CN103001617A - 真反向电流阻断设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于开关的真反向电流阻断设备、系统和方法。所述设备可包括：PMOS开关，其包括源端口、漏端口、栅端口和n阱区域；耦合到所述源端口的输入电压端口；耦合到所述漏端口的输出电压端口；耦合到所述栅端口的开关控制端口；以及比较器电路系统，其被配置为将所述输入电压端口处的输入电压和所述输出电压端口处的输出电压进行比较并且选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值。所述比较器电路系统可以进一步被配置为将所选择的最大值耦合到所述n阱区域。

Description

真反向电流阻断设备、系统和方法
技术领域
本申请涉及一种反向电流阻断系统，具体地说，涉及一种真反向电流阻断系统。
背景技术
负载开关通常将电源与一待供电的装置(负载)链接起来，并且基于开关信号提供开关控制，以便将负载与电源连接或断开。可由负载开关控制的示例性负载包括便携装置，比如，电话、数码相机、媒体播放器、全球定位系统(GPS)接收器和便携式游戏。然而，负载开关可能针对从负载返回到电源的反向电流仅提供有限的保护或甚至不提供保护，这会破坏灵敏和/或贵重的元件。当开关处于关断(off)或断开(open)状态时，缺乏反向电流保护是特别常见的。
发明内容
总体来说，本申请提供了一种用于功率负载开关中的真反向电流阻断的系统。负载开关可被用于将在所述负载开关的输入端口处的直流电源与在所述负载开关的输出端口处的需要接收功率的负载连接或断开。负载开关还提供了防止电流从负载回流的反向电流阻断(RCB)形式的保护，所述负载被连接到负载开关的VOUT端口以及负载开关的输入端口VIN，即电压源。这种反向电流如果不被阻断，则会损坏负载开关的输入侧处的电源或其他电路。这在电池供电应用中被特别关注。根据本申请的实施例，无论负载开关的状态是断开或闭合(即，接通(ON)或关断(OFF))，反向电流阻断均被提供。这种无论开关是接通或关断都提供保护的RCB被称为真反向电流阻断(TRCB)。
附图说明
所要求保护的主题的特征和优点将从以下与之相符的实施例的具体描述中变得显而易见，对实施例的描述应当参照附图来考虑，在附图中：
图1示出了与本申请各个实施例相符的顶层框图；
图2示出了与本申请各个实施例相符的电路图；
图3示出了与本申请各个实施例相符的电路图；
图4示出了与本申请各个实施例相符的功能框图；
图5示出了与本申请相符的另一示例性实施例的操作的流程图。
尽管下列具体实施方式中将参照说明性的实施例来进行阐述，但是该实施例的许多替代、变更以及变型对于那些本领域技术人员来说将变得显而易见。
具体实施方式
总体来说，本申请提供了一种用于功率负载开关中的真反向电流阻断的系统。负载开关可被用于将在所述负载开关的输入端口处的直流电源与在所述负载开关的输出端口处的需要接收功率的负载连接或断开。负载开关还提供了防止电流从负载回流的反向电流阻断(RCB)形式的保护，所述负载被连接到负载开关的VOUT端口以及负载开关的输入端口VIN，即电压源。这种反向电流如果不被阻断，则会损坏负载开关的输入侧处的电源或其他电路。这在电池供电应用中被特别关注。根据本申请的实施例，无论负载开关的状态是断开或闭合(即，接通(ON)或关断(OFF))，反向电流阻断均被提供。这种无论开关是接通或关断都提供保护的RCB被称为真反向电流阻断(TRCB)。
TRCB能够被广泛用于包括通用串行总线(USB)电源设计在内的各种应用中，其中期望通过反向电流阻断来保护USB主机不受USB的总线电压线(VBUS)上的反向电流的损害。其中TRCB开关可能有用的其他应用包括个人数字助理(PDA)手持设备、移动电话、全球定位系统(GPS)手持设备、数码相机、外围端口及附件、便携式医疗器械以及热插拔用品(hot-swapsupplies)。
图1示出了与本申请相符的一个示例性实施例的顶层系统图100。所示为具有TRCB能力的负载开关106，将在下面更详细地被描述。负载开关106被耦合到电压源102，在某些实施例中，电压源102可以是电池，向负载开关106的输入端口提供输入电压Vin 112。负载开关还被耦合到负载108，所述负载108通过提供输出电压Vout 114的输出端口被供电。负载开关106能够在由控制器电路104提供的开关控制信号110的控制下工作，所述开关控制信号110能够致使负载开关106断开或闭合。所述控制器电路104可以是与电源102、负载108或任何其他欲用于控制所述负载开关的合适设备相关联的电路系统。无论开关106断开或闭合，负载开关106的TRCB能力都为电源102提供反向电流阻断保护。
图2示出了与本申请的各个实施例相符的电路图200。电路图200示出了TRCB电路202，所述TRCB电路202包括p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)开关204、比较器206以及二极管D1208和D2 210。还示出了开关输入电压Vin 112和输出电压Vout 114，所述输出电压Vout 114被耦合到输出负载108，该输出负载108的模型被构造为包括Rout和Cout的电阻器-电容器(RC)网络。PMOS开关204具有源端口230、漏端口234和栅端口232。栅极232控制从源极230流向漏极234的电流。换言之，如果栅极232被接通，那么开关204被导通并且电路将从Vin 112流向Vout 114。如果栅极232被关断，那么开关204被截止并且通过所述开关的电流将基本上被阻断。但是实际上，即使开关204被关断，当Vout 114大于Vin 112时，PMOS开关仍会呈现出能够导致反向电流泄漏的寄生二极管效应。所述寄生二极管效应由存在于COMS工艺中的体二极管产生。
比较器206被配置为监视和比较Vin 112和Vout 114并且生成Vmax输出236，其中Vmax输出236被设置为Vin 112和Vout 114的较大者。Vmax 236被连接到开关204的n阱区域236，使得所述开关的p-n结中的一个(与具有Vin 112和Vout 114中的较高电压的一侧)被短接。例如，如果开关204被关断并且Vout 114大于Vin 112，那么Vmax236将被设置为Vout 114，导致二极管D2被短路，同时二极管D1阻断在从Vin 114到Vout 112的方向上的电流。
比较器206还生成了RCB标志212，该RCB标志212用信号表示当Vout 114大于Vin 112时，反向电流被阻断。该RCB标志212在逻辑模块218处与接通(ON)信号110逻辑组合，以在反向电流被阻断期间使接通信号110无效。这通过防止开关204在Vout 114大于Vin 112时被接通提供了额外的TRCB保护。
图3示出了与本申请的各个实施例相符的电路图300。电路图300较详细地示出了比较器206的一个实施例。电路模块306实施了对信号Vout 114和Vin112进行操作的比较器电路系统的级联实现。级联比较器被配置成两级放大器。两个放大级改进了输入-输出隔离，该输入-输出隔离减小了通过比较器的反向电流泄漏的可能性。可提供微调电阻器308以校准比较器。可提供迟滞电路310能够，以尤其是在最大值安定在Vout 114或Vin 112之前在Vout 114和Vin 112之间来回反复的过渡时期，防止Vmax信号236的误触发。迟滞电路通常防止输入端口处的状态变化传播到输出端口，除非输入端口已经在预定或可选择的一段时间内保持不变。
图4示出了与本申请的各个实施例相符的系统400的功能框图。系统400是在一具有支持电路系统的应用中TRCB开关202的一种实现的实施例。直流电源可以被连接到Vin 112，并且负载可以被连接到Vout 114。开关控制信号可以被连接到接通端口110以导通或截止TRCB开关202，并且从而允许电流从所述直流电源流向所述负载或者不从所述直流电源流向所述负载。该开关控制信号可以连同来自上电复位单元404、软启动单元406、过热关断单元410、基于振荡器的定时发生器412和限流器单元的输入被控制逻辑模块218处理。过热关断单元410监视电路的超温状况并且将这种超温状况用信号发送给控制逻辑单元218。限流器单元418监视流过TRCB开关202的电流的过流状况，并且也将这种过流状况用信号发送给控制逻辑单元218。在正常工作状况下，控制逻辑单元218将根据接通端口110处的开关控制信号来导通或截止TRCB开关202。在异常工作状况下，例如超温或者过流的状况下，不管接通端口110处的开关控制信号的状态如何，控制逻辑单元218均可截止TRCB开关202，并且可在必要时在故障(Fault)端口428处生成故障信号以将这种状况用信号发送给外部组件。在(由基于振荡器的定时发生器412确定的)适当时延后，控制逻辑单元218可执行开关的自动重启。
图5示出了与本申请相符的另一示例性实施例的操作500的流程图。在操作510中，将PMOS开关的源端口处的输入电压与PMOS开关的漏端口处的输出电压进行比较。在操作520中，选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值。在操作530中，将所选择的输入电压和输出电压中的最大值耦合到所述PMOS开关的n阱区域。在一些实施例中，PMOS开关的栅端口可响应于检测到所述输出电压超过所述输入电压而被截止。
因此，本申请提供了用于开关的执行真反向电流阻断(TRCB)的设备、系统和方法。根据一个方面，提供了一种设备。所述设备可以包括PMOS开关，该PMOS开关包括源端口、漏端口、栅端口和n阱区域。该实例中的设备还可以包括耦合到所述源端口的输入电压端口。该实例中的设备可以进一步包括耦合到所述漏端口的输出电压端口。该实例中的设备可以进一步包括耦合到所述栅端口的开关控制端口。该实例中的设备可以进一步包括比较器电路，其被配置为将所述输入电压端口处的输入电压和所述输出电压端口处的输出电压进行比较并且选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值，所述比较器电路系统进一步被配置为将所选择的最大值耦合到所述n阱区域。
根据另一个方面，提供了一种方法。所述方法可以包括：将PMOS开关的源端口处的输入电压和所述PMOS开关的漏端口处的输出电压进行比较。该实例中的方法还可以包括选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值。该实例中的方法可以进一步包括将所选择的最大值耦合到所述PMOS开关的n阱区域。
根据又一个方面，提供了一种系统。所述系统可以包括：TRCB开关，其包括PMOS开关，该PMOS开关包括源端口、漏端口、栅端口和n阱区域。该实例中的TRCB开关还可以包括耦合到所述源端口的输入电压端口。该实例中的TRCB开关可以进一步包括耦合到所述漏端口的输出电压端口。该实例中的TRCB开关可以进一步包括耦合到所述栅端口的开关控制端口。该实例中的TRCB开关可以进一步包括比较器电路，其被配置为将所述输入电压端口处的输入电压和所述输出电压端口处的输出电压进行比较并且选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值，所述比较器电路进一步被配置为将所选择的最大值耦合到所述n阱区域。该实例中的TRCB开关还可以包括过热关断电路，其被配置为监视所述TRCB开关的温度，并且响应于所监视到的温度超过预定阈值而关断所述TRCB开关。该实例中的TRCB开关可以进一步包括限流电路，其被配置为监视通过所述TRCB开关的电流，并且响应于所监视到的电流超过预定义的阈值而关断所述TRCB开关。
如这里所使用的那样，术语“标称”的使用在指代量时，含义为规定量或理论量，其可能与实际量不同。
这里所描述的方法的实施例可以在系统中实现，该系统包括以独立或组合的方式存储有指令的一个或多个存储介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时实现这些方法。这里，处理器可以包括例如系统CPU(例如，核心处理器)和/或可编程电路。因而，根据这里所描述的方法的操作旨在可以分布在多个物理装置上，比如在几个不同的物理位置上的处理结构。而且，该方法操作旨在可以以独立或者子组合的方式实现，正如本领域技术人员所理解的那样。因此，并非每一流程图的所有的操作都需要被执行，并且本申请明确指出这些操作的所有子组合也能实现，正如本领域技术人员所理解的那样。
存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)，可擦写压缩光盘(CD-RW)，数字多用光盘(DVD)和磁光盘)，半导体装置(比如只读存储器(ROM)，诸如动态和静态的RAM之类的随机存取存储器(RAM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁卡或光卡)，或者适合于存储电子指令的任一类型的介质。
术语“开关”可以用MOSFET开关(例如，单独的NMOS和PMOS元件)、BJT开关、二极管和/或其他本领域已知的开关电路实现。另外，在这里的任一实施例中所使用的“电路系统”或“电路”可以以单个或以任一组合的方式包括例如硬线电路、可编程电路、状态机电路，和/或包括在更大系统中的电路，例如，包括在集成电路中的元件。
这里所使用的术语和表述被用做描述而不是限制，并且在使用这些术语和表述时无意于排除所示和所描述特征(或其部分的)的任何等同物，并且应该认识到，各种变化可能包含在权利要求的范围内。因此，该权利要求旨在涵盖所有此类等同物。各种特征、方面、以及实施例在这里已经被描述，该特征、方面以及实施例可相互结合并且可变型和修改，正如本领域技术人员所能理解的那样。因此，本发明公开内容应该被认为包括了这些组合、变型和修改。

Claims (18)

1.一种真反向电流阻断设备，包括：
PMOS开关，其包括源端口、漏端口、栅端口和n阱区域；
耦合到所述源端口的输入电压端口；
耦合到所述漏端口的输出电压端口；
耦合到所述栅端口的开关控制端口；以及
比较器电路系统，其被配置为将所述输入电压端口处的输入电压和所述输出电压端口处的输出电压进行比较，并且选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值，所述比较器电路系统进一步被配置为将所选择的最大值耦合到所述n阱区域。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步被配置为：响应于所述比较器电路系统检测到所述输出电压超过所述输入电压，关断所述栅端口。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：将所述源端口耦合到所述n阱区域的第一二极管，以及将所述漏端口耦合到所述n阱区域的第二二极管。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述比较器电路系统为包括二级放大器在内的级联比较器。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步被配置为：响应于所述比较器电路系统检测到所述输出电压超过所述输入电压，将所述输入电压端口与所述输出电压端口解耦。
6.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：迟滞电路，其被配置为减少响应于信号噪声所生成的开关事件。
7.一种真反向电流阻断方法，包括：
将PMOS开关的源端口处的输入电压和所述PMOS开关的漏端口处的输出电压进行比较；
选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值；以及
将所选择的最大值耦合到所述PMOS开关的n阱区域。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：响应于检测到所述输出电压超过所述输入电压，关断所述PMOS开关的栅端口。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：将第一二极管耦合在所述源端口和所述n阱区域之间，并且将第二二极管耦合在所述漏端口和所述n阱区域之间。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述比较由包括二级放大器在内的级联比较器来执行。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：响应于检测到所述输出电压超过所述输入电压，将所述源端口与所述漏端口解耦。
12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：将迟滞电路配置为减少响应于信号噪声所生成的开关事件。
13.一种真反向电流阻断系统，包括：
真反向电流阻断开关，其包括：
PMOS开关，其包括源端口、漏端口、栅端口和n阱区域；
耦合到所述源端口的输入电压端口；
耦合到所述漏端口的输出电压端口；
耦合到所述栅端口的开关控制端口；以及
比较器电路系统，其被配置为将所述输入电压端口处的输入电压和所述输出电压端口处的输出电压进行比较，并且选择所述输入电压和所述输出电压中的最大值，所述比较器电路系统进一步被配置为将所选择的最大值耦合到所述n阱区域；
过热关断电路，其被配置为监视所述真反向电流阻断开关的温度，并且响应于所监视到的温度超过预定阈值而关断所述真反向电流阻断开关；以及
限流电路，其被配置为监视通过所述真反向电流阻断开关的电流，并且响应于所监视到的电流超过预定义的阈值而关断所述真反向电流阻断开关。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述真反向电流阻断开关进一步被配置为：响应于所述比较器电路系统检测到所述输出电压超过所述输入电压而关断所述栅端口。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述真反向电流阻断开关进一步包括：将所述源端口耦合到所述n阱区域的第一二极管和将所述漏端口耦合到所述n阱区域的第二二极管。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述比较器电路系统为包括二级放大器在内的级联比较器。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述真反向电流阻断开关进一步被配置为：响应于所述比较器电路系统检测到所述输出电压超过所述输入电压而将所述输入电压端口与所述输出电压端口解耦。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述真反向电流阻断开关进一步包括：迟滞电路，其被配置为减少响应于信号噪声所生成的开关事件。
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