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  • CMOS功率開關反向電壓保護電路介紹
    • 發布時間:2022-05-06 15:25:34
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    CMOS功率開關反向電壓保護電路介紹
    CMOS 電路具有成本低、功耗低、速度快等優點。各種接口電路,如 USB , IEEE 1394 , RS422/485等,均可采用CMOS工藝實現 。接口電路通常采用 CMOS功率開關作輸出緩沖電路。
    在實際應用環境中,接口電路經常受到反向電壓的沖擊,因此,必須設計相應的反向電壓保護電路。
    當接口電路遭受反向電壓沖擊時,接口電路端口電壓高于電源電壓,此時,保護電路將 CMOS功率開關與端口沖擊電壓隔離,從而保證接口電路的安全。
    該電路可自動選擇 CMOS 功率開關的襯底和柵極偏置電壓,從而抑制反向電流,保障器件安全。這種保護電路沒有與CMOS功率開關串聯,因此電路的輸出驅動能力和功耗效率不受影響。
    該電路應用于一款接口電路芯片,采用0.6 μ m 標準CMOS數字工藝設計,制作的電路實現了+12V 反向電壓保護,獲得了良好的效果。
    典型過壓保護電路
    普通CMOS接口電路輸出級如圖1所示。圖1中,D1和D2為 CMOS開關管漏極 - 襯底之間的寄生二極管。
    正常工作時, D1和 D2均處于反向截止狀態。但在實際電子系統中,經常存在部分元器件掉電、其他元器件正常供電的情況。此時,Vdd為 0,而Vout通過電子系統其他器件可以獲得一個正電壓。
    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, 將正向導通,并會流過較大電流,影響器件安全。
    CMOS 反向電壓保護電路
    為了解決反向電壓問題,通常采用二極管進行保護 ,如圖2所示。
    但是,二極管的存在導致器件輸出擺幅下降,影響了器件輸出驅動能力。同時,二極管的引入也增大了輸出導通電阻,影響輸出級的瞬態特性。
    采用 MOS管替代二極管,但為了降低 MOS管導通電阻,采用較大寬長比的MOS管,因此占用了較大的版圖面積,影響了芯片的性價比。
    CMOS 反向電壓保護電路
    為了解決輸出擺幅問題,提出一種 N阱浮置結構,其原理如圖3所示。該結構采用 N 阱浮置電路為輸出級PMOS管的襯底提供合理偏置,抑制寄生二極管的導通。
    當Vdd為0,輸出端Vout通過外界獲得某正電壓偏置時, M3導通,外界電壓通過 M3到達 M2的柵極。由于柵極、漏極電位相等,M2關斷。
    此時, M1的柵極為0 ,所以 M1關斷,隔離了外界電壓對器件內部的影響。但是,當電路正常工作、V in 輸入高電平時, M1 的柵極、源極電位均為電源電壓, M1處于關斷狀態,此時 M1導通電阻極大,嚴重影響電路的時間特性。
    CMOS 反向電壓保護電路
    反向電壓保護電路工作原理
    反向電壓保護電路由襯底電壓保護電路和柵極電壓保護電路組成,其基本原理如圖4所示。
    CMOS 反向電壓保護電路
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