本發(fā)明涉及芯片電路設計領域，尤其涉及一種適于高壓輸入的帶隙基準電路結構。

背景技術：

電壓基準是芯片設計中一個至關重要的組成單元，它直接影響著整個電子產品的性能。穩(wěn)定的電源模塊為這些電子產品提供穩(wěn)定工作的電源。在開關電源系統(tǒng)中，電源管理芯片具有重要作用，而目前的開關電源系統(tǒng)大多由反激轉換器構成。反激轉換器具有結構簡單，成本低的特點，廣泛應用于50w以下的開關電源中。隨著半導體工藝和技術的進步，cmos的特征尺寸逐步減小，因此要求電源管理芯片的供電電源不斷下降。考慮到功耗和成本，目前在芯片內部往往采樣較低的電壓作為芯片內部的電源，從而基準源也采用典型的低壓帶隙基準源。然而，在反激轉換器的同步整流方案中，輸出電壓為5v～24v，在大部分輸出大于10v的高電壓電路中，電源管理芯片無法直接使用高壓供電，因此將電源從高壓轉換低壓是必不可少的步驟。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題，在于提供一種新型的帶隙基準電路結構，解決現(xiàn)有基準電路結構能耗過大，高壓mos偏置電流鏡的匹配性差，而低壓mos管容易損壞的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種高壓帶隙基準電路結構，包括控制模塊、穩(wěn)壓模塊、高低壓轉換模塊、反饋模塊和帶隙基準源模塊；

所述控制模塊用于將外界電源轉化為穩(wěn)定電壓輸出，所述高低壓轉換模塊用于將高壓輸入轉化為低壓場效應管適用的電壓輸出，所述穩(wěn)壓模塊用于對高低壓轉換模塊的輸出電壓進行鉗位；

所述控制模塊的輸出端與高低壓轉換模塊輸入端連接，控制模塊的輸出端還與穩(wěn)壓模塊輸入端連接，控制模塊輸入端與反饋模塊輸出端連接；

所述高低壓轉換模塊的輸出端與帶隙基準源模塊輸入端連接，所述穩(wěn)壓模塊的輸出端與帶隙基準源模塊輸入端連接；

所述反饋模塊用于根據(jù)高低壓轉換模塊的輸出電壓生成反饋信號，并輸出反饋信號；所述控制模塊還用于根據(jù)輸入的反饋信號調整輸出電壓；

所述帶隙基準源模塊還與啟動電路vst連接。

具體地，所述反饋模塊包括場效應管mp6、mn9，所述mp6的源極與反饋模塊第一輸入端連接，柵極與反饋模塊第二輸入端連接；柵極和漏極與mn9的漏極連接，所述mn9的柵極和源極與反饋模塊的輸出端連接。

優(yōu)選地，所述控制模塊包括mp1、mp2、mn10、mn11和mn12、mp13、mp14和mn15；

所述mp1、mp2的源極與外部電源連接，mp1的柵極和漏極相連接，mp1的柵極還與mp2的柵極連接，所述mp2的漏極與mn12的漏極連接，所述mp2的漏極還與mn11和mn12的柵極連接，mp2的漏極與控制模塊輸出端連接；所述mn11的漏極與mp1的漏極連接，mn11的源極與mn10的漏極連接，mn10的源極接地，柵極與控制模塊輸入端連接；

所述mn12的源極與mp13的源極連接，mp13的柵極和漏極與mp14的源極連接，mp14的柵極和漏極連接，并與mn15的漏極和柵極連接，mn15的源極接地。

進一步地，所述高低壓轉換模塊包括場效應管mn5，所述mn5的漏極接外界電源，源極與高低壓轉換模塊輸出端連接，柵極與高低壓轉換模塊輸入端連接。

優(yōu)選地，所述高低壓轉換模塊還包括壓降單元，所述壓降單元的一端接外界電源，另一端與高低壓轉換模塊輸入端連接。

具體地，所述穩(wěn)壓模塊包括場效應管mp3、mp4，所述mp3的源極與穩(wěn)壓模塊輸入端連接，mp3的柵極和漏極與mp4的源極連接，mp4的柵極和漏極與穩(wěn)壓模塊輸出端連接。

具體地，所述帶隙基準源模塊包括場效應管mp7、mp8，三極管q1、q2、q3，電阻r2、r3，

所述mp7、mp8的源極與標準電壓輸出端相連，mp7、mp8的柵極相連，并接啟動電路vst，mp7的柵極還與mp7的漏極連接，所述mp8的漏極與帶隙參考電壓輸出端連接，還與q1、q2的基極連接；所述q1的集電極與mp7的漏極連接，發(fā)射極與r2的一端連接，所述r2的另一端與q2的發(fā)射極連接，所述q2的集電極與mp8的漏極連接，q2的發(fā)射極還與r3的一端連接，r3的另一端接地。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：能夠直接在高壓下工作，不需要復雜的穩(wěn)壓模塊和高壓啟動電路，采用的高壓mos管數(shù)量較少，并具有低電壓輸出作用。該電路產生的低電壓可作為其他模塊的電源使用，具有低電壓和基準電壓同時輸出的特點。該電路繼承了低壓帶隙基準的優(yōu)點，電路結構簡單，性能穩(wěn)定可靠，尤其適用于先用的高壓開關整流器中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式所述的模塊連接圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式所述的帶隙基準電路圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式所述的模塊連接圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式所述的帶隙基準電路圖。

具體實施方式

為詳細說明本發(fā)明的技術內容、構造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖詳予說明。

請參閱圖1以及圖2，典型的解決方案中，帶隙基準電路都必須包含高壓啟動電路和降壓作用的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓源提供較低的穩(wěn)定電壓給帶隙基準電路供電。典型的方案如圖1所示。

在典型的低壓帶隙基準源方案中，穩(wěn)壓模塊廣泛采用工作于反向工作狀態(tài)下的齊納二極管來實現(xiàn)電壓基準。齊納二極管電壓基準通過將齊納二極管工作于反向擊穿狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，齊納二極管通過很大的反向擊穿電流，產生一個穩(wěn)定的電壓基準源。該方案在半導體工藝上制備難度大，成本高，且齊納二極管消耗的功率高，已經(jīng)不適合目前低功耗的要求。

而目前的高壓帶隙基準電路方案中，其包含了高壓啟動電路和高壓帶隙基準電路構成。具體方案的高壓帶隙基準及其啟動電路的電路結構如圖2所示。

本方案具有結構簡單的特點，該結構能夠實現(xiàn)較寬范圍的電壓輸入范圍，并且整體結構采用了共源共柵結構，但其基準電壓在較大的輸入電源電壓范圍內的線性調整率不高。該方案中的第一、第二和第五mos管采用的低壓mos管，分別對應圖中m1、m2和m5，以上低壓mos管直接與高壓電源相連接，在瞬間的高壓沖擊下，具有被擊穿失效的風險，因此降低了高壓下工作的可靠性。其次，啟動電路和帶隙基準電路采用的高壓mos管數(shù)量較多，高壓mos管的面積較低壓mos管面積較大，因此過多的采用高壓mos管，使得電路占用芯片面積較大。采用共源共柵結構，高壓mos管在制備時不容易匹配，會使該結構支路電流不相等，不匹配造成的誤差會影響帶隙基準電壓的量產一致性精度，所以該結構對mos管的匹配要求較高。

在另一些方案中實現(xiàn)一種應用于開關電源同步整流器內部的高壓帶隙基準電壓，帶隙基準電路全部由低壓器件組成，其供電直接由外部高壓電經(jīng)過一個高壓nmos的源極輸出產生，不再需要復雜的高壓啟動電路和穩(wěn)壓電路。該電路直接簡單地實現(xiàn)了由高壓電源產生高性能的帶隙基準電壓的功能，繼承了低壓帶隙基準電壓的優(yōu)勢，并且?guī)兜墓╇娨部勺鳛槠渌K的電源使用。相對于參考專利中的高壓帶隙基準及其啟動電路，本發(fā)明由于不需要使用高壓啟動電路，因此采用的高壓mos管數(shù)量少，且?guī)痘鶞孰娐肪傻蛪浩骷M成，性能更優(yōu)。本發(fā)明電路結構簡單實用，穩(wěn)定性和精度高，并有效地節(jié)省了芯片的面積，降低了芯片的成本。

在本發(fā)明的一些實施例中，如圖3所示，介紹了一種高壓帶隙基準電路結構，包括控制模塊、穩(wěn)壓模塊、高低壓轉換模塊、反饋模塊和帶隙基準源模塊；

所述控制模塊用于將外界電源轉化為穩(wěn)定電壓輸出，所述高低壓轉換模塊用于將高壓輸入轉化為低壓場效應管適用的電壓輸出，所述穩(wěn)壓模塊用于對高低壓轉換模塊的輸出電壓進行鉗位；

所述控制模塊的輸出端與高低壓轉換模塊輸入端連接，控制模塊的輸出端還與穩(wěn)壓模塊輸入端連接，控制模塊輸入端與反饋模塊輸出端連接；

所述高低壓轉換模塊的輸出端與帶隙基準源模塊輸入端連接，所述穩(wěn)壓模塊的輸出端與帶隙基準源模塊輸入端連接；

所述反饋模塊用于根據(jù)高低壓轉換模塊的輸出電壓生成反饋信號，并輸出反饋信號；所述控制模塊還用于根據(jù)輸入的反饋信號調整輸出電壓；在下述的一些實施例中，可以通過反饋模塊的第一輸入端與高低壓轉換模塊輸出端連接，反饋模塊的輸出端與控制模塊的輸入端連接即可。部分情況下，反饋模塊還需要第二輸入端與驅動電壓連接，保證整個模塊的正常開啟即可。

所述帶隙基準源模塊還與啟動電路vst連接。

在這樣的實施方式下，所述的帶隙基準電路可以全部由低壓器件構成，包括兩個pmos、兩個npn三極管和兩個電阻構成。

本發(fā)明通過控制模塊和穩(wěn)壓模塊控制高壓管，為帶隙基準電路提供穩(wěn)定的低電壓電源，帶隙基準電路可直接工作在高壓條件下。因此本發(fā)明可以不需要傳統(tǒng)解決方案中的高壓轉換低壓的穩(wěn)壓電路和高壓啟動部分，本發(fā)明應用于開關電源同步整流器內部的高壓帶隙基準電路，該電路結構簡單，占用芯片面積少，具有穩(wěn)定性好成本低的特點。

最后連接并控制高壓管的輸出。所述的高壓管能夠承受較高的電壓，通過控制該高壓管，可使得其輸出為低電壓。因此，所述的高壓管能夠為帶隙基準電路提供低電壓的電源供電。所述的帶隙基準電路能夠提供一個零溫度系數(shù)穩(wěn)定的輸出電壓。帶隙基準電路的包含兩個npn三極管，其中兩個三極管的基極相互連接，該結構能夠保證基極電壓相等，并作為零溫度系數(shù)的基準電壓。

具體電路圖參照圖4，在圖4所示的實施例中，所述控制模塊包括mp1、mp2、mn10、mn11和mn12、mp13、mp14和mn15；

所述mp1、mp2的源極與外部電源連接，mp1的柵極和漏極相連接，mp1的柵極還與mp2的柵極連接，所述mp2的漏極與mn12的漏極連接，所述mp2的漏極還與mn11和mn12的柵極連接，mp2的漏極與控制模塊輸出端連接；所述mn11的漏極與mp1的漏極連接，mn11的源極與mn10的漏極連接，mn10的源極接地，柵極與控制模塊輸入端連接；

所述mn12的源極與mp13的源極連接，mp13的柵極和漏極與mp14的源極連接，mp14的柵極和漏極連接，并與mn15的漏極和柵極連接，mn15的源極接地。

mp1和mp2構成電流鏡結構，mp1的柵極和漏極相連接，使得mp1工作在飽和區(qū)。mn11和mn12也采用電流鏡結構連接，mn12的柵極和它的漏極相連接，m12工作在飽和區(qū)。mn12所在支路中包含第十三、第十四和第十五mos管，分別對應mp13、mp14和mn15。這三個mos管分別采用二極管的連接方式連接，當然直接用二極管代替也是可以實現(xiàn)，如mp13的柵極和漏極相連接，mp14的柵極和漏極相連接，mn15的柵極和漏極相連接，最終這三個mos管串聯(lián)在mn12所在的支路中，這三個串聯(lián)的mos管均工作在飽和區(qū)，具有調節(jié)該支路電流的作用。mn11所在的支路中包含第十mos管，對應mn10。第九mos管對應mn9，與mn10構成基本電流鏡。用于接收反饋模塊的信號對整個控制電路的輸出進行調整。所述反饋模塊包括場效應管mp6、mn9，所述mp6的源極與反饋模塊第一輸入端連接，柵極與反饋模塊第二輸入端連接；漏極與mn9的漏極連接，所述mn9的柵極和源極與反饋模塊的輸出端連接。這樣通過接受反饋模塊的反饋信號，能夠更好地對控制模塊的輸出進行調整。

在進一步的實施例中，所述高低壓轉換模塊包括場效應管mn5，所述mn5的漏極接外界電源，源極與高低壓轉換模塊輸出端連接，柵極與高低壓轉換模塊輸入端連接。該輸出低電壓直接為帶隙基準電路提供輸入電源。mn5的耐壓與工藝相關，mn5能夠直接在高壓電源下工作，mn5的柵極由偏置電路提供的穩(wěn)定的輸出電壓控制，從而保證了帶隙基準電路能夠穩(wěn)定工作。通過設計高低壓轉換模塊，能夠將帶隙基準電路模塊與外界電源隔開，使得帶隙基準電路模塊并不需要使用高壓mos管，節(jié)省了大部分能耗并隔絕了mos管被擊穿的風險。

在另一些優(yōu)選的實施例中，所述高低壓轉換模塊還包括壓降單元，所述壓降單元的一端接外界電源，另一端與高低壓轉換模塊輸入端連接。壓降單元只需能夠起到消耗電能，使得兩端產生一定的電壓差即可，可以使用若干電阻、二極管、三極管進行串并聯(lián)組合，平衡兩端電壓即可。在我們圖4所示的實施例中，使用單個電阻r1，r1的一端接外界電源，另一端與高低壓轉換模塊輸入端連接，同時也與mn5的柵極連接，達到了保護mn5的柵極不被擊穿的效果。

為了更好地穩(wěn)定高低壓轉換模塊的輸出，在圖4所示的具體的實施例中，所述穩(wěn)壓模塊包括場效應管mp3、mp4，所述mp3的源極與穩(wěn)壓模塊輸入端連接，mp3的柵極和漏極與mp4的源極連接，mp4的柵極和漏極與穩(wěn)壓模塊輸出端連接。其作用在于，把漏極、柵極連起來就相當于二極管，在某些簡化的實施例中，用兩個二極管代替也可以實現(xiàn)。“導通電壓”為vt+vsat，而且能為二極管提供穩(wěn)定的偏壓。

此時流過該mos管的電流有如下關系：

二極管連接方式，使得mos管一直工作在飽和區(qū)。此時電流變化范圍小，不考慮溝道調制效應情況下，i可保持穩(wěn)定，即電流保持穩(wěn)定，因此可使得柵極電壓保持穩(wěn)定。該連接方式除了具有穩(wěn)壓作用，當串聯(lián)在電路的支路中時也具有調節(jié)電流作用。普通二極管的功耗和壓降已經(jīng)不滿足低功耗電路的要求，因此采用mos管的二極管連接技術科改善這一缺點。。

再請看圖4右側，所述帶隙基準源模塊包括場效應管mp7、mp8，三極管q1、q2、q3，電阻r2、r3，

所述mp7、mp8的源極與標準電壓輸出端相連，mp7、mp8的柵極相連，并接啟動電路vst，mp7的柵極還與mp7的漏極連接，所述mp8的漏極與帶隙參考電壓輸出端連接，還與q1、q2的基極連接；所述q1的集電極與mp7的漏極連接，發(fā)射極與r2的一端連接，所述r2的另一端與q2的發(fā)射極連接，所述q2的集電極與mp8的漏極連接，q2的發(fā)射極還與r3的一端連接，r3的另一端接地。

基于前述的設計優(yōu)勢，所述的帶隙基準電路均由普通的低電壓器件構成，該電路中第六、第七和第八mos管構成，對應mp6、mp7和mp8。mp6、mp7和mp8構成電流鏡結構，mp7的柵極與漏極相連接，并連接到啟動電路。圖中使用vst表示啟動電路，當vst完成啟動作用后將被關閉。兩個npn三極管分別對應q1和q2，mp7的漏極與q1的集電極連接，第二電阻r2與q1的發(fā)射極相連接，r2與r3相連接。mp8的漏極與q2的集電極相連接，q2的基極與其集電極相連接，發(fā)射極連接到r3。其中q1與q2的面積比值為n，其基極連接在一塊，那么其基極電壓相等，因此不需要傳統(tǒng)帶隙基準電路中的深度負反饋運算放大器。由于r2的存在，使得r2上的壓降為q1和q2的基極與發(fā)射極電壓差的差值，因此在q1和r2的支路中形成了與溫度正相關的電流。而q1和q2的基極-發(fā)射極之間的電壓差值是負溫度系數(shù)的電壓，因此最終由正溫度系數(shù)電壓和負溫度系數(shù)電壓疊加而得到零溫度系數(shù)的基準電壓。mp6和mn9支路連接后具有對偏置電路反饋的作用。

所述的高壓輸入管能夠承受較高的輸入電壓，而輸出為低電壓，能夠為低壓部分電路直接進行供電。第五mos管為所述的高壓管，其柵極連接在偏置電路的輸出端，并與鉗位電路的輸入端相連接。所述的高壓管的輸出端與所述的鉗位電路輸出端相連接，并作為所述的帶隙基準電路的電源輸入。

高壓管輸出主要由第五mos管構成，對應圖4中mn5，mn5為高壓mos管。mn5的柵極與偏置電路的輸出電壓相連接，漏端與電源電壓想連接，源端作為低電壓輸出端。該輸出低電壓直接為帶隙基準電路提供輸入電源。mn5的耐壓與工藝相關，mn5能夠直接在高壓電源下工作，mn5的柵極由偏置電路提供的穩(wěn)定的輸出電壓控制，從而保證了帶隙基準電路能夠穩(wěn)定工作。

電路的工作過程為，首先偏置電路通過r1啟動，電阻r1是直接連接在高壓電源輸入端的，而另一端連接在mn5的柵極以及偏置電路的輸出端。為了防止啟動時會帶來瞬間高壓，因此r1的阻值較大。電路啟動時，首先是將偏置電路的mn12，mp13，mp14和mn15支路啟動，此時由于該支路工作分壓，使得mn5的柵極電壓穩(wěn)定在低電壓范圍中，因此mn5的柵極不會被擊穿。此時mn5開啟使得低壓部分有穩(wěn)定的電源供電，此時低壓部分啟動電壓vst輸入給帶隙基準電路，啟動帶隙基準電路，啟動完畢后該啟動電壓關閉。

帶隙基準電路工作時，使得mp6和mn9支路工作，使得偏置電路完全工作，并自動進行調整將偏置輸出電壓穩(wěn)定，再由鉗位電路mp3和mp4進一步穩(wěn)壓對mn5進行控制。而帶隙基準電路同時開始工作，由于q1和q2的基極電壓相等，那么使得q1支路電流是正溫度系數(shù)相關，最終得到基極處的電壓為零溫度系數(shù)的基準電壓。

得到零溫度系數(shù)電壓的具體原理具體如下：

以npn三極管為例，其基極和發(fā)射極之間的電壓vbe如下：

vt＝kt/q其中k為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度，q是電子電荷，ic是集電極電流，is是飽和區(qū)電流。

由mp7和mp8構成的電流鏡使得流過q1和q2的電流相等，q1支路的電流為i1，q2支路的電流為i2。q1與q2的基極電壓相等，可得到如下：

vb1＝vb2

vb1＝vbe1+i1r2+(i1+i2)r3

vb2＝vbe2+(i1+i2)r3

vb1和vb2分別對應q1和q2的基極電壓：

其中n為q1和q2發(fā)射極面積之比，可得

可得：

δvbe＝i1r2

可知i1是與溫度正相關，即i1是溫度正相關的電流。

那么帶隙基準電壓為：

vref即為帶隙基準電壓。

由上可知，基準電壓vref是與r3、r1和n相關的函數(shù)。那么通過調節(jié)r3、r1和n的值，使得那么可使得vref為不隨溫度變化的帶隙基準電壓。

以上可得vref為零溫度系數(shù)的基準輸出電壓。

綜上所述，本發(fā)明使用的高壓管數(shù)量少，占用面積小。通過穩(wěn)定偏置電路控制高壓管的柵極電壓可得到穩(wěn)定的低壓輸出電源，并為帶隙基準電路供電，從而達到了替代了經(jīng)典方案中穩(wěn)壓電路的作用。同時，也不需要高壓啟動電路部分，本發(fā)明的帶隙基準啟動電路可由低壓電源供電，因此可全部采用低壓器件，相比于高壓啟動電路更節(jié)省成本。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。