负载开关电路及其控制方法与流程

本申请属于电气控制领域，尤其涉及一种负载开关电路及其控制方法。

背景技术：

负载开关电路在汽车电子及燃气热水器等高压设备里有着广泛的应用。在驱动比较大的电感型负载时，在开关关断后，需要面对电感续流的问题。图1所示为一种现有的利用开关外电路结构实现电感续流的电路示意图。在功率晶体管断开以后，电感中会持续有电流流过，输出节点处的电位会被拉低到非常大的负电位，导致功率晶体管被击穿。因此，可以在开关的外部负载电感旁边增加一个阳极耦合到地电位的续流二极管d，用来防止输出节点电位被严重下拉的情况。但是，由于续流二极管正向导通时其上的压降只有约0.7v，对于负载电感来说起到的放电速度比较慢。

图2所示为现有的利用负载开关内部电路结构实现电感续流的电路示意图，该电路提供了一种在负载开关电路内部对输出电压进行钳位的机制。但是如图所示，对负载开关电路的输出电压进行钳位是通过一个或多个串联的二极管实现的。因此，这种机制中对钳位电压进行调整的最小单位就是单个二极管的击穿电压，例如5v。

技术实现要素：

针对上述问题，本申请提供了一种负载开关电路，包括功率晶体管(mn3)，其中所述功率晶体管的第一极配置为接收电源电压，其第二极即为所述负载开关电路的输出端并与外部电感负载耦合；钳位模块，至少包括彼此耦合的钳位单元和驱动单元；所述钳位单元，包括电压-电流转换器和第一电阻(r4)，所述第一电阻(r4)耦合在所述电压-电流转换器的输出端和所述功率晶体管(mn3)的第二极之间，所述电压-电流转换器的正输入端配置为接收电源电压，负输入端耦合到所述功率晶体管(mn3)的第二极；其中，所述电压-电流转换器输出的电流在所述第一电阻(r4)上产生参考压降；所述驱动单元的输出端耦合到所述功率晶体管(mn3)的控制极；其中，当电源电压与所述功率晶体管(mn3)输出的电压之差大于等于预设钳位阈值时，所述钳位单元配置为输出有效驱动控制信号给所述驱动单元，所述驱动单元进而输出有效的驱动信号使所述功率晶体管导通；所述预设钳位阈值为所述参考压降与所述第一晶体管的阈值电压之和。

特别的，所述驱动单元包括第一晶体管(mp4)，所述第一晶体管的控制极耦合到所述属电压-电流转换器的输出端，其第二极耦合到所述功率晶体管(mn3)的控制极，其第一极配置为接收电源电压；其中在所述第一晶体管(mp4)的第二极和所述功率晶体管(mn3)的第二极之间设有第一电阻性支路，并且所述第一晶体管(mp4)与所述功率晶体管(mn3)类型互补。

特别的，所钳位模块还包括触发单元，配置为接收所述功率晶体管(mn3)的输出电压，并且在所述输出电压低于地电位的时候，将电源电压提供给所述钳位单元。

特别的，所述钳位单元还包括第一二极管(zd3)，以及第二晶体管(mp2)；其中所述第一二极管(zd3)的阴极配置为接收电源电压，阳极耦合到所述第二晶体管(mp2)的控制极，所述第二晶体管(mp2)的第一极配置为接收耦合到所述功率晶体管的第二极输出电压，其所述第二晶体管(mp2)的第二极耦合到所述电压-电流转换器的负输入端；所述电压-电流转换器的正输入端配置为接收电源电压；其中，在所述第二晶体管(mp2)的控制极和所述功率晶体管(mn3)的第二极之间设置有第二电阻性支路并且所述第二晶体管(mp2)与所述第一晶体管(mp4)类型相同。

特别的，所述钳位单元还第二电阻性支路包括第二电阻(r3)，其耦合在所述第二晶体管(mp2)控制极和所述功率晶体管(mn3)的第二极之间。

特别的，所述钳位单元还包括第三晶体管(mp3)，其控制极耦合到所述第二晶体管(mp2)的控制极，其第一极通过所述第一电阻(r4)耦合到所述功率晶体管(mn3)的第二极，其第二极耦合到所述电压-电流转换器的输出端；其中所述第三晶体管(mp3)与所述第二晶体管(mp2)的类型相同。

特别的，所述触发单元包括第四晶体管(mn2)、第五晶体管(mn1)和第六晶体管(mp1)；其中所述第四晶体管(mn2)控制极配置接收钳位控制信号，其第一极耦合到所述第五晶体管(mn1)控制极，其第二极配置为接收地电位；所述第五晶体管(mn1)第一极耦合到所述第六晶体管(mp1)控制极，其第二极耦合到所述功率晶体管(mn3)的第二极，其中在所述第五晶体管(mn1)与所述功率晶体管(mn3)的第二极之间设置有第三电阻性支路；以及所述第六晶体管(mp1)第一极耦合到所述钳位单元电压-电流转换器的正输入端，第二极配置为接收电源电压。

特别的，所述触发单元还包括第二二极管(zd1)，其阴极配置为接收电源电压，其阳极耦合到所述第六晶体管(mp1)的控制极。

特别的，所述触发单元还包括第三电阻(r1)，其耦合在所述第六晶体管(mp1)的控制极和第二极之间。

特别的，所述触发单元还包括第三二极管(zd2)，其阴耦合到所述第五晶体管(mn1)的控制极，其阳极耦合到所述第五晶体管(mn1)的第二极。

特别的，所述触发单元还第三电阻性支路包括第四电阻(r2),其耦合在所述第五晶体管的第二极和所述功率晶体管的第二极之间。

特别的，所述驱动单元还第一电阻性支路包括第五电阻(r5)，其耦合在所述功率晶体管(mn3)的控制极和第二极之间。

本申请还提供了一种电子设备，包括如前任一所述的开关电路

本申请还提供了一种开关电路的控制方法，包括设置所述开关电路内部的电压-电流转换器的等效电阻以产生参考电流；至少基于所述参考电流在参考电阻上产生的参考电压生成预设钳位阈值；以及当电源电压与所述开关电路的输出电压之差大于等于所述预设钳位阈值时，使所述开关电路内部的与所述负载耦合的功率晶体管导通，从而为所述电感负载续流。

特别的，所述方法还包括当所述开关电路的输出电压低于地电平时，将电源电压提供给所述电压-电流转换器。

本申请所提供的负载开关电路提供了位于开关电路内部的钳位模块，通过对开关电路中功率晶体管的复用实现了对电感负载的续流。同时，由于利用了电压-电流转换器在参考电阻上产生参考电压，用来组成钳位阈值，实现了对钳位阈值进行零活调整的可能性。另外，本申请中还提供了当开关电路的输出电压低于地电平时自动触发钳位功能的机制，从而使钳位模块在输出电压没有被拉到负值时处在断电状态，降低了电路的整体功耗。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1所示为一种现有的利用开关外电路结构实现电感续流的电路示意图；

图2所示为现有的利用负载开关内部电路结构实现电感续流的电路示意图；

图3所示为根据本申请一个实施例的负载开关模块示意图；

图4所示为根据本申请一个实施例的负载开关的局部模块示意图；

图5所示为根据本申请一个实施例的负载开关的局部电路示意图；以及

图6所示为根据本申请一个实施例的负载开关工作时序图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本申请一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本申请的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本申请的所有实施例。可以理解，在不偏离本申请的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本申请的范围由所附的权利要求所限定。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本申请中的晶体管可以时nmos或pmos晶体管，可以包括控制极、第一极(漏或者源极)及第二极(源或者漏极)。本申请实施例中晶体管的漏极和源极可以根据晶体管类型或者说偏置状态的不同而变化。

以下将高电平作为有效电平，低电平作为失效电平进行介绍。当然，利用类型互补的晶体管实现替换本文中实施例所形成的电路也属于本申请的保护范围。

本申请提供了一种在负载开关电路，其中对输出电压进行钳位的部分位于开关电路内部，并且可以实现对钳位电压的灵活改变/调整。

图3所示为根据本申请一个实施例的负载开关的模块示意图。如图所示，负载开关30可以包括开关控制模块301，配置为接收控制开关状态的输入信号in，并至少基于输入信号in控制功率晶体管303的开启或关闭；功率开关30还可以包括输出钳位模块302，配置为接收功率晶体管303的输出信号vout，并在vout达到预设钳位阈值时启动钳位功能，限制功率晶体管303的漏源电压差，从而使得功率晶体管303的输出信号vout不会继续被下拉到导致功率晶体管303击穿的水平；负载开关30还可以包括功率晶体管303，配置为实现功率开关的功能。

图4所示为根据本申请一个实施例的负载开关的局部模块示意图。如图所示，钳位模块302可以包括触发单元3021，钳位单元3022，以及驱动单元3023。其中，触发单元3021配置为接收功率晶体管303的输出电压vout,并且在vout变为负值时被触发启动，并将其所接收到的电源电压vs提供给钳位单元3021。钳位单元3021在vout被下拉达到预设阈值时，输出驱动控制信号给驱动模块3023。驱动模块3023在驱动控制信号的作用下输出钳位信号，使得功率晶体管303导通，协助负载电感l释放电流，并且将输出电压钳位在一个固定的电位。随着负载电感中电流逐渐释放完毕，输出电压vout会回到地电平。

图5所示为根据本申请一个实施例的负载开关的局部电路示意图。如图所示，该负载开关可以包括例如n型功率晶体管mn3。图5中没有示出开关控制模块，重点介绍钳位模块。本领域技术人员知晓的是，如下介绍的电路仅仅是一个实施例，本申请所保护的范围并不仅限于该实施例。本领域技术人员同样知晓的是，仅仅以互补的方式变换mos晶体管的类型而得到的电路仍然在本申请所保护的范围内。

根据一个实施例，触发单元3021可以包括例如n型晶体管mn1，以及n型晶体管mn2。mn2的栅极配置为接收钳位模块控制信号en_vds_clamp。这个信号只有在功率晶体管303处在关闭或者非工作状态时才会有效，当en_vds_clamp有效时启动整个钳位模块。

根据一个实施例，mn2的漏极耦合到晶体管mn1的栅极，其源极配置为接收地电位。晶体管mn1的源极耦合到功率晶体管303的源极，配置为接收功率开关的输出电压vout。根据一个实施例，触发单元3021还可以包括耦合在晶体管mn1的源极和功率晶体管输出端之间的电阻r2，为了防止在晶体管mn1上产生过大的栅源电压烧毁晶体管。当然也可以利用其他的结构形成这个电阻性的支路。

根据一个实施例，触发单元3021还可以包括p型晶体管mp1，其源极配置为接收电源电压vs，其漏极耦合到钳位单元3022，用于给钳位单元提供电源电压vs_int。根据一个实施例，触发单元3021还可包括齐纳二极管zd1，其阳极耦合到晶体管mp1的栅极，其阴极耦合到晶体管mp1的源极。触发单元3021还可以包括zd1并联的电阻r1。

根据一个实施例，当en_vds_clamp为例如高电平的时候，晶体管mn2导通，钳位模块被启动，晶体管mn1的栅极配置为通过导通的晶体管mn2接收地电平。因此，当负载开关关闭后，电感负载将输出电压vout下拉到负电压的时候，晶体管mn1导通。导通的晶体管mn1可以将电压vout提供到晶体管mp1的栅极。在这种情况下，晶体管mp1栅极电位低于其源极电位vs，因此晶体管mp1导通。电源电压被作为vs_int被提供给钳位单元3022。

根据一个实施例，齐纳二极管zd1的反向击穿电压可以是例如5v，当vout与vs之间的电压差大于等于5v的时候齐纳二极管zd1可以被击穿形成导电通路，从而形成对晶体管mp1的保护。r1的作用是确保在mp1处在关闭状态时可以把mp1关闭的比较彻底。

基于上述触发单元3021的结构和工作模式，在负载开关的输出没有低于地电平的情况下，钳位单元3022是无法接收到电源电压的，因此这样的方案降低了整个钳位模块的功耗。当然在不顾忌功耗的情况下，根据其他的实施例，触发单元也可以是仅仅用于接收钳位模块控制信号，并且无论当负载开关电路的输出电压vout值为何，钳位单元始终都是耦合到电源电压的。

根据一个实施例，钳位单元3022可以包括电压-电流转换器v-i，p型晶体管mp2，齐纳二极管zd3和电阻r3。齐纳二极管zd3的阴极配置为接收vs_int(vs_int＝vs)，其阳极耦合到晶体管mp2的栅极。电阻r3耦合在晶体管mp2的栅极和负载开关电路输出端之间。晶体管mp2的漏极也耦合到负载开关电路的输出端用于接收vout。电压-电流转换器v-i的正输入端和一个控制端都配置为接收vs_int，负输入端和另一个控制端都耦合到晶体管mp2的源极。

根据一个实施例，钳位单元3022还可以包括p型晶体管mp3以及电阻r4。晶体管mp3的栅极耦合到晶体管mp2的栅极，源极耦合到电压-电流转换器v-i的输出端。电阻r4耦合在晶体管mp3的漏极和负载开关电路输出端之间。

根据一个实施例，齐纳二极管zd3的击穿电压可以为5v。当vs_int-vout-vr3大于等于5v的时候，齐纳二极管zd3被击穿，晶体管mp2的栅极电压为vs_int-5v，晶体管mp2的源极电压为vs_int-5v+vsg，其中vsg为晶体管mp2的源栅电压。

根据一个实施例，电压-电流转换器v-i正输入端和负输入端之间的电压之差可以为5v-vsg，电压-电流转换器v-i进行转换的等效电阻可以为rx。因此，在电压-电流转换器v-i输出端输出的电流i1可以表示为(5v-vsg)/rx。用户可以根据需要调整rx的值，从而调整钳位效果，也就是允许的vout被下拉到的最低电压值。

一般来说电压-电流转换器内的器件都是低压器件，所以对于输入端的电压差一般不超过5v。由于vs和vs_int是非常高的电压例如40v，因此电压-电流转换器v-i不能直接接地，以防烧毁其中的电压器件。在本实施例中，通过设置齐纳二极管zd3，有效的将电压-电流转换器的输入信号之差调整到了5v以内。另外，晶体管mp2的源漏耐压远高于电压-电流转换器v-i内部的电压器件，因此mp2为电压-电流转换器v-i提供了一个适当的接地通路。

zd3，r3以及晶体管mp2的设置都是为了能够将电源电压这个高压信号能够转换为电压-电流转换器能够接受的工作电压水平。也可以采用其他的结构来代替r3来实现电阻性的支路。根据不同的实施例，利用其他结构实现对电压-电流转换器输入电压调整这个功能的电路同样属于本申请的保护范围之内。

根据一个实施例，当晶体管mp3的源栅电压大于等于其阈值电压时，mp3导通，导通的时候其源漏电压基本相等，电流i1会流经电阻r4并在其上产生压降vds_ref。因此在晶体管mp3源极和漏极的电压均可以视为vds_ref+vout，其中vds_ref＝(5v-vsg)*r4/rx。晶体管mp3的源极电压vds_ref+vout就是输出给驱动单元3023的驱动控制信号。

根据一个实施例，驱动单元3023可以包括p型晶体管mp4和电阻r5。晶体管mp4的源极可以配置为接收vs_int,其栅极耦合到晶体管mp3的源极。电阻r5耦合在晶体管mp4的漏极和负载开关输出端之间。当晶体管mp4的源栅电压(vs_int)-(vds_ref)-vout大于等于mp4的阈值电压vth时，晶体管mp4导通。

根据一个实施例，当vout下降,使得vds_clamp＝vs_int-vout的电压超过vds_ref+vth时，晶体管mp4导通并将电源电压vs_int提供到例如n型功率晶体管mn3的栅极。在这种情况下功率晶体管mn3导通，有电流流经功率晶体管mn3和电感负载，从而协助电感泄放电流。根据一个实施例，r4的取值可以是10⁴-10⁶欧姆的数量级。rx的取值可以根据希望达到的vds_clamp推算获得。

根据一个实施例，晶体管mp4通过电阻r5耦合到开关的输出端。当然也可以采用其他方式来代替r5形成电阻性支路。

当电感电流泄放完毕，vout会被拉升到0v，晶体管mn1会因此关闭，晶体管mp1也会因此关闭，钳位单元3022就不会收到电源电压vs，因此处在无功耗状态。

由于在负载电感泄放电流的阶段，功率晶体管mn3并不会像在工作状态时那样完全打开，而只是根据需要泄放的电流的大小设定一个相应的栅源电压，从而vout并不会拉高到vs_int。因此，不会与mn3正常的工作状态发生混肴。同时，由于对功率晶体管mn3的复用，提供了一个负载开关内部的钳位机制，避免了外部设置钳位二极管浪费电路面积以及无法动态调节钳位阈值的问题。

本申请提供了一种利用负载开关内部结构实现对外部电感负载续流的方案。在该方案中由于采用了电压-电流转换器产生参考电流进而在参考电阻上产生参考电压，从而构成钳位阈值，通过对功率晶体管进行复用，实现了对电感负载的电流的泄放。基于这个方案，用户可以根据实际需要泄放的电流灵活的调整钳位阈值，从而实现对泄放的精准控制。

图6所示为根据本申请一个实施例的开关电路工作时序示意图。如图所示，当负载开关电路处在关闭状态时，输出电压vout会被下拉到负值，但是下拉的幅度会被限制在vds_clamp。因此不会因为开关电路的vout向下拉至过于负的电位而导致功率晶体管被击穿。

根据一个实施例，本申请还提供了一种开关电路的控制方法，包括设置所述开关电路内部的电压-电流转换器的等效电阻以产生参考电流；至少基于所述参考电流在参考电阻上产生的参考电压生成预设钳位阈值；以及当电源电压与所述开关电路的输出电压之差大于等于所述预设钳位阈值时，使所述开关电路内部的与所述负载耦合的功率晶体管导通，从而为所述电感负载续流。

根据一个实施例，该方法还可以包括当所述开关电路的输出电压低于地电平时，将电源电压提供给所述电压-电流转换器。

因此，虽然参照特定的示例来描述了本申请，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本申请进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。