CN112018724A - 一种过压保护电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种过压保护电路，包括保护晶体管，第一端接收外部电源提供的电源电压，第二端与受保护芯片的供电引脚连接以提供供电电压，控制端接收控制信号；以及控制电路，用于根据供电电压调节控制信号，其中，在供电电压大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下工作在导通状态，在供电电压大于/等于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下被关断，保护受保护芯片电路内部不受损坏。与现有的过压保护电路相比，只需要占用电源管理芯片的两个芯片引脚，节省了一个耐高压的引脚，电路结构简单，降低了芯片制造成本。

Description

一种过压保护电路
技术领域
本发明涉及过压保护技术领域，更具体地涉及一种过压保护电路。
背景技术
随着科技的进步，笔记本电脑、微型计算机、数码相机、移动电话以及各种便携式产品正在向小型化、轻量化发展，这对电源技术提出了更高的要求。
电源管理芯片是各类电子设备充电器中必不可少的部分，电源管理芯片通过将外部输入端的电源电压转换成输出电压以传递电能。由于各种环境因素的影响，外部输入端的电源电压经常会发生波动，当外部输入端的电源电压的峰值大于芯片正常运行下最大稳态电压的相应峰值时，会对芯片内部的电路造成损害。因此需要在电源管理芯片与外部输入端之间设置过压保护电路，以在电源电压过电压或者输入电流过电流等情况下断开芯片与外部输入端之间的电流路径，保护芯片内部电路。
图1示出根据现有技术的一种过压保护方案的结构示意图。现有的过压保护方案是在电源管理芯片110与外部电源120之间串接一个高压MOS管，当电源电压发生过电压时高压MOS管断开电源管理芯片110与外部电源120之间的电流路径，以保护电源管理芯片110。这种过压保护方案一般需要电源管理芯片110额外提供一个用于检测外部电源的电源电压VAC的检测引脚和用于控制高压MOS管的控制引脚，增大了电源管理芯片的面积和制造成本。
此外，如图2所示，当电源管理芯片的供电引脚BUS发生短路恢复事件，由于外部电源的导线寄生电感的影响，会导致电源管理芯片的供电引脚的供电电压VBUS会先减小后增大，此时由于电源管理芯片刚从短路状态恢复，来不及关断高压MOS管，会造成电源管理芯片内部电路的损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低成本的过压保护电路，可在芯片引脚发生短路恢复事件时及时断开芯片与外部电源，保护芯片内部电路。
根据本发明实施例，提供了一种过压保护电路，包括：保护晶体管，第一端接收外部电源提供的电源电压，第二端与受保护芯片的供电引脚连接以提供供电电压，控制端接收控制信号；以及控制电路，用于根据所述供电电压调节所述控制信号，其中，在所述供电电压大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，所述保护晶体管在所述控制信号的作用下工作在导通状态，在所述供电电压大于/等于第二阈值电压时，所述保护晶体管在所述控制信号的作用下被关断。
优选地，所述控制电路包括：第一比较器，用于比较所述供电电压与所述第一阈值电压以获得欠压信号；第二比较器，用于比较所述供电电压与所述第二阈值电压，以获得过压信号；以及调节单元，根据所述欠压信号和所述过压信号调节所述控制信号。
优选地，所述控制电路还包括：短路保护单元，用于在所述供电引脚短路时产生短路保护信号，所述调节单元根据所述短路保护信号关断所述保护晶体管，断开所述外部电源与所述供电引脚之间的电流路径。
优选地，所述调节单元包括：由相反导电类型的第一晶体管和第二晶体管构成的级联结构，所述级联结构的第一端连接至第一电压，所述级联结构的第二端连接至第二电压，所述级联结构的中间节点连接至所述保护晶体管的控制端；以及逻辑电路，用于根据所述欠压信号、所述过压信号以及所述短路保护信号导通所述第一晶体管和所述第二晶体管之一，其中，所述第一电压大于/等于所述保护晶体管的导通电压，所述第二电压小于所述保护晶体管的导通电压。
优选地，所述逻辑电路配置为当所述欠压信号和所述过压信号同时处于无效状态时，所述逻辑电路导通所述第一晶体管，当所述过压信号和所述短路保护信号之一处于有效状态时，所述逻辑电路导通所述第二晶体管。
优选地，所述逻辑电路包括：第一或门，第一输入端用于接收所述欠压信号，第二输入端用于接收所述过压信号，输出端连接至所述第一晶体管的控制端；第二或门，第一输入端用于接收所述短路保护信号，第二输入端用于接收所述过压信号，输出端连接至所述第二晶体管的控制端。
优选地，所述第一晶体管选自P型MOSFET和N型MOSFET中的一种，所述第二晶体管选自P型MOSFET和N型MOSFET的另一种。
优选地，所述第二电压等于所述受保护芯片的供电电压，所述第一电压等于所述供电电压与一预设电压之和。
优选地，所述控制电路还包括：电荷泵，用于在所述欠压信号处于无效状态时开启，提供所述第一电压；以及电流源，所述电流源连接至所述级联结构的第一端，其中，所述电流源用于在所述第一晶体管导通时将所述保护晶体管的控制端充电至所述第一电压。
优选地，所述控制电路还包括限流电阻，所述限流电阻连接在所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第一端之间。
优选地，所述短路保护单元通过上升沿触发的脉冲产生模块实现，所述脉冲产生模块在所述欠压信号由无效状态转变为有效状态时，产生一窄脉冲信号。
优选地，所述过压保护电路还包括启动电路，用于根据所述外部电源的电源电压产生启动信号，开启所述保护晶体管。
优选地，所述启动电路包括串联连接在所述外部电源和地之间的输入电阻和输入电容，其中，所述输入电阻和输入电容的中间节点连接至所述保护晶体管的控制端以提供所述启动信号。
本发明实施例的过压保护电路包括保护晶体管，第一端接收外部电源提供的电源电压，第二端与受保护芯片的供电引脚连接以提供供电电压，控制端接收控制信号；以及控制电路，用于根据供电电压调节控制信号，其中，在供电电压大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下工作在导通状态，在供电电压大于/等于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下被关断，保护受保护芯片电路内部不受损坏。与现有的过压保护电路相比，只需要占用电源管理芯片的两个芯片引脚，节省了一个耐高压的引脚，电路结构简单，降低了芯片制造成本。
在优选的实施例中，过压保护电路还包括短路保护单元，短路保护单元在芯片的供电引脚发生短路事件时，及时关断保护晶体管，断开受保护芯片与外部电源的电流路径，避免外部电源的导线自感高压对受保护芯片内部电路的损坏，提高了电路的稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出根据现有技术的过压保护方案的结构示意图；
图2示出图1中电源管理芯片的供电引脚发生短路恢复事件时的波形示意图；
图3示出根据本发明实施例的过压保护方案的结构示意图；
图4示出图3中电源管理芯片的供电引脚发生短路恢复事件时的波形示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
图3示出根据本发明实施例的过压保护方案的结构示意图。参照图3，电源管理芯片210包括供电引脚BUS和控制引脚GATE。本发明实施例的过压保护电路包括串联连接在外部电源220和电源管理芯片210的供电引脚BUS之间的保护晶体管MHV，保护晶体管MHV的控制端用于接收控制信号GATE。保护晶体管MHV用于在导通时将外部电源220提供的电源电压VAC转换为电源管理芯片210的供电引脚的供电电压VBUS。
进一步的，所述保护晶体管MHV可以通过N型高压MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)实现。
过压保护电路还包括控制电路，控制电路用于根据供电电压VBUS调节控制信号GATE。在供电电压VBUS大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，保护晶体管MHV在所述控制信号GATE的作用下工作在导通状态；在供电电压VBUS大于/等于第二阈值电压时，所述保护晶体管MHV在所述控制信号GATE的控制下被关断，以保护电源管理芯片210的内部电路。示例的，所述控制电路集成于所述电源管理芯片210中，以保护电源管理芯片210中的受保护芯片电路。
进一步的，该过压保护电路还包括启动电路230，启动电路230用于根据外部电源220的电源电压VAC产生启动信号，开启所述保护晶体管MHV。
作为一个非限制的例子，启动电路230包括串联连接在所述外部电源220和地之间的输入电阻Ron和输入电容Con，所述输入电阻Ron和输入电容Con的中间节点连接至所述保护晶体管MHV的控制端以提供所述启动信号。输入电阻Ron和输入电容Con构成的RC电路决定了所述保护晶体管MHV的导通速度，也即，电源管理芯片210的供电引脚的上电速度。进一步的，可通过设置输入电阻Ron(例如为兆级电阻)和输入电容Con(例如为纳法级电容)构成的RC电路时间常数设定所述保护晶体管MHV的上电速度。
继续参照图3，控制电路包括第一比较器OP1、第二比较器OP2以及调节单元211。第一比较器OP1的反相输入端用于接收供电电压VBUS，正相输入端用于接收第一阈值电压Vth1，第一比较器OP1用于将所述供电电压VBUS与所述第一阈值电压Vth1进行比较，根据比较结果产生所述欠压信号uvlo。第二比较器OP2的正相输入端用于接收供电电压VBUS，反相输入端用于接收第二阈值电压Vth2，第二比较器OP2用于将所述供电电压与所述第二阈值电压进行比较，根据比较结果产生所述过压信号ovp。调节单元211根据欠压信号和过压信号调节控制信号GATE。
其中，当供电电压VBUS小于所述第一阈值电压Vth1时，所述第一比较器OP1输出的欠压信号uvlo为高电平(即欠压信号处于有效状态)，当所述供电电压VBUS大于/等于所述第一阈值电压Vth1时，所述第一比较器OP1的输出发生翻转，输出的欠压信号uvlo转变为低电平(即欠压信号处于无效状态)。
当供电电压VBUS小于第二阈值电压Vth2时，第二比较器OP2输出的过压信号ovp为低电平(即过压信号处于无效状态)，当供电电压VBUS大于/等于第二阈值电压Vth2时，第二比较器OP2的输出发生翻转，输出的过压信号ovp转变为高电平(即过压信号处于有效状态)。
调节单元211包括第一晶体管Mp1和第二晶体管Mn1构成的级联结构和逻辑电路212。逻辑电路212用于根据所述欠压信号uvlo和所述过压信号ovp导通所述第一晶体管Mp1和所述第二晶体管Mn1之一。
第一晶体管Mp1和第二晶体管Mn1的导电类型相反，在一个实施例中，第一晶体管Mp1为P型MOSFET，第二晶体管Mn1为N型MOSFET。第一晶体管Mp1的源极连接至第一电压V1，漏极通过限流电阻Rlim连接至第二晶体管Mn1的漏极，第二晶体管Mn1的源极连接至第二电压V2，第一晶体管Mp1和第二晶体管Mn1的栅极连接至逻辑驱动电路212以接收第一栅极电压Vg1和第二栅极电压Vg2，第一晶体管Mp1的漏极与限流电阻Rlim的中间节点连接至保护晶体管MHV的栅极。
其中，第一电压V1大于保护晶体管MHV的导通电压，第二电压V2小于保护晶体管MHV的导通电压。例如，第二电压V2等于电源管理芯片210的供电引脚的供电电压VBUS，第一电压V1等于电源管理芯片210的供电引脚的供电电压VBUS与一预设电压之和(例如V1＝VBUS+5V)。当第一晶体管Mp1导通时，第一晶体管Mp1将控制信号GATE拉高到第一电压V1(第一电压V1＝VBUS+5V)，保护晶体管MHV的栅-源电压UGS增大，保护晶体管MHV完全导通，供电电压VBUS＝VAC。当第二晶体管Mn1导通时，第二晶体管Mn1将控制信号GATE拉低到第二电压V2(第二电压V2＝VBUS)，保护晶体管MHV的栅-源电压UGS＝0，保护晶体管MHV关断。
进一步的，所述控制电路还包括短路保护单元214，所述短路保护单元214用于在电源管理芯片210的供电引脚发生短路事件时产生短路保护信号，所述调节单元211根据所述短路保护信号调节控制信号，关断保护晶体管MHV，断开电源管理芯片210与外部电源220之间的电流路径，保护电源管理芯片210内部电路不受外部电源的自感高压的损坏。
进一步的，所述短路保护单元214例如通过上升沿触发的脉冲产生模块实现，所述脉冲产生模块在检测到欠压信号uvlo由无效状态转变为有效状态时，向所述逻辑电路212提供一窄脉冲信号，所述逻辑电路根据所述窄脉冲信号导通所述第二晶体管Mn1，关断保护晶体管MHV。
逻辑电路212包括第一或门2121和第二或门2122。第一或门2121的第一输入端连接至第一比较器OP1的输出端以接收所述欠压信号uvlo，第二输入端连接至第二比较器OP2的输出端以接收所述过压信号ovp，输出端连接至所述第一晶体管Mp1的控制端。第二或门2122的第一输入端连接至短路保护单元214以接收所述短路保护信号，第二输入端连接至第二比较器OP2的输出端以接收过压信号ovp，输出端连接至所述第二晶体管Mn1的控制端。
当所述欠压信号uvlo和所述过压信号ovp同时处于无效状态时，第一或门2121导通所述第一晶体管Mp1；当过压信号ovp和短路保护信号之一处于有效状态时，第二或门2122导通所述第二晶体管Mn1。
进一步的，所述控制电路还包括电荷泵213和电流源I1，电流源I1连接至所述级联结构的第一端。其中，电荷泵213用于在欠压信号uvlo处于无效状态时开启，将电流源I1充电至第一电压V1。
本实施例的过压保护电路的工作原理为：在初始时，电源电压VAC通过输入电阻Ron对输入电容Con充电，当输入电容Con两端的电压大于保护晶体管MHV的导通电压时，保护晶体管MHV导通，电源管理芯片210的供电引脚的供电电压VBUS逐渐增大，当供电电压VBUS大于第一阈值电压Vth1且小于第二阈值电压Vth2时，第一比较器OP1输出欠压信号uvlo为低电平，第二比较器OP2输出过压信号ovp为低电平，第一或门2121输出第一栅极电压Vg1为低电平，第二或门2122输出第二栅极电压Vg2为低电平，第一晶体管Mp1导通，第二晶体管Mn1关断，第一晶体管Mp1将控制信号GATE拉高到第一电压V1，保护晶体管MHV的栅极电压升高，保护晶体管MHV完全导通，电源管理芯片210的供电引脚的供电电压VBUS＝VAC。当电源电压VAC发生波动时，供电电压VBUS大于第二阈值电压Vth2，第一或门2121输出第一栅极电压Vg1为高电平，第二或门2122输出第二栅极电压Vg2为高电平，第一晶体管Mp1关断，第二晶体管Mn1导通，第二晶体管Mn1将控制信号GATE拉低到第二电压V2，保护晶体管MHV的栅-源电压UGS＝0，保护晶体管MHV关断。
图4示出图3中电源管理芯片的供电引脚发生短路恢复事件时的波形示意图。
在时间段t0-t1，电源管理芯片210的供电引脚发生短路事件，电源电压VAC和供电电压VBUS都减小。
在时间段t1-t2，当供电电压VBUS下降到第一阈值电压Vth1以下，第一比较器OP1输出发生翻转，欠压信号uvlo由低电平转变为高电平，第一晶体管Mp1关断。同时短路保护单元214输出窄脉冲信号(例如1us)将第二晶体管Mn1导通，第二晶体管Mn1将控制信号GATE拉低到供电电压VBUS，保护晶体管MHV的栅-源电压UGS＝0，保护晶体管MHV关断。
在时间段t2-t3，在启动电路230的作用下控制信号GATE逐渐增大，当控制信号GATE大于保护晶体管MHV的导通电压时，保护晶体管MHV导通，供电电压VBUS逐渐增大。
在时间t3，供电电压VBUS大于第一阈值电压Vth1，欠压信号uvlo由高电平转变为低电平，第一晶体管Mp1导通，控制信号GATE增大，保护晶体管MHV完全导通，供电电压VBUS等于电源电压VAC，此时，外部电源220的导线自感高压已经消除，电源电压VAC已经逐渐减小到正常水平。因此本发明实施例的过压保护电路，可在供电引脚发生短路时断开外部电源与电源管理芯片供电引脚之间的电流路径，在外部电源导线自感高压消除之后重新导通外部电源与电源管理芯片供电引脚之间的电流路径，可有效避免短路状态解除之后，外部电源220的导线自感引起的自感高压对芯片内部电路的损坏。
综上所述，本发明实施例的过压保护电路包括保护晶体管，第一端接收外部电源提供的电源电压，第二端与受保护芯片的供电引脚连接以提供供电电压，控制端接收控制信号；以及控制电路，用于根据供电电压调节控制信号，其中，在供电电压大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下工作在导通状态，在供电电压大于/等于第二阈值电压时，保护晶体管在控制信号的作用下被关断，保护受保护芯片电路内部不受损坏。与现有的过压保护电路相比，只需要占用电源管理芯片的两个芯片引脚，节省了一个耐高压的引脚，电路结构简单，降低了芯片制造成本。
在优选的实施例中，过压保护电路还包括短路保护单元，短路保护单元在芯片的供电引脚发生短路事件时，及时关断保护晶体管，断开受保护芯片与外部电源的电流路径，避免外部电源的导线自感高压对受保护芯片内部电路的损坏，提高了电路的稳定性。
应当说明的是，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过程、方法、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过程、方法、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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (13)

1.一种过压保护电路，其特征在于，包括：
保护晶体管，第一端接收外部电源提供的电源电压，第二端与受保护芯片的供电引脚连接以提供供电电压，控制端接收控制信号；以及
控制电路，用于根据所述供电电压调节所述控制信号，
其中，在所述供电电压大于/等于第一阈值电压且小于第二阈值电压时，所述保护晶体管在所述控制信号的作用下工作在导通状态，
在所述供电电压大于/等于第二阈值电压时，所述保护晶体管在所述控制信号的作用下被关断。
2.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，所述控制电路包括：
第一比较器，用于比较所述供电电压与所述第一阈值电压以获得欠压信号；
第二比较器，用于比较所述供电电压与所述第二阈值电压，以获得过压信号；以及
调节单元，根据所述欠压信号和所述过压信号调节所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的过压保护电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
短路保护单元，用于在所述供电引脚短路时产生短路保护信号，所述调节单元根据所述短路保护信号关断所述保护晶体管，断开所述外部电源与所述供电引脚之间的电流路径。
4.根据权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，所述调节单元包括：
由相反导电类型的第一晶体管和第二晶体管构成的级联结构，所述级联结构的第一端连接至第一电压，所述级联结构的第二端连接至第二电压，所述级联结构的中间节点连接至所述保护晶体管的控制端；以及
逻辑电路，用于根据所述欠压信号、所述过压信号以及所述短路保护信号导通所述第一晶体管和所述第二晶体管之一，
其中，所述第一电压大于/等于所述保护晶体管的导通电压，所述第二电压小于所述保护晶体管的导通电压。
5.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述逻辑电路配置为当所述欠压信号和所述过压信号同时处于无效状态时，所述逻辑电路导通所述第一晶体管，
当所述过压信号和所述短路保护信号之一处于有效状态时，所述逻辑电路导通所述第二晶体管。
6.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述逻辑电路包括：
第一或门，第一输入端用于接收所述欠压信号，第二输入端用于接收所述过压信号，输出端连接至所述第一晶体管的控制端；
第二或门，第一输入端用于接收所述短路保护信号，第二输入端用于接收所述过压信号，输出端连接至所述第二晶体管的控制端。
7.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述第一晶体管选自P型MOSFET和N型MOSFET中的一种，所述第二晶体管选自P型MOSFET和N型MOSFET的另一种。
8.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述第二电压等于所述受保护芯片的供电电压，所述第一电压等于所述供电电压与一预设电压之和。
9.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
电荷泵，用于在所述欠压信号处于无效状态时开启，提供所述第一电压；以及
电流源，所述电流源连接至所述级联结构的第一端，
其中，所述电流源用于在所述第一晶体管导通时将所述保护晶体管的控制端充电至所述第一电压。
10.根据权利要求4所述的过压保护电路，其特征在于，所述控制电路还包括限流电阻，所述限流电阻连接在所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的第一端之间。
11.根据权利要求5所述的过压保护电路，其特征在于，所述短路保护单元通过上升沿触发的脉冲产生模块实现，所述脉冲产生模块在所述欠压信号由无效状态转变为有效状态时，产生一窄脉冲信号。
12.根据权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，还包括启动电路，用于根据所述外部电源的电源电压产生启动信号，开启所述保护晶体管。
13.根据权利要求12所述的过压保护电路，其特征在于，所述启动电路包括串联连接在所述外部电源和地之间的输入电阻和输入电容，
其中，所述输入电阻和输入电容的中间节点连接至所述保护晶体管的控制端以提供所述启动信号。
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