雙保險電壓差可控開關的製作方法
2023-12-01 23:27:06 1
專利名稱：雙保險電壓差可控開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於MOS集成電路開關。特別地，它涉及一種能夠根據設定條件，利用開關兩 邊外界電路電壓差進行閉合與斷開控制，並能夠對開關進行雙層保護的MOS集成電路開關。
背景技術：
眾所周知M0SFET開關管廣泛地應用在各種各樣的集成電路之中，開關管的導通或斷開 是由開關管柵極連接的集成電路的正電源和負電源來控制的。對於P型MOSFET開關管，它有 源極、漏極、柵極和襯底四個埠，通常集成電路是在P型矽片上製作的，它的襯底是P型 矽片，P型MOSFET開關管的管襯底是由N阱區形成，接在這四個埠的最高電位上或者正電 源電壓上。當柵極連到負電源或地上時，柵極下面的N型矽反型成P型矽，開關管導通，電 流或電壓可以在源極和漏極之間流動，反之，當柵極連到正電源上時，開關管柵極下面的N 型矽N型加強，源極和漏極被兩個反相二級管隔斷，在源極和漏極之間無電流或電壓流動， 開關管斷開。對於N型MOSFET開關管，它有源極、漏極、柵極和管襯底四個埠，通常它的 管襯底與集成電路晶片的襯底是同一個襯底，在P型矽片上製作的，它的襯底是與接在這四 個埠的最低電位上或者負電源上，當柵極連到正電源上時，開關管導通，電流或電壓可以 在源極和漏極之間流動，反之，當柵極連到負電源上時，開關管斷開，源極和漏極被隔斷， 在源極和漏極之間無電流或電壓流動。存在這樣的應用，在某些時候，集成電路晶片上的供電正電源(或負電源)低於(或高 於)外接輸入或輸出接口的電壓，這樣MOSFET開關管兩端電壓中的其中一端高於正電源或低 於負電源，P型M0SFET開關管的管襯底不是接在開關管的四個埠的最高電位上，N型M0SFET 開關管的管襯底不是接在開關管的四個埠的最低電位上，按以上所述方法連接的M0SFET開 關管由於不能關斷而將不能正常工作。同時，當外接輸入和輸出接口的電壓差值過大，特別是瞬時的過量電荷衝擊超過了 MOSFET開關管的承受能力，造成MOSFET開關管被擊穿，則直接導致集成電路無法回復到符合設計要求的正常工作狀態。即使外接輸入和輸出埠的電壓差值並沒有達到造成MOSFET開關管被擊穿的電壓值， 但長期工作在電壓差值較大的情況下，對於開關器件的使用壽命和參數都有很大的影響，這 是在集成電路中必須考慮和迫切需要解決的問題。發明內容本發明即為解決上述問題提出的。本發明提出了一種雙保險電壓差可控開關，使開關能 夠根據外接電路的電壓差值以及輸入控制信號，自動的根據設置條件閉合與斷開，同時對 MOSFET功率開關管進行保護，防止瞬時的過量電荷衝擊造成MOSFET開關管被擊穿。由於在 工作原理上形成了對開關所處的集成電路元件的雙重保護並提高了開關適應的電壓差值範 圍，使得開關的應用前景得到進一步的拓寬。 本發明是通過如下的技術方案予以實現的一種雙保險電壓差可控開關，基本結構包括第一單MOS功率開關管M;第二 MOSFET開關 管模塊；第三開關管控制模塊；第四MOS功率開關管控制模塊。所述第一單M0S功率開關管M，源極和漏極分別連接外電路的兩端，柵極連接第二 MOSFET開 關管模塊和第四MOS功率開關管控制模塊，襯底連接另外的第二 MOSFET開關管模塊。第一單 MOS功率開關管M,可以採用PMOS開關管，也可以採用NMOS開關管，MOS管的具體類型和型 號不受限制。第一單MOS功率開關管M,,襯底不直接連接在正電源或地上，也不和單功率MOS 開關管的源極或漏極直接連接在一起，而是直接連接第二 MOSFET開關管模塊。 所述第二 MOSFET開關管模塊，對第一單MOS功率開關管M進行分流和限壓，保護第一單MOS 功率開關管M,第一端連接外加電路的一端，亦即第一單MOS功率開關管M的源極或漏極， 第二端連接第一單MOS功率開關管M的柵極或襯底；串聯的各MOS管的柵極連接第三開關管 控制模塊，受第三開關管控制模塊的控制。其具體構成既可以是兩個MOSFET串聯構成，也可 以是多個MOSFET管的串聯構成，還可以是兩組或兩組以上的MOSFET管串聯以後再並聯的混 合結構。各組成MOS管既可以是P型MOSFET管，也可以是N型MOSFET管，或者是P型MOSFET 管和N型MOSFET管的任意組合而成的混合體。各串聯的MOS管的柵極分別與不同的第三開關 管控制模塊相連接，並且每一個MOS管柵極所連接的第三開關管控制模塊連接的外界電路與 該MOS管的襯底偏向保持一致。所述的第三開關管控制模塊，包括但不限於以下部分組成控制與限幅部分，對第二MOFFET開關管模塊兩端外加電壓是否過高進行判斷，並通過偏置電路限制開關兩端的電壓差；輸入 電平位移部分，將輸入控制信號轉為比較恆定的高電平或低電平傳送至邏輯控制部分，完成電平位移功能；邏輯控制部分，由NMOS差分對管構成，根據輸入電平位移信號傳遞的信息， 對第二MOSFET開關管模塊進行控制；恆流源部分，向NMOS差分對管提供穩定的直流電流， 並提升NMOS差分對管的電壓值。所述的第二 MOSFET開關管模塊和第三開關管控制模塊，可以採用壓差可控開關予以實現。 所述的第四M0S功率開關管控制模塊，採用M0S管構成，包括但不限於如下電路組成控制 電路輸入控制信號連接在M0S管M41和M0S管M42的柵極上，M0S管M41的源極連接M0S管 M43的柵極，M0S管M42的漏極和M0S管M42的源極連接M0S管M43的源極，並由M0S管M43 的漏極作為輸出控制單M0S功率開關管M柵極或襯底。
圖1是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關的簡略結構圖。圖2是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關中第二 M0SFET開關管模塊的電路圖。圖3是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關中第三開關管控制模塊的簡略結構圖。圖4是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關中第三開關管控制模塊的一實施例電路圖。圖5是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關中第四單M0S功率開關管控制模塊的一實施例電路圖。
具體實施方式
參照
本發明的實施方式。圖1是本發明一種雙保險電壓差可控開關的簡略結構圖。圖1 (a)表示本發明一種雙保險電壓差可控開關的結構第一實施例，具有的結構具有-第一單MOS功率開關管M，採用PMOS管構成，源極和漏極分別連接外電路的兩端，柵極連接 第二 M0SFET開關管模塊2和第四M0S功率開關管控制模塊4，襯底連接另外的第二 M0SFET 開關管模塊2;第二M0SFET開關管模塊2，對第一單MOS功率開關管M進行分流和限壓，保護第一單M0S功 率開關管M，由串聯的多個MOS管組合構成，第一端在外加電路的A端或B端，亦即第一單 MOS功率開關管M的源極或漏極，第二端連接第一單MOS功率開關管M的柵極或襯底；串聯 的各MOS管的柵極連接第三開關管控制模塊3，受第三開關管控制模塊3的控制； 第三開關管控制模塊3,通過對外界電路兩端電壓差的判斷並進行幅度限制,控制第二 M0SFET開關管模塊2，形成對開關的第二層保護。模塊第一端和第二端分別連接第二 MOSFET開關管 模塊2的第一端和第二端，第三端連接模塊控制信號，其餘埠作為輸出，可根據集成電路 具體實現功能連接第二 M0SFET開關管模塊2各MOS管的柵極；第四M0S功率開關管控制模塊4，對第一單MOS功率開關管M進行控制，輸入端連接外加控 制信號F,輸出端連接第一單MOS功率開關管M的柵極。圖1 (b)表示本發明一種雙保險電壓差可控開關的結構第二實施例，基本結構和工作原理 與圖l (a)相同，圖中第一單MOS功率開關管M採用NMOS管構成。圖2是表示本發明的雙保險電壓差可控開關的第二 M0SFET開關管模塊的電路圖。圖2 (a)是表示本發明的雙保險電壓差可控開關的第二 M0SFET開關管模塊的第一實施例，圖中的M0S管為PM0S管，可以視電路需要改為採用NMOS管。MOS管M21的襯底連接A端，MOS管M21的柵極連接在與A端相連接的第三M0S開關管控制部 分；MOS管M22的襯底連接B端，MOS管M22的柵極連接在與B端相連接的第三MOS開關管控 制部分。當外電路A端過高可能對第一單MOS功率開關管M造成損害甚至擊穿時，通過控制與A端相連的第三開關管控制模塊的輸入信號，能夠使第二 MOSFET開關管部分形成通路，從而對第一單MOS功率開關管M的柵極(或襯底)與A端的電壓差進行限制，並減少了第一單MOS功率開關管M源漏極之間的電流從而對第一單MOS功率開關管M進行保護。基於同樣的原理，當B]端電壓過高，第二 MOSFET開關管部分也可以通過限壓和分流，保護第一單MOS功率開關管M。這一電路實施例主要用於連接第一單MOS功率開關管M柵極的第二 MOSFET開關管部分。 圖2 (b)是表示本發明雙保險電壓差可控開關的第二 MOSFET開關管模塊的第二實施例，由4 個串聯的PMOS管組成，也可以根據電路需要採用NMOS管。PM0S管M21、 M23的襯底向A端 偏置，柵極受到連接A端的第二控制與限幅輸出部分的控制；M22、 M24的襯底向B端偏置， 柵極受到連接B端的第二控制與限幅輸出部分的控制。這一改進增加了第二 MOSFET開關管部 分導通時的電阻，擴大了對電壓差的限制，其原理與圖2 (a) —致。 這一電路實施例主要用於連接第一單MOS功率開關管M襯底的第二 MOSFET開關管部分。圖3是表示本發明雙保險電壓差可控幵關的第三開關管控制模塊的結構圖。圖3 (a)是表示本發明雙保險電壓差可控開關的第三開關管控制模塊的第一實施例，圖中第三開關管控制模塊包括控制與限幅部分，對第二MOFFET開關管模塊兩端外加電壓是否過高進行判斷，並通過偏置電 路限制開關兩端的電壓差；輸入電平位移部分，將輸入控制信號轉為比較恆定的高電平或低電平傳送至邏輯控制部分， 完成電平位移功能；邏輯控制部分，由NM0S差分對管構成，根據輸入電平位移信號傳遞的信息，對第二 M0SFET 開關管模塊進行控制；恆流源部分，向NMOS差分對管提供穩定的直流電流，並提升NMOS差分對管的電壓值。 這一構建方式通過外加控制信號d和C2，使得邏輯控制部分向第二 M0SFET開關管模塊各M0S 管柵極輸出的控制信號能夠保持一定的電平浮動範圍，從而在合理根據外界電路進行限壓和 分流的同時，能夠對第二 M0SFET各M0S管起到保護作用。圖3 (b)是在圖3 (a)的基礎上迸行的一種改進方式，將控制信號d、 C2合併，並增加一反 向器使C,、 C2保持反向。圖中的反向器加在原圖3 (a)控制信號C2的通路上，這一反向器也 可以加在原圖3 (b)控制信號C,的通路上。這一控制信號還可以增設為多路控制信號控制。圖4是表示本發明的一種雙保險電壓差可控開關中第三開關管控制模塊的一實施例電路圖， 圖中411、 412為輸入電平位移部分，421、 422為邏輯控制部分，431、 432為恆流源部分， 44為控制與限幅部分。該實施例的輸入電平位移部分411和412均由兩個串聯個傳輸門組成，且兩傳輸門倒向連接， 亦即第一傳輸門的NM0S管連接第二傳輸門的PM0S管，第一傳輸門的PM0S管連接第二傳輸門 的NM0S管。兩傳輸門的銜接處作為輸入信號處理單元的輸出端，向NMOS差分對管的柵極傳 送外加的控制信號。圖中輸入信號處理單元的柵極所連接的外加控制信號已經合併為控制信 號C,使輸入信號處理單元的輸入信號為反向信號，在實際應用中可以將其擴展為兩個或多 個控制埠，輸入信號處理單元411中傳輸門的輸入端分別連接K和V2，輸入信號處理單元 412中傳輸門的輸入端分別連接V3和V4，根據控制信號C，分別將不同的電壓值加到NMOS差 分對管421MOS管的柵極。傳輸門的個數也可以進行精簡，即411和412分別由一個傳輸門構 成，411受控制信號傳輸一固定電平，412受控制信號傳輸另一固定電平。 NM0S差分對管421和422，由同一結構的NM0S差分對管構成，兩柵極分別連接輸入信號單元 411和412， 421的源極連接恆流源431, 422的源極連接恆流源432，漏極作為電平位移單元 的第三端和第四端連接控制和限幅輸出部分；恆流源431和432，由通常的模擬電路實現方法實現，分別向NM0S差分對管421和422提供 穩定的電流，並提高NM0S差分對管421和422的源極電壓。控制與限幅輸出部分44由交叉連接的MOS管對和限幅器電路組成，限幅器並聯在交叉連接的MOS開關管對的源極和漏極之間，作為交叉連接的MOS開關管對的偏置電路。由於PMOS管的柵極交叉連接，從而保證了MOS管的兩輸出端中僅有一個為高電平，另一個為低電平，M31和M32漏極端輸出具體是高電平還是低電平則直接取決於電平位移部分接收到的外加輸入信號。基於這樣的運用，交叉連接的MOS管與MOSFET開關管部分的連接，將根據開關實現的功能和 MOSFET開關管部分的MOS管類型來決定。從而在外加電路電壓過高的情況下，使MOSFET開 關管兩端的外界電路斷開。同時，並聯在交叉連接的MOS開關管對的源極和漏極之間的限幅器，使得MOS開關管對源漏極之間的電壓差比較穩定，控制與限幅輸出部分輸出端的電壓幅度受到限制，從而防止過高 的電壓對MOSFET開關管的擊穿，保護了開關管的正常工作。圖5是表示本發明的雙保險電壓差可控開關中第四MOS功率開關管控制模塊一實施例，由圖 可知，第四MOS功率開關管控制模塊由如下電路但不限於如下電路組成控制電路輸入控制 信號連接在MOS管M41和MOS管M42的柵極上，MOS管M41的源極連接MOS管M43的柵極， MOS管M42的漏極和MOS管M42的源極連接MOS管M43的源極，並由MOS管M43的漏極作為 輸出控制單MOS功率開關管M柵極或襯底。當外加輸入控制信號為高電平時，M41截止而M42和M43導通，模塊輸出點G為低電平；當 外加輸入控制信號為低電平時，M41、 M43導通而M3截止，模塊輸出點G為高電平。由於MOS 管可工作在多種狀態下，合理的確定外加輸入控制信號，能夠使模塊輸出點G的電壓及電流 滿足開關的閉合和斷開條件，達到靈活控制的目的。上述實施實例只是應用中的有限的一部分，其他實施實例還包括但不限於所述壓差可控 開關由以上所述功能塊中的某一個部分、某幾個部分或者所有部分的組合構成，並且本發明 不局限於這些實施形態，而由權利要求的範圍示出，與權利要求的範圍均等的內容和權利要 求的範圍之內的所有變更或變化都包含在本發明要求的權利範圍之內。工業上利用和應用的可能性本發明的壓差可控開關可以應用於但不限於電池保護晶片、電源管理晶片、集成電路和 集成晶片的保護電路或裝置等等與本發明相關的所有應用範圍和場合中。
權利要求
1. 一種雙保險電壓差可控開關，其特徵在於，包括第一單MOS功率開關管M，源極和漏極分別連接外電路的兩端，MOS管的柵極連接第二MOSFET開關管模塊和第四MOS功率開關管控制模塊，MOS管的襯底連接另外的第二MOSFET開關管模塊；第二MOSFET開關管模塊，對第一單MOS功率開關管進行分流和限壓，保護第一單MOS功率開關管M，由串聯的多個MOS管組合構成，第一端在外加電路的一端，亦即第一單MOS功率開關管的源極或漏極，第二端連接第一單MOS功率開關管的柵極或襯底；串聯的各MOS管的柵極連接第三開關管控制模塊，受第三開關管控制模塊的控制；第三開關管控制模塊，通過對外界電路兩端電壓差的判斷並進行幅度限制，控制第二MOSFET開關管模塊，形成對開關的第二層保護。模塊第一端和第二端分別連接第二MOSFET開關管模塊的第一端和第二端，第三端連接模塊控制信號，其餘埠作為輸出，根據集成電路具體實現功能連接第二MOSFET開關管模塊各MOS管的柵極；第四MOS功率開關管控制模塊，對單MOS功率開關管M進行控制，輸入端連接外加控制信號F，輸出端連接第一單MOS功率開關管M的柵極。
全文摘要
本發明提供一種雙保險電壓差可控開關，既能夠根據開關兩端電路的電壓差控制電路的導通與斷開，又能夠通過雙層保險電路防止過大的瞬時電壓對開關管造成擊穿。該壓差可控開關具有第一單MOS功率開關管，連接在外電路的兩端，起到控制電路導通與斷開電路的作用；第二MOSFET開關管模塊，對第一單MOS功率開關管起分流和限壓，保證第一單MOS功率開關管正常工作，防止第一單MOS功率開關管被擊穿；第三開關管控制模塊，通過對外界電路兩端電壓差的判斷並進行幅度限制，控制第二MOSFET開關管模塊操作，形成對開關的第二層保護；第四MOS功率開關管控制模塊，對單MOS功率開關管M進行控制。
文檔編號H03K17/08GK101222219SQ20071003650
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月12日 優先權日2007年1月12日
發明者曹先國 申請人:曹先國