一种带阈值补偿的高效CMOS整流电路

一种带阈值补偿的高效cmos整流电路
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种带阈值补偿的高效cmos整流电路。


背景技术：

2.整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，是电源管理中的重要模块，在无线能量收集和其他环境能量收集领域有着广泛应用。移动终端电子设备朝着微型化发展，自供能、低功耗是生物医学等穿戴式或便携式电子设备的发展趋势。整流电路作为电能转换的重要部分，其整流电路的效率或电压提升能力是电源管理技术中重点研究方向之一。
3.集成电路中常见的整流电路是用二极管连接方式的mos管作为整流二极管，相较于普通二极管组成的整流电路，有更低的导通电压。然而，用二极管连接方式的mos管代替普通二极管时同样存在阈值电压，使得信号在整流周期有信号损失，不利于低压信号的整流。利用外加偏置电压的方式来抵消mos管的阈值电压能有效减小整流损失，但同时会造成反相电流的泄露，从而影响系统的整流效率。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是目前常用的整流电路存在导通电压降和反相电流泄露的问题。提出一种带阈值补偿的高效cmos整流电路。
5.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，包括整流电路本体，其特征是，该整流电路包括两个整流开关mos管、两个电容、比较器、偏置产生电路、开关控制电路、衬底偏置动态调节电路组成；整流开关mos管由nmos管mn1和pmos管mp1构成；电容由c1、c2构成；输入信号连接到比较器的同相输入端和电容c1的上极板；
7.比较器的同相输入接信号，反相输入接gnd，输出接偏置产生电路的pmos管mp2的栅极；偏置产生电路的nmos管mn2的栅和漏短接并连接到整流开关nmos管mn1的栅极；开关控制电路的pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底；电容c2的上极板接整流开关pmos管mp1的源极，下极板接gnd。
8.上述方案中，整流开关mos管由nmos管mn1和pmos管mp1构成，以及nmos管mn1的源极接pmos管mp1的漏极，以及nmos管mn1的漏极接gnd，pmos管mp1的源极接电容c2的上极板并作为整流输出节点。
9.上述方案中，两个电容由c1和c2构成，采用金属—氧化物—金属结构的电容，电容c1的上极板接输入信号，下极板接整流开关nmos管mn1的源极和pmos管mp1的漏极，以及电容c1的下级板接开关控制电路的pmos管mp4的源极，电容c2的上极板接整流开关pmos管mp1
的源极和动态偏置电路pmos管mp6的漏极以及开关控制电路pmos管mp5的源极，同时，电容的上极板作为整流输出，电容c2的下极板接gnd。
10.上述方案中，比较器由开环运算放大器构成，同相输入端接输入信号，反相输入端接gnd，比较器的输出结果接偏置产生电路pmos管mp2的栅极。
11.上述方案中，偏置产生电路pmos管mp2的栅极接比较器的输出，源极和衬底接vdd，漏极接nmos管mn2的漏极，nmos管mn2的漏极接pmos管mp2的漏，nmos管mn2的栅极接漏极，nmos管mn2的栅极也接整流开关nmos管mn1的栅极，nmos管mn2的源极和衬底接gnd。
12.上述方案中，开关控制电路由pmos管mp3、mp4、mp5、mn3、mn4、r构成，pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；pmos管mp5的栅极接pmos管mp3和mp4的栅极，pmos管mp5的衬底接vdd，以及pmos管mp4的漏极接nmos管mn3的漏极，nmos管mn3的栅极接mn4的栅极，nmos管mn3、mn4的源极和衬底接gnd，电阻的一端接pmos管mp5的漏极另一端接gnd，pmos管mp3、mp4、mp5的衬底接vdd。
13.上述方案中，衬底偏置动态调节电路由pmos管mp6、mp7构成，衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底。
14.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
15.(1)将整流开关mos管的偏置电压用比较器或开关控制电路来开启或关断，使得偏置电压和信号的相关，在导通阶段产生偏置电压抵消整流开关mos管的阈值电压，关断阶段，关闭偏置电压防止反相电流泄露。因此本发明的整流电路既解决了传统整流电路存在的导通电压降问题，又解决了传统整流电路存在的反相电流泄露的问题，使得本发明的整流电路获得更高的整流效率。
16.(2)整流开关pmos管mp1的源极和漏极电位的高低是浮动的，通过本发明的衬底偏置动态调节电路可以使得衬底保持最高电位，从而进一步减少泄露电流同时防止整流电路发生闩锁效应。
附图说明
17.图1为整流电路的原理图；
18.图2为整流电路和传统外部偏置整流电路对比效果图；
19.图3为电容c1下极板信号和电容上极板信号图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
21.一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，如图1所示，该整流电路包括两个整流开关mos管、两个电容、比较器、偏置产生电路、开关控制电路、衬底偏置动态调节电路组成；整流开关mos管由nmos管mn1和pmos管mp1构成；电容由c1、c2构成；输入信号连接到比较器的同相输入端和c1的上极板；比较器的同相输入接信号，反相输入接gnd，输出接偏置产生电路
的pmos管mp2的栅极；偏置产生电路的nmos管mn2的栅和漏短接并连接到整流开关nmos管mn1的栅极；开关控制电路的pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底；电容c2的上极板接整流开关pmos管mp1的源极，下极板接gnd。
22.比较器的同相输入接信号，反相输入接gnd，比较器的输出接偏置产生电路的pmos管mp2的栅极，当同相输入信号为负相位时，与gnd比较使得偏置产生电路的pmos管mp2的栅极被拉低，同相输入信号为同相位时，与gnd比较使得偏置产生电路的pmos管mp2的栅极被拉高。
23.当输入信号为负相时，比较器输出为低，偏置产生电路pmos管mp2得以开启，偏置产生电路nmos管mn1采用二极管连接方式用于产生偏置电压输出到整流开关nmos管mn1的栅极。输入信号为同相时，比较器输出为高，偏置产生电路pmos管mp2关闭。当整流开关nmos管mn1导通时，输入信号给电容c1充电，当整流开关nmos管mn1关闭时，电容c1两端有输入信号峰值大小的电压差。
24.开关控制电路由pmos管mp3、mp4、mp5、mn3、mn4、r构成，pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；pmos管mp5的栅极接pmos管mp3和mp4的栅极，pmos管mp5的衬底接vdd，以及pmos管mp4的漏极接nmos管mn3的漏极，nmos管mn3的栅极接mn4的栅极，nmos管mn3、mn4的源极和衬底接gnd，电阻的一端接pmos管mp5的漏极另一端接gnd，pmos管mp3、mp4、mp5的衬底接vdd。pmos管mp5和电阻r形成参考电流源，并且该电流镜像到pmos管mp3上的电流，当pmos管mp4的源极电压比pmos管mp3的源极电压大时，pmos管mp4导通并且nmos管mn3的栅极和漏极为高电平，使得pmos管mp4导通，最终使得整流开关pmos管mp1的栅极被下拉到gnd，此时mp1为导通状态,输入信号和电容c1通过整流开关管mp1给电容c2充电。当pmos管mnp4的源极电压比pmos管mp3的源极小时，pmos管mp4关断，使得nmos管mn3、mn4关断，致使整流开关pmos管mp1的栅极电位通过pmos管mp3上拉到整流输出电容c2的高电位，最后使得整流开关pmos管mp1关断。
25.衬底偏置动态调节电路由pmos管mp6、mp7构成，衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底。因为整流开关pmos管的mp1的源极和漏极电位是浮动的，而pmos的衬底必须接最高电位，且衬底动态偏置电路还可以进一步减小电流的泄露。当整流开关pmos管mp1的源极比栅极电压高时，pmos管mp6的栅极为低电位漏极为高电位从而导通，pmos管mp7的栅极为高电位漏极为低电位从而关断，使得整流开关pmos管的衬底接其源极。当整流开关pmos管mp1的源极比栅极电压低时，pmos管mp7的栅极为低电位漏极为高电位从而导通，pmos管mp6的栅极为高电位漏极为低电位从而关断，使得整流开关pmos管的衬底接其漏极。
26.本发明的工作原理为：
27.在拥有电源的工作环境下，来自外部交流信号输入到整流电路电容c1的上极板，
在信号为反相时，比较器输出为低电平，使得偏置产生电路产生一个vgs电压来抵消整流开关nmos管mn1的阈值电压，使得在输入信号幅度接近0v时还能导通。相比传统的用普通二极管作为整流开关，本发明具有更小的整流开启电压和更高的整流效率。输入信号对电容c1进行充电直到输入信号的反相峰值电压为止，此后电容c1保持接近峰值电压的压差。当输入信号为同相时比较器输出为高电平，使得偏置产生电路输出为gnd，整流开关管nmos管mn1关断防止电容c1的电荷流向gnd。相比外加偏置电压的方式来抵消mos管的阈值电压，本发明的动态阈值补偿方式减小了反相电流的泄露。由于电容两端电压不能突变，此时电容c1的下极板电压比输入信号的电压大，相当于将输入信号电平抬升。当整流器输出电压建立后，开关控制电路开始工作，当电容c1的下极板电压比电容c2的上极板电压大时，开关控制电路pmos管mp4的源极电压比pmos管mp3的源极电压大，pmos管mp4导通并且nmos管mn3的栅极和漏极为高电平，即开关控制电路nmos管mn3、mn4导通使得nmos管mn4的漏极为低电平，最终使得整流开关pmos管mp1的栅极被下拉到gnd，此时mp1为导通状态,输入信号和电容c1通过整流开关管mp1给电容c2充电，相比传统用二极管连接方式的mos管作为整流开关，具有更小的开启电压。对电容c2的充电直至输入信号达到同相峰值电压为止。当pmos管mnp4的源极电压比pmos管mp3的源极小时，pmos管mp4关断，使得nmos管mn3、mn4关断，致使整流开关pmos管mp1的栅极电位通过pmos管mp3上拉到整流输出电容c2的高电位，因此使得整流开关pmos管mp1关断，防止电容c2的电荷倒流到输入信号。本发明加入了衬底偏置动态调节电路，当整流开关pmos管mp1的源极电压比漏极电压高时，衬底偏置动态调节电路pmos管mp6导通而mp7关闭，整流开关pmos管的衬底通过衬底偏置动态调节电路pmos管mp6连接其源极；同理，当整流开关pmos管mp1的源极电压比漏极电压低时，整流开关pmos管的衬底通过衬底偏置动态调节电路pmos管mp7连接其漏极。衬底偏置动态调节电路不仅能防止整流开关pmos管mp1发生闩锁效应，同时能减小漏极、源极到衬底的漏电流，进一步提高整流效率。输入信号通过电容c1持续给电容c2充电，最终使得整流输出的直流电压为交流信号的峰峰值，图3显示了电容c1下极板信号和电容c2上极板整流输出直流信号，可以看出输入交流信号峰峰值为1.2v时，整流输出为1.08v，接近输入信号峰峰值。图2对比了传统外部偏置整流输出和本发明整流输出结果，在同为输入交流信号峰峰值为1.2v下，相同尺寸的整流开关管，前者电压转换效率约为70％，本发明的电压转化效率约为90％。
28.需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，包括整流电路本体，其特征是，该整流电路包括两个整流开关mos管、两个电容、比较器、偏置产生电路、开关控制电路、衬底偏置动态调节电路组成；整流开关mos管由nmos管mn1和pmos管mp1构成；电容由c1、c2构成；输入信号连接到比较器的同相输入端和c1的上极板；比较器的同相输入接信号，反相输入接gnd，比较器的输出接偏置产生电路的pmos管mp2的栅极；偏置产生电路的nmos管mn2的栅和漏短接并连接到整流开关nmos管mn1的栅极；开关控制电路的pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底；电容c2的上极板接整流开关pmos管mp1的源极，下极板接gnd。2.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，整流开关mos管由nmos管mn1和pmos管mp1构成，以及nmos管mn1的源极接pmos管mp1的漏极，以及nmos管mn1的漏极接gnd，pmos管mp1的源极接电容c2的上极板并作为整流输出节点。3.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，两个电容由c1和c2构成，采用金属—氧化物—金属结构的电容，电容c1的上极板接输入信号，下极板接整流开关nmos管mn1的源极和pmos管mp1的漏极，以及电容c1的下级板接开关控制电路的pmos管mp4的源极，电容c2的上极板接整流开关pmos管mp1的源极和动态偏置电路pmos管mp6的漏极以及开关控制电路pmos管mp5的源极，同时，电容的上极板作为整流输出，电容c2的下极板接gnd。4.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，比较器由开环运算放大器构成，同相输入端接输入信号，反相输入端接gnd，比较器的输出结果接偏置产生电路pmos管mp2的栅极。5.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，偏置产生电路pmos管mp2的栅极接比较器的输出，源极和衬底接vdd，漏极接nmos管mn2的漏极，nmos管mn2的漏极接pmos管mp2的漏，nmos管mn2的栅极接漏极，nmos管mn2的栅极也接整流开关nmos管mn1的栅极，nmos管mn2的源极和衬底接gnd。6.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，开关控制电路由pmos管mp3、mp4、mp5、mn3、mn4、r构成，pmos管mp3和mp5的源极接整流开关pmos管mp1的源极，以及pmos管mp3的漏极和nmos管mn4的漏极接整流开关pmos管mp1的栅极，以及pmos管mp4的源极接电容c1的下极板；pmos管mp5的栅极接pmos管mp3和mp4的栅极，pmos管mp5的衬底接vdd，以及pmos管mp4的漏极接nmos管mn3的漏极，nmos管mn3的栅极接mn4的栅极，nmos管mn3、mn4的源极和衬底接gnd，电阻的一端接pmos管mp5的漏极另一端接gnd，pmos管mp3、mp4、mp5的衬底接vdd。7.根据权利要求1所述的一种带阈值补偿的高效cmos整流电路，其特征是，衬底偏置动态调节电路由pmos管mp6、mp7构成，衬底动态调节电路的pmos管mp6的漏极和mp7的栅极接
整流开关管mp1的源极，以及pmos管mp6的栅极和mp7的漏极接整流开关管mp1的漏极，以及pmos管mp6的栅极、源极和mp7的栅极、源极接整流开关管mp1的衬底。

技术总结
本发明公开一种带阈值补偿的高效CMOS整流电路，该整流电路由两个整流开关MOS管、两个电容、比较器、偏置产生电路、开关控制电路、衬底偏置动态调节电路构成。通过比较器和开关控制电路来决定整流开关MOS管的偏置电压，整流开关MOS管导通时，提供额外的偏置电压来降低开关MOS管的开启电压，整流开关MOS管关断时，取消开关MOS管的偏置电压，从而减小整流开关MOS管的开启电压和反相电流泄露，提高电压转换效率。采用衬底偏置动态调节电路使整流开关PMOS管的衬底连接到漏极和源极之间的最高电位，防止整流开关PMOS管发生闩锁效应，同时减少衬底漏电流，进一步提高整流效率，相比传统外部偏置整流电路的电压转换效率为70％，本发明可获得90％的电压转换效率。明可获得90％的电压转换效率。明可获得90％的电压转换效率。


技术研发人员：徐卫林 李淦初 韦雪明 韦保林
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/6