CN101854066A - 电源安全系统 - Google Patents

Abstract

一种电源安全系统，其特征在于，包括：一电源输入端，供连接电源；一电源输出端，供连接负载系统；一形成于基体上的第一MOS晶体管；一放大器，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的闸极；一充电输出端，供连接电池；一第二MOS晶体管，连接于所述电源输出端和所述充电输出端之间，其具有一闸极；一电源管理装置，连接所述充电输出端和所述第二MOS晶体管的闸极；一基体控制装置，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的基体；一开关，一端连接所述第一MOS晶体管的基体，另一端因应所述第三控制信号连接所述第一MOS晶体管的源极或汲极。

Description

电源安全系统

技术领域

本发明涉及一种电源安全系统，具体地说，是一种防止电流逆流的电路及方法的电源安全系统。

背景技术

使用单一交流或直流电源供电的装置缺乏可携性，使用电池供电的装置可以提高可携性，但是因为电池的蓄电量有限会增加使用上的不便。使用电源和电池供电的装置是将电源和电池并联到负载系统，并且在电池与负载系统之间串联二极管。如果使用充电电池的话，可以增加充电器，在使用交流或直流电源时，同时对电池充电，因而延长电池使用的时间，减少更换电池的频率。近来，在电池充电器中增加电源管理装置控制充电电流，不但提高充电效率、延长电池的寿命，也增加对电池的保护。然而这种充电器应用在使用电源和电池供电的装置会引起电流逆流，而充电电池的寿命与其充放电的次数有关，因此缩短了电池的寿命。如图1所示，一个此类装置包含两条电流路径，分别将交流电源ACIN和电池10并联到负载系统，负载系统中有电源转换器将电源输出端OUT上的电压V4转换为适当的电压。MOS晶体管M3控制从交流电源ACIN供应的输入电流，过电压保护装置12在电源输入端IN上的电压V2过高时关闭MOS晶体管M3。MOS晶体管M3的寄生二极管D3的负极连接电源输入端IN，让MOS晶体管M3可以在关闭时完全切断从交流电源ACIN输入的电流。MOS晶体管M1控制流向电池10的充电电流，电源管理装置14检测充电输出端BATT上的电压V6，在V6超过某个默认值时关闭MOS晶体管M1，以免电池10过度充电。MOS晶体管M1的寄生二极管D1的负极连接电源输出端OUT，在MOS晶体管M1关闭时可以让电流可以从电池10流向电源输出端OUT。不过，在这个电路中，每当电源电压V2低于电池电压V6时，便有电流从电池10流向交流电源ACIN，即使关闭MOS晶体管M1和M3，电流仍可经寄生二极管D1和D3逆流到交流电源ACIN，因而额外耗损电池10的寿命。

在电源输入端IN串联二极管D4可以避免电流从电源输出端OUT流向交流电源ACIN。但是二极管D4造成电压V4比交流电源ACIN的电压低了一个二极管的顺向偏压，因此导致对电池10的充电效率降低。

另一种避免逆向电流的方式系在MOS晶体管M1和充电输出端BATT之间串联MOS晶体管M2，其寄生二极管D2的负极连接充电输出端BATT。这种解决方式需要比较复杂的控制。当MOS晶体管M2关闭时，电池10无法供应电流，但是只要电源电压V2高于电池电压V6，仍可控制MOS晶体管M1对电池10充电。当MOS晶体管M2打开，且电源电压V2低于电池电压V6，电池10会供应电流，但是会有电流逆流到交流电源ACIN。想要完全避免电流逆流到交流电源ACIN，仍然必须串联二极管D4。此外，增加MOS晶体管M2也会降低效率。在对电池10充电时，MOS晶体管M2或其寄生二极管D2造成V6比V4额外低了一个跨压，在电池10供应电流时，MOS晶体管M2又造成V4比V6额外低了一个跨压，这些损失的电压都是造成效率降低的原因。

不论使用二极管D4或MOS晶体管M2，都会增加电路的大小和成本。尤其这两个组件都在供应电流给负载系统的路径上，必须使用功率组件，才能支持大电流。功率组件的尺寸较大，而且较昂贵，因此大幅增加电路的大小和成本。目前这些功率组件都是外接式的独立组件，无法整合到控制器芯片中，因此电路的大小和成本皆难以缩减。

在其它类似的系统中，例如使用AC/DC转接器或USB直流电源取代交流电源ACIN者，也有上述的问题。

因此已知的电源系统中存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种防止电流逆流的电路及方法的电源安全系统。

本发明的另一目的，在于提出一种效率较高的电源安全系统。

本发明的再一目的，在于提出一种电路较小、成本较低的电源安全系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种电源安全系统，其特征在于，包括：

一电源输入端，供连接电源；

一电源输出端，供连接负载系统；

一形成于基体上的第一MOS晶体管，连接于所述电源输入端和所述电源输出端之间，其具有源极、汲极和闸极；

一放大器，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的闸极，所述放大器根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压决定第一控制信号施加于所述第一MOS晶体管的闸极；

一充电输出端，供连接电池；

一第二MOS晶体管，连接于所述电源输出端和所述充电输出端之间，其具有一闸极；

一电源管理装置，连接所述充电输出端和所述第二MOS晶体管的闸极，所述电源管理装置监视所述充电输出端上的电压，据以决定第二控制信号施加于所述第二MOS晶体管的闸极，进而控制流向所述充电输出端的充电电流；

一基体控制装置，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的基体，所述基体控制装置根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压决定第三控制信号；

一开关，一端连接所述第一MOS晶体管的基体，另一端因应所述第三控制信号连接所述第一MOS晶体管的源极或汲极。

本发明的电源安全系统还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的电源安全系统，其中所述第一MOS晶体管是PMOS晶体管。

前述的电源安全系统，其中所述放大器是转导放大器，根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压之差值产生电流作为所述第一控制信号。

前述的电源安全系统，其中所述第二MOS晶体管是PMOS晶体管。

前述的电源安全系统，其中所述第二MOS晶体管具有寄生二极管，所述寄生二极管具有正极和负极分别连接所述充电输出端和所述电源输出端。

前述的电源安全系统，其中所述第三控制信号在第一状态时，所述第一MOS晶体管具有第一寄生二极管，所述第一寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输出端和所述电源输入端；所述第三控制信号在第二状态时，所述第一MOS晶体管具有第二寄生二极管，所述第二寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输入端和所述电源输出端。

一种用于电源安全系统的控制方法，所述电源安全系统具有第一MOS晶体管连接于电源输入端和电源输出端之间，以及第二MOS晶体管连接于所述电源输出端和充电输出端之间，其特征在于所述控制方法包括以下步骤：

第一步骤：监视所述电源输入端和所述电源输出端上的电压，以决定第一控制信号施加于所述第一MOS晶体管的闸极；

第二步骤：监视所述充电输出端上的电压，以决定第二控制信号施加于所述第二MOS晶体管的闸极，进而控制流向所述充电输出端的充电电流；

第三步骤：监视所述电源输入端和所述电源输出端上的电压，以决定第三控制信号，所述第三控制信号在第一状态时，所述第一MOS晶体管具有第一寄生二极管，所述第一寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输出端和所述电源输入端；所述第三控制信号在第二状态时，所述第一MOS晶体管具有第二寄生二极管，所述第二寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输入端和所述电源输出端。

本发明的用于电源安全系统的控制方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的控制方法，其中所述第一步骤中包括以下步骤：

第一步骤：比较所述电源输入端和所述电源输出端上的电压；

第二步骤：在所述电源输入端上的电压与所述电源输出端上的电压的差值小于所述默认值，所述第一控制信号控制所述第一MOS晶体管，使所述电源输出端上的电压对所述电源输入端上的电压维持一定的差值。

前述的控制方法，其中所述第二步骤中包括以下步骤：

第一步骤：比较所述充电输出端上的电压与默认值；

第二步骤：在所述充电输出端上的电压超过默认值时，所述第二控制信号关闭所述第二MOS晶体管。

前述的控制方法，其中所述第三步骤中包括以下步骤：

第一步骤：在所述第三控制信号为所述第一状态时，将所述第一MOS晶体管的基体连接其汲极；

第二步骤：在所述第三控制信号为所述第二状态时，将所述第一MOS晶体管的基体连接其源极。

采用上述技术方案后，本发明的电源安全系统具有以下优点：

1.不需要增加二极管和MOS晶体管将所述系统的电路与电源和电池分隔开来，因此提高效率。

2.缩减了所述电路的大小和成本。

3.开关和基体控制装置只需要很小的电路，而且可以整合到控制器芯片中。

附图说明

图1为已知的电源安全系统的电路示意图；

图2为本发明的实施例的电路示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

当MOS晶体管的基体和源极或汲极共点时，因其半导体结构中的PN接面，会有寄生二极管存在其源极和汲极之间。只要控制所述MOS晶体管的基体连接到源极或汲极，就可以控制MOS晶体管的寄生二极管的偏压方向。

现请参阅图2，图2是仿效图1的电路设计的实施例，如图所示，所述电源安全系统包括电源输入端IN供连接交流电源ACIN或直流电源DCIN，电源输出端OUT供连接负载系统，MOS晶体管M3连接在电源输入端IN和电源输出端OUT之间，所述放大器18连接电源输入端IN、电源输出端OUT和MOS晶体管M3的闸极，充电输出端BATT供连接电池10，MOS晶体管M1连接在电源输出端OUT和充电输出端BATT之间，电源管理装置14连接MOS晶体管M1的闸极和充电输出端BATT，切换开关20与基体控制装置22的组合用来防止电流逆流到交流电源ACIN或直流电源DCIN。

MOS晶体管M3控制从交流电源ACIN或直流电源DCIN输入的电流。放大器18监视电压V2和V4，在V2对V4的差值小于某个默认值时施加第一控制信号予MOS晶体管M3的闸极，以打开MOS晶体管M3，并使V2对V4的差值维持一定的差值。优选MOS晶体管M3使用PMOS，其在常态下是导通的，放大器18使用转导放大器，其输出的电流对MOS晶体管M3的闸极充电产生闸极电压；在V4对V2的差值小于某个默认值时，放大器18输出的电流过小产生的闸极电压不足，MOS晶体管M3因此维持导通状态。MOS晶体管M1控制流向充电输出端BATT的充电电流，电源管理装置14监视充电输出端BATT上的电压V6，据以决定第二控制信号控制MOS晶体管M1，以便控制充电电流，例如将其关闭或调整其大小。优选MOS晶体管M1使用PMOS，其在常态下是导通的。

基体控制装置22连接开关20、电源输入端IN和电源输出端OUT，其监视电压V2和V4，据以决定第三控制信号给开关20。开关20的一端连接MOS晶体管M3的基体，另一端因应第三控制信号连接到MOS晶体管M3的源极或汲极。此电源安全系统利用MOS晶体管M3中不同位置的结构衍生的第一寄生二极管D32和第二寄生二极管D34提供保护功能。

在一实施例中，基体控制装置22以比较电压V2和V4来决定第三控制信号。如果V2高于V4，第三控制信号为第一状态，令开关20将MOS晶体管M3的基体连接到其汲极，因此第一寄生二极管D32生效，其正极连接电源输出端OUT，负极连接电源输入端IN。如果V2低于V4，第三控制信号为第二状态，令开关20将MOS晶体管M3的基体连接到其源极，因此第二寄生二极管D34生效，其正极连接电源输入端IN，负极连接电源输出端OUT。因此，不论如何，都不会有电流逆流到电源ACIN或DCIN。

由于切换开关20与基体控制装置22不在电源供应电流到负载系统的路径上，因此不必使用功率组件，可以使用很小的电路，降低电路的大小和成本，而且也可以整合到控制器芯片内，即与电源管理装置14、放大器18整合在同一芯片上，更进一步降低电路的大小和成本。此外，切换开关20与基体控制装置22的操作只会选择逆偏压二极管D32或D34，不影响其它电路的运作。

在电源电压V2高于电池电压V6时，电源ACIN或DCIN供电给负载系统，同时也可以提供电流对电池10充电。当电池10充电到电压V6高于某个默认值时，第二控制信号将关闭MOS晶体管M1，停止充电。在MOS晶体管M1关闭期间，如果电池电压V6高于电源电压V2，电池10仍可经MOS晶体管M1的寄生二极管D1供应电流到电源输出端OUT。与图1的已知电路相较，图2的电路不论是由电源供电或由电池10供电，都没有额外的压降在电流路径上，而在对电池10充电时，也没有额外的压降，因此电路的效率提高了。

在集成电路中，MOS晶体管的结构是制作在井中，因此在这种情况下，所述MOS晶体管的基体是指包含所述MOS晶体管的井。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

组件符号说明

10    电池

12    过电压保护装置

14    电源管理装置

18    放大器

20    切换开关

22    基体控制装置

V2    电源电压

V4    输出电压

V6    电池电压

M1    MOS 晶体管

M2    MOS 晶体管

M3    MOS 晶体管

D1    寄生二极管

D2    寄生二极管

D3    寄生二极管

D32   寄生二极管

D34   寄生二极管

D4    二极管。

Claims (10)

1.一种电源安全系统，其特征在于，包括：

一电源输入端，供连接电源；

一电源输出端，供连接负载系统；

一形成于基体上的第一MOS晶体管，连接于所述电源输入端和所述电源输出端之间，其具有源极、汲极和闸极；

一放大器，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的闸极，所述放大器根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压决定第一控制信号施加于所述第一MOS晶体管的闸极；

一充电输出端，供连接电池；

一第二MOS晶体管，连接于所述电源输出端和所述充电输出端之间，其具有一闸极；

一电源管理装置，连接所述充电输出端和所述第二MOS晶体管的闸极，所述电源管理装置监视所述充电输出端上的电压，据以决定第二控制信号施加于所述第二MOS晶体管的闸极，进而控制流向所述充电输出端的充电电流；

一基体控制装置，连接所述电源输入端、所述电源输出端和所述第一MOS晶体管的基体，所述基体控制装置根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压决定第三控制信号；

一开关，一端连接所述第一MOS晶体管的基体，另一端因应所述第三控制信号连接所述第一MOS晶体管的源极或汲极。

2.如权利要求1所述的电源安全系统，其特征在于，所述第一MOS晶体管是PMOS晶体管。

3.如权利要求1所述的电源安全系统，其特征在于，所述放大器是转导放大器，根据所述电源输入端和所述电源输出端上的电压之差值产生电流作为所述第一控制信号。

4.如权利要求1所述的电源安全系统，其特征在于，所述第二MOS晶体管是PMOS晶体管。

5.如权利要求1所述的电源安全系统，其特征在于，所述第二MOS晶体管具有寄生二极管，所述寄生二极管具有正极和负极分别连接所述充电输出端和所述电源输出端。

6.如权利要求1所述的电源安全系统，其特征在于，所述第三控制信号在第一状态时，所述第一MOS晶体管具有第一寄生二极管，所述第一寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输出端和所述电源输入端；所述第三控制信号在第二状态时，所述第一MOS晶体管具有第二寄生二极管，所述第二寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输入端和所述电源输出端。

7.一种用于电源安全系统的控制方法，所述电源安全系统具有第一MOS晶体管连接于电源输入端和电源输出端之间，以及第二MOS晶体管连接于所述电源输出端和充电输出端之间，其特征在于所述控制方法包括以下步骤：

第一步骤：监视所述电源输入端和所述电源输出端上的电压，以决定第一控制信号施加于所述第一MOS晶体管的闸极；

第二步骤：监视所述充电输出端上的电压，以决定第二控制信号施加于所述第二MOS晶体管的闸极，进而控制流向所述充电输出端的充电电流；

第三步骤：监视所述电源输入端和所述电源输出端上的电压，以决定第三控制信号，所述第三控制信号在第一状态时，所述第一MOS晶体管具有第一寄生二极管，所述第一寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输出端和所述电源输入端；所述第三控制信号在第二状态时，所述第一MOS晶体管具有第二寄生二极管，所述第二寄生二极管具有正极和负极分别连接所述电源输入端和所述电源输出端。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第一步骤中包括以下步骤：

第一步骤：比较所述电源输入端和所述电源输出端上的电压；

第二步骤：在所述电源输入端上的电压与所述电源输出端上的电压的差值小于所述默认值，所述第一控制信号控制所述第一MOS晶体管，使所述电源输出端上的电压对所述电源输入端上的电压维持一定的差值。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第二步骤中包括以下步骤：

第一步骤：比较所述充电输出端上的电压与默认值；

第二步骤：在所述充电输出端上的电压超过默认值时，所述第二控制信号关闭所述第二MOS晶体管。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第三步骤中包括以下步骤：

第一步骤：在所述第三控制信号为所述第一状态时，将所述第一MOS晶体管的基体连接其汲极；

第二步骤：在所述第三控制信号为所述第二状态时，将所述第一MOS晶体管的基体连接其源极。

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