CN208707612U - 一种负载开关控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种负载开关控制电路，包括：电压产生模块、主开关管、电压上升速率采集模块和反馈控制模块；其中，所述电压产生模块用于产生开启所述主开关所需要的开启电压；所述电压上升速率采集模块用于采集所述主开关的输出电压的上升速率；所述反馈控制模块用于依据所述上升速率控制所述开启电压，进而控制所述上升速率。该负载开关控制电路在根本上可以直接控制负载开关开启过程中负载端电压的上升速率，极大程度的消除了浪涌电流的现象，提高了系统稳定性。

Description

一种负载开关控制电路

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路技术领域，更具体地说，尤其涉及一种负载开关控制电路。

背景技术

负载开关是电子系统中常用的一种器件，用于连接电源和负载，实现二者之间的连接和隔离，例如通电断电。其中，负载开关可以与其控制电路集成设置，也可以是一个分立元件。

场效应管是一种常用的负载开关，但是，现有的场效应管作为负载开关，经常会出现传输较大的浪涌电流流入其连接的负载的情况，对负载造成一定的损伤，其中，浪涌电流是负载开关在开启瞬间，因开启速度过快而在负载端引入较大的电流的一种现象。

为了避免该浪涌电流的现象，现有技术通常在负载开关开启时使用减缓开启的方法，使得负载开关输出的电压逐渐变大，这种开启或者启动方式也称为软启动方式。

例如，现有技术中通过电阻和场效应管的栅极电容组成了RC滤波电路实现软开关，其本质是对场效应管的栅源电压进行控制，也就是说，使场效应管的栅源电压缓慢上升。

但是，负载开关的自身导通电阻变化最快的阶段也就是栅源电压超过阈值后的阶段，而该阶段正好是传统控制方式产生的栅源电压变化最快的阶段，因此通过现有技术的控制方式仍然会造成负载端电压上升过快的现象。

那么，如何提供一种对负载端电压上升速率可以控制的负载开关控制电路，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种负载开关控制电路，该负载开关控制电路在根本上可以直接控制负载开关开启过程中负载端电压的上升速率，极大程度的消除了浪涌电流的现象。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种负载开关控制电路，所述负载开关控制电路包括：电压产生模块、主开关管、电压上升速率采集模块和反馈控制模块；

其中，所述电压产生模块用于产生开启所述主开关所需要的开启电压；

所述电压上升速率采集模块用于采集所述主开关的输出电压的上升速率；

所述反馈控制模块用于依据所述上升速率控制所述开启电压，进而控制所述上升速率。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述主开关管为第一场效应管；

其中，所述第一场效应管的漏极作为电压输入端，所述第一场效应管的源极作为电压输出端。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述第一场效应管为N型场效应管。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述电压产生模块包括：电荷泵、电流源和二极管；

其中，所述电荷泵的一端与所述第一场效应管的源极连接，所述电荷泵的另一端与所述电流源的正极连接；

所述电流源的负极与所述第一场效应管的栅极连接；

所述二极管的阴极与所述电流源的负极连接，所述二极管的阳极与所述第一场效应管的源极连接。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述二极管为齐纳二极管。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述电压上升速率采集模块包括：电容和电阻；

其中，所述电容的一端与所述第一场效应管的源极连接，所述电容的另一端与所述反馈控制模块连接；

所述电阻的一端与所述电容的另一端连接，所述电阻的另一端接地连接。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述反馈控制模块包括：第二场效应管；

其中，所述第二场效应管的栅极与所述电容的另一端连接；

所述第二场效应管的源极接地连接；

所述第二场效应管的漏极与所述电流源的负极连接。

优选的，在上述负载开关控制电路中，所述第二场效应管为N型场效应管。

通过上述描述可知，本实用新型提供的一种负载开关控制电路，包括：电压产生模块、主开关管、电压上升速率采集模块和反馈控制模块；其中，所述电压产生模块用于产生开启所述主开关所需要的开启电压；所述电压上升速率采集模块用于采集所述主开关的输出电压的上升速率；所述反馈控制模块用于依据所述上升速率控制所述开启电压，进而控制所述上升速率。

该负载开关控制电路，通过电压上升速率采集模块实时对主开关管的输出电压的上升速率进行采集，所述反馈控制模块实时依据采集的上升速率控制输入至所述主开关的开启电压，进而实现对主开关管的输出电压的上升速率进行控制，极大程度的消除了负载开关开启过程中产生的浪涌电流的现象。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种负载开关的应用场景示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种负载开关应用场景的电路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种负载开关产生浪涌电流现象的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种负载开关控制电路的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种负载开关控制电路的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种负载开关控制电路的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的又一种负载开关控制电路的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的又一种负载开关控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，所述负载开关11主要用于连接电源12和负载13，实现二者之间的连接和隔离，如图2所示，负载开关11的源极与电源端连接，负载开关11的负载端与负载13连接，其中，负载13用电容C0和电阻R0进行示意，需要说明的是，负载13还可以用电感、电容和电阻的组合进行示意说明，在本实用新型实施例中并不作限定。如图3所示，当负载开关11闭合的瞬间，如何闭合速度过快，那么负载端的电压上升速率将变的很快，负载开关11的瞬间电流会短时间极高，该电流对电源12、负载13和负载开关本11身均会有一个强烈的冲击，严重影响系统的稳定性。

为了解决上述问题，本实用新型提供了负载开关控制电路，该负载开关控制电路在根本上可以直接控制负载开关开启过程中负载端电压的上升速率，极大程度的消除了浪涌电流的现象。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参考图4，图4为本实用新型实施例提供的一种负载开关控制电路的结构示意图，所述负载开关控制电路包括：电压产生模块41、主开关管42、电压上升速率采集模块43和反馈控制模块44。

其中，所述电压产生模块41用于产生开启所述主开关42所需要的开启电压。

所述电压上升速率采集模块43用于采集所述主开关42的输出电压的上升速率。

所述反馈控制模块44用于依据所述上升速率控制所述开启电压，进而控制所述上升速率。

通过上述描述可知，该负载开关控制电路，通过电压上升速率采集模块实时对主开关管的输出电压的上升速率进行采集，所述反馈控制模块实时依据采集的上升速率控制输入至所述主开关的开启电压，进而实现对主开关管的输出电压的上升速率进行控制，极大程度的消除了负载开关开启过程中产生的浪涌电流的现象。

进一步的，如图5所示，所述主开关管42为第一场效应管M1，可选的，所述第一场效应管M1为N型场效应管。其中，所述第一场效应管M1的漏极作为电压输入端Vin，所述第一场效应管M1的源极作为电压输出端Vout。

具体的，P型场效应管和N型场效应管均可以作为所述主开关管42，但是，N型场效应管的迁移率比P型场效应管高，即在同等面积下，N型场效应管的导通阻抗比P型场效应管低，因此，在本实用新型实施例中，采用N型场效应管作为所述主开关管42。

进一步的，如图6所示，所述电压产生模块41包括：电荷泵IB、电流源410和二极管D。

其中，所述电荷泵410的一端与所述第一场效应管M1的源极连接，所述电荷泵410的另一端与所述电流源IB的正极连接。

所述电流源IB的负极与所述第一场效应管M1的栅极连接。

所述二极管D的阴极与所述电流源IB的负极连接，所述二极管D的阳极与所述第一场效应管M1的源极连接。

可选的，所述二极管D为齐纳二极管。

具体的，所述二极管D用于对所述第一场效应管M1的栅源电压Vgs起到钳位作用，即在所述第一场效应管M1正常工作时，由所述二极管D对所述第一场效应管M1的栅源电压Vgs起到钳位作用，在所述电流源IB的作用下所述第一场效应管M1产生一个等于钳位电压的栅源电压Vgs。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，包括但不限定只采用齐纳二极管作为钳位单元，例如可以采用多个正向串联的二极管作为钳位单元也可以。

进一步的，如图7所示，所述电压上升速率采集模块43包括：电容C和电阻R。

其中，所述电容C的一端与所述第一场效应管M1的源极连接，所述电容C的另一端与所述反馈控制模块44连接。

所述电阻R的一端与所述电容C的另一端连接，所述电阻R的另一端接地连接。

具体的，通过所述电容C和所述电阻R的组合，依据所述第一场效应管M1的输出电压Vout的上升斜率产生一个和该斜率成正比例关系的控制电压。

进一步的，如图8所示，所述反馈控制模块44包括：第二场效应管M2。

其中，所述第二场效应管M2的栅极与所述电容C的另一端连接。

所述第二场效应管M2的源极接地连接。

所述第二场效应管M2的漏极与所述电流源IB的负极连接。

可选的，所述第二场效应管M2为N型场效应管。

具体的，当所述控制电压可以控制所述第二场效应管M2导通时，由于所述第二场效应管M2的源极接地连接，会对所述电流源IB产生的电流起到一部分分流的作用，进而实现对输入至所述第一场效应管M1的栅极的电压进行控制。

基于本实用新型上述实施例提供的负载开关控制电路，下面对其具体原理进行阐述说明。

当所述第一场效应管M1处于关闭状态时，所述第一场效应管M1的栅源电压Vgs为零，电压输出端的电压Vout也为零。

当所述第一场效应管M1处于导通状态时，若没有本实用新型实施例公开的各个模块时，所述第一场效应管M1的栅源电压Vgs将随着电流源IB的注入以恒定速率上升，同时电压输出端的电压Vout也会快速上升。

当以本实用新型实施例提供的负载开关控制电路进行工作时，假设电压输出端的电压Vout上升速率为dvout/dt，其中，dvout/dt表示电压输出端的电压Vout对时间的导数，表示其上升速率。

那么，由所述电压上升速率采集模块中电容C和电阻R产生的控制电压V1为：

假设所述第二场效应管M2工作在饱和区域，那么所述第二场效应管M2的漏极的电流I如下：

其中，u_n为沟通电子迁移率，Cox为单位面积的删氧化层电容，W为所述第二场效应管M2的栅宽，L为所述第二场效应管M2的栅长，Vt为所述第二场效应管M2的导通阈值电压。

将公式(1)代入公式(2)可得：

由于注入所述第一场效应管M1的栅极的总电流为I1，但是在存在I的情况下，实际注入至所述第一场效应管M1的栅极的电流Igate为：

通过公式(4)可知，当dvout/dt变大时，注入至所述第一场效应管M1的栅极的电流就会减小，进而实现对电压输出端的电压Vout的上升速率进行控制调节，通过设置调节电容C、电阻R、第二场效应管M2的栅宽W和所述第二场效应管M2的栅长L的值，以实现灵活的控制。

通过上述描述可知，本实用新型提供的一种负载开关控制电路，可以在根本上直接控制负载开关开启过程中负载端电压的上升速率，极大程度的提高了系统稳定性。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种负载开关控制电路，其特征在于，所述负载开关控制电路包括：电压产生模块、主开关管、电压上升速率采集模块和反馈控制模块；

其中，所述电压产生模块用于产生开启所述主开关所需要的开启电压；

所述电压上升速率采集模块用于采集所述主开关的输出电压的上升速率；

所述反馈控制模块用于依据所述上升速率控制所述开启电压，进而控制所述上升速率。

2.根据权利要求1所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述主开关管为第一场效应管；

其中，所述第一场效应管的漏极作为电压输入端，所述第一场效应管的源极作为电压输出端。

3.根据权利要求2所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述第一场效应管为N型场效应管。

4.根据权利要求2所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述电压产生模块包括：电荷泵、电流源和二极管；

其中，所述电荷泵的一端与所述第一场效应管的源极连接，所述电荷泵的另一端与所述电流源的正极连接；

所述电流源的负极与所述第一场效应管的栅极连接；

所述二极管的阴极与所述电流源的负极连接，所述二极管的阳极与所述第一场效应管的源极连接。

5.根据权利要求4所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述二极管为齐纳二极管。

6.根据权利要求4所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述电压上升速率采集模块包括：电容和电阻；

其中，所述电容的一端与所述第一场效应管的源极连接，所述电容的另一端与所述反馈控制模块连接；

所述电阻的一端与所述电容的另一端连接，所述电阻的另一端接地连接。

7.根据权利要求6所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述反馈控制模块包括：第二场效应管；

其中，所述第二场效应管的栅极与所述电容的另一端连接；

所述第二场效应管的源极接地连接；

所述第二场效应管的漏极与所述电流源的负极连接。

8.根据权利要求7所述的负载开关控制电路，其特征在于，所述第二场效应管为N型场效应管。