NMOS开关的驱动电路与电子设备的制作方法

nmos开关的驱动电路与电子设备
技术领域
1.本发明涉及电路领域，尤其涉及一种nmos开关的驱动电路与电子设备。


背景技术：

2.当通过nmos开关进行电压信号传输的时候，要使得nmos开关导通，则需要给该nmos开关的栅极加一个比nmos开关的源极电压更高的一个电压才能把该nmos开关导通，这时候就需要芯片电路产生合适的升压，通常这个升压可以用电荷泵来产生。
3.现有相关技术中，电荷泵的输出阻抗会比较大时，电荷泵输出的目标电压会被拉低，从而使得电荷泵输出的目标电压在负载变重的时候会容易被拉低较多,无法满足驱动的需求(例如无法达到栅源驱动电压，其可理解为足以驱动nmos开关的电压)。
4.针对于此，若预先设计使电荷泵的目标电压偏高，则不但会使得该电荷泵电路功耗较大，而且，还会在负载较轻的时候有可能使得电荷泵目标电压超过nmos开关的最大栅源耐压。


技术实现要素：

5.本发明提供一种nmos开关的驱动电路与电子设备，以解决难以兼顾功耗与nmos开关的栅极驱动需求的问题。
6.本发明提供了一种nmos开关的驱动电路，包括：电荷泵、切换供电模块、钳位指示模块；
7.所述切换供电模块连接所述电荷泵的第一输入端，所述电荷泵的第二输入端用于接入所述nmos开关的源极的输入电压；所述钳位指示模块分别连接所述电荷泵的输出端与所述切换供电模块，所述钳位指示模块还接入所述输入电压，所述电荷泵的输出端直接或间接连接所述nmos开关的栅极；
8.所述钳位指示模块用于：
9.在所述目标电压与所述输入电压的差值大于指定电压值时，通过对所述目标电压的钳位，将所述差值维持在所述指定电压值，并指示所述切换供电模块向所述电荷泵输出第一供电电压；
10.在所述差值小于所述指定电压值时，指示所述切换供电模块向所述电荷泵输出第二供电电压；所述第二供电电压大于所述第一供电电压；
11.所述电荷泵用于：
12.基于所接收到的当前供电电压，对所述输入电压进行升压，得到所述目标电压；其中，所述当前供电电压为所述第一供电电压或所述第二供电电压；若所述当前供电电压为所述第二供电电压，则所述目标电压与所述输入电压的差值不低于所述指定电压值。
13.可选的，所述钳位指示模块包括第一pmos管、稳压器件与指示反馈部；
14.所述第一pmos管的栅极接入所述输入电压，所述第一pmos管的源极经所述稳压器件连接所述电荷泵的输出端，所述第一pmos管的漏极经所述指示反馈部接地，所述指示反
馈部的控制端连接所述切换供电模块；
15.所述稳压器件能够在所述差值大于所述指定电压值时反向击穿；
16.所述稳压器件反向击穿时，所述指示反馈部指示所述切换供电模块输出所述第一供电电压；
17.所述稳压器件未被反向击穿时，所述指示反馈部指示所述切换供电模块输出所述第二供电电压。
18.可选的，所述指示反馈部包括第一nmos管，所述第一nmos管的栅极连接所述切换供电模块，所述第一pmos管的漏极经所述第一nmos管接地；
19.所述稳压器件反向击穿时，所述第一nmos管的电流为第一电流，所述第一nmos管通过将所述第一电流耦合至所述切换供电模块，指示所述切换供电模块输出所述第一供电电压；
20.所述稳压器件未被反向击穿时，所述第一nmos管的电流为第二电流，所述第一nmos管通过将所述第二电流耦合至所述切换供电模块，指示所述切换供电模块输出所述第二供电电压；
21.可选的，所述稳压器件包括齐纳二极管。
22.可选的，所述切换供电模块包括切换单元与降压单元；
23.所述降压单元的输入端连接电压源，所述降压单元的输出端连接切换单元，所述切换单元还分别连接所述电压源、所述电荷泵的第一输入端，以及所述钳位指示模块；
24.所述降压单元用于：
25.将所述电压源的电压降压后得到降压后电压，并将所述降压后电压输送至所述切换单元；
26.所述切换单元用于：
27.在所述差值大于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块的指示下，基于所述降压后电压而输出所述第一供电电压；
28.在所述差值小于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块的指示下，基于所述电压源的电压而输出所述第二供电电压。
29.可选的，所述切换单元包括第二pmos管、指示接收部、电流源与供电部；
30.所述第二pmos管的栅极连接所述降压单元的输出端，所述第二pmos管的源极经所述电流源连接所述电压源，所述第二pmos管的漏极经所述指示接收部接地，所述供电部的控制端连接所述第二pmos管的源极，所述供电部连接于所述电压源与所述电荷泵的第一输入端之间；
31.所述指示接收部用于：
32.在所述差值小于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块的指示下，通过所述第二pmos管的导通，令所述供电部的控制端的电压为所述降压后电压与所述第二pmos管的导通栅源电压之和，所述供电部向所述电荷泵输出所述第一供电电压；
33.在所述差值大于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块的指示下，令所述供电部上拉至所述电压源，所述供电部向所述电荷泵输出所述第二供电电压。
34.可选的，所述指示接收部包括第二nmos管，所述第二nmos管的栅极连接所述钳位指示模块，所述第二nmos管连接于所述第二pmos管的漏极与地之间；所述第二nmos管通过
自所述钳位指示模块耦合电流而被所述钳位指示模块指示。
35.可选的，所述供电部包括连接于所述电压源与所述电荷泵的第二输入端之间的第三nmos管。
36.可选的，所述降压单元为ldo。
37.根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括：第一方面及其可选方案涉及的驱动电路，以及被所述驱动电路驱动的nmos开关。
38.本发明提供的nmos开关的驱动电路与电子设备中，通过切换供电模块与钳位指示模块，可在目标电压较大时(即所述差值大于指定电压值时)，实现针对目标电压的钳位，同时，可以为电荷泵提供较低的供电电压(即第一供电电压)，在满足nmos开关驱动需求的情况下，将功耗保持在一个较低的范围；此外，本发明通过切换供电模块与钳位指示模块，还可在目标电压较小时(即所述差值小于指定电压值时)，例如因负载较重而被拉低时，及时为电荷泵提供较高的供电电压(即第二供电电压)，满足nmos开关的驱动需求。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明一实施例中nmos开关的驱动电路的构造示意图一；
41.图2是本发明一实施例中nmos开关的驱动电路的构造示意图二；
42.图3是本发明一实施例中nmos开关的驱动电路的电路示意图。
43.附图标记说明：
44.100-电荷泵；
45.200-切换供电模块；
46.210-降压单元；
47.220-切换单元；
48.221-电流源；
49.222-指示接收部；
50.223-供电部；
51.300-钳位指示模块；
52.310-稳压器件；
53.320-指示反馈部；
54.p1-第一pmos管；
55.p2-第二pmos管；
56.z1-齐纳二极管；
57.n1-第一nmos管；
58.n2-第二nmos管；
59.n3-第三nmos管。
具体实施方式
60.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
61.在本发明说明书的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“下部”、“上端”、“下端”、“下表面”、“上表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
62.在本发明说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
63.在本发明的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。
64.在本发明说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
66.请参考图1，nmos开关的驱动电路，包括：电荷泵100、切换供电模块200、钳位指示模块300。
67.所述切换供电模块200连接所述电荷泵100的第一输入端，所述电荷泵100的第二输入端用于接入所述nmos开关的源极的输入电压vin；该输入电压vin可理解为需经该nmos开关传输的电压信号的电压；
68.所述钳位指示模块300分别连接所述电荷泵100的输出端与所述切换供电模块200，所述钳位指示模块300还接入所述输入电压，所述电荷泵100的输出端直接或间接连接所述nmos开关(未图示)的栅极，以输出目标电压vcp。
69.其中，电荷泵100与nmos开关之间可以直接连接，从而直接实现驱动，也不排除电荷泵100经其他器件而驱动nmos开关的方案。
70.所述钳位指示模块300用于：
71.在所述目标电压vcp与所述输入电压vin的差值大于指定电压值(例如5.5v)时，通过对所述目标电压vcp的钳位，将所述差值维持在所述指定电压值，并指示所述切换供电模块200向所述电荷泵100输出第一供电电压；
72.在所述差值小于所述指定电压值(例如5.5v)时，指示所述切换供电模块200向所述电荷泵100输出第二供电电压；
73.所述第二供电电压大于所述第一供电电压，进而，目标电压与供电电压可适配变化，从而有助于降低电荷泵100的功耗。
74.其中，所述目标电压vcp与所述输入电压vin的差值，即(vcp-vin)的取值，可理解为nmos开关的栅源电压；
75.该差值足够大时(例如到达nmos开关的栅源驱动电压时)，可实现对nmos开关的导通驱动，其中的栅源驱动电压，可理解为足以驱动nmos开关导通的电压差；
76.其中的钳位指示模块300与切换供电模块200可以为能够实现以上功能的任意电路模块。
77.所述电荷泵100用于：
78.基于所接收到的当前供电电压vo，对所述输入电压vin进行升压，得到所述目标电压vcp；其中，所述当前供电电压为所述第一供电电压或所述第二供电电压；若所述当前供电电压为所述第二供电电压，则所述目标电压与所述输入电压的差值不低于所述指定电压值。
79.其中的电荷泵也可表征为：charge pump；本领域任意可实现以上电荷泵功能的电路，均可作为一种可选方案。
80.一种举例中，电荷泵所实现的升压满足：vcp＝vin+n*vo；
81.其中的n为升压倍数，可基于电荷泵的的具体电路而确定。vcp与vin的电压差n*vo用于作为nmos开关的栅源电压。可见，电荷泵实现了在输入电压vin基础上有n倍输入电压vo的升压，其中的n可以是大于或等于1的正整数。
82.可见，以上方案中，通过切换供电模块与钳位指示模块，可在目标电压较大时(即所述差值大于指定电压值时)，实现针对目标电压的钳位，同时，可以为电荷泵提供较低的供电电压(即第一供电电压)，在满足nmos开关驱动需求的情况下，将功耗保持在一个较低的范围；此外，本发明通过切换供电模块与钳位指示模块，还可在目标电压较小时(即所述差值小于指定电压值时，例如因负载较重而被拉低时)，及时为电荷泵提供较高的供电电压(即第二供电电压)，满足nmos开关的驱动需求。
83.其中一种实施方式中，请参考图2，所述钳位指示模块300包括第一pmos管p1、稳压器件310与指示反馈部320。
84.所述第一pmos管p1的栅极接入所述输入电压vin，所述第一pmos管p1的源极经所述稳压器件310连接所述电荷泵100的输出端，所述第一pmos管p1的漏极经所述指示反馈部320接地，所述指示反馈部320的控制端连接所述切换供电模块200(例如切换供电模块200中切换单元的指示接收部222)；
85.所述稳压器件能够在所述差值大于所述指定电压值时反向击穿；其中的稳压器件310可以采用齐纳二极管实现，也可采用具有类似功能的其他器件或器件的组合实现。
86.其中，稳压器件反向击穿条件可例如：稳压器件310的反向电压大于或等于稳压器件的反向击穿电压，即第一pmos管p1的源极电压vs_p1比目标电压vcp小，且(vcp-vs_p1)大于或等于稳压器件310的反向击穿电压，具体的，第一pmos管p1导通时，其中的源极电压vs_p1与输入电压vin的电压差即为第一pmos管p1导通时的导通栅源电压，其为一个固定值(例如约1v)，进而，反向击穿后，目标电压vcp可被钳位于输入电压vin、第一pmos管p1导通时的导通栅源电压、稳压器件310的反向击穿电压三者之和。
87.所述稳压器件310反向击穿时，第一pmos管p1导通，对应经过第一pmos管p1与指示反馈部320的电流可以为第一电流，所述指示反馈部320此时可指示所述切换供电模块200
输出所述第一供电电压；
88.所述稳压器件310未被反向击穿时，第一pmos管p1未导通，对应的，指示反馈部320的电流可以为第二电流(例如可以为接近于0的电流)，所述指示反馈部320此时可指示所述切换供电模块输出所述第二供电电压。
89.一种举例中，以图3为例，所述指示反馈部320包括第一nmos管n1，所述第一nmos管n1的栅极连接所述切换供电模块200(具体可连接其中的第二晶体管n2)，所述第一pmos管的漏极经所述第一nmos管接地；
90.所述稳压器件310反向击穿时，所述第一nmos管的电流为第一电流，所述第一nmos管通过将所述第一电流耦合至所述切换供电模块，指示所述切换供电模块输出所述第一供电电压；
91.所述稳压器件未被反向击穿时，所述第一nmos管的电流为第二电流，所述第一nmos管通过将所述第二电流耦合至所述切换供电模块，指示所述切换供电模块输出所述第二供电电压；
92.若利用第一nmos管n1与第二nmos管n2实现指示反馈与接收，则可通过第一nmos管n1与第二nmos管n2之间的尺寸比例耦合形成对应的电流；例如，第一nmos管n1与第二nmos管n2尺寸相同时，第一nmos管n1的电流为第一电流时，第二nmos管n2的电流也为第一电流，第一nmos管n1的电流为第二电流时，第二nmos管n2的电流也为第二电流，再例如，第一nmos管n1与第二nmos管n2尺寸不相同时，第一nmos管n1的电流为第一电流时，第二nmos管n2的电流也为与第一电流成比例的第三电流，第一nmos管n1的电流为第二电流时，第二nmos管n2的电流为与第二电流成比例的第四电流。
93.其他举例中，指示反馈部320也可采用电阻(或其他器件)实现，进而，第一电流作用于该电阻(或其他器件)可形成一定第一反馈电压，第二电流作用于该电阻(或其他器件)可形成第二反馈电压，通过将两种反馈电压反馈至切换供电模块200，也可实现针对切换供电模块200的指示。
94.只要能够在产生第一电流、第二电流两种情形下，在切换供电模块200反馈(或形成)不同的电参数，从而被识别为两种不同的指示，均可作为本发明实施例的一种可选方案。
95.通过以上方案，可实现所述差值大于指定电压值进而被钳位的情形，以及所述差值小于指定电压值这两种情形及时反馈给切换供电模块，从而实现电荷泵所接收到的供电电压的及时切换，有效保障低功耗与驱动需求的满足。
96.其中一种实施方式中，请参考图2，所述切换供电模块200包括切换单元220与降压单元210。
97.所述降压单元210的输入端连接电压源，所述降压单元210的输出端连接切换单元220，所述切换单元220还分别连接所述电压源、所述电荷泵的第一输入端，以及所述钳位指示模块；
98.所述降压单元210用于：
99.将所述电压源的电压vdd降压后得到降压后电压vreg，并将所述降压后电压vreg输送至所述切换单元220；
100.该降压单元210可例如通过ldo实现，其中的ldo可理解为低压差线性稳压器，其他
举例中，也可采用其他线性稳压输出电路，还可通过电压变换器、分压器件等实现。
101.所述切换单元220用于：
102.在所述差值大于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块300的指示下，基于所述降压后电压vreg而输出所述第一供电电压；
103.在所述差值小于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块的指示下，基于所述电压源的电压vdd而输出所述第二供电电压。
104.基于以上电路，可实现两种不同供电电压(即第一供电电压、第二供电电压)的输出。
105.一种实施方式中，所述切换单元220包括第二pmos管p1、指示接收部222、电流源221与供电部223。
106.所述第二pmos管p2的栅极连接所述降压单元210的输出端，所述第二pmos管p2的源极经所述电流源221连接所述电压源，所述第二pmos管p2的漏极经所述指示接收部222接地；
107.所述供电部223的控制端连接所述第二pmos管p2的源极，所述供电部223连接于所述电压源与所述电荷泵100的第一输入端之间。一种举例中，以图3所示为例，所述供电部223可以包括连接于所述电压源与所述电荷泵的第二输入端之间的第三nmos管n3，其他举例中，供电部223也可以为晶体管的组合，还利用晶体管与其他器件的组合实现，还可。
108.所述指示接收部222用于：
109.在所述差值小于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块300的指示下，通过所述第二pmos管p2的导通，令所述供电部223的控制端的电压为所述降压后电压与所述第二pmos管p2的导通栅源电压(即第二pmos管导通时的栅源电压)之和，所述供电部223向所述电荷泵100输出所述第一供电电压；
110.在所述差值大于所述指定电压值时，在所述钳位指示模块300的指示下，令所述供电部223上拉至所述电压源，所述供电部223向所述电荷泵输出所述第二供电电压，该第二供电电压可与电压源的电压vdd相同或相近。
111.一种举例中，所述指示接收部222包括第二nmos管n2，所述第二nmos管n2的栅极连接所述钳位指示模块300，所述第二nmos管n2连接于所述第二pmos管p2的漏极与地之间；所述第二nmos管n2通过自所述钳位指示模块300耦合电流，例如耦合于第一电流而在第二nmos管n2形成第一电流或第三电流，再例如耦合于第二电流而在第二nmos管n2形成第二电流或第四电流而被所述钳位指示模块指示。
112.其他举例中，若指示反馈部320采用反馈电阻，指示接收部222也可采用切换开关实现，切换开关的第一端连接第二pmos管p2，第二端经第一线路接地，第三端经第二线路接地，其中的第一线路、第二线路的功能可参照第二nmos管n2所形成的两种电流理解。
113.以下将结合图3对本发明具体举例中电路的工作过程进行详细说明：
114.输入电压vin即为要通过nmos开关的电压信号，升压泵100以输入电压vin为基础升压n倍的供电电压vo后，即可输出目标电压vcp，其可理解为：vcp＝vin+n*vo，此时，目标电压vcp与输入电压vin的电压差n*vo可用于作为nmos开关的栅源电压，当其到达nmos开关的栅源驱动电压时，可实现nmos开关的导通驱动，n*vo的取值如果设置在合理的值，则既可以使得被驱动导通的nmos开关的导通电阻足够小，又不会击穿损坏nmos开关的相关电路。
115.通常来说，电压源的电压vdd是有变化范围的，例如，便携式电子产品的实际应用场景中，电压源的电压vdd可以满足：2.7v≤vdd≤5.5v。电压源的电压vdd通过ldo(即降压单元)产生一个降压后电压vreg(例如，vreg＝2.0v，其他举例中，也可以是设别的电压值)，其可连接到第二pmos管p2的栅极，第二pmos管p2的源极跟第三nmos管n3的栅极(即供电部的控制端)连接，第二pmos管p2导通的时候，第二pmos管p2的源极电压，即第三nmos管n3的栅极电压vg_n3，其具体为降压后电压vreg与第二pmos管p2导通时的源栅电压之和(第二pmos管p2导通时的源栅电压一般为0.7v左右，为了叙述方便，可假定第二pmos管p2导通时栅源电压至少为0.7v)，第三nmos管的栅极电压vg_n3此时至少约为2.7v，那么第三nmos管n3的源极电压(即当前供电电压vo)即为第三nmos管的栅极电压vg_n3电压减去一个第三nmos管n3导通时的栅源电压。
116.其中，为了实现最优的性能，第三nmos管n3可选用本征nmos管(也可表述为native nmos管)，部分举例中，也可选用普通的增强型nmos管，若采用本征nmos管，则本征nmos管的栅源电压差为接近零即此时，vo＝vg_n3；
117.为了叙述方便设此时vo＝2.7v，当前供电电压vo电压经过电荷泵100以输入电压vin为电压基准做n倍升压即可得到电荷泵输出电压vcp＝vin+n*vo，部分举例中，此处n可以取2，即有2*vo＝5.4v。
118.所以可以给nmos开关的栅源电压为5.4v，这个电压在目前常用的5v工艺的nmos开关中就是一个比较合理的值。考虑到要使nmos开关的导通电阻尽量小以及器件的安全可靠，齐纳二极管z1(即稳压器件)的稳压电压可选4.4v左右(稳压器件也可采用类似功能的器件或器件组合)，此处第一pmos管p1此时的导通源栅电压约1v，所以vcp-vin大于5.4v时候，齐纳二极管z1就会反向击穿，设流过第一nmos管n1的电流为i1，若第一nmos管n1与第二nmos管n2尺寸相同，可实现相同规格的nmos管的镜像电流关系，此时第一nmos管n1的电流i1与第二nmos管n2的电流i2相同，即：i2＝i1；电流源221的电流i0可被配置为：令电流i2大于电流源的电流i0，进而可使得第二pmos管p2开始被导通，此时第二pmos管p2的导通源栅电压约为0.7v，即第三nmos管的栅极电压vg_n3约为vreg+0.7v＝2.7v，则vo＝2.7v，可得vcp-vin＝5.4v；可见，通过这个反馈环路可使得：vcp-vin》5.4v的时候，vcp-vin会被拉回到5.4v，如果当目标电压vcp被负载拉低(比如被nmos开关的栅极负载拉低)导致vcp-vin《5.4v时，齐纳二极管z1不会被反向击穿，此时流过第一nmos管n1的电流i1接近零，即镜像得到的第二nmos管n2的电流i2也接近零，i2《i0，那么第三nmos管n3的栅极电压vg_n3就会被电流源i0拉到电压源的电压vdd，此处若选本征nmos管作为第三nmos管n3，所以，此时vo＝vdd，而vdd≥2.7v，进而得到vcp-vin》＝5.4v，此时又会被钳位。
119.通过上述分析可见，不管目标电压vcp的负载如何变化导致目标电压vcp变大或变小，vcp-vin都会被拉到维持在5.4v左右稳定，此时，该5.4v可理解为一种指定电压值。
120.本发明实施例还提供了一种电子设备，包括以上所提及的驱动电路与nmos开关，所述nmos开关可被驱动电路驱动。
121.在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一种实施例”、“具体实施过程”、“一种举例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
122.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。