CN101946383A - 用于提供过电压保护的方法及其电路 - Google Patents

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CN101946383A CN2008801271840A CN200880127184A CN101946383A CN 101946383 A CN101946383 A CN 101946383A CN 2008801271840 A CN2008801271840 A CN 2008801271840A CN 200880127184 A CN200880127184 A CN 200880127184A CN 101946383 A CN101946383 A CN 101946383A
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Abstract

一种双向过电压保护电路和用于阻止电流在其中流动的方法。双向过电压保护电路包括耦合到锁定电路的调节器，其中调节器和锁定电路耦合成接收输入信号并耦合到充电控制电路。反向路径控制电路具有耦合成接收控制信号的输入和耦合到充电控制电路的输出。多晶体管开关电路耦合到正向控制电路。优选地，每个n沟道MOSFET的栅极耦合到充电控制电路，漏极耦合在一起，而一个n沟道MOSFET的源极耦合到输入，且另一n沟道MOSFET的源极耦合到双向过电压保护电路的输出。

Description

用于提供过电压保护的方法及其电路
技术领域
本发明通常涉及半导体部件，尤其是涉及过电压保护电路。
背景技术
过去，半导体工业使用各种方法和结构来在应用中形成功率管理电路，这些方法包括给电子产品例如便携式电话内部的电池充电，以及给外部附件例如耳机提供功率。在大多数情况下，功率管理电路包括过电压保护电路，该过电压保护电路保护连接到电源的系统以及从过电压情况耦合到系统的负载。功率管理电路的一个例子是具有零件号bq24316的过电压保护电路，该过电压保护电路由得克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments Incorporated制造。图1示出具有现有技术的过电压保护电路12例如bq24316以及具有连接到连接器14的输入和通过充电器18耦合到电源16的输出的便携式电话10。一般电源16是电池组。充电器18的输出和电源16连接到其它系统部件20。附属电源22与充电器18并联耦合。在一个配置中，便携式电话10耦合到向便携式电话10提供电流IBF的交流电(AC)适配器24。在此配置中，充电器18被启动，附属电源22被禁用，且电流IBF从AC适配器24流经连接器14和过电压保护电路12以给电源16充电并向系统部件20提供功率。图2示出过电压保护电路12的结构图。在图2中示出的是耦合在过电压保护电路12的输入和输出之间的场效应晶体管30。场效应晶体管30具有体二极管32。此外，图2示出耦合到场效应晶体管30的栅极驱动电路34以及耦合在场效应晶体管30的一个载流电极和栅极驱动电路34之间的偏压电路36。图3示出可选的现有技术配置，其中AC适配器24由外部附件26例如耳机代替。在配置中，充电器18被禁用而附属电源22被启动。电流IBF从电源16流经附属电源22和过电压保护电路12以驱动外部附件26。
在工作中，当在连接器14处的电压，例如墙壁适配器的输出电压高时，体二极管32被反向偏置。此外，如果墙壁适配器的输出电压在锁定电路(lockout circuit)所确定的欠电压锁定/过压锁定(UVLO/OVLO)窗内部，则栅极驱动电路34使场效应晶体管30的栅极偏置，使得电流在过电压保护电压12的输入和输出之间流动。然而，如果墙壁适配器被移除且过电压保护电路12的输出电压高，例如当电池给附件供电时，则体二极管32被正向偏置，且过电压保护电路12的输入呈现等于Vout-0.7伏的电压。在正常工作中，仅当等于Vout-0.7伏的电压大于欠电压锁定参考电平时，栅极驱动电路34才使场效应晶体管30的栅极偏置以传导电流。在此条件下，反向电流IBR完全流经过电压保护电路12。在反向模式被启动的情况下，附属电源22被包括以使电流从充电器18分流来增加来自电池的过电压输出可利用的电压。因此，附属电源22用作升压直流-直流(DC-DC)变换器。
因此，有用于保护系统或附属设备的过电压保护电路和方法是有利的，该过电压保护电路和方法不对用于向附属电源提供电压的电源提出限制。该电路和方法实现起来有时间和成本效益是进一步有利的。
附图说明
结合附图理解，从下面的详细描述的阅读中将更好地理解本发明，在附图中相似的参考符号表示相似的元件，且其中：
图1是现有技术的过电压保护电路在充电工作期间的结构图；
图2是现有技术的过电压保护电路的电路图；
图3是图1的现有技术的过电压保护电路在辅助供电工作期间的结构图；
图4示出根据本发明的实施方式的过电压保护电路的结构图；
图5是图4的过电压保护电路的欠电压和过电压锁定电路的电路示意图；以及
图6是根据本发明的实施方式的耦合成驱动附件的图4的过电压保护电路的结构图。
具体实施方式
通常，本发明提供了用于阻止电流在过电压保护电路中流动的方法和结构。根据本发明的一个实施方式，在输入节点处提供输入信号且响应于充电控制信号和输入信号而产生从输入节点流到输出节点的充电电流。充电电流的电流路径被阻挡且流经输出节点的附属驱动电流响应于附属驱动控制信号而产生。附属驱动电流从输出节点流到输入节点。因此，附属驱动控制信号停止或阻止电流从输出流到输入，并通过过电压保护电路控制电流消耗。
根据本发明的另一实施方式，双向过电压保护电路包括耦合到锁定电路的电压调节器，其中调节器和锁定电路耦合成接收输入信号。电压调节器和锁定电路耦合到充电控制电路。充电控制电路也称为正向路径控制电路。附属驱动电路具有耦合成接收控制信号的输入和耦合到充电控制电路的输出。附属驱动电路也称为反向路径控制电路。多晶体管开关电路耦合到充电控制电路，其中多晶体管开关电路可包括一对集成的功率n沟道MOSFET(n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)。优选地，每个n沟道MOSFET的栅极耦合到充电控制电路，漏极被耦合在一起，以及一个n沟道MOSFET的源极耦合到输入且另一n沟道MOSFET的源极耦合到双向过电压保护电路的输出。
根据本发明的另一实施方式，双向过电压保护电路包括能够调节输入电压的正向多晶体管开关控制电路、反向多晶体管开关控制电路和多晶体管开关电路。正向多晶体管开关控制电路具有多个输入和多个输出，其中一个输入耦合成接收输入电压，而反向多晶体管开关控制电路具有多个输入和一个输出，其中该输出耦合到正向多晶体管开关控制电路。多晶体管开关电路具有多个输入和耦合到正向多晶体管开关控制电路的多个载流电极。多晶体管开关电路的输入耦合到正向多晶体管开关控制电路的相应输出，且多晶体管开关电路的载流电极耦合成接收输入电压。
根据本发明的另一实施方式，双向过电压保护电路包括正向和反向信号路径。正向信号路径具有输入和输出，其中充电信号响应于充电控制信号而从输入传播到输出。反向信号路径具有输入和输出，其中附属驱动信号响应于附属驱动控制信号而在反向方向传播。反向方向不同于正向方向。双向过电压保护电路进一步包括产生充电和附属驱动控制信号的控制电路。
图4是根据本发明的实施方式的过电压保护电路100的结构图。在图4中示出的是电压调节器102和锁定电路104，其分别具有通常耦合到彼此并用于在输入101处接收输入电压VIN的输入106和108。输入101也称为输入节点。电压调节器102的输出110连接到锁定电路104的输入112和控制电路120的输入118。锁定电路104的输出122连接到控制电路120的输入124。控制电路120具有分别连接到开关电路130的输入132和134的输出126和128，并且被称为正向多晶体管开关控制电路。开关电路130的导体136共同分别连接到电压调节器102和锁定电路104的输入106和108，且开关电路130的导体138连接到控制电路140的输入142。输出信号VOUT出现在输出节点143。控制电路140也称为反向多晶体管开关控制电路，而输出143也称为输出节点。此外，控制电路140具有耦合成从例如便携式电话的中央处理单元接收控制信号(VCNTR)的输入148、连接到电压调节器102的输出110的输出144以及耦合到锁定电路104的输入146的输出145。当过电压保护电流100工作在反向方向时，控制电路140通过输出144向控制电路120的输入提供控制信号，并且它通过输出145向移除欠电压锁定(UVLO)的输入146提供控制信号。
作为例子，控制电路120包括耦合到栅极驱动电路156的电荷泵152和耦合到栅极驱动电路156的逻辑电路154。电荷泵152的输入用作控制电路120的输入118，逻辑电路154的输入用作控制电路120的输入124，以及栅极驱动电路156的输出分别用作控制电路120的输出26和128。开关电路130由功率场效应晶体管160和162组成，其中当功率场效应晶体管160和162是功率MOSFET时，每个晶体管都具有源极和漏极电极以及栅极电极。更具体地，功率场效应晶体管160的源极和栅极电极分别用作导体136和开关电路130的输入132，且功率场效应晶体管162的源极和栅极电极分别用作导体138和开关电路130的输入134。应注意，晶体管的源极和漏极电极也称为载流电极，而晶体管的栅极电极也称为控制电极。体二极管166从晶体管160的源极到漏极形成，而体二极管168从晶体管162的源极到漏极形成。
图5是包括耦合为微分对的一对晶体管170和172的锁定电路104的电流示意图。因此，晶体管170和172的源极电极连接在一起，而栅极电极用作微分对的输入。漏极电极连接到电流镜174。晶体管176的漏极连接到晶体管170和172的源极，晶体管176的源极耦合成接收工作电位源例如VSS，而晶体管176的栅极连接到n沟道场效应晶体管178的栅极。晶体管178的源极电极耦合成接收工作电位源VSS。晶体管178的栅极电极连接到p沟道场效应晶体管180的漏极电极，晶体管180的源极电极耦合成接收工作电位源例如VREG，而晶体管180的栅极电极连接到晶体管172的漏极电极。晶体管178和180的漏极电极连接到一串三个串联连接的逆变器182、184和186。P沟道场效应晶体管180用作电平移位电路。来自逆变器184的输出信号是欠电压锁定信号VUVL，而来自逆变器186的输出信号是补偿的欠电压锁定信号VBUVL。
锁定电路104进一步包括耦合为微分对的一对晶体管190和192，其中晶体管190和192的源极电极连接在一起，而栅极电极用作微分对的输入。晶体管170的栅极电极耦合成通过电阻器173接收工作电位源VSS并通过电阻器177在输入节点101接收输入电压VIN，而晶体管192的栅极电极耦合成通过电阻器193接收工作电位源VSS并通过电阻器197在输入节点101接收输入电压VIN。优选地，晶体管172和190的栅极电极通常连接到彼此并用于接收参考电压VREF。因此，微分对170和172以及微分对190和192比较输入电压VIN的一部分与参考电压VREF，以分别产生欠电压和过电压锁定阈值电压VUVL和VOVL。晶体管190和192的漏极电极连接电流镜194。晶体管196的漏极电极连接到晶体管190和192的源极电极，晶体管196的源极电极耦合成接收工作电位源VSS，而晶体管196的栅极电极连接到n沟道晶体管198的栅极和漏极电极。晶体管198的漏极电极连接到p沟道晶体管200的漏极电极，而晶体管198的源极电极耦合成接收工作电位源VSS。晶体管200的源极和栅极电极耦合成分别接收电压VREG和偏置电压VBIAS。晶体管190的漏极电极连接到p沟道晶体管202的栅极电极，而晶体管198的漏极电极连接到n沟道晶体管204的栅极电极。晶体管202和204的漏极电极连接在一起，晶体管204的源极电极连接到工作电位源VSS，而晶体管202的源极电极耦合成接收电压VREG。晶体管202和204的漏极电极连接到一串两个逆变器206和208。P沟道场效应晶体管202用作电平移位电路。来自逆变器206的输出信号是过电压锁定信号VOVL，而来自逆变器208的输出信号是补偿的过电压锁定信号VBOVL。
图6是根据本发明的实施方式的耦合成驱动附件220的过电压保护电路100的结构图。附件220可在输入节点101处连接到共同连接的端子106和108以及导体136，而充电器221在输出节点143处连接到共同连接的导体138和控制电路140的输入142。电池222和其它系统部件224可连接到充电器221。电路例如CPU 230连接到控制电路140的输入148且可配置成禁用控制电路140并控制锁定电路104。
在工作中，当AC适配器(未示出)代替附件而在输入节点101处连接到共同连接的端子106和108以及导体136时，AC适配器向电压调节器102和锁定电路104提供电信号。如果出现在共同连接的端子106和108以及导体136上的电压大于过电压锁定阈值电压VBOVL，则电压调节器102、锁定电路104和控制电路120产生驱动信号，该驱动信号使开关电路130在正向方向，即，从输入101到输出143或反向方向，即，从输出143到输入101变成非传导的。更具体地，逻辑电路154从锁定电路104接收指示输入电压VIN的值的信号。如果输入电压VIN在欠电压/过电压阈值窗内，则输入124处的信号启动栅极驱动电路156以对电荷泵152的输出信号敏感。在这种情况下，在栅极驱动电路156的输出126和128处的信号遵循电荷泵152的输出值并驱动开关160和162的栅极，以便它们传导。因此，开关是打开的。当输入电压VIN低于欠电压锁定阈值窗或高于过电压锁定阈值，即，在欠电压/过电压阈值窗之外时，输入124处的信号驱动逻辑电路154以向栅极驱动电路156提供使它拉低开关160和162的栅极处的电压的信号，从而关断或接通开关160和162并阻止流经开关160和162的电流。
当附件例如耳机或存储卡连接到共同连接的端子106和108以及导体136时，CPU 230启动控制电路140，该控制电路140禁用锁定电路104并向控制电路120提供辅助电源路径。响应于来自CPU 230的控制信号，控制电路140产生从输出143到控制电路120的输入的电流路径，即，控制电路140提供用于通过输出从电池222给电路的核心供电的路径。
到现在应认识到，提供了用于阻止电流在双向过电压保护电路中流动的电路和方法。双向过电压保护电路的优点是，它允许比先前的电路大的输入电压摆幅。双向过电压保护电路允许当输入电压低时的电流流动，且期望有从禁用状态到启动状态的过渡。根据本发明的实施方式，配置了两个n沟道MOSFET，所以其体效应或体二极管在背对背或面对面配置中以使电流流动实质上完全停止。此外，控制电路140从输出节点对n沟道MOSFET提供栅极驱动电路，并使从输出节点到输入节点的电流流动畅通。
虽然这里公开了某些优选实施方式和方法，从前述公开对本领域技术人员来说很明显，可对这样的实施方式和方法进行变化和更改而不偏离本发明的实质和范围。意图是本发明应仅被限制到由所附权利要求以及适用法律的规则和法则所要求的程度。

Claims (20)

1.一种双向过电压保护电路，包括：
调节器，其具有输入和输出；
锁定电路，其具有第一输入和第二输入以及输出，所述锁定电路的所述第一输入耦合到所述调节器的所述输入并耦合成接收输入信号；
第一控制电路，其具有第一输入和第二输入以及第一输出和第二输出，所述第一输入耦合到所述调节器的所述输出，而所述第二输入耦合到所述锁定电路的所述输出；
第二控制电路，其具有第一输入和第二输入以及输出，所述第一输入耦合成接收控制信号，而所述输出耦合到所述第一控制电路的所述第一输入；
第一晶体管，其具有控制电极以及第一载流电极和第二载流电极，所述第一载流电极耦合成接收所述输入信号，而所述控制电极耦合到所述第一控制电路的所述第一输出；以及
第二晶体管，其具有控制电极以及第一载流电极和第二载流电极，所述控制电极耦合到所述第一控制电路的所述第二输出，所述第二晶体管的所述第一载流电极耦合到所述第一晶体管的所述第二载流电极，所述第二晶体管的第二载流电极耦合到所述第二控制电路的所述第二输入。
2.如权利要求1所述的双向过电压保护电路，其中所述第一控制电路包括：
电荷泵，其具有输入和输出；
逻辑电路，其具有输入和输出，所述输入耦合到所述锁定电路的所述输出；以及
栅极驱动电路，其具有第一输入和第二输入以及第一输出和第二输出，所述第一输入耦合到所述电荷泵的所述输出，所述第二输入耦合到所述逻辑电路的所述输出，所述第一输出耦合所述第一晶体管的所述控制电极，以及所述第二输出耦合到所述第二晶体管的所述控制电极。
3.如权利要求2所述的双向过电压保护电路，其中所述锁定电路包括：
第一微分对，其具有第一载流电极和第二载流电极以及第一控制电极和第二控制电极；
第一电流镜，其耦合到所述第一微分对的所述第一载流电极和第二载流电极；
第一电平移位电路，其具有控制电极和载流电极，所述控制电极耦合到所述第一微分对的所述第二载流电极；以及
第一多个串联连接的逆变器，其耦合到所述第一电平移位电路的第一载流电极。
4.如权利要求3所述的双向过电压保护电路，其中所述锁定电路进一步包括：
第二微分对，其具有第一载流电极和第二载流电极以及第一控制电极和第二控制电极；
第二电流镜，其耦合到所述第二微分对的所述第一载流电极和第二载流电极；
第二电平移位电路，其具有控制电极和载流电极，所述控制电极耦合到所述第二微分对的所述第二载流电极；以及
第二多个串联连接的逆变器，其耦合到所述第二电平移位电路的第一载流电极。
5.如权利要求4所述的双向过电压保护电路，其中所述第一多个串联连接的逆变器包括三个串联连接的逆变器，而所述第二多个串联连接的逆变器包括两个串联连接的逆变器。
6.如权利要求2所述的双向过电压保护电路，其中所述调节器的所述输出耦合到所述锁定电路的所述第二输入。
7.如权利要求2所述的双向过电压保护电路，其中所述第一晶体管和第二晶体管是N沟道场效应晶体管。
8.如权利要求1所述的双向过电压保护电路，还包括耦合到所述第二晶体管的所述第二载流电极的充电器。
9.如权利要求1所述的双向过电压保护电路，其中所述调节器的所述输出耦合到所述锁定电路的所述第二输入。
10.一种双向过电压保护电路，包括：
正向多晶体管开关控制电路，其能够调节输入电压，所述正向多晶体管开关控制电路具有第一输入和第二输入以及第一输出和第二输出，所述第一输入耦合成接收所述输入电压；
反向多晶体管开关控制电路，其具有第一输入和第二输入以及输出，所述输出耦合到所述正向多晶体管开关控制电路；以及
多晶体管开关电路，其具有第一输入和第二输入以及第一载流电极和第二载流电极，所述第一输入和第二输入分别耦合到所述正向多晶体管开关控制电路的所述第一输入和第二输出，以及所述第一载流电极耦合成接收所述输入电压。
11.如权利要求10所述的双向过电压保护电路，其中所述多晶体管开关电路包括：
第一晶体管，其具有控制电极以及第一载流电极和第二载流电极，所述控制电极耦合到所述正向多晶体管开关控制电路的所述第一输出，所述第一晶体管的所述第一载流电极用作所述多晶体管开关电路的所述第一载流电极；以及
第二晶体管，其具有控制电极以及第一载流电极和第二载流电极，所述第二晶体管的所述控制电极耦合到所述正向多晶体管开关控制电路的所述第二输出，所述第二晶体管的所述第一载流电极耦合到所述第一晶体管的所述第二载流电极，而所述第二晶体管的所述第二载流电极耦合到所述反向多晶体管开关控制电路的所述第一输入。
12.如权利要求11所述的双向过电压保护电路，其中所述正向多晶体管开关控制电路包括：
调节器，其具有耦合成接收所述输入电压的输入；以及
栅极驱动电路，其耦合到所述调节器，所述栅极驱动电路具有第一输出和第二输出，所述栅极驱动电路的所述第一输出和第二输出用作所述正向多晶体管开关控制电路的所述第一输出和第二输出。
13.如权利要求12所述的双向过电压保护电路，其中所述正向多晶体管开关控制电路还包括具有第一输入和第二输入以及输出的锁定电路，所述第一输入耦合成接收所述输入电压，以及所述输出耦合到所述栅极驱动电路。
14.如权利要求13所述的双向过电压保护电路，其中所述反向多晶体管开关控制电路的所述输出耦合到所述锁定电路的所述第二输入。
15.如权利要求13所述的双向过电压保护电路，其中所述锁定电路包括：
第一微分对，其具有第一载流电极和第二载流电极以及第一控制电极和第二控制电极；
第一电流镜，其耦合到所述第一微分对的所述第一载流电极和第二载流电极；
第一电平移位电路，其具有控制电极和载流电极，所述控制电极耦合到所述第一微分对的所述第二载流电极；
第一多个串联连接的逆变器，其耦合到所述第一电平移位电路的第一载流电极；
第二微分对，其具有第一载流电极和第二载流电极以及第一控制电极和第二控制电极；
第二电流镜，其耦合到所述第二微分对的所述第一载流电极和第二载流电极；
第二电平移位电路，其具有控制电极和载流电极，所述控制电极耦合到所述第二微分对的所述第二载流电极；以及
第二多个串联连接的逆变器，其耦合到所述第二电平移位电路的第一载流电极。
16.如权利要求10所述的双向过电压保护电路，进一步包括：
充电器，其耦合到所述正向多晶体管开关控制电路的所述第二输出；以及
附属电路，其耦合到所述正向多晶体管开关控制电路的所述第一载流电极。
17.如权利要求10所述的双向过电压保护电路，还包括耦合到所述充电器的电池。
18.一种用于阻止电流在过电压保护电路中流动的方法，包括：
在第一节点处提供输入信号；
响应于所述输入信号而产生流经所述第一节点的第一电流；其中所述第一电流响应于第一控制信号而从所述第一节点流到第二节点；
响应于第二控制信号而阻止所述第一电流流到所述第二节点；以及
响应于所述第二控制信号而产生流经所述第二节点的第二电流，其中所述第二电流从所述第二节点流到所述第一节点。
19.如权利要求18所述的方法，其中
产生所述第一电流的所述步骤包括产生沿着第一电流路径流动的所述第一电流；以及
产生所述第二电流的所述步骤包括产生沿着第二电流路径流动的所述第二电流。
20.如权利要求19所述的方法，还包括使用所述第一电流来给耦合到所述过电压保护电路的电源充电，以及使用所述第二电流来驱动耦合到所述过电压保护电路的附件。
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