CN113394960A - 电源开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源开关电路。电源开关电路包括输入端、输出端、第一开关、第二开关、感测开关及调整电路。第一开关耦接输入端。第二开关耦接第一开关与输出端。第一开关与第二开关之间具有第一节点。第一节点存在第一节点电压。第二开关的耐压高于第一开关的耐压。感测开关耦接输入端与第一开关。调整电路耦接第一节点与感测开关。调整电路与感测开关之间具有第二节点。第二节点存在第二节点电压。调整电路依据第一节点电压调整第二节点电压，使其等于第一节点电压。本发明的电源开关电路可消除因电流复制电路造成的电压误差，以限制输出电流，还可防止电流从负载端倒灌至电源开关电路，以避免电路被烧毁。

Description

电源开关电路
技术领域
本发明是与电源开关有关，尤其是关于一种电源开关电路。
背景技术
一般而言，在传统的电源开关电路中通常会设置一个与电源开关匹配的感测开关，用以产生感测电流，并通过电流复制电路将感测电流传递至过电流保护电路，以提供过电流保护机制。
如图1所示，于时间t1至时间t2的期间，输出电流IL持续上升。于时间t2至时间t3的期间，过电流保护电路开始通过降低电源开关的控制电压VG的方式相对应提高电源开关的导通电阻(On-resistance)RON，由以将输出电流IL限制在电流值IOCP1，故可有效避免过电流现象产生。然而，此时由于输出电流IL的供应受限制而负载仍持续抽载，导致输出电压VOUT开始下降。
在时间t3，输出电压VOUT下降至接近0伏特(V)时，由于感测开关的汲极与接地之间耦接有电流复制电路或感测电阻，使得电源开关的汲极电压与感测开关的汲极电压不一致，两者之间约有0.2V的偏差，导致后方的过流保护电路误判，使得原本被限制在电流值IOCP1的输出电流IL被抬升至较高的电流值IOCP2，两者之间约有10％～20％的误差，此一缺点亟待改善。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电源开关电路，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。
依据本发明的一具体实施例为一种电源开关电路。于此实施例中，电源开关电路包括输入端、输出端、第一开关、第二开关、感测开关及调整电路。第一开关耦接输入端。第二开关耦接第一开关与输出端。第一开关与第二开关之间具有第一节点。第一节点存在第一节点电压。第二开关的耐压高于第一开关的耐压。感测开关耦接输入端与第一开关。调整电路耦接第一节点与感测开关。调整电路与感测开关之间具有第二节点。第二节点存在第二节点电压。调整电路依据第一节点电压调整第二节点电压，使其等于第一节点电压。
于一实施例中，电源开关电路还包括过电流保护电路。过电流保护电路分别耦接第一开关的控制端及感测开关，且根据感测开关提供的第一感测信号产生控制电压，用以调整第一开关的阻值。
于一实施例中，过电流保护电路包括第一误差放大器。第一误差放大器的两输入端分别耦接参考电压及感测开关，且根据参考电压及第一感测信号产生控制电压。
于一实施例中，感测开关与第一开关匹配。感测开关与第一开关的闸极共接及源极共接。
于一实施例中，调整电路包括第二误差放大器与第三开关，根据第一节点电压及第二节点电压调整第三开关的阻值。
于一实施例中，电源开关电路还包括电流复制电路。电流复制电路耦接感测开关并根据感测开关提供的第一感测信号产生第二感测信号。
于一实施例中，电流复制电路还包括与第三开关匹配的第四开关M4。
于一实施例中，电流复制电路还包括电流镜，耦接第四开关，根据第一感测信号产生第二感测信号。
于一实施例中，电源开关电路还包括电阻，耦接电流复制电路与接地端，将电流复制电路所产生具有电流型式的第二感测信号转换为具有电压型式的第二感测信号后提供给过电流保护电路。
于一实施例中，电源开关电路还包括过电流保护电路。过电流保护电路分别耦接第一开关的控制端及电流复制电路，且根据电流复制电路提供的第二感测信号产生控制电压，用以调整第一开关的阻值。
相较于现有技术，本发明的电源开关电路串接第二开关于第一开关与输出端之间，使第一开关的汲极电压不致降为0伏特，再通过调整电路调整感测开关的汲极电压，使其与第一开关的汲极电压相等，以消除因电流复制电路造成的电压误差，使得过电流保护电路能根据准确的感测电压产生控制电压，进而达到限制输出电流的功效。此外，本发明的电源开关电路还可提供防呆功能，有效防止电流从负载端倒灌至电源开关电路，以避免电路被烧毁。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1为现有技术中的电源开关电路的过电流保护波形示意图。
图2A为根据本发明的一具体实施例中电源开关电路1的功能方块图。
图2B为根据本发明的另一具体实施例中的电源开关电路1’的功能方块图。
图3为图2B中的电源开关电路1’的电路架构示意图。
图4为本发明的电源开关电路的过电流保护波形示意图。
主要元件符号说明：
t1～t3 时间
RON 导通电阻
RILIM 电阻
IOCP1～IOCP2 电流值
1 电源开关电路
M1 第一开关
M2 第二开关
10 感测开关
12 调整电路
14 电流复制电路
16 过电流保护电路
IN 输入端
OUT 输出端
VIN 输入电压
VOUT 输出电压
VG 控制电压
SEN1 第一感测信号
SEN2 第二感测信号
IL 输出电流
VREF 参考电压
N1 第一节点
N2 第二节点
N3 第三节点
V1 第一节点电压
V2 第二节点电压
VOCP 第三节点电压
VEA 控制电压
MOC 倍率
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
依据本发明的一具体实施例为一种电源开关电路。如图2A所示，电源开关电路1包括输入端IN、输出端OUT、第一开关M1、第二开关M2、感测开关10、调整电路12及过电流保护电路16。第二开关M2的耐压高于第一开关M1的耐压。感测开关10与第一开关M1匹配。感测开关10与第一开关M1的闸极共接及源极共接。
需说明的是，本发明的电源开关电路1仅使用金氧半场效晶体管感测型式电路，且第二开关M2的耐压需高于第一开关M1的耐压，其用意在于：防止电流从负载端倒灌，且可同时垫高第一开关M1的汲极端电压，由于第二开关M2可能会应用于防止24伏特(V)的电压自输出端OUT倒灌至输入端IN，故在本实施例中的第二开关M2采用闸极-汲极电压(Vgd)大于19伏特(V)的高压元件。
第一开关M1与第二开关M2串接于输入端IN与输出端OUT之间。输入端IN存在输入电压VIN。输出端OUT存在输出电压VOUT。第一开关M1与第二开关M2之间具有第一节点N1。第一节点N1存在第一节点电压V1。输出电流IL从第二开关M2流至输出端OUT。第一节点N1的第一节点电压V1＝输出电流IL*导通电阻RON+输出电压VOUT。
感测开关10分别耦接输入端IN、第一开关M1及过电流保护电路16。调整电路12耦接第一节点N1与感测开关10。感测开关10与调整电路12之间具有第二节点N2。第二节点N2存在第二节点电压V2。感测开关10提供第一感测信号SEN1给过电流保护电路16。调整电路12依据第一节点电压V1调整第二节点电压V2，使第二节点电压V2等于第一节点电压V1。
过电流保护电路16分别耦接第一开关M1的控制端及感测开关10。过电流保护电路16分别接收参考电压VREF及感测开关10所提供的第一感测信号SEN1，并根据第一感测信号SEN1及参考电压VREF产生控制电压VG至第一开关M1的控制端，用以调整第一开关M1的阻值。
举例而言，过电流保护电路16通过降低提供至第一开关M1的控制电压VG，使开关电路10的导通电阻增加，由以限制流经第二开关M2输出电流IL，但不以此为限。
于另一实施例中，如图2B所示，电源开关电路1’包括输入端IN、输出端OUT、第一开关M1、第二开关M2、感测开关10、调整电路12、电流复制电路14及过电流保护电路16。第二开关M2的耐压高于第一开关M1的耐压。感测开关10与第一开关M1匹配。感测开关10与第一开关M1的闸极共接及源极共接。
第一开关M1与第二开关M2串接于输入端IN与输出端OUT之间。输入端IN存在输入电压VIN。输出端OUT存在输出电压VOUT。第一开关M1与第二开关M2之间具有第一节点N1。第一节点N1存在第一节点电压V1。
感测开关10分别耦接输入端IN、第一开关M1及电流复制电路14。调整电路12耦接第一节点N1与感测开关10。感测开关10与调整电路12之间具有第二节点N2。第二节点N2存在第二节点电压V2。感测开关10提供第一感测信号SEN1给电流复制电路14。调整电路12依据第一节点电压V1调整第二节点电压V2，使第二节点电压V2等于第一节点电压V1。
电流复制电路14分别耦接感测开关10及过电流保护电路16。当电流复制电路14接收到感测开关10所提供的第一感测信号SEN1时，电流复制电路14根据第一感测信号SEN1产生第二感测信号SEN2，并提供第二感测信号SEN2给过电流保护电路16。
过电流保护电路16分别耦接电流复制电路14及第一开关M1的控制端。过电流保护电路16分别接收参考电压VREF及电流复制电路14所提供的第二感测信号SEN2，并根据第二感测信号SEN2及参考电压VREF产生控制电压VG至第一开关M1的控制端，用以调整第一开关M1的阻值。
举例而言，过电流保护电路16通过降低其提供至第一开关M1的控制电压VG，使开关电路10的导通电阻增加，由以限制从第二开关M2流出的输出电流IL，但不以此为限。
接着，请参照图3，图3为图2B中的电源开关电路1’的电路架构示意图。需说明的是，图3仅为电源开关电路1’的电路架构的一实施例，并不以此为限。
如图3所示，电源开关电路1’包括输入端IN、输出端OUT、第一开关M1、第二开关M2、感测开关10、调整电路12、电流复制电路14、输出电容CL、电阻RILIM及过电流保护电路16。感测开关10与第一开关M1匹配。感测开关10与第一开关M1的闸极共接及源极共接。
输入端IN存在输入电压VIN。输出端OUT存在输出电压VOUT。第一开关M1与第二开关M2串接于输入端IN与输出端OUT之间。第二开关M2的耐压高于第一开关M1的耐压。第一开关M1的控制端受控于控制电压VG。第二开关M2产生输出电流IL流至输出端OUT。输出电容CL耦接于输出端OUT与接地端GND之间。第一开关M1与第二开关M2之间具有第一节点N1。第一节点N1存在第一节点电压V1。于此实施例中，假设位于第一节点N1与输出端OUT之间的第二开关M2的跨压为VSE，亦即第二开关M2的跨压VSE＝第一节点电压V1-输出电压VOUT。
感测开关10耦接于输入端IN与调整电路12之间。感测开关10的控制端亦受控于控制电压VG。感测开关10与调整电路12之间具有第二节点N2。第二节点N2存在第二节点电压V2。感测开关10与第一开关M1匹配，于此实施例中，第一开关M1与第一开关M1的面积比为1：1/MOC，但不以此为限。
调整电路12包括第二误差放大器EA2与第三开关M3。第三开关M3耦接于感测开关10与接地端GND之间。第三开关M3的跨压为VSE2。感测开关10产生第一感测信号SEN1至第三开关M3。第一感测信号SEN1具有电流型式且第一感测信号SEN1＝IL/MOC。第二误差放大器EA2的负输入端-与正输入端+分别耦接至第一节点N1与第二节点N2，用以分别接收第一节点电压V1与第二节点电压V2。第二误差放大器EA2的输出端耦接至第三开关M3的控制端。第二误差放大器EA2根据其接收到的第一节点电压V1及第二节点电压V2产生控制电压VEA至第三开关M3的控制端，以调整第三开关M3的导通电阻，从而达到调整第二节点电压V2的效果。
电流复制电路14包括第四开关M4至第八开关M8。第四开关M4的控制端耦接至第二误差放大器EA2的输出端。第五开关M5、第七开关M7及第四开关M4串接于输入端IN与接地端GND之间。第六开关M6、第八开关M8及电阻RILIM串接于输入端IN与接地端GND之间。第五开关M5与第六开关M6的控制端彼此对接。第七开关M7与第八开关M8的控制端彼此对接。第四开关M4与第三开关M3匹配且亦受控于第二误差放大器EA2输出的第一感测信号SEN1。
第七开关M7与第八开关M8构成电流镜CM。电流镜CM耦接第四开关M4，用以根据第一感测信号SEN1产生第二感测信号SEN2。于此实施例中，由于具有电流型式的第一感测信号SEN1＝IL/MOC，假设电流镜CM的复制倍率为K，则第二感测信号SEN2亦具有电流型式且第二感测信号SEN2＝IL/(MOC*K)。
需说明的是，由于电流复制电路14的电流镜CM所产生的第二感测信号SEN2为电流型式，故可通过耦接于电流镜CM与接地端GND之间的电阻RILIM将具有电流型式的第二感测信号SEN2转换为电压型式，亦即位于电流镜CM与电阻RILIM之间的第三节点N3存在的第三节点电压VOCP＝(IL*RILIM)/(MOC*K)，以提供第三节点电压VOCP给过电流保护电路16。
在实际应用中，电阻RILIM可为外接，并通过选择电阻RILIM的阻值来设定输出电流IL的上限值IOCP1。
过电流保护电路16包括第一误差放大器EA1。第一误差放大器EA1的正输入端+耦接位于电流镜CM与电阻RILIM之间的第三节点N3且第一误差放大器EA1的负输入端-耦接参考电压VREF。第一误差放大器EA1的输出端耦接至第一开关M1与第二开关M2的控制端。第一误差放大器EA1的正输入端+与负输入端-分别接收参考电压VREF与具有电压型式的第二感测信号SEN2(亦即第三节点电压VOCP＝(IL*RILIM)/(MOC*K))，并根据参考电压VREF及具有电压型式的第二感测信号SEN2产生控制电压VG至第一开关M1与第二开关M2的控制端，以调整第一开关M1与第二开关M2的导通电阻。
接着，请参照图4，于时间t1至时间t2的期间，从第二开关M2流出的输出电流IL持续上升。于时间t2至时间t3的期间，过电流保护电路16开始降低其提供至第一开关M1与第二开关M2的控制电压VG，以提高第一开关M1与第二开关M2的导通电阻RON，使得输出电流IL被限制在电流值IOCP，由以避免过电流现象产生，此时，由于输出电流IL被限制在电流值IOCP而负载仍持续抽载，故导致输出端OUT的输出电压VOUT开始下降。当参考电压VREF与具有电压型式的第二感测信号SEN2相等时，亦即参考电压VREF＝第三节点电压VOCP＝(IL*RILIM)/(MOC*K)，则输出电流IL＝IOCP＝(VREF*MOC*K)/RILIM。
在时间t3，输出电压VOUT下降至接近0伏特(V)，此时由于第一开关M1的汲极电压(亦即第一节点N1的第一节点电压V1)与感测开关10的汲极电压(亦即第二节点N2的第二节点电压V2)相等，因此，感测开关10产生的感测电压VSE2不受调整电路12或电流复制电路14中元件的导通电阻RON相关的偏压影响，原本被限制在电流值IOCP的输出电流IL仍维持于电流值IOCP，而不会被抬升至较高的电流值，故能够有效消除现有技术中的电流值误差。
相较于现有技术，本发明的电源开关电路串接第二开关于第一开关与输出端之间，使第一开关的源极电压不致降为0伏特，再通过调整电路调整感测开关的源极电压，使其与第一开关的源极电压相等，以消除因电流复制电路造成的电压误差，使得过电流保护电路能根据准确的感测电压产生控制电压，进而达到限制输出电流的功效。此外，本发明的电源开关电路还可提供防呆功能，有效防止电流从负载端倒灌至电源开关电路，以避免电路被烧毁。

Claims (10)

1.一种电源开关电路，其特征在于，上述电源开关电路包括：
一输入端；
一输出端；
一第一开关，耦接上述输入端；
一第二开关，耦接上述第一开关与上述输出端，其中上述第一开关与上述第二开关之间具有一第一节点且上述第一节点存在一第一节点电压，上述第二开关的耐压高于上述第一开关的耐压；
一感测开关，耦接上述输入端与上述第一开关；以及
一调整电路，耦接上述第一节点与上述感测开关，上述调整电路与上述感测开关之间具有一第二节点且上述第二节点存在一第二节点电压，上述调整电路依据上述第一节点电压调整上述第二节点电压，使其等于上述第一节点电压。
2.如权利要求1所述的电源开关电路，其特征在于，上述电源开关电路还包括：
一过电流保护电路，分别耦接上述第一开关的控制端及上述感测开关，且根据上述感测开关提供的一第一感测信号产生一控制电压，用以调整上述第一开关的阻值。
3.如权利要求2所述的电源开关电路，其特征在于，上述过电流保护电路包括一第一误差放大器，上述第一误差放大器的两输入端分别耦接一参考电压及上述感测开关，且根据上述参考电压及上述第一感测信号产生上述控制电压。
4.如权利要求1所述的电源开关电路，其特征在于，上述感测开关与上述第一开关匹配，上述感测开关与上述第一开关的闸极共接及源极共接。
5.如权利要求1所述的电源开关电路，其特征在于，上述调整电路包括一第二误差放大器与一第三开关，根据上述第一节点电压及上述第二节点电压调整上述第三开关的阻值。
6.如权利要求1所述的电源开关电路，其特征在于，上述电源开关电路还包括：
一电流复制电路，耦接上述感测开关，根据上述感测开关提供的一第一感测信号产生一第二感测信号。
7.如权利要求6所述的电源开关电路，其特征在于，上述电流复制电路还包括与上述第三开关匹配的一第四开关。
8.如权利要求7所述的电源开关电路，其特征在于，上述电流复制电路还包括一电流镜，耦接上述第四开关，根据上述第一感测信号产生上述第二感测信号。
9.如权利要求6所述的电源开关电路，其特征在于，上述电源开关电路还包括：
一电阻，耦接上述电流复制电路与一接地端，将上述电流复制电路所产生具有电流型式的上述第二感测信号转换为具有电压型式的上述第二感测信号后提供给一过电流保护电路。
10.如权利要求6所述的电源开关电路，其特征在于，上述电源开关电路还包括：
一过电流保护电路，分别耦接上述第一开关的控制端及上述电流复制电路，且根据上述电流复制电路提供的上述第二感测信号产生一控制电压，用以调整上述第一开关的阻值。
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