CN110601683B - 开关控制电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种开关控制电路及控制方法，开关控制电路包括驱动及伺服电路、开关、电压转换模块、参考电压产生器、比较器电路；电压转换模块连接芯片VCC管脚，将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；参考电压产生器用以产生比较器电路的参考电压，并输送至比较器电路的第二输入端；比较器电路的输出端连接所述开关的控制端；比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近。本发明提出的开关控制电路，可降低芯片设计难度，同时确保在控制过程中开关不断电。

Description

开关控制电路及控制方法
技术领域
本发明属于IC设计技术领域，涉及一种控制电路，尤其涉及一种开关控制电路及控制方法。
背景技术
两线开关连接方式广泛地应用于磁感应开关等领域，其具有接线方式简单的优点。图1为现有两线连接开关连接的电路示意图(上拉)；如图1所示，开关芯片10包括了一个受控开关11及其驱动和伺服电路12，芯片通过输入管脚“Vin”连接输入电压/电流信号(或者芯片内部直接集成传感器)，通过驱动/伺服电路控制开关的开启和关闭来控制芯片输出管脚“Vout_Chip”的输出电阻(对地),芯片的驱动和伺服电路由芯片的管脚“VCC”负责提供工作电压。
当开关关闭时，芯片输出端子Vout断路，电池(或者其他类型的电源，以下简称电池)通过负载RL将输出端子“Vout”拉升至电池电压“VB”，此时，芯片的驱动及伺服电路的供电电压等于VB。
当开关开启时，芯片输出端子被短路到地，Vout此时的电压由负载RL和偏置电阻RZ的电阻关系确定：
Figure BDA0002171751190000011
为了使得在开关开启时，芯片的伺服及驱动电路仍然能正常工作，其供电管脚VCC需要大于特定值Vmin：
VCC＝Vout≥VMIN
联合公式<1>，Rz需要满足：
Figure BDA0002171751190000012
通常情况下，希望开关开启时，Vout端子能尽量的低，以获得最大的负载电流：
Figure BDA0002171751190000013
所以，会将RZ取到等于或者略大于公式<2>界定的最小值。
图2为现有两线连接开关连接的电路示意图(下拉)；图2是两线连接开关的另外一种形式(下拉式)，其原理和上述的连接方法(上拉式)是类似的。
如上所述，需要一个偏置调节电阻来为在开关开启时为芯片的驱动及伺服电路提供足够的电压，同时，为了使得开关开启时，负载能获得尽量大的工作电流，需要为不同的负载阻抗RL来配备不同阻值大小的RZ，如公式<2>所示。
这在芯片的应用带来了不便，每一种应用都需要不同RZ的设计都需要不同的电阻RZ供应，造成了设计生产的不便。
另外，当图1和图2中所示的负载包含由电感特性(例如继电器)，如图3所示，在开关由断开状态转换至开启状态时，由于负载中包含电感特性，其电流无法迅速增加至稳态电流，而迅速开启的开关则立即通过RZ将Vout电压拉低至零(接地电位)，直到负载电感在负载电压的作用下将电流逐渐地建立至稳态电流为止。在这个过程中，Vout端子上出现的极低电压，也是芯片驱动及伺服电路的供电电压，会造成芯片的短时间断电，从而有可能造成芯片的错误工作状态，例如驱动电路失效，复位电路误触发，传感器探测放大电路判决错误等等。
为了避免误断电的情况，设计者被迫选择比公式<1>所规定的最小Rz值还大很多的电阻来为电感效应留够电源电压裕度，被迫选择更大的滤波电容CL在Vout端子，或者芯片被迫放弃很多高电感负载的应用。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种开关控制电路，以便克服现有开关控制电路存在的上述缺陷。
发明内容
本发明提供一种开关控制电路及控制方法，可降低芯片设计难度，同时确保在控制过程中开关不断电。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种开关控制电路，所述开关控制电路包括：驱动及伺服电路、开关、电压转换模块、参考电压产生器、比较器电路；
所述电压转换模块连接芯片的供电电压管脚VCC，将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；电压转换模块的输出端连接比较器电路的第一输入端；
所述参考电压产生器用以产生所述比较器电路的参考电压，参考电压产生器的输出端连接比较器电路的第二输入端；
所述比较器电路的输出端连接所述开关的控制端；所述比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向所述开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近；
所述驱动及伺服电路的输入端连接芯片的设定输入管脚，驱动及伺服电路的输出端连接所述开关，能向开关发送控制信号，通过控制开关的开启和关闭来控制芯片输出管脚的输出电阻。
作为本发明的一种实施方式，所述开关为金氧半场效晶体管MOSFET或双极性晶体管。
作为本发明的一种实施方式，所述开关的控制端为金氧半场效晶体管MOSFET的栅极或者双极性晶体管Bipolartransistor的基极。
作为本发明的一种实施方式，所述开关控制电路包括芯片，所述芯片包括所述驱动及伺服电路、开关、电压转换模块、参考电压产生器、比较器电路。
作为本发明的一种实施方式，所述比较器电路的第三输入端连接芯片的供电电压管脚VCC；比较器电路的第四输入端连接开关的发射极或源极。
作为本发明的一种实施方式，所述开关控制电路还包括电源、电感、负载RL、电阻RZ、电容CL；
所述电源的正极连接电感的第一端，电感的第二端连接负载RL的第一端；
所述负载RL的第二端分别连接芯片的供电电压管脚VCC、电阻RZ的第一端、电容CL的第一端；电阻RZ的第二端连接开关，电容CL的第二端接地。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，输入管脚VIN为外部输入的控制信号源管脚。
根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种上述的开关控制电路的开关控制方法，所述开关控制方法包括：
电压转换模块将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；
参考电压产生器产生比较器电路的参考电压，参考电压产生器将产生的参考电压输送至比较器电路；
比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向所述开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近。
作为本发明的一种实施方式，所述控制方法还包括：驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，驱动及伺服电路的输出端连接所述开关，能向开关发送控制信号，通过控制开关的开启和关闭来控制芯片的输出管脚的输出电阻。
本发明的有益效果在于：本发明提出的开关控制电路及控制方法，可降低芯片设计难度，同时确保在控制过程中开关不断电。
两线模式下，本申请提到的芯片内部VCC预设最低阈值基本可以设为芯片内部电路正常工作所需的最低电源电压从而使得负载RL能够获得最大的电流输入。在两线工作开关开启时，VCC的最低电压是由芯片内部的反馈控制电路控制的，与外围器件RL/RZ以及电池供电电压VB无关，这极大地降低了芯片应用端设计难度。
在负载端出现较大电感时，本申请的设计可以更好地适应：在开关由关闭转换为开启时，开关首先受控于信号通路(驱动及伺服电路)开启并将Vout(VCC)电平下拉，当Vout(VCC)到达芯片内部设定的最低电源预设值时，芯片内部的反馈控制环路(电压转换，参考电压以及比较放大电路)开始控制开关的控制端，如果负载端包含电感特性，其电流无法迅速增加至稳态，则反馈环路可以通过开关控制端去增加开关的导通电阻甚至暂时关断开关，从而将Vout(VCC)稳定在芯片电源电压最小阈值附近，而不会出现传统开关芯片控制方法的暂时断电的缺点。
附图说明
图1为现有两线连接开关连接的电路示意图(上拉)。
图2为现有两线连接开关连接的电路示意图(下拉)。
图3为现有两线连接开关电路负载包含电感特性的电路示意图。
图4为本发明一实施例中开关控制电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
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，本发明并不仅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。
本发明揭示了一种开关控制电路，图4为本发明一实施例中开关控制电路的电路示意图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，所述开关控制电路10包括：驱动及伺服电路12、开关11、电压转换模块14、参考电压产生器15、比较器电路13。
所述电压转换模块14连接芯片的供电电压管脚VCC，将芯片的供电电压管脚VCC转换成比较器电路13的输入端能接收的电平；电压转换模块14的输出端连接比较器电路13的第一输入端。
所述参考电压产生器15用以产生所述比较器电路13的参考电压，参考电压产生器15的输出端连接比较器电路13的第二输入端。
所述比较器电路13的输出端连接所述开关11的控制端；所述比较器电路13探测到所述电压转换模块14输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路13向所述开关11的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近。
所述驱动及伺服电路12的输入端连接芯片的设定输入管脚，驱动及伺服电路12的输出端连接所述开关11，能向开关11发送控制信号，通过控制开关11的开启和关闭来控制芯片输出管脚的输出电阻。
在本发明的一实施例中，所述驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，输入管脚VIN为外部输入的控制信号源管脚。
在本发明的一实施例中，所述开关为金氧半场效晶体管MOSFET或双极性晶体管。
在本发明的一实施例中，所述开关的控制端为金氧半场效晶体管MOSFET的栅极或者双极性晶体管Bipolartransistor的基极。
请参阅图4，在本发明的一实施例中，所述开关控制电路包括芯片，所述芯片包括所述驱动及伺服电路12、开关11、电压转换模块14、参考电压产生器15、比较器电路13。
在本发明的一实施例中，所述比较器电路13的第三输入端连接芯片的供电电压管脚VCC；比较器电路13的第四输入端连接开关11的发射极或源极。当开关11为金氧半场效晶体管MOSFET时，比较器电路13的第四输入端连接开关11的源极；当开关11为双极性晶体管Bipolartransistor时，比较器电路13的第四输入端连接开关11的发射极。
在本发明的一实施例中，所述开关控制电路还包括电源、电感、负载RL、电阻RZ、电容CL；所述电源的正极连接电感的第一端，电感的第二端连接负载RL的第一端；所述负载RL的第二端分别连接芯片的供电电压管脚VCC、电阻RZ的第一端、电容CL的第一端；电阻RZ的第二端连接开关，电容CL的第二端接地。
本发明还揭示一种上述的开关控制电路的开关控制方法，所述开关控制方法包括：
电压转换模块将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；
参考电压产生器产生比较器电路的参考电压，参考电压产生器将产生的参考电压输送至比较器电路；
比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向所述开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近。
在本发明的一实施例中，所述控制方法还包括：驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，驱动及伺服电路的输出端连接所述开关，能向开关发送控制信号，通过控制开关的开启和关闭来控制芯片的输出管脚的输出电阻。
综上所述，本发明提出的开关控制电路及控制方法，可降低芯片设计难度，同时确保在控制过程中开关不断电。
两线模式下，本申请提到的芯片内部VCC预设最低阈值基本可以设为芯片内部电路正常工作所需的最低电源电压从而使得负载RL能够获得最大的电流输入。在两线工作开关开启时，VCC的最低电压是由芯片内部的反馈控制电路控制的，与外围器件RL/RZ以及电池供电电压VB无关，这极大地降低了芯片应用端设计难度。
在负载端出现较大电感时，本申请的设计可以更好地适应：在开关由关闭转换为开启时，开关首先受控于信号通路(驱动及伺服电路)开启并将Vout(VCC)电平下拉，当Vout(VCC)到达芯片内部设定的最低电源预设值时，芯片内部的反馈控制环路(电压转换，参考电压以及比较放大电路)开始控制开关的控制端，如果负载端包含电感特性，其电流无法迅速增加至稳态，则反馈环路可以通过开关控制端去增加开关的导通电阻甚至暂时关断开关，从而将Vout(VCC)稳定在芯片电源电压最小阈值附近，而不会出现传统开关芯片控制方法的暂时断电的缺点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (9)

1.一种开关控制电路，其特征在于，所述开关控制电路包括：驱动及伺服电路、开关、电压转换模块、参考电压产生器、比较器电路；
所述电压转换模块连接芯片的供电电压管脚VCC，将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；电压转换模块的输出端连接比较器电路的第一输入端；
所述参考电压产生器用以产生所述比较器电路的参考电压，参考电压产生器的输出端连接比较器电路的第二输入端；
所述比较器电路的输出端连接所述开关的控制端；所述比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向所述开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近；
所述驱动及伺服电路的输入端连接芯片的设定输入管脚，驱动及伺服电路的输出端连接所述开关，能向开关发送控制信号，通过控制开关的开启和关闭来控制芯片的输出管脚的输出电阻。
2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：
所述开关为金氧半场效晶体管MOSFET或双极性晶体管。
3.根据权利要求2所述的开关控制电路，其特征在于：
所述开关的控制端为金氧半场效晶体管MOSFET的栅极或者双极性晶体管Bipolartransistor的基极。
4.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：
所述开关控制电路包括芯片，所述芯片包括所述驱动及伺服电路、开关、电压转换模块、参考电压产生器、比较器电路。
5.根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于：
所述比较器电路的第三输入端连接芯片的供电电压管脚VCC；比较器电路的第四输入端连接开关的发射极或源极。
6.根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于：
所述开关控制电路还包括电源、电感、负载RL、电阻RZ、电容CL；
所述电源的正极连接电感的第一端，电感的第二端连接负载RL的第一端；
所述负载RL的第二端分别连接芯片的供电电压管脚VCC、电阻RZ的第一端、电容CL的第一端；电阻RZ的第二端连接开关，电容CL的第二端接地。
7.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于：
所述驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，输入管脚VIN为外部输入的控制信号源管脚。
8.一种权利要求1至7任一所述的开关控制电路的开关控制方法，其特征在于，所述开关控制方法包括：
电压转换模块将芯片的供电电压转换成比较器电路的输入端能接收的电平；
参考电压产生器产生比较器电路的参考电压，参考电压产生器将产生的参考电压输送至比较器电路；
比较器电路探测到所述电压转换模块输出的信号接近或低于设定参考电压时，比较器电路向所述开关的控制端输出控制信号，以限制或者断开开关的导通电阻，从而使得芯片的供电电压管脚VCC始终被控制在预设值附近。
9.根据权利要求8所述的开关控制方法，其特征在于：
所述控制方法还包括：驱动及伺服电路的输入端连接芯片的输入管脚VIN，驱动及伺服电路的输出端连接所述开关，能向开关发送控制信号，通过控制开关的开启和关闭来控制芯片的输出管脚的输出电阻。
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