專利名稱：一種采用三極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用三極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn) 低壓電源電路。
背景技術(shù)：
高壓電源供電的集成電路的內(nèi)部電路可分為高壓電路和低壓電路兩個模塊。前者 的供電直接由外接電源提供，后者的供電電路需要在芯片內(nèi)產(chǎn)生，即對外接電源進(jìn)行變換 處理，形成一個恒定的低壓電源給內(nèi)部低壓電路部分供電。如何產(chǎn)生這個低壓電源是每個 高壓集成電路都必須面對的問題。高壓電源供電的集成電路，由于其外接電源的變化范圍比較大，一般要求在5V到 幾十伏的范圍內(nèi)的波動下都能正常工作。對于其內(nèi)部的低壓電路，則一般需要比較穩(wěn)定的 低壓電路供電，因此，低壓電路供電的穩(wěn)定性和可靠性對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。目前，高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路的主要控制方法有兩種，一種是采用類似LDO的電路 形式，采用高壓運(yùn)放以及基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生固定不變的低壓電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是低壓輸出 電源比較恒定，但由于采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，電源電壓變化范圍大，低壓電源的負(fù)載不固定等原 因，環(huán)路的穩(wěn)定性比較難以控制，設(shè)計(jì)不好容易產(chǎn)生振蕩，這對低壓電源來說是不允許的。 另外一種是采用特殊器件如JFET器件，利用其器件特性先把高壓電源轉(zhuǎn)換成低壓電源，然 后再采用一般低壓電路的控制方法產(chǎn)生固定不變的低壓電源，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡 單，采用JFET器件就能很方便的把高壓電源轉(zhuǎn)換成相對低的低壓電源，但受限于JFET的器 件特性，其流電流能力一般不強(qiáng)，需要很多個JFET并聯(lián)才能滿足設(shè)計(jì)的要求，增大了芯片 的面積，且JFET器件工藝控制難以保證。鑒于現(xiàn)行的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路的缺點(diǎn)、電子系統(tǒng)對供電電源越來越高的要求， 以及對芯片成本的考慮等因素，需要采用一種新的方法來解決高壓轉(zhuǎn)低壓電源技術(shù)領(lǐng)域的 問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種穩(wěn)定可靠的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路，該電 路可以適用于任何一種高壓供電的集成電路。它的技術(shù)方案如下電源電路由比例電流鏡電路、比例電阻網(wǎng)絡(luò)與三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)三部分組成，其中比例電流鏡電路的輸入是一個大小恒定的電流源，此輸入電流通過由高壓PMOS 管組成的電流鏡電路產(chǎn)生大小相同的的多路輸出電流，提供給比例電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生基準(zhǔn)電 壓；比例電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入是與電流鏡電路輸出的大小相等的基準(zhǔn)電流，由多路比例電阻組 成，比例電阻的單位電阻值為R，比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值按照第一路單位電阻值R、第二路2 倍單位電阻值R、第三路4倍單位電阻值R的關(guān)系設(shè)置，以此類推，第N路電阻值是第N-I路 電阻值的兩倍；三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是由N個三極管的發(fā)射極和集電極串聯(lián)組成，第一路三極 管的發(fā)射極作為三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電壓輸出端，第一路三極管的集電極連接到第二路三極管的發(fā)射極，第二路三極管的集電極連接到第三路三極管的發(fā)射極，以此類推，第N-I路三 極管的集電極連接到第N路三極管的發(fā)射極，第N路三極管的集電極連接到電源電壓。關(guān)于三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)三極管的個數(shù)，是根據(jù)每個三極管集電極和發(fā)射極的 安全工作的電壓差VCE和整個芯片的電源電壓VDD來決定的，按照三極管VCE安全工作電 壓的要求，N的值應(yīng)該滿足N> (VDD/VCE)，在電路正常工作的時候每個三極管的VCE電壓基 本相等，用串聯(lián)的方式把電源電壓平均分配到每個三極管的集電極和發(fā)射極之間。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型的有益效果是由于直接采用三極管電路來實(shí)現(xiàn) 因此不需要外接任何元件，也不需要特殊的器件。對于三極管的集電極和發(fā)射極之間的耐 壓也無特殊要求，只要確認(rèn)電源電壓和工藝上實(shí)現(xiàn)的三極管的集電極和發(fā)射極的安全耐 壓，就可以求得需要串聯(lián)NPN三極管的個數(shù)，個數(shù)不受限制，因此本實(shí)用新型電路的適用范 圍很廣。另外，本實(shí)用新型電路采用高壓工藝中最常用的器件來實(shí)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)低壓功能，具 體而言，用到了高壓PMOS管，電阻，以及三極管，所用器件非常簡單。根據(jù)電源電壓的不同 把電源電壓N等分，每個三極管承受1./N的電源電壓，這樣相對于每個三極管來說工作都 是安全的，同時，每個三極管的基極的電位也是受控的，控制的方法是第二級的基極電位比 第一級高1/N電源電壓，第三級的基極電位比第二級高1/N電源電壓，以此類推。最終的輸 出電壓為第一級的基極電壓減去三極管基極和發(fā)射極的正向?qū)妷篤BE，由于第一級的 基極電位是固定的，三極管基極和發(fā)射極的正向?qū)妷篤BE基本是固定的0. 7V左右，所 以輸出電壓是固定的，由于三極管的電流放大倍數(shù)較大，所以輸出電流驅(qū)動能力較強(qiáng)，輸出 電壓穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。

圖1為本實(shí)用新型的原理示意圖，其中，1為比例電流鏡電路，2為比例電阻網(wǎng)絡(luò)，3 為三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；圖2為本實(shí)用新型電流鏡電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型比例電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型三極管串聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型采用三級電流鏡電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型采用三級比例電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型采用三級三極管串聯(lián)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實(shí)用新型采用三級結(jié)構(gòu)的整體高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面接合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型的實(shí)施作進(jìn)一步詳細(xì)的說明如圖(1)所示，本實(shí)用新型提供的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路由比例電流鏡電路(1)、比 例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)與三極管串聯(lián)電路(3)三部分組成。如圖(2)所示比例電流鏡電路(1)的輸 入是一個大小恒定的電流源10，此輸入電流IO通過由高壓PMOS管(P0，PI, P2, P3,……，PN) 組成的電流鏡電路產(chǎn)生大小相同的的多路輸出電流(10，II，12，13，……，IN)，提供給比例 電阻網(wǎng)絡(luò)(2)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。如圖(3)所示比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)的輸入是電流鏡電路(1)輸出的大小相等的基準(zhǔn)電流(10，II，12，13，……，IN)，由多路比例電阻(R0, Rl, R2, R3,……，RN) 組成，比例電阻的單位電阻值為R，比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值按照第一電阻RO取1倍單位電 阻值R、第二電阻Rl取2倍單位電阻值R、第三電阻R3取4倍單位電阻值R的關(guān)系設(shè)置，以 此類推，第N電阻RN取N倍單位電阻。如圖(4)所示三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)是由N個三極 管(Ni，N2, N3……，NN)的發(fā)射極和集電極串聯(lián)組成，第一三極管m的發(fā)射極作為三極管串 聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)的電壓輸出端V0UT，第一三極管附的集電極連接到第二三極管N2的發(fā)射極，第 二三極管N2的集電極連接到第三三極管N3的發(fā)射極，以此類推，第N-I三極管的集電極連 接到第N三極管NN的發(fā)射極，第N三極管NN的集電極連接到電源電壓VDD。實(shí)施例下面以電源電壓為23V，比例電流鏡電路(1)，比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)，三極管串聯(lián)電路 (3)分別采用三級控制，低壓電源輸出為5. 3V來說明本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)。首先計(jì)算需要幾級電路來實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型電路，假定電源電壓為23V，高壓工藝中 三極管的集電極和發(fā)射極的安全工作電壓時6V，輸出電壓VOUT為5. 3V，則需要的三極管 個數(shù)為(23-5. 3) /6，約等于2. 95，所以以最高電源電壓下安全工作為前提，需要三個三極 管串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)把23V電壓降為5. 3V電壓輸出，按照以上推論設(shè)計(jì)的整體采用三極管串聯(lián)結(jié) 構(gòu)的高壓電源轉(zhuǎn)低壓電源的電路見圖(8 )。如圖(5)所示的是采用四個高壓PMOS管(P0，P1，P2，P3)來實(shí)現(xiàn)的電流鏡電路，其 中第零高壓PMOS管PO的柵端和漏端接在一起，輸入基準(zhǔn)電流為10，其他三路高壓PMOS管 PI, P2，P3的柵端連接到第零高壓PMOS管PO的柵端，高壓PMOS管P0, PI, P2, P3的源端都 接電源電壓VDD，根據(jù)高壓PMOS管飽和區(qū)電流公式I=K(VGS-VTH)2,如果這四個高壓PMOS 管的K取值一致，柵端電位和源端電位的電壓差VGS —致，則流過高壓PMOS管Pl的第一電 流11=10，流過高壓PMOS管P2的第二電流12=10，流過高壓PMOS管P3的第三電流13=10， 四個PMOS管(P0，PI, P2, P3)的電流相等，輸入基準(zhǔn)電流IO的大小可根據(jù)圖(6)中比例電阻 網(wǎng)絡(luò)中單位電阻的大小以及圖(7)中第一三極管m上設(shè)定的基極電壓6V來確定，由公式 I0=6/R來確定。如圖(6)所示的是采用三級比例電阻(R1，R2，R3)實(shí)現(xiàn)圖(7)中三個三極管 (N1,N2,N3)基極電位設(shè)置電路，圖(6)中第一電阻Rl的電阻值設(shè)定為單位電阻R，由圖(5) 中輸出的第一電流Il在第一電阻Rl上產(chǎn)生的電壓為6V，圖(6)中第二電阻R2的電阻值設(shè) 定為2倍R，由圖(5)中輸出第二電流12在第二電阻R2上產(chǎn)生的電壓為12V ；同理圖(6)中 第三電阻R3的電阻值設(shè)定為3倍R，由圖(5)中輸出第三電流13在第三R3上產(chǎn)生的電壓 為18V。第一電阻R1，第二電阻R2，第三電阻R3上分別產(chǎn)生的6V，12V，18V電壓分別輸出到 圖(7)中三個串聯(lián)三極管(Ni，N2, N3,)的基極。如圖(7)所示的是采用三個三極管(Ni，N2，N3)串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的輸出電壓鉗位電路， 從圖(5)和圖(6)的電路分析可知，第三三極管N3的集電極接電源電位23V，基極電位接 18V，第三三極管N3的發(fā)射極電壓為基極電壓減去基極和發(fā)射極的正向?qū)妷?. 7V左 右，大致為17. 3V。所以對于第三三極管N3，其集電極和發(fā)射極的電壓差為5. 7V，滿足其安 全工作的條件。對于圖(7)中的第二三極管N2，同理可以分析到其基極電位12V，集電極 電位17. 3V，發(fā)射極電位11. 3V，集電極和發(fā)射極的電壓差為6V，同樣滿足其安全工作的條 件；同理圖(7)中的第一三極管附也是一樣，基極電位6V，集電極電位11. 3V，發(fā)射極電位
55. 3V，同樣滿足其安全工作的條件。第一三極管m的集電極輸出電壓VOUT等于5. 3V就是 最終的低壓電源的輸出電壓。 以上實(shí)例是按照電源電壓VDD等于23V，低壓電源輸出VOUT等于5. 3V，三極管安 全工作電壓6V來設(shè)計(jì)，對于其他的電源電壓、低壓電源輸出以及三極管安全工作電壓下的 設(shè)計(jì)都可以遵循上述的方法加以實(shí)施。
權(quán)利要求1.一種采用三極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路，包括比例電流鏡電路(1)和比例 電阻網(wǎng)絡(luò)(2)，其特征是還包括三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)，所述比例電流鏡電路(1)的輸入是一個大小恒定的電流源，此輸入電流通過由高壓 PMOS管組成的電流鏡電路產(chǎn)生大小相同的多路輸出電流，提供給比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)產(chǎn)生基 準(zhǔn)電壓；所述比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)的輸入是與電流鏡電路(1)輸出的大小相等的基準(zhǔn)電流，由多 路比例電阻組成，比例電阻的單位電阻值為R，比例電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值按照第一路單位電阻 值R、第二路2倍單位電阻值R、第三路4倍單位電阻值R的關(guān)系設(shè)置，以此類推，第N路電 阻值是第N-I路電阻值的兩倍；所述三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)是由N個三極管的發(fā)射極和集電極串聯(lián)組成，第一路三極管 的發(fā)射極作為三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)的電壓輸出端，第一路三極管的集電極連接到第二路三 極管的發(fā)射極，第二路三極管的集電極連接到第三路三極管的發(fā)射極，以此類推，第N-I路 三極管的集電極連接到第N路三極管的發(fā)射極，第N路三極管的集電極連接到電源電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路，其特征在于所述三 極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)是根據(jù)每個三極管集電極和發(fā)射極的安全工作的電壓差VCE和整個芯片 的電源電壓VDD來決定所串三極管的個數(shù)N，按照三極管VCE安全工作電壓的要求，N的值 滿足N>VDD/VCE，在電路正常工作的時候每個三極管的VCE電壓基本相等，用串聯(lián)的方式把 電源電壓平均分配到每個三極管的集電極和發(fā)射極之間。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種采用三極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高壓轉(zhuǎn)低壓電源電路，包括比例電流鏡電路(1)和比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)，還包括三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)，所述比例電流鏡電路(1)的輸入是一個大小恒定的電流源，所述比例電阻網(wǎng)絡(luò)(2)的輸入是與電流鏡電路(1)輸出的大小相等的基準(zhǔn)電流，由多路比例電阻組成，所述三極管串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(3)是由N個三極管的發(fā)射極和集電極串聯(lián)組成。由于直接采用三極管電路來實(shí)現(xiàn)因此本實(shí)用新型不需要外接任何元件，也不需要特殊的器件。對于三極管的集電極和發(fā)射極之間的耐壓也無特殊要求，只要確認(rèn)電源電壓和三極管的集電極和發(fā)射極的安全耐壓，就可以求得需要串聯(lián)NPN三極管的個數(shù)，個數(shù)不受限制，因此適用范圍很廣。
文檔編號H02M3/10GK201887657SQ201020611759
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者周飆, 張立新, 張韜, 易揚(yáng)波, 李海松, 胡旅順, 鄒宇彤, 陳健 申請人:無錫芯朋微電子有限公司