CN108259030A - 一种自动根据输入选择功率路径的开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，包括连接在至少两个输入电压源和一个输出负载之间的开关电路，控制导通时对输出负载的浪涌电流，包括：一个第一功率PMOS负载开关，至少一个额外功率PMOS负载开关，每个额外功率PMOS负载开关均具有独立的输入电压源；一个系统控制块；一个输入VCC选择模块，连接到每个输入电压源，用于确定至少两个输入电压源中具有最高的电压电势的一个，并向系统控制块发送控制信号，用于系统控制块选择第一功率PMOS负载开关或者是额外功率PMOS负载开关连接到输出负载。本发明可以控制在导通时对输出负载的浪涌电流。

Description

一种自动根据输入选择功率路径的开关装置
技术领域
本发明涉及一种自动根据输入选择功率路径的开关装置。
背景技术
随着现代便携式系统变得更加灵活和复杂，能够利用所有可用来保持移动设备充电或供电的选项成为了一种需求。这些充电选项可以是墙上充电器（最常见的）或无线充电系统或USB兼容输入端口。但最近出现了一种需要通过使用近场通信（NFC）来为移动设备的某些部分供电的需求。在这些应用中，用于接收移动设备的电源可以来自于NFC发射设备。在所有这些应用中，需要能够在不同的电源输入源之间切换，以能够向移动设备提供电源。功率多路复用器已经在其他应用中使用，比如在正常VCC电压和高电压（HV）输入之间切换，以便于对可编程逻辑器件或EEPROM器件进行读操作或写操作。然而，绝大多数的这些应用，均要求用户用一个单独的选择引脚来决定从一个输入或者另一个输入的选择。最近，已经引入了下述产品：只要输入中的其中一个高于UVLO（欠电压锁定）阈值，尽管另一个没有，其就会选择两个输入中的一个。如果两个输入都超过UVLO阈值，则用户必须再次使用单独的选择输入引脚来通知器件哪个输入优先连接到输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动根据输入选择功率路径的开关装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，包括与设备输出负载VOUT端上连在一起的两个功率PMOS负载开关，同时两个功率PMOS开关均具有独立的输入电压源VIN1和VIN2。每一个功率PMOS负载开关中还具有子电路，所述子电路允许功率功率PMOS负载开关的体节点在其源极或其漏极处被连接到最高电势，并以此作为反向电流阻断（RCB）开关，使得当VOUT电压大于VIN电压时，阻止任何反向电流流回到VIN引脚。输入VCC选择模块选择VIN1和VIN2中的最高输入电压为控制系统提供电源，并且使用该电压对芯片中的其余电路供电。输入VCC选择模块的输出结合两个外部输入信号SEL和EN，通过适当配置EN输入引脚和SEL输入引脚的输入，该器件可以设置为自动输入检测模式或手动选择模式。当EN输入和SEL输入二者处于低电平时将使得器件被关闭，并且使两个输入与VOUT断开连接。在该模式下，可以使用下拉电阻器来确保输出电压接地。
在自动切换模式下，SEL输入设置为逻辑低电平，并且EN输入设置为逻辑高电平。此时，该系统可以自动选择VIN1或VIN2中的任意一个较高的电压接入到VOUT引脚。如果用户选择手动操作模式，则SEL引脚设置为逻辑高电平，EN引脚用于在VIN1或VIN2之间选择，并将其中一个连接到VOUT。
进一步地，可以添加更多的输入端并适当地扩展控制表以覆盖这些额外的输入情况，例如诸如过压保护（OVP）、过流保护（OCP）和热关断的附加特征。
本发明的有益效果是：
（1）本发明可以控制在导通时对输出负载的浪涌电流，具体地：每一个功率PMOS负载开关，包括负载开关栅极、负载开关源极和负载开关漏极，对输出负载的浪涌电流从所述负载开关源极传递到所述负载开关漏极，并且浪涌电流通过所述负载开关栅极上的负载开关控制电压来控制；其中，系统控制块连接到每个功率PMOS负载开关中的栅极，向所述功率PMOS负载开关提供所述负载开关控制电压
（2）在本发明的最简单的实施例中，可以通过上述常规方法控制，手动选择两个输入电压中的哪一个应当被连接到输出，或者替代地，器件可以被设置成一种模式，在该模式中，将自动选择与其他输入电压相比处于最高电压电势的输入电压，并将该输入电压连接到输出。该技术允许内置一些智能，并且减少来自用户或处理器的控制负担。在NFC应用的情况下，移动设备可以处于深度睡眠模式以节省电力；然而，NFC通信器件能够访问移动设备的某些部分，比如SIM卡，该系统能够自动检测NFC器件能量的系统，并且切换到其功率输入以完成事项。
附图说明
图1是本发明的总体框图。
图2是本发明用于EN和SEL输入引脚的选择表结构示意图。
图3是本发明用于自动开关序列的时序图。
图4是本发明输入VCC选择模块在VIN1和VIN2之间切换的子电路示意图。
图5是本发明中功率PMOS开关体节点在输入输出间切换以防止反向电流的流动，也就是RCB的电路示意图。
图6是本发明一个实施例的包含欠压锁定电路UVLO的电路示意图。
图7是本发明一个实施例的包含热关断电路TSD的电路示意图。
图8是本发明一个实施例的包含输出端过流保护电路OCP的电路示意图。
图9是本发明一个实施例的包含输入端过压保护电路OVP的电路示意图。
图10是本发明一个实施例的包含输入端过流保护电路OCP的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
图1示出了总体系统框图，其包括尺寸相同的一对功率PMOS负载开关（SW1和SW2）、输入VCC选择模块、从输入VCC选择模块以及两个外部输入SEL和EN接收输入以便于控制两个功率PMOS负载开关的行为的系统控制块（Control Block）、以及可选的下拉电阻器控制电路。每一个功率PMOS负载开关与反向电流阻断开关（RCB）相连，控制PMOS晶体管体节点的行为以执行反向电流阻断。而在另外一个实施例中，可以被拓展为多个输入源和多个功率PMOS负载开关，SEL输入为1个，EN的数量N为由输入源数量M决定，2N-1<M<=2N。
其可以控制在导通时对输出负载的浪涌电流，具体地：每一个功率PMOS负载开关，包括负载开关栅极、负载开关源极和负载开关漏极，对输出负载的浪涌电流从所述负载开关源极传递到所述负载开关漏极，并且浪涌电流通过所述负载开关栅极上的负载开关控制电压来控制；其中，系统控制块连接到每个功率PMOS负载开关中的栅极，向所述功率PMOS负载开关提供所述负载开关控制电压。
功率PMOS负载开关SW1和SW2在内部被作为复用器连接，即是，系统拥有VIN1和VIN2两个输入，并且只有一个输出VOUT。复用器系统由系统控制块根据图2所示的表来控制。对于第一情况，输入信号EN和SEL二者被设置为逻辑低电平，此时SW1和SW2都处于断开状态， VIN1和VIN2与输出引脚VOUT断开连接。对于第二种情况，EN输入引脚设置为逻辑高电平，此时芯片进入自动输入选择模式。在该模式下，VOUT引脚处的输出电压的由在VIN1和VIN2输入引脚之间连接的SEL模块来控制。输入VCC选择模块的简化示意图在图4中示出。输入VCC选择模块用于确定两个输入通道中的哪一个具有最高的电压电势，如图4所示，输入VCC选择模块包括一对PMOS开关和比较器电路。比较器测量在VIN1引脚和VIN2引脚之间的电压差，然后选择其中的高电压连接到VCC电源电压的的输入引脚上。输入VCC选择模块还向系统控制块发送一个控制信号，用于控制器选择功率PMOS负载开关SW1还是SW2被连接到VOUT。
自动输入选择的操作如图3所示。当EN输入引脚被设置为高电平并且SEL输入引脚被设置为逻辑低电平时，VIN1和VIN2引脚通电。当VIN1上升到UVLO阈值以上时，VOUT引脚在时间点T1通过SW1连接到VIN1上。此时，VIN2电压开始上升。当VIN2变得大于VIN1时，系统控制块检测到该改变，并且在时间点T2将输入电压从VIN1切换到VIN2，使VOUT引脚跟随VIN2输入。当VIN2上的输入电压降低，系统检测到VIN1比VIN2的电压高时，在时间点T3，VOUT再次切换回VIN1。当EN输入引脚设置为逻辑低电平时，两个负载开关与其各自的输入电压断开连接，并且VOUT引脚上处的电压通过下拉电阻器放电到零伏。
由于VIN1和VIN2之间不能相互串流，因此，功率PMOS负载开关设计有反向电流阻断电路，如图5所示。在图5中，功率PMOS负载开关有一个浮空的体节点，使用跨接在源极端和漏极端上的电压比较器，判断功率PMOS负载开关的源漏端电压高低，来切换体二极管，从而使得体二极管阻断可能在源极和漏极之间流动的任何反向电流。功率PMOS负载开关SW1和SW2都连接有一个RCB电路。
在本发明的另一实施例中，图7示出了包括欠压锁定（UVLO）功能，防止部件以低于额定电压进行操作。只要两个输入中的一个高于UVLO阈值电平，电路将正常操作。
此外，本发明可以增加额外的保护特征，通过检测芯片温度来提供SW1或SW2中的任何一个到输出引脚的功率路径的热保护，该芯片温度可能是在器件的输出引脚处的过电流状况的指示。在该情况下，如果芯片温度超过150℃，热关断电路（TSD）将被启动，系统控制块断开两个功率PMOS负载开关，以使输出负载与VIN1和VIN2断开连接。由于TSD电路具有热滞后，只有管芯温度低于125℃时，功率开关才会重新连接到输出，连接方式如图8所示。
在图9所示的过流保护电路中，使用过流保护功能（OCP）来监控有效负载开关SW1和SW2的电流，当电流超过某一电流阈值时，将减少输出端的负载电流。如图10所示为本发明的另一个实施例，使用过压保护电路（OVP）来保护输入电压。可以在VIN1通道或VIN2通道或同时使用两个通道，运用过压保护电路（OVP）和过流保护电路（OCP）的各种组合来实现许多其他实施例。
尽管在此参考优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将容易地理解，在不脱离预期的精神和范围的情况下，其他应用可以替代本文所阐述的那些。

Claims (8)

1.一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，包括连接在至少两个输入电压源和一个输出负载之间的开关电路，控制导通时对输出负载的浪涌电流，其特征在于：包括：
一个第一功率PMOS负载开关，所述第一功率PMOS负载开关包括第一功率PMOS负载开关栅极、第一功率PMOS负载开关源极和第一功率PMOS负载开关漏极，将对输出负载的浪涌电流从所述第一功率PMOS负载开关源极传递到第一功率PMOS负载开关漏极，并且浪涌电流通过所述第一功率PMOS负载开关栅极上的负载开关控制电压来控制；
至少一个额外功率PMOS负载开关，所述额外功率PMOS负载开关包括额外功率PMOS负载开关栅极、额外功率PMOS负载开关源极和额外功率PMOS负载开关漏极，将对输出负载的浪涌电流从所述额外功率PMOS负载开关源极传递到额外功率PMOS负载开关漏极，并且浪涌电流通过所述额外功率PMOS负载开关栅极上的负载开关控制电压来控制；
每个功率PMOS负载开关均具有独立的输入电压源；
一个系统控制块，连接到每个功率PMOS负载开关栅极，向每个功率PMOS负载开关提供所述负载开关控制电压；
一个输入VCC选择模块，连接到每个输入电压源，用于确定至少两个输入电压源中具有最高的电压电势的一个，并向系统控制块发送控制信号，用于系统控制块选择第一功率PMOS负载开关或者是额外功率PMOS负载开关连接到输出负载。
2.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
与功率PMOS负载开关数量对应的反向电流阻断电路RCB，每个反向电流阻断电路RCB分别跨接在对应功率PMOS负载开关的功率PMOS负载开关源极和功率PMOS负载开关漏极之间，控制功率PMOS负载开关体节点的行为以执行反向电流阻断；反向电流阻断电路RCB还与输入VCC选择模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
两个外部输入信号端SEL和EN，两个外部输入信号端均连接于系统控制块。
4.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
一个欠压锁定电路UVLO，输入端与输入VCC选择模块连接到系统控制块的中间连接点连接，输出端与系统控制块连接，当所有输入电压源均低于UVLO阈值电平时通过系统控制块锁定整个开关装置的操作。
5.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
一个热关断电路TSD，连接到系统控制块，所述的热关断电路TSD在芯片温度超过一定度数时启动，系统控制块断开所有功率PMOS负载开关。
6.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
过流保护电路OCP，输入端与输入电压源和输入VCC选择模块的公共连接点连接，或者输入端与功率PMOS负载开关漏极和输出负载的公共连接点连接；输出端连接到系统控制块；用于监控有效的功率PMOS负载开关的电流，当电流超过某一电流阈值时，会削减当前被传递到输出负载的输出电流。
7.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
过压保护电路OVP，输入端与输入电压源和输入VCC选择模块的公共连接点连接，输出端连接到系统控制块；用于监控并保护输入电压。
8.根据权利要求1所述的一种自动根据输入选择功率路径的开关装置，其特征在于：还包括：
下拉电阻器，一端与输出负载连接，另一端接地，用于确保输出电压接地。
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