一种带阈值补偿的高效CMOS整流电路

本技术涉及集成电路，具体涉及一种带阈值补偿的高效cmos整流电路。

背景技术：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、本实用新型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。

2、为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

12、(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。因此本实用新型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，使得本实用新型的整流电路获得更高的整流效率。

13、(2)整流开关pmos管mp1的源极和漏极电位的高低是浮动的，通过本实用新型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。

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；

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；

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
本技术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％，本技术可获得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：20230627
技术公布日：2024/1/15