CN106532913A - 一种备用电源自动切换电路及半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种备用电源自动切换电路。所述备用电源自动切换电路包括主电源开关、驱动电路和备用电源开关；所述主电源开关连接在主电源和电压输出端之间的主电源路径，所述备用电源开关连接在备用电源和所述电压输出端之间的备用电源路径；其中，所述驱动电路连接到所述主电源开关，用于驱动所述主电源开关以控制其开关状态，且所述驱动电路由所述电压输出端的输出电压进行供电；所述备用电源开关的开关状态由所述主电源控制。本发明还提供一种采用上述备用电源切换电路的半导体装置。

Description

一种备用电源自动切换电路及半导体装置
【技术领域】
本发明涉及半导体及电子电路领域，特别地，涉及一种备用电源自动切换电路及采用所述备用电源自动切换电路的半导体装置。
【背景技术】
在电子系统中，为了维持供电的持续性，一般除了采用主电源供电以外，往往还需要配备一个备用电源(比如电池)。并且，主电源和备用电源之间还需要设置一个备用电源自动切换电路，该备用电源自动切换电路的主要功能是在主电源断电时使得备用电源能够迅速接入到电压输出端来给负载提供电源。
传统的备用电源自动切换电路中，主电源和备用电源分别通过二极管连接到电压输出端，由于二极管本身会产生大约0.6V的压降，因此电源系统的输出电压会低于输入电压。应当注意的是，上述压降虽然只有0.6V，但在低压系统中是不可接受的电压损失。另一种备用电源自动切换电路是采用MOS开关在主电源断电时实现供电切换，如图1所示，不过图1所示的电路在主电源V0和备用电源V1同时存在并且电压接近的时候，由于MOS开关的栅极和漏极太接近无法导通，可能会出现主电源V0和备用电源V1均无法为电压输出端Vout供电的问题，也即是在这种条件下采用图1所示的主电源和备用电源的供电切换电路无法正常地为负载供电。
因此，有必要提供一种备用电源自动切换电路及采用所述备用电源自动切换电路的半导体装置以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的其中一个目的在于提供一种可以在大幅降低开关压降的同时在主电源和备用电源的电压很接近的情况下也能正常工作的备用电源自动切换电路。
本发明的另一个目的在于提供一种采用上述备用电源自动切换电路的半导体装置。
本发明首先提供一种备用电源自动切换电路，所述备用电源自动切换电路包括主电源开关、驱动电路和备用电源开关；所述主电源开关连接在主电源和电压输出端之间的主电源路径，所述备用电源开关连接在备用电源和所述电压输出端之间的备用电源路径；其中，所述驱动电路连接到所述主电源开关，用于驱动所述主电源开关以控制其开关状态，且所述驱动电路由所述电压输出端的输出电压进行供电；所述备用电源开关的开关状态由所述主电源控制。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述主电源和所述备用电源之间的非对称的。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述主电源为系统提供的电源电压，而所述备用电源为电池，且其提供的备用电压随能量消耗而下降。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述主电源开关和所述备用电源开关均为晶体管开关。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述主电源开关包括第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的栅极连接到所述驱动电路，而其漏极和源极分别连接到所述主电源输入端和所述电压输出端；并且，所述第一PMOS晶体管的背栅极也连接到所述电压输出端。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述驱动电路包括反相器，所述反相器的输入端连接到所述主电源，而其输出端连接到所述第一PMOS晶体管的栅极。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，所述备用电源开关包括第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的栅极连接到所述备用电源，而其漏极和源极分别连接到所述备用电源输入端和所述电压输出端；并且，所述第二PMOS晶体管的背栅极也连接到所述电压输出端。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，在所述主电源提供的电源电压比所述电压输出端的输出电压高预定值时，所述第一PMOS晶体管利用自身的寄生二极管所述主电源自动给所述电压输出端进行供电；在所述备用电源提供的备用电压比所述电压输出端的输出电压高所述预定值时，所述第二PMOS晶体管利用自身的寄生二极管使得所述备用电源自动给所述电压输出端进行供电。
作为在本发明提供的备用电源自动切换电路的一种改进，在一种优选实施例中，还包括输出稳压电容，所述电压输出端通过所述输出稳压电容接地，所述输出稳压电容用于在所述主电源和所述备用电源的切换瞬间维持所述电压输出端的输出电压稳定。
本发明还提供一种半导体装置，其包括主电源、备用电源、电源切换电路和负载，所述电源切换电路采用如上所述的备用电源自动切换电路；所述电源切换电路的主电源输入端连接到所述主电源，其备用电源输入端连接到所述备用电源，且其电压输出端连接到所述负载；所述电源切换电路用于在所述主电源掉电时自动切换到采用所述备用电源为所述负载进行供电。
本发明提供的备用电源自动切换电路和半导体装置可以实现在主电源有效时正常地由所述主电源负责供电，而在所述主电源掉电时自动切换到备用电源进行供电，因此可以有效地延长所述备用电源的使用寿命，特别适合于采用电池作为备用电源的RTC系统，且具有明显的经济价值。并且，所述备用电源自动切换电路通过其电路设计可以实现无论是采用所述主电源还是所述备用电源供电都可以采用极低的系统压降输出；即使所述主电源和所述备用电源提供的电压很接近，所述备用电源自动切换电路仍然可以正常工作。另外，所述备用电源自动切换电路的电路结构简单，易于集成，且成本低廉。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为传统的主电源和备用电源的供电切换电路的电路示意图；
图2为本发明提供的备用电源自动切换电路一种实施例的电路结构示意图；
图3为本发明提供的半导体装置一种实施例的方框示意图。
【具体实施方式】
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，其为本发明提供的备用电源自动切换电路一种实施例的电路结构示意图。所述备用电源自动切换电路200主要包括主电源开关210、驱动电路230和备用电源开关220。其中，所述驱动电路230连接到所述主电源开关210的控制端，其主要用于驱动所述主电源开关210以控制其开关状态。
所述主电源开关210连接在主电源路径之中，即是连接在主电源输入端201和电压输出端203之间，且所述主电源输入端201连接到主电源V0。所述主电源V0可以为系统提供的电源电压，比如3.3V电压。所述驱动电路230控制所述主电源天关210导通或断开。
所述备用电源开关220连接在备用电源路径之中，即是连接在备用电源输入端202和所述电压输出端203之间，且所述备用电源输入端202连接到备用电源V1。所述备用电源V1可以为电池提供的备用电压。在具体实施例中，所述备用电源V1提供的备用电压可能会随着能量的消耗而逐步下降，比如电池的备用电压可能会从3V下降到1.5V，也即是说，所述备用电源V1和所述主电源V0的特性可能是不同的，二者之间是非对称的。所述备用电源开关220用于在所述主电源开关210断开或导通的时分别控制所述备用电源路径的导通或断开。
所述主电源开关210和备用电源开关220均可以采用晶体管开关来实现。比如，在图1所示的实施例中，所述主电源开关210和备用电源开关220分别采用两个PMOS晶体管，为便于描述，以下分别将所述主电源开关210和备用电源开关220采用的PMOS晶体管称为第一PMOS晶体管210和第二PMOS晶体管220。
其中，所述第一PMOS晶体管210的栅极连接到所述驱动电路230，漏极和源极分别连接到所述主电源输入端201和所述电压输出端203；并且，所述第一PMOS晶体管210的背栅极也连接到所述电压输出端203。利用所述第一PMOS晶体管210本身的寄生二极管，当所述主电源V0提供的电源电压比所述电压输出端203的输出电压Vout高大约0.6V时，无论所述第一PMOS晶体管210的背栅极电压大小，所述主电源V0会自动给所述电压输出端203进行供电。
所述第二PMOS晶体管220的栅极连接到所述备用电源V1，漏极和源极分别连接到所述备用电源输入端202和所述电压输出端203；并且，所述第二PMOS晶体管220的背栅极也连接到所述电压输出端203。利用所述第二PMOS晶体管220本身的寄生二极管，当所述备用电源V1提供的备用电压比所述电压输出端203的输出电压Vout高大约0.6V时，无论所述第二PMOS晶体管220的背栅极电压大小，所述备用电源V1会自动给所述电压输出端203进行供电。
另外，在具体实施例中，所述备用电源自动切换电路200还可以包括输出稳压电容240，所述输出稳压电容240一端连接到所述电压输出端203与所述第二PMOS晶体管220之间，另一端接地；比如，在图2所示的实施例中，所述电压输出端203可以通过所述输出稳压电容240接地。所述输出稳压电容240主要用于在所述主电源V0和所述备用电源V1的切换瞬间维护所述电压输出端203的输出电压Vout稳定。在具体实现上，所述输出稳压电容240可以是额外添加到所述备用电源自动切换电路200的实际电容元件，也可以是采用所述第一PMOS晶体管210和/或所述第二PMOS晶体管220的寄生电容形成的等效元件，且其电容值可以根据实际电路设计需要来确定。
本实施方式中，具体的，所述驱动电路230可以为反相器，其可以作为主电源的检测电路，且所述驱动电路230由所述电压输出端203的输出电压Vout进行供电。其中，所述反相器的输入端连接到所述主电源V0，而其输出端连接到所述第一PMOS晶体管210的栅极。
如图1所示，由于所述备用电源开关(即所述第二PMOS晶体管)220的栅极直接连接到所述主电源V0，因此其开关状态是由所述主电源V0提供的电源电压进行控制的。并且，如上所述，在本实施例中，所述主电源V0和所述备用电源V1之间是非对称的，因此当所述主电源V0正常供电时，所述主电源V0提供的电源电压始终高于所述备用电源V1的备用电压，因此，采用图2所示的备用电源自动切换电路200可以避免在所述主电源V0提供的电源电压正常时所述备用电源V1也同时为所述电压输出端203进行供电的情况。
为更好地理解本发明实施例提供的备用电源自动切换电路200，以下对所述备用电源自动切换电路200的工作过程进行简单介绍。
当系统刚刚启动时，所述主电源V0提供的电源电压和所述备用电源V1提供的备用电压正常，而此时所述电压输出端203的输出电压Vout为零。所述主电源V0或所述备用电源V1分别通过所述第一PMOS晶体管210和所述第二PMOS晶体管220的寄生二极管正向导通给所述电压输出端203进行供电。
当所述电压输出端203的输出电压Vout拉升到接近0.6V时，所述驱动电路230开始正常工作并输出控制信号给所述第一PMOS晶体管210。此时所述第一PMOS晶体管210导通使得所述主电源路径的连接状态正常，并且保证所述主电源输入端201和所述电压输出端203之间极低的压降。此时，所述电压输出端203的输出电压Vout不低于所述备用电源V1提供的备用电压，因此所述第二PMOS晶体管220的寄生二极管不导通；同时，由于所述第二PMOS晶体管220的背栅极受所述主电源V0的控制也不导通，因此可以有效避免所述主电源V0通过所述第二PMOS晶体管220倒灌入所述备用电源V1的可能，也不存在所述主电源V0有效时所述备用电源V1为所述电压输出端203进行供电的可能。
当所述主电源V0出现掉电时，所述主电源V0提供的电源电压变为零，此时所述第二PMOS晶体管220受控导通，保证了所述备用电源的及时介入和输出极低的压降，因此所述备用电源路径切换到连接状态，所述备用电源V1便可以及时地自动介入到供电系统并为所述电压输出端203进行供电。同时，所述第一PMOS晶体管210被所述驱动电路230及时关闭，有效地避免所述电压输出端203的输出电压倒灌入所述主电源V0的可能性。
相较于现有技术，本发明提供的备用电源自动切换电路200可以实现在主电源V0有效时正常地由所述主电源V0负责供电，而在所述主电源V0掉电时自动切换到备用电源V1进行供电，因此可以有效地延长所述备用电源V1的使用寿命，特别适合于采用电池作为备用电源V1的实时时钟(Real-time Clock,RTC)系统，且具有明显的经济价值。并且，所述备用电源自动切换电路200通过其电路设计可以实现无论是采用所述主电源V0还是所述备用电源V1供电都可以采用极低的系统压降输出；即使所述主电源V0和所述备用电源V1提供的电压很接近，所述备用电源自动切换电路200仍然可以正常工作。另外，所述备用电源自动切换电路200的电路结构简单，易于集成，且成本低廉。
基于上述备用电源自动切换电路200，本发明还提供一种半导体装置。请参阅图3，其为本发明提供的半导体装置300一种实施例的结构示意图。所述半导体装置300包括主电源310、备用电源320、电源切换电路330和负载340。
其中，所述主电源310可以为系统电源，而所述备用电源320可以是电池。所述电源切换电路330可以采用如图2所示的备用电源自动切换电路；具体地，所述电源切换电路330的主电源输入端331连接到所述主电源310，且备用电源输入端332连接到所述备用电源320，且所述电源切换电路330的电压输出端333连接到所述负载340。
所述电源切换电路330可以实现在所述主电源310掉电时自动切换到采用所述备用电源320为所述负载340进行供电，其具体电路结构和工作连接可以参照以上实施例关于所述备用电源自动切换电路200的描述，此处不再赘述。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种备用电源自动切换电路，其特征在于，包括主电源开关、驱动电路和备用电源开关，所述主电源开关连接在主电源和电压输出端之间的主电源路径，所述备用电源开关连接在备用电源和所述电压输出端之间的备用电源路径，所述驱动电路连接到所述主电源开关，用于驱动所述主电源开关以控制其开关状态，且所述驱动电路由所述电压输出端的输出电压进行供电，所述备用电源开关的开关状态由所述主电源控制。
2.根据权利要求1所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述主电源和所述备用电源的特性非对称。
3.根据权利要求2所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述主电源为电源电压，所述备用电源为电池。
4.根据权利要求1所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述主电源开关和所述备用电源开关均为晶体管开关。
5.根据权利要求4所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述主电源开关包括第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的栅极连接到所述驱动电路，其漏极和源极分别连接到所述主电源输入端和所述电压输出端，其背栅极连接到所述电压输出端。
6.根据权利要求5所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述驱动电路包括反相器，所述反相器的输入端连接到所述主电源，而其输出端连接到所述第一PMOS晶体管的栅极。
7.根据权利要求5所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，所述备用电源开关包括第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的栅极连接到所述备用电源，其漏极和源极分别连接到所述备用电源输入端和所述电压输出端，其背栅极也连接到所述电压输出端。
8.根据权利要求7所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，在所述主电源提供的电源电压比所述电压输出端的输出电压高预定值时，所述第一PMOS晶体管利用自身的寄生二极管使得所述主电源自动给所述电压输出端进行供电；在所述备用电源提供的备用电压比所述电压输出端的输出电压高所述预定值时，所述第二PMOS晶体管利用自身的寄生二极管使得所述备用电源自动给所述电压输出端进行供电。
9.根据权利要求7所述的备用电源自动切换电路，其特征在于，还包括输出稳压电容，其一端连接到所述电压输出端与所述第二PMOS晶体管之间，另一端接地，所述输出稳压电容用于在所述主电源和所述备用电源的切换瞬间维持所述电压输出端的输出电压稳定。
10.一种半导体装置，其特征在于，包括主电源、备用电源、电源切换电路和负载，所述电源切换电路采用如权利要求1至9中任一项所述的备用电源自动切换电路；所述电源切换电路的主电源输入端连接到所述主电源，其备用电源输入端连接到所述备用电源，且其电压输出端连接到所述负载；所述电源切换电路用于在所述主电源掉电时自动切换到采用所述备用电源为所述负载进行供电。
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