CN108880222A - 一种开关元件的保护电路及推挽输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关元件的保护电路，其中开关元件包括第一端、第二端和控制端，保护电路包括：第一保护管，具有第一端、第二端和控制端，第一保护管的第一端耦接开关元件的第一端；第二保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第二保护管的第一端耦接开关元件的控制端，第二保护管的第二端耦接开关元件的第二端，第二保护管的控制端耦接第一保护管的第二端；以及电阻，具有第一端和第二端，电阻的第一端耦接第一保护管的控制端，电阻的第二端耦接开关元件的第二端。该保护电路可以防止或降低串联的两个开关元件同时导通的时间，使系统工作可靠，并使得在高频驱动时能有效降低系统的功耗，提高电源效率。

Description

一种开关元件的保护电路及推挽输出电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种开关元件的保护电路及推挽输出电路。

背景技术

在半导体领域，存在着上下管导通-关断交替进行的应用场合，如推挽电路。如图1所示的开关元件Q1和Q2所示，开关元件Q1和Q2串联耦接在电源输入端VDD和接地端GND之间，当Q2导通时，Q1被控制为关断，此时Q2集电极端电压为低电平。但是当开关元件Q1控制端控制信号用于关断Q1时，由于开关元件Q1基极和集电极间存在的寄生电容，基极电压由于不会突变将维持较高电压，使得开关元件Q1维持一段时间的导通状态，这样，开关元件Q1和Q2将同时导通，产生较大的瞬间电流，造成电能的损耗，甚至导致开关元件Q1或Q2的损坏。当开关元件Q1和Q2以较高的频率交替导通时，该瞬间电流将造成较大的功率损耗。

在其他的应用场合，当开关元件由导通向关断状态切换时，由于开关元件寄生电容的存在，也可能导致开关元件的关断滞后，从而可能导致较大瞬间电流的产生。在高频状态下，该瞬间电流造成的功率损耗将对电子产品的性能造成较大的影响。

发明内容

针对现有技术中的需求，本发明的一个目的在于提出一种旨在消除上述一种或多种缺陷的保护电路以及包含保护电路的推挽输出电路。

为了解决上述问题，本发明的一个方面提出了一种开关元件的保护电路，其中开关元件包括第一端、第二端和控制端，保护电路包括：第一保护管，具有第一端、第二端和控制端，第一保护管的第一端耦接开关元件的第一端；第二保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第二保护管的第一端耦接开关元件的控制端，第二保护管的第二端耦接开关元件的第二端，第二保护管的控制端耦接第一保护管的第二端；以及电阻，具有第一端和第二端，电阻的第一端耦接第一保护管的控制端，电阻的第二端耦接开关元件的第二端。

在一个实施例中，开关元件、第一保护开关和第二保护开关为三极管。

在一个实施例中，三极管为NPN管，其中第一端为集电极，第二端为发射极，控制端为基极。

在一个实施例中，上述任一实施例所述的保护电路，应用于推挽输出电路，推挽输出电路包括第一路输出电路和第二路输出电路，第一路输出电路包括所述开关元件和第二开关元件，第二路输出电路包括第三开关元件和第四开关元件，其中开关元件和第二开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间，第三开关元件和第四开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间。在一个实施例中，开关元件和第二开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第一端和第二路输出电路，使得当第二开关元件导通时，第三开关元件导通，从而进一步使开关元件截止；第三开关元件和第四开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第二端和第一路输出电路，使得当第四开关元件导通时，所述开关元件导通，从而进一步使第三开关元件截止。

在一个实施例中，上述保护电路进一步包括同时导通抑制电路，所述同时导通抑制电路具有输入端和输出端，其中同时导通抑制电路的输入端耦接第二开关元件，同时导通抑制电路的输出端耦接开关元件的控制端。

在一个实施例中，同时导通抑制电路包括：第三保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第三保护管的控制端耦接第二开关元件，第三保护管的第二端耦接接地端；第四保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第四保护管的第一端耦接第三保护管的第一端，第四保护管的第二端通过电阻耦接电源输入端；第五保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第五保护管的控制端耦接第四保护管的控制端，第五保护管的第二端耦接电源输入端；第六保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第六保护管的控制端耦接第五保护管的第一端，第六保护管的第一端耦接开关元件的控制端和第二保护管的第一端，第六保护管的第二端耦接电源输入端。

在一个实施例中，保护电路应用于推挽输出电路，推挽输出电路包括第一路输出电路和第二路输出电路，第一路输出电路包括所述开关元件和第二开关元件，第二路输出电路包括第三开关元件和第四开关元件，其中开关元件和第二开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间，第三开关元件和第四开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间，其中第五保护管的第一端和第六保护管的控制端通过电阻耦接第三开关元件和第四开关元件的耦接点。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于驱动蜂鸣器的推挽输出电路，包括：第一路输出电路，包括第一开关元件和第二开关元件，第一开关元件和第二开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第一端；第二路输出电路，包括第三开关元件和第四开关元件，第三开关元件和第四开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第二端；以及如上所述的用于保护第一开关元件和/或第三开关元件的保护电路。

在一个实施例中，推挽输出电路进一步包括驱动控制电路，具有输入端、中间输出端和驱动输出端，驱动控制电路的输入端耦接驱动信号，驱动控制电路的中间输出端耦接保护电路，驱动控制电路的输出端耦接第二开关管的控制端。

在一个实施例中，驱动控制电路包括：第七开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第七开关管的控制端耦接第一驱动信号，第七开关管的第一端耦接电源输入端，第七开关管的第二端耦接保护电路；第二电阻，具有第一端和第二端，第二电阻的第一端耦接第七开关管的第二端；第八开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第八开关管的控制端和第一端耦接第二电阻的第二端，第八开关管的第二端耦接第七开关管的控制端；第九开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第九开关管的控制端耦接第二电阻的第二端，第九开关管的第二端耦接第二开关元件的控制端，以及通过电阻耦接接地端；第十开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第十开关管的控制端和第一端耦接第一开关元件和第二开关元件的耦接点，第十开关管的第二端耦接第九开关管的第一端。

根据本发明的又一方面，提出了一种开关元件的保护电路，包括：第一保护管，当开关元件由导通状态变换为关断状态时，第一保护管的寄生电容使得第一保护管处于导通状态并维持一段时间；以及第二保护管，第一保护管的导通状态使得第二保护管处于导通状态，第二保护管的导通状态使得开关元件的控制端电位迅速由第一电位变换为第二电位，从而快速关断开关元件。

根据本发明的再一方面，提出了一种半导体驱动芯片，包括如上所述的开关元件和保护电路。在一个实施例中，半导体驱动芯片至少包括七个管脚，用于和外部进行电连接。

上述实施例中的保护电路及其推挽输出电路，可以防止或降低开关元件的关断滞后，防止或降低串联的两个开关元件同时导通的时间，使系统工作可靠，并使得在高频驱动时能有效降低系统的功耗，提高电源效率。

附图说明

图1为现有技术的一种开关元件布局示意图；

图2为根据本发明一实施例的用于开关元件的保护电路的示意图；

图3为根据本发明一实施例的用于开关元件的保护电路的具体示意图；

图4为根据本发明一实施例的推挽输出电路的示意图。

不同示意图中相同的标号代表相同或相似的部件或组成。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中该电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容。还可包括在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

图2示出了根据本发明一实施例的用于开关元件的保护电路100。保护电路100耦接开关元件Q1的控制端，用于消除或减缓开关元件Q1由导通变换为关断时的关断滞后效应，或者消除或降低开关元件Q1和Q2同时导通的时间长度。

图3示出了根据本发明一实施例的用于开关元件Q1的保护电路。其中保护电路包括第一保护管P1，第二保护管P2和电阻R1。在图示的实施例中，第一保护管P1的集电极（称为第一端）耦接开关元件Q1的集电极（第一端）和电源输入端，管P1的基极（控制端）耦接电阻R1的第一端，电阻R1的第二端耦接开关元件Q1的发射极（第二端），第二保护管P2的基极（控制端）耦接管P1的发射极（第二端），管P2的集电极（第一端）耦接开关元件Q1的基极（控制端），管P2的发射极（第二端）耦接开关元件Q1的发射极（第二端）。在图示的实施例中，开关元件Q1、第一保护管P1和第二保护管P2都是NPN型三极管，均具有作为控制端的基极、作为第一端的集电极和作为第二端的发射极。应当知道，在另外的实施例中，开关元件Q1、第一保护管P1和第二保护管P2也可为其他类型的晶体管，如为实现相同功能的其他晶体管的组合，保护电路可包括PNP型三极管，或MOSFET晶体管。虽然图示的保护电路包括了电阻R1，然而应该知道，保护电路可能脱离电阻R1而实现相同的功能，比如含电阻率的互连或导体，也可以为开关元件、电容或保护管P1的控制端耦接并共用其他功能电路的元件。

继续图3的说明，当控制信号S1由低电平变换为高电平时，第二开关元件Q2被导通，OUT1端电压迅速降到地电位。同时控制信号S2由高电平变换为低电平，用于将开关元件Q1由导通状态变换为关断状态。然而，由于开关元件Q1基极与集电极之间的寄生电容C1的存在，开关元件Q1两端电压不能瞬间突变，从而不会迅速关断Q1，这将导致开关元件Q1和Q2同时导通，在电源输入端VDD和接地端GND之间形成较大的瞬间电流，影响器件性能，并增加功耗。此时，第一保护管P1的集电极-基极之间的寄生电容C2使得管P1基极电压维持较高电压一段时间，使得管P1为导通状态。第一保护管P1的导通状态使得第二保护管P2基极端电压为高，这样管P2也将处于导通状态一段时间。因此，开关元件Q1基极端与发射极之间通过管P2形成电流通路，将开关元件Q1的基极电压迅速拉低，从而快速关断开关元件Q1。通过该保护电路，使得开关元件P1快速关断，防止或降低了开关元件Q1与第二开关元件Q2同时导通的状态或持续的时间，从而降低了功耗。当保护管P1的寄生电容不足于维持管P1导通时，此时开关元件Q1控制端的信号S2为低电平，从而继续控制开关元件Q1的关断状态，直至开关元件Q1控制端信号的变化。

图4示出了根据本发明一实施例的推挽输出电路。该推挽输出电路为双路推挽输出电路。推挽输出电路具有两个输出端 OUT1和OUT2，分别耦接在蜂鸣器403的两端，用于驱动蜂鸣器403发声。在优选的实施例中，蜂鸣器403包括压电蜂鸣器。在另外的实施例中，推挽输出电路可以用于驱动其他类型的电子元件。推挽输出电路包括第一路输出电路401和第二路输出电路402，其中第一路输出电路401包括第一开关元件Q1和第二开关元件Q2，第二路输出电路402包括第三开关元件Q3和第四开关元件Q4。其中第一开关元件Q1和第二开关元件Q2串联耦接在电源输入端VDD和接地端GND之间，第一开关元件Q1位于高电位端。第三开关元件Q3和第四开关元件Q4也串联耦接在电源输入端VDD和接地端GND之间，其中第三开关元件Q3处于高电位端。开关元件Q1和第二开关元件Q2的耦接点OUT1作为第一驱动输出端耦接蜂鸣器403的第一端，第一输出端OUT1和第二路输出电路402的输出端OUT2产生交替高低电平的电压，一起用于驱动蜂鸣器403。开关元件Q1和第二开关元件Q2的耦接点OUT1进一步耦接第二路输出电路402，使得当第二开关元件Q2导通时，第三开关元件Q3导通，反过来使得第一开关元件Q1截止。如图4所示，当开关元件Q2导通时，输出端OUT1被拉低到地电平，电阻R3中形成从上至下的电流，管P9导通，第三开关元件Q3基极电压升高，Q3导通，使得第二输出端OUT2电压升高。由于第三开关元件Q3和第四开关元件Q4的耦接点OUT2通过电阻耦接第一路输出电路401的保护电路中的管P5的第一端和管P6的控制端，开关元件Q3和Q4耦接点处电压OUT2的升高使得管P6关断，从而用于进一步关断开关元件Q1。同样地，第三开关元件Q3和第四开关元件Q4的耦接点OUT2耦接蜂鸣器403的第二端和第一路输出电路401，使得当第四开关元件Q4导通时，开关元件Q1导通，第三开关元件Q3截止。

在一个实施例中，用于开关元件Q1的保护电路进一步可包括同时导通抑制电路，同时导通抑制电路的输入端耦接第二开关元件Q2，同时导通抑制电路的输出端耦接开关元件Q1的控制端用于在第二开关元件Q2导通时，产生控制信号S2使开关元件Q1关断，该关断路径比通过第三开关元件Q3导通，反过来使得开关元件Q1截止的路径更快关断。如图4所示，同时导通抑制电路包括第三保护管P3，第四保护管P4，第五保护管P5和第六保护管P6。其中第三保护管P3具有第一端、第二端和控制端，其中第三保护管P3的控制端通过管Q7耦接信号输入端PIN2，以及通过管Q9耦接第二开关元件Q2，第三保护管P3的第二端耦接接地端GND；第四保护管P4具有第一端、第二端和控制端，其中第四保护管P4的第一端耦接第三保护管P3的第一端，第四保护管P4的第二端通过电阻耦接电源输入端VDD；第五保护管P5具有第一端、第二端和控制端，其中第五保护管P5的控制端耦接第四保护管P4的控制端，第五保护管P5的第二端耦接电源输入端VDD；第六保护管P6具有第一端、第二端和控制端，其中第六保护管P6的控制端耦接第五保护管P5的第一端，第六保护管P6的第一端耦接开关元件Q1的控制端和第二保护管Q2的第一端，第六保护管P6的第二端耦接电源输入端VDD。在图示的实施例中，同时导通抑制电路中的保护管为NPN三极管，其中第一端为集电极，第二端为发射极，控制端为基极。然而，在其他的实施例中，同时导通抑制电路中的保护管也可以为其他类型的晶体管，用于实现当开关元件Q2导通时，产生信号S2关断开关元件Q1。继续图4的说明，当信号输入端PIN2信号为高电平用于导通Q2时，P3控制端电压为高电平，P3管导通，P4的控制端和第一端为低电平，P4管和P5管导通，P5管第一端电压和管P6控制端电压被拉高至输入电源电压VDD，管P6截止，从而用于关断开关元件Q1。

具体地，在一个实施例中，推挽输出电路包括用于驱动开关元件Q2的驱动控制电路，用于驱动开关元件Q4的驱动控制电路，用于防止或减缓开关元件Q1和Q2同时导通的保护电路和用于防止或减缓开关元件Q3和Q4同时导通的保护电路。如图4所示，用于Q1的保护电路包括保护管P1-P6以及若干电阻R1等。用于驱动开关元件Q2的驱动控制电路包括若干晶体管Q7-Q10以及若干电阻件R2等。其中驱动控制电路的输入端用于接收驱动信号PIN2，驱动输出端用于耦接开关元件Q2的控制端，输出控制信号来驱动开关元件Q2。驱动控制电路还进一步具有中间输出端用于耦接保护电路，具体地耦接保护管P3的控制端。具体地，驱动控制电路包括第七开关管Q7，第二电阻R2，第八开关管Q8，第九开关管Q9和第十开关管Q10。第七开关管Q7具有第一端、第二端和控制端，其中第七开关管Q7的控制端耦接信号输入端PIN2的第一驱动信号，第七开关管Q7的第一端耦接电源输入端VDD，第七开关管Q7的第二端耦接保护电路的保护管P3；第二电阻R2的第一端耦接第七开关管Q7的第二端；第八开关管Q8具有第一端、第二端和控制端，其中第八开关管Q8的控制端和第一端耦接第二电阻R2的第二端，第八开关管Q8的第二端耦接第七开关管Q7的控制端；第九开关管Q9的控制端耦接第二电阻R2的第二端，第九开关管Q9的第二端耦接第二开关元件Q2的控制端，以及通过电阻耦接接地端GND；第十开关管G10的控制端和第一端耦接第一开关元件Q1和第二开关元件Q2的耦接点OUT1，第十开关管Q10的第二端耦接第九开关管Q9的第一端。当PIN2端驱动信号为高电平时，Q7导通，Q9导通，从而使得Q2导通。当然，驱动控制电路可具有其他的结构，使得信号输入端PIN2处的驱动信号用于驱动开关元件Q2。

在一个实施例中，推挽输出电路制造在同一半导体基底上，形成一半导体驱动芯片。该半导体芯片包括至少7个管脚，分别为PIN1-PIN7，用于和外部进行电连接，其中第一管脚PIN1用于接收外部电源VCC，外部电源VCC经过二极管在第四管脚PIN4处形成电源输入端VDD。作为第一信号输入端的第二管脚PIN2和作为第二信号输入端的第三管脚PIN3分别用于接收驱动信号。在一个优选的实施例中，第一信号输入端PIN2和第二信号输入端PIN3分别提供互补的方波脉冲，即当第一信号输入端PIN2为高电平时，第二信号输入端PIN3处提供低电平，当第一信号输入端PIN2提供低电平时，第二信号输入端PIN3处提供高电平，这样，在第一输出端OUT1和第二输出端OUT2处提供交替互补的方波脉冲，用于驱动蜂鸣器403。其中第一输出端OUT1形成第六管脚PIN6，第二输出端OUT2形成第七管脚PIN7。接地端耦接第5管脚PIN5。

通过上述实施例中的保护电路，可以在开关元件Q2导通时，或者说在开关元件Q1由导通变换为关断时，快速关断开关元件Q1，防止或降低Q2和Q1同时导通的时间，使系统工作可靠，并使得在高频驱动时能有效降低系统的功耗，提高电源效率。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种开关元件的保护电路，其中开关元件包括第一端、第二端和控制端，保护电路包括：

第一保护管，具有第一端、第二端和控制端，第一保护管的第一端耦接开关元件的第一端；

第二保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第二保护管的第一端耦接开关元件的控制端，第二保护管的第二端耦接开关元件的第二端，第二保护管的控制端耦接第一保护管的第二端；以及

电阻，具有第一端和第二端，电阻的第一端耦接第一保护管的控制端，电阻的第二端耦接开关元件的第二端。

2.如权利要求1所述的保护电路，其中开关元件、第一保护开关和第二保护开关包括三极管。

3.如权利要求1所述的保护电路，应用于推挽输出电路，推挽输出电路包括：

第一路输出电路，包括所述开关元件和第二开关元件，开关元件和第二开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间；和

第二路输出电路，包括第三开关元件和第四开关元件，第三开关元件和第四开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间。

4.如权利要求3所述的保护电路，其中：

开关元件和第二开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第一端，以及进一步耦接第二路输出电路，使得当第二开关元件导通时，第三开关元件导通，开关元件截止；

第三开关元件和第四开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第二端，以及进一步耦接第一路输出电路，使得当第四开关元件导通时，所述开关元件导通，第三开关元件截止。

5.如权利要求1所述的保护电路，进一步包括同时导通抑制电路，所述同时导通抑制电路具有输入端和输出端，其中同时导通抑制电路的输入端耦接第二开关元件，同时导通抑制电路的输出端耦接开关元件的控制端，同时导通抑制电路用于在第二开关元件导通时关断开关元件。

6.如权利要求5所述的保护电路，其中同时导通抑制电路包括：

第三保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第三保护管的控制端耦接第二开关元件，第三保护管的第二端耦接接地端；

第四保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第四保护管的第一端耦接第三保护管的第一端，第四保护管的第二端通过电阻耦接电源输入端；

第五保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第五保护管的控制端耦接第四保护管的控制端，第五保护管的第二端耦接电源输入端；

第六保护管，具有第一端、第二端和控制端，其中第六保护管的控制端耦接第五保护管的第一端，第六保护管的第一端耦接开关元件的控制端和第二保护管的第一端，第六保护管的第二端耦接电源输入端。

7.如权利要求6所述的保护电路，应用于推挽输出电路，推挽输出电路包括第一路输出电路和第二路输出电路，第一路输出电路包括所述开关元件和第二开关元件，第二路输出电路包括第三开关元件和第四开关元件，其中第二开关元件和开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间，第四开关元件和第三开关元件串联耦接在电源输入端和接地端之间，其中第五保护管的第一端和第六保护管的控制端通过电阻耦接第三开关元件和第四开关元件的耦接点。

8.一种用于驱动蜂鸣器的推挽输出电路，包括：

第一路输出电路，包括第一开关元件和第二开关元件，第一开关元件和第二开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第一端；

第二路输出电路，包括第三开关元件和第四开关元件，第三开关元件和第四开关元件的耦接点耦接蜂鸣器的第二端；以及

如权利要求1-7任一项所述的用于保护第一开关元件和/或第三开关元件的保护电路。

9.如权利要求8所述的推挽输出电路，进一步包括驱动控制电路，具有输入端、中间输出端和驱动输出端，驱动控制电路的输入端耦接驱动信号，驱动控制电路的中间输出端耦接保护电路，驱动控制电路的输出端耦接第二开关管的控制端。

10.一种开关元件的保护电路，包括：

第一保护管，当开关元件由导通状态变换为关断状态时，第一保护管的寄生电容使得第一保护管处于导通状态并维持一段时间；以及

第二保护管，第一保护管的导通状态使得第二保护管处于导通状态，第二保护管的导通状态使得开关元件的控制端电位迅速由第一电位变换为第二电位，从而快速关断开关元件。