CN113885644B - 用于ldo防倒灌的衬底切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于LDO防倒灌的衬底切换电路，包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管、第一二极管、第二二极管、限流电阻以及双极结型晶体管；还包括比较器。本电路结构在主通路上不会产生额外的压降，不需要加入电荷泵带来的额外电容，可以将衬底切换的效果最大化，让功率管能够完全关断，同时仅采用两个高压管即可实现耐高压的性能。

Description

用于LDO防倒灌的衬底切换电路

技术领域

本发明涉及电源管理芯片领域，具体地，涉及用于LDO防倒灌的衬底切换电路，尤其是涉及一种用于LDO防倒灌的高压衬底切换电路。

背景技术

在电源管理芯片的工作中，在充电器欠压或者不接入时，芯片的放电模块仍需要正常工作，但可能存在电池电流倒灌的现象。所以需要在必要的时候进行衬底切换以及关断线性充电模块。并且由于高压的影响，即使采用高压MOS管，其Vgs仍有一定限制，典型工艺为5V，所以如何在高压下达到理想的衬底切换效果是一个技术难点。

如图1，VIN与电池通过一个功率PMOSFET连接，栅极由线性充电模块进行控制。当VIN未接入时，一般会被拉到地电位，或者VIN电压较低时，电池可能通过功率管的体二极管向VIN或地漏电，从而出现较大的功耗，以及损坏电池。

现对该问题的处理办法主要有三种，第一种是在充电路径上加入二极管或背对背的功率管，防止电池电流倒流。但该方法会产生较大的压降，从而对功率管的开启电阻有更高的要求。第二种方法是采用NMOS功率管，但同样会引入新的问题，即线性充电控制模块需要更高的VDD来驱动功率管的栅极，即需要电荷泵，引入大电容或者外接元器件。第三种方案是采用普通的衬底切换，如图2，用两个相对的二极管或者MOSFET体二极管得到一个较高的中间电位给到功率管的衬底，当VIN不接入或者较低时，衬底电位由VBAT提供从而防止电流倒灌。但仍有一个问题，即衬底电位始终与VBAT或VIN有一个二极管压降的差距，若功率管的尺寸非常大，开启电压非常小，仍会产生较大的漏电，没有从本质上解决这个问题。

南京微盟电子有限公司提出一种LDO线性稳压器的防倒灌保护电路，如图3所示，但该结构不具有高压(5v以上，如车载28v)保护的功能。因为Bo约等于max{VIN,VOUT},当VIN输入高压时，Bo也为高压，而Bo同时作为P3，P4的高电平，在P3栅极信号为低时，Bo的高电平会传到N6的栅极，从而让N6的Vgs过大。

上海艾为电子技术股份有限公司也提出过一种晶体管衬底切换电路如图4所示，虽然该结构简便清晰，所用管子数也较少，但该衬底切换电路同样不具有抗高压的功能，如晶体管M3，在IN1接入高压时，Vgb也为高电压，可能会击穿栅极，同时还对IN1与IN2之差有一定限制，因为当IN1>IN2时，IN1-IN2＝Vgs3。在通常的工艺下，Vgs不具有抗高压的能力。

珠海格力电器股份有限公司也提出了一种带电压隔离的低功耗PMOS管衬底切换电路，如图5所示。该结构同时具有低压差，并且依赖于电阻的比例实现了一定程度的耐压，如PM2：Vsg＝Vspad-(Vspad-Vcc-Vth(PM1))*R2/R1。但对于高压情况，仍不能满足，如Vcc为高压时，PM1的Vsg＝Vspad-Vcc，当Vcc过大时，PM1的Vgs将会击穿。

灿芯半导体提出的一种新型LDO防倒灌电流电路，如图6所示，也存在不能耐高压的问题(原理同南京微盟提出的结构)，以及加入了R4，R5两个电阻，会产生一个较小的压降，从而增大Vbulk与Vin之间的差值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于LDO防倒灌的衬底切换电路。

根据本发明提供的一种用于LDO防倒灌的衬底切换电路，包括：第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管、第八场效应管、第一二极管、第二二极管、限流电阻以及双极结型晶体管；

所述第一场效应管的漏极构成VIN端，所述第一场效应管的源极分别连接第二场效应管的源极、第一二极管的正极、第二二极管的正极、第三场效应管的源极、第四场效应管的源极以及限流电阻的一端，所述第一场效应管的栅极分别连接第一二极管的负极、第三场效应管的漏极、第四场效应管的栅极以及第五场效应管的漏极，所述第二场效应管的漏极构成VBAT端，所述第二场效应管的栅极分别连接第二二极管的负极、第四场效应管的漏极、第三场效应管的栅极以及第六场效应管的漏极，所述限流电阻的一端构成VCC端；所述第五场效应管的栅极分别与限流电阻的另一端、第六场效应管的栅极以及双极结型晶体管的发射极相连，所述第五场效应管的源极与第七场效应管的漏极相连，所述第六场效应管的源极与第八场效应管的漏极相连，所述第七场效应管的栅极构成S1端，所述第七场效应管的源极分别连接双极结型晶体管的集电极和第八场效应管的源极，且第七场效应管的源极接地，所述双极结型晶体管的基极与集电极连接，所述第八场效应管的栅极构成S2端；

还包括迟滞比较器，所述迟滞比较器输出VIN端和VBAT端大小关系信号到S1端和S2端，所述迟滞比较器的正极与VIN端连接，所述迟滞比较器的负极与VBAT端连接。

优选的，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管均为PMOS管，所述第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管以及第八场效应管均为NMOS管。

优选的，所述第一场效应管和第二场效应管均为高压MOS管。

优选的，所述VIN＞VBAT时，S1得到高电平，S2得到低电平；所述VIN小于VBAT时，S1得到低电平，S2得到高电平。

优选的，当VIN端和VBAT端电压超过迟滞比较器的最大承受电压时，将VIN端和VBAT端各自分压后输入到迟滞比较器中，或采用源输入比较器替代迟滞比较器，将VIN端和VBAT端直接输入到源输入比较器中。

根据本发明提供的一种用于LDO防倒灌的高压衬底切换芯片，包括上述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本电路结构在主通路上不会产生额外的压降。

2、本电路结构不需要加入电荷泵带来的额外电容。

3、本电路结构可以将衬底切换的效果最大化，让功率管能够完整关断，同时具有耐高压的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术方案的电路图；

图2为采用衬底切换方案的电路图；

图3为现有技术中一种LDO线性稳压器的防倒灌保护电路图；

图4为现有技术中一种晶体管衬底切换电路图；

图5为现有技术中一种带电压隔离的低功耗PMOS管衬底切换电路图；

图6为现有技术中一种新型LDO防倒灌电流电路图；

图7为本申请实施例中用于LDO防倒灌的衬底切换电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种用于LDO防倒灌的衬底切换电路，参照图7，包括：第一场效应管P1、第二场效应管P2、第三场效应管P3、第四场效应管P4、第五场效应管N1、第六场效应管N2、第七场效应管N3、第八场效应管N4、第一二极管D1、第二二极管D2、限流电阻R0以及双极结型晶体管B1。

第一场效应管P1的漏极构成VIN端，第一场效应管P1的源极分别连接第二场效应管P2的源极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的正极、第三场效应管P3的源极、第四场效应管P4的源极以及限流电阻R0的一端，第一场效应管P1的栅极分别连接第一二极管D1的负极、第三场效应管P3的漏极、第四场效应管P4的栅极以及第五场效应管N1的漏极，第二场效应管P2的漏极构成VBAT端，第二场效应管P2的栅极分别连接第二二极管D2的负极、第四场效应管P4的漏极、第三场效应管P3的栅极以及第六场效应管N2的漏极，限流电阻R0的一端构成VCC端，VCC为衬底切换电路的输出，提供给主通路上功率管的衬底电位。第五场效应管N1的栅极分别与限流电阻R0的另一端、第六场效应管N2的栅极以及双极结型晶体管B1的发射极相连，第五场效应管N1的源极与第七场效应管N3的漏极相连，第六场效应管N2的源极与第八场效应管N4的漏极相连，第七场效应管N3的栅极构成S1端，第七场效应管N3的源极分别连接双极结型晶体管B1的集电极和第八场效应管N4的源极，且第七场效应管N3的源极接地，双极结型晶体管B1的基极与集电极连接，第八场效应管N4的栅极构成S2端。

还包括迟滞比较器，为实现耐压功能，可采用源输入比较器，或者将VIN，VBAT按比例分压后再进行差分比较，在比较器输出VIN端和VBAT端大小关系信号到S1端和S2端，比较器的正极与VIN端连接，比较器的负极与VBAT端连接。VCC为衬底切换电路的输出，提供给主通路上功率管的衬底电位。

VCC经过一个限流电阻R0与第五场效应管N1，第六场效应管N2的栅极连接。由双极结型晶体管B1对第五场效应管N1与第六场效应管N2的栅极电位进行钳位，稳定在一个较低的电平，当第五场效应管N1与第六场效应管N2的源极被拉到地时亚阈值导通。

首先通过一个迟滞比较器，可将VIN和VBAT各自分压后输入，也可采用源输入的普通比较器，输出一个指示VIN，VBAT大小关系的信号。

当VIN正常接入时，VIN>VBAT，S1得到高电平，第七场效应管N3导通，第五场效应管N1的源极被拉到一个较低电位，第五场效应管N1亚阈值导通从而拉低了第四场效应管P4的栅极电位，即Vgs增加，第四场效应管P4线性导通，使第二场效应管P2的栅极电位等于VCC。此时第二场效应管P2的Vgs基本为0，第二场效应管P2关断。并且第二场效应管P2的体二极管方向是从VBAT到VCC，而VCC≥VBAT，不会导通。同时第四场效应管P4的栅极也是第一场效应管P1的栅极，该点电位被拉低时，第一场效应管P1的|Vgs1|＝VCC-Vg1变大，使第一场效应管P1进入线性区，VCC升高，导致Vgs更大，形成正反馈，|Vgs1|进一步提高，得到最大的VCC。即消除了体二极管的压降。

另一方面，当VIN不接入，被下拉到地或者VIN<VBAT情况下，S1为低，S2为高。第八场效应管N4导通，第六场效应管N2的源极被拉到低电位，第六场效应管N2亚阈值导通从而拉低了第三场效应管P3的栅极电位，使第三场效应管P3线性导通，使第一场效应管P1的栅极电位等于VCC。此时第一场效应管P1的Vgs基本为0，第一场效应管P1关断。并且第一场效应管P1的二极管方向是从VIN到VCC,而VCC≥VIN，不会导通。同时第三场效应管P3的栅极也是第二场效应管P2的栅极，当该点电位被拉低时，第二场效应管P2的|Vgs2|＝VCC-Vg2变大，使第二场效应管P2进入线性区，VCC增大，形成正反馈，|Vgs2|进一步提高，得到最大的VCC。同样也消除了另一边体二极管的压降。

特别的，第三场效应管P3和第四场效应管P4的栅极电位并不会被第七场效应管N3和第八场效应管N4下拉到地，而仅比第七场效应管N3和第八场效应管N4关断时的电位低1v左右，原因是第五场效应管N1和第六场效应管N2的栅极电压被限流电阻Ro限定在非常低的电位，即电流被限制，仅在十几纳安级别所以不会被拉到0。同时由于第一二极管D1与第二二极管D2的存在，进一步限制了第一场效应管P1与第二场效应管P2的Vgs，D1与D2可以为二极管串，以适配不同工艺下PMOS器件Vgs的限制，从而达到耐高压的功能。同时限流电阻R0作为限流电阻，阻值较大，需要采用耐高压的电阻，承担大部分压降，同时限制电流，使得到达第五场效应管N1，第六场效应管N2栅极的电位略低于其阈值电压。

所以除第一场效应管P1和第二场效应管P2需要采用高压管之外，其余的均可以采用深n阱的低压MOS管，但需要保证DNWELL与PSUB之间的击穿电压足够高，即可使该电路可以安全的工作在高压下。

本发明通过一个特殊的衬底切换模块，使VIN端电压低于VBAT时，将功率管的衬底端切到最高电位，与max{VIN,VBAT}仅有毫伏级别的差距，从而防止电流倒灌，减小电池功耗。衬底切换的核心设计原理时使得到的高电位VCC与max{VIN,VBAT}差距尽量小。同时需要满足各管子的Vgs，Vds在合理范围内。VIN与BAT通过两个背对背的PMOS连接，中间电位即是VCC，但与max{VIN,VBAT}之间仍有一个二极管的压降，于是加入了第三场效应管P3和第四场效应管P4。通过第三场效应管P3或第四场效应管P4的导通，可以使得他们各自的栅极电压跟随VCC变化，若VCC较低，则第三场效应管P3或第四场效应管P4的栅极在各自的判定条件下分别降低，从而提高Vgs,形成正反馈，得到最高的VCC的效果。同时由于第一二极管D1,第二二极管D2的存在，两个管子的Vgs被限制，能在高压下保持同样的功能。

本切换电路适用的电压环境取决于两个因素，第一：第一场效应管P1和第二场效应管P2所能承受的Vds的最大值，即Vdsmax；第二：第三场效应管P3和第四场效应管P4两个深n阱管子的dnwell和psub之间的击穿电压，即BVdnwellpsub，本切换电路所能承受的最大电压即为min{Vdsmax，BVdnwellpsub}。

BVdnwellpsub典型工艺下通常为40-50V，一般比Vdsmax高。而常见的高压场景是车载充电的情况，此时Vds可能会达到28v-30v，因此这种情况一般只需要选取vds最大值超过30v的第一场效应管P1和第二场效应管P2。

本实施例还提供了一种用于LDO防倒灌的高压衬底切换芯片，包括了上述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路，因此不再赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种用于LDO防倒灌的衬底切换电路，其特征在于，包括：第一场效应管(P1)、第二场效应管(P2)、第三场效应管(P3)、第四场效应管(P4)、第五场效应管(N1)、第六场效应管(N2)、第七场效应管(N3)、第八场效应管(N4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、限流电阻(R0)以及双极结型晶体管(B1)；

所述第一场效应管(P1)的漏极构成VIN端，所述第一场效应管(P1)的源极分别连接第二场效应管(P2)的源极、第一二极管(D1)的正极、第二二极管(D2)的正极、第三场效应管(P3)的源极、第四场效应管(P4)的源极以及限流电阻(R0)的一端，所述第一场效应管(P1)的栅极分别连接第一二极管(D1)的负极、第三场效应管(P3)的漏极、第四场效应管(P4)的栅极以及第五场效应管(N1)的漏极，所述第二场效应管(P2)的漏极构成VBAT端，所述第二场效应管(P2)的栅极分别连接第二二极管(D2)的负极、第四场效应管(P4)的漏极、第三场效应管(P3)的栅极以及第六场效应管(N2)的漏极，所述限流电阻(R0)的一端构成VCC端；所述第五场效应管(N1)的栅极分别与限流电阻(R0)的另一端、第六场效应管(N2)的栅极以及双极结型晶体管(B1)的发射极相连，所述第五场效应管(N1)的源极与第七场效应管(N3)的漏极相连，所述第六场效应管(N2)的源极与第八场效应管(N4)的漏极相连，所述第七场效应管(N3)的栅极构成S1端，所述第七场效应管(N3)的源极分别连接双极结型晶体管(B1)的集电极和第八场效应管(N4)的源极，且第七场效应管(N3)的源极接地，所述双极结型晶体管(B1)的基极与集电极连接，所述第八场效应管(N4)的栅极构成S2端；

还包括迟滞比较器，所述迟滞比较器输出VIN端和VBAT端大小关系信号到S1端和S2端，所述迟滞比较器的正极与VIN端连接，所述迟滞比较器的负极与VBAT端连接。

2.根据权利要求1所述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路，其特征在于：所述第一场效应管(P1)、第二场效应管(P2)、第三场效应管(P3)以及第四场效应管(P4)均为PMOS管，所述第五场效应管(N1)、第六场效应管(N2)、第七场效应管(N3)以及第八场效应管(N4)均为NMOS管。

3.根据权利要求1所述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路，其特征在于：所述第一场效应管(P1)和第二场效应管(P2)均为高压MOS管。

4.根据权利要求1所述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路，其特征在于：所述VIN＞VBAT时，S1得到高电平，S2得到低电平；所述VIN小于VBAT时，S1得到低电平，S2得到高电平。

5.根据权利要求1所述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路，其特征在于：当VIN端和VBAT端电压超过迟滞比较器的最大承受电压时，将VIN端和VBAT端各自分压后输入到迟滞比较器中，或采用源输入比较器替代迟滞比较器，将VIN端和VBAT端直接输入到源输入比较器中。

6.一种用于LDO防倒灌的高压衬底切换芯片，其特征在于：包括权利要求1至5中任意一项所述的用于LDO防倒灌的衬底切换电路。

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