CN110176856B - 一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，包括具有信号输入端和信号输出端的前级驱动电路，连接在前级驱动电路的信号输入端上的使能信号EN，连接在前级驱动电路的信号输出端上的电流镜电路，以及连接在电流镜电路上的控制电路；所述控制电路包括漏极连接在电流镜电路上的MOS管M1，栅极连接在电流镜电路上的MOS管Msns，一端分别与MOS管Msns的漏极和MOS管M1的栅极连接、另一端与MOS管M1源极连接的电阻R1，栅极与MOS管Msns的栅极连接、漏极与MOS管M1源极连接的MOS管Mpass，所述MOS管Msns、Mpass的源极为电源输入端VPOS、漏极为电源输出端VNEG。本发明达到了零静态电流、功率损失小的目的，电路占用面积小，且具有限流保护功能。

Description

一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路及实现方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体地说，是涉及一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路及实现方法。
背景技术
现有的集成电路规模越来越大，片上电源系统管理的结构也越来越复杂，低静态电流的要求也越来越高，如果其中某个模块工作异常时，不能影响其他模块的正常工作，这就需要在每个模块电路的电源上增加功率开关电路，当此模块停止工作时断开电源以减小漏电流，而在此模块正常工作时就需要检测此模块的电流消耗并提供保护，保证当有异常耗电时不会拉垮其他模块的电源，从而导致整个芯片断电重启。如图1所示，整个芯片有N个功能模块，每个模块通过一个功率开关电路与电源相连，当某一个模块因为引脚短路等异常情况出现过大的电流消耗时，此功率开关电路能够限制输出电流，而保证其他模块的供电不会受到影响。
普通的功率开关电路如图2所示，MOS管Mp为主开关，当Enable信号为低时，开关管Mb将主开关Mp的栅极拉高到电源输入Vpos，Mp保持完全关闭状态，此时流过Mp的电流接近为零；当Enable信号为高时，开关管Mc导通，通过限流电阻Ra将Mp的栅极拉到GND，Mp完全导通，给接入到VNEG引脚的各个模块提供电源电流，RS1在此时实时监测Mp流过的电流大小，当输出电流Iout达到Iout_clp＝RS2/RS1*Iref时，运算放大器OP1的输出电压变低，通过开关管Ma将Mp的栅极电压拉高，以达到将输出电流限制在Iout_clp的目的。
但此种电路占用的芯片面积较大，且由于RS1在功率通路上，将会导致额外的功率损失，另外，运算放大器OP1的静态电流以及基准电流Iref也会导致整个芯片的静态电流变大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路及实现方法，解决现有功率开关电路占用面积大、电路的静态电流大、存在功率损失的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，包括具有信号输入端和信号输出端的前级驱动电路，连接在前级驱动电路的信号输入端上的使能信号EN，连接在前级驱动电路的信号输出端上的电流镜电路，以及连接在电流镜电路上的控制电路；
所述控制电路包括漏极连接在电流镜电路上的MOS管M1，栅极连接在电流镜电路上的MOS管Msns，一端分别与MOS管Msns的漏极和MOS管M1的栅极连接、另一端与MOS管M1源极连接的电阻R1，栅极与MOS管Msns的栅极连接、漏极与MOS管M1源极连接的MOS管Mpass，所述MOS管Msns、Mpass的源极为电源输入端VPOS，所述MOS管Mpass的漏极为电源输出端VNEG，所述前级驱动电路、电流镜电路均与电源输入端VPOS连接。
进一步的，所述前级驱动电路包括源极相互连接的MOS管M4和MOS管M5，连接在MOS管M4漏极的电阻R2，漏极连接在电阻R2另一端的MOS管M6，以及漏极连接在MOS管M5漏极的MOS管M7，所述MOS管M6、M7的源极均与电路的公共接地端VSS连接，所述MOS管M5的栅极与MOS管M4的漏极连接，所述MOS管M4的栅极与MOS管M5的漏极连接，所述MOS管M6的栅极连接使能信号EN，所述使能信号EN通过非门INV与MOS管M7的栅极连接，所述MOS管M4的源极与电源输入端VPOS连接，所述MOS管M4的漏极与电流镜电路连接。
进一步的，所述电流镜电路包括栅极相互连接的MOS管M2和MOS管M3，所述MOS管M3的漏极分别与MOS管M4的漏极、MOS管Msns的栅极连接，所述MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M2的栅极和漏极连接，所述MOS管M2、M3的源极均与电源输入端VPOS连接。
基于上述一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，本发明还提供了该电路的实现方法，包括如下步骤：
(a1)当使能信号EN为低电平时，MOS管M6的栅极为低电平，MOS管M7的栅极为高电平，MOS管M7导通的同时拉低MOS管M4栅极的电压，使得MOS管M4导通；
(a2)MOS管M4的导通使得MOS管Mpass栅极的电压提高为Vpos，因此，MOS管Mpass和MOS管Msns关断，此时的电路中没有导通器件，使得整个电路的静态电流为零。
基于上述一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，本发明还提供了该电路的实现方法，包括如下步骤：
(b1)当使能信号EN为高电平时，MOS管M6的栅极为高电平，MOS管M7的栅极为低电平，MOS管M6导通的同时通过电阻R2拉低MOS管Mpass栅极的电压，使得MOS管Mpass和MOS管Msns导通；
(b2)在MOS管Mpass导通之后，输出电流Iout逐渐增大，因此，MOS管Mpass的Vds逐渐增大，Vds的计算公式如下：
Vds＝Vpos–Vneg；
(b3)此时，忽略MOS管Msns的导通电阻，则电阻R1上的电压与Vds相等，在电阻R1上的电压值达到MOS管M1的导通电压Vth时，MOS管M1导通；
(b4)电流镜电路上拉MOS管Mpass和MOS管Msns的栅极电压，降低MOS管Mpass的Vgs，进一步增加MOS管Mpass的Vds，从而形成一个正反馈使得输出电流Iout逐渐减小；
(b5)MOS管Mpass的Vds持续增加，直至MOS管Msns镜像到的电流等于Vgs_m1/R1时，输出电流Iout稳定为K*(Vgs_m1/R1)，整个电路的工作状态保持稳定；
其中，Vgs_m1为MOS管M1的栅极与源极的电压差，K为MOS管Msns和MOS管Mpass的镜像电流比例。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在模块停止工作时达到了零静态电流的效果，在模块正常工作时，直接检测MOS管Mpass的Vds电压，省略掉现有功率开关电路中的电流检测电阻RS1、电阻RS2以及基准电流Iref，同时利用Mosfet固有Ron的特性，省略掉运算放大器OP1，从而达到减少功率损失的目的，同时也减小了电路的占用面积，利用反馈作用实现限流功能，实现输出电流Iout远小于正常工作时的保护电流值，达到限流保护的目的。
附图说明
图1为芯片的电源管理系统框图。
图2为现有的功率开关电路的电路图。
图3为本发明的功率开关电路的电路图。
图4为本发明的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图3所示，本发明公开的一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，包括具有信号输入端和信号输出端的前级驱动电路，连接在前级驱动电路的信号输入端上的使能信号EN，连接在前级驱动电路的信号输出端上的电流镜电路，以及连接在电流镜电路上的控制电路；
所述控制电路包括漏极连接在电流镜电路上的MOS管M1，栅极连接在电流镜电路上的MOS管Msns，一端分别与MOS管Msns的漏极和MOS管M1的栅极连接、另一端与MOS管M1源极连接的电阻R1，栅极与MOS管Msns的栅极连接、漏极与MOS管M1源极连接的MOS管Mpass，所述MOS管Msns、Mpass的源极为电源输入端VPOS，所述MOS管Mpass的漏极为电源输出端VNEG，所述前级驱动电路、电流镜电路均与电源输入端VPOS连接。
进一步的，所述前级驱动电路包括源极相互连接的MOS管M4和MOS管M5，连接在MOS管M4漏极的电阻R2，漏极连接在电阻R2另一端的MOS管M6，以及漏极连接在MOS管M5漏极的MOS管M7，所述MOS管M6、M7的源极均与电路的公共接地端VSS连接，所述MOS管M5的栅极与MOS管M4的漏极连接，所述MOS管M4的栅极与MOS管M5的漏极连接，所述MOS管M6的栅极连接使能信号EN，所述使能信号EN通过非门INV与MOS管M7的栅极连接，所述MOS管M4的源极与电源输入端VPOS连接，所述MOS管M4的漏极与电流镜电路连接。
进一步的，所述电流镜电路包括栅极相互连接的MOS管M2和MOS管M3，所述MOS管M3的漏极分别与MOS管M4的漏极、MOS管Msns的栅极连接，所述MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M2的栅极和漏极连接，所述MOS管M2、M3的源极均与电源输入端VPOS连接。
通过功率开关电路与电源连接的工作模块停止工作时，功率开关电路的实现方法包括如下步骤：
(a1)当使能信号EN为低电平时，MOS管M6的栅极为低电平，MOS管M7的栅极为高电平，MOS管M7导通的同时拉低MOS管M4栅极的电压，使得MOS管M4导通；
(a2)MOS管M4的导通使得MOS管Mpass栅极的电压提高为Vpos，因此，MOS管Mpass和MOS管Msns关断，此时的电路中没有导通器件，使得整个电路的静态电流为零。
通过功率开关电路与电源连接的工作模块在正常工作时，功率开关电路的实现方法包括如下步骤：
(b1)当使能信号EN为高电平时，MOS管M6的栅极为高电平，MOS管M7的栅极为低电平，MOS管M6导通的同时通过电阻R2拉低MOS管Mpass栅极的电压，使得MOS管Mpass和MOS管Msns导通；
(b2)在MOS管Mpass导通之后，输出电流Iout逐渐增大，因此，MOS管Mpass的Vds逐渐增大，Vds的计算公式如下：
Vds＝Vpos–Vneg；
(b3)此时，MOS管Msns工作在深度线性区，忽略MOS管Msns的导通电阻，则电阻R1上的电压与Vds相等，在电阻R1上的电压值达到MOS管M1的导通电压Vth时，MOS管M1导通；
(b4)电流镜电路上拉MOS管Mpass和MOS管Msns的栅极电压，降低MOS管Mpass的Vgs，进一步增加MOS管Mpass的Vds，从而形成一个正反馈使得输出电流Iout逐渐减小；
(b5)MOS管Mpass的Vds持续增加，MOS管Msns也将从线性区逐渐转换成饱和区工作，直至MOS管Msns镜像到的电流等于Vgs_m1/R1时，输出电流Iout稳定为K*(Vgs_m1/R1)，整个电路的工作状态保持稳定；
其中，Vgs_m1为MOS管M1的栅极与源极的电压差，K为MOS管Msns和MOS管Mpass的镜像电流比例。
本发明中功率开关电路的仿真图如图4所示，图中的横坐标为Vpos-Vneg的电压差，信号IOUT为输出电流，信号Vgs_m1为MOS管M1的栅极、源极电压差Vgs。由图4可以看出：电流IOUT开始随着Vpos-Vneg的电压增加而增加，而当电流达到Vpos-Vneg＝Vth(M1的导通电压)时，电流开始达到反馈条件，输出电流开始减小，最终稳定为K*(Vgs_m1/R1)。
本发明提供了一种直接检测主开关管，即MOS管Mpass的Vds电压的方法，省略掉现有功率开关电路中的电流检测电阻RS1、电阻RS2以及基准电流Iref，同时利用Mosfet固有Ron的特性，省略掉运算放大器OP1，来达到减少功率损失、限流保护的目的，同时也减小了电路的占用面积。
在某个模块停止工作时，控制使能信号EN为低电平，使功率开关电路停止工作，从而断开模块与电源之间的连接，达到保护模块的目的，此时流过整个电路的静态电流为零；在模块正常工作时，检测模块的输出电流Iout的值并提供保护，避免某一个模块因为引脚短路等异常情况出现过大的电流消耗时，影响其他模块的供电，此功率开关电路能够限制输出电流，而保证其他模块的供电不会受到影响，利用电阻R1实现电流检测，实现输出电流Iout远小于正常工作时的保护电流值，减小了保护状态中的电流消耗和发热，避免了器件异常损坏的情况。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路，其特征在于，包括具有信号输入端和信号输出端的前级驱动电路，连接在前级驱动电路的信号输入端上的使能信号EN，连接在前级驱动电路的信号输出端上的电流镜电路，以及连接在电流镜电路上的控制电路；
所述控制电路包括漏极连接在电流镜电路上的MOS管M1，栅极连接在电流镜电路上的MOS管Msns，一端分别与MOS管Msns的漏极和MOS管M1的栅极连接、另一端与MOS管M1源极连接的电阻R1，栅极与MOS管Msns的栅极连接、漏极与MOS管M1源极连接的MOS管Mpass，所述MOS管Msns、Mpass的源极为电源输入端VPOS，所述MOS管Mpass的漏极为电源输出端VNEG，所述前级驱动电路、电流镜电路均与电源输入端VPOS连接；
所述前级驱动电路包括源极相互连接的MOS管M4和MOS管M5，连接在MOS管M4漏极的电阻R2，漏极连接在电阻R2另一端的MOS管M6，以及漏极连接在MOS管M5漏极的MOS管M7，所述MOS管M6、M7的源极均与电路的公共接地端VSS连接，所述MOS管M5的栅极与MOS管M4的漏极连接，所述MOS管M4的栅极与MOS管M5的漏极连接，所述MOS管M6的栅极连接使能信号EN，所述使能信号EN通过非门INV与MOS管M7的栅极连接，所述MOS管M4的源极与电源输入端VPOS连接，所述MOS管M4的漏极与电流镜电路连接；
所述电流镜电路包括栅极相互连接的MOS管M2和MOS管M3，所述MOS管M3的漏极分别与MOS管M4的漏极、MOS管Msns的栅极连接，所述MOS管M2的漏极与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M2的栅极和漏极连接，所述MOS管M2、M3的源极均与电源输入端VPOS连接。
2.如权利要求1所述的一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a1)当使能信号EN为低电平时，MOS管M6的栅极为低电平，MOS管M7的栅极为高电平，MOS管M7导通的同时拉低MOS管M4栅极的电压，使得MOS管M4导通；
(a2)MOS管M4的导通使得MOS管Mpass栅极的电压提高为Vpos，因此，MOS管Mpass和MOS管Msns关断，此时的电路中没有导通器件，使得整个电路的静态电流为零。
3.如权利要求1所述的一种零静态电流、带过流保护的功率开关电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(b1)当使能信号EN为高电平时，MOS管M6的栅极为高电平，MOS管M7的栅极为低电平，MOS管M6导通的同时通过电阻R2拉低MOS管Mpass栅极的电压，使得MOS管Mpass和MOS管Msns导通；
(b2)在MOS管Mpass导通之后，输出电流Iout逐渐增大，因此，MOS管Mpass的Vds逐渐增大，Vds的计算公式如下：
Vds＝Vpos–Vneg；
(b3)此时，忽略MOS管Msns的导通电阻，则电阻R1上的电压与Vds相等，在电阻R1上的电压值达到MOS管M1的导通电压Vth时，MOS管M1导通；
(b4)电流镜电路上拉MOS管Mpass和MOS管Msns的栅极电压，降低MOS管Mpass的Vgs，进一步增加MOS管Mpass的Vds，从而形成一个正反馈使得输出电流Iout逐渐减小；
(b5)MOS管Mpass的Vds持续增加，直至MOS管Msns镜像到的电流等于Vgs_m1/R1时，输出电流Iout稳定为K*(Vgs_m1/R1)，整个电路的工作状态保持稳定；
其中，Vgs_m1为MOS管M1的栅极与源极的电压差，K为MOS管Msns和MOS管Mpass的镜像电流比例。
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