专利名称：双保险电压差可控开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于MOS集成电路开关。特别地，它涉及一种能够根据设定条件，利用开关两 边外界电路电压差进行闭合与断开控制，并能够对开关进行双层保护的MOS集成电路开关。
背景技术：
众所周知M0SFET开关管广泛地应用在各种各样的集成电路之中，开关管的导通或断开 是由开关管栅极连接的集成电路的正电源和负电源来控制的。对于P型MOSFET开关管，它有 源极、漏极、栅极和衬底四个端口，通常集成电路是在P型硅片上制作的，它的衬底是P型 硅片，P型MOSFET开关管的管衬底是由N阱区形成，接在这四个端口的最高电位上或者正电 源电压上。当栅极连到负电源或地上时，栅极下面的N型硅反型成P型硅，开关管导通，电 流或电压可以在源极和漏极之间流动，反之，当栅极连到正电源上时，开关管栅极下面的N 型硅N型加强，源极和漏极被两个反相二级管隔断，在源极和漏极之间无电流或电压流动， 开关管断开。对于N型MOSFET开关管，它有源极、漏极、栅极和管衬底四个端口，通常它的 管衬底与集成电路芯片的衬底是同一个衬底，在P型硅片上制作的，它的衬底是与接在这四 个端口的最低电位上或者负电源上，当栅极连到正电源上时，开关管导通，电流或电压可以 在源极和漏极之间流动，反之，当栅极连到负电源上时，开关管断开，源极和漏极被隔断， 在源极和漏极之间无电流或电压流动。存在这样的应用，在某些时候，集成电路芯片上的供电正电源(或负电源)低于(或高 于)外接输入或输出接口的电压，这样MOSFET开关管两端电压中的其中一端高于正电源或低 于负电源，P型M0SFET开关管的管衬底不是接在开关管的四个端口的最高电位上，N型M0SFET 开关管的管衬底不是接在开关管的四个端口的最低电位上，按以上所述方法连接的M0SFET开 关管由于不能关断而将不能正常工作。同时，当外接输入和输出接口的电压差值过大，特别是瞬时的过量电荷冲击超过了 MOSFET开关管的承受能力，造成MOSFET开关管被击穿，则直接导致集成电路无法回复到符合设计要求的正常工作状态。即使外接输入和输出端口的电压差值并没有达到造成MOSFET开关管被击穿的电压值， 但长期工作在电压差值较大的情况下，对于开关器件的使用寿命和参数都有很大的影响，这 是在集成电路中必须考虑和迫切需要解决的问题。发明内容本发明即为解决上述问题提出的。本发明提出了一种双保险电压差可控开关，使开关能 够根据外接电路的电压差值以及输入控制信号，自动的根据设置条件闭合与断开，同时对 MOSFET功率开关管进行保护，防止瞬时的过量电荷冲击造成MOSFET开关管被击穿。由于在 工作原理上形成了对开关所处的集成电路元件的双重保护并提高了开关适应的电压差值范 围，使得开关的应用前景得到进一步的拓宽。 本发明是通过如下的技术方案予以实现的一种双保险电压差可控开关，基本结构包括第一单MOS功率开关管M;第二 MOSFET开关 管模块；第三开关管控制模块；第四MOS功率开关管控制模块。所述第一单M0S功率开关管M，源极和漏极分别连接外电路的两端，栅极连接第二 MOSFET开 关管模块和第四MOS功率开关管控制模块，衬底连接另外的第二 MOSFET开关管模块。第一单 MOS功率开关管M,可以采用PMOS开关管，也可以采用NMOS开关管，MOS管的具体类型和型 号不受限制。第一单MOS功率开关管M,,衬底不直接连接在正电源或地上，也不和单功率MOS 开关管的源极或漏极直接连接在一起，而是直接连接第二 MOSFET开关管模块。 所述第二 MOSFET开关管模块，对第一单MOS功率开关管M进行分流和限压，保护第一单MOS 功率开关管M,第一端连接外加电路的一端，亦即第一单MOS功率开关管M的源极或漏极， 第二端连接第一单MOS功率开关管M的栅极或衬底；串联的各MOS管的栅极连接第三开关管 控制模块，受第三开关管控制模块的控制。其具体构成既可以是两个MOSFET串联构成，也可 以是多个MOSFET管的串联构成，还可以是两组或两组以上的MOSFET管串联以后再并联的混 合结构。各组成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管的任意组合而成的混合体。各串联的MOS管的栅极分别与不同的第三开关 管控制模块相连接，并且每一个MOS管栅极所连接的第三开关管控制模块连接的外界电路与 该MOS管的衬底偏向保持一致。所述的第三开关管控制模块，包括但不限于以下部分组成控制与限幅部分，对第二MOFFET开关管模块两端外加电压是否过高进行判断，并通过偏置电路限制开关两端的电压差；输入 电平位移部分，将输入控制信号转为比较恒定的高电平或低电平传送至逻辑控制部分，完成电平位移功能；逻辑控制部分，由NMOS差分对管构成，根据输入电平位移信号传递的信息， 对第二MOSFET开关管模块进行控制；恒流源部分，向NMOS差分对管提供稳定的直流电流， 并提升NMOS差分对管的电压值。所述的第二 MOSFET开关管模块和第三开关管控制模块，可以采用压差可控开关予以实现。 所述的第四M0S功率开关管控制模块，采用M0S管构成，包括但不限于如下电路组成控制 电路输入控制信号连接在M0S管M41和M0S管M42的栅极上，M0S管M41的源极连接M0S管 M43的栅极，M0S管M42的漏极和M0S管M42的源极连接M0S管M43的源极，并由M0S管M43 的漏极作为输出控制单M0S功率开关管M栅极或衬底。
图1是表示本发明的一种双保险电压差可控开关的简略结构图。图2是表示本发明的一种双保险电压差可控开关中第二 M0SFET开关管模块的电路图。图3是表示本发明的一种双保险电压差可控开关中第三开关管控制模块的简略结构图。图4是表示本发明的一种双保险电压差可控开关中第三开关管控制模块的一实施例电路图。图5是表示本发明的一种双保险电压差可控开关中第四单M0S功率开关管控制模块的一实施例电路图。
具体实施方式
参照
本发明的实施方式。图1是本发明一种双保险电压差可控开关的简略结构图。图1 (a)表示本发明一种双保险电压差可控开关的结构第一实施例，具有的结构具有-第一单MOS功率开关管M，采用PMOS管构成，源极和漏极分别连接外电路的两端，栅极连接 第二 M0SFET开关管模块2和第四M0S功率开关管控制模块4，衬底连接另外的第二 M0SFET 开关管模块2;第二M0SFET开关管模块2，对第一单MOS功率开关管M进行分流和限压，保护第一单M0S功 率开关管M，由串联的多个MOS管组合构成，第一端在外加电路的A端或B端，亦即第一单 MOS功率开关管M的源极或漏极，第二端连接第一单MOS功率开关管M的栅极或衬底；串联 的各MOS管的栅极连接第三开关管控制模块3，受第三开关管控制模块3的控制； 第三开关管控制模块3,通过对外界电路两端电压差的判断并进行幅度限制,控制第二 M0SFET开关管模块2，形成对开关的第二层保护。模块第一端和第二端分别连接第二 MOSFET开关管 模块2的第一端和第二端，第三端连接模块控制信号，其余端口作为输出，可根据集成电路 具体实现功能连接第二 M0SFET开关管模块2各MOS管的栅极；第四M0S功率开关管控制模块4，对第一单MOS功率开关管M进行控制，输入端连接外加控 制信号F,输出端连接第一单MOS功率开关管M的栅极。图1 (b)表示本发明一种双保险电压差可控开关的结构第二实施例，基本结构和工作原理 与图l (a)相同，图中第一单MOS功率开关管M采用NMOS管构成。图2是表示本发明的双保险电压差可控开关的第二 M0SFET开关管模块的电路图。图2 (a)是表示本发明的双保险电压差可控开关的第二 M0SFET开关管模块的第一实施例，图中的M0S管为PM0S管，可以视电路需要改为采用NMOS管。MOS管M21的衬底连接A端，MOS管M21的栅极连接在与A端相连接的第三M0S开关管控制部 分；MOS管M22的衬底连接B端，MOS管M22的栅极连接在与B端相连接的第三MOS开关管控 制部分。当外电路A端过高可能对第一单MOS功率开关管M造成损害甚至击穿时，通过控制与A端相连的第三开关管控制模块的输入信号，能够使第二 MOSFET开关管部分形成通路，从而对第一单MOS功率开关管M的栅极(或衬底)与A端的电压差进行限制，并减少了第一单MOS功率开关管M源漏极之间的电流从而对第一单MOS功率开关管M进行保护。基于同样的原理，当B]端电压过高，第二 MOSFET开关管部分也可以通过限压和分流，保护第一单MOS功率开关管M。这一电路实施例主要用于连接第一单MOS功率开关管M栅极的第二 MOSFET开关管部分。 图2 (b)是表示本发明双保险电压差可控开关的第二 MOSFET开关管模块的第二实施例，由4 个串联的PMOS管组成，也可以根据电路需要采用NMOS管。PM0S管M21、 M23的衬底向A端 偏置，栅极受到连接A端的第二控制与限幅输出部分的控制；M22、 M24的衬底向B端偏置， 栅极受到连接B端的第二控制与限幅输出部分的控制。这一改进增加了第二 MOSFET开关管部 分导通时的电阻，扩大了对电压差的限制，其原理与图2 (a) —致。 这一电路实施例主要用于连接第一单MOS功率开关管M衬底的第二 MOSFET开关管部分。图3是表示本发明双保险电压差可控幵关的第三开关管控制模块的结构图。图3 (a)是表示本发明双保险电压差可控开关的第三开关管控制模块的第一实施例，图中第三开关管控制模块包括控制与限幅部分，对第二MOFFET开关管模块两端外加电压是否过高进行判断，并通过偏置电 路限制开关两端的电压差；输入电平位移部分，将输入控制信号转为比较恒定的高电平或低电平传送至逻辑控制部分， 完成电平位移功能；逻辑控制部分，由NM0S差分对管构成，根据输入电平位移信号传递的信息，对第二 M0SFET 开关管模块进行控制；恒流源部分，向NMOS差分对管提供稳定的直流电流，并提升NMOS差分对管的电压值。 这一构建方式通过外加控制信号d和C2，使得逻辑控制部分向第二 M0SFET开关管模块各M0S 管栅极输出的控制信号能够保持一定的电平浮动范围，从而在合理根据外界电路进行限压和 分流的同时，能够对第二 M0SFET各M0S管起到保护作用。图3 (b)是在图3 (a)的基础上迸行的一种改进方式，将控制信号d、 C2合并，并增加一反 向器使C,、 C2保持反向。图中的反向器加在原图3 (a)控制信号C2的通路上，这一反向器也 可以加在原图3 (b)控制信号C,的通路上。这一控制信号还可以增设为多路控制信号控制。图4是表示本发明的一种双保险电压差可控开关中第三开关管控制模块的一实施例电路图， 图中411、 412为输入电平位移部分，421、 422为逻辑控制部分，431、 432为恒流源部分， 44为控制与限幅部分。该实施例的输入电平位移部分411和412均由两个串联个传输门组成，且两传输门倒向连接， 亦即第一传输门的NM0S管连接第二传输门的PM0S管，第一传输门的PM0S管连接第二传输门 的NM0S管。两传输门的衔接处作为输入信号处理单元的输出端，向NMOS差分对管的栅极传 送外加的控制信号。图中输入信号处理单元的栅极所连接的外加控制信号已经合并为控制信 号C,使输入信号处理单元的输入信号为反向信号，在实际应用中可以将其扩展为两个或多 个控制端口，输入信号处理单元411中传输门的输入端分别连接K和V2，输入信号处理单元 412中传输门的输入端分别连接V3和V4，根据控制信号C，分别将不同的电压值加到NMOS差 分对管421MOS管的栅极。传输门的个数也可以进行精简，即411和412分别由一个传输门构 成，411受控制信号传输一固定电平，412受控制信号传输另一固定电平。 NM0S差分对管421和422，由同一结构的NM0S差分对管构成，两栅极分别连接输入信号单元 411和412， 421的源极连接恒流源431, 422的源极连接恒流源432，漏极作为电平位移单元 的第三端和第四端连接控制和限幅输出部分；恒流源431和432，由通常的模拟电路实现方法实现，分别向NM0S差分对管421和422提供 稳定的电流，并提高NM0S差分对管421和422的源极电压。控制与限幅输出部分44由交叉连接的MOS管对和限幅器电路组成，限幅器并联在交叉连接的MOS开关管对的源极和漏极之间，作为交叉连接的MOS开关管对的偏置电路。由于PMOS管的栅极交叉连接，从而保证了MOS管的两输出端中仅有一个为高电平，另一个为低电平，M31和M32漏极端输出具体是高电平还是低电平则直接取决于电平位移部分接收到的外加输入信号。基于这样的运用，交叉连接的MOS管与MOSFET开关管部分的连接，将根据开关实现的功能和 MOSFET开关管部分的MOS管类型来决定。从而在外加电路电压过高的情况下，使MOSFET开 关管两端的外界电路断开。同时，并联在交叉连接的MOS开关管对的源极和漏极之间的限幅器，使得MOS开关管对源漏极之间的电压差比较稳定，控制与限幅输出部分输出端的电压幅度受到限制，从而防止过高 的电压对MOSFET开关管的击穿，保护了开关管的正常工作。图5是表示本发明的双保险电压差可控开关中第四MOS功率开关管控制模块一实施例，由图 可知，第四MOS功率开关管控制模块由如下电路但不限于如下电路组成控制电路输入控制 信号连接在MOS管M41和MOS管M42的栅极上，MOS管M41的源极连接MOS管M43的栅极， MOS管M42的漏极和MOS管M42的源极连接MOS管M43的源极，并由MOS管M43的漏极作为 输出控制单MOS功率开关管M栅极或衬底。当外加输入控制信号为高电平时，M41截止而M42和M43导通，模块输出点G为低电平；当 外加输入控制信号为低电平时，M41、 M43导通而M3截止，模块输出点G为高电平。由于MOS 管可工作在多种状态下，合理的确定外加输入控制信号，能够使模块输出点G的电压及电流 满足开关的闭合和断开条件，达到灵活控制的目的。上述实施实例只是应用中的有限的一部分，其他实施实例还包括但不限于所述压差可控 开关由以上所述功能块中的某一个部分、某几个部分或者所有部分的组合构成，并且本发明 不局限于这些实施形态，而由权利要求的范围示出，与权利要求的范围均等的内容和权利要 求的范围之内的所有变更或变化都包含在本发明要求的权利范围之内。工业上利用和应用的可能性本发明的压差可控开关可以应用于但不限于电池保护芯片、电源管理芯片、集成电路和 集成芯片的保护电路或装置等等与本发明相关的所有应用范围和场合中。
权利要求
1. 一种双保险电压差可控开关，其特征在于，包括第一单MOS功率开关管M，源极和漏极分别连接外电路的两端，MOS管的栅极连接第二MOSFET开关管模块和第四MOS功率开关管控制模块，MOS管的衬底连接另外的第二MOSFET开关管模块；第二MOSFET开关管模块，对第一单MOS功率开关管进行分流和限压，保护第一单MOS功率开关管M，由串联的多个MOS管组合构成，第一端在外加电路的一端，亦即第一单MOS功率开关管的源极或漏极，第二端连接第一单MOS功率开关管的栅极或衬底；串联的各MOS管的栅极连接第三开关管控制模块，受第三开关管控制模块的控制；第三开关管控制模块，通过对外界电路两端电压差的判断并进行幅度限制，控制第二MOSFET开关管模块，形成对开关的第二层保护。模块第一端和第二端分别连接第二MOSFET开关管模块的第一端和第二端，第三端连接模块控制信号，其余端口作为输出，根据集成电路具体实现功能连接第二MOSFET开关管模块各MOS管的栅极；第四MOS功率开关管控制模块，对单MOS功率开关管M进行控制，输入端连接外加控制信号F，输出端连接第一单MOS功率开关管M的栅极。
全文摘要
本发明提供一种双保险电压差可控开关，既能够根据开关两端电路的电压差控制电路的导通与断开，又能够通过双层保险电路防止过大的瞬时电压对开关管造成击穿。该压差可控开关具有第一单MOS功率开关管，连接在外电路的两端，起到控制电路导通与断开电路的作用；第二MOSFET开关管模块，对第一单MOS功率开关管起分流和限压，保证第一单MOS功率开关管正常工作，防止第一单MOS功率开关管被击穿；第三开关管控制模块，通过对外界电路两端电压差的判断并进行幅度限制，控制第二MOSFET开关管模块操作，形成对开关的第二层保护；第四MOS功率开关管控制模块，对单MOS功率开关管M进行控制。
文档编号H03K17/08GK101222219SQ20071003650
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月12日 优先权日2007年1月12日
发明者曹先国 申请人:曹先国