CN117251012A - 电压切换电路以及使用它的电源*** - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电压切换电路和使用它的电源***。该电压切换电路用于将施加到第一输入端子和第二输入端子的电压选择性地传输到输出端子，包括：第一晶体管，连接在所述第一输入端子和所述输出端子之间；第二晶体管，连接在所述第二输入端子和所述输出端子之间；以及切换模块，与所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极连接，用于根据所述第一输入端子的第一输入电压和所述第二输入端子的第二输入电压之间的电压差控制所述第一晶体管和所述第二晶体管之一导通，通过晶体管的沟道导通省掉了二极管的电压损耗，便于降低芯片的工作电压和***的整体功率。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理***技术领域，更具体地，涉及一种电压切换电路以及使用它的电源***。
背景技术
随着无线充电技术的普及，无线充电接收芯片广泛应用在手机、无线蓝牙耳机等各种便携式电子设备中。这种具备无线充电功能的设备通常有两种充电方式，一种是通过无线充电器进行无线充电，另一种是通过电源适配器进行有线充电。而无线充电在通信过程中可能在接收端产生高压，如果两种充电方式同时进行，这部分高压可能会通过电源通路达到电源适配器，造成适配器损坏甚至引发安全问题。这就需要在这部分产品中采用电源切换方式来合理切换两种充电方式，来达到安全充电的目的。
图1示出了传统的电压切换电路100的电路示意图，其中包括晶体管M1和M2。其中，二极管D1和D2分别是晶体管M1和M2的衬底二极管，晶体管M1和M2的第一端分别接收输入电压Vin1和Vin2，晶体管M1和M2的控制端相互电连接，晶体管M1和M2的第二端相互电连接且输出一电压Vin_h。传统的方案利用晶体管M1和M2的衬底二极管D1和D2实现单向导通的功能来进行电压切换，选择更高的输入电压为芯片内部的其他模块供电。然而，这种方式会在芯片内部产生一个二极管电压的压降，不利于降低芯片的工作电压，也消耗了***的整体功率。此外，二极管正偏也很容易出现闩锁效应，***稳定性不好。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电压切换电路以及使用它的电源***，可以在输入端子的电压之间的压差大于晶体管的导通阈值时自动开启对应的晶体管，通过晶体管的沟道导通去掉了二极管的电压损耗，便于降低芯片的工作电压和***的整体功率。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种电压切换电路，用于将施加到第一输入端子和第二输入端子的电压选择性地传输到输出端子，包括：第一晶体管，连接在所述第一输入端子和所述输出端子之间；第二晶体管，连接在所述第二输入端子和所述输出端子之间；以及切换模块，与所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极连接，用于根据所述第一输入端子的第一输入电压和所述第二输入端子的第二输入电压之间的电压差控制所述第一晶体管和所述第二晶体管之一导通。
可选的，当所述第一输入电压大于所述第二输入电压，且二者的电压差大于所述第一晶体管的导通阈值时，所述第一晶体管导通；当所述第二输入电压大于所述第一输入电压，且二者的电压差大于所述第二晶体管的导通阈值时，所述第二晶体管导通。
可选的，所述切换模块包括：一齐纳二极管和电阻，所述齐纳二极管的阴极与所述输出端子连接，阳极与所述电阻的第一端连接，所述电阻的第二端接地；第三晶体管，栅极与所述齐纳二极管和所述电阻的中间节点连接，漏极与所述第二输入电压连接，源极与所述第一晶体管的栅极连接；以及第四晶体管，栅极与所述齐纳二极管和所述电阻的中间节点连接，漏极与所述第一输入电压连接，源极与所述第二晶体管的栅极连接。
可选的，所述第三晶体管和所述第四晶体管为钳位晶体管，可分别将所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅源电压钳位于安全电压范围内。
可选的，所述第三晶体管和所述第四晶体管始终处于导通状态。
可选的，该第一至第四晶体管分别由P型晶体管实现。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电源***，用于向电池充电，包括：上述的电压切换电路，可用于接收电源适配器提供的第一输入电压；无线充电接收电路，通过接收无线充电器发射的能量，为所述电压切换电路提供第二输入电压，所述电压切换电路选择性地将所述第一输入电压或所述第二输入电压传递到输出端子；以及电池充电管理电路，用于根据所述电压切换电路的输出端子的电压对所述电池进行充电管理。
综上所述，本发明的电压切换电路通过两个晶体管的栅极相互控制的方式，可实现在输入端子的电压之间的压差大于晶体管的导通阈值时自动开启对应的晶体管，通过晶体管的沟道导通去掉了二极管的电压损耗，便于降低芯片的工作电压和***的整体功率，因此也不会出现二极管正偏引起的闩锁效应。
此外，本发明的电压切换电路中还包括钳位晶体管，可以在输入端子的电压之间的压差过大时，将晶体管的栅源电压钳位在安全电压范围内，避免了晶体管的损坏。
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，在附图中：
图1示出了传统的电压切换电路的电路示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的电压切换电路的电路示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的用于有线充电和无线充电的电源***的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或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，可能未示出某些公知的部分。
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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出了根据本发明实施例的电压切换电路200的电路示意图。图3示出了安装了图2中的电压切换电路200的用于有线充电和无线充电的电源***300的结构示意图。电源***300包括无线充电接收电路320、电池充电管理电路330以及电压切换电路200。
电源适配器301的输出端连接电压切换电路200的输入端，向电压切换电路200提供输入电压Vin1。无线充电接收电路320的输出端连接电压切换电路200的输入端，通过接收无线充电器302发射的能量，为电压切换电路200提供输入电压Vin2。电压切换电路200用于将输入电压Vin1和Vin2进行比较，根据输入电压Vin1和Vin2中的电压更高者在输出端得到电压Vin_h。电池充电管理电路330的输入端与电压切换电路200的输出端连接，电池充电管理电路330的输出端与电池303连接，用于根据电压Vin_h对电池303进行充电管理。以下，基于图2对电压切换电路200的结构进行详细说明。
如图2所示，电压切换电路200包括输入端子201和202、输出端子203、晶体管M1和M2、以及切换模块210。其中，输入端子201和202分别用于接收输入电压Vin1和Vin2，电压切换电路200用于将施加到输入端子201和输入端子202的电压选择性地传输到输出端子203。晶体管M1和M2例如通过P型晶体管实现，晶体管M1连接在输入端子201和输出端子203之间，晶体管M2连接在输入端子202和输出端子203之间，切换模块210与晶体管M1和M2的栅极连接，用于根据输入端子201的输入电压Vin1和输入端子202的输入电压Vin2之间的电压差控制晶体管M1和M2之一导通。
具体的，切换模块210包括齐纳二极管Dz、电阻R1、以及晶体管M3和M4。其中，齐纳二极管Dz的阴极与所述输出端子203连接，阳极与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端接地。晶体管M3和M4例如通过P型晶体管实现，晶体管M3的栅极与齐纳二极管Dz和电阻R1的中间节点连接，晶体管M3的源极与晶体管M1的栅极连接，晶体管M3的漏极与输入电压Vin2连接。晶体管M4的栅极与齐纳二极管Dz和电阻R1的中间节点连接，晶体管M4的源极与晶体管M2的栅极连接，晶体管M4的漏极与输入电压Vin1连接。
本实施例的电压切换电路200的工作原理为：当输入电压Vin1大于输入电压Vin2时，晶体管M1的衬底二极管D1导通，晶体管M2的衬底二极管D2截止，此时输出端子203的电压Vin_h＝Vin1－VD1，其中VD1为衬底二极管D1的管压降。另外，晶体管M3和M4的栅极电压V_G3(G4)＝Vin_h-Vz，其中Vz为齐纳二极管Dz的齐纳电压，由于晶体管M3和M4的栅极电压低于电压Vin_h一个齐纳电压，因此晶体管M3和M4始终处于导通状态，晶体管M3将输入电压Vin2传输至晶体管M1的栅极，晶体管M4将输入电压Vin1传输至晶体管M2的栅极，即此时晶体管M1的栅极电压V_G1＝Vin2，晶体管M2的栅极电压V_G2＝Vin1，又因为晶体管M1的源极电压V_S1＝Vin_h＝Vin1-VD，因此当Vin_h－Vin2≈Vin1－Vin2>Vth_M1时，其中Vth_M1为晶体管M1的导通阈值，晶体管M1沟道导通，最终输出端子203的电压Vin_h＝Vin1，此时晶体管M2的栅源电压Vgs＝0，所以晶体管M2处于截止状态。
同理，当输入电压Vin2大于输入电压Vin1时，晶体管M2的衬底二极管D2导通，晶体管M1的衬底二极管D1截止，此时输出端子203的电压Vin_h＝Vin2－VD2，其中VD2为衬底二极管D2的管压降。同样的，晶体管M3和M4的栅极电压V_G3(G4)＝Vin_h－Vz，其中Vz为齐纳二极管Dz的齐纳电压，由于晶体管M3和M4的栅极电压低于电压Vin_h一个齐纳电压，因此晶体管M3和M4始终处于导通状态，晶体管M3将输入电压Vin2传输至晶体管M1的栅极，晶体管M4将输入电压Vin1传输至晶体管M2的栅极，即此时晶体管M1的栅极电压V_G1＝Vin2，晶体管M2的栅极电压V_G2＝Vin1，又因为晶体管M2的源极电压V_S2＝Vin_h＝Vin2－VD，因此当Vin_h－Vin1≈Vin2－Vin1>Vth_M2时，其中Vth_M2为晶体管M2的导通阈值，晶体管M2沟道导通，最终输出端子203的电压Vin_h＝Vin2，此时晶体管M1的栅源电压Vgs＝0，所以晶体管M1处于截止状态。
由上述可知，本发明的电压切换电路200通过栅极相互控制的方式，可实现在输入电压Vin1和Vin2之间的压差大于晶体管的导通阈值时自动开启对应的晶体管，通过晶体管的沟道导通去掉了二极管的电压损耗，便于降低芯片的工作电压和***的整体功率，因此也不会出现二极管正偏引起的闩锁效应。
此外，本发明实施例中的晶体管M3和M4还可作为钳位晶体管，可以在输入电压Vin1和Vin2之间的压差过大时，将晶体管M1和M2的栅源电压钳位在安全电压范围内(例如5V，大多数高压晶体管的栅极耐压都不超过5V)，避免了晶体管M1和M2的损坏。以晶体管M3的钳位为例，由于晶体管M3为P型晶体管，且晶体管M3始终处于导通状态，因此晶体管M3的源极电压不能低于栅极电压，而晶体管M3的栅极电压V_G3＝Vin_h－Vz＝Vin1－VD1－Vz，所以当输入电压Vin1－Vin2>>5V时，晶体管M3的源极电压(即晶体管M1的栅极电压)会变为Vin1－VD1－Vz+Vth_M3，其中Vth_M3为晶体管M3的阈值电压，从而可以将晶体管M1的栅源电压钳位在安全范围的5V以内，避免晶体管M1的损坏。
继续参照图3，其中，无线充电接收电路320包含线圈及电容组成的LC双谐振电路、ASK调制电路、FSK解调电路和同步整流滤波电路。无线充电器发送的能量通过LC双谐振电路进行接收，经过同步整流滤波电路转换为直流电供无线充电接收模块工作。ASK调制电路用于无线充电接收端发送数据到无线充电器。FSK解调电路用于接收无线充电器发送到无线充电接收端的数据。
其中，电池充电管理电路330对电池进行涓流、恒流及恒压充电，同时实时监测电池的电压、电流和温度，防止过度的充放电或过温对电池造成损伤。
需要说明的是，本发明中的无线充电接收电路320和电池充电管理电路330为本领域的常见电路，在此不做详细描述。
综上所述，本发明的电压切换电路通过两个晶体管的栅极相互控制的方式，可实现在输入端子的电压之间的压差大于晶体管的导通阈值时自动开启对应的晶体管，通过晶体管的沟道导通去掉了二极管的电压损耗，便于降低芯片的工作电压和***的整体功率，因此也不会出现二极管正偏引起的闩锁效应。
此外，本发明的电压切换电路中还包括钳位晶体管，可以在输入端子的电压之间的压差过大时，将晶体管的栅源电压钳位在安全电压范围内，避免了晶体管的损坏。
在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
依照本发明的实施例如上文，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。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种电压切换电路，用于将施加到第一输入端子和第二输入端子的电压选择性地传输到输出端子，包括：
第一晶体管，连接在所述第一输入端子和所述输出端子之间；
第二晶体管，连接在所述第二输入端子和所述输出端子之间；以及
切换模块，与所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极连接，用于根据所述第一输入端子的第一输入电压和所述第二输入端子的第二输入电压之间的电压差控制所述第一晶体管和所述第二晶体管之一导通。
2.根据权利要求1所述的电压切换电路，其中，当所述第一输入电压大于所述第二输入电压，且二者的电压差大于所述第一晶体管的导通阈值时，所述第一晶体管导通；
当所述第二输入电压大于所述第一输入电压，且二者的电压差大于所述第二晶体管的导通阈值时，所述第二晶体管导通。
3.根据权利要求2所述的电压切换电路，其中，所述切换模块包括：
一齐纳二极管和电阻，所述齐纳二极管的阴极与所述输出端子连接，阳极与所述电阻的第一端连接，所述电阻的第二端接地；
第三晶体管，栅极与所述齐纳二极管和所述电阻的中间节点连接，漏极与所述第二输入电压连接，源极与所述第一晶体管的栅极连接；以及
第四晶体管，栅极与所述齐纳二极管和所述电阻的中间节点连接，漏极与所述第一输入电压连接，源极与所述第二晶体管的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的电压切换电路，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管为钳位晶体管，可分别将所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅源电压钳位于安全电压范围内。
5.根据权利要求4所述的电压切换电路，其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管始终处于导通状态。
6.根据权利要求3所述的电压切换电路，其中，该第一至第四晶体管分别由P型晶体管实现。
7.一种电源***，用于向电池充电，包括：
权利要求1-6任一项所述的电压切换电路，可用于接收电源适配器提供的第一输入电压；
无线充电接收电路，通过接收无线充电器发射的能量，为所述电压切换电路提供第二输入电压，所述电压切换电路选择性地将所述第一输入电压或所述第二输入电压传递到输出端子；以及
电池充电管理电路，用于根据所述电压切换电路的输出端子的电压对所述电池进行充电管理。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117811371A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 杰华特微电子股份有限公司 | 最大输入电压选择输出电路、方法及应用其的芯片 |
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2022
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| CN117811371B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-06-25 | 杰华特微电子股份有限公司 | 最大输入电压选择输出电路、方法及应用其的芯片 |
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