CN117134296A - 负载开关及电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种负载开关和电源系统，负载开关包括：电源输入端、电源输出端、电压电流转换电路、电容器和比较器，电源输入端接收输入电压；电源输出端提供输出电压；电压电流转换电路包括第一输入端、第二输入端和电流差输出端，第一输入端和第二输入端分别连接至电源输出端和电源输入端，用于分别接收输出电压和输入电压，在电流差输出端处输出表征输出电压和输入电压之间的电压差的电流差；电容器的第一端连接至电流差输出端，对电流差进行积分以获得输出电压和输入电压之间的电压差在所述积分器的积分时间段内的平均电压差，以及电容器的第二端连接至地线；电容器的第一端还连接至所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端施加至少一个参考电压,以根据比较器的输出端的值判断是否发出信号以防止电流从电源输出端流向电源输入端。

Description

负载开关及电源系统
技术领域
本发明属于电子器件领域，具体涉及一种负载开关及电源系统。
背景技术
现有技术的负载开关包括多种类型的反向电路阻断(RCB)功能，其通常利用比较器对输出电压(VOUT)与输入电压(VIN)之间的电压差进行持续监控，以根据电压差来决定是否触发反向电流阻断功能。在比较器的两个输入端通常会施加固定的有意正偏移量，以满足电感负载的需要，因此允许输出电压(VOUT)略微超过输入电压(VIN)一个小的余量。在比较器中通常包括一个固定延迟，以应对短暂的瞬态事件。为了防止振荡，在比较器输入端实现迟滞，这会增加上述的有意正偏移。即，现有技术中的负载开关通常依靠固定电压和延迟偏移来触发反向电流阻断功能。
但是，实现这些固定的值会可能会带来问题。在负载开关中，恒定的反向电压意味着恒定的反向电流，这可能会使得电源设备上的电压超过击穿极限。如果固定输入偏移量设置得太大，可能会使电源设备不受保护。另一方面，如果裕量设置得过小，则可能会频繁触发误报。同样，对于固定延迟，如果设置得太大，使得负载开关中比较器输出保持之前状态时间过长，则应当立刻触发反向电流阻挡时却延迟触发，这会导致危险，而如果设置得过小，则会触发误报。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种负载开关及电源系统。
所述负载开关，包括：电源输入端、电源输出端、电压电流转换电路、电容器和比较器，其中，所述电源输入端接收输入电压；所述电源输出端提供输出电压；所述电压电流转换电路包括第一输入端、第二输入端和电流差输出端，其中，所述第一输入端和所述第二输入端分别连接至所述电源输出端和所述电源输入端，用于分别接收所述输出电压和所述输入电压，并且在所述电流差输出端处输出表征所述输出电压和所述输入电压之间的电压差的电流差；所述电容器的第一端连接至所述电流差输出端，对所述电流差进行积分以获得表征所述输出电压和所述输入电压之间的电压差在所述电容器的积分时间段内的平均电压差，以及所述电容器的第二端连接至地线；以及所述电容器的第一端还连接至所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端被施加至少一个参考电压，所述比较器的输出端为反向电流保护端，以根据所述比较器的输出端的值判断是否发出防止电流从所述电源输出端流向所述电源输入端的信号。
在一个实施例中，所述负载开关还包括参考电压模块，其中，所述参考电压模块包括多个迟滞电阻器，其串联连接在所述地线和所述参考电压端之间并且配置为提供所述至少一个参考电压。
在一个实施例中，所述负载开关还包括多个迟滞晶体管，所述多个迟滞晶体管的第一级均连接至所述比较器的第二端；所述多个迟滞晶体管的第二级分别连接至所述多个迟滞电阻器中每相邻的两个迟滞电阻器之间；以及所述多个迟滞晶体管的栅极分别连接至所述比较器的输出端。
在一个实施例中，所述负载开关还包括多个反相器，所述多个反相器串联连接，所述多个反相器中的第一反相器的输入端连接至所述反向电流保护端，以及所述多个反相器的输出端分别连接至所述多个迟滞晶体管的栅极。
在一个实施例中，所述多个迟滞电阻器包括串联连接在所述参考电压端和所述地线之间的第一迟滞电阻器、第二迟滞电阻器和第三迟滞电阻器；所述多个迟滞晶体管包括第一迟滞晶体管和第二迟滞晶体管；所述多个反相器包括第一反相器和第二反相器；以及所述第一迟滞晶体管的栅极连接至所述第一反相器的输出端，所述第二迟滞晶体管的栅极连接至所述第二反相器的输出端，所述第一迟滞晶体管的第二极连接在所述第二迟滞电阻器和第三迟滞电阻器之间，以及所述第二迟滞晶体管的第二极连接在所述第三迟滞电阻器和所述地线之间。
在一个实施例中，所述电压电流转换电路包括差分折叠共源共栅放大器。
在一个实施例中，所述差分折叠共源共栅放大器包括第一转换晶体管、第二转换晶体管、第三转换晶体管、第四转换晶体管、第一转换电阻器、第一电流源、第二电流源、第三电流源和第四电流源，所述第一输入端连接至所述第一转换晶体管的栅极，所述第二输入端连接至所述第二转换晶体管的栅极，所述第一转换晶体管和所述第二转换晶体管的第二极连接至第一电压源，所述转换第一晶体管的第一极连接至所述第一电流源的第一端，所述第一电流源的第二端连接至所述地线，所述第二转换晶体管的第一极连接至所述第二电流源的第一端，所述第二电流源的第二端连接至所述地线；所述第一转换晶体管的第一极还连接至所述第三转换晶体管的栅极，所述第三转换晶体管的第一极连接至所述第三电流源的第一端，所述第三电流源的第二端连接至所述地线，所述第三转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端，用于将表征所述输出电压的输出电流传输至所述电流差输出端；所述第二转换晶体管的第一极还连接至所述第四转换晶体管的栅极，所述第四转换晶体管的第一极连接至所述第四电流源的第一端，所述第四电流源的第二端连接至所述地线，所述第四转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端，用于将表征所述输入电压的输入电流传输至所述电流差输出端；以及所述第一转换电阻器连接在所述第三转换晶体管的所述第一极和所述第四转换晶体管的所述第一极之间。
在一个实施例中，所述差分折叠共源共栅放大器还包括第五转换晶体管、第六转换晶体管、第七转换晶体管和第八转换晶体管，所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的栅极连接在一起，所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的第一极连接至所述第一电压源，所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的栅极连接在一起，所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的第一极分别连接至所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的第二极，所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的第二极均连接至所述电流差输出端，所述第三转换晶体管的第二极连接至所述第八转换晶体管的第一极以通过所述第八转换晶体管连接至所述电流差输出端，所述第四转换晶体管的第二极连接至所述第七转换晶体管的第一极以通过所述第七转换晶体管连接至所述电流差输出端。
在一个实施例中，所述差分折叠共源共栅放大器还包括第九转换晶体管、第十转换晶体管、第十一转换晶体管、第十二转换晶体管和第四转换电阻器，第七转换晶体管的第二极连接至所述第九转换晶体管和所述第十转换晶体管的栅极以及还连接至所述第四电阻器的第一端以通过所述第九转换晶体管和第十转换晶体管连接至所述电流差输出端，所述第四电阻器的第二端连接至所述第九转换晶体管的第二极以及还连接至所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的栅极，所述第九转换晶体管和所述第十转换晶体管的第一极分别连接至所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的第二极，所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的第一极均连接至所述地线，以及所述第十转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端。
在一个实施例中，所述差分折叠共源共栅放大器还包括第十五转换晶体管、第十六转换晶体管、第三电阻器和第五电流源，所述第十五转换晶体管的栅极连接至所述第五转换晶体管的栅极，所述第十五转换晶体管的第一极连接至所述第一电压源；所述第十六转换晶体管的栅极连接至所述第七转换晶体管的栅极，所述第十六转换晶体管的第一极连接至所述第十五转换晶体管的第二极；所述第十六转换晶体管的栅极还连接至所述第五电流源的第一端以通过所述第五电流源开启所述第七转换晶体管、所述第八转换晶体管和第十六转换晶体管，所述第五电流源的第二端连接至所述地线，以及所述第十五转换晶体管的栅极还连接至所述第十六转换晶体管的第二极和所述第三电阻器的第一端，所述第三电阻器的第二端连接至所述第十六转换晶体管的栅极和所述第五电流源的第一端，以通过所述第五电流源开启所述第五转换晶体管、所述第六转换晶体管和所述第十五转换晶体管。
在一个实施例中，所述负载开关还包括反向电流阻挡电路，其连接至所述反向电流保护端并且根据所述反向电流保护端的值来判断是否被启动。
本发明提供的电源系统包括电源设备和所述的负载开关，其中，所述负载开关的所述电源输入端连接至所述电源设备；以及所述负载开关的所述电源输出端连接至要向其提供电源的负载。
与现有技术不同，本发明根据于输出电压和输入电压之前的电压差在电容器的积分时间段内的平均值来做出触发决定从而启动反向电流阻断功能。对于较小的反向电压，即输出电压与输入电压之差较小，电源设备能够较长时间地承受这种应力。但是，对于较大的反向电压，即较大的应力，电源设备有可能会很快发生击穿。针对现有技术的这一问题，本发明通过电容器进行表征输出电压和输入电压之差的输出电流和输入电流的电流差积分，因此本发明的负载开关能够对较大的反向应力进行快速响应，同时对于较小的反向应力增大触发延迟，这减少对电源设备造成损坏并且降低假阳性的误报。
另外，本发明通过设置进行比较的参考电压，相对于现有技术中在负载开关的前级中输入电压和输出电压的两个输入比较端引入固定的有意正偏移量，本发明可以根据需要设置不同的延迟偏移。同时，可以通过设置参考电压，引入迟滞，避免比较器振荡。即，本发明的负载开关不需要在输入级进行故意的电压偏移，从而优化最小可检测的反向电压和电流。
附图说明
附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。通过参考附图对详细示例实施例进行描述，以上和其它特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见，在附图中：
图1示出了现有技术中包括反向电流阻挡功能的电源系统的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的负载开关的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的负载开关的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的电源系统的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的负载开关的电路图；
图6示出了根据本发明实施例的负载开关的原理图；以及
图7示出了根据本发明实施例的负载开关工作的波形示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，现有技术中包括负载开关10’的电源设备通常将电源1000连接至负载30，其提供导通开关模块20以基于开关信号将电源1000与负载30接通或断开或者提供输出电流限制。通常，负载开关10’还会提供防止反向电流从负载30流回电源1000的反向电流阻挡电路40来提供反向电流阻挡功能。
如图1所示，现有技术中通常采用比较器120来比较负载开关两端的输入电压VIN和输出电压VOUT，从而根据比较器120的输出端的信号VRCB(例如，高电平或者低电平)来判断是否启动负载开关中的反向电流阻挡功能。
现有技术中，比较器120会实时监控输出电压VOUT和输入电压VIN，并且将这两个电压分别输入到比较器120的正相输入端和反相输入端进行比较，当比较器120的两个输入端上的两个电压之间的差值达到固定输入偏移量，即输出电压VOUT大于输入电压VIN一定程度，例如第一阈值时，比较器120才会触发启动防止电流从输出电压VOUT一侧流向输入电压VIN一侧的反向电流阻挡电路40。在输出电压VOUT大于输入电压VIN一定值而该值小于第一阈值时，也不会触发比较器120来启动反向电流阻挡电路40，这可能会导致反向电流使电源设备击穿的情况。例如，如果输入电压VIN和输出电压VOUT之间的固定输入偏移量被设定为60mV，在反向导通电阻RON为60mΩ时，反向电流将会高达1A，这很可能会击穿电源设备。
为了克服现有技术中需要实时监控输入电压和输出电压差、固定输入偏移量设置太大会导致电源设备不受保护、固定输入偏移量设置太小频繁出现误报等问题，本发明提供了一种负载开关。
相比于现有技术，本发明的负载开关并不是实时监控所获得的输入电压和输出电压差，而是监控一段时间内输出电压与输入电压二者之间的差的平均值，以此作为依据来判断是否启动反向电流阻挡功能。具体地，如图2所示，本发明的负载开关10包括电源输入端1、电源输出端2、电压电流转换电路100、积分器400和比较器200。如图2所示，所述电源输入端1连接至供电电源(如图1所示的1000)，接收供电电源提供的输入电压VIN。所述电源输出端2连接负载(如图1或图4所示的负载30)，向负载提供输出电压VOUT。所述电压电流转换电路100包括第一输入端、第二输入端和电流差输出端3，其中第一输入端和第二输入端分别连接至所述电源输出端2和所述电源输入端1，用于分别接收并且在电流差输出端3处输出与输出电压VOUT和输入电压VIN之间的电压差相对所述输出电压VOUT和所述输入电压VIN，应的电流差ID。电压电流转换电路100除了包括第一输入端1和第二输入端2外，还可以包括其他输入端，例如电源端和接地端。所述积分器400的第一端4连接至所述电流差输出端3，对所述电流差ID进行积分以获得一段时间内所述输出电压VOUT和输入电压VIN之间之间的平均电压差，即，在积分器进行积分的这段时间内的平均电压差Vcap。所述积分器400还连接至所述比较器200的第一输入端5，所述比较器200的第二输入端输入一个参考电压值Vref，比较器200的输出端的值可以用来判断是否发出防止电流从电源输出端流向电流输入端的信号。
在图2所示的本发明的负载开关中，其所包括的电压电流转换电路100将输出电压和输入电压分别转换成输出电流和输入电流，并且对二者之间的差值进行积分以获得输出电压和输入电压之间的平均电压差Vcap，比较器200根据该平均值来输出特定的值，用以确定是否触发该负载开关的反向电流阻挡功能。
如图7所示，在(0，t1)时间段内对表征所述输出电压VOUT和所述输入电压VIN二者的电流差进行积分获得的电压差平均值Vcap大于参考电压Vref，比较器200的输出端在这段时间内输出高电平信号，此时可以启动反向电流阻挡功能，防止电流从电源输出端流向电源输入端，此时也可以停止电流从电源输入端流向电源输出端。在(t1，t2)时间段内对电流差进行积分获得的电压差平均值Vcap小于参考电压Vref，比较器200的输出端在这段时间内输出低电平信号，此时不需要启动反向电流阻挡功能。在t2时刻前后的一小段时间内，积分器400对上述电流差的积分大于参考电压Vref，则比较器200的输出端将输出高电平信号，从而再次启动反向电流阻挡功能。
在本发明的实施例中，积分器400可以对上述电流差一直进行积分，直到触发反向电流阻挡功能，防止反向电流从电源输出端流向电源输入端，此时可以关闭负载开关，使得所述输出电压VOUT显著降低来使得积分器400处于放电状态。在负载开关正常工作后，积分器400再重新开始对电流差进行积分。这种积分操作可以使得负载开关在判断是否触发反向电流阻挡功能时将负载开关正常工作期间输出电压和输入电压之间任意的电压差均考虑在内，而不会如现有技术一样仅根据所获得的实时电压差来判断是否启动反向电流阻挡功能，因此本发明明显降低了击穿电源设备的概率。在该实施例中，所述比较器200的第二输入端6连接有参考电压VREF，所述比较器200的输出端7即为所述反向电流保护端CRCB。本发明的负载开关10可以根据所述比较器200的所述反向电流保护端CRCB的值来判断是否启动防止电流从所述电源输出端1流向所述电源输入端2。例如，在所述反向电流保护端CRCB的值VRCB处于高电平时，其将启动负载开关20中的反向电流阻挡电路40来防止有电流从输出电压端流向输入电压端；在所述反向电流保护端CRCB的值VRCB处于低电平时，其不会启动负载开关20中的反向电流阻挡电路40操作。
如图4所示，本发明的一个可用的积分器400包括电容器C1。在该实施例中，电容器C1的第一端连接至电压电流转换电路100的电流差输出端，而电容器C1的第二端可以接地。
本发明的电压电流转换电路100接入负载开关两端的输入电压VIN和输出电压VOUT，并且将输入电压VIN和输出电压VOUT分别转换成输入电流IIN和输出电流IOUT，在电压电流转换电路100的输出端3输出电流差ID(IOUT-IIN)，电容器C1对该电流差ID(IOUT-IIN)积分，从而获得该积分段时间内的输出电压VOUT和输入电压VIN之差的平均值，如图5所示。
从以上可以看出，相对于现有技术中实时监控输出电压和输入电压二者之间的差并且基于实时监控所获得的电压差来判断是否启动反向电流阻挡电路的负载开关，本发明的负载开关监控的是输出电压VOUT和输入电压VIN之差的在积分时间段内的平均值，如图5所示并在下面描述。本发明将利用该平均值来判断是否触发反向电流阻挡功能，而并非单纯的以比较器侦测输出电压VOUT大于输入电压VIN一定程度，例如第一阈值，来触发负载开关中的反向电流阻挡功能。
本发明提供的负载开关10除了包括图2所示的用于判断是否启动反向电流阻挡电路40的结构以外，还包括反向电流阻挡电路40。具体地，本公开的负载开关10中，电源输入端1和电源输出端2分别连接至反向电流阻挡电路40的两端，电源输出端1还连接至其要供电的负载30。在图4所示的实施例中，本发明的负载开关10还包括连接在电源输入端1和电源输出端2之间用于控制电流从电源输入端流向电源输出端的导通开关模块20，导通开关模块20中还可以包括例如本领域技术人员已知的负载开关所包括的其他功能模块，例如限流模块。本发明的负载开关10的反向电流保护端CRCB(即，比较器200的输出端)连接至反向电流阻挡电路40，用以根据反向电流保护端CRCB的信号来判断是否启动防止电流从所述电源输出端流向所述电源输入端的反向电流阻挡电路40。例如，在反向电流保护端CRCB的信号为高电平时，启动反向电流阻挡电路40以防止从电源输出端有电流流向电压输入端。
基于本发明的上述负载开关10，本发明还提供了一种电源系统，其包括电源设备1000和本发明上述的负载开关10，其中，所述负载开关10的所述电源输入端1连接至所述电源设备1000。所述负载开关10的所述电源输出端2连接至要向其提供电源的负载30，如图4所述。
图5所示的本发明的实施例的负载开关10包括电压电流转换电路100，其可以为差动折叠共源共栅放大器，其可以包括电源输入端1(接入输入电压VIN)、电源输出端2(接入输出电压VOUT)、第一电源端TDD(接入第一电源VDD)、第二电源端TSS(接入第二电源VSS，例如接地)。电压电流转换电路100还包括第一转换晶体管M1、第二转换晶体管M2、第三转换晶体管M3、第四转换晶体管M4、第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6、第七转换晶体管M7、第八转换晶体管M8、第九转换晶体管M9、第十转换晶体管M10、第十一转换晶体管M11、第十二转换晶体管M12、第十五转换晶体管M15和第十六转换晶体管M16。该电压电流转换电路100还包括第一转换电阻器R1、第三转换电阻器R3和第四转换电阻器R4。该电压电流转换电路100还包括第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3、第四电流源I4和第五电流源I5。
在上述电压电流转换电路100中，第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2的第二极(例如，在第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2为NMOS时，第二极为漏极)均连接至第一电源端TDD，第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2的栅极分别连接至电源输出端2和电源输入端1，第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2的第一极(例如，在第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2为NMOS时，第一极为源极)分别连接至第一电流源I1和第二电流源I2的一端。而第一电流源I1和第二电流源I2的另一端均接地。第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4的第一极分别连接至第三电流源I3和第四电流源I4的一端，而第三电流源I3和第四电流源I4的另一端均接地。在本公开中，第一电流源I1至第四电流源I4在该电压电流转换电路100中用以提供偏置电流，使得电源输入端1和电源输出端2的各自的输入电压VIN和输出电压VOUT在分别转换成电流后能够流向电容器C1进行积分。第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4的栅极分别连接至第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2的第一极，第一电阻器R1连接在第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4的第一极之间。
第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6和第十五转换晶体管M15的栅极连接在一起，第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6和第十五转换晶体管M15的第一极分别连接至第一电源端TDD，第五转换晶体管M5的第二极连接至第四转换晶体管M4的第二极，第六转换晶体管M6的第二极连接至第三转换晶体管M3的第二极。第七转换晶体管M7、第八转换晶体管M8和第十六转换晶体管M16的栅极连接在一起，第七转换晶体管M7、第八转换晶体管M8和第十六转换晶体管M16的第一极分别连接至第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6和第十五转换晶体管M15的第二极。第十六转换晶体管M16的第二极连接至第三电阻器R3的第一端，第三电阻器R3的第二端连接至第五电流源I5的一端，而第五电流源I5的另一端接地。另外，第十五转换晶体管M15的栅极连接至第三电阻器R3的第一端。
第九转换晶体管M9和第十转换晶体管M10的栅极连接在一起并且连接至第七转换晶体管M7的第二极，第七转换晶体管M7的第二极还连接至第四电阻器R4的第一端，第二电阻器R4的第二端连接至第九转换晶体管M9的第二极，第十转换晶体管M10的第二极连接至第八转换晶体管M8的第二极。第十一转换晶体管M11和第十二转换晶体管M12的栅极连接在一起，第十一转换晶体管M11和第十二转换晶体管M12的第一极均接地，第十一转换晶体管M11的第二极连接至第九转换晶体管M9的第一极，第十二转换晶体管M12的第二极连接至第十转换晶体管M10的第一极，第十一转换晶体管M11的栅极连接至第四电阻器R4的第二端。第八转换晶体管M8的第二极和第十转换晶体管M10的第二极连接在一起，作为电压电流转换电路100的电流差输出端，连接至电容器C1的第一端4(接入积分电压Vcap)。
如图3所示，本发明的负载开关10还可以包括参考电压模块300，其连接至比较器200的第二输入端6和输出端7(即，反向电流保护端CRCB)之间，并且还包括连接至参考电压VREF的参考电压端8。本发明的参考电压模块300和比较器200的组合能够实现具有迟滞的比较器，其功能总和类似于一个施密特触发器。
如图5所示，本发明实施例的负载开关10的比较器200为比较器COMP1，其正相输入端连接至电容器C1的第一端Vcap，其反相输入端连接至参考电压模块300。图5所示的参考电压模块300包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一迟滞电阻器R2A、第二迟滞电阻器R2B、第三迟滞电阻器R2C、第一迟滞晶体管M13和第二迟滞晶体管M14。其中，第一反相器INV1的输入端连接至比较器COMP1的输出端VRCB，第一反相器INV1的输出端连接至第二反相器INV2的输入端并且还连接至第一迟滞晶体管M13的栅极，第二反相器INV2的输出端连接至第二迟滞晶体管M14的栅极。也就是说，由第一反相器INV1的输出电平来控制是否开启第一迟滞晶体管M13，由第二反相器INV2的输出电平来控制是否开启第二迟滞晶体管M14。第一迟滞电阻器R2A、第二迟滞电阻器R2B和第三迟滞电阻器R2C串联连接在参考电压端VREF和地线之间，第一迟滞电阻器R2A和第二迟滞电阻器R2B之间的第一连接节点N1连接至第一迟滞晶体管M13的第二极，第二迟滞电阻器R2B和第三迟滞电阻器R2C之间的第二连接节点N2连接至第二迟滞晶体管M14的第二极。第一迟滞晶体管M13和第二迟滞晶体管M14的第一极均连接至比较器COMP1的反相输入端。但是，本发明并不限于此，例如可以以不同方式串联并联多个电阻来提供分压节点从而提供不同的参考电压。
在图5所示的电压电流转换电路100中，输出电压VOUT和输入电压VIN分别输入第一转换晶体管M1的栅极和第二转换晶体管M2的栅极，第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2对输出电压VOUT和输入电压VIN进行压降，然后将表征输出电压VOUT和输入电压VIN的电压分别施加到第三转换晶体管M3的栅极和第四转换晶体管M4的栅极，以通过分别通过第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4转换成表征输出电压VOUT和输入电压VIN的电流。
第五电流源I5的电流i5通过第三转换电阻器R3被作为电流镜的第十五转换晶体管M15镜像到作为电流源的第五转换晶体管M5和作为电流源的第六转换晶体管M6，以开启第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6和第十五转换晶体管M15。第七转换晶体管M7、第八转换晶体管M8和第十六转换晶体管M16为共栅器件，由于第五电流源I5的电流i5将被同时开启。因此，在图5中，由第三转换电阻器R3、第十五转换晶体管M15、第十六转换晶体管M16和第五电流源I5构成了本公开的电压电流转换电路100的第一电流镜级400，其功能为通过将第五电流源I5的电流i5镜像到作为共栅放大级S200的第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6、第七转换晶体管M7和第八转换晶体管M8并且开启共栅放大级S200的第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6、第七转换晶体管M7和第八转换晶体管M8。基于此，流经第五转换晶体管M5的电流等于流经第四转换晶体管M4的电流和流经第七转换晶体管M7的电流之和，而流经第六转换晶体管M6的电流等于流经第三转换晶体管M3的电流和流经第八转换晶体管M8的电流，其中流经第三转换晶体管M3的电流表征输出电压VOUT，流经第四转换晶体管M4的电流表征输入电压VIN。即，表征输出电压VOUT和输入电压VIN的电流分别通过作为信号输入级的第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4传递至第八转换晶体管M8和第七转换晶体管M7，第七转换晶体管M7将表征输入电压VIN的输入电流IIN通过作为第一电流镜级S300的第四转换电阻器R4、第九转换晶体管M9、第十转换晶体管M10、第十一转换晶体管M11和第十二转换晶体管M12传递至作为积分器的电容器C1的第一端，与来自第八转换晶体管M8的表征输出电压VOUT的输出电流IOUT形成电流差ID＝IOUT-IIN，在电容器C1的第一端被电容器C1积分，从而获得电容器的积分时间段内的输出电压VOUT与输入电压VIN之差的平均值Vcap。
例如图6所示，在该积分时间段内，电容器C1对该段时间内的电流差进行积分：
Q＝∫IOUT-IINdt；
因此，在这段时间内的表征输出电流IOUT和输入电流IIN差的积分可以视为这段施加内的输出电压VOUT和输入电压VIN之差的平均值。
在输出电压VOUT大于输入电压VIN时，电容器C1充电；在输出电压VOUT小于输入电压VIN时，电容器C1放电。
在图5所示的实施例中，第一转换晶体管M1、第二转换晶体管M2、第三转换晶体管M3、第四转换晶体管M4、第五转换晶体管M5、第六转换晶体管M6、第七转换晶体管M7、第八转换晶体管M8、第九转换晶体管M9、第十转换晶体管M10、第十一转换晶体管M11、第十二转换晶体管M12、第一迟滞晶体管M13、第二迟滞晶体管M14、第十五转换晶体管M15和第十六转换晶体管M16可以为相同类型的晶体管，例如均为NMOS晶体管，这些晶体管的大小可以相同，以便于将表征输出电压VOUT和输入电压VIN二者之差的平均值的电流差准确地转移至电容器C1的第一端。
另外，可以根据各个支路中的电流来确定第三电阻器R3和第四电阻器R4的阻值。作为该电压电流转换电路100的输入级的第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4,可以看作是整个电路中的共源放大级S100，二者的源极分别连接至均作为偏置电流源的第三电流源I3和第四电流源I4。共源放大级S100的第三转换晶体管M3和第四转换晶体管M4将来自第一转换晶体管M1和第二转换晶体管M2的表征输入电压VIN和输出电压VOUT的电压信号转换成电流信号，输入到电压电流转换电路100中的后续的共栅放大级S200。第三转换晶体管M3的第一极和第四转换晶体管M4的第一级之间连接有第一电阻器R1，第一电阻器R1不能设置得太大，否则就相当于第三转换晶体管M3的第一级和第四转换晶体管M4的第一级之间未设置任何电阻，无法起到调节电压电流转换电路100的线性范围的作用。
图5所示的电压电流转换电路100整体上为一个共源共栅放大器，例如，其可以为差分折叠共源共栅放大器，即为一个跨导器，其跨导Gm取决于整个跨导器的总输出电流I与总输入电压V的比值。在图5所示的跨导器中，总输入电压V为输出电压VOUT与输入电压VIN的差值，在二者之间的差值为0时，跨导Gm会存在一个尖锐的峰值曲线，这不是本发明所要的范围，这是因为本发明关注输出电压VOUT与输入电压VIN通常较为接近。为了解决这一问题，本发明实施例的电压电流转换电路100包括连接在第三转换晶体管M3的第一级和第四转换晶体管M4的第一级之间的第一电阻器R1，以消除上述峰值，提供一个在输出电压VOUT与输入电压VIN的差值在0处以及其周围的一个平缓的峰值曲线，这是本发明想要的范围，因为本发明中对输出电压VOUT与输入电压VIN的差值比较绝大多数集中在二者之差在0值附近，因此通过提供第一电阻器R1来调整线性范围，实现一个平缓的峰值曲线，从而扩大线性范围。即，在电压电流转换电路100对输入电压和输出电压进行电流转换的第三转换晶体管和第四转换晶体管二者的第一极之间设置第一电阻器R1,可以使得整个跨导电路的峰值曲线在输出电压VOUT与输入电压VIN的差值在0处周围为平缓的峰值，从而有利于本发明的实现。
第一电阻器R1的大小将取决于整个电压电流转换电路100中各个参数的大小以及应用该负载开关的电源系统，例如，取决于第一电流源I1至第四电流源I4的配置。
以上仅仅示出了根据本发明的负载开关的电压电流转换电路的一个实施例。如上所述，本发明的电压电流转换电路是一种差分折叠共源共栅放大电路，其将输入的两个电压转换成两个支路上的电流，然后对两个支路上的电流取差值。并将该差值输出给后端的积分器，以获得一小段时间内的两个电压差的平均电压差。图5仅仅是给出了一个电压电流转换电路的示例。但是，本公开不限于此。
图5所示的实施例中的比较器COMP1的输出端和反相输入端之间设置有作为决策电路的参考电压模块300。
具体地，如图5所示，在本发明中，可以根据需要设置不同的参考电压，从而可以设置不同的有意正向偏移量阈值。例如，可以设置本发明的决策电路300中的第一参考电压VL和第二参考电压VH来选择接入比较器COMP1的反相输入端的参考电压。
初始时，电容器C1的积分电容值Vcap较小，则比较器COMP1的输出端处于低电平，此时决策电路300的控制端CRCB为低电平，第一反相器INV1的输出端为高电平，此时第一迟滞晶体管M13开启，使得比较器COMP1的反相输入端接入第二参考电压VH(其高于第一参考电压VL)。如果比较器COMP1的正相输入端(输出电压VOUT与输入电压VIN之差的平均值Vcap)的电压大于第二参考电压VH，则比较器COMP1的输出端上的电平将变为高电平，则表明输出电压VOUT与输入电压VIN大于一定阈值，此时启动反向阻挡电路，来防止电流从输出电压端流向输入电压端。
在决策电路300的输出端变为高电平时，第一反相器INV1的输出端变为低电平，第一迟滞晶体管M13关闭，而第二反相器INV2的输出端变为高电平，此时将开启第二迟滞晶体管M14，从而使得第二迟滞电阻器R2B和第三迟滞电阻器R2C之间的第一参考电压VL通过导通的第二迟滞晶体管M14施加到比较器COMP1的反相输入端，此时与表征输出电压VOUT和输入电压VIN之差在一段时间内的电压差平均值Vcap的比较器COMP1的正相输入端的电压将与第一参考电压VL进行比较，在已经启动反向电流阻挡功能的情况下，负载开关将关闭，此时电容器COMP1将会放电，使得电压差平均值Vcap下降，但是在平均电压差Vcap小于第二参考电压VH却大于第一参考电压VL期间，比较器COMP1的输出端电平仍然处于高电平。
上述过程持续到电容器COMP1放电到电压平均值Vcap小于第一参考电压VL，此时比较器COMP1的输出端VRCB将变为低电平，停止触发反向电流阻挡电流的反向电流阻挡功能，即不再阻止电流从输出电压端流向输入电压端，负载开关将重新启动，则电容器COMP1将重新启动对表征输出电压VOUT和输入电压VIN之间的电压差的电流差进行积分；在比较器COMP1的输出端VRCB处于低电平时，第一反相器INV1的输出端为高电平，第一迟滞晶体管M13开启，使得比较器COMP1的反相输入端接入第二参考电压VH，此时即使电容器COMP1已经重新启动了对电流差的积分，电压平均值Vcap仍然小于第二参考电压VH，则比较器COMP1的输出端VRCB仍然处于低电平，继续停止启动反向电流阻挡电路的防止电流从输出电压端流向输入电压端的反向电流阻挡功能。直到电压平均值Vcap大于第二参考电压VH，反向电流阻挡功能会被再次启动。
在本发明的图5所示的实施例中，比较器COMP1的正相输入端上的值为表征输出电压VOUT和输入电压VIN之差的电压平均值Vcap，当输出电压VOUT和输入电压VIN之差比较大时，其很快会达到比较器COMP1的反向输入端上的参考电压，因此触发较快；当输出电压VOUT和输入电压VIN之差比较小时，其会较慢达到比较器COMP1的反向输入端上的参考电压，因此触发较慢，但是整个过程中输出电压VOUT和输入电压VIN之差均将被考虑在内。即，在本发明中，采用电容器获得输出电压VOUT和输入电压VIN之间的移动平均值，电容器的集成使得负载开关能够更快地响应较大的反向应力，同时增加较小反向应力的触发延迟，这对电源设备几乎没有危害
在上述过程中，初始时，由于电压平均值Vcap较小，比较器COMP1的输出端一定处于低电平，此时比较器COMP1的反相输入端上的电压为较大的第二参考电压VH，如果电压平均值Vcap变为大于第二参考电压VH，则触发反向电流阻挡功能，此时比较器COMP1的反相输入端上的电压由于第一反相器INV1的存在将变小为第一参考电压VL，即触发点将变低，则在电压平均值Vcap变为小于第二参考电压VH而大于第一参考电压VL时，比较器COMP1的输出端仍然为高电平；当反相输入端上的参考电压为第一参考电压VL时，电压平均值Vcap降低到小于第一参考电压VL，则比较器COMP1的输出端才变为处于低电平，停止触发反向电流阻挡功能，此时第一反相器INV1的输出端处于高电平，则比较器COMP1的反相输入端上的参考电压为第二参考电压VH，则在电压平均值Vcap增大到大于第一参考电压VL而小于第二参考电压VH，比较器COMP1的输出端仍然为低电平。以此方式，在图5的实施例中，通过三个迟滞电阻器来调整最终触发电压阈值和并且在决策电路中实现了滞后。另外，由于电容器积分手段的使用，将允许将滞后转移到决策阶段。这样就不需要在输入级进行任何有意的电压偏移，从而优化最小可检测反向电压和电流。
可以根据需要设置第一参考电压VL和第二参考电压VH，例如可以将第二参考电压VH设置为高于第一参考电压VL大概200至300mV。
本发明的负载开关可以根据比较器COMP1输出端(即，反向电流保护端CRCB)电平来判断是否输出控制信号以启动反向电流阻挡电路40，阻挡电流从电压输出端VOUT流向电流输入端VIN，如图4所示。
在本公开中，对反向电流阻挡电路40进行控制的控制信号即为比较器200的输出端信号VRCB，即，在比较器200的输出端信号VRCB为高电平时，其将控制反向电流阻挡电路40操作以阻挡反向电流从电源输出端流向电源输入端，在比较器200的输出端信号VRCB为低电平时，其不会控制反向电流阻挡电路40操作以阻挡反向电流从电源输出端流向电源输入端，如图7所示。由以上可以看出，本发明的负载开关可以根据需要设置想要的输入偏移量，即，根据需要设置最终的触发阈值和滞后，从而可以更好地保护电源设备并且减少误报率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种负载开关，包括：电源输入端、电源输出端、电压电流转换电路、电容器和比较器，其中，
所述电源输入端接收输入电压；
所述电源输出端提供输出电压；
所述电压电流转换电路包括第一输入端、第二输入端和电流差输出端，其中，所述第一输入端和所述第二输入端分别连接至所述电源输出端和所述电源输入端，用于分别接收所述输出电压和所述输入电压，并且在所述电流差输出端处输出表征所述输出电压和所述输入电压之间的电压差的电流差；
所述电容器的第一端连接至所述电流差输出端，对所述电流差进行积分以获得表征所述输出电压和所述输入电压之间的电压差在所述电容器的积分时间段内的平均电压差，以及所述电容器的第二端连接至地线；以及
所述电容器的第一端还连接至所述比较器的第一输入端，所述比较器的第二输入端被施加至少一个参考电压，所述比较器的输出端为反向电流保护端，以根据所述比较器的输出端的值判断是否发出防止电流从所述电源输出端流向所述电源输入端的信号。
2.根据权利要求1所述的负载开关，还包括参考电压模块，
其中，所述参考电压模块包括多个迟滞电阻器，其串联连接在所述地线和所述参考电压端之间并且配置为提供所述至少一个参考电压。
3.根据权利要求2所述的负载开关，还包括多个迟滞晶体管，
所述多个迟滞晶体管的第一级均连接至所述比较器的第二端；
所述多个迟滞晶体管的第二级分别连接至所述多个迟滞电阻器中每相邻的两个迟滞电阻器之间；以及
所述多个迟滞晶体管的栅极分别连接至所述比较器的输出端。
4.根据权利要求3所述的负载开关，还包括多个反相器，
所述多个反相器串联连接，所述多个反相器中的第一反相器的输入端连接至所述反向电流保护端，以及
所述多个反相器的输出端分别连接至所述多个迟滞晶体管的栅极。
5.根据权利要求4所述的负载开关，其中，
所述多个迟滞电阻器包括串联连接在所述参考电压端和所述地线之间的第一迟滞电阻器、第二迟滞电阻器和第三迟滞电阻器；
所述多个迟滞晶体管包括第一迟滞晶体管和第二迟滞晶体管；
所述多个反相器包括第一反相器和第二反相器；以及
所述第一迟滞晶体管的栅极连接至所述第一反相器的输出端，所述第二迟滞晶体管的栅极连接至所述第二反相器的输出端，所述第一迟滞晶体管的第二极连接在所述第二迟滞电阻器和第三迟滞电阻器之间，以及所述第二迟滞晶体管的第二极连接在所述第三迟滞电阻器和所述地线之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的负载开关，其中，所述电压电流转换电路包括差分折叠共源共栅放大器。
7.根据权利要求6所述的负载开关，其中，所述差分折叠共源共栅放大器包括第一转换晶体管、第二转换晶体管、第三转换晶体管、第四转换晶体管、第一转换电阻器、第一电流源、第二电流源、第三电流源和第四电流源，
所述第一输入端连接至所述第一转换晶体管的栅极，所述第二输入端连接至所述第二转换晶体管的栅极，所述第一转换晶体管和所述第二转换晶体管的第二极连接至第一电压源，所述转换第一晶体管的第一极连接至所述第一电流源的第一端，所述第一电流源的第二端连接至所述地线，所述第二转换晶体管的第一极连接至所述第二电流源的第一端，所述第二电流源的第二端连接至所述地线；
所述第一转换晶体管的第一极还连接至所述第三转换晶体管的栅极，所述第三转换晶体管的第一极连接至所述第三电流源的第一端，所述第三电流源的第二端连接至所述地线，所述第三转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端，用于将表征所述输出电压的输出电流传输至所述电流差输出端；
所述第二转换晶体管的第一极还连接至所述第四转换晶体管的栅极，所述第四转换晶体管的第一极连接至所述第四电流源的第一端，所述第四电流源的第二端连接至所述地线，所述第四转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端，用于将表征所述输入电压的输入电流传输至所述电流差输出端；以及
所述第一转换电阻器连接在所述第三转换晶体管的所述第一极和所述第四转换晶体管的所述第一极之间。
8.根据权利要求7所述的负载开关，其中，
所述差分折叠共源共栅放大器还包括第五转换晶体管、第六转换晶体管、第七转换晶体管和第八转换晶体管，
所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的栅极连接在一起，所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的第一极连接至所述第一电压源，所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的栅极连接在一起，所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的第一极分别连接至所述第五转换晶体管和所述第六转换晶体管的第二极，
所述第七转换晶体管和所述第八转换晶体管的第二极均连接至所述电流差输出端，
所述第三转换晶体管的第二极连接至所述第八转换晶体管的第一极以通过所述第八转换晶体管连接至所述电流差输出端，所述第四转换晶体管的第二极连接至所述第七转换晶体管的第一极以通过所述第七转换晶体管连接至所述电流差输出端。
9.根据权利要求8所述的负载开关，其中，
所述差分折叠共源共栅放大器还包括第九转换晶体管、第十转换晶体管、第十一转换晶体管、第十二转换晶体管和第四转换电阻器，
第七转换晶体管的第二极连接至所述第九转换晶体管和所述第十转换晶体管的栅极以及还连接至所述第四电阻器的第一端以通过所述第九转换晶体管和第十转换晶体管连接至所述电流差输出端，所述第四电阻器的第二端连接至所述第九转换晶体管的第二极以及还连接至所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的栅极，
所述第九转换晶体管和所述第十转换晶体管的第一极分别连接至所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的第二极，所述第十一转换晶体管和所述第十二转换晶体管的第一极均连接至所述地线，以及
所述第十转换晶体管的第二极连接至所述电流差输出端。
10.根据权利要求8或9所述的负载开关，其中，所述差分折叠共源共栅放大器还包括第十五转换晶体管、第十六转换晶体管、第三电阻器和第五电流源，
所述第十五转换晶体管的栅极连接至所述第五转换晶体管的栅极，所述第十五转换晶体管的第一极连接至所述第一电压源；
所述第十六转换晶体管的栅极连接至所述第七转换晶体管的栅极，所述第十六转换晶体管的第一极连接至所述第十五转换晶体管的第二极；
所述第十六转换晶体管的栅极还连接至所述第五电流源的第一端以通过所述第五电流源开启所述第七转换晶体管、所述第八转换晶体管和第十六转换晶体管，所述第五电流源的第二端连接至所述地线，以及
所述第十五转换晶体管的栅极还连接至所述第十六转换晶体管的第二极和所述第三电阻器的第一端，所述第三电阻器的第二端连接至所述第十六转换晶体管的栅极和所述第五电流源的第一端，以通过所述第五电流源开启所述第五转换晶体管、所述第六转换晶体管和所述第十五转换晶体管。
11.根据权利要求1所述的负载开关，还包括反向电流阻挡电路，其连接至所述反向电流保护端并且根据所述反向电流保护端的值来判断是否被启动。
12.一种电源系统，包括电源设备和根据权利要求1至11中任意一项所述的负载开关，其中，
所述负载开关的所述电源输入端连接至所述电源设备；以及
所述负载开关的所述电源输出端连接至要向其提供电源的负载。
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