TWI664816B - 開關電路以及運用此開關電路的多工器 - Google Patents

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Abstract

一種開關電路，包含：一開關元件控制電路，接收一第一電壓以及一第二電壓；一第一類型一開關元件，耦接開關元件控制電路並接收一第一控制電壓；一第一類型二開關元件，耦接開關元件控制電路和第一類型一開關元件；以及一第二類型二開關元件，耦接第一類型一開關元件以及第一類型二開關元件。當第二電壓高於第一電壓時，開關元件控制電路使第一類型二開關元件導通，且第一類型二開關元件的導通使得第二類型二開關元件不導通，當第二電壓高於第一電壓且該第一電壓為第一預定電壓時，該第一類型一開關元件不導通。

Description

開關電路以及運用此開關電路的多工器
本發明有關於開關電路以及運用此開關電路的多工器，特別有關於具防漏電機制以及可耐高壓的開關電路以及運用此開關電路的多工器。
在近代電子裝置中，Type_C連接器越來越普及。第1圖繪示了習知技術中Type_C 連接器的其中一例的示意圖。如第1圖所示，Type_C 連接器100包含了VBUS腳位、SBU_1腳位以及SBU_2腳位。VBUS腳位為接收高壓的腳位，而Type_C 連接器100的腳位錯誤連接或是溼氣都有可能使VBUS腳位跟SBU_1腳位或SBU_2腳位產生短路。因此連接SBU_1腳位跟SBU_2腳位的電路須有耐高壓的機制。此外，連接SBU_1腳位跟SBU_2腳位的電路須有防漏電的機制，來防止各種狀況下可能產生的漏電問題。
Type_C連接器為了支援能夠正反插的功能，其內部通常具有一多工器來連接SBU_1腳位、SBU_2腳位以及其他電路 (例如手機內部的IC)，然而，此類多工器通常未考慮到前述防漏電和耐高壓的問題。
因此，本發明一目的為提供一種具防漏電機制以及抗高壓功能的開關電路。
本發明另一目的為提供一種具防漏電機制以及抗高壓功能的多工器。
本發明一實施例揭露了一種開關電路，包含：一開關元件控制電路，接收一第一電壓以及一第二電壓；一第一類型一開關元件，包含耦接該開關元件控制電路的第一端，以及接收一第一控制電壓的第二端，其中該第一控制電壓與該第一電壓有關；一第一類型二開關元件，包含耦接該開關元件控制電路的一第一端、耦接該第一類型一開關元件的該第一端的一第二端；以及一第二類型二開關元件，包含耦接該第一類型一開關元件的該第一端的一第一端、以及耦接該第一類型二開關元件的第三端的一第二端。當該第二電壓高於該第一電壓時，該開關元件控制電路使該第一類型二開關元件導通，且該第一類型二開關元件的導通使得該第二類型二開關元件不導通；當該第二電壓高於該第一電壓且該第一電壓為第一預定電壓時，該第一類型一開關元件不導通。
本發明一實施例揭露了一種多工器，包含：複數個輸入端；複數個輸出端；複數個開關電路，該些開關電路的導通狀態決定了該些輸入端以及該些輸出端間的電性連接方式。開關電路中的至少一個包含了前述開關電路的所有元件。
根據前述實施例，本發明所提供的開關電路具有完善的防漏電機制，且可採用耐高壓元件以及具較高阻值的電阻，使防漏電機制更加完善。然請留意，本發明所提供的內容不限制於解決此類問題。
以下將以不同實施例來說明本發明的概念，然請留意，各實施例中的第一、第二僅用以區別互相獨立的元件，並非用以表示元件的個數、次序或位置。舉例來說，第一NMOS和第二NMOS表示其為不同的NMOS，並非表示第一NMOS必須在較早的描述中出現。
第2圖繪示了根據本發明一實施例的開關電路的方塊圖。開關電路200包含了一開關元件控制電路201，第一類型一開關元件SW_11、第一類型二開關元件SW_21、第二類型二開關元件SW_22、第四類型一開關元件SW_14、第五類型一開關元件SW_15、第四類型二開關元件SW_24、第五類型二開關元件SW_25以及電阻R_a。
開關元件控制電路201接收一第一電壓V_1以及一第二電壓V_2。第一類型一開關元件 SW_11包含耦接開關元件控制電路201的第一端，以及接收第一控制電壓CV_1的第二端，其中第一控制電壓CV_1與該第一電壓V_1有關，例如正比於第一電壓V_1。第一類型二開關元件SW_21包含耦接開關元件控制電路201的第一端、耦接第一類型一開關元件SW_11的第一端的一第二端。第二類型二開關元件SW_22包含耦接第一類型一開關元件SW_11的第一端的一第一端、以及耦接第一類型二開關元件SW_21的第三端的一第二端。第四類型二開關元件 SW_24包含耦接第二類型二開關元件SW_22的一第三端的一第一端，耦接第一類型一開關元件SW_11的一第三端以及一第三電壓V_3的一第二端。第五類型二開關元件SW_25包含耦接第三電壓V_3的一第一端，耦接第一電壓V_1的一第二端。電阻R_a的一第一端耦接第四類型二開關元件SW_24的第三端以及耦接第五類型二開關元件SW_25的一第三端，以及耦接第一電壓V_1的一第二端。
第一電壓V_1可為系統電壓，例如開關電路200使用在Type_C連接器時，Type_C連接器所運作的電壓，控制電壓CV_1為和第一電壓V_1有關的電壓。舉例來說，當第一電壓V_1為零時，控制電壓CV_1也會為零。第二電壓V_2可為SBU腳位(可為前述的SBU+腳位或SBU-腳位)的電壓。第三電壓V_3可為開關電路201所連接的電路或裝置所提供的電壓。以下實施例將基於此例來說明，但第一電壓V_1、第二電壓V_2以及第三電壓V_3不限於前述例子，其定義可對應開關電路所運用的電子裝置或電路而有所不同。
以下將以不同實施例來說明第2圖中的開關電路201的運作方式。然請留意，實施例中的第一電壓V_1、第二電壓V_2以及第三電壓V_3的值僅用以說明，不限於各實施例中的值，任何符合實施中第一電壓V_1、第二電壓V_2以及第三電壓V_3呈現之關係的值均應在本發明所涵蓋的範圍內。舉例來說，在一實施例中第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2=3.3.V，則所有第二電壓V_2高於第一電壓V_1的情況均適用於此實施例。
在某些情況下，第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2為高於第一電壓V_1的一預定電壓 (例如3.3V或20V)，第三電壓V_3為0V。例如開關電路200使用在Type_C連接器，但此Type_C連接器剛接上電，尚未運作於系統電壓，也未接收到來自其他電路或裝置的電壓。此情況下，開關元件控制電路201會接收第二電壓V_2使第一類型二開關元件SW_21導通，且第一類型二開關元件SW_21的導通會使得第二類型二開關元件SW_22不導通，可防止因第二電壓V_2從第二類型二開關元件SW_22漏電。且第一電壓V_1為0V，第一控制電壓CV_1因為與第一電壓V_1相關連，其值也為0或是一個較低的電壓，可使第一類型一開關元件SW_11不導通。請留意第一電壓V_1可替換為不為0但也不會使第一類型一開關元件SW_11導通的第一預定電壓 (例如3.3v)。如此可防止因第二電壓V_2而從第一類型一開關元件SW_11漏電。
在某些情況下，第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2為0V，第三電壓V_3為3.3V。例如開關電路200使用在Type_C連接器時，但此Type_C連接器可接收所接電路或裝置的電，但其SUB腳位無法接收到電壓。此情況下，第三電壓V_3會透過第五類型二開關元件SW_25使第四類型二開關元件SW_24不導通。如此可防止第三電壓V_3從第四類型二開關元件SW_24漏電。
在一實施例中，第一電壓V_1為3.3V、第二電壓V_2為0V，第三電壓V_3為3.3V。例如開關電路200使用在Type_C連接器時，此Type_C連接器可接收所接電路或裝置的電以及系統的電，但其SUB腳位無法接收到電壓。此情況下，第一電壓V_1會透過電阻R_a使得第四類型二開關元件SW_24不導通。如此可防止第三電壓V_3從第四類型二開關元件SW_24漏電。
在一實施例中，開關電路100更包含一第四類型一開關元件SW_14，包含耦接第一類型二開關元件SW_21的第三端一第一端，耦接一第二預定電壓 (例如地電位)的一第二端，以及耦接一第二控制電壓CV_2的一第三端。在此實施例中，開關電路100可更包含一第五類型一開關元件SW_15，其包含耦接第四類型二開關元件SW_24的該第三端的一第一端，耦接第二預定電壓(例如地電位)的一第二端，以及耦接一第二控制電壓CV_2的一第三端。開關元件控制電路201也接收第二控制電壓CV_2，當第二控制電壓CV_2使第四類型一開關元件SW_14以及第五類型一開關元件SW_15導通時，開關元件控制電路201會關閉。相反的，當第二控制電壓CV_2使第四類型一開關元件SW_14以及第五類型一開關元件SW_15不導通時，開關元件控制電路201會正常運作。
在一實施例中，當開關電路200未正常運作時，即訊號無法從提供第二電壓V_2的SBU腳位直接傳送到提供第三電壓V_3的IC時，第二控制電壓CV_2會讓開關元件控制電路201運作但讓第四類型一開關元件SW_14以及第五類型一開關元件SW_15不導通。此情況下會執行前述的防漏電動作。相反的，當開關電路200可正常運作時，即訊號可從提供第二電壓V_2的SBU腳位直接傳送到提供第三電壓V_3的IC時，第二控制電壓CV_2會讓開關元件控制電路201關閉但讓第四類型一開關元件SW_14以及第五類型一開關元件SW_15導通。
然請留意，本發明所提供的開關電路不限定必須包含第2 圖中所描述的各元件。因應不同的防漏電需求，開關電路可僅包含第2圖中所描述的部份元件。
以下將描述第2圖中所述各元件的詳細結構的例子，然請留意，第2圖中所述各元件不限於以下實施例，任何可達成相同功能的結構均應涵蓋在本發明的範圍內。
第3圖繪示了根據本發明一實施例的開關電路的電路圖。如第3圖所示，第一類型二開關元件SW_21為PMOS，其閘極、源極和汲極分別做為前述第一類型二開關元件SW_21的第一端、第二端和第三端。第二類型二開關元件SW_22也為PMOS，其源極和閘極分別做為前述第二類型二開關元件SW_22的第一端和第二端。第一類型一開關元件SW_11為NMOS，第一類型一開關元件SW_11的汲極和閘極分別做為前述第一類型一開關元件SW_11的第一端和第二端。
在前述第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2為高於第一電壓V_1的一預定電壓 (例如3.3V或20V)，第三電壓V_3為0V的例子中，開關元件控制電路201會拉低第一類型二開關元件SW_21的閘極電壓使其導通，如此會讓第二類型二開關元件SW_22的VGS為0因而不導通。而在第一控制電壓CV_1較小的情況下(0或略大於0的低電壓)，第一類型一開關元件SW_11會不導通。如前所述，第一電壓V_1可替換為不為0但也不會使第一類型一開關元件SW_11導通的第一預定電壓 (例如3.3v)。
而在前述第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2為0V，第三電壓V_3為3.3V的情況下。第三電壓V_3會透過第五類型二開關元件SW_25拉高第四類型二開關元件SW_24的閘極電壓。因此，第四類型二開關元件SW_24的閘極-汲極電壓VGD會為0，使其不導通。而在第一控制電壓CV_1較小的情況下(0或略大於0的低電壓)，第一類型一開關元件SW_11會不導通。
而在前述第一電壓V_1為3.3V、第二電壓V_2為0V，第三電壓V_3為3.3V的情況下，第一電壓V_1會透過電阻R_1將第四類型二開關元件SW_24的閘極電壓拉高而使其不導通。因此第三電壓V_3不會透過第四類型二開關元件SW_24漏電。第一控制電壓CV_1因為對應於第一電壓V_1，因此不足以讓第一類型一開關元件SW_11導通，第一電壓V_1不會透過第一類型一開關元件SW_11漏電。
為了不讓第二電壓V_2透過第二類型二開關元件SW_22的基體 (body)漏電，開關電路200可包含一電壓提供電路，用以提供一防漏電電壓V_LP給第二類型二開關元件SW_22的基體。如第4圖所示，電壓提供電路400包含了串聯的兩PMOS P_3和P_4，其分別耦接第二電壓V_2和第三電壓V_3，用以提供V_LP。然而，此電壓提供電路不限於第4圖中所舉的例子。
第5圖繪示了根據本發明一實施例的第2圖和第3圖中開關元件控制電路201的電路圖。如第5圖所示，開關元件控制電路201包含一第一PMOS P_1、一第二PMOS P_2、一電阻串 (此例中包含電阻R_1、R_2)、一第二類型一開關元件SW_12、一第三類型一開關元件SW_13以及一第三類型二開關元件SW_23。
第一PMOS P_1包含耦接第二電壓V_2的源極，且其汲極和閘極短路。第二PMOS P_2的源極耦接第一PMOS P_1的汲極，其汲極和閘極短路，且其汲極耦接電阻串以及第一類型二開關元件SW_21的閘極。第一PMOS P_1以及第二PMOS P_2可做為一電壓調整電路，以其源極-閘極電壓VSG降低第二電壓V_2來產生一調整電壓，因此可提供防漏電的功效。然而，只要是能提供第一PMOS P_1以及第二PMOS P_2降低電壓功效的電路均應包含在本發明所涵蓋的範圍內。在第二電壓V_2大於一特定值且開關元件控制電路201正常運作的情況下 (例如前述的3.3v)，此調整電壓透過電阻R_1以及第三類型二開關元件SW_23可導通第二類型一開關元件SW_12。
第二類型一開關元件SW_12的第一端耦接於電阻串而第二端耦接於第二預定電壓 (例如一地電位)。第三類型二開關元件SW_23包含耦接至電阻串的該些電阻間 (例如電阻R_1和電阻R_2之間)的一第一端、耦接至第二類型一開關元件SW_12的一第二端，以及接收前述第二控制電壓CS_2的一第三端。第三類型一開關元件SW_13包含耦接至第二類型一開關元件SW_12的一第一端、耦接該第三類型二開關元件SW_23的第三端的一第二端，以及耦接第二預定電壓(例如一地電位)的一第三端。
在一實施例中，第二類型一開關元件SW_12為一NMOS，其源極、汲極和閘極分別做為第二類型一開關元件SW_12的第一端、第二端以及第三端。在此實施例中，第三類型二開關元件SW_23為一PMOS，其汲極、源極和閘極分別做為第三類型二開關元件SW_23的第一端、第二端以及第三端。第三類型一開關元件SW_13為一NMOS，其汲極、閘極和源極分別做為第三類型一開關元件SW_13的第一端、該第二端以及第三端。
在第5圖的實施例中，第一電壓V_1為0V、第二電壓V_2為高於第一電壓V_1的一預定電壓 (例如3.3V或20V)，第三電壓V_3為0V的情況下，第二電壓V_2因為第一PMOS P_1以及第二PMOS P_2的汲極-閘極電壓VGS會被降低而在第二PMOS P_2的源極產生調整電壓。此調整電壓透過電子R_1以及第三類型二開關元件SW_23可讓第二類型一開關元件SW_12導通。第二類型一開關元件SW_12導通會拉低第一類型二開關元件SW_21的閘極電壓而使其導通，因而如前述般使得第3圖中的第二類型二開關元件SW_22不導通。在第5圖的實施例中，開關元件控制電路201可更包含至少一個二極體D_1、D_2，其可限制電流流動的方向，或是用以控制電流的電阻R_3，但並不限定。
前述的開關元件或PMOS均可使用耐高壓元件，使開關元件電路具有耐高壓的特性，且前述的電阻可採用具較高阻值的電阻，可使防漏電功能更加完善。此外，前述實施例不限於包含圖示中所有的元件。熟知此項技藝者當可根據前述內容以及所須功能僅取一部份電路獨立運作。此類變化及潤飾均應在本發明涵蓋的範圍內。
第6圖繪示了第2圖所示的開關電路的應用例子。在此實施例中，前述開關電路是運用在多工器中。如第6圖所示，多工器600包含多個開關電路SC_1-SC_4，SBU_1端、SBU_2端表示SBU腳位，可提供前述的第二電壓V_2，而AUX+端、AUX-端表示另一電路或裝置的連接端，可提供前述的第三電壓V_3。每一開關電路SC_1-SC_4可包含前述開關電路實施例的至少一部份。前述第一電壓V_1則為多工器600所運作的系統電壓。
然而，本發明的開關電路不限於運用在第6圖所述結構的多工器，可運用在各種具有複數個輸入端和複數個輸出端的多工器上。換句話說，運用本發明的開關電路的多工器包含複數個開關電路、複數個輸入端以及複數個輸出端，開關電路的導通狀態決定了該些輸入端以及該些輸出端間的電性連接方式。
根據前述內容，多工器600可依據開關電路SC_1-SC_4的導通或不導通決定AUX+端、AUX-端和SBU_1端、SBU_2端的連接方式，因此可實現Type C連接器正反插的功能。而透過前述的防漏電機制，在任何情況下，本發明所提供的開關電路都可具有防漏電功能。
根據前述實施例，本發明所提供的開關電路具有完善的防漏電機制，且可採用耐高壓元件以及具較高阻值的電阻，使防漏電機制更加完善。然請留意，本發明所提供的內容不限制於解決此類問題。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧Type_C 連接器
200‧‧‧開關電路
201‧‧‧開關元件控制電路
600‧‧‧多工器
SW_11‧‧‧第一類型一開關元件
SW_12‧‧‧第二類型一開關元件
SW_13‧‧‧第三類型一開關元件
SW_14‧‧‧第四類型一開關元件
SW_15‧‧‧第五類型一開關元件
SW_21‧‧‧第一類型二開關元件
SW_22‧‧‧第二類型二開關元件
SW_23‧‧‧第三類型二開關元件
SW_24‧‧‧第四類型二開關元件
SW_25‧‧‧第五類型二開關元件
R_a‧‧‧電阻
P_1‧‧‧第一PMOS
P_2‧‧‧第二PMOS
P_3,P_4‧‧‧PMOS
R_1,R_2,R_3‧‧‧電阻
D_1,D_2二極體
SC_1,SC_2,SC_3,SC_4‧‧‧開關電路
第1圖繪示了習知技術中Type_C 連接器的其中一例的示意圖。 第2圖繪示了根據本發明一實施例的開關電路的方塊圖。 第3圖繪示了根據本發明一實施例的開關電路的電路圖。 第4圖繪示了根據本發明一實施例的電壓提供電路的電路圖。 第5圖繪示了根據本發明一實施例的第2圖和第3圖中開關元件控制電路的電路圖。 第6圖繪示了第2圖所示的開關電路的應用例子。

Claims (10)

  1. 一種開關電路，包含： 一開關元件控制電路，接收一第一電壓以及一第二電壓； 一第一類型一開關元件，包含耦接該開關元件控制電路的第一端，以及接收一第一控制電壓的第二端，其中該第一控制電壓與該第一電壓有關； 一第一類型二開關元件，包含耦接該開關元件控制電路的一第一端、耦接該第一類型一開關元件的該第一端的一第二端；以及 一第二類型二開關元件，包含耦接該第一類型一開關元件的該第一端的一第一端、以及耦接該第一類型二開關元件的第三端的一第二端； 其中當該第二電壓高於該第一電壓時，該開關元件控制電路使該第一類型二開關元件導通，且該第一類型二開關元件的導通使得該第二類型二開關元件不導通； 當該第二電壓高於該第一電壓且該第一電壓為第一預定電壓時，該第一類型一開關元件不導通。
  2. 如請求項1所述的開關電路，其中該第一類型二開關元件為PMOS，該第一類型二開關元件的閘極、源極和汲極分別做為該第一類型二開關元件的該第一端、該第二端和該第三端。
  3. 如請求項2所述的開關電路，其中該第二類型二開關元件為PMOS，該第二類型二開關元件的源極和閘極分別做為該第二類型二開關元件的該第一端和該第二端。
  4. 如請求項1所述的開關電路，其中該開關元件控制電路包含： 一第二類型一開關元件，包含耦接一第二預定電壓的一第一端； 一電壓調整電路，用以降低該第二電壓來產生一調整電壓；以及 一電阻串，串聯於該第二類型一開關元件的一第二端以及該電壓調整電路之間。
  5. 如請求項4所述的開關電路，其中該電壓調整電路包含： 一第一PMOS，包含耦接該第二電壓的源極，且該第一PMOS的汲極和閘極短路； 一第二PMOS，該第二PMOS的源極耦接該第一PMOS的汲極，該第二PMOS的汲極和閘極短路，且該第二PMOS的汲極耦接該電阻串； 其中該第二類型一開關元件為一NMOS，該第二類型一開關元件的源極和汲極分別做為該第二類型一開關元件的該第一端以及該第二端。
  6. 如請求項4所述的開關電路，其中該電阻串包含多個電阻，該開關電路更包含： 一第三類型二開關元件，包含耦接至該電阻串的該些電阻間的一第一端、耦接至該第二類型一開關元件的一第二端，以及接收一第二控制電壓的一第三端；以及 一第三類型一開關元件，包含耦接至該第二類型一開關元件的一第一端、耦接該第三類型二開關元件的該第三端的一第二端，以及耦接該第二預定電壓的一第三端。
  7. 如請求項6所述的開關電路， 其中該第三類型二開關元件為一PMOS，該第三類型二開關元件的汲極、源極和閘極分別做為該三類型二開關元件的該第一端、該第二端以及該第三端； 其中該第三類型一開關元件為一NMOS，該第三類型一開關元件的汲極、閘極和源極分別做為該第三類型一開關元件的該第一端、該第二端以及該第三端。
  8. 如請求項1所述的開關電路，更包含： 一第四類型一開關元件，包含耦接該第一類型二開關元件的該第三端的一第一端，耦接一第二預定電壓的一第二端，以及耦接一第二控制電壓的一第三端； 其中該開關元件控制電路也接收該第二控制電壓，當該第二控制電壓使該第四類型一開關元件導通時，該開關元件控制電路會關閉。
  9. 如請求項1所述的開關電路，更包含： 一第四類型二開關元件，包含耦接該第二類型二開關元件的一第三端的一第一端，耦接該第一類型一開關元件的一第三端以及一第三電壓的一第二端； 一第五類型二開關元件，包含耦接該第三電壓的一第一端，耦接該第一電壓的一第二端； 當該第三電壓大於或等於該第一電壓時，該第三電壓通過該第五類型二開關元件使該第四類型二開關元件不導通。
  10. 如請求項9所述的開關電路，更包含： 一電阻，包含耦接該第四類型二開關元件的一第三端以及耦接該第五類型二開關元件的一第三端的一第一端，以及耦接該第一電壓的一第二端； 其中當該第一電壓以及該第三電壓大於該第二電壓時，該第一電壓通過該電阻使得該第四類型二開關元件不導通。
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