CN113922794A - 短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模拟电路技术领域，提供了一种短路保护电路，其包括：输出电路，与第一电阻串联连接到地，通过二者的连接节点提供第一控制信号；与所述输出电路连接的控制电路，具有接收第一控制信号的第一输入端，以及第一输出端，该第一输出端用以将第二控制信号传输至输出电路；与控制电路连接的驱动电路，具有接收开关控制信号的第二输入端，以及第二输出端，该第二输出端用以将驱动电路生成的第二控制信号传输至控制电路，其中，在短路状态下，该控制电路根据第一控制信号调节控制电路的状态，使第二控制信号改变，以降低输出电路的短路电流。由此可提高具有负载开关的电路的可靠性和安全度。
Description
技术领域
本发明涉及模拟电路技术领域，具体涉及一种短路保护电路。
背景技术
在较高端的电子设备，例如手机等设备中往往会通过一个负载开关连接外部电源充电器和其余供电设备，而电网、外部设备的不稳定往往会造成输入电源电压的快速和大幅度变动，因此，这类负载开关通常会加入OVP(Over Voltage Protection，过压保护)和过流保护功能，即当输入电压发生超过设定电压值的时候和电流超过设定电压值时，负载开关会关闭，进而保护内部电路不受外界高压冲击。负载开关的关闭时间Toff是个重要的指标，其关闭速度越快也就意味着发生同等条件的外部过压、过流，内部电压上升的幅度越小，也就意味着***更加稳定可靠。
而在现有技术中具有低导通电阻的负载开关中，如果出现意外短路，由于其导通电阻低，动辄会出现几十安甚至上百安的短路电流。无论是维持这个电流还是快速断开这个电流，都容易导致开关损伤、使电路失效，降低了包含负载开关的***的可靠性和安全度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种短路保护电路，可以改善因负载开关太快断开，导致变化电流过大引起连线的寄生电感产生过高电压，而造成击穿损伤的问题。
根据本发明提供的一种短路保护电路，其包括：
输出电路，与第一电阻串联连接到地，该第一电阻的第一端作为该短路保护电路的输入端，该第一电阻的第二端与输出电路的连接节点用以提供第一控制信号；
控制电路，与输出电路连接，具有接收第一控制信号的第一输入端，以及第一输出端，该第一输出端用以将第二控制信号传输至前述输出电路；
驱动电路，与控制电路连接，具有接收开关控制信号的第二输入端，以及第二输出端，该第二输出端用以将该驱动电路生成的第二控制信号传输至控制电路，
其中，在短路状态下，控制电路根据该第一控制信号调节该控制电路的状态，使第二控制信号改变，以降低该输出电路的短路电流。
优选地，前述输出电路包括：
多个晶体管，该多个晶体管的第一端共同连接第一电阻的第二端，该多个晶体管的控制端共同连接至前述控制电路的第一输出端，该多个晶体管的第二端共同连接的连接节点作为该短路保护电路的输出端。
优选地，前述驱动电路包括：
串联于供电端与地之间的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管与第二晶体管的连接节点作为前述第二输出端，用以提供前述第二控制信号，且第一晶体管的控制端与第二晶体管的控制端相连；以及
逻辑非门，所述逻辑非门的输入端作为所述第二输入端接入所述开关控制信号，所述逻辑非门的输出端与所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的控制端的连接节点相连。
优选地，前述控制电路包括：
串联连接于前述第二输出端与地之间的第三晶体管和第四晶体管，第三晶体管的控制端作为接收前述第一控制信号的第一输入端；
第一电容，连接于第四晶体管的控制端与地之间；
第二电阻，一端连接前述第二输出端，另一端与第一电容和第四晶体管控制端之间的连接节点连接。
优选地，第一晶体管和第二晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，第一晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，且第二晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，第三晶体管、第四晶体管和前述多个晶体管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，第三晶体管、第四晶体管和前述多个晶体管均为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，第三晶体管、第四晶体管和前述多个晶体管中的任意一个具有相同的夹断电压。
优选地，前述控制电路和前述输出电路集成于同一芯片上。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种短路保护电路，该短路保护电路包括依次连接的驱动电路、控制电路和输出电路，根据负载发生短路，流经输出电路的短路电流急剧变化引起输出电路两端的电压降瞬时增大时，通过该输出电路两端的电压降提供第一控制信号到控制电路，以降低驱动电路生成的第二控制信号在控制电路形成的分压，以降低短路电流，进一步调节第一控制信号的大小，直到短路电流降低至安全水平(设定安全阈值)，而后以较慢的速度断开负载开关，以避免因短路电流太大而负载开关太快断开，造成连线寄生电感产生过高电压而导致集成电路被击穿损伤，提高具有负载开关的电路的可靠性和安全度。
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示出本根据发明实施例提供的短路保护电路的一种示意性框图；
图2示出图1中短路保护电路的电路结构图；
图3示出图2所示的短路保护电路中的输出电路的电路结构图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面，参照附图对本发明进行详细说明。
图1示出本根据发明实施例提供的短路保护电路的一种示意性框图，图2示出图1中短路保护电路的电路结构图。
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种短路保护电路100，其包括：驱动电路110、控制电路120和输出电路130，其中，输出电路130与电阻R2串联连接到地，电阻R2的第一端作为该短路保护电路100的输入端Vi，电阻R2的第二端与输出电路130的连接节点用以提供第一控制信号Vg，控制电路120与输出电路130连接，具有接收第一控制信号Vg的第一输入端，以及第一输出端，该第一输出端用以将第二控制信号Vc传输至输出电路130，而驱动电路110与控制电路120连接，具有接收开关控制信号Vs的第二输入端，以及第二输出端，该第二输出端用以将该驱动电路110生成的第二控制信号Vc传输至控制电路120，其中，该短路保护电路100在短路状态下，控制电路120根据第一控制信号Vg调节该控制电路120的连通状态，使第二控制信号Vc改变，以降低该输出电路130的短路电流。
在本实施例中，输出电路130包括：依次并联于电阻R2与地之间的多个晶体管，具体的，该多个晶体管包括：晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn，并且晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn的第一端共同连接至电阻R2的第二端，晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn的第二端共同连接到地，并作为该短路保护电路100的输出端Vout，同时晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn的控制端均共同连接至控制电路120的第一输出端，用以接收第二控制信号Vc。
在一种优选的实施方案中，晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn均为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)，进一步的，晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn均为N型MOSFET，则上述晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn的第一端为漏极端，其第二端为源极端。
进一步地，上述晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn为具有相同规格的MOSFET开关，既具有相同的夹断电压，即输出电路130为包括有n个相同的MOSGET开关管的大电流开关，其中，n为大于零的自然数，若每个MOSGET开关管的导通电路例如为r，则该输出电路130总的导通电阻是r/n。通过合理设计晶体管的数量，以便于准确计算短路电流的大小及控制短路电流降低至设定安全阈值的时间，提高电路的响应速度，及电路的安全性。
在本实施例中，驱动电路120包括：串联于供电端VCC与地之间的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，以及逻辑非门111，具体的，第一晶体管Q1的第一端连接供电端VCC，其第二端与第二晶体管Q2的第一端通过节点连接，且该连接节点作为前述的第二输出端，用以提供生成的第二控制信号Vc，该第二晶体管Q2的第二端接地，同时第一晶体管Q1的栅极控制端与第二晶体管Q2的栅极控制端相连，逻辑非门111的输入端作为前述第二输入端用以接入开关控制信号Vs，而该逻辑非门111的输出端与第一晶体管Q1的栅极控制端与第二晶体管Q2的栅极控制端的连接节点相连。
在一种优选的实施方案中，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，进一步的，第一晶体管Q1为P型MOSFET，第二晶体管Q2为N型MOSFET，则该第一晶体管Q1的第一端和第二晶体管Q2的第二端为源极端，该第一晶体管Q1的第二端和第二晶体管Q2的第一端为漏极端，通过互补型的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2已获得较大的驱动电流，以满足电路的工作需求。
在本实施例中，控制电路120包括：串联连接于前述第二输出端与地之间的第三晶体管Q3和第四晶体管Q4，以及电容C1和电阻R1，具体的，第三晶体管Q3的栅极控制端作为接收第一控制信号Vc的第一输入端，第三晶体管Q3的第一端与晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn的栅极控制端连接，其第二端与第四晶体管Q4的第一端连接，第四晶体管Q4的第二端接地，且该第四晶体管Q4的栅极控制端通过电容C1与第二晶体管Q2的第二端连接，而电阻R1的一端与第三晶体管Q3的第一端连接，第二端与电容C1和第二晶体管Q2第二端的连接节点连接。
在一种优选的实施方案中，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
进一步的，第三晶体管Q3和第四晶体管Q4均为N型MOSFET，则该第三晶体管Q3的第一端和第四晶体管Q4的第一端为漏极端，该第三晶体管Q3的第二端和第四晶体管Q4的第二端为源极端。
进一步的，该第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和前述多个晶体管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)均具有相同的夹断电压。
进一步的，前述控制电路120和前述输出电路130集成于同一芯片上，更具体的，该第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和前述多个晶体管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)集成于同一芯片上，以此保证其特性接近(具有相同夹断电压)的同时使该电路对负载变化的快速响应。
同时，本发明实施例提供的短路保护电路100适合利用平面工艺制作大电流集成电路型的开关电路中，即利用大数量的MOSFET作为低阻开关时，通过制作过程中的工艺控制部分MOSFET形成本发明实施例中第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的电路连接关系，通过将第三晶体管Q3、第四晶体管Q4和前述多个晶体管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)集成于同一芯片上，使其紧密分布，故响应路径变短，实现了对负载变化的快速响应。
在低导通电阻的负载开关中，如果出现意外短路，由于其导通电阻低，动辄会出现几十安甚至上百安的短路电流。无论是维持这个电流(缓慢响应切断负载开关)还是快速断开这个电流(快速响应切断负载开关)，都容易导致负载开关损伤、使电路失效。
本发明实施例提供的短路保护电路100能利用开关管自身的，在电路短路状态下，快速限制短路电流到安全水平(设定安全阈值)，然后以较慢的速度进一步断开电路连接。
如果在断开前短路电流已经降低到到安全水平(设定安全阈值)，则不会继续负载开关的断开而是通过本电路之外的其它电路重新恢复导通。
下文是以控制电路连接于驱动电路中的N型晶体管两端的电路结构来说明本电路特征的；但其同样的机制也适用于控制电路连接于驱动电路中的P型晶体管两端的电路结构，在此不作限制。
结合图2和图3，在稳定的断开状态下，第四晶体管Q4的栅极被驱动电路110拉至低电位，此时第四晶体管Q4处于开路状态。在导通状态下没有出现短路时，第三晶体管Q3的栅极电位((第一控制信号Vg))即输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)上的电压差值很小，所以第三晶体管Q3是处于断开状态的。
当发生短路时，几十倍上百倍电流通过输出电路130中的多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)，导致输出电路130两端的压降瞬时增大，这时第四晶体管Q4处于导通状态，第三晶体管Q3的栅极电压(第一控制信号Vg)跟随输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)两端的电压降上升，在该电压降超过其夹断电压后，第三晶体管Q3开始导通，其源极电压被拉低到地，并拉低输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)的栅极电压(第二控制信号Vc)。输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)的栅极电压(第二控制信号Vc)下降后其导通电阻增高、使得该电压降加大，进一步影响第三晶体管Q3的栅极电压(第一控制信号Vg)形成正反馈。
受控制电路120中电容C1和电阻R1形成的延迟作用的影响，第四晶体管Q4的导通状态不会立即变化而保持在导通状态。这时输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)的栅极电压(第二控制信号Vc)可以认为是灌出电流i(例如供电端VCC可以是压控电流源产生电路，用以提供恒定的灌出电流i)流过第三晶体管Q3和第四晶体管Q4(例如每个晶体管的等效导通电阻为r)产生的电压，即
Vc＝2*i*r (1)
由于输出电路130中多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)与第三晶体管Q3和第四晶体管Q4具有相同的夹断电压。可推算出进入上述状态后，流过多个MOSFET开关管(晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3至晶体管Tn)的最大电流大约是n*i。
上述过程将持续发生直到第四晶体管Q4栅极电压小于或等于其夹断电压时停止，因此可以通过并联的多个MOSFET开关管以取代第四晶体管Q4的方式改变电路在短路状态下的停止电压。
如果第四晶体管Q4栅极电压小于或等于其夹断电压时，电路的短路状态仍未停止，则由该短路保护电路之外的其它电路来切断驱动，完成完整的短路保护过程。
综上所述，通过本发明实施例提供的短路保护电路，将控制电路和输出电路集成于同一芯片上实现快速响应，可以在负载发生短路，流经输出电路的短路电流急剧变化引起输出电路两端的电压降瞬时增大时，通过该输出电路两端的电压降提供第一控制信号到控制电路，以降低驱动电路生成的第二控制信号在控制电路形成的分压，以降低短路电流，进一步调节第一控制信号的大小，直到短路电流降低至安全水平(设定安全阈值)，而后以较慢的速度断开负载开关，以避免因短路电流太大而负载开关太快断开，造成连线寄生电感产生过高电压而导致集成电路被击穿损伤，提高具有负载开关的电路的可靠性和安全度。
在此需要说明的是，由于本发明实施例提供的短路保护电路先通过降低短路电流后关断负载开关的方式实现电路的短路保护目的，故该电路本身有建立时间要求，比较适合于不需要高速开关的低导通电阻的集成电路场景。
应当说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本文中，所含术语“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。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种短路保护电路，包括：
输出电路，与第一电阻串联连接到地，所述第一电阻的第一端作为所述短路保护电路的输入端，所述第一电阻的第二端与所述输出电路的连接节点用以提供第一控制信号；
控制电路，与所述输出电路连接，具有接收所述第一控制信号的第一输入端，以及第一输出端，所述第一输出端用以将第二控制信号传输至所述输出电路；
驱动电路，与所述控制电路连接，具有接收开关控制信号的第二输入端，以及第二输出端，所述第二输出端用以将所述驱动电路生成的所述第二控制信号传输至所述控制电路，
其中，在短路状态下，所述控制电路根据所述第一控制信号调节所述控制电路的状态，使所述第二控制信号改变，以降低所述输出电路的短路电流。
2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述输出电路包括：
多个晶体管，所述多个晶体管的第一端共同连接所述第一电阻的第二端，所述多个晶体管的控制端共同连接至所述控制电路的第一输出端，所述多个晶体管的第二端共同连接的连接节点作为所述短路保护电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述驱动电路包括：
串联于供电端与地之间的第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管与所述第二晶体管的连接节点作为所述第二输出端，用以提供所述第二控制信号，且所述第一晶体管的控制端与所述第二晶体管的控制端相连；以及
逻辑非门，所述逻辑非门的输入端作为所述第二输入端接入所述开关控制信号，所述逻辑非门的输出端与所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的控制端的连接节点相连。
4.根据权利要求2所述的短路保护电路，其中，所述控制电路包括：
串联连接于所述第二输出端与地之间的第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管的控制端作为接收所述第一控制信号的第一输入端；
第一电容，连接于所述第四晶体管的控制端与地之间；
第二电阻，一端连接所述第二输出端，另一端与所述第一电容和所述第四晶体管控制端之间的连接节点连接。
5.根据权利要求3所述的短路保护电路，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的短路保护电路，其中，所述第一晶体管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管，且所述第二晶体管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求4所述的短路保护电路，其中，所述第三晶体管、第四晶体管和所述多个晶体管均为金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.根据权利要求7所述的短路保护电路，其中，所述第三晶体管、第四晶体管和所述多个晶体管均为N型金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求8所述的短路保护电路，其中，所述第三晶体管、第四晶体管和所述多个晶体管中任意一个具有相同的夹断电压。
10.根据权利要求1所述的短路保护电路，其中，所述控制电路和所述输出电路集成于同一芯片上。
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