CN110784200A - 高速和负载开关的快速过电压和浪涌检测 - Google Patents

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Abstract

一种保护电路，包括：焊盘，所述焊盘被配置成从连接器输入外部电压；第一电路分支，所述第一电路分支连接到所述焊盘且被配置成接收所述焊盘处的快速斜升浪涌；第二电路分支，所述第二电路分支连接到所述焊盘且被配置成接收所述焊盘处的斜升浪涌；第三电路分支，所述第三电路分支连接到所述焊盘，且被配置成当在所述焊盘处接收到浪涌电压时输出浪涌检测信号；使能晶体管，所述使能晶体管连接在所述第二电路分支与所述第三电路分支之间；至少一个要保护的开关；以及控制器，所述控制器被配置成基于所述至少一个要保护的开关的接通状态控制所述保护电路的所述第二电路分支和第三电路分支的组件。

Description

高速和负载开关的快速过电压和浪涌检测
技术领域
本文公开的实施例大体上涉及过电压保护，更具体地，涉及过电压或浪涌条件下的高速或负载开关保护。
背景技术
浪涌是任何电路的关注点，包括连接到外部电缆的那些电路。浪涌电压可以呈快速斜升到高于装置能耐受的最大电压的电压的形式出现。当不正确的连接器连接到连接器的现有插座时，也可能存在浪涌。在这种情况下，连接器上的低电压引脚可能连接到不适当的较高电压。不适当的连接和浪涌电压会持续足够长的时间以将低电压引脚短接到较高电压，并且如果不加以控制则会造成相当大的损坏。
发明内容
下文呈现各种实施例的简要概述。可在以下概述中作出一些简化和省略，该概述意图凸显并引入各种实施例的一些方面，而非限制本发明的范围。在稍后的章节中将介绍适合于允许本领域普通技术人员制作和使用发明性概念的实施例的详细描述。
实施例包括一种保护电路，该保护电路包括：焊盘，该焊盘被配置成从连接器输入外部电压；第一电路分支，该第一电路分支连接到焊盘且被配置成接收焊盘处的快速斜升浪涌；第二电路分支，该第二电路分支连接到焊盘且被配置成接收焊盘处的斜升浪涌；第三电路分支，该第三电路分支连接到焊盘，且被配置成当在焊盘处接收到浪涌电压时输出浪涌检测信号；使能晶体管，该使能晶体管连接在第二电路分支与第三电路分支之间；至少一个要保护的开关；以及控制器，该控制器被配置成基于至少一个要保护的开关的接通状态控制保护电路的第二电路分支和第三电路分支的组件。
第三分支可以包括比较器，用于当在焊盘处接收到浪涌电压时输出浪涌检测信号。当在焊盘处接收到浪涌电压时，使能晶体管可以启用比较器。保护电路可以在第一状态下保持关断以避免比较器的电流消耗。
第一分支可以包括一对串联连接式电容器。
第三分支可以包括延伸漏极晶体管，用于在浪涌事件期间保护该保护电路的内部电路系统。
保护电路可以包括多个串联连接式晶体管以产生第一分支的阈值电压。串联连接式晶体管是二极管连接式晶体管。
比较器可以在至少一个开关处于接通模式时向控制器输出过电压信号以关闭至少一个开关。
控制器可以接收浪涌检测信号，并切断至少一个开关以保护至少一个开关免受在焊盘处接收到的浪涌的影响。
如果要保护的开关关断，则控制器可以不向第二分支和第三分支的晶体管供电。
当要保护的开关接通并且焊盘电压低于浪涌电平时，检测电路的DC电流可以保持为零。
实施例还可以包括一种具有焊盘的保护电路，包括：第一分支，该第一分支连接到焊盘以确定浪涌保护电路的阈值电压；第二分支，该第二分支包括延伸漏极晶体管，用于保护延伸漏极晶体管的源极；使能晶体管，该使能晶体管连接在第一分支与第二分支之间；以及由使能晶体管启用的比较器，该比较器在焊盘电压高于阈值电压时输出过电压信号。
实施例还可以包括一种电路，包括：连接器；连接到连接器的焊盘；耦合到焊盘的保护电路；要通过保护电路保护的至少一个装置；以及控制器，该控制器连接到保护电路和要保护的装置，其中控制器被配置成控制保护电路的操作，使得在未启用保护电路时保护电路不吸收电流。
保护电路可以包括比较器，用于当在焊盘处发生浪涌事件时向控制器输出浪涌检测信号。保护电路可以包括使能晶体管，该使能晶体管由焊盘上的浪涌事件导通，并且其中使能晶体管在浪涌事件期间启用比较器。
保护电路可以包括延伸漏极晶体管，用于当在焊盘处发生浪涌事件时保护该保护电路的内部电路系统。
保护电路可以被配置成接收焊盘处的电压。
附图说明
当结合附图时，根据以下详细描述和所附权利要求书将更容易理解本发明的其它目标和特征。虽然示出并描述了若干实施例，但是在每幅图中相同的附图标记标识相同的部件，附图中：
图1示出根据本文所描述的实施例的印刷电路板(PCB)的连接方案；
图2A和2B示出根据本文所描述的实施例的用于过电压检测的电路；
图3示出根据本文所描述的实施例的控制电路；
图4示出根据图1和3的保护电路的示意图；以及
图5示出根据图4的浪涌保护电路的输入和输出电压。
具体实施方式
应理解，图式仅为示意性的并且不按比例绘制。还应理解，贯穿图式使用的相同附图标记表示相同或相似的部件。
描述和图式示出各种示例实施例的原理。将了解，本领域技术人员将能够设计各种布置，这些布置虽然未在本文中明确描述或示出，但体现了本发明的原理并且包括在本发明的范围内。此外，本文中所述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以帮助读者理解本发明的原理及由发明人所提供的概念，从而深化所属领域，且所有例子不应解释为限于此类特定所述的例子和条件。另外，除非另有说明，否则(例如，“或另外”或“或替代”)本文所用的术语“或”是指非排他性的或(即，和/或)。并且，本文所描述的各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可以与一个或多个其它实施例组合从而形成新的实施例。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意在限制所论述元件的次序，而是用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。值(例如，最大值或最小值)可以基于本申请而被预定且设置为不同值。
本文描述的实施例包括基于阈值的电路，该电路在浪涌或过电压保护事件引入时接通。保护电路在正常条件下保持关断以避免电流消耗。
如本文所描述，过电压检测电路可以检测出现在焊盘上的高于阈值电平的浪涌电压。可以启用快速比较器以接受浪涌电压并将该浪涌电压与参考电压进行比较。比较器的输出可以是“检测到过电压”信号，该信号可以由控制器用于关闭处于接通模式的印刷电路板的主机和装置侧之间的开关。
如果本文示出的开关处于关断模式，则不需要浪涌检测，并且可以控制保护电路以保持关断。当开关接通，但焊盘电压低于浪涌电平时，未达到浪涌阈值，并且快速比较器保护电路的直流电流保持为零，使得保护电路中没有电流损耗。
图1示出根据本文所描述的实施例的印刷电路板(PCB)105的连接方案100。PCB105可以通过连接器/装置侧的焊盘110a经由PCB线115连接到连接器120。连接器120可以是USB C型连接器等。PCB 105可以通过处理器/主机侧的第二焊盘110b经由PCB线115连接到主机(未示出)。主机侧可以包括处理器或其它负载。连接器120可以接收附接到电缆125或其它装置的相对连接器。
PCB 105可以包括浪涌/过电压保护电路130(下文称为保护电路)，在发生过电压或浪涌条件时输出OV_detect输出信号138。保护电路130可以控制主机/处理器侧上的一个或多个开关140的一个或多个栅极135受到保护。一个或多个开关140可以是具有延伸漏极140a的MOSFET晶体管。使用具有高耐压的延伸漏极140a，开关140可以在检测到浪涌并且由保护电路130在其它地方路由之前在短时间内耐受浪涌。另外，如果一个或多个开关140关断并且保护电路130关断，延伸漏极140a可以耐受引脚110a处的浪涌电压。
延伸漏极晶体管开关140允许漏极侧140a用在连接器侧，源极侧140b用在主机侧。可以使用耐受不同最大电压的不同的延伸漏极或高压晶体管。在栅极附近示出的三角形凹口表示晶体管140具有延伸漏极。漏极侧140a的漏极区可以进一步延伸和/或更宽，具有比延伸漏极晶体管140的源极侧140b的源极区更大的面积。
保护电路130可以快速检测浪涌电压，并关闭开关140(如果它们接通)以保护PCB105的主机/处理器侧以及开关140的140b源极侧。如上所述，在没有浪涌电压的情况下保护电路130不消耗任何DC电流，且该保护电路130的负载效应可能很小，以避免降低高速开关的性能。
源极侧140b不能耐受高电压超过几十纳秒(ns)(对于14nm-CMOS高电压NMOS，＜100nS)。这意味着保护电路130的整个浪涌检测和开关140的关闭可能在小于约100nS内发生，通常在更短时间内发生，否则开关140的源极侧140b和系统的主机侧将碰到会要处理的更高电压并损坏。
图2A和2B示出根据本文所描述的实施例的用于过电压检测的电路205和255。如图2A所示，焊盘/连接器侧210的输入208将与比较器230的电压参考215进行比较。如果检测到过电压，则开关240将被关闭。在图2B中，焊盘/连接器侧210的输入电压的分频比可以用于浪涌电压的快速和延迟检测。分频比可以包括并联的串联连接电容器和电阻器的比率电路212。比较器230将参考电压215与输入浪涌电压的分频比电路212的输出进行比较。如果检测到过过电压，则开关240将关闭。
可以使用快速比较器230。在图2A的实施例中，比较器230保持在接通状态，通常消耗几百微安的电流，响应时间为几十纳秒。在正常条件下不会发生浪涌或过电压条件。因此，比较器220一直消耗恒定的DC电流，这是电路上的损耗。由于可能有超过一个引脚面临浪涌保护，需要超过一个浪涌保护电路，因此消耗的DC电流将很高，这对于低功率应用是不期望的。
图3示出根据本文所描述的实施例的控制电路300。连接器120可以连接到保护电路130。保护电路130可以连接到主机侧装置310，例如开关140、装置和处理器，以便通过连接351发送直接过电压信号。控制器320在保护电路130与主机侧装置310之间接口连接。当例如一个或多个开关140的主机侧装置310通过连接336通信因此接通时，控制器320使用保护电路130的一个或多个控制信号338启用晶体管413、415和421(图4所示)以便检测焊盘110a处的浪涌电压(图1所示)。可以在控制器320与主机装置310之间进行双向通信。如果例如一个或多个开关140的主机侧装置310处于关断状态，则控制器320不启用保护电路130的晶体管413、415和421。在这两种情况下，直到检测到浪涌事件为止，比较器430(图4中示出)才接通并消耗保护电路130中的电流。
图4示出根据图1和3的保护电路130的示意图。当要保护开关140或主机侧装置310时，保护电路130在到焊盘110a的输入电压低于浪涌阈值参考电平时保持关断，这使得保护电路130的DC电流为零。当输入电压高于浪涌阈值电压参考电平时，保护电路130快速导通，然后导通比较器430以确保电压高于浪涌电压阈值电平，从而关闭开关140或要保护的主机侧装置。
输入电压可以通过焊盘110a进入保护电路130。保护电路可以包括三个电路分支401、402和403，它们都连接到焊盘110a。第一电路分支401可以包括电容器分支，用于接收焊盘110a处的快速斜升电压。第二电路分支402可以确定保护电路130的浪涌阈值电压，该保护电路130被配置成接收焊盘110a处的慢速斜升电压。第二电路分支402可以包括第一电阻器R1、第一二极管连接式PMOS晶体管411、低电压PMOS晶体管413、第二电阻器R2，以及也与电阻器R1具有相同值的第三电阻器R3。当主机侧开关接通时，如果焊盘110a处的电压超过第二电路分支402中的元件组合的浪涌阈值电压，则足够的电压将导通NMOS晶体管415的使能栅极。电流将从源极415a到漏极415b流过使能晶体管415。漏极415b处的电压电位可以被反转并且启用比较器430，同时激活NMOS晶体管423。
第三电路分支403可以包括高电压延伸漏极晶体管421。当焊盘110a上的电压小于浪涌电压时，第二电路分支402和第三电路分支403将不会以足够的量传导电流来导通比较器430。比较器430是第三电路分支403的一部分。当浪涌电压大于第二电路分支402和第三电路分支403的阈值时，将在延伸漏极晶体管421的漏极421a处出现浪涌电压。基于保护电路130的不同设计，延伸漏极421a可以具有不同的长度、深度和掺杂分布，以定制延伸漏极晶体管421来适当地调整保护电路130用于各种用途。使用延伸漏极晶体管421，在比较器430能够输出检测信号之前，浪涌电压将不会破坏内部电路系统。在保护电路130未被启用的情况下，焊盘110a上的任何高电压都不会损坏延伸漏极NMOS 421。流入漏极421a的电流可以被电阻器R4减小，使得源极421b处的电压不会损坏源极421b。可以使用具有高电流的快速比较器430，使得源极421b处的高电压存在少于几十纳秒，然后通过比较器430吸收。在浪涌事件中，非反相输入430a的电压将大于参考电压430b，并且比较器430会将过电压检测输出信号138输出到控制器320。控制器320然后可以将浪涌电压路由到地面或远离主机侧装置310，并关闭开关140或主机侧装置310内的其它开关以防止对该主机侧装置310造成损坏。
当主机侧的开关140或要保护的开关关断时，晶体管413、415和421不被启用，并且保护电路被切断。
电阻器R2和R3两端的电压降可以由三个二极管连接式NMOS晶体管404、406和408设置。由第二电路分支402设置和检测的阈值电压电平可以由快速检测电路使用电容器C1和C2补充。电容器C1可以具有比电容器C2更高的电容。如果浪涌电压输入到具有非常快的尖峰的焊盘110a，则电容器C1可以存储初始电荷，之后在电阻器R2和R3两端耗散电荷。如果初始尖峰之后是较慢的浪涌，则串联电容器C1和C2可以结合R1、二极管连接式晶体管411和低电压晶体管413工作，以在触发使能晶体管415导通之前在节点419处组合电压电平。
因此，如果焊盘110a处的电压缓慢上升，则二极管/电阻式第二电路分支402将处理该工作。在快速斜升(浪涌)的情况下，两个串联电容器C1和C2将更快地起作用。将启用晶体管415，之后启用晶体管421和423以及比较器430。
使用数值的保护电路130的操作例子可以如下。比较器430的参考电压可以等于带隙电压，该带隙电压可以等于1.25V。R1、R2和R3可以等于1M欧姆。电阻器R2可以是4K欧姆并且电阻器R3可以是1.7k欧姆。
晶体管413、415和421两端的电压降可以约为0.7V。二极管连接式晶体管404、406和408以及413两端的电压降同样可以是0.7V。在检测到过电压的开始时，三个二极管连接式晶体管404、406和408接通，因此节点419处的电压可以是0.7V的三倍，即2.1V。穿过电阻器R2和R3的电流可以等于电流2.1V除以2M欧姆，约为1uA。这些计算使焊盘110a处的电压为以下的总和：晶体管413的1.8V栅极电压，加上晶体管413的0.7V电压降，加上二极管连接式晶体管411的0.7V，加上通过电阻器R2和R3的电流乘以电阻器R1的1M欧姆，该总和基本上为4.2V，等于浪涌阈值电压。
在这种情况下，节点444处的电压等于串联二极管连接式晶体管404、406和408的2.1V除以2，等于仅约1V。电阻器R2和R3充当分压器。节点444处的1V可以导通使能晶体管415。此导通将启用比较器430，并且还导通NMOS晶体管423。
在第三电路分支403中，穿过电阻器R5的电流可以是增强型漏极晶体管421的栅极处的3.6V减去晶体管423两端的0.7的电压降除以电阻器R5。比较器输入430a的最小电压将为1.25V+ε。因此，穿过电阻器R5的电流为1.25/R5，为7.35mA。焊盘电压110a是1.25V加上7.35mA乘以R4，等于7.35mA*4Kohm+1.25V，等于约4.2V，这与如上所述的检测点边缘的计算一致。高于4.2V的所有电压将被比较器430检测为过电压。USB的全摆幅信号低于3V，因此4.2V的阈值可为合理的。
图5示出根据图4的浪涌保护电路的输入和输出电压。Vi1是保护电路130将导通的最小阈值电压(例如，4.2V)。Vi2是Vi1加上Δ，其中Δ考虑了PCB 105中的PVT变化。由于保护电路130中的非理想性，阈值可以处于Vi1与Vi2之间(例如，5V)。当在时间T1处到焊盘110a的输入电压高于阈值电压Vi1时，保护电路130将导通并启用比较器430。比较器430输出检测信号(Vout)，将导通直到T2。T2减去T1的差值是保护电路130的时间响应，该时间响应可以是短的持续时间。T3是当保护电路130切断时的时间。因此，T3减去T1的时间可以小于100nS。Vout1是比较器430的正输入421a。
本文描述的实施例可以用于高速或低速电路(如高速或负载开关)中的任何类型的过电压和/或浪涌检测。可以通过改变最高R1和R2电阻器值来调节检测电平和速度，并且根据应用使比较器430更快或更慢。比较器430的速度可以在操作时通过该比较器430的电流损耗来确定。当保护电路130未检测到过电压或浪涌电压时，比较器430不使用电流。指示存在浪涌或过电压的比较器430的输出信号138可以输出到控制器320，该控制器320可以用于关闭开关140或主机侧装置310或者作为浪涌/过电压输入的指示。在没有浪涌或过电压的情况下，比较器430的正常操作中的静态电流为零。在浪涌事件期间比较器430的消耗电流可以取决于焊盘电压，并且可以使用R1、R2、R3、R4和R5的值来调整。
尽管已特定参考各种示例性实施例的特定示例性方面详细地描述各种示例性实施例，但应理解，本发明能够容许其它实施例，且能够容许在各种显而易见的方面修改本发明的细节。如本领域的技术人员显而易见，可以实现变化和修改同时保持在本发明的精神和范围内。因此，前述公开内容、描述和图式仅出于说明性目的并且不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种保护电路，其特征在于，包括：
焊盘，所述焊盘被配置成从连接器输入外部电压；
第一电路分支，所述第一电路分支连接到所述焊盘且被配置成接收所述焊盘处的快速斜升浪涌；
第二电路分支，所述第二电路分支连接到所述焊盘且被配置成接收所述焊盘处的斜升浪涌；
第三电路分支，所述第三电路分支连接到所述焊盘，且被配置成当在所述焊盘处接收到浪涌电压时输出浪涌检测信号；
使能晶体管，所述使能晶体管连接在所述第二电路分支与所述第三电路分支之间；
至少一个要保护的开关；以及
控制器，所述控制器被配置成基于所述至少一个要保护的开关的接通状态控制所述保护电路的所述第二电路分支和第三电路分支的组件。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述第三分支包括比较器，用于当在所述焊盘处接收到所述浪涌电压时输出所述浪涌检测信号。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述第一分支包括一对串联连接式电容器。
4.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述第三分支包括延伸漏极晶体管，用于在浪涌事件期间保护所述保护电路的内部电路系统。
5.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，包括多个串联连接式晶体管以产生所述第一分支的阈值电压。
6.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述比较器在所述至少一个开关处于接通模式时向所述控制器输出过电压信号以关闭所述至少一个开关。
7.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述控制器接收所述浪涌检测信号，并切断所述至少一个开关以保护所述至少一个开关免受在所述焊盘处接收到的浪涌的影响。
8.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，如果所述要保护的开关关断，则所述控制器不向所述第二分支和所述第三分支的晶体管供电。
9.一种具有焊盘的保护电路，其特征在于，包括：
第一分支，所述第一分支连接到所述焊盘以确定浪涌保护电路的阈值电压；
第二分支，所述第二分支包括延伸漏极晶体管，用于保护所述延伸漏极晶体管的源极；
使能晶体管，所述使能晶体管连接在所述第一分支与所述第二分支之间；以及
由所述使能晶体管启用的比较器，所述比较器在焊盘电压高于所述阈值电压时输出过电压信号。
10.一种电路，其特征在于，包括：
连接器；
连接到所述连接器的焊盘；
耦合到所述焊盘的保护电路；
要通过所述保护电路保护的至少一个装置；以及
控制器，所述控制器连接到所述保护电路和所述要保护的装置，其中所述控制器被配置成控制所述保护电路的操作，使得在未启用所述保护电路时所述保护电路不吸收电流。
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