CN111697827A - 在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，用于匹配单端输入、单端输出的一电源管理***，所述电源管理***具有一输入端和一输出端，所述电源管理***具体实施为三种电子电路中的任意两种电路或者具体实施为三种电子电路中的全部三种电路。所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构包括一功率晶体管，所述功率晶体管由以上三种电子电路中的任意两种电路或者全部三种电路共用。本发明公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，有助于降低电路成本、简化电路、提高可靠性。

Description

在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构
技术领域
本发明属于电子电路领域和集成电路应用领域，具体涉及一种在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构。
背景技术
公开号为CN104883057B，主题名称为升压与线性充电共用功率器件的移动电源转换器及其方法，其技术方案公开了“包括锂电池、电感、升压或充电驱动电路、功能控制中心、升压或充电检测电路和体二极管控制电路，其特征在于，所述移动电源转换器还包括：N型MOS管和P型MOS管；其中，锂电池的正极与电感的一端连接，电感的另一端连接P型MOS管的A端，P型MOS管的栅极连接升压或充电驱动电路，P型MOS管的衬底连接体二极管控制电路；P型MOS管B端连接升压输出或充电输入端口的一个端子，升压输出或充电输入端口的另一端子接地；N型MOS管的栅极连接升压或充电驱动电路，N型MOS管的漏极连接电感的另一端，N型MOS管的源极接地；体二极管控制电路,用于控制P型MOS管的衬底连接A端或B端两者中电位高的一端”。
以上述发明专利为例，现有技术中，公开了“共用功率器件”这一总体构思。然而，上述发明专利公开的技术方案，如期主题名称所述，只能实现升压与线性充电的共用功率器件，并且没有给出其他的技术教导，难以直接将上述总体构思直接应用于(直接拓展到)线性降压转换电路、使用感性储能元件的开关型降压转换电路、线性结构的电池充电管理电路，这三种常用的三类电子电路。一般地，参见附图的图1，以上三种常用的三类电子电路，每一类都需要至少一个功率晶体管。
进一步地，当***中同时存在这三类电路中的两类，或是全部三类，并且两类降压转换电路有共同的输入和输出、充电管理电路与降压转换电路的输入、输出关系正好相反时，现有的解决方案是每个电路使用自己的功率晶体管。显然，现有的解决方案，无疑将增加***的开销、成本和复杂性，降低了***的可靠性，需要予以进一步改进。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，克服以上缺陷，提供一种在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构。
本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其主要目的在于，降低电路成本、简化电路、提高可靠性。
本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其另一目的在于，公开并且请求保护线性降压转换电路与开关型降压转换混合电路共用功率晶体管的电路拓扑结构与实现方式。
本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其另一目的在于，公开并且请求保护线性降压转换电路与开关型降压转换混合电路共用功率晶体管的电路拓扑结构，以及改善负载瞬态响应的实现方式。
本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其另一目的在于，公开并且请求保护线性降压转换电路与反向充电管理电路共用功率晶体管的电路拓扑结构与实现方式。
本发明采用以下技术方案，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，用于匹配单端输入、单端输出的一电源管理***，所述电源管理***具有一输入端和一输出端，所述电源管理***具体实施为以下三种电子电路中的任意两种电路或者具体实施为以下三种电子电路中的全部三种电路：
第一种电路：从所述输入端到所述输出端的一线性降压转换电路；
第二种电路：从所述输入端到所述输出端的一使用感性储能元件的开关型降压转换电路；
第三种电路：从所述输出端到所述输入端的一反向充电电路；
所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构包括一功率晶体管，所述功率晶体管由以上三种电子电路中的任意两种电路或者全部三种电路共用。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一负载电流检测电路和一控制电路，所述负载电流检测电路用于检测负载电流，所述控制电路根据所述负载电流检测电路的负载电流检测结果选择性地触发所述线性降压转换电路或者所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述控制电路预置有一计时阈值，当且仅当负载轻载或者空载的持续时间达到上述计时阈值时，所述控制电路关闭所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路，同时启用所述线性降压转换电路。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压高于输出端电压时，所述线性降压转换电路开始工作，所述反向充电电路停止工作；当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压低于输出端电压时，所述线性降压转换电路停止工作，所述反向充电电路开始工作。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路，当所述输入端与输出端电压比较电路测得所述输入端和所述输出端中的高电位端时，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，当且仅当降压转换时，所述P型MOSFET的衬底或阱固定接于输入端。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述控制电路包括一轻载时长计数器，所述空载时长计数器用于对于负载轻载或者空载的持续时间进行累计计时。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输出短路和过载保护处理电路，所述输出短路和过载保护处理电路用于逐周期峰值电流检测与限流，将最大峰值电流限定在设定的数值以下；所述输出短路和过载保护处理电路检测到输出电压不足正常水平的特定百分比时降低平均短路工作电流；所述输出短路和过载保护处理电路在过载或短路条件撤销时自动恢复输出电压。
本发明公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其有益效果在于，有助于降低电路成本、简化电路、提高可靠性。
附图说明
图1是现有的典型电路拓扑结构示意图(每个电路模块使用一个P型MOSFET作为功率晶体管)。
图2是本发明的典型电路拓扑结构示意图(三类电路中的任意两类以及全部三类共用一个功率晶体管)。
图3是图2基础上的辅助电路拓扑结构示意图(仅做降压转换时，P型MOSFET功率晶体管的衬底或阱可以固定接入到A端，但接A端和B端中的电位高者，可以防止B端向A端倒灌电流)。
图4是图2基础上的辅助电路拓扑结构示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图2至图4，图2示出了所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构的典型电路拓扑结构；图3在图2的基础上进一步示出了本发明的典型电路的辅助电路拓扑结构；图4在图2的基础上进一步示出了本发明的典型电路的辅助电路拓扑结构。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“线性降压转换电路”、“降压转换电路”、“线性转换电路”等为同一概念，不再区分。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“开关型降压转换混合电路”、“开关型降压转换电路”、“使用感性储能元件的开关型降压转换电路”等为同一概念，不再区分。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“反向充电电路”、“反向充电管理电路”、“线性充电管理电路”、“充电管理电路”、“电池充电管理电路”、“线性结构的电池充电管理电路”等为同一概念，不再区分。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“检测电路”、“负载电流检测电路”等为同一概念，不再区分。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“A端”、“输入端”等为同一概念，不再区分。
值得一提的是，本发明各个实施例可能涉及的“B端”、“输出端”等为同一概念，不再区分。
优选实施例。
优选地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，用于匹配单端输入、单端输出的一电源管理***，所述电源管理***具有一输入端和一输出端，所述电源管理***具体实施为以下三种电子电路中的任意两种电路或者具体实施为以下三种电子电路中的全部三种电路：
第一种电路：从所述输入端到所述输出端的一线性降压转换电路；
第二种电路：从所述输入端到所述输出端的一使用感性储能元件的开关型降压转换电路；
第三种电路：从所述输出端到所述输入端的一反向充电电路；
所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构包括一功率晶体管，所述功率晶体管由以上三种电子电路中的任意两种电路或者全部三种电路共用。
进一步地，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
进一步地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一负载电流检测电路和一控制电路，所述负载电流检测电路用于检测负载电流，所述控制电路根据所述负载电流检测电路的负载电流检测结果选择性地触发所述线性降压转换电路或者所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路。
进一步地，所述控制电路预置有一计时阈值，当且仅当负载轻载或者空载的持续时间达到上述计时阈值时，所述控制电路关闭所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路，同时启用所述线性降压转换电路。
进一步地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路。
进一步地，当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压高于输出端电压时，所述线性降压转换电路开始工作，所述反向充电电路停止工作；当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压低于输出端电压时，所述线性降压转换电路停止工作，所述反向充电电路开始工作。
进一步地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路，当所述输入端与输出端电压比较电路测得所述输入端和所述输出端中的高电位端时，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
进一步地，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，当且仅当降压转换时，所述P型MOSFET的衬底或阱固定接于输入端。
进一步地，所述控制电路包括一轻载时长计数器，所述空载时长计数器用于对于负载轻载或者空载的持续时间进行累计计时。
进一步地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输出短路和过载保护处理电路，所述输出短路和过载保护处理电路用于逐周期峰值电流检测与限流，将最大峰值电流限定在设定的数值以下；所述输出短路和过载保护处理电路检测到输出电压不足正常水平的特定百分比时降低平均短路工作电流；所述输出短路和过载保护处理电路在过载或短路条件撤销时自动恢复输出电压。
根据上述各个实施例，本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其主要适用对象(电路)阐述如下。
具体地，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，可以在线性降压转换、使用感性储能元件的开关型降压转换、以及反向线性充电管理这三类工作电路中的任意两者以及三者之间共用功率晶体管的电路拓扑结构。
换而言之，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，用于以下的单端输入、单端输出的电源管理***：在***中存在以下三种电子电路中的任意两种，或全部三种，并且它们的输入端(A端)、输出端(B端)之间存在特定的关系。
1.从A端到B端线性降压转换的电路；
2.从A端到B端使用感性储能元件的开关型降压转换的电路；
3.从B端向A端进行反向充电的电路。
根据上述各个实施例，本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其主要目的阐述如下。
1.一种在上述三类电子电路的任意两类以及所有三类中共用一个功率晶体管的电路拓扑结构；
2.若干实现这种共用晶体管的电路拓扑结构的方法。
值得一提的是，作为对比，现有技术中，每个电路中都需要使用至少一个功率晶体管。现有方案是每个电路配有各自的功率晶体管，成本高，电路复杂。参见附图的图1，每个电路模块使用一个P型MOSFET作为功率晶体管，分别是M1、M2、M3，其中M1、M2、M3的衬底或阱都需要自适应切换到A端与B端中的高电位(如果选用N型MOSFET，则衬底或阱接地即可)，这样才能确保整个电路正确执行功能。例如：如果M3的衬底或阱固定接到A端，则充电管理功能异常(从B端到A端存在经由体二极管的通路)；如果M3的衬底或阱固定接到B端，则降压转换功能异常(从A端到B端存在经由体二极管的通路)。
根据上述各个实施例，本发明专利申请公开的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其主要工作原理与技术细节阐述如下。
参见附图的图2：
1.在A端和B端同时存在线性降压转换电路和使用感性储能元件的开关型降压转换电路，其目的是：既能满足负载大工作电流的需要，又能在负载很轻以及空载时产生极低的电流消耗(待机电流)，原因如下：
线性降压转换电路的优点是待机电流低，可以低至500纳安(500*10-9安)以下，但缺点是只能向负载提供较小的电流(100毫安级别)，以及转换效率低。
开关型降压转换电路的优点是能向负载提供很大的电流(可高达数安)，以及转换效率高，但缺点是待机电流大，为几十微安(10-6安)以上，对于许多用电池供电并且对续航时间有高要求的***，这样的待机电流是不能接受的。
所以出现将两者混合的电路，在负载很轻以及空载时，开关型降压电路停止工作，由线性降压电路为负载供电，降低待机电流；而当负载较重时，转由开关型电路为负载供电，而线性转换电路则停止工作。
因此，线性降压和开关型降压混合电路需要以下一些辅助电路来实现，见附图3：
1.1负载电流检测电路，用来检测负载电流，并据此选择令线性降压电路工作还是令开关型降压电路工作；负载电流检测电路可以用电流镜方法实现。
1.2对负载的瞬态响应优化。对负载的瞬态响应是指转换电路在负载突然变化时的表现，例如负载在几毫秒内从1微安以下变化到1安培以上时，转换电路的输出跌落能否迅速恢复。对于开关型降压转换电路，这个恢复时间一般在1微秒以内。但开关型降压转换电路的启动延迟则远远长于这个时间。启动延迟定义为从电路开始工作到输出电压达到90％设定值所需的时间，对于开关型转换电路，这个时间一般在毫秒级。对于单纯的开关型降压转换电路，一旦启动后，就持续工作，所以对负载的瞬态响应在微秒级，而对于开关型降压和线性降压混合电路，在负载很轻时，开关型转换电路会停止工作，所以当负载突然由轻变重时，开关型转换电路需要一个启动延迟的时间才能提供所需的输出电压，而在此之前，线性转换电路可能已经停止了工作，输出电压大幅度跌落，以致负载中断工作；即使线性转换电路不停止工作，继续给负载提供能量，则由于线性转换电路自身的功率耗散为：(输入电压-输出电压)*负载电流，很可能达到数瓦的水平，产生大量的热，触发电路的过热保护，同样导致负载中断工作。所以。对负载瞬态响应的优化处理是必须的，一种实现的方法是：对负载轻载或空载设定一个计时，仅当轻载或空载持续时间达到特定的时间时，才关闭开关型转换电路，启用线性转换电路。
1.3切换迟滞处理。开关型和线性转换电路之间的理想的切换是：一者停止工作的同时，另一者开始提供输出，但很可能出现一者已经停止工作，另一者却还没有提供输出的情况，从而造成输出电压供应缺口，致使负载中断工作。因为切换是在负载较轻时发生，所以输出端(B端)接入较大的电容有助于维持输出电压的稳定，但这样既会增加成本，也仍然不能完全避免输出供应缺口。所以妥当的做法是设置一定的迟滞，在迟滞区内，线性转换和开关型转换电路都工作。
1.4输出短路和过载保护处理。输出短路和过载会导致电路的损坏，所以需要配备相应的保护措施。过载保护的一种方法是逐周期峰值电流检测与限流，将最大峰值电流限定在设定的数值以下；输出短路保护则是在过载保护条件下，如果检测到输出电压不足正常水平的特定百分比，就判定为输出短路，这时候电路通过降低工作频率等方法，既降低平均短路工作电流，又能在过载或短路条件撤销时自动恢复输出电压。当线性转换和开关型转换混合时，一旦侦测的输出短路或过载条件，就要关闭线性转换电路，仅让开关型转换电路工作。上电启动是一种假输出短路条件，也要关闭线性转换电路。
2.在同时存在降压转换(无论是线性、感性储能元件开关型还是混合型)和反向充电管理电路时：这种***一般是由可反复充电使用的电池供电，负载工作电压不高于电池电压，负载端既是负载接入端，又是充电电源接入端的情形。这类电路组合在共用功率晶体管时，也需要加入一些辅助电路，如附图4所示：
2.1A端与B端电压比较电路，当A端电压高于B端电压时，表明***工作在负载接入状态，降压转换电路应开始工作，而充电管理电路则应停止工作(这种情况下这类电路一般会自动停止工作)。当B端电压高于A端电压时，表明***工作在充电电源接入状态，降压转换电路应停止工作(这种情况下这类电路一般会自动停止工作)，而充电管理电路则应开始工作。
2.2如果选用的功率晶体管是P型MOSFET，则为了电路正常工作，功率晶体管的衬底或阱必须接到A端和B端中的高电位。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的负载电流检测电路的具体实施方式等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，用于匹配单端输入、单端输出的一电源管理***，所述电源管理***具有一输入端和一输出端，所述电源管理***具体实施为以下三种电子电路中的任意两种电路或者具体实施为以下三种电子电路中的全部三种电路：
第一种电路：从所述输入端到所述输出端的一线性降压转换电路；
第二种电路：从所述输入端到所述输出端的一使用感性储能元件的开关型降压转换电路；
第三种电路：从所述输出端到所述输入端的一反向充电电路；
其特征在于：
所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构包括一功率晶体管，所述功率晶体管由以上三种电子电路中的任意两种电路或者全部三种电路共用。
2.根据权利要求1所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
3.根据权利要求1-2中任一项权利要求所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一负载电流检测电路和一控制电路，所述负载电流检测电路用于检测负载电流，所述控制电路根据所述负载电流检测电路的负载电流检测结果选择性地触发所述线性降压转换电路或者所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路。
4.根据权利要求3所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述控制电路预置有一计时阈值，当且仅当负载轻载或者空载的持续时间达到上述计时阈值时，所述控制电路关闭所述使用感性储能元件的开关型降压转换电路，同时启用所述线性降压转换电路。
5.根据权利要求1-2中任一项权利要求所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路。
6.根据权利要求5所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压高于输出端电压时，所述线性降压转换电路开始工作，所述反向充电电路停止工作；当所述输入端与输出端电压比较电路测得输入端电压低于输出端电压时，所述线性降压转换电路停止工作，所述反向充电电路开始工作。
7.根据权利要求2所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输入端与输出端电压比较电路，当所述输入端与输出端电压比较电路测得所述输入端和所述输出端中的高电位端时，所述P型MOSFET的衬底或者阱自适应地接于所述输出端或者所述输入端中的高电位端。
8.根据权利要求1所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述功率晶体管具体实施为P型MOSFET，当且仅当降压转换时，所述P型MOSFET的衬底或阱固定接于输入端。
9.根据权利要求4所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述控制电路包括一轻载时长计数器，所述空载时长计数器用于对于负载轻载或者空载的持续时间进行累计计时。
10.根据权利要求1所述的在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构，其特征在于，所述在多种类型的电子电路中共用功率晶体管的电路拓扑结构还包括一输出短路和过载保护处理电路，所述输出短路和过载保护处理电路用于逐周期峰值电流检测与限流，将最大峰值电流限定在设定的数值以下；所述输出短路和过载保护处理电路检测到输出电压不足正常水平的特定百分比时降低平均短路工作电流；所述输出短路和过载保护处理电路在过载或短路条件撤销时自动恢复输出电压。
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