專利名稱：高性能的整流二極管替代電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及整流二極管，具體涉及一種高性能的整流二極管替代電路。
背景技術：
隨著對電力電子系統中電源效率的不斷提高的要求，尤其在大電流工作的電源中，作為電源整流電路中的廣泛使用的核心器件——整流二級管在最近這些年的技術得到了快速的發展，把二極管在工作中功率損耗不斷的降低是技術發展的目標，通過器件的材料變化及工藝的進步改善二級管的性能，從最初使用的普通二級管整流器到肖特基二級管
整流器，及最新一代的整流器件-超勢魚整流器(Super Barrier Rectif ier, SBR),使二
級管的能耗越來越低，從而有了更多的能量轉化為有用功。 現有的技術方案為采用SBR技術設計的二極管，是最新一代整流器件，它采用了MOS (金屬氧化物半導體)工藝加工技術制造了一個性能優異的兩端器件，比普通的采用雙極(bipolar)工藝的肖特基二級管更低的正向電壓落差，其器件兩端的形成仍然是依賴于半導體材料中的不同摻雜形成，但通過工藝上的特殊技術，使二級管的正向導通電壓降為極低、在8A的情況時，其正向導通電壓僅為0.42V，反向漏電流50uA。但是，現有技術SBR的正向電壓落差較高，目前技術的正向電壓落差為420mV左右，同時器件反向泄漏電流為50uA，因此在正向及反向工作中都會導致較高的能耗，降低了電源的利用效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供高性能的整流二極管替代電路。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是，一種高性能的整流二極管替代電路，包括電容器、低壓時鐘發生器、電荷泵電路、帶隙基準電路、遲滯比較器、驅動放大器和功率MOS管，其特征在于低壓時鐘發生器檢測二級管兩端的電壓，并產生時鐘信號驅動電荷泵電路；電荷泵電路檢測二極管兩端的電壓并放大后將電荷存儲在電容器中；電容器上存儲的電壓與帶隙基準電路輸出的基準電壓分別輸出到遲滯比較器進行比較；當電容器上存儲的電壓大于帶隙基準電路輸出的基準電壓時，遲滯比較器輸出開啟信號，并經驅動放大器放大后輸出到功率MOS管，驅動功率MOS管道導通；當電容器上的電荷逐漸被電路消耗而引起電容器上的電壓逐漸下降到基準電壓以下時，遲滯比較器輸出關斷信號使功率MOSFET截止。本發明利用功率MOSFET具有的低導通電阻、低觸發電壓的特性及適當的智能控制電路，通過脈沖工作方式實現等效的二極管工作特性，并具有更低的正向導通電壓差和反向漏電流，其中正向導通電壓較SBR器件可降低70%，反向泄漏電流僅IuA ;本發明使二極管正向電壓落差降低，反向泄漏電流減少，自身功率損耗減少，發熱減少，在同樣的電流下具有較SBR器件更低的電壓落差特性及截止時更低的漏電特性，解決了在電源整流電路中整流器件的功耗過高的問題，從而實現了性能更優；本發明電路簡單，可完成對原SBR器件的性能和尺寸的完全替代。根據本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的一種優選方案，所述電荷泵電路包括N級整流器電路，N為3至18的自然數；每級整流器電路均包括輸入端IN、輸出端OUT、正向時鐘脈沖輸入端CK、反向時鐘脈沖輸入端CKN，第一級整流器電路、第二級整流器電路……第N-I級整流器電路、第N級整流器電路按順序串聯連接，第一級整流器電路的輸入端為整流二極管的陽極，第N級整流器電路的輸出端接電容器的一端，電容器的另一端為整流二極管的陰極；每級整流器電路的正向時鐘脈沖輸入端CK同時連接低壓時鐘發生器的輸出一端，每級整流器電路的反向時鐘脈沖輸入端CKN同時連接低壓時鐘發生器的輸出二端。根據本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的一種優選方案，每級整流器電路均由第一 N型MOS晶體管NMOSl、第二 N型MOS晶體管NM0S2、第一 P型MOS晶體管PMOSl、第二 P型MOS晶體管PM0S2、以及電容一 Cl、電容二 C2和電容三Cs構成；其中，第一 N型MOS晶體管NMOSl的源極和襯底與第二 N型MOS晶體管NM0S2的源極和襯底同時連接，并作 為整流器電路的輸入端，第一 P型MOS晶體管PMOSl的源極和襯底與第二 P型MOS晶體管PM0S2的源極和襯底連接，并作為整流器電路的輸出端，整流器電路的輸出端通過電容三Cs接地，第一 N型MOS晶體管NMOSl的漏極、第二 N型MOS晶體管NM0S2的漏極、第一 P型MOS晶體管PMOSl的柵極和第二 P型MOS晶體管PM0S2的柵極連接，并通過電容一 Cl接低壓時鐘發生器的輸出一端，第一 N型MOS晶體管NMOSl的柵極、第二 N型MOS晶體管NM0S2的柵極、第一 P型MOS晶體管PMOSl的漏極和第二 P型MOS晶體管PM0S2的漏極連接，并通過電容二 C2接低壓時鐘發生器的輸出二端。根據本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的一種優選方案，所述功率MOS管采用N溝道MOS場效應管。本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的有益效果是本發明通過脈沖工作方式實現等效的二極管工作特性，解決了在電源整流電路中整流器件的功耗過高的問題；具有二極管正向電壓落差低，反向泄漏電流少，自身功率損耗小，發熱低的特點；本發明可完成對原SBR器件的性能和尺寸的完全替代；本發明系統結構簡單，成本低、體積小、功耗低、性能優，使用靈活，具有良好的應用前景。
圖I是本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的原理框圖。圖2是本發明所述的電荷泵電路2的原理框圖。圖3是本發明所述的整流器電路的原理框4本發明所述的高性能的整流二極管替代電路的等效電路圖。
具體實施例方式參見圖I、圖2，一種高性能的整流二極管替代電路，包括電容器C、低壓時鐘發生器I、電荷泵電路2、帶隙基準電路3、遲滯比較器4、驅動放大器5和功率MOS管Q，其中低壓時鐘發生器I檢測整流二級管兩端AK的電壓，并產生時鐘信號驅動電荷泵電路2 ；
電荷泵電路2檢測整流二極管兩端的電壓并放大后將電荷存儲在電容器C中；電容器C上存儲的電壓與帶隙基準電路3輸出的基準電壓分別輸出到遲滯比較器4進行比較；當電容器C上存儲的電壓大于帶隙基準電路3輸出的基準電壓時，遲滯比較器4輸出開啟信號，并經驅動放大器5放大后輸出到功率MOS管Q，驅動功率MOS管Q道導通；當電容器C上的電荷逐漸被電路消耗而引起電容器C上的電壓逐漸下降到基準電壓以下時，遲滯比較器4輸出關斷信號使功率M0SFETQ截止。在具體實施例中，參見圖2、圖3，所述電荷泵電路2包括N級整流器電路，N為3至18的自然數；N越大，整流二極管正向電壓落差越小，但是N的取值受芯片面積的限制；每級整流器電路均包括輸入端IN、輸出端OUT、正向時鐘脈沖輸入端CK、反向時鐘脈沖輸入端CKN，第一級整流器電路、第二級整流器電路……第N-I級整流器電路、第N級整流器電路按順序串聯連接，前級整流器電路的輸出端連接后級整流器電路的輸入端；第一級整流器電路的輸入端為整流二極管的陽極A，第N級整流器電路的輸出端接電容器C的一端，電容器C的另一端為整流二極管的陰極K;每級整流器電路的正向時鐘脈沖輸入端CK同時連接 低壓時鐘發生器I的輸出一端，每級整流器電路的反向時鐘脈沖輸入端CKN同時連接低壓時鐘發生器I的輸出二端。每級整流器電路均由第一 N型MOS晶體管NMOSl、第二 N型MOS晶體管NM0S2、第一P型MOS晶體管PMOSl、第二 P型MOS晶體管PM0S2、以及電容一 Cl、電容二 C2和電容三Cs構成；其中，第一 N型MOS晶體管NMOSl的源極和襯底與第二 N型MOS晶體管NM0S2的源極和襯底同時連接，并作為整流器電路的輸入端IN，第一 P型MOS晶體管PMOSl的源極和襯底與第二 P型MOS晶體管PM0S2的源極和襯底連接，并作為整流器電路的輸出端0UT，整流器電路的輸出端通過電容三Cs接地，第一 N型MOS晶體管NMOSl的漏極、第二 N型MOS晶體管NM0S2的漏極、第一 P型MOS晶體管PMOSl的柵極和第二 P型MOS晶體管PM0S2的柵極連接，并通過電容一 Cl接低壓時鐘發生器I的輸出一端，第一 N型MOS晶體管NMOSl的柵極、第二 N型MOS晶體管NM0S2的柵極、第一 P型MOS晶體管PMOSl的漏極和第二 P型MOS晶體管PM0S2的漏極連接，并通過電容二 C2接低壓時鐘發生器I的輸出二端。每級整流器電路采用兩路分時工作，在CK的正半周期，NM0S2和PMOSl導通，此時IN端信號與時鐘信號求和后存儲在節點B，而節點A的信號則通過PMOSl傳輸到輸出端并存儲在電容Cs上；在CK的負半周期，NMOSl和PM0S2導通，此時IN端信號與時鐘信號求和后存儲在節點A，而節點B的信號則通過PMOSl傳輸到輸出端并存儲在電容Cs上，第一級整流器的輸出接到第二級整流器的輸入端。同理N級整流器電路級聯構成了本電荷泵電路。所述功率MOS管Q采用N溝道MOS場效應管，N溝道MOS場效應管的柵極連接驅動放大器5的輸出端，N溝道MOS場效應管的漏極作為等效二極管的陽極輸出，N溝道MOS場效應管的源極連接作為等效二極管的陰極輸出。本發明的工作原理是:A和K分別為等效二級管的陽極和陰極，電路在正向偏置的時候，分為兩種工作狀態，充電狀態和放電狀態。首先，初始時，電路處于充電狀態，此時低壓時鐘發生器I檢測二級管兩端的電壓Vl，并產生時鐘信號驅動電荷泵電路2，電荷泵電路2檢測二極管兩端的電壓并放大后將電荷存儲在電容器C中，同時將電容器C上的電壓與帶隙基準電路3輸出的基準電壓VREFl進行比較，經過Tl時間后，當電容器C上的電壓超過帶隙基準電路3輸出的基準電壓VREFl，則遲滯比較器4會輸出開啟信號使功率MOSFET導通，從而降低二級管兩端的電壓落差為V2，這時電路進入放電狀態；當經過T2時間后，電容器C上的電荷逐漸被電路消耗而引起電容器C上的電壓逐漸下降到帶隙基準電路3輸出的基準電壓VREF2以下時，遲滯比較器4輸出關端信號使功率MOSFET截止，電路再次進入到充電狀態，此后電路將在充電和放電狀態交替進行。在一個充放電周期內，電路K、A兩端的電壓差平均值為Vavg=(V1*T1+V2*T2)/ (T1+T2)；本發明實施例中，電荷泵電路2采用11級整流器電路，在8A正向偏置電流下，功率MOSFET關斷下的正向電壓落差為800mV，即Vl=800mV，功率MOSFET導通下的正向電壓落差為80mV ；即 V2=80mV, Tl/(T1+T2) =10%，T2/ (T1+T2) =90% ； 則Vavg=152mV，與 SBR 器件的 420mV 相比，降低了 268mV。本發明的電路反向工作時，功率MOSFET截止時具有優異的反向電流泄漏性能，盡為luA，也遠遠小于SBR器件的反向泄漏電流50uA，因此采用本發明技術方案后，正向電壓落差平均值將會較SBR器件降低70%左右，反向泄漏電流幾乎為零，將會有更多的能量進入后級電路。圖4中說明采用的本發明技術方案電路結構的等效電路具有與SBR整流器件或二級管一致的端口，端口對端口可以完全替代。上面對本發明的具體實施方式
進行了描述，但是，本發明保護的不僅限于具體實施方式
的范圍。
權利要求
1.一種高性能的整流二極管替代電路，包括電容器(C)、低壓時鐘發生器(I)、電荷泵電路(2)、帶隙基準電路(3)、遲滯比較器(4)、驅動放大器(5)和功率MOS管(Q)，其特征在于 低壓時鐘發生器(I)檢測整流二級管兩端的電壓，并產生時鐘信號驅動電荷泵電路(2)； 電荷泵電路(2)檢測整流二極管兩端的電壓并放大后將電荷存儲在電容器(C)中； 電容器(C)上存儲的電壓與帶隙基準電路(3)輸出的基準電壓分別輸出到遲滯比較器⑷進行比較；當電容器(C)上存儲的電壓大于帶隙基準電路(3)輸出的基準電壓時，遲滯比較器(4)輸出開啟信號，并經驅動放大器(5)放大后輸出到功率MOS管(Q)，驅動功率MOS管(Q)導通；當電容器(C)上的電荷逐漸被電路消耗而引起電容器(C)上的電壓逐漸下降到帶隙基準電路⑶輸出的基準電壓以下時，遲滯比較器⑷輸出關斷信號使功率MOSFET (Q)截止。
2.根據權利要求I所述的高性能的整流二極管替代電路，其特征在于所述電荷泵電路(2)包括N級整流器電路，N為3至18的自然數；每級整流器電路均包括輸入端(IN)、輸出端(OUT)、正向時鐘脈沖輸入端(CK)、反向時鐘脈沖輸入端(CKN);第一級整流器電路、第二級整流器電路……第N-I級整流器電路、第N級整流器電路按順序串聯連接，第一級整流器電路的輸入端為整流二極管的陽極(A)，第N級整流器電路的輸出端接電容器(C)的一端，電容器(C)的另一端為整流二極管的陰極(K);每級整流器電路的正向時鐘脈沖輸入端(CK)同時連接低壓時鐘發生器(I)的輸出一端，每級整流器電路的反向時鐘脈沖輸入端(CKN)同時連接低壓時鐘發生器(I)的輸出二端。
3.根據權利要求2所述的高性能的整流二極管替代電路，其特征在于每級整流器電路均由第一 N型MOS晶體管(NMOSl)、第二 N型MOS晶體管(NM0S2)、第一 P型MOS晶體管(PMOSl)、第二 P型MOS晶體管(PM0S2)、電容一 (Cl)、電容二 (C2)和電容三(Cs)構成；其中，第一 N型MOS晶體管(NMOSl)的源極和襯底與第二 N型MOS晶體管(NM0S2)的源極和襯底同時連接，并作為整流器電路的輸入端，第一 P型MOS晶體管(PMOSl)的源極和襯底與第二 P型MOS晶體管(PM0S2)的源極和襯底連接，并作為整流器電路的輸出端，且整流器電路的輸出端通過電容三(Cs)接地，第一 N型MOS晶體管(NMOSl)的漏極、第二 N型MOS晶體管(NM0S2)的漏極、第一 P型MOS晶體管(PMOSl)的柵極和第二 P型MOS晶體管(PM0S2)的柵極連接，并通過電容一(Cl)接低壓時鐘發生器(I)的輸出一端，第一 N型MOS晶體管(NMOSl)的柵極、第二 N型MOS晶體管(NM0S2)的柵極、第一 P型MOS晶體管(PMOSl)的漏極和第二 P型MOS晶體管(PM0S2)的漏極連接，并通過電容二(C2)接低壓時鐘發生器(I)的輸出二端。
4.根據權利要求I或2或3所述的高性能的整流二極管替代電路，其特征在于所述功率MOS管(Q)采用N溝道MOS場效應管。
全文摘要
本發明公開了高性能的整流二極管替代電路，包括電容器、低壓時鐘發生器、電荷泵電路、帶隙基準電路、遲滯比較器、驅動放大器和功率MOS管，其特征在于低壓時鐘發生器檢測二級管兩端的電壓，并產生時鐘信號驅動電荷泵電路；電荷泵電路檢測二極管兩端的電壓并放大后將電荷存儲在電容器中；電容器上存儲的電壓與帶隙基準電路輸出的基準電壓分別輸出到遲滯比較器進行比較；當電容器上存儲的電壓大于帶隙基準電路輸出的基準電壓時，遲滯比較器輸出開啟信號，并經驅動放大器放大后輸出到功率MOS管，驅動功率MOS管道導通；本發明通過脈沖工作方式實現等效的二極管工作特性，可完成對原SBR器件的性能和尺寸的完全替代。
文檔編號H02M1/08GK102904421SQ20121035565
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者張真榮, 李明劍, 劉永光, 吳炎輝, 范麟, 萬天才, 徐驊 申請人:重慶西南集成電路設計有限責任公司