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CN103001612A - 负载开关、用于对负载进行开关的方法和负载开关系统 - Google Patents

负载开关、用于对负载进行开关的方法和负载开关系统 Download PDF

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CN103001612A CN2012102351588A CN201210235158A CN103001612A CN 103001612 A CN103001612 A CN 103001612A CN 2012102351588 A CN2012102351588 A CN 2012102351588A CN 201210235158 A CN201210235158 A CN 201210235158A CN 103001612 A CN103001612 A CN 103001612A
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Abstract

提供一种负载开关、用于对负载进行开关的方法和负载开关系统。该负载开关可以包括输入端口，其连接到电压源；输出端口，其连接到所述负载；TRCB电路，其连接到所述输入端口和所述输出端口；以及开关控制端口，其连接到所述TRCB电路。所述TRCB电路可被配置成响应于施加到所述开关控制端口的开关闭合信号而将所述输入端口连接到输出端口，并且所述TRCB电路被配置成响应于施加到所述开关控制端口的开关断开信号而将所述输入端口与所述输出端口断开。所述TRCB电路可进一步被配置成响应于所述开关断开信号和所述开关闭合信号两者而阻断从所述输出端口流向所述输入端口的电流。

Description

负载开关、用于对负载进行开关的方法和负载开关系统
技术领域
本发明涉及一种负载开关，具体地说，涉及一种具有真反向电流阻断、增加的电流容量以及减小的通态电阻的负载开关，用于对负载进行开关的方法和负载开关系统。
背景技术
负载开关通常将电源与一待供电的装置(负载)链接起来，并且基于开关信号提供开关控制，以便将负载与电源连接或断开。可由负载开关控制的示例性负载包括便携装置，比如，电话、数码相机、媒体播放器、全球定位系统(GPS)接收器和便携式游戏。然而，负载开关可能针对从负载返回到电源的反向电流仅提供有限的保护或甚至不提供保护，这会破坏灵敏和/或贵重的元件。当开关处于闭合状态或断开状态时，缺乏反向电流保护是特别常见的。
发明内容
总体来说，本发明提供一种负载开关，其具有真反向电流阻断(TRCB)、增加的电流容量和减小的通态电阻，从而导致能量泄漏减少，这对于电池驱动和热插拔应用可能是特别有利的。负载开关将系统和负载与DC电源连接和断开，并且以反向电流阻断的形式提供保护，所述反向电流阻断无论开关的状态为断开还是闭合(即，接通或关断)，都能阻止电流从负载VOUT回流到开关的输入端VIN。这种类型的无论开关是接通还是关断都提供保护的反向电流阻断，也被称为TRCB。
因此，本发明提供用于利用TRCB能力对负载进行开关的装置、系统和方法。根据一个方面，提供一种负载开关。负载开关可以包括连接到电压源的输入端口。该实施例的负载开关也可以包括连接到负载的输出端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到输入端口和输出端口的TRCB电路。该示例的负载开关可以进一步包括连接到TRCB电路的开关控制端口，并且TRCB电路被配置成响应于施加到开关控制端口的开关闭合信号而将输入端口连接到输出端口，并且TRCB电路被配置成响应于施加到开关控制端口的开关断开信号而将输出端口与输入端口断开，并且TRCB电路进一步被配置成响应于同时的开关断开信号和开关闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
根据另一方面，提供一种方法。该方法可以包括将负载开关的输入端口连接到电压源。该示例的方法也可以包括将负载开关的输出端口连接到负载。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路连接到输入端口和输出端口。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关闭合信号而将输入端口连接到输出端口。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关断开信号而将输入端口与输出端口断开。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关断开信号和开关闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
根据另一方面，提供一种系统。该系统可以包括电压源。该示例的系统也可以包括负载，其配置成接收功率。该示例的系统可以进一步包括负载开关，其配置成基于开关控制信号而选择性地将电压源连接到负载。该示例的负载开关可以进一步包括连接到电压源的输入端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到负载的输出端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到输入端口和输出端口的TRCB电路，并且TRCB电路被配置成响应于表示闭合信号的开关控制信号而将输入端口连接到输出端口，并且TRCB电路被配置成响应于表示断开信号的开关控制信号而将输入端口与输出端口断开，并且TRCB电路被进一步配置成响应于断开信号和闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
附图说明
所要求保护的主题的特征和优点将从以下与之相符的实施例的具体描述中变得显而易见，对实施例的描述应当参照附图来考虑，在附图中：
图1示出了根据本发明各个实施例的顶层框图；
图2示出了根据本发明各个实施例的电路框图；
图3示出了根据本发明各个实施例的电路框图；
图4示出了根据本发明各个实施例的时序图；
图5示出了根据本发明另一示例性实施例的操作的流程图。
尽管下列具体实施方式中将参照说明性的实施例来进行阐述，但是该实施例的许多替代、变更以及变型对于那些本领域技术人员来说将变得显而易见。
具体实施方式
总体来说，本发明提供一种负载开关，其具有真反向电流阻断(TRCB)、增加的电流容量和减少的通态电阻，从而导致能量泄漏减少，这对于电池驱动和热插拔应用可能是特别有利的。负载开关将系统和负载与DC电源连接和断开，并且以反向电流阻断的形式提供保护，所述反向电流阻断无论开关处于断开状态或者闭合状态(即，接通或关断)，都能阻止电流从负载VOUT回流到开关的输入端VIN。这种类型的无论开关是接通还是关断都提供保护的反向电流阻断，也被称为TRCB。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的顶层系统框图100。所示的是提供TRCB能力的负载开关102，将在下面进行更加详细的描述。负载开关102连接到电压源120，在一些实施例中，电压源120可以是电池，向负载开关102上的输入端口或管脚提供输入电压VIN 104。该负载开关也被连接到负载130，可以通过提供输出电压VOUT 110的输出端口或管脚来向负载130供电。负载开关102在可以致使负载开关102断开或闭合的开关控制信号108的控制之下操作。
图2示出了根据本发明各个实施例的电路框图200。电路框图200示出了在电路应用中具有TRCB的负载开关102。负载开关102在开关控制信号(ON管脚)108的控制之下，将输入电压VIN104转接到输出电压VOUT110。输入电路具有相关联的输入电容CIN 202并且输出负载具有相关联的输出负载电容COUT206。负载开关102也具有接地连接204。在一些实施例中，输入电压VIN 104标称范围可以为DC 1.5-5.5伏特。开关控制信号108可以是低电压控制信号或者例如符合JESD76标准的通用输入/输出(GPIO)信号。输出负载电容COUT的上限范围可以达到200μF的标称值。
图3示出了根据本发明各个实施例的电路框图300。电路框图300更加详细的示出了负载开关102。包括输入电压VIN 104，输出电压VOUT 110，开关控制信号108和地204在内的外部连接都被示出。输入电压VIN 104通过具有TCRB电路308的低阻抗金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关被传递到输出电压VOUT 110。在一些实施例中，MOSFET开关的阻抗可以是在大约20-75mΩ的范围内，其在本领域术语中可以被称为“超低”阻抗。在一些优选的实施例中，该阻抗可以低于25mΩ。该低MOSFET阻抗可以提供减小的通态电阻，从而使得电流容量增加。在一些实施例中，TCRB电路308可以被配置成当VOUT110超过VIN 104时将负载与电压源断开。TCRB电路308也可以包括滞后逻辑以防止导致不期望的开关事件或反向电流阻断的错误触发，错误触发产生于信号噪声，例如输入电压中的毛刺或电源轨抖动。
输入缓冲器304可以被配置成与低电压控制信号和GPIO信号接口连接以便接收开关控制信号108，开关控制信号108在一些实施例中可以低至1.5伏特。
电阻器RON 314取消了在开关控制信号108处对于外部下拉或上拉电阻的需要并且控制在ON管脚处的泄漏电流。齐纳二极管312为负载开关102提供静电放电(ESD)保护。基于开关控制信号108的状态，输入缓冲器模块304产生减小的噪声信号，该噪声信号被提供给偏置电路模块316作为参考电流和电压。几乎同时地，输入缓冲器304控制由于在VIN 104和开关控制信号108之间的电压差而产生的工作电流的变化。对于这种情况，其中VIN＝5.5V和VON＝1.5V，电流消耗可以低于1μA。转换速率驱动器模块306提供选通信号给TRCB308中的MOSFET并且调节MOSFET的导通速度以便减小在负载开关102输出端处的浪涌电流以及在输入电源轨上产生的任何电压降。TRCB模块308监控VIN和VOUT。如果VOUT比VIN高出36mV以上，同时VIN基本上等于3.3V，那么负载开关102将被截止并且负载将与电压源断开。如果TRCB模块308随后检测到VOUT比VIN低出16mV以上，同时VIN基本上等于3.3V，那么负载开关102重新连接到电压源。在一些实施例中，当负载开关102截止时，输入缓冲器模块304也控制输出放电开关310以便使输出电压VOUT 110放电到地204。
图4示出了根据本发明各个实施例的时序图400。信号VON 402在时刻406导通，随后在稍后的时刻408，VOUT 404上电。类似地，信号VON 402在时刻410截止，随后在稍后的时刻412，VOUT 404断电。在一些实施例中，信号VON402的导通和截止时刻可以位于高电压信号和低电压信号之间的中点。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的操作500的流程图。在操作510，将负载开关输入端口连接到电压源。在操作520，将负载开关的输出端口连接到负载。在操作530，将TRCB电路连接到负载开关的输入端口和输出端口。在操作540，将TRCB电路配置成响应于开关闭合信号而将输入端口连接到输出端口。在操作550，将TRCB电路配置成响应于开关断开信号而将输入端口与输出端口断开。在操作560，将TRCB电路配置成响应于开关断开信号和开关闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
因此，本发明提供用于利用TRCB能力对负载进行开关的装置、系统和方法。根据一个方面，提供一种负载开关。负载开关可以包括连接到电压源的输入端口。该实施例的负载开关也可以包括连接到负载的输出端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到输入端口和输出端口的TRCB电路。该示例的负载开关可以进一步包括连接到TRCB电路的开关控制端口，并且TRCB电路被配置成响应于施加到开关控制端口的开关闭合信号而将输入端口连接到输出端口，并且TRCB电路被配置成响应于施加到开关控制端口的开关断开信号而将输出端口与输入端口断开，并且TRCB电路进一步被配置成响应于同时的开关断开信号和开关闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
根据另一方面，提供一种方法。该方法可以包括将负载开关的输入端口连接到电压源。该示例的方法也可以包括将负载开关的输出端口连接到负载。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路连接到输入端口和输出端口。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关闭合信号而将输入端口连接到输出端口。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关断开信号而将输入端口与输出端口断开。该示例的方法可以进一步包括将TRCB电路配置为响应于开关断开信号和开关闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
根据另一方面，提供一种系统。该系统可以包括电压源。该示例的系统也可以包括负载，其配置成接收功率。该示例的系统可以进一步包括负载开关，其配置成基于开关控制信号而选择性地将电压源连接到负载。该示例的负载开关可以进一步包括连接到电压源的输入端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到负载的输出端口。该示例的负载开关可以进一步包括连接到输入端口和输出端口的TRCB电路，并且TRCB电路被配置成响应于表示闭合信号的开关控制信号而将输入端口连接到输出端口，并且TRCB电路被配置成响应于表示断开信号的开关控制信号而将输入端口与输出端口断开，并且TRCB电路被进一步配置成响应于断开信号和闭合信号两者而阻断从输出端口流向输入端口的电流。
如这里所使用的那样，术语“标称”的使用在指代量时，含义为规定量或理论量，其可能与实际量不同。
这里所描述的方法的实施例可以在系统中实现，该系统包括以独立或组合的方式存储有指令的一个或多个存储介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时实现这些方法。这里，处理器可以包括例如系统CPU(例如，核心处理器)和/或可编程电路。因而，根据这里所描述的方法的操作旨在可以分布在多个物理装置上，比如在几个不同的物理位置上的处理结构。而且，该方法操作旨在可以以独立或者子组合的方式实现，正如本领域技术人员所理解的那样。因此，并非每一流程图的所有的操作都需要被执行，并且本发明明确指出这些操作的所有子组合也能实现，正如本领域技术人员所理解的那样。
存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)，可擦写压缩光盘(CD-RW)，数字多用光盘(DVD)和磁光盘)，半导体装置(比如只读存储器(ROM)，诸如动态和静态的RAM之类的随机存取存储器(RAM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁卡或光卡)，或者适合于存储电子指令的任一类型的介质。
术语“开关”可以用MOSFET开关(例如，单独的NMOS和PMOS元件)，BJT开关和/或其他本领域已知的开关电路实现。另外，在这里的任一实施例中所使用的“电路系统”或“电路”可以以单个或以任一组合的方式包括例如硬线电路、可编程电路、状态机电路，和/或包括在更大系统中的电路，例如，包括在集成电路中的元件。
这里所使用的术语和表述被用做描述而不是限制，并且在使用这些术语和表述时无意于排除所示和所描述特征(或其部分的)的任何等同物，并且应该认识到，各种变化可能包含在权利要求的范围内。因此，该权利要求旨在涵盖所有此类等同物。各种特征、方面、以及实施例在这里已经被描述，该特征、方面以及实施例可相互结合并且可变型和修改，正如本领域技术人员所能理解的那样。因此，本发明公开内容应该被认为包括了这些组合、变型和修改。

Claims (18)

1.一种负载开关，其特征在于，包括：
输入端口，其连接到电压源；
输出端口，其连接到负载；
真反向电流阻断(TRCB)电路，其连接到所述输入端口和所述输出端口；以及
开关控制端口，其连接到所述TRCB电路，其中所述TRCB电路被配置成响应于施加到所述开关控制端口的开关闭合信号而将所述输入端口连接到输出端口，并且所述TRCB电路被配置成响应于施加到所述开关控制端口的开关断开信号而将所述输入端口与所述输出端口断开，并且其中所述TRCB电路进一步被配置成响应于所述开关断开信号和所述开关闭合信号两者而阻断从所述输出端口流向所述输入端口的电流。
2.根据权利要求1所述的负载开关，其中所述TRCB电路进一步被配置成响应于在所述输出端口处检测到大于在所述输入端口的电压的电压而将所述输入端口与所述输出端口断开。
3.根据权利要求1所述的负载开关，进一步包括：连接在所述开关控制端口和地之间的齐纳二极管，所述齐纳二极管被配置成为所述负载开关提供静电放电保护。
4.根据权利要求1所述的负载开关，其中所述TRCB电路包括具有减小的阻抗的MOSFET，所述具有减小的阻抗的MOSFET被配置成增加负载开关的电流容量，其中所述减小的阻抗小于25mΩ。
5.根据权利要求1所述的负载开关，其中所述开关闭合信号是范围为1到2伏特的通用输入/输出(GPIO)信号。
6.根据权利要求1所述的负载开关，其中所述TRCB电路包括滞后逻辑，所述滞后逻辑被配置成减少响应于信号噪声而发生的开关事件。
7.根据权利要求1所述的负载开关，其中所述电压源是电池。
8.一种用于对负载进行开关的方法，其特征在于，包括：
将负载开关的输入端口连接到电压源；
将所述负载开关的输出端口连接到所述负载；
将真反向电流阻断(TRCB)电路连接到所述输入端口和所述输出端口；
将所述TRCB电路配置成响应于开关闭合信号而将所述输入端口连接到所述输出端口；
将所述TRCB电路配置成响应于开关断开信号而将所述输入端口与所述输出端口断开；以及
将所述TRCB电路配置成响应于所述开关断开信号和所述开关闭合信号两者而阻断从所述输出端口流向所述输入端口的电流。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述TRCB电路配置成响应于在所述输出端口处检测到大于在所述输入端口的电压的电压而将所述输入端口与所述输出端口断开。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将齐纳二极管连接在所述负载开关的开关控制端口与地之间，所述齐纳二极管被配置成为所述负载开关提供静电放电保护。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述TRCB电路配置成包括具有减小的阻抗的MOSFET，所述具有减小的阻抗的MOSFET被配置成增加负载开关电流容量，其中所述减小的阻抗小于25mΩ。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述开关闭合信号是范围为1到2伏特的通用输入/输出(GPIO)信号。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将所述TRCB电路配置成包括滞后逻辑，所述滞后被配置成减少响应于信号噪声而发生的开关事件。
14.一种负载开关系统，其特征在于，包括：
电压源；
负载，其被配置成接收功率；以及
负载开关，其被配置成基于开关控制信号选择性地将所述电压源连接到所述负载，所述负载开关包括：
输入端口，其连接到所述电压源；
输出端口，其连接到所述负载；以及
真反向电流阻断(TRCB)电路，其连接到所述输入端口和所述输出端口，其中所述TRCB电路被配置成响应于表示闭合信号的所述开关控制信号而将所述输入端口连接到所述输出端口，并且所述TRCB电路被配置成响应于表示断开信号的所述开关控制信号而将所述输入端口与所述输出端口断开，并且其中所述TRCB电路进一步被配置成响应于所述断开信号和所述闭合信号两者而阻断从所述输出端口流向所述输入端口的电流。
15.根据权利要求14所述的负载开关系统，其中所述TRCB电路进一步被配置成响应于在所述输出端口处检测到大于在所述输入端口的电压的电压而将所述输入端口与所述输出端口断开。
16.根据权利要求14所述的负载开关系统，进一步包括连接在所述负载开关的一端口和地之间的齐纳二极管，所述齐纳二极管被配置成为所述负载开关提供静电放电保护。
17.根据权利要求14所述的负载开关系统，其中所述TRCB电路包括具有减小的阻抗的MOSFET，所述具有减小的阻抗的MOSFET被配置成增加负载开关的电流容量，其中所述减小的阻抗小于25mΩ。
18.根据权利要求14所述的负载开关系统，其中所述TRCB电路包括滞后逻辑，所述滞后逻辑被配置成减少响应于信号噪声而发生的开关事件。
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