CN109067159B - 一种负载开关装置的软启动控制器以及负载开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负载开关装置的软启动控制器以及负载开关装置，所述软启动控制器包括：误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接收斜坡电压，所述误差放大器的第二输入端接收关联电压，所述误差放大器的输出端输出控制信号，所述关联电压随驱动电压的变化而变化，所述斜坡电压的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压传输至所述负载开关的控制端；下拉模块，所述下拉模块的输入端连接所述负载开关的控制端，所述下拉模块的输出端接地，所述下拉模块适于根据所述控制信号确定是否对所述负载开关的控制端泄电。本发明技术方案可以有效节省开关负载装置的面积，优化了电路成本。

Description

一种负载开关装置的软启动控制器以及负载开关装置

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种负载开关装置的软启动控制器以及负载开关装置。

背景技术

在电子系统中，负载开关(load switch)装置通常被用来连接或隔离两个电气端口，例如：若第一个电气端口连接电源，第二个电气端口连接负载，所述负载开关装置可以用于为负载切断或连通电源。在实际应用中，若负载开关装置直接将电源接入负载，则会在电路中产生浪涌电流，此时，有可能会造成电路中发生过电流保护，进而暂停整个电路系统的工作，还有可能导致负载损坏。

为了防止浪涌电流对电路的冲击，通常需要控制负载开关装置缓慢导通，也就是说，使负载开关装置的输出端电压缓慢上升，从而使流过负载的电流缓慢上升，这种缓慢启动的方式称为软启动。

现有的负载开关装置的软启动控制器通常由阻值较大的电阻和容值较大的电容组成，大电阻和大电容都会占用比较多的面积，导致芯片乃至整个电子系统的成本上升。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何减少负载开关装置的软启动控制器的占用面积，降低电路成本。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种负载开关装置的软启动控制器，所述负载开关装置包括负载开关，所述软启动控制器包括：误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接收斜坡电压，所述误差放大器的第二输入端接收关联电压，所述误差放大器的输出端输出控制信号，所述关联电压随驱动电压的变化而变化，所述斜坡电压的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压传输至所述负载开关的控制端；下拉模块，所述下拉模块的输入端连接所述负载开关的控制端，所述下拉模块的输出端接地，所述下拉模块适于根据所述控制信号确定是否对所述负载开关的控制端泄电。

可选的，所述软启动控制器还包括：分压模块，所述分压模块适于接收所述驱动电压，并生成所述关联电压。

可选的，所述分压模块包括：第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述负载开关的控制端；第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端接地，其中，所述第二电阻的第一端为所述分压模块的输出端。

可选的，所述下拉模块包括：第一晶体管，所述第一晶体管的栅极接收所述控制信号，所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的漏极连接所述负载开关的控制端。

可选的，所述下拉模块包括：三极管，所述三极管的基极接收所述控制信号，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极连接所述负载开关的控制端。

可选的，所述软启动控制器还包括：斜坡电压生成模块，所述斜坡电压生成模块适于接收电源的电压，并生成所述斜坡电压。

可选的，所述斜坡电压生成模块包括：电流源，所述电流源的第一端连接所述电源；电容，所述电容的第一极板连接所述电流源的第二端，所述电容的第二极板接地，其中，所述电容的第一极板的电压即为所述斜坡电压。

可选的，所述负载开关包括：第二晶体管，所述第二晶体管的栅极为所述负载开关的控制端，所述第二晶体管的漏极连接所述负载开关装置的输入端，所述第二晶体管的源极连接所述负载开关装置的输出端。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种负载开关装置，包括负载开关，所述负载开关装置还包括前述的负载开关装置的软启动控制器。

可选的，所述负载开关装置还包括：栅极驱动器，适于生成所述驱动电压。

可选的，当所述负载开关的控制端接收驱动电压时，所述负载开关开始工作；所述误差放大器对所述关联电压和所述斜坡电压的电压差进行放大，得到所述控制信号，所述控制信号控制所述下拉模块对所述负载开关的控制端泄电；随着所述负载开关的控制端的电压减小，所述关联电压和斜坡电压的电压差减小，并且所述关联电压趋向于与所述斜坡电压相等；随着斜坡电压的不断爬升，所述关联电压跟随着所述斜坡电压不断爬升，所述负载开关的控制端的电压跟随着所述关联电压不断爬升，使得所述负载开关装置的输出端的电压不断升高。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案的所述软启动控制器包括误差放大器、下拉模块，所述误差放大器的第一输入端接收斜坡电压，所述误差放大器的第二输入端接收关联电压，所述误差放大器的输出端输出控制信号，所述关联电压随驱动电压的变化而变化，所述斜坡电压的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压传输至所述负载开关的控制端；所述下拉模块的输入端连接所述负载开关的控制端，所述下拉模块的输出端接地，所述下拉模块适于根据所述控制信号确定是否对所述负载开关的控制端泄电。由此，可以控制负载开关缓慢导通，使流过负载的电流逐渐增大，从而可以有效避免浪涌电流对负载的冲击。另外，本发明技术方案可以省去大电容和大电阻，节约了开关负载装置的面积，优化了成本。

进一步，本发明技术方案中的软启动控制器还包括分压模块，所述分压模块适于接收所述驱动电压，并生成所述关联电压。由此，可以生成与误差放大器的工作电压相匹配的关联电压，从而有利于软启动控制器与负载装置中其他电路部件的匹配工作，提高了负载开关装置整体的工作精确度。

进一步，本发明技术方案的斜坡电压生成模块包括电流源和电容，所述电流源的第一端连接所述电源；所述电容的第一极板连接所述电流源的第二端，所述电容的第二极板接地，其中，所述电容的第一极板的电压即为所述斜坡电压。由此，通过所述电流源与电容的配合便可以产生斜坡电压，简化了整体的电路结构，进一步优化了电路成本。

附图说明

图1是现有技术中一种负载开关装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一种负载开关装置的结构示意图；

图3是图2中斜坡电压生成模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对现有技术以及本发明的具体实施例做详细的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1是现有技术中一种负载开关装置的结构示意图。

请参考图1，所述的负载开关装置101可以是集成电路芯片，所述集成电路芯片具有输入端VIN、输出端VOUT以及接地端GND。该负载开关装置101包括软启动控制器104、栅极驱动器103和负载开关102，其中，负载开关可以为晶体管N，所述晶体管N的漏极连接所述输入端VIN，所述晶体管N的源极连接所述输出端VOUT，所述晶体管N的栅极经由软启动控制器104连接栅极驱动器103。

所述软启动控制器104包括电阻R以及电容C，电阻R的第一端连接所述栅极驱动器103的输出端，所述电阻R的第二端连接所述晶体管N的栅极，所述电容C的第一极板连接所述晶体管N的栅极，所述电容C的第二极板连接所述负载开关装置101的输出端VOUT。

当栅极驱动器103输出驱动电压后，经过电阻R给电容C和晶体管N的栅极充电，使晶体管N的栅极电压缓慢上升，以使得所述晶体管N软启动。但是，在所述软启动控制器104中，电阻R的阻值和电容C的容值需要设计得比较大，相应的，电阻R与电容C需要占用比较多的芯片面积，导致负载开关装置101的整体成本上升，不利于负载开关装置101的优化设计。

本发明实施例中的负载开关装置的软启动控制器包括误差放大器、下拉模块，所述误差放大器的第一输入端接收斜坡电压，所述误差放大器的第二输入端接收关联电压，所述误差放大器的输出端输出控制信号，所述关联电压随驱动电压的变化而变化，所述斜坡电压的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压传输至所述负载开关的控制端；所述下拉模块的输入端连接所述负载开关的控制端，所述下拉模块的输出端接地，所述下拉模块适于根据所述控制信号确定是否对所述负载开关的控制端泄电。本发明技术方案不仅可以实现负载开关的软启动，而且可以省去大电容和大电阻，节约了开关负载装置的面积，优化了成本。

图2是本发明实施例一种负载开关装置的结构示意图。

本实施例中，所述负载开关装置201可以是集成电路芯片，也可以是由各种分立器件构成的板级电路。所述负载开关装置201可以用于连接在电源和负载之间，此时，负载开关装置201可以被认为处于“高端”或“高侧”。

请参考图2，所述负载开关装置201的软启动控制器2可以包括：误差放大器21，所述误差放大器21的第一输入端接收斜坡电压Vramp，所述误差放大器21的第二输入端接收关联电压Vsense，所述误差放大器21的输出端输出控制信号Vc，所述关联电压Vsense随驱动电压Vgate的变化而变化，所述斜坡电压Vramp的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压Vgate传输至所述负载开关3的控制端；所述软启动控制器2还可以包括下拉模块22，所述下拉模块22的输入端连接所述负载开关202的控制端，所述下拉模块22的输出端接地，所述下拉模块22适于根据所述控制信号Vc确定是否对负载开关202的控制端泄电。

具体地，所述误差放大器21的第一输入端可以为负输入端，所述误差放大器21的第二输入端可以为正输入端。

进一步地，所述软启动控制器2还可以包括分压模块23，所述分压模块23适于接收所述驱动电压Vgate，并生成所述关联电压Vsense。

具体而言，所述分压模块23可以包括：第一电阻R1，所述第一电阻R1的第一端连接所述负载开关3的控制端；第二电阻R2，所述第二电阻R2的第一端连接所述第一电阻R1的第二端，所述第二电阻R2的第二端接地，其中，所述第二电阻R2的第一端为所述分压模块23的输出端。

所述第一电阻R1和/或第二电阻R2可以为固定电阻或可变电阻，其阻值大小可以根据具体应用场合来进行设置。

通过分压模块23可以生成与误差放大器21的工作电压相匹配的关联电压Vsense，从而有利于软启动控制器2与负载开关装置201中其他电路元件的匹配工作，提高了负载开关装置201整体的工作精确度。

在一个非限制性的实施例中，所述下拉模块22可以包括第一晶体管N1，所述第一晶体管N1的栅极接收所述控制信号Vc，所述第一晶体管N1的源极接地，所述第一晶体管N1的漏极连接所述负载开关202的控制端。

在另一个非限制性的实施例中，所述下拉模块22可以包括三极管，所述三极管的基极接收所述控制信号Vc，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极连接所述负载开关202的控制端。

本领域技术人员可以理解，由于制造工艺的不同，所述第一晶体管N1为电压控制电流器件，所述三极管为电流控制电流器件，故第一晶体管N1的放大能力相对于三极管而言较差。在电路中工作时，第一晶体管N1的栅极几乎不吸取电流，而三极管在工作时其基极总要吸取一定的电流，因此第一晶体管N1的输入电阻比三极管的输入电阻高。另外，第一晶体管N1只有多子参与导电，三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而第一晶体管N1的温度稳定性以及抗辐射能力要优于三极管。

由于第一晶体管N1以及三极管的性能各有利弊，本领域技术人员可以根据负载开关装置1的具体应用场合来选择使用第一晶体管N1或者三极管来构成本实施例中的下拉模块22，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，所述软启动控制器2还可以包括：斜坡电压生成模块24，所述斜坡电压生成模块24适于接收电源的电压，并生成所述斜坡电压Vramp。

作为一个非限制性的实施方式，所述斜坡电压生成模块24的输入端可以连接所述负载开关装置201的输入端VIN，并从所述负载开关装置201的输入端VIN接收电源的电压。其中，所述电源可以集成在所述负载开关装置201中，也可以为外部的供电电源。

具体地，所述电源可以是直流电源，并且所述电源的电压值可以是固定值或可调节的值，以适应对不同电路元件的供电需求。

更具体地，所述电源的电压可以是12V或24V。

请同时参考图2、图3，所述斜坡电压生成模块24可以包括：电流源I1，所述电流源I1的第一端连接所述电源；电容C2，所述电容C2的第一极板连接所述电流源I1的第二端，所述电容C2的第二极板接地，其中，所述电容C2的第一极板的电压即为所述斜坡电压Vramp。由此，通过所述电流源I1与电容C2的配合便可以产生斜坡电压Vramp，简化了整体的电路结构，进一步优化了电路成本。

进一步地，所述负载开关202可以包括第二晶体管N2，所述第二晶体管N2的栅极为所述负载开关202的控制端，所述第二晶体管N2的漏极连接所述负载开关装置201的输入端VIN，所述第二晶体管N2的源极连接所述负载开关装置201的输出端VOUT。

优选地，所述第二晶体管N2可以为N型晶体管，所述N型晶体管的制造工艺简单，成本低，有利于进一步优化电路成本。

进一步地，所述负载开关装置201还可以包括栅极驱动器4，所述栅极驱动器4的输出端经由所述软启动控制器2连接至负载开关202的控制端。

具体地，所述栅极驱动器4的输出端可以连接至所述软启动控制器2中的所述第一电阻R1的第一端。

具体实施时，所述栅极驱动器4可以是微控制器，所述微控制器的I/O口可以输出所述驱动电压Vgate；所述栅极驱动器4还可以是电荷泵，所述电荷泵的输出端可以输出所述驱动电压Vgate。

本领域技术人员可以根据具体需求以及电路成本的考量而适应性的选择合适的栅极驱动器4，本发明实施例对此不做限制。

在一个优选的实施方式中，例如，所述负载开关装置201是集成电路芯片，所述下拉模块包括第一晶体管N1。

所述芯片可以包括三个对外的电气端口，例如：输入端VIN、输出端VOUT以及接地端GND。所述输入端VIN可以连接电源，所述输出端VOUT可以连接负载，所述接地端GND可以作为所述芯片上各个电路元件的公共地。

在具体工作时，当所述第二晶体管N2的栅极接收驱动电压Vgate时，所述第二晶体管N2开始工作；所述误差放大器21的负输入端接收从0逐渐爬升的斜坡电压Vramp，所述误差放大器21的正输入端接收关联电压Vsense。所述关联电压Vsense为所述第二电阻的第一端的电压。

所述关联电压Vsense的计算公式为：

Vsense＝Vgate*R2/(R1+R2)

其中，Vsense为所述关联电压的电压值，所述Vgate为所述驱动电压的电压值，所述R2为所述分压模块中的第二电阻的电阻值，所述R1为所述分压模块中的第一电阻的电阻值。

误差放大器21输出的控制信号Vc的计算公式为：

Vc＝A*(Vsense-Vramp)

其中，Vc为所述控制信号的电压值，Vsense为所述关联电压的电压值，Vramp为所述斜坡电压的电压值，A为所述误差放大器的放大倍数。

本领域技术可以根据所述负载开关装置201的具体应用场合而适应性的选择具有合适放大倍数A的误差放大器21，例如：可以选择放大倍数A大于1000的误差放大器21。

在该优选的实施方式中，所述第一晶体管N1的栅极接收所述控制信号Vc，若所述控制信号Vc大于所述第一晶体管N1的导通阈值Vth(即Vc>Vth)，则第一晶体管N1导通，则所述第一晶体管N1可以为所述第二晶体管N2的栅极泄电，也就是减小所述驱动电压Vgate。

由于所述关联电压Vsense是由所述驱动电压Vgate经过分压得到的，因此，随着所述驱动电压Vgate的减小，所述关联电压Vsense减小，则所述关联电压Vsense和斜坡电压Vramp的电压差减小，并且所述关联电压Vsense趋向于与所述斜坡电压Vramp相等。

随着所述斜坡电压Vramp的不断爬升，所述关联电压Vsense跟随着所述斜坡电压Vramp不断爬升，所述第二晶体管N1的栅极接收的驱动电压Vgate跟随着所述关联电压Vsense不断爬升。

具体地，所述驱动电压Vgate的爬升速率K的计算公式为：

K＝(I1/C2)*[(R1+R2)/R2]，其中，I1为电流源输出的电流的电流值，C2为所述电容的电容值，R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值。

由上述爬升速率K的计算公式可知，调节所述电流源和/或电容、第一电阻、第二电阻的具体数值，就可以调节驱动电压Vgate的爬升速率K，也就是可以控制第二晶体管N2的开启速率。

随着所述驱动电压Vgate的不断爬升，所述第二晶体管N2的导通程度逐渐增大，即第二晶体管N2的源极的电压不断升高，也就是说，所述负载开关装置201的输出端VOUT的电压不断升高，以实现所述负载开关装置201的软启动。

需要说明的是，虽然本发明实施例以第一晶体管和/或第二晶体管为N型晶体管来解释电路的运行过程。但是，第一晶体管和/或第二晶体管也可以为P型晶体管。当第一晶体管和/或第二晶体管为P型晶体管时，只需要适应性调整其漏极、源极与电路中其他元件的连接方式即可。一般情况下，N型晶体管的漏极可以连接高电平端口，N型晶体管的源极可以连接低电平端口；P型晶体管的源极可以连接高电平端口，P型晶体管的漏极可以连接低电平端口。

其中，上述“高电平”和“低电平”的电压值并不做具体限定，只要高电平的电压值高于低电平的电压值即可。例如，高电平的电压值能够被识别为逻辑1，而低电平的电压值能够被识别为逻辑0。

另外，虽然本发明实施例以负载开关装置设置在电路的“高端”(即负载开关装置设置在电源和负载之间)为例来解释电路的运行过程，但负载开关装置的位置并不限于此，例如，还可以将负载开关装置设置在电路的“低端”(即负载开关装置设置在负载和地之间)。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种负载开关装置的软启动控制器，所述负载开关装置包括负载开关，其特征在于，所述软启动控制器包括：

误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接收斜坡电压，所述误差放大器的第二输入端接收关联电压，所述误差放大器的输出端输出控制信号，所述关联电压随驱动电压的变化而变化，所述斜坡电压的电压值随时间逐渐增大，所述驱动电压传输至所述负载开关的控制端；

下拉模块，所述下拉模块的输入端连接所述负载开关的控制端，所述下拉模块的输出端接地，所述下拉模块适于根据所述控制信号确定是否对所述负载开关的控制端泄电。

2.根据权利要求1所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，还包括：

分压模块，所述分压模块适于接收所述驱动电压，并生成所述关联电压。

3.根据权利要求2所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，所述分压模块包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述负载开关的控制端；

第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的第二端接地，其中，所述第二电阻的第一端为所述分压模块的输出端。

4.根据权利要求1所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，所述下拉模块包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的栅极接收所述控制信号，所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的漏极连接所述负载开关的控制端。

5.根据权利要求1所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，所述下拉模块包括：

三极管，所述三极管的基极接收所述控制信号，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极连接所述负载开关的控制端。

6.根据权利要求1所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，还包括：

斜坡电压生成模块，所述斜坡电压生成模块适于接收电源的电压，并生成所述斜坡电压。

7.根据权利要求6所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，所述斜坡电压生成模块包括：

电流源，所述电流源的第一端连接所述电源；

电容，所述电容的第一极板连接所述电流源的第二端，所述电容的第二极板接地，其中，所述电容的第一极板的电压即为所述斜坡电压。

8.根据权利要求1所述的负载开关装置的软启动控制器，其特征在于，所述负载开关包括：

第二晶体管，所述第二晶体管的栅极为所述负载开关的控制端，所述第二晶体管的漏极连接所述负载开关装置的输入端，所述第二晶体管的源极连接所述负载开关装置的输出端。

9.一种负载开关装置，包括负载开关，其特征在于，还包括权利要求1-8任一项所述的负载开关装置的软启动控制器。

10.根据权利要求9所述的负载开关装置，其特征在于，还包括：

栅极驱动器，适于生成所述驱动电压。

11.根据权利要求10所述的负载开关装置，其特征在于，

当所述负载开关的控制端接收驱动电压时，所述负载开关开始工作；

所述误差放大器对所述关联电压和所述斜坡电压的电压差进行放大，得到所述控制信号，所述控制信号控制所述下拉模块对所述负载开关的控制端泄电；

随着所述负载开关的控制端的电压减小，所述关联电压和斜坡电压的电压差减小，并且所述关联电压趋向于与所述斜坡电压相等；

随着斜坡电压的不断爬升，所述关联电压跟随着所述斜坡电压不断爬升，所述负载开关的控制端的电压跟随着所述关联电压不断爬升，使得所述负载开关装置的输出端的电压不断升高。