端、驱动电路40的第四端以及脉宽调制器30的第三端连接，基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的V_DD1端与欠压过压保护电路50的第二端连接；脉宽调制器30的第一端与开关电源控制器集成电路11A的CS端连接，脉宽调制器30的第二端与开关电源控制器集成电路11A的FB端连接，脉宽调制器30的第四端与欠压过压保护电路50的第四端以及驱动电路40的第二端；脉宽调制器30的第五端与驱动电路40的第一端连接；欠压过压保护电路50的第三端与驱动电路40的第三端连接；驱动电路40的第五端接开关电源控制器集成电路11A的DRV端。

如图2所示，本实用新型实施例OptionB提供的一种开关电源，包括：变压器TR、开关电源控制器集成电路11A、功率开关管M1和反馈器12，开关电源控制器集成电路11A包括：上述的基于超高压多晶硅电阻的保护电路60、欠压过压保护电路50、脉宽调制器30、驱动电路40以及高压启动电路；基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的VDD端分别与开关电源控制器集成电路11A的电源端口连接以及高压启动电路20第二端，基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的V_LVDD端分别与欠压过压保护电路50的第一端、驱动电路40的第四端以及脉宽调制器30的第三端连接，基于超高压多晶硅电阻的保护电路60的V_DD1端与欠压过压保护电路50的第二端连接；脉宽调制器30的第一端与开关电源控制器集成电路11A的CS端连接，脉宽调制器30的第二端与开关电源控制器集成电路11A的FB端连接，脉宽调制器30的第四端与欠压过压保护电路50的第四端、高压启动电路20的第三端以及驱动电路40的第二端；脉宽调制器30的第五端与驱动电路40的第一端连接；欠压过压保护电路50的第三端与驱动电路40的第三端连接；驱动电路40的第五端与开关电源控制器集成电路11A的DRV端连接；高压启动电路20的第一端与开关电源控制器集成电路11A的HV端连接。

开关电源控制器集成电路11A的CS端接采样电阻Rcs的第一端及功率管M1的源极，其FB端接反馈器12的输出端，其DRV端外接功率管M1的栅极，其VDD端接Rst(实例OptionA)、R1及C_VDD公共端，其实例OptionB中HV端接C1、D1、TR公共端，其GND端接地；采样电阻Rcs的第二端接地；功率管M1的漏极接变压器原边线圈Lp。

本实用新型的开关电源控制器集成电路11A，VDD端有两种可选启动方式，实施例OptionA为VDD外接启动电阻Rst到高压输入端，实施例OptionB如图2中虚线所示，为端口HV外接到D1、C1、TR公共端，HV内接HVStartup模块对VDD充电，当VDD超过VDD_ON后关闭HVStartup。

基于超高压多晶硅电阻的保护电路60中分压器51的分压功能原理如下：

电阻器R51、R52、R53电阻值相等，电阻器R56、R57、R58电阻值相等，R54电阻值是R55的2.33倍，R51/(R51+R52+R53+R54+R55)＝α，0<<<1，R53与R54公共端电压为V_DD2，VDD端电压为V_DD，VDD_ON为上电阈值，VDD_OFF为下电阈值，则有：

V_DD1＝αV_DD<6V，0≤V_DD≤100V (1)

VDD从0上电的正常工作过程以及在正常工作中发生过压异常情况时，VDD的分压输出V_DD1正比例于VDD，并且V_DD1足够低压适合提供给开关电源控制器11A里的低压电路功能块：欠压过压保护电路50使用，欠压过压保护电路50通过检测V_DD1就能判断VDD的电压值，用于完成欠压锁定和过压保护控制。

此外，R51～R58均为多晶硅材质的电阻器，简称多晶硅电阻，多晶硅电阻的两端头之间的耐压一般都是30V，多晶硅电阻体与相邻非金属物质层之间的耐压一般也是30V，因此如果不做特殊技术处理，多晶硅电阻是无法工作于30-100V电压范围内的。

本实用新型运用的新技术手段是在多晶硅电阻下方垫上一层对衬底材料可以耐压100V的高压N阱材料，用于隔离多晶硅电阻与衬底材料层(衬底层一般接地)，并且同时把高压N阱与电阻体的高压端头连接，这样，多晶硅电阻即使接触到相对于地的30～100V电位，电阻两端之间以及电阻与其相邻的高压N阱层之间电压差也能被控制在低于30V的安全区内。

如图4所示，R51和R56下方为第一高压N阱(A)，R52和R57下方为第二高压N阱(B)，R53和R58下方为第三高压N阱(C)，R54直接放在衬底上，衬底接地。图中(D)、(E)、(F)分别为高压N阱(A)、(B)、(C)的连接孔，采用金属铝线层进行电性连接。第一高压N阱(A)通过(D)和铝线层连接在VDD端以及R51与R56的公共端，高压N阱(B)通过(E)和铝线层连接在R56与R57公共端，高压N阱(C)通过(F)和铝线层连接在R57与R58公共端，R58另一端通过连接孔和铝线层连接到VB1即高压管M51的栅极以及钳位管Z4的阴极。R51的另一端接R52的一端，R52的另一端接R53的一端，R53的另一端接电压V_DD2。用于电性连接的金属铝线层与其相邻的物质层的耐压超过100V。

V_DD2＝V_DD1(R54/R55+1)＝3.33V_DD1<20V，0≤V_DD≤100V (2)

其中，V_DD2为R53、R54公共端电压。R58的另一端对地的电压VB1的最大值VB1_MAX为：

VB1_MAX＝3V_Z≤20V，100V≥V_DD≥3V_Z (3)

所以对于等阻值的电阻器R56、R57、R58来说，每个电阻器两端之间的电压差均为V_{POLY56_58}，则有：

V_{POLY56_58}≤(100-3V_Z)/3≤26.67V<30V，100V≥V_DD≥3V_Z (4)

对于等阻值的电阻器R51、R52、R53来说，每个电阻器两端之间的电压差均为V_{POLY51_53}，则有：

V_{POLY51_53}≤(100-V_DD2)/3≤26.67V<30V，100V≥V_DD≥3V_Z (5)

通过线路图可知，R51与R56的电位接近，所以安排在第一高压N阱(A)上；R52与R57的电位接近，所以安排在第二高压N阱(B)上，R53与R58的电位接近，所以安排在第三高压N阱(C)上。

从式(4)、(5)可以看出R51～R53、R56～R58中每个电阻器两端压差均远小于30V，而这些电阻的相邻物质层是高压N阱，高压N阱的电位又接在其内电阻的高电位端头，所以每个电阻器与其相邻物质层高压N阱的压差也远小于30V。这样，每个电阻器无论是两端之间还是电阻器与相邻物质层之间均工作在小于30V压差的工作安全区内。

基于超高压多晶硅电阻的保护电路60中钳位器52的原理如下：

高压管M51漏极接VDD，栅漏之间接电压钳位电阻即第六电阻器R56、第七电阻器R57和第八电阻器R58，用于降低VDD电压，源极对内部线路输出较低的供电电压V_LVDD，以便于降低内部线路器件的接触电压，降低器件的版图面积从而极大地降低芯片成本。低压供电电压V_LVDD为开关电源控制器11A里其他模块电路进行供电。钳位管Z1～Z3串联接在地和高压管M51栅极之间，把高压管M51栅极电压钳位在较低电压上。第四钳位管Z4作用是钳位高压管M51的栅源电压，防止高压管M51栅氧化层击穿。齐纳管反向击穿电压阈值V_齐纳击穿为5.3V～5.97V，正向导通电压V_be＝0.6～0.7V，每个钳位管是一对正反串联连接的齐纳管，因此钳位管的钳位电压阈值V_Z＝V_齐纳击穿+V_be＝5.9～6.67V接近零温漂。

VB1＝V_DD，V_DD<3V_Z (6)

VB1＝3V_Z＝20V，100V≥V_DD≥3V_Z (7)

V_LVDD＝VB1-V_GS51<19.3V (8)

这里，0.7V<V_GS51<2V是高压管M51的栅源电压差。虽然图3中采用三个钳位管，但实现本实用新型的VDD电压钳位功能不限于用三个钳位管，也可以用两个或者一个钳位管实现。由式(8)可以看出述开关电源控制器集成电路11A内其他线路的供电电源V_LVDD是一个低压电源，远远低于VDD脚最高电压100V，因此最大限度地降低了述开关电源控制器集成电路11A内部其他线路器件面积，进一步降低芯片总面积和成本。

本实用新型提供的基于超高压多晶硅电阻的保护电路60能够实现对VDD端口进行0～100V超宽电压范围的操作，让其既能完成对VDD端口电压的监测并在电压异常时保护开关电源系统，也能对开关电源控制器集成电路11A内部其他线路提供低压电源V_LVDD便于电路使用低压器件构成，从而节省芯片面积和成本，此外还能去除图1中传统开关电源10中40V钳位器13，因此，本实用新型的开关电源系统10A最大限度地节省了客户成本和降低了开关电源控制器集成电路11A的芯片面积和成本。

图5和图6分别为传统开关电源10和本实用新型的开关电源10A的VDD脚正常上电工作波形和过压保护波形比对。含有本实用新型的开关电源10A无需借助外部40V钳位器13就能实现传统开关电源10的VDD脚欠压锁定、过压保护和对芯片11A内其他模块电路的供电功能，极大地降低了客户成本和芯片11A的成本。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路具有四个端口，分别为VDD端、V_LVDD端、V_DD1端以及GND端；所述保护电路包括：分压器和钳位器；所述分压器的第一端分别与所述VDD端以及所述钳位器的第一端连接，所述分压器的第二端与所述V_DD1端连接，所述分压器的第三端接地；所述钳位器的第二端与所述V_LVDD端连接，所述钳位器的第三端接地。

2.根据权利要求1所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述分压器包括：第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器以及第五电阻器；所述第一电阻器的一端为所述分压器的第一端，所述第五电阻器的一端为所述分压器的第二端，所述第五电阻器的另一端为所述分压器的第三端；

所述第一电阻器的一端分别与所述VDD端以及所述钳位器的第一端连接，所述第一电阻器的另一端与所述第二电阻器的一端连接，所述第二电阻器的另一端与所述第三电阻器的一端连接，所述第三电阻器的另一端与所述第四电阻器的一端连接，所述第四电阻器的另一端与所述第五电阻器的一端连接，所述第五电阻器的一端还与所述V_DD1端连接；所述第五电阻器另一端接地。

3.根据权利要求2所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述钳位器包括：第六电阻器、第七电阻器、第八电阻器、第一钳位管、第二钳位管、第三钳位管、第四钳位管以及高压管；所述第六电阻器的一端为所述钳位器的第一端，所述高压管的源极为所述钳位器的第二端，所述第一钳位管的阳极为所述钳位器的第三端；

所述第六电阻器的一端分别与所述第一电阻器的一端以及所述高压管的漏极连接，所述第六电阻器的另一端与所述第七电阻器的一端连接，所述第七电阻器的另一端与所述第八电阻器的一端连接，所述第八电阻器的另一端分别与所述高压管的栅极、所述第三钳位管的阴极以及所述第四钳位管的阴极连接；所述第三钳位管的阳极与所述第二钳位管的阴极连接，所述第二钳位管的阳极与所述第一钳位管的阴极连接，所述第一钳位管的阳极接地；所述第四钳位管的阳极与所述高压管的源极连接，所述高压管的源极还与所述V_LVDD连接。

4.根据权利要求3所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述第一钳位管、所述第二钳位管、所述第三钳位管以及所述第四钳位管的击穿电压均为5.9～6.67V；所述高压管的漏极对源极、栅极以及衬底的耐压均为100V。

5.根据权利要求3所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器、所述第四电阻器、所述第五电阻器、所述第六电阻器、所述第七电阻器以及所述第八电阻器均为多晶硅电阻。

6.根据权利要求3所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路，其特征在于，所述第一电阻器和所述第六电阻器位于第一高压N阱中，所述第二电阻器和所述第七电阻器位于第二高压N阱中，所述第三电阻器和所述第八电阻器位于第三高压N阱中；所述第一高压N阱、所述第二高压N阱以及所述第三高压N阱通过连接孔和铝线与外界进行电性连接；

所述第一高压N阱通过连接孔及铝线连接所述VDD端及所述第一电阻的一端，所述第二高压N阱通过连接孔及铝线连接所述第七电阻器的一端以及所述第六电阻器的另一端，所述第三高压N阱通过连接孔及铝线连接所述第八电阻器的一端以及所述第七电阻器的另一端。

7.一种开关电源，其特征在于，包括：变压器、开关电源控制器集成电路、功率开关管和反馈器，所述开关电源控制器集成电路包括：如权利要求1-6任一项所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路、欠压过压保护电路、脉宽调制器以及驱动电路；所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD端与所述开关电源控制器集成电路的电源端口连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的V_LVDD端分别与所述欠压过压保护电路的第一端、所述驱动电路的第四端以及所述脉宽调制器的第三端连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的V_DD1端与所述欠压过压保护电路的第二端连接；所述脉宽调制器的第一端与所述开关电源控制器集成电路的CS端连接，所述脉宽调制器的第二端与所述开关电源控制器集成电路的FB端连接，所述脉宽调制器的第四端与所述欠压过压保护电路的第四端以及所述驱动电路的第二端；所述脉宽调制器的第五端与所述驱动电路的第一端连接；所述欠压过压保护电路的第三端与所述驱动电路的第三端连接；所述驱动电路的第五端与所述开关电源控制器集成电路的DRV端连接。

8.一种开关电源，其特征在于，包括：变压器、开关电源控制器集成电路、功率开关管和反馈器，所述开关电源控制器集成电路包括：如权利要求1-6任一项所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路、欠压过压保护电路、脉宽调制器、驱动电路以及高压启动电路；所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的VDD端分别与所述开关电源控制器集成电路的电源端口连接以及所述高压启动电路第二端，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的V_LVDD端分别与所述欠压过压保护电路的第一端、所述驱动电路的第四端以及所述脉宽调制器的第三端连接，所述基于超高压多晶硅电阻的保护电路的V_DD1端与所述欠压过压保护电路的第二端连接；所述脉宽调制器的第一端与所述开关电源控制器集成电路的CS端连接，所述脉宽调制器的第二端与所述开关电源控制器集成电路的FB端连接，所述脉宽调制器的第四端与所述欠压过压保护电路的第四端、所述高压启动电路的第三端以及所述驱动电路的第二端；所述脉宽调制器的第五端与所述驱动电路的第一端连接；所述欠压过压保护电路的第三端与所述驱动电路的第三端连接；所述驱动电路的第五端与所述开关电源控制器集成电路的DRV端连接；所述高压启动电路的第一端与所述开关电源控制器集成电路的HV端连接。

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