CN115208368A - 一种高边开关设计 - Google Patents

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CN115208368A CN202210825313.5A CN202210825313A CN115208368A CN 115208368 A CN115208368 A CN 115208368A CN 202210825313 A CN202210825313 A CN 202210825313A CN 115208368 A CN115208368 A CN 115208368A
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Abstract

本申请涉及一种高边开关，包括欠压检测单元，配置为对所述高边开关的电源信号与预设阈值进行比较，并根据比较结果输出欠压保护信号；功率晶体管，其第一极与电源耦合，接收所述高边开关的电源信号，第二极与外部负载耦合；控制模块，耦合到所述功率晶体管的控制极，其至少包括下拉单元；缓冲模块，耦合在所述高边开关的电源信号与所述控制模块的输入端之间，配置为接收所述电源信号并向所述控制模块提供经缓冲的电源信号；过压保护单元，所述过压保护单元耦合在所述电源与地之间，配置为在所述电源与所述地之间的电压大于过压阈值电压时，所述过压保护单元开始泄放所述电源与所述地之间的电压；本申请还公开了一种包括如前述高边开关的电子设备。

Description

一种高边开关设计
技术领域
本申请涉及电气控制领域，特别地涉及一种高边开关设计。
背景技术
高边开关是一种在生产制造中应用较为普遍的开关电路，高边开关能够节约成本，可以实现经济高效的高电流负载控制，在汽车控制以及工业照明等电子设备里有着广泛的应用。
在高边开关需要驱动的负载中包括感性负载以及阻性负载时，在高边开关关断后感性负载中仍然会有电流续流。如果电感负载中的续流电流无法在需要的时间段内停止，那么负载例如继电器就无法在需要的时间段内停止工作，可能造成外部设备或系统电路的损坏。在现有技术中，人们往往会忽略续流电流泄放时间太长造成的器件安全问题。由于该问题更多出现在异常工作状态下，如设备出现故障或汽车发生碰撞，此时若不在短时间内让续流电流泄放完毕将继电器断开，可能会造成严重的后果，例如电池起火。在外部电路中进行补偿又有可能影响其他电路的正常工作。因此，需要一种在高边开关工作异常需要快速关断时不对高边开关和外部设备造成功能性损伤的情况的同时，有效保证感性负载中的电流续流快速泄放的高边开关电路。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种高边开关，其特征在于，包括欠压检测单元，配置为对所述高边开关的电源信号与预设阈值进行比较，并根据比较结果输出欠压保护信号；功率晶体管，其第一极与电源耦合，接收所述高边开关的电源信号，第二极与外部负载耦合；控制模块，耦合到所述功率晶体管的控制极，其至少包括下拉单元，配置为在所述欠压保护信号的控制下利用所述下拉单元对所述功率晶体管的控制极电压进行下拉；缓冲模块，耦合在所述高边开关的电源信号与所述控制模块的输入端之间，配置为在所述电源信号低于外部电源提供的电源电压时，接收所述电源信号并向所述控制模块提供经缓冲的电源信号，所述经缓冲的电源信号的值高于所述电源信号；过压保护单元，耦合在所述电源和地之间，配置为在所述电源与所述地之间的电压大于过压阈值电压时，所述过压保护单元开始工作，泄放所述电源与所述地之间的电压。
特别的，所述控制模块还包括驱动单元，所述驱动单元配置为接收所述经缓冲的电源信号，并为所述下拉单元以及所述功率晶体管的栅极提供驱动电压。
特别的，所述下拉单元包括第一受控电流源，所述第一受控电流源耦合在所述功率晶体管的控制极和第二极之间，受所述控制模块的控制下拉所述功率晶体管的控制极电压。
特别的，所述下拉单元包括耦合在所述功率晶体管控制极和第二极之间的第一受控电流源，当所述电源信号低于所述预设阈值时所述欠压保护信号有效，所述第一受控电流源开始工作，下拉所述功率晶体管的控制极电压。
特别的，所述缓冲模块包括彼此串联的第一缓冲二极管和第一缓冲电容，所述第一缓冲二极管的阳极配置为接收所述电源信号，阴极与所述第一缓冲电容的一端耦合，所述第一缓冲电容的另一端接地；所述第一缓冲二极管的阴极还与所述驱动单元的输入端耦合配置为输出所述经缓冲的电源信号至所述驱动单元。
特别的，所述欠压检测单元包括比较器，所述比较器负输入端配置为接收所述电源信号，正输入端配置为接收具有所述预设阈值的参考信号，输出端与所述控制模块耦合。
特别的，所述高边开关还包括二极管，其阳极耦合到所述功率晶体管的第二极，其阴极耦合到所述功率晶体管的控制极。
特别的，所述缓冲模块包括第二缓冲二极管，所述第二缓冲二极管的阳极配置为接收所述电源信号，阴极与所述引出装置耦合；所述第二缓冲二极管的阴极还与所述驱动单元的输入端耦合，输出所述经缓冲的电源信号至所述驱动单元；所述第二缓冲二极管的阴极配置为与片外第二缓冲电容的一端耦合，所述第二缓冲电容的另一端接地。
特别的，所述缓冲模块包括缓冲模块内置电源(Vcc),第三缓冲二极管(Ep1)和第三缓冲电容(Cp1)，所述第三缓冲二极管(Ep1)的阳极耦合到所述缓冲模块内置电源(Vcc)的阳极并配置为接收所述电源信号，所述第三缓冲二极管(Ep1)的阴极耦合到所述第三缓冲电容(Cp1)的第一端，所述第三缓冲电容(Cp1)的第二端通过第一缓冲开关(Sp1)耦合到所述缓冲模块内置电源(Vcc)的阴极；所述缓冲模块还包括第四缓冲二极管(Ep2)和第四缓冲电容(Cp2)，所述第四缓冲二极管(Ep2)阳极与所述第三缓冲二极管(Ep1)的阴极耦合，所述第四缓冲二极管(Ep2)的阴极与所述第四缓冲电容(Cp2)的第一端耦合，所述第四缓冲电容(Cp2)的第二端通过第二缓冲开关(Sp2)与所述第三缓冲电容(Cp1)的第二端耦合，所述第四缓冲电容(Cp2)的第二端还与所述控制模块耦合，配置为向所述控制模块输出所述经缓冲的电源信号；其中在所述时钟信号为高电平时，所述第一缓冲开关(Sp1)闭合，所述第二缓冲开关(Sp2)断开，所述第三缓冲电容(Cp1)储电；在所述时钟信号为低电平时，所述第一缓冲开关(Sp1)断开，所述第二缓冲开关(Sp2)闭合，所述第三缓冲电容(Cp1)放电，所述第四缓冲电容(Cp2)储电，并向所述控制模块输出经缓冲的电源信号。
本申请还提出了一种包含如前述高边开关的电子设备。
通过采用本申请的方案，可以有效改善在外部停止供电时高边开关中的功率晶体管无法及时关断、并且高边开关的输出无法变为负值从而协助感性负载电流泄放的问题。通过对特定情况进行特定保护结构的设计与控制，减小异常工作状态对整体电路其他模块的影响，同时缩减了为了保护高边开关及部分电路而修改整体外部电路的工艺和制造成本，让高边开关的保护方法更为普遍适用。
附图说明
下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1A是现有的一种高边开关的电路结构示意图；
图1B是如图1A所示的高边开关的输入电压下降时电路工作的时序图；
图2A是根据本申请的一个实施例的高边开关的结构示意图；
图2B是根据本申请的一个实施例的高边开关的电路结构示意图；
图2C是如图2B所示的一个实施例的高边开关的电路工作时序图；
图2D是根据本申请的另一个实施例的高边开关的电路结构示意图；
图3A是根据本申请的又一个实施例的高边开关的电路结构示意图；
图3B是如图3A所示的实施例中的缓冲模块电路结构示意图；以及
图4是根据本申请的又一个实施例的高边开关的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)或者双极型晶体管(BJT)。当晶体管为场效应晶体管时，根据沟道材料不同，可以是氢化非晶硅、金属氧化物、低温多晶硅、有机晶体管等。根据载流子是电子或空穴，可以分为N型晶体管和P型晶体管。其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极；当晶体管为双极型晶体管时，其控制极是指双极型晶体管的基极，第一极可以为双极型晶体管的集电极或发射极，对应的第二极可以为双极型晶体管的发射极或集电极。
在以下关于逻辑电平的详细描述中，有效电平根据电路不同可以是高电平，也可以是低电平。在下列实施例中，为便于理解，将高电平作为有效电平进行描述。
在以下的详细描述中，为便于理解，将电位为零的电平作为地电位进行描述。
在下文的详细描述中，根据电路的实际工作情况在同一器件两端可以产生正负极相反的正电压，在部分情况下，电压的正极为地电位。为便于理解，将器件两端与设备正常工作状态时正负极相反的电压作为负电压描述。
高边开关是一种常用于电子设备的负载开关。图1A是现有的一种高边开关的电路结构示意图。如图1A所示，高边开关100至少包括栅极控制器101、ESD保护二极管E1以及功率晶体管M1。在设备正常工作过程中，栅极控制器101接收使能信号EN，在电源Vin进而在输入电压Vi的驱动下调控功率晶体管M1的栅极电压，控制功率晶体管M1的开通和关断。
在电子设备使用过程中会出现一些异常工作状态，常见的例如设备工作过程中电源线出现松动，此时电源Vin无法继续向高边开关供电，外部电路中的与电源并联的电容Cin会放电从而继续向高边开关供电。因此，在电源Vin断开后，高边开关的输入电压Vi会随着电源电容Cin中电荷的减少逐渐下降。如果Cin的值不够大的话，现有的高边开关100中可能会出现由于ESD保护二极管E1的存在对输出电压Vo的电位钳位，导致在Vin断开后较长的时间内感性负载中仍存在电流，进而可能损坏外部设备甚至引起电池起火等严重的安全事故。
图1B是如图1A所示的高边开关电路工作的时序图。如图1B所示，当电源导通，电源Vin为有效电平时，电路正常工作，功率晶体管M1工作在线性区，功率晶体管M1的栅源极电压VGS为Vgs；在电源出现异常，Vin转换为无效电平时，高边开关的输入电压Vi变为由电源电容Cin储存的电荷提供的电压VCIN，并开始下降。
电源电容Cin储存的电荷有限，有可能导致输入电压Vi会以相对较快的速度下降。当输入电压Vi下降到欠压保护阈值VUVLO，包含有高边开关的芯片中的欠压保护功能启动，该功能的启动会导致功率晶体管M1的栅源极电压VGS开始下降。此时，如果输入电压Vi在功率晶体管M1的栅源极电压VGS下降到其阈值电压Vth之前先下降到了开关关断电压VOFF，会导致栅极控制器101中其他晶体管的栅源极电压无法偏置在正确工作状态，使包含晶体管的其他电路无法正常工作。此处的开关关断电压VOFF指的是高边开关工作过程中的一个预设输入电压阈值，当高边开关接收到的输入电压Vi低于开关关断电压VOFF时，则无法维持高边开关内部电路继续工作，相应的栅极控制器101也将停止工作，不再控制功率晶体管M1。
由于栅极控制器101无法继续控制功率晶体管M1，从而导致功率晶体管M1的栅源极电压VGS无法继续下降，即导致功率晶体管M1的栅源极电压VGS保持在Vth以上的一个水平，功率晶体管M1无法被关断。输出电压Vo继续下降，直到被ESD保护二极管E1钳位。由于输出电压Vo继续下降可能会相对地电位更低，因此输出电压会被ESD保护二极管E1钳位至其阈值电压-Vf，如-0.7V。此时的输出电压Vo并不足以在短时间内将感性负载的电流泄放完毕，导致感性负载电流的泄放时间较长，不满足设备实际工作需求。
现在常用于解决上述问题的方案包括例如在高边开关外部，也就是在外部电路的地电路与高边开关的ESD保护二极管E1之间耦合阻断二极管或阻值较大的分压电阻，使ESD保护二极管E1不被导通，Vo不会被钳位至ESD保护二极管E1的阈值电压。
然而该方法是在高边开关外部，也就是整体外部电路上进行改进，分压二极管或分压电阻往往被安排在由设备整体的地电路组成的地网络中。因此通过该方法制备的地电路输出的地电位会出现偏差，可能影响电路中的逻辑电平尤其是低电平，如使能信号EN的输入电平的判断。此外，由于在地网络中添加了分压二极管或分压电阻，可能会破坏地网络的完整性，会对芯片通过地网络散热产生影响。在这种情况下Vo与Vi相等，因此当Vo为负，输入电压Vi也出现负电压，还可能对电源Vin上并联的其他器件如电容造成损害。
为解决上述技术问题，本申请提出了一种高边开关的电路设计，通过对输出到负载上的电压的变化速度进行控制，在高边开关出现异常工作状态时有效保证负载电流的快速泄放，工艺成本较小，由于对开关电路的保护结构位于开关电路的内部，因此对外部电路和设备中其他器件的影响也更小。
根据本申请的一个实施例，高边开关的外部负载可以包括感性负载和阻性负载，在实际应用中需要在高边开关关断时对感性负载中的电流进行快速泄放，因此本申请提供了如下实施例。
图2A所示为根据本申请的一个实施例的高边开关的结构示意图。根据本申请的一个实施例，高边开关200是一种可应用于电子设备中的负载开关，可以从外部接收输入信号Vi和使能信号EN，向外部输出信号Vo。高边开关200包括一个输入端Vin和一个接地端Gc。
根据本申请的一个实施例，接地端Gc可以与外部电路中的地网络直接耦合，也可以通过与其他器件与外部电路中的地网络耦合。不同连接方式传输至高边开关200内部的地电位可能不同，以下以直接耦合产生电平为零的地电位为例进行描述。
根据本申请的一个实施例，使能信号EN用于由外部控制高边开关200的工作状态。当使能信号EN为有效电平时，高边开关200开启并保持工作状态，直到使能信号EN跳变为无效电平。使能信号EN为无效电平时，高边开关200停止工作。在以下实施例的描述中，使能信号EN将保持有效电平，使高边开关200保持工作状态。
根据本申请的一个实施例，在正常工作状态时，高边开关200的输入端Vin接收具有电源电压Vin的电源信号，即输入信号Vi。在异常工作状态下，由于电源信号异常会导致电压变化，高边开关改由电容储存的电压供电，因此在以下描述中用输入信号Vi以指代高边开关200的电源信号。
如图2A所示，高边开关200可以包括功率晶体管201以及控制模块202，控制模块202用于在输入信号Vi的驱动下控制功率晶体管201的状态。功率晶体管201产生输出信号Vo，驱动外部负载。根据本申请的一个实施例，外部的使能信号EN由控制模块202接收。根据本申请的一个实施例，控制模块202可以包括驱动单元221。驱动单元221的输出端与功率晶体管201耦合，以使控制模块202控制功率晶体管201的开通和关断。根据本申请的一个实施例，控制模块202还可以包括下拉单元222，下拉单元222与驱动单元221的输出端耦合，在接收到驱动单元221输出的信号后下拉功率晶体管201的栅源极电压，使功率晶体管201关断。
根据本申请的一个实施例，高边开关200还可以包括欠压检测单元203，欠压检测单元203与控制模块202耦合，在检测到输入信号Vi出现异常例如低于欠压检测阈值电压VREF时，欠压检测单元203会向控制模块202发送欠压保护信号SD，使高边开关200停止工作。
根据本申请的一个实施例，高边开关200还可以包括过压保护单元204，耦合在输入端Vin和接地端Gc之间。在过程中如果出现输入端Vin与接地端Gc之间的电压超过过压保护单元204的过压阈值电压的情况，过压保护单元204开始工作，泄放输入端Vin与接地端Gc之间的电压，保证设备能够正常工作，使电路不被过高的电压烧坏。
根据本申请的一个实施例，高边开关200还可以包括缓冲模块205，用于在电源出现异常工作状态时对下降的输入信号Vi进行缓冲，使高边开关200中控制模块202和功率晶体管201的工作状态满足快速泄放负载电流的需求。根据本申请的不同实施例，缓冲模块205可以在输入信号Vi下降时为输入信号Vi叠加部分电压，输出的缓冲电压VPB(或者说经缓冲的电源信号)因此高于输入信号Vi，VPB输出至驱动单元221。通过缓冲模块205的缓冲，控制模块202接收到的缓冲电压VPB在功率晶体管201关断之前保持在开关关断电压VOFF之上。
根据本申请的其他实施例，高边开关200还可以包括其他类别电路，包括但不限于电流检测电路、故障报错电路和过温保护电路等，具体结构根据实际生产需要决定。
根据本申请的一个实施例，当传输至控制模块202的电压信号降低到欠压检测阈值电压VREF后，欠压检测单元203输出欠压保护信号SD至控制模块202，下拉单元222接收欠压保护信号SD后开始工作，功率晶体管201的栅源极电压在下拉单元222的控制下下降。
随着功率晶体管201的栅源极电压下降，高边开关200的输出信号Vo逐渐下降。当功率晶体管201的栅源极电压下降到其阈值电压Vth后，功率晶体管进入饱和区，有微小电流流经功率晶体管201。其栅源电压变化不大，但是源漏电压变化很大，因此高边开关的输出信号Vo仍然在持续下降至负电压。
根据本申请的一个实施例，输出信号Vo在下降到泄放阈值电压(例如-Vz)时被外部钳位电路固定在该电压水平。当输出信号Vo被钳位至泄放阈值电压时，输出信号Vo与地电位之间形成较大的电势差，将输出信号Vo钳位至泄放阈值电压的外部保护电路和地网络之间形成泄放通路，使负载电流在短时间内快速泄放。
根据本申请的一个实施例，负载可以与外部稳压保护电路(未示出)耦合，稳压保护电路可以包括齐纳二极管(未示出)，泄放阈值电压可以是齐纳二极管的阈值电压Vz。
根据本申请的一个实施例，高边开关200外部可以设有与电源并联的电源电容Cin，在电源电压Vin出现异常时，由电源电容Cin提供输入信号Vi。
图2B是根据本申请的一个实施例的高边开关的电路结构示意图。如图2B所示，缓冲模块205可以包括彼此串联的缓冲电容Cbuffer和二极管E21，其中E21的阳极配置为接收输入电压Vi，阴极与Cbuffer的一端耦合，Cbuffer的另一端与接地端Gc耦合。二极管E21的阴极还与驱动单元221的输入端耦合，输出缓冲电压VPB至控制模块202。使能信号EN由控制模块202接收，并一直保持有效电平，使高边开关200保持工作状态。
根据本申请的实施例，缓冲模块205对输入信号Vi的叠加能力与功率晶体管201的阈值电压以及缓冲电容Cbuffer储存的电量有关。根据本申请的一个实施例，控制模块202可以包括驱动单元221，用于将从缓冲模块205接收到的缓冲电压VPB升高到VCPB。根据本申请的一个实施例，VCPB可以比VPB高5V左右，根据实际生产需求决定。根据本申请的一个实施例，驱动单元221可以包括电荷泵(未示出)。
根据本申请的一个实施例，在异常工作状态下，随着输入信号Vi的下降，VCPB保持在开关关断电压VOFF之上的时间，也就是给控制模块202供电使其正常工作，关断功率晶体管201的时间大于20us。在这期间，功率晶体管201将会被控制模块202关断。
根据本申请的一个实施例，控制模块202还可以包括耦合在功率晶体管201的栅极和源极之间的下拉单元222，其中下拉单元222可以包括受控电流源i21，用于下拉功率晶体管201的栅源极电压VGS，使功率晶体管201关断。如图2B所示，受控电流源i21的一端耦合到功率晶体管201的栅极，另一端与功率晶体管的源极耦合。
根据本申请的一个实施例，高边开关200还可以包括欠压检测单元203，欠压检测单元203可以包括比较器231。比较器231的正输入端接收欠压检测阈值电压VREF，负输入端接收输入电压Vi。当输入信号Vi小于欠压检测阈值电压VREF时，比较器231输出欠压保护信号SD至控制模块202，以启动下拉单元222。根据本申请的其他实施例，欠压检测阈值电压VREF的值根据实际生产需要决定。
根据本申请的一个实施例，过压保护单元204还可以包括ESD保护二极管E21，二极管E21的阴极接收输入信号Vi，阳极与接地端Gc耦合，在高边开关200接收的输入信号Vi与接地端Gc之间的电压大于过压阈值电压时被击穿，此时输入端Vin与接地端Gc的电压通过二极管E21泄放。
根据本申请的一个实施例，过压保护单元204的过压阈值电压可以是ESD保护二极管E21的击穿电压。
根据本申请的其他实施例，过压保护单元204还可以包括两个二极管组成的齐纳二极管电路(未示出)或其他电路结构，用于保护电路不受过压影响，具体电路结构本申请不作任何限制，根据实际生产需要决定。
根据本申请的一个实施例，高边开关输出端所连接的负载L可以与外部稳压保护电路例如齐纳二极管Z1耦合，用于防止在高边开关200关断后电路内仍保留的电流损坏高边开关200以及其他电路。
如图2B所示，在功率晶体管200关断后，负载L的电流通过由齐纳二极管Z1以及地网络形成的通路进行泄放，将高边开关200的输出信号Vo的电压钳位至泄放阈值电压。根据本申请的实施例，泄放阈值电压的值可以是齐纳二极管Z1的阈值电压-Vz。
图2C是如图2B所示的一个实施例的高边开关的电路工作时序图。如图2C所示，缓冲模块205可以减缓VPB的下降速度，进而保证功率晶体管201的栅源极电压VGS可以在预定时间段内下降到阈值电压Vth，最终使Vo被钳位至泄放阈值电压-Vz。在以下关于高边开关的工作过程的描述中，使能信号EN保持为有效电平。具体的，包括以下几个工作阶段：
t0-t1：正常工作阶段
如图2C所示，在高边开关200正常工作阶段，电源输出连续稳定的电源电压，输入端Vin接收电源电压，控制模块202为功率晶体管201的栅极提供驱动电压，使功率晶体管201导通，输出信号Vo与输入信号Vi相同，为高电平。功率晶体管201处于线性区，栅源极电压为Vgs。流经感性负载L的负载电流io的值处在iL。流经功率晶体管201的电流iMOS以及电源电容Cin的电流均与负载电流io一致。
根据本申请的一个实施例，此时电源电容Cin存储的电压VCIN与电源Vin相同。
t1-t2：异常工作开始阶段
在异常工作开始阶段，电源断开，不再向高边开关200提供稳定电压。高边开关200由外部的电源电容Cin供电，输入端Vin接收电容电压VCIN，输入信号Vi由VCIN逐渐下降。此时输入信号Vi虽然在逐渐下降，但仍处于正常工作电压范围，高边开关200内的其他器件正常工作。由于功率晶体管201仍处于导通状态，输出信号Vo与输入信号Vi相同，并逐渐下降。负载电流io受到电源Vin的影响开始逐渐下降。iMOS与iC的值与负载电流io一致。
t2-t3：欠压保护阶段
如图2C所示，当输入信号Vi下降到欠压检测阈值电压VREF并继续下降，高边开关200进入欠压保护阶段。欠压检测单元203检测到输入信号Vi低于VREF，输出欠压保护信号SD至控制模块202。控制模块202接收到欠压保护信号SD，开启下拉单元222，下拉功率晶体管201的栅源极电压VGS。
根据本申请的一个实施例，缓冲模块205对输入信号Vi进行了叠加，用于给控制模块202供电的缓冲电压VPB的下降速度小于输入信号Vi。因此在输入信号Vi已经低于开关关断电压VOFF后，控制模块202仍可以正常工作，在欠压保护信号SD的控制下关断功率晶体管201。
根据本申请的实施例，缓冲电压VPB在关断功率晶体管201之前保持在开关关断电压VOFF之上，VPB的下降速度与缓冲电容Cbuffer的参数有关，根据实际生产需要决定。
t3-t4：晶体管饱和阶段
功率晶体管201的栅源极电压VGS在控制模块202的驱动下逐渐下降到阈值电压Vth，进入饱和状态。此时，功率晶体管的栅源极电压VGS在一段时间内维持在Vth附近。
在饱和状态下，栅源极电压VGS虽然不会有随着流经功率晶体管201的电流变化而显著变化，但源漏极电压VDS会随着电流大小的变化而大幅度变化。随着流经功率晶体管201的负载电流io逐渐减小，功率晶体管201的源极电位远高于漏极，形成较大的源漏极电压，使Vi与Vo不再相等；此时负载电流io仍然可以通过功率晶体管201进行泄放。
Vi继续随电源电容Cin的放电逐渐下降，由于功率晶体管201的源极高于漏极，导致Vo在经过源漏极电压VDS后低于Vi。随着负载电流io的泄放，源漏极电压VDS逐渐变大，Vo以相比Vi的下降速度更快的速度下降。
t4-t5：异常保护阶段
由于负载中仍然存有电流，输入信号Vi下降到0后继续被下拉，直到低至ESD保护二极管204的阈值电压-Vf。之后由于地电位与Vi之间的电压大于ESD保护二极管204的阈值电压，ESD保护二极管204导通，将输入电压Vi钳位到-Vf。此时负载电流io通过ESD保护二极管204泄放，电源电容Cin不再承担负载电流的泄放，电流iC跳变为0。由于功率晶体管201处于截止状态，输出信号Vo不受到输入信号Vi的影响，Vo在Vi被ESD保护二极管204钳位至-Vf时，继续下降。
t5-t6：钳位保护阶段
由于负载中存有的电流经过功率晶体管继续泄放，输出信号Vo继续下降，直到被外部的齐纳二极管Z1钳位至齐纳二极管的阈值电压-Vz。此时Vo下降至-Vz并保持不变，功率晶体管201的栅源极电压VGS被下拉至0，使功率晶体管201处于关断。负载电流io不再从功率晶体管201流过，iMOS跳变为0。负载电流由ESD保护二极管204改为通过齐纳二极管Z1进行泄放，被钳位至-Vf的输入电压Vi恢复到0。齐纳二极管Z1的电流由0跳变到当前负载电流io的值。
t6-t7：开关关闭阶段
在开关关闭阶段，如图2C所示，负载电流io通过外部钳位电路结构形成的泄放通路泄放后降为0。此时高边开关200彻底关闭，输出电压Vo恢复到0，感性负载L和齐纳二极管Z1上不再有电流经过。
根据本申请的一个实施例，高边开关200在出现异常工作状态到负载电流泄放完毕的响应时间可以达到5ms左右，与传统的高边开关关断感性负载的用时相比大幅度缩短，有效改善了电路中感性负载电流泄放所需时间。
图2D是根据本申请的另一个实施例的高边开关的电路结构示意图。根据本申请的一个实施例，缓冲模块205可以包括一个能够耦合外部器件的节点(未示出)，通过该节点与外部电路如集成在高边开关200外部的缓冲电容Cbuffer耦合，利用外部电路对输入信号Vi进行缓冲，向驱动单元221提供缓冲电压VPB。外部的缓冲电容Cbuffer分别与缓冲模块205和地网络耦合。
根据本申请的一个实施例，由于用于缓冲的电容被集成在高边开关200外部而不是在开关内部，可以不受开关电路生产工艺的限制，从而储存更多的电荷，对输入信号Vi的缓冲能力更强，给控制模块202供电的时间也更长。
根据本申请的一个实施例，集成在高边开关200外部的缓冲电容Cbuffer可以达到uF级别，而集成在高边开关200内部的电容不能超过pF级别。
图3A是根据本申请的又一个实施例的高边开关的电路结构示意图，以及图3B是如图3A所示的实施例中的缓冲模块电路结构示意图。
根据本申请的一个实施例，高边开关300中可以包括一个缓冲模块305，接收使能信号EN和输入信号Vi，如图3B所示，用于对下降的输入信号Vi进行缓冲，为控制模块302提供驱动电压VCPB。如图3A所示，功率晶体管301的驱动电压由缓冲模块305提供，下拉单元322与缓冲模块305耦合。
根据本申请的一个实施例，如图3B所示，缓冲模块305可以包括内置电源Vcc,缓冲二极管Ep1和缓冲电容Cp1。缓冲二极管Ep1的阳极耦合到内置电源Vcc的阳极并接收输入信号Vi，缓冲二极管Ep1的阴极耦合到缓冲电容Cp1的第一端，缓冲电容Ep1的第二端通过缓冲开关Sp1耦合到内置电源Vcc的阴极。
根据本申请的一个实施例，缓冲模块305还可以包括缓冲二极管Ep2和缓冲电容Cp2。根据本申请的一个实施例，缓冲二极管Ep2的阳极与缓冲二极管Ep1的阴极耦合，阴极与缓冲电容Cp2的第一端耦合。缓冲电容Cp2的第二端通过缓冲开关Sp2与缓冲电容Cp1的第二端耦合。所述缓冲电容Cp2的第二端还与控制模块302耦合，配置为向控制模块302输出驱动电压VCPB。
根据本申请的一个实施例，二极管Ep1和Ep2均用于防止电流反流，缓冲驱动电容Cp1以及缓冲驱动电容Cp2用于对Vi进行叠加获得驱动电压VCPB(或者说经缓冲的电源信号)，使驱动电压VCPB可以驱动功率晶体管301正常工作。
根据本申请的一个实施例，缓冲模块305接收来自外部的使能信号EN后启动，开关sp1和sp2收到控制模块302的时钟信号控制交替闭合，实现对输入信号Vi的缓冲与叠加。
根据本申请的一个实施例，在高边开关300正常工作过程中，时钟信号CLK为高电平时，开关sp1闭合，sp2断开，Cp1存储来自电压源Vcc和输入信号Vi的电压Vcp1。时钟信号CLK为低电平时，sp2闭合，sp1断开，Cp1放电，Cp2接收Cp1释放的Vcp1和输入信号Vi提供产生的电压Vcp2。当输入信号Vi开始下降，Cp2输出高于输入信号Vi的驱动电压VCPB至电流镜323。此时驱动电压VCPB＝Vi+Vcp2。
根据本申请的一个实施例，缓冲驱动电容Cp1和Cp2的大小可以大于100pF。根据本申请的实施例，缓冲模块305可以给控制模块302供电使其保持正常工作的时间大于10us，符合实际生产需求。
图4是根据本申请的又一个实施例的高边开关的电路结构示意图。根据本申请的一个实施例，下拉单元422可以一端与功率晶体管401的栅极耦合，另一端接地，控制模块402只对功率晶体管401的栅极进行控制。
如图4所示，二极管E42的阳极与功率晶体管401的源极耦合，阴极与功率晶体管401的栅极耦合，在VG比VS低很多时对VGS进行钳位，防止功率晶体管401的栅源极电压VGS出现过压导致功率晶体管401被损坏。
根据本申请的一个实施例，功率晶体管401的栅极可以与下拉单元422耦合，栅极电压被下拉单元422下拉。
本申请还公开了一种电子设备，包含如前所述的高边开关。该电子设备还包括其他的必要模块和配件，实现其他复杂的功能。根据本申请的一个实施例，该电子设备可以在电源出现异常例如电源线松动的情况下快速关断高边开关，短时间内泄放负载电路中的电流，具有较高的安全性。
通过采用本申请的方案，可以有效改善在出现异常工作状态时高边开关关断功率晶体管以及外部负载尤其是感性负载电流泄放的速度。通过保护结构的设计与控制，减小异常工作状态对整体电路其他模块的影响，同时缩减了为了保护高边开关及部分电路而修改整体外部电路的工艺和制造成本，让高边开关的保护方法更为普遍适用。
上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。

Claims (11)

1.一种高边开关，其特征在于，包括：
欠压检测单元，配置为对所述高边开关的电源信号与预设阈值进行比较，并根据比较结果输出欠压保护信号；
功率晶体管，其第一极与电源耦合，接收所述高边开关的电源信号，第二极与外部负载耦合；
控制模块，耦合到所述功率晶体管的控制极，其至少包括下拉单元，配置为在所述欠压保护信号的控制下利用所述下拉单元对所述功率晶体管的控制极电压进行下拉；
缓冲模块，耦合在所述高边开关的电源信号与所述控制模块的输入端之间，配置为在所述电源信号低于外部电源提供的电源电压时，接收所述电源信号并向所述控制模块提供经缓冲的电源信号，所述经缓冲的电源信号的值高于所述电源信号；
过压保护单元，耦合在所述电源和地之间，配置为在所述电源与所述地之间的电压大于过压阈值电压时，所述过压保护单元开始工作，泄放所述电源与所述地之间的电压。
2.根据权利要求1所述的高边开关，所述控制模块还包括
驱动单元，所述驱动单元配置为接收所述经缓冲的电源信号，并为所述下拉单元以及所述功率晶体管的栅极提供驱动电压。
3.根据权利要求2所述的高边开关，其中
所述下拉单元包括第一受控电流源，所述第一受控电流源耦合在所述功率晶体管的控制极和第二极之间，受所述控制模块的控制下拉所述功率晶体管的控制极电压。
4.根据权利要求2所述的高边开关，其中
所述下拉单元包括耦合在所述功率晶体管控制极和第二极之间的第一受控电流源，当所述电源信号低于所述预设阈值时所述欠压保护信号有效，所述第一受控电流源开始工作，下拉所述功率晶体管的控制极电压。
5.根据权利要求1所述的高边开关，其中
所述缓冲模块包括彼此串联的第一缓冲二极管和第一缓冲电容，所述第一缓冲二极管的阳极配置为接收所述电源信号，阴极与所述第一缓冲电容的一端耦合，所述第一缓冲电容的另一端接地；所述第一缓冲二极管的阴极还与所述驱动单元的输入端耦合配置为输出所述经缓冲的电源信号至所述驱动单元。
6.根据权利要求1所述的高边开关，其中
所述欠压检测单元包括比较器，所述比较器负输入端配置为接收所述电源信号，正输入端配置为接收具有所述预设阈值的参考信号，输出端与所述控制模块耦合。
7.根据权利要求1所述的高边开关，还包括二极管，其阳极耦合到所述功率晶体管的第二极，其阴极耦合到所述功率晶体管的控制极。
8.根据权利要求1所述的高边开关，其中
所述缓冲模块包括第二缓冲二极管，所述第二缓冲二极管的阳极配置为接收所述电源信号，阴极与所述引出装置耦合；所述第二缓冲二极管的阴极还与所述驱动单元的输入端耦合，输出所述经缓冲的电源信号至所述驱动单元；
所述第二缓冲二极管的阴极配置为与片外第二缓冲电容的一端耦合，所述第二缓冲电容的另一端接地。
9.根据权利要求1所述的高边开关，其中
所述缓冲模块包括缓冲模块内置电源(Vcc),第三缓冲二极管(Ep1)和第三缓冲电容(Cp1)，所述第三缓冲二极管(Ep1)的阳极耦合到所述缓冲模块内置电源(Vcc)的阳极并配置为接收所述电源信号，所述第三缓冲二极管(Ep1)的阴极耦合到所述第三缓冲电容(Cp1)的第一端，所述第三缓冲电容(Cp1)的第二端通过第一缓冲开关(Sp1)耦合到所述缓冲模块内置电源(Vcc)的阴极；
所述缓冲模块还包括第四缓冲二极管(Ep2)和第四缓冲电容(Cp2)，所述第四缓冲二极管(Ep2)阳极与所述第三缓冲二极管(Ep1)的阴极耦合，所述第四缓冲二极管(Ep2)的阴极与所述第四缓冲电容(Cp2)的第一端耦合，所述第四缓冲电容(Cp2)的第二端通过第二缓冲开关(Sp2)与所述第三缓冲电容(Cp1)的第二端耦合，所述第四缓冲电容(Cp2)的第二端还与所述控制模块耦合，配置为向所述控制模块输出所述经缓冲的电源信号；其中
在所述时钟信号为高电平时，所述第一缓冲开关(Sp1)闭合，所述第二缓冲开关(Sp2)断开，所述第三缓冲电容(Cp1)储电；
在所述时钟信号为低电平时，所述第一缓冲开关(Sp1)断开，所述第二缓冲开关(Sp2)闭合，所述第三缓冲电容(Cp1)放电，所述第四缓冲电容(Cp2)储电，并向所述控制模块输出经缓冲的电源信号。
10.根据权利要求9所述的高边开关，其中
所述第三缓冲电容(Cp1)和/或第四缓冲电容(Cp2)大于100pF。
11.一种电子设备，包含如权利要求1-10所述的高边开关。
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