CMOS功率開關反向電壓保護電路-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-12-16
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。
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。
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。
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。
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。
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