CN105577152A - 负载开关中的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载开关中的保护电路，包括：第一场效应管，第一场效应管的漏极与负载开关的电源连接，源极与负载开关的输出端连接；驱动电路，连接于第一场效应管的漏极和栅极之间，用于向第一场效应管提供电压；限流保护电路，连接于第一场效应管的栅极和输出端之间，用于限制第一场效应管的输出电流；以及短路保护电路，短路保护电路的第一端连接于输出端和第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据电平信号将第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值，然后交由限流保护电路继续进行限流，将输出电流限制到第二阈值。解决了相关技术中由于限流保护电路的响应时间过长而导致芯片容易损坏的问题。

Description

负载开关中的保护电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体而言，涉及一种负载开关中的保护电路。

背景技术

负载开关在实际应用中经常会遇到短路的情况，芯片内部一般都会有限流保护电路，但由于限流保护电路响应需要时间，在这段时间内，芯片短路会产生巨大的热量，导致芯片损坏。本发明解决了负载开关短路的时候，由于限流保护电路响应不及时，导致芯片损坏的问题。

图1是相关技术中负载开关短路保护电路图，如图1所示，Mnpower为芯片中的输出器件，为输出负载提供电流或电压，输入端为Vin，输出端为Vout。栅极驱动电路为Mnpower提供栅级电压，这个电压在启动过程中是很缓慢的，当流过Mnpower的电流超过限流保护的阈值时，限流保护电路起作用，将流过Mnpower的电流限制在限流保护的阈值，这个过程受电流误差放大器的带宽限制，响应会慢一些。

这样就导致了当输出端Vout发生短路时，限流保护电路中的反馈环路决定了响应时间，由于负载开关Mnpower的导通电阻通常都非常小，在限流保护电路的响应时间内，Mnpower将流过非常大的电流，很容易将负载开关烧毁或造成软损伤。

针对现有技术中负载电路中响应时间过长而容易导致负载开关烧毁或软损伤的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种负载开关中的保护电路，以至少解决相关技术中由于限流保护电路的响应时间过长而导致芯片容易损坏的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种负载开关中的保护电路，包括：第一场效应管，所述第一场效应管的漏极与所述负载开关的电源连接，源极与所述负载开关的输出端连接；驱动电路，连接于所述第一场效应管的漏极和栅极之间，用于向所述第一场效应管提供电压；限流保护电路，连接于所述第一场效应管的栅极和所述输出端之间，用于限制所述第一场效应管的输出电流；以及短路保护电路，所述短路保护电路的第一端连接于所述输出端和所述第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据所述电平信号将所述第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值。

进一步地，所述短路保护电路包括：比较器，通过脉冲电路连接于所述输出端和所述第一场效应管的栅极之间，用于当负载开关短路时，根据所述输出端的电流值和第一预设电流阈值之差产生所述电平信号；所述脉冲电路，连接于上述第一场效应管的栅极和比较器之间，用于根据所述电平信号触发产生持续的脉冲信号。

进一步地，所述短路保护电路还包括：电流采集电路，连接于所述输出端和所述比较器之间，用于采集所述输出端的电流值，并将所述电流值输出给所述比较器。

进一步地，所述短路保护电路还包括：电流处理电路，连接于所述电流采集电路和所述比较器之间，用于根据所述电流采集电路采集的所述输出端的电流值生成预设周期内的平均电流值和/或最高电流值，并将所述平均电流值和/或所述最高电流值输出给所述比较器。

进一步地，在所述电平信号为高电平信号的情况下，所述脉冲电路包括：高电平触发电路，用于根据所述高电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

进一步地，在所述电平信号为低电平信号的情况下，所述脉冲电路包括：低电平触发电路，用于根据所述低电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

进一步地，所述电路还包括：告警电路，与所述比较器连接，用于根据所述电平信号生成告警信息。

进一步地，所述驱动电路还包括：电荷泵、基准电压电路、软启动电路。

进一步地，所述限流保护电路还包括：电流检测电路，与所述输出端连接，用于检测所述输出端的电流值；电流误差放大器，连接于所述电流检测电路和所述第一场效应管的栅极之间，并与所述电流检测电路构成一个反馈环路，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二预设电流阈值之差限制所述第一场效应管的源极电流。

进一步地，所述限流保护电路包括：第二场效应管，连接于所述电流误差放大器和所述第一场效应管的栅极之间，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二电流阈值之差降低所述第一场效应管的栅极电压。

在本发明实施例中，采用一种负载开关中的保护电路，包括：第一场效应管，所述第一场效应管的漏极与所述负载开关的电源连接，源极与所述负载开关的输出端连接，驱动电路，连接于所述第一场效应管的漏极和栅极之间，用于向所述第一场效应管提供电压，限流保护电路，连接于所述第一场效应管的栅极和所述输出端之间，用于限制所述第一场效应管的源极电流，以及短路保护电路，所述短路保护电路的第一端连接于所述输出端和所述第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据所述电平信号产生脉冲信号，并在脉冲信号的持续期间将所述第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值，在脉冲信号结束后，交由限流保护电路继续进行限流，将输出电流限制到第二阈值，通过增加短路保护电路，达到了快速检测短路电流并降低源极电流的目的，从而实现了保护开关电路的技术效果，进而解决了相关技术中由于限流保护电路的响应时间过长而导致芯片容易损坏的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是相关技术中负载开关短路保护电路连接图；

图2是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路连接图；

图3是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路可选连接图一；

图4是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路可选连接图二；

图5是根据本发明实施例的短路保护电路框图；以及

图6是根据本发明实施例的限流保护电路框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或电路的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或电路，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或电路。

根据本发明实施例，提供了一种负载开关中的保护电路，图2是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路连接图，如图2所示，该保护电路包括：第一场效应管20、驱动电路22、限流保护电路24、短路保护电路26，其中，

第一场效应管20，所述第一场效应管的漏极与所述负载开关的电源连接，源极与所述负载开关的输出端连接；

可选的，第一场效应管20为芯片中的输出器件，为电路负载提供电流或电压，第一场效应管20包括栅极，源极和漏极，场效应管也可以由其他类型的晶体管代替，如三极管等。

驱动电路22，连接于所述第一场效应管20的漏极和栅极之间，用于向所述第一场效应管提供电压；

限流保护电路24，连接于所述第一场效应管的栅极和所述输出端之间，用于限制所述第一场效应管的输出电流；第一场效应管的输出电流为第一场效应管的源极电流。

短路保护电路26，所述短路保护电路的第一端连接于所述输出端和所述第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据所述电平信号将所述第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值，可选的，第一阈值可以为0A。限流保护电路24限制输出电流在第二阈值之内，第一阈值和第二阈值均为负载开关电路的安全电流，第一阈值和第二阈值可以相同或者不同。

在本发明实施例中，采用一种负载开关中的保护电路，包括：第一场效应管，所述第一场效应管的漏极与所述负载开关的电源连接，源极与所述负载开关的输出端连接，驱动电路，连接于所述第一场效应管的漏极和栅极之间，用于向所述第一场效应管提供电压，限流保护电路，连接于所述第一场效应管的栅极和所述输出端之间，用于限制所述第一场效应管的源极电流，以及短路保护电路，所述短路保护电路的第一端连接于所述输出端和所述第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据所述电平信号产生脉冲信号，并在脉冲信号的持续期间将所述第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值，在脉冲信号结束后，交由限流保护电路继续进行限流，将输出电流限制到第二阈值，通过增加短路保护电路，达到了快速检测短路电流并降低源极电流的目的，从而实现了保护开关电路的技术效果，进而解决了相关技术中由于限流保护电路的响应时间过长而导致芯片容易损坏的问题。

图3是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路可选连接图一，如图3所示，该电路图除了图2所示的所有电路外，短路保护电路26还包括：比较器30、脉冲电路32，其中，

比较器30，通过脉冲电路连接于所述输出端和所述第一场效应管的栅极之间，用于当负载开关短路时，根据所述输出端的电流值和第一预设电流阈值之差产生所述电平信号；

可选的，比较器30的第一预设电流阈值为一个电流值，当通过电路的电路接近该第一预设电流阈值时，默认此时电路已经发生短路，如第一预设电流阈值为10A，当负载开关短路时，流经第一场效应管源极的负载的输出端的电流会非常大，如果不及时限制，很有可能会对电路造成损坏，如此时输出端的电流值为12A，通过比较输出端的电流值和第一预设电流值，12A大于10A，差值大于0，比较器30输出一个持续的电平信号给脉冲电路32，该电平信号可以是高电平信号，也可以是低电平信号。

脉冲电路32，连接于上述第一场效应管的栅极和比较器之间，用于根据所述电平信号触发产生持续的脉冲信号。

可选的，脉冲电路32接收比较器30输出的持续电平信号，由电平信号触发产生脉冲，脉冲持续的时间可由用户根据负载开关电路的应用情况和工艺进行设定，如根据负载开关的后级电路允许出现电流过冲的时长，负载开关本身的工艺允许出现电流过冲的时长进行设定。该持续脉冲可以将第一场效应管的栅极电压下拉到预定的小电压值，如0V，并持续脉冲的时间，由场效应管电压控制电流的原理，栅极电压为0V的情况下，源极的电流也会被下拉到0A，以此起到了临时保护负载电路的作用。

图4是根据本发明实施例的负载开关中的保护电路可选连接图二，如图4所示，该电路图除了图3所示的所有电路外，短路保护电路26包括：电流采集电路40、电流处理电路42，其中，

电流采集电路40，连接于所述输出端和所述比较器之间，用于采集所述输出端的电流值，并将所述电流值输出给所述比较器。

电流处理电路42，连接于所述电流采集电路和所述比较器之间，用于根据所述电流采集电路采集的所述输出端的电流值生成预设周期内的平均电流值和/或最高电流值，并将所述平均电流值和/或所述最高电流值输出给所述比较器。

可选的，电流采集电路40还可以再连接一个电流处理电路42，用于按预设周期分析和处理电流采集电路40采集到的电流，在本实施例中，电流处理电路42按预设周期，如0.1S，处理采集到的输出端的电流值，由于在负载开关正常工作时，短路的情况非常少，而在负载开关工作在稳定性较差的环境中时，短路的概率相对要高一些，可以根据整个开关电路的工作场景设备分析和处理的周期，如，负载开关高负荷工作，输出端电流值比较高，连接负载电路的稳定性较差时，设置较小的预设周期，将0.1S内电流的平均值或者最高值输出给比较器30，以此减少了比较器30等电路的工作负荷。

图5是根据本发明实施例的短路保护电路框图，如图5所示，该短路保护电路26包括：高电平触发电路50、低电平触发电路52、告警电路54，其中，

高电平触发电路50，用于根据所述高电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

低电平触发电路52，用于根据所述低电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

可选的，在比较器30生成的电平信号为高电平信号的情况下，高电平触发电路50根据所述高电平信号触发产生持续的所述脉冲信号，而在在比较器30生成的电平信号为低电平信号的情况下，低电平触发电路52根据所述低电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

高电平触发电路50和低电平触发电路52可以同时设置在短路保护电路26中，也可以只设置其中一个电平触发电路，在本实施例中，当检测到输出端发生短路时，比较器30输出一个高电平的信号，高电平触发电路50是一个上升沿信号触发的脉冲下拉电路，当输出端发生短路，第一场效应管的栅极电压会立刻被拉到零，且持续脉冲的时间，使第一场效应管的源极电流降到0A。

告警电路54，与所述比较器连接，用于根据所述电平信号生成告警信息。

可选的，本发明实施例还可以包括一个告警电路54，在输出端发生短路时，在比较器输出电平信息时，发出告警消息，也可以将保护电路切换到备用的保护电路中，以保证主用电路不受短路的影响或者起到备用保护的作用。

在根据本实施例的可选实施方式中，驱动电路还包括：电荷泵、基准电压电路、软启动电路，为第一场效应管提供栅级电压，使栅极电压被拉低后重启恢复到原电压值，以保证第一场效应管的正常工作。驱动电路的基准电压电路产生一个原基准电压，通过电荷泵将基准电压升高到原基准电压加电源电压的总和，电荷泵的输出电压经过软启动电路加到第一场效应管的栅极，第一场效应管的栅极电压由0V慢慢升高到电源电压加原基准电压，进而驱动第一场效应管，使电源电压传递到输出。

图6是根据本发明实施例的限流保护电路框图，如图6所示，限流保护电路24还包括：电流检测电路60、电流误差放大器62、第二场效应管64，其中，

电流检测电路60，与所述输出端连接，用于检测所述输出端的电流值；

电流误差放大器62，连接于所述电流检测电路和所述第一场效应管的栅极之间，并与所述电流检测电路构成一个反馈环路，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二预设电流阈值之差限制所述第一场效应管的源极电流。

在本实施例中，电流检测电路60和电流误差放大器62构成的限流保护电路，速度慢，精度高，响应保护第一场效应管的源极电流的时间相对短路保护电路比较长，如，设定1A的限流保护，误差可以控制在1％以内。而短路保护电路精度低，比如设定1A的限流保护，误差控制在30％以内，但速度快。在短路保护电路的脉冲结束后，由限流保护电路继续进行限流保护，将输出电流限制到第二阈值。由于驱动电路中含有软启动电路，使得第一场效应管栅极电压变化的比较缓慢，限流保护电路的带宽可以响应过来，这样既实现了快速的短路响应，又实现了高精度的限流保护，而在相关技术的方案中，都是用限流保护电路来处理短路的问题，而本实施例是先用一个精度低、速度快的短路保护电路先进行保护，然后再交由精度高、速度慢的限流保护电路，使负载开关的短路保护同时实现了高精度和高速度的效果。限流保护电路24是由电流检测电路60路和电流误差放大器62构成的一个反馈环路，当流过第一场效应管的源极电流超过限流保护的阈值时，限流保护电路24起作用，将流过第一场效应管的电流限制在限流保护的阈值，这个过程受电流误差放大器62的带宽限制，响应会慢一些，而增加电流误差放大器带宽，则会同时增加芯片功耗并降低系统的稳定性。

可选的，本实施例还可以包括第二场效应管64，用于根据场效应管电压控制电流的原理，在电流检测电路60检测到短路电流时限制第二场效应管的源极电流，具体可以通过电流检测电路检测的电流值和第二电流阈值之差来进行判断是否短路。

其中，第二场效应管64，连接于所述电流误差放大器和所述第一场效应管的栅极之间，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二电流阈值之差降低所述第一场效应管的栅极电压。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述电路的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个电路或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或电路的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的电路可以是或者也可以不是物理上分开的，作为电路显示的部件可以是或者也可以不是物理电路，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络电路上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部电路来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能电路可以集成在一个处理电路中，也可以是各个电路单独物理存在，也可以两个或两个以上电路集成在一个电路中。上述集成的电路既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能电路的形式实现。

所述集成的电路如果以软件功能电路的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、移动终端、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负载开关中的保护电路，其特征在于，包括：

第一场效应管，所述第一场效应管的漏极与所述负载开关的电源连接，源极与所述负载开关的输出端连接；

驱动电路，连接于所述第一场效应管的漏极和栅极之间，用于向所述第一场效应管提供电压；

限流保护电路，连接于所述第一场效应管的栅极和所述输出端之间，用于限制所述第一场效应管的输出电流；以及

短路保护电路，所述短路保护电路的第一端连接于所述输出端和所述第一场效应管的源极之间，用于当负载开关短路时，输出电平信号，并根据所述电平信号将所述第一场效应管的输出电流下拉到第一阈值。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述短路保护电路包括：

比较器，通过脉冲电路连接于所述输出端和所述第一场效应管的栅极之间，用于当负载开关短路时，根据所述输出端的电流值和第一预设电流阈值之差产生所述电平信号；

所述脉冲电路，连接于所述第一场效应管的栅极和比较器之间，用于根据所述电平信号触发产生持续的脉冲信号。

3.根据权利2所述的电路，其特征在于，所述短路保护电路还包括：

电流采集电路，连接于所述输出端和所述比较器之间，用于采集所述输出端的电流值，并将所述电流值输出给所述比较器。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述短路保护电路还包括：

电流处理电路，连接于所述电流采集电路和所述比较器之间，用于根据所述电流采集电路采集的所述输出端的电流值生成预设周期内的平均电流值和/或最高电流值，并将所述平均电流值和/或所述最高电流值输出给所述比较器。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，在所述电平信号为高电平信号的情况下，所述脉冲电路包括：

高电平触发电路，用于根据所述高电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，在所述电平信号为低电平信号的情况下，所述脉冲电路包括：

低电平触发电路，用于根据所述低电平信号触发产生持续的所述脉冲信号。

7.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：

告警电路，与所述比较器连接，用于根据所述电平信号生成告警信息。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：电荷泵、基准电压电路、软启动电路。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述限流保护电路还包括：

电流检测电路，与所述输出端连接，用于检测所述输出端的电流值；

电流误差放大器，连接于所述电流检测电路和所述第一场效应管的栅极之间，并与所述电流检测电路构成一个反馈环路，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二预设电流阈值之差限制所述第一场效应管的源极电流。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述限流保护电路还包括：

第二场效应管，连接于所述电流误差放大器和所述第一场效应管的栅极之间，用于根据所述电流检测电路检测的电流值和第二电流阈值之差降低所述第一场效应管的栅极电压。