CN108092256B - 一种输出动态下拉电路及过压保护开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输出动态下拉电路及过压保护开关，当输入电压检测电路输出至输出下拉驱动电路的输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值时，由输出下拉驱动电路控制第一开关管导通，进而将过压保护开关的输出端电压泄放至地，迅速拉低过压保护开关的输出端电压，确保了输出残压的有效降低。

Description

一种输出动态下拉电路及过压保护开关

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种输出动态下拉电路及过压保护开关。

背景技术

浪涌电压是超出正常工作电压的瞬间过电压，其产生的时间非常短，通常在微秒级。浪涌发生时，电压电流的大小可能是正常值的很多倍，当其超过器件的承受能力时，会直接将器件烧毁，且多个小的浪涌积累效应也会导致半导体器件性能的衰退，使其寿命缩短。

现有技术中通常通过设置一个OVP(over voltage protection，过压保护开关)来实现对于器件的过压保护；比如，图1所示为一种应用于充电接口与充电芯片之间的OVP，其前级一般还设置有一个TVS(transient voltage suppressor，瞬态抑制二极管)，用以实现输入端的浪涌吸收功能；当输入端电压超过过压保护阈值，再经过一段响应时间(即过压关断时间)之后，该OPV即可关断，以实现对于充电芯片的保护。

OVP的一项重要指标是过压保护后的输出残压，输出残压越低，对OVP后级器件的输入端应力越小。现有技术一般通过减小过压关断时间，来确保关断前的电压不会超过过压保护阈值很多，进而降低输出残压；然而由于电路响应时间的限制，过压关断时间减小到一定值后很难继续减小，导致输出残压仍然较高。

发明内容

本发明提供一种输出动态下拉电路及过压保护开关，以解决现有技术中输出残压较高的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种输出动态下拉电路，设置于过压保护开关的输出端，所述输出动态下拉电路包括：输入电压检测电路、输出下拉驱动电路及第一开关管；其中：

所述输入电压检测电路用于检测所述过压保护开关的输入端电压，生成输入电压检测信号并输出至所述输出下拉驱动电路；

所述输出下拉驱动电路用于：当满足预设条件时，控制所述第一开关管导通；所述预设条件包括所述输入电压检测信号表征所述过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值；

所述第一开关管用于导通后将所述过压保护开关的输出端电压泄放至地。

优选的，还包括：输出电压检测电路，用于检测所述过压保护开关的输出端电压，生成输出电压检测信号并输出至所述输出下拉驱动电路；

所述预设条件还包括：所述输出电压检测信号超过预设泄放阈值；所述预设泄放阈值小于预设值，使所述第一开关管在所述过压保护开关内功率开关管关断之前导通、在所述过压保护开关内功率开关管关断之后关断。

优选的，所述输出下拉驱动电路包括：对所述输入电压检测信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的偶数个非门。

优选的，所述非门的个数为4个、6个或者8个。

优选的，所述输出下拉驱动电路包括：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及对控制信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的奇数个非门；其中：

所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极均与电源相连；

所述第二开关管的栅极和所述第五开关管的栅极接收所述输入电压检测信号；

所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极接收所述输出电压检测信号；

所述第二开关管的漏极、所述第三开关管的漏极和所述第四开关管的漏极相连，连接点输出所述控制信号；

所述第四开关管的源极与所述第五开关管的漏极相连；

所述第五开关管的源极接地。

优选的，所述输出下拉驱动电路包括：比较器、与非门以及对控制信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的奇数个非门；其中：

所述比较器的同相输入端接收所述输出电压检测信号；

所述比较器的反相输入端接收预设参考值；

所述比较器的输出端与所述与非门的一个输入端相连；

所述与非门的另一个输入端接收所述输入电压检测信号；

所述与非门的输出端输出所述控制信号。

优选的，所述非门的个数为3个、5个或者7个。

优选的，所述输出电压检测电路包括：第一电阻和第二电阻；其中：

所述第一电阻的一端与过压保护开关的输出端相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连，连接点输出所述输出电压检测信号；

所述第二电阻的另一端接地。

一种过压保护开关，包括上述任一所述的输出动态下拉电路。

优选的，还包括：分压电阻模块、输入电压分压选择模块、带隙基准模块、过压比较器、欠压和过温保护模块、逻辑控制模块、功率开关管及其门极驱动电路；其中：

所述功率开关管的输入端和所述分压电阻模块的输入端均与所述过压保护开关的输入端相连；

所述分压电阻模块的输出端通过所述输入电压分压选择模块与所述过压比较器的同相输入端相连；

所述带隙基准模块分别与所述过压比较器的反相输入端及所述欠压和过温保护模块的输入端相连；

所述欠压和过温保护模块的输出端及所述过压比较器的输出端分别与所述逻辑控制模块的两个输入端相连；

所述逻辑控制模块的输出端通过所述门极驱动电路与所述功率开关管的控制端相连；

所述功率开关管的输出端与所述输出动态电路均与所述过压保护开关的输出端相连。

本发明提供的输出动态下拉电路，当输入电压检测电路输出至输出下拉驱动电路的输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值时，由输出下拉驱动电路控制第一开关管导通，进而将过压保护开关的输出端电压泄放至地，迅速拉低过压保护开关的输出端电压，确保了输出残压的有效降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内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他的附图。

图1是现有技术提供的过压保护开关的应用示意图；

图2是本发明实施例提供的过压保护开关的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的输出动态下拉电路的结构示意图；

图4是现有技术提供的过压保护开关的输出响应示意图；

图5是本发明实施例提供的过压保护开关的输出响应示意图；

图6是本发明另一实施例提供的输出动态下拉电路的结构示意图；

图7是本发明另一实施例提供的过压保护开关的输出响应示意图；

图8是本发明另一实施例提供的输出动态下拉电路的部分电路示意图；

图9是本发明另一实施例提供的输出动态下拉电路的部分电路另一示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种输出动态下拉电路，以解决现有技术中输出残压较高的问题。

参见图2，该输出动态下拉电路设置于过压保护开关的输出端OUT，该过压保护开关还包括：分压电阻模块、输入电压分压选择模块、带隙基准模块、过压比较器、欠压和过温保护模块、逻辑控制模块、功率开关管及其门极驱动电路；具体的，该输出动态下拉电路如图3所示，包括：输入电压检测电路101、输出下拉驱动电路102及第一开关管M1；其中：

输入电压检测电路101用于检测过压保护开关的输入端电压，生成输入电压检测信号并输出至输出下拉驱动电路102；

输出下拉驱动电路102用于：当满足预设条件时，控制第一开关管M1导通；预设条件包括输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值；

第一开关管M1用于导通后将过压保护开关的输出端电压泄放至地。

图4所示为现有技术中过压保护开关对于浪涌电压的响应示意图，0到t1时刻，过压保护开关的输出端电压Vout随浪涌电压上升；t1时刻，输入电压检测信号能够表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值，此时Vout＝V1；t1时刻到t2时刻为过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路响应时间，期间过压保护开关的输出端电压Vout仍旧随浪涌电压上升，从V1上升到V2；t2时刻过压保护开关内功率开关管实现关断，过压保护开关的输出端电压Vout从输出残压V2开始缓慢放电。

图5所示为本实施例中过压保护开关对于浪涌电压的响应示意图，0到t1时刻，过压保护开关的输出端电压Vout随浪涌电压上升；t1时刻，输入电压检测信号能够表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值，过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路开始响应，同时，由于满足预设条件，输出下拉驱动电路102控制第一开关管M1导通，第一开关管M1开始将过压保护开关的输出端电压Vout泄放至地，此时Vout＝V1，与图4中的V1相同，均取决于浪涌电压的上升速率和过压保护开关的输入电容、输出电容；t1时刻到t2时刻为过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路响应时间，期间过压保护开关的输入端电压仍旧随浪涌电压上升，而过压保护开关的输出端电压Vout迅速降低，从V1降低到V3；t2时刻过压保护开关内功率开关管实现关断，过压保护开关的输出端电压Vout从输出残压V3开始缓慢下降。

现有技术中的输出动态下拉电路，当输入电压检测电路101输出至输出下拉驱动电路102的输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值时，即t1时刻，过压保护开关的输出端电压Vout持续上升；而本实施例提供的该输出动态下拉电路，在t1时刻即可由输出下拉驱动电路102控制第一开关管M1导通，进而将过压保护开关的输出端电压泄放至地，迅速拉低过压保护开关的输出端电压，确保了输出残压的有效降低。

并且，由上述过程可以看出，本实施例提供的该输出动态下拉电路，t1时刻到t2时刻，过压保护开关的输入端电压仍旧随浪涌电压上升，因此，不会降低过压保护开关的输入端耐压水平，且无需减小过压保护开关的过压关断时间，即可实现输出残压的有效降低。

本发明另一实施例还提供了另外一种输出动态下拉电路，参见图6，在上述实施例及图3的基础之上，还包括：输出电压检测电路103，用于检测过压保护开关的输出端电压，生成输出电压检测信号并输出至输出下拉驱动电路102；

该预设条件还包括：输出电压检测信号超过预设泄放阈值；该预设泄放阈值小于预设值，使第一开关管M1在过压保护开关内功率开关管关断之前导通、在过压保护开关内功率开关管关断之后关断。

对于图6所示的输出动态下拉电路，该预设条件为：输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值，且，输出电压检测信号超过预设泄放阈值。也即，只有过压保护开关的输入端电压和输出端电压均超过各自的阈值时，第一开关管M1才导通，否则第一开关管M1将处于关断状态。

图7所示为本实施例中过压保护开关对于浪涌电压的响应示意图，0到t1时刻，过压保护开关的输出端电压Vout随浪涌电压上升，且t3时刻过压保护开关的输出端电压Vout上升到使输出电压检测信号超过预设泄放阈值Vth；t1时刻，输入电压检测信号能够表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值，过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路开始响应，同时，由于满足预设条件，输出下拉驱动电路102控制第一开关管M1导通，第一开关管M1开始将过压保护开关的输出端电压Vout泄放至地，此时Vout＝V1，与图4中的V1相同，均取决于浪涌电压的上升速率和过压保护开关的输入电容、输出电容；t1时刻到t2时刻为过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路响应时间，期间过压保护开关的输入端电压仍旧随浪涌电压上升，而过压保护开关的输出端电压Vout迅速降低，从V1降低到V3；t2时刻过压保护开关内功率开关管实现关断，过压保护开关的输出端电压Vout从输出残压V3继续迅速下降；直至t4时刻，过压保护开关的输出端电压Vout下降到使输出电压检测信号低于预设泄放阈值Vth，第一开关管M1关断，停止对过压保护开关的输出端电压Vout的迅速下拉，此时Vout＝V4；t4时刻之后，过压保护开关的输出端电压Vout从V4开始缓慢下降。

值得说明的是，t4时刻(停止迅速泄放)必须晚于t2时刻(过压保护开关内功率开关管关断)，以确保过压保护开关的输出端电压不会在功率开关管关断前随着输入端电压上升；而t3时刻(输出过压)可以早于t1时刻(输入过压)，也可以晚于图1时刻，图7以t3时刻早于t1时刻为例进行展示，当t3时刻晚于t1时刻时，第一开关管M1在t3时刻导通，过压保护开关的输出端电压Vout从t3时刻开始迅速泄放；但是，只要保证t3时刻早于t2时刻(过压保护开关内功率开关管关断)，即可确保对于输出过压的及时泄放，均在本申请的保护范围内。

与上述实施例相比，本实施例增加了过压保护开关的输出端电压泄放条件，以确保过压保护开关的输出端电压不会过高，同样不会降低过压保护开关的输入端耐压水平，且无需减小过压保护开关的过压关断时间，即可实现输出残压的有效降低。

本发明另一实施例还提供了几种具体的输出动态下拉电路，其一，在图5所示方案的基础之上，优选的，其输出下拉驱动电路102包括：对输入电压检测信号进行逐级放大、以控制第一开关管M1导通的偶数个非门。

比如，非门的个数可以为4个、6个或者8个，当然也可以根据具体应用环境设定为其他个数，此处不做具体限定，只要能够实现上述功能即可，均在本申请的保护范围内。

其二，在图6所示方案的基础之上，优选的，参见图8，输出下拉驱动电路102包括：第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5以及对控制信号进行逐级放大、以控制第一开关管M1导通的奇数个非门(图8以3个非门I1、I2和I3为例进行展示)；其中：

第二开关管M2的源极和第三开关管M3的源极均与电源VDD相连；

第二开关管M2的栅极和第五开关管M5的栅极接收输入电压检测信号OV；

第三开关管M3的栅极和第四开关管M4的栅极接收输出电压检测信号；

第二开关管M2的漏极、第三开关管M3的漏极和第四开关管M4的漏极相连，连接点输出该控制信号；

第四开关管M4的源极与第五开关管M5的漏极相连；

第五开关管M5的源极接地。

优选的，输出电压检测电路103包括：第一电阻R1和第二电阻R2；其中：

第一电阻R1的一端与过压保护开关的输出端相连；

第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连，连接点输出该输出电压检测信号；

第二电阻R2的另一端接地。

此方案中，电源VDD可以是过压保护开关的内部电源，输入电压检测信号OV为逻辑电平。当过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值时，输入电压检测信号OV翻高；由于浪涌电压上升速度较快，且过压保护开关内功率开关管的门极驱动电路需要一定的响应时间，因此，在过压保护开关内功率开关管受控关断之前，其输出端电压Vout存在过冲；当输出电压检测信号Vout×R2/(R2+R2)超过预设泄放阈值Vth且OV翻高同时满足时，第一开关管M1导通，工作在饱和区，产生一股较大的电流(与第一开关管M1的宽长比成正比)对输出端电压Vout进行泄放，使输出过冲显著降低，直至输出电压检测信号Vout×R2/(R1+R2)低于预设泄放阈值Vth或者过压保护开关的输入端电压低于过压保护阈值，第一开关管M1关断。

其三，在图6所示方案的基础之上，优选的，参见图9，输出下拉驱动电路102包括：比较器COMP、与非门以及对控制信号进行逐级放大、以控制第一开关管M1导通的奇数个非门(图9以3个非门I1、I2和I3为例进行展示)；其中：

比较器COMP的同相输入端接收输出电压检测信号；

比较器COMP的反相输入端接收预设参考值VREF；

比较器COMP的输出端与与非门的一个输入端相连；

与非门的另一个输入端接收输入电压检测信号OV；

与非门的输出端输出该控制信号。

优选的，输出电压检测电路103包括：第一电阻R1和第二电阻R2；其中：

第一电阻R1的一端与过压保护开关的输出端相连；

第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连，连接点输出该输出电压检测信号；

第二电阻R2的另一端接地。

此方案的工作原理与图8所示方案相同，不再赘述；与图8相比，图9中通过对输出电压检测信号与预设参考值VREF进行比较，提高了对于输出端电压Vout的检测精度，更适合应用于高精度要求的场景中。

值得说明的是，图8和图9中均以3个非门为例进行展示，实际应用中，非门的个数可以为3个、5个或者7个，当然也可以为其他个数，此处不做限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

本发明另一实施例还提供了一种过压保护开关，包括上述任一实施例所述的输出动态下拉电路。

以图2为例进行展示，该过压保护开关内还包括：分压电阻模块、输入电压分压选择模块、带隙基准模块、过压比较器、欠压和过温保护模块、逻辑控制模块、功率开关管及其门极驱动电路；其中：

功率开关管的输入端和分压电阻模块的输入端均与过压保护开关的输入端相连；

分压电阻模块的输出端通过输入电压分压选择模块与过压比较器的同相输入端相连；

带隙基准模块分别与过压比较器的反相输入端及欠压和过温保护模块的输入端相连；

欠压和过温保护模块的输出端及过压比较器的输出端分别与逻辑控制模块的两个输入端相连；

逻辑控制模块的输出端通过门极驱动电路与功率开关管的控制端相连；

功率开关管的输出端与输出动态电路均与过压保护开关的输出端相连。

当然，该过压保护开关并不一定限定于图2所示形式，还可以根据具体应用环境进行改变，只要其内部包括上述任一实施例所述的输出动态下拉电路，均在本申请的保护范围内。

该输出动态下拉电路具体的结构和工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种输出动态下拉电路，其特征在于，设置于过压保护开关的输出端，所述输出动态下拉电路包括：输入电压检测电路、输出电压检测电路、输出下拉驱动电路及第一开关管；其中：

所述输入电压检测电路用于检测所述过压保护开关的输入端电压，生成输入电压检测信号并输出至所述输出下拉驱动电路；

所述输出下拉驱动电路用于：当满足预设条件时，控制所述第一开关管导通；

所述第一开关管用于导通后将所述过压保护开关的输出端电压泄放至地；

所述输出电压检测电路用于检测所述过压保护开关的输出端电压，生成输出电压检测信号并输出至所述输出下拉驱动电路；

所述预设条件包括：输入电压检测信号表征过压保护开关的输入端电压超过过压保护阈值，且，输出电压检测信号超过预设泄放阈值；

所述预设泄放阈值小于预设值，使所述第一开关管在所述过压保护开关内功率开关管关断之前导通、在所述过压保护开关内功率开关管关断之后关断。

2.根据权利要求1所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述输出下拉驱动电路包括：对所述输入电压检测信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的偶数个非门。

3.根据权利要求2所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述非门的个数为4个、6个或者8个。

4.根据权利要求1所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述输出下拉驱动电路包括：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及对控制信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的奇数个非门；其中：

所述第二开关管的源极和所述第三开关管的源极均与电源相连；

所述第二开关管的栅极和所述第五开关管的栅极接收所述输入电压检测信号；

所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极接收所述输出电压检测信号；

所述第二开关管的漏极、所述第三开关管的漏极和所述第四开关管的漏极相连，连接点输出所述控制信号；

所述第四开关管的源极与所述第五开关管的漏极相连；

所述第五开关管的源极接地。

5.根据权利要求1所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述输出下拉驱动电路包括：比较器、与非门以及对控制信号进行逐级放大、以控制所述第一开关管导通的奇数个非门；其中：

所述比较器的同相输入端接收所述输出电压检测信号；

所述比较器的反相输入端接收预设参考值；

所述比较器的输出端与所述与非门的一个输入端相连；

所述与非门的另一个输入端接收所述输入电压检测信号；

所述与非门的输出端输出所述控制信号。

6.根据权利要求4或5所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述非门的个数为3个、5个或者7个。

7.根据权利要求4或5所述的输出动态下拉电路，其特征在于，所述输出电压检测电路包括：第一电阻和第二电阻；其中：

所述第一电阻的一端与过压保护开关的输出端相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连，连接点输出所述输出电压检测信号；

所述第二电阻的另一端接地。

8.一种过压保护开关，其特征在于，包括权利要求1-7任一所述的输出动态下拉电路。

9.根据权利要求8所述的过压保护开关，其特征在于，还包括：分压电阻模块、输入电压分压选择模块、带隙基准模块、过压比较器、欠压和过温保护模块、逻辑控制模块、功率开关管及其门极驱动电路；其中：

所述功率开关管的输入端和所述分压电阻模块的输入端均与所述过压保护开关的输入端相连；

所述分压电阻模块的输出端通过所述输入电压分压选择模块与所述过压比较器的同相输入端相连；

所述带隙基准模块分别与所述过压比较器的反相输入端及所述欠压和过温保护模块的输入端相连；

所述欠压和过温保护模块的输出端及所述过压比较器的输出端分别与所述逻辑控制模块的两个输入端相连；

所述逻辑控制模块的输出端通过所述门极驱动电路与所述功率开关管的控制端相连；

所述功率开关管的输出端与所述输出动态电路均与所述过压保护开关的输出端相连。