CN220985311U - 高边开关输出电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高边开关输出电路，包括：主输入端、主输出端、主控制端、开关控制模块、过流和短路保护模块和采样电阻，开关控制模块的控制端与主控制端相连，开关控制模块的输出端通过采样电阻与主输出端相连，开关控制模块的输入端与主输入端相连；过流和短路保护模块的控制端与主输出端相连，过流和短路保护模块的输入端与主输入端相连，过流和短路保护模块根据采样电阻的采样结果控制开关控制模块的开通或关闭。本申请提供的电路能够实现供电电路的过流和短路保护，有效降低了保护成本。

Description

高边开关输出电路

技术领域

本申请涉及电路保护技术领域，特别涉及一种高边开关输出电路。

背景技术

电子产品经常需对外供电或者对内供电，无论是对外供电还是对内供电，通常需要开关控制电路对供电进行控制。当需要供电时，打开开关控制电路进行供电；当需要停止供电时，关闭开关控制电路结束供电。对于负载可能出现的过流或短路等异常情况，目前，通常通过较复杂的集成电路(integrated circuit，IC)对负载和供电电路进行保护。

但是，用IC保护的方式，成本较高。

实用新型内容

本申请提供了一种高边开关输出电路，通过过流和短路保护模块对负载和供电电路进行保护，以降低成本。

本申请提供的一种高边开关输出电路，包括：主输入端、主输出端、主控制端、开关控制模块、过流和短路保护模块和采样电阻，开关控制模块的控制端与主控制端相连，开关控制模块的输出端通过采样电阻与主输出端相连，开关控制模块的输入端与主输入端相连；过流和短路保护模块的控制端与主输出端相连，过流和短路保护模块的输入端与主输入端相连，过流和短路保护模块根据采样电阻的采样结果，控制开关控制模块的开通或关闭。本申请提供的电路能够实现供电电路的过流和短路保护，有效降低了保护成本。

在一种可能的实现方式中，上述电路还包括：延时模块，延时模块通过开关控制模块与主控制端相连，过流和短路保护模块的控制端通过延时模块与主输出端相连，延时模块在主控制端打开开关控制模块时，延时启动过流和短路保护模块。

在一种可能的实现方式中，上述过流和短路保护模块包括：第一三极管和第一限流电阻，当第一三极管为PNP型三极管时，第一三极管的发射极与主输入端相连，集电极与开关控制模块相连，基极通过第一限流电阻与主输出端相连。

在一种可能的实现方式中，上述延时模块包括：第二三极管、第二电阻和电容，当第二三极管为PNP型三极管时，第二三极管的发射极与过流和短路保护模块的控制端相连，集电极与主输出端相连，基极与第二电阻的第一端和电容的第一端相连，第二电阻的第二端与开关控制模块相连，电容的第二端接地。

在一种可能的实现方式中，上述电路用于保护负载模块，负载模块连接主输出端，第二电阻和电容的充放电时间，大于或等于负载模块的等效电容和电路的输出电阻的充放电时间。

在一种可能的实现方式中，上述开关控制模块包括高边开关管、接地开关管和第三电阻；

高边开关管的控制端通过第三电阻与接地开关管相连，高边开关管的输入端与主输入端相连，高边开关管的输出端通过采样电阻与主输出端相连；

接地开关管的控制端与主控制端相连。

在一种可能的实现方式中，上述高边开关管为PNP型三极管，高边开关管的发射极与主输入端相连，集电极与采样电阻相连，基极与第三电阻相连。

在一种可能的实现方式中，上述高边开关管为P沟道场效应管，高边开关管的源极与主输入端相连，漏极与采样电阻相连，栅极与第三电阻相连；

开关控制模块还包括上拉电阻，上拉电阻连接于高边开关管的源极与栅极之间。

在一种可能的实现方式中，上述接地开关管为NPN型三极管，接地开关管的基极与主控制端相连，集电极与第三电阻相连，发射极接地。

在一种可能的实现方式中，上述接地开关管为N沟道场效应管，接地开关管的栅极与主控制端相连，漏极与第三电阻相连，源极接地。

在一种可能的实现方式中，上述开关控制模块还包括：第四电阻，第四电阻连接于主控制端与接地开关管的控制端之间。

在一种可能的实现方式中，上述开关控制模块还包括：第五电阻，第五电阻连接于接地开关管的控制端与地之间。

附图说明

图1为本申请实施例一提供的高边开关输出电路的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的高边开关输出电路的结构示意图；

图3为本申请实施例三提供的高边开关输出电路的结构示意图；

图4为本申请实施例四提供的高边开关输出电路的结构示意图；

图5为本申请实施例五提供的高边开关输出电路的结构示意图。

具体实施方式

本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。

实施例一

本实施例提供的一种高边开关输出电路如图1所示，包括主输入端(图中用VIN表示)、主输出端(图中用VOUT表示)和主控制端(图中用CTROL表示)、开关控制模块、过流和短路保护模块和采样电阻R0。开关控制模块的控制端与主控制端相连，开关控制模块的输出端通过采样电阻R0与主输出端相连，开关控制模块的输入端与主输入端相连。过流和短路保护模块的控制端与主输出端相连，过流和短路保护模块的输入端与主输入端相连，过流和短路保护模块根据采样电阻R0的采样结果，控制开关控制模块的开通或关闭。本申请实施例中的相连，可以是直接相连，也可以是通过其他器件连接。例如，A与B相连，可以是A和B直接连接，也可以是A通过C与B连接。

图1中，C(L)和R(L)分别表示等效的负载电容(负载模块的等效电容)、负载电阻。其中，负载模块接于主输出端之后，被供电。

本实施例中，开关控制模块包括高边开关管Q3、第三电阻R3和接地开关管Q7。

高边开关管Q3为大功率晶体管，是主要供电回路。接地开关管Q7用于开启或关闭高边开关管Q3。

当高边开关管Q3为PNP型三极管时，高边开关管Q3的发射极连接主输入端，集电极连接采样电阻R0，基极通过第三电阻R3与接地开关管Q7相连。

当接地开关管Q7为N沟道场效应管时，接地开关管Q7的栅极连接主控制端，漏极与第三电阻R3相连，源极接地。

当主控制端为高电平时，接地开关管Q7的栅极输入为高电平，接地开关管Q7导通，高边开关管Q3的基极被拉低，高边开关管Q3导通，主输入端与主输出端导通，为负载模块供电。当主控制端为低电平时，接地开关管Q7的栅极输入为低电平，接地开关管Q7关断，高边开关管Q3的基极变为高电平，高边开关管Q3关断，主输入端与主输出端断开，停止为负载模块供电。

本实施例提供的高边开关输出电路，通过低廉简单的晶体管开关电路，在主控制端的控制下，导通或关断高边开关管Q7，实现对供电回路的控制。

本实施例中，过流和短路保护模块包括第一三极管Q1和第一电阻R1。当第一三极管Q1为PNP型三极管时，第一三极管Q1的发射极连接主输入端，集电极连接开关控制模块，基极与第一电阻R1相连。

第一电阻R1可通过可控开关S与主输出端相连，这样，当主输出端的后级负载电压被拉高后，可通过外部控制电路控制使能端EN打开(闭合)可控开关S，使R1与主输出端导通，开启过流和短路保护模块的保护功能。当后级负载出现过流或短路时，通过第一三极管Q1关断高边开关管Q3，实现对后级负载模块和供电回路的保护。可以理解的是，可控开关S也可替换为手动开关，当后级负载模块被供电后，由人工闭合手动开关，启动过流和短路保护模块。

本实施例提供的高边开关输出电路中，通过在近主输出端处设置采样电阻R0，以及在主输入端和主输出端之间设置过流和短路保护模块，实现过流和短路保护。并且，过流和短路保护模块仅通过一个三极管和电阻实现，有效降低了保护成本。

实施例二

如图2所示，本实施例作为实施例一的一种变形，开关控制模块中的接地开关管Q7替换为了接地三极管Q4。

作为一种优选方案，开关控制模块还进一步包括第四电阻R4，以起到限流作用，对接地三极管Q4进行保护。

当接地三极管Q4为NPN型三极管时，接地三极管Q4的基极通过第四电阻R4连接到主控制端，集电极连接到第三电阻R3，发射极接地。

实施例三

如图3所示，本实施例在上述实施例二的基础上，增加了延时模块，以延时启动过流和短路保护模块。

本实施例中，延时模块包括第二三极管Q2、第二电阻R2和电容C1。当第二三极管Q2为PNP型三极管时，第二三极管Q2的发射极通过第一电阻R1与第一三极管Q1相连，集电极与主输出端相连，基极与第二电阻R2的第一端和电容C1的第一端相连。第二电阻R2的第二端与开关控制模块相连，电容C1的第二端接地。

接地三极管Q4导通后，由于第二电阻R2和电容C1的延时，第二三极管Q2延时导通，实现了延时启动过流和短路保护模块。

作为一种优选方案，电容C1和第二电阻R2的充放电时间，等于或大于负载电容和输出电阻(采样电阻R0与高边开关管Q3导通后发射极和集电极之间的电阻之和)的充放电时间。这样，当后级负载电压被拉高后，第二三极管Q2导通，启动过流和短路保护模块，进行保护。

本实施例中，高边开关输出电路工作过程如下：

(1)正常工作时

接地三极管Q4的基极输入电压为高电平，接地三极管Q4打开(导通)，高边开关管Q3的基极电压被拉低，高边开关管Q3打开，开始给后级输出充(供)电。

接地三极管Q4打开(导通)后，延时模块中的电容C1通过第二电阻R2放电，由于电容C1和第二电阻R2组成的RC时间(充放电时间)等于或大于后级负载模块的RC时间(负载电容和输出电阻的充放电时间)，因此，后级负载电压拉高时(或后)，电容C1完成放电，此时，延时模块中的第二三极管Q2的基极电压被拉低，第二三极管Q2打开(导通)。

第二三极管Q2打开后，过流和短路保护模块中的第一三极管Q1的基极电压，等于主输出端的电压。由于此时后级负载电压已经被拉高，所以第一三极管Q1关闭，过流和短路保护模块启动但不动作，电源通过高边开关管Q3保持供电输出。

(2)过流和短路保护

i.当负载过流或者短路(主输出端对地短路)时，流过采样电阻R1的电流产生较大的压降，导致第一三极管Q1的基极控制电压被拉低，第一三极管Q1被打开(导通)。

ii.第一三极管Q1导通后，高边开关管Q3的基极电压被抬高，从而增大了高边开关管Q3的导通电阻。

iii.高边开关管Q3的导通电阻增大后，后级负载的电压进一步降低，从而导致第一三极管Q1进一步的导通，直到进入深度饱和。

iv.第一三极管Q1进入深度饱和后，会继续抬高高边开关管Q3的基极电压，直到高边开关管Q3关断，停止为后级负载模块供电。

(3)停止工作

主控制端为低电平时，接地开关管Q4的基极输入为低电平信号，接地三极管Q4关闭为高阻。高边开关管Q3的基极输入为高电平，高边开关管Q3关闭，后级无输出(停止为后级负载模块供电),延时模块中的电容C1为高电平，第二三极管Q2的基极输入为高电平，第二三极管Q2关断，过流和短路保护模块停止工作，即过流和短路保护功能关闭。

本实施例提供的高边开关输出电路，通过三个PNP型三极管、一个NPN型三极管、一个采样电阻、五个电阻和一个启动电容，实现对后级负载的过流和短路保护，有效降低了保护成本。

作为一种优选方案，开关控制模块还进一步包括第五电阻R5。第五电阻R5连接于接地开关管Q4的基极和发射极之间，当接地三极管Q4关断时，第五电阻R5可加速接地三极管Q4基极和发射极之间的放电，并且，可与第四电阻R4对主控制端的输入进行分压，达到调整接地三极管Q4的开启电压的目的。

实施例四

如图4所示，本实施例作为实施例三的一种变形，将高边开关管Q3替换为了高边开关管Q6。

本实施例中，高边开关管Q6为P沟道场效应管，高边开关管Q6的栅极接第三电阻R3，源极接主输入端，漏极接采样电阻R0。

作为一种优选方案，开关控制模块还进一步包括上拉电阻R6。上拉电阻R6连接于高边开关管Q6的源极和栅极之间。

实施例五

如图5所示，本实施例作为实施例四的一种变形，将接地三极管Q4替换为了接地开关管Q7。

本实施例中，高边开关输出电路工作过程如下：

(1)正常工作时

接地开关管Q7的栅极输入电压为高电平，接地开关管Q7打开(导通)，高边开关管Q6的栅极电压被拉低，高边开关管Q6打开，开始给后级负载模块输出充(供)电。

接地开关管Q7打开(导通)后，延时模块中的电容C1通过第二电阻R2放电，由于电容C1和第二电阻R2组成的RC时间(充放电时间)等于或大于后级负载的RC时间(负载电容和输出电阻的充放电时间)，因此，后级负载电压拉高时(或后)，电容C1完成放电，此时，延时模块中的第二三极管Q3的基极电压被拉低，第二三极管Q2打开(导通)。

第二三极管Q2打开后，过流和短路保护模块中的第一三极管Q1的基极电压，等于主输出端的电压。由于此时后级负载电压已经被拉高，所以第一三极管Q1关闭，过流和短路保护模块启动但不动作，电源通过高边开关管Q6保持供电输出。

(2)过流和短路保护

i.当负载过流或者短路(主输出端对地短路)时，流过采样电阻R1的电流产生较大的压降，导致第一三极管Q1的基极控制电压被拉低，第一三极管Q1被打开(导通)。

ii.第一三极管Q1导通后，高边开关管Q6的栅极电压被抬高，从而增大了高边开关管Q6的导通电阻。

iii.高边开关管Q6的导通电阻增大后，后级负载模块的电压进一步降低，从而导致第一三极管Q1进一步的导通，直到进入深度饱和。

iv.第一三极管Q1进入深度饱和后，会继续抬高高边开关管Q6的栅极电压，直到高边开关管Q6关断，停止为后级负载模块供电。

(3)停止工作

主控制端为低电平时，接地开关管Q7的栅极输入为低电平信号，接地开关管Q7关闭为高阻。高边开关管Q6的栅极输入为高电平，高边开关管Q6关闭，后级无输出(停止为后级负载模块供电),延时模块中的电容C1为高电平，第二三极管Q2的基极输入为高电平，第二三极管Q2关断，过流和短路保护模块停止工作，即过流和短路保护功能关闭。

本实施例提供的高边开关输出电路，通过两个PNP型三极管、一个P沟道场效应管、一个N沟道场效应管、一个采样电阻、五个电阻、一个启动电容和一个上拉电阻，实现对后级负载的过流和短路保护，有效降低了保护成本。

上述实施例中，高边开关管不限于上述实施例所示的晶体管，可根据后级负载的正常工作电压选择合适功率的晶体管。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高边开关输出电路，包括：主输入端、主输出端和主控制端，其特征在于，还包括：开关控制模块、过流和短路保护模块和采样电阻；

所述开关控制模块的控制端与所述主控制端相连，所述开关控制模块的输出端通过所述采样电阻与所述主输出端相连，所述开关控制模块的输入端与所述主输入端相连；

所述过流和短路保护模块的控制端与所述主输出端相连，所述过流和短路保护模块的输入端与所述主输入端相连，所述过流和短路保护模块根据所述采样电阻的采样结果，控制所述开关控制模块的开通或关闭。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：延时模块，所述延时模块通过所述开关控制模块与所述主控制端相连，所述过流和短路保护模块的控制端通过所述延时模块与所述主输出端相连，所述延时模块在所述主控制端打开所述开关控制模块时，延时启动所述过流和短路保护模块。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述过流和短路保护模块包括：第一三极管和第一限流电阻，当所述第一三极管为PNP型三极管时，所述第一三极管的发射极与所述主输入端相连，集电极与所述开关控制模块相连，基极通过所述第一限流电阻与所述主输出端相连。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述延时模块包括：第二三极管、第二电阻和电容，当所述第二三极管为PNP型三极管时，所述第二三极管的发射极与所述过流和短路保护模块的控制端相连，集电极与所述主输出端相连，基极与所述第二电阻的第一端和所述电容的第一端相连，所述第二电阻的第二端与所述开关控制模块相连，所述电容的第二端接地。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电路用于保护负载模块，所述负载模块连接所述主输出端，所述第二电阻和电容的充放电时间，大于或等于所述负载模块的等效电容和所述电路的输出电阻的充放电时间。

6.根据权利要求1、2、4和5任一项所述的电路，其特征在于，所述开关控制模块包括高边开关管、接地开关管和第三电阻；

所述高边开关管的控制端通过所述第三电阻与所述接地开关管相连，所述高边开关管的输入端与所述主输入端相连，所述高边开关管的输出端通过所述采样电阻与所述主输出端相连；

所述接地开关管的控制端与所述主控制端相连。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述高边开关管为PNP型三极管，所述高边开关管的发射极与所述主输入端相连，集电极与所述采样电阻相连，基极与所述第三电阻相连。

8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述高边开关管为P沟道场效应管，所述高边开关管的源极与所述主输入端相连，漏极与所述采样电阻相连，栅极与所述第三电阻相连；

所述开关控制模块还包括上拉电阻，所述上拉电阻连接于所述高边开关管的源极与栅极之间。

9.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述接地开关管为NPN型三极管，所述接地开关管的基极与所述主控制端相连，集电极与所述第三电阻相连，发射极接地。

10.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述接地开关管为N沟道场效应管，所述接地开关管的栅极与所述主控制端相连，漏极与所述第三电阻相连，源极接地。

11.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述开关控制模块还包括：第四电阻，所述第四电阻连接于所述主控制端与所述接地开关管的控制端之间。

12.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述开关控制模块还包括：第五电阻，所述第五电阻连接于所述接地开关管的控制端与地之间。