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CMOS功率開關(guān)反向電壓保護(hù)電路介紹
  • 發(fā)布時(shí)間:2022-05-06 15:25:34
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CMOS功率開關(guān)反向電壓保護(hù)電路介紹
CMOS 電路具有成本低、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。各種接口電路,如 USB , IEEE 1394 , RS422/485等,均可采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn) 。接口電路通常采用 CMOS功率開關(guān)作輸出緩沖電路。
在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,接口電路經(jīng)常受到反向電壓的沖擊,因此,必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的反向電壓保護(hù)電路。
當(dāng)接口電路遭受反向電壓沖擊時(shí),接口電路端口電壓高于電源電壓,此時(shí),保護(hù)電路將 CMOS功率開關(guān)與端口沖擊電壓隔離,從而保證接口電路的安全。
該電路可自動(dòng)選擇 CMOS 功率開關(guān)的襯底和柵極偏置電壓,從而抑制反向電流,保障器件安全。這種保護(hù)電路沒(méi)有與CMOS功率開關(guān)串聯(lián),因此電路的輸出驅(qū)動(dòng)能力和功耗效率不受影響。
該電路應(yīng)用于一款接口電路芯片,采用0.6 μ m 標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)字工藝設(shè)計(jì),制作的電路實(shí)現(xiàn)了+12V 反向電壓保護(hù),獲得了良好的效果。
典型過(guò)壓保護(hù)電路
普通CMOS接口電路輸出級(jí)如圖1所示。圖1中,D1和D2為 CMOS開關(guān)管漏極 - 襯底之間的寄生二極管。
正常工作時(shí), D1和 D2均處于反向截止?fàn)顟B(tài)。但在實(shí)際電子系統(tǒng)中,經(jīng)常存在部分元器件掉電、其他元器件正常供電的情況。此時(shí),Vdd為 0,而Vout通過(guò)電子系統(tǒng)其他器件可以獲得一個(gè)正電壓。
在此情況下,器件輸出端遭受反向電壓,即輸出端電壓高于電源端電壓, 將正向?qū)ǎ?huì)流過(guò)較大電流,影響器件安全。
CMOS 反向電壓保護(hù)電路
為了解決反向電壓?jiǎn)栴},通常采用二極管進(jìn)行保護(hù) ,如圖2所示。
但是,二極管的存在導(dǎo)致器件輸出擺幅下降,影響了器件輸出驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí),二極管的引入也增大了輸出導(dǎo)通電阻,影響輸出級(jí)的瞬態(tài)特性。
采用 MOS管替代二極管,但為了降低 MOS管導(dǎo)通電阻,采用較大寬長(zhǎng)比的MOS管,因此占用了較大的版圖面積,影響了芯片的性價(jià)比。
CMOS 反向電壓保護(hù)電路
為了解決輸出擺幅問(wèn)題,提出一種 N阱浮置結(jié)構(gòu),其原理如圖3所示。該結(jié)構(gòu)采用 N 阱浮置電路為輸出級(jí)PMOS管的襯底提供合理偏置,抑制寄生二極管的導(dǎo)通。
當(dāng)Vdd為0,輸出端Vout通過(guò)外界獲得某正電壓偏置時(shí), M3導(dǎo)通,外界電壓通過(guò) M3到達(dá) M2的柵極。由于柵極、漏極電位相等,M2關(guān)斷。
此時(shí), M1的柵極為0 ,所以 M1關(guān)斷,隔離了外界電壓對(duì)器件內(nèi)部的影響。但是,當(dāng)電路正常工作、V in 輸入高電平時(shí), M1 的柵極、源極電位均為電源電壓, M1處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí) M1導(dǎo)通電阻極大,嚴(yán)重影響電路的時(shí)間特性。
CMOS 反向電壓保護(hù)電路
反向電壓保護(hù)電路工作原理
反向電壓保護(hù)電路由襯底電壓保護(hù)電路和柵極電壓保護(hù)電路組成,其基本原理如圖4所示。
CMOS 反向電壓保護(hù)電路
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