CMOS 电路具有成本低、功耗低、速度快等优点。各种接口电路，如 USB ， IEEE　1394 ， RS422/485等，均可采用CMOS工艺实现 。接口电路通常采用 CMOS功率开关作输出缓冲电路。在实际应用环境中，接口电路经常受到反向电压的冲击，因此，必须设计相应的反向电压保护电路。当接口电路遭受反向电压冲击时，接口电路端口电压高于电源电压，此时，保护电路将 CMOS功率开关与端口冲击电压隔离，从而保证接口电路的安全。提出一种简洁有效的保护电路。该电路可自动选择 CMOS 功率开关的衬底和栅极偏置电压，从而抑制反向电流，保障器件安全。这种保护电路没有与CMOS功率开关串联，因此电路的输出驱动能力和功耗效率不受影响。该电路应用于一款接口电路芯片，采用0.6 μ m 标准CMOS数字工艺设计，制作的电路实现了 12V 反向电压保护，获得了良好的效果。

反向电压典型过压保护电路

普通CMOS接口电路输出级如图1所示。图1中，

和

为 CMOS开关管漏极 － 衬底之间的寄

生二极管。正常工作时， D1和 D2均处于反向截止状态。但在实际电子系统中，经常存在部分元器件掉电、其他元器件正常供电的情况。此时，

为 0，而

通过电子系统其他器件可以获得一个正电压。在此情况下，器件输出端遭受反向电压，即输出端电压高于电源端电压， 将正向导通，并会流过较大电流，影响器件安全。

为了解决反向电压问题，通常采用二极管进行保护 ，如图2所示。但是，二极管的存在导致器件输出摆幅下降，影响了器件输出驱动能力。同时，二极管的引入也增大了输出导通电阻，影响输出级的瞬态特性。采用 MOS管替代二极管，但为了降低 MOS管导通电阻，采用较大宽长比的MOS管，因此占用了较大的版图面积，影响了芯片的性价比。

为了解决输出摆幅问题，提出一种 N阱浮置结构，其原理如图3所示。该结构采用 N 阱浮置电路为输出级PMOS管的衬底提供合理偏置，抑制寄生二极管的导通。当

为0，输出端

通过外界获得某正电压偏置时， M3导通，外界电压通过 M3到达 M2的栅极。由于栅极、漏极电位相等，M2关断。此时， M1的栅极为0 ，所以 M1关断，隔离了外界电压对器件内部的影响。但是，当电路正常工作、V in 输入高电平时， M1 的栅极、源极电位均为电源电压， M1处于关断状态，此时 M1导通电阻极大，严重影响电路的时间特性。

反向电压反向电压保护电路工作原理

反向电压保护电路由衬底电压保护电路和栅极电压保护电路组成，其基本原理如图4所示。

MP1和 MN1组成器件输出级，

端为输出端。 MP2和 MP3组成衬底电压保护电路，该单元为正反馈结构。对输出端口电压

和器件电源端电压

进行比较，选择相对较高的电压为 MP1的衬底电位。此外，正反馈电路响应速度快，能够及时为 MP1～MP3 ， MP6提供合理的衬底电位，保证电路具有良好的抗闩锁能力。图4中， MN2～MN4和 MP4～MP7构成栅极电压保护电路。当电源电压为0时，如果

为某个正电压，那么 MP4 / MN2为反相器结构，其输出为高电平， MP6 关断； MN3 导通使MN4 的栅极电位为0 ，从而关断 MN4， MP7导通。 MP7导通使其源漏电压相等， MP1的栅极电位与衬底电位相等，均为

，将 MP1完全关断，保障了器件的安全。当器件电源电压

正常时，如果器件遭受反向电压冲击，使

高于

，则 MP1衬底电位选择为

；合理调节 MN2和 MP4的宽长比，可以使MN2 / MP4的输出电压与

跟随，关断开关对管MN4和 MP6 ， MP7导通，将 MP1的栅极电位与衬底电位均设置为

，从而关断 MP1 ，实现输出端反向电压保护。

当器件正常工作时，电源电压 V dd 正常，

为0～

之间的某个电压，此时衬底电压保护电路将选择电源电压

为 MP1衬底电位； MP4 / MN2反相器输出为低电平， MP6 导通； MP5 / MN3 反相器输出为高电平， MN4导通， MP7关断。输入信号

经过开关对管 MN4 / MP6 到达 MP1 栅极电位，实现了电路的正常功能。由于开关对管的导通电阻远小于 PMOS 开关管。此外，电路正常工作时，反相器 MP4 / MN2 ， MP5 / MN3 均处于关断状态，不会增加电路的静态功耗。

反向电压电路验证及试验结果

该反向电压保护电路用于某接口电路，采用0．6μ m 标准 CMOS 工艺设计流片。在 Cadence 环境下，分别对电源掉电和电源电压正常时器件的工作状态进行仿真。图5中所示为

=0时 MP1的栅极电位（

）、衬底电位（

）与输出端电压（

）的跟随曲线。可以看出，

和

能够理想地跟随

电压，保证了输出CMOS功率开关的器件安全。图5-1所示为电源电压正常时（

=3．3V ）的输入（

）、输出（

）瞬态波形。

输出高电平与电源电压相等，说明本文所设计的反向电压保护电路不会影响器件输出幅度；输入输出信号之间跟随良好，说明电路具有良好的瞬态响应特性。该保护电路共有 9 个 MOS 管，电路结构简单，占用版图面积较小。采用 0．6 μ m 标准 CMOS 工艺设计规范进行版图设计，如图6所示。

对流片得到的芯片进行测试，器件电源电压

=0时，输出端加0～12V 电压，测试输出端灌入器件端口的电流，结果均小于 1 μ A 。测试结果表明，本文提出的保护电路在 CMOS 功率开关承受最大12V 反向电压时能够提供良好保护。

反向电压结论

提出了一种反向电压保护电路。该电路为CMOS功率开关提供了合理的栅极、衬底偏置电位，电路结构简单，版图面积小，不影响电路输出驱动能力和电路静态功耗，适用于各种接口电路，可实现反向电压保护功能。该电路采用0．6 μm 标准CMOS 工艺流片，实现了 12V 反向电压保护，获得了良好的反向电压保护效果。 2100433B