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CN107919653A - 用于开关电路的反向电流保护电路 - Google Patents

用于开关电路的反向电流保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于开关电路的反向电流保护电路，该反向电流保护电路包括反向电流控制电路和耦接到反向电流控制电路的启用/禁用电路。反向电流控制电路耦接到开关电路的输入端和输出端，当开关电路的输出电压高于第一预定电压时，反向电流控制电路使开关电路的输出端和输入端断开连接。从开关电路的输出电压在高于第一预定电压之后变成低于第一预定电压时起，启用/禁用电路禁用反向电流控制电路第一预定时间段，以及在第一预定时间段之后启用/禁用电路启用反向电流控制电路。

Description

用于开关电路的反向电流保护电路
技术领域
本发明涉及反向电流保护电路，更具体地，涉及能够保护开关电路免受反向电流影响的反向电流保护电路。
背景技术
通常，当在设备的输出端的电压高于在设备的输入端的电压时，在设备中会产生反向电流。反向电流从设备的输出端流向输入端，由此可能会降低设备的性能或者甚至是会对设备造成损坏。因此，很多设备都具有反向电流保护电路。
在开关电路中，传统的反向电流保护电路设定参考电压，该参考电压等于开关电路的输入端的电压。当开关电路的输出端的电压高于该参考电压时，传统的反向电流保护电路生成RCP(reverse current protection：反向电流保护)信号来使开关电路的输出端和输入端断开连接。然而，由于该参考电压通常具有一定的波动范围，因此当开关电路的输出端的电压高于该参考电压时可能已经在开关电路中出现了反向电流。所以，传统的反向电流保护电路没有为开关电路提供及时有效的保护使其免受反向电流的影响。
将该参考电压设置成比开关电路的输入端的电压低会导致不同的问题。当开关电路启动时和负载发生变化时，在开关电路的输出端会出现过冲电压。通常该过冲电压是波纹电压，并且该波纹电压的电压值会逐渐减小。当传统的反向电流保护电路使开关电路的输出端和输入端断开连接时，过冲电压被下拉到非常低的电压。当开关电路的输出电压被下拉到低于预定电压值时，开关电路的输入端和输出端被再次连接起来。然后在开关电路的输出端会再次出现波纹电压，并且该波纹电压迅速上升到当开关电路启动时或负载发生变化时出现的过冲电压的最初的电压值，然后反向电流保护电路致使该过冲电压被再次下拉到非常低的电压值。因此，传统的反向电流保护电路致使开关电路的输出电压在开关电路启动时和负载发生变化时非常不稳定。
因此，希望能有一种反向电流保护电路，在开关电路启动时和负载发生变化时，既能够使开关电路的输出电压稳定，又能够为开关电路提供及时有效的保护使其免受反向电流的损坏。
发明内容
在本文中描述了一种反向电流保护电路和具有该反向电流保护电路的开关电路。
反向电流保护电路包括耦接到开关电路的输入端和输出端的反向电流控制电路。当开关电路的输出电压高于第一预定电压时，反向电流控制电路使开关电路的输出端和输入端断开连接。
反向电流保护电路还包括耦接到反向电流控制电路的启用/禁用电路。从开关电路的输出电压在高于第一预定电压之后变成低于第一预定电压时起，启用/禁用电路禁用反向电流控制电路第一预定时间段，以及在第一预定时间段之后启用/禁用电路启用反向电流控制电路。
在一个实施例中，开关电路包括该反向电流保护电路和电压调整电路。电压调整电路耦接在开关电路的输入端和输出端之间，并且耦接到反向电流控制电路。当开关电压的输出电压低于第一预定电压时，电压调整电路将开关电路的输出电压调整为等于或低于第二预定电压。
当结合附图时从下文的详细描述中将会清楚地理解上述特征以及其他特征和优点。
附图说明
本文通过实例进行了说明，但是本文并不仅限于附图中示出的实施例。在附图中，相似的部件采用相似的参考标号。在附图中的各个部件是用于说明上的简单清楚，并没有按比例绘制。
图1是根据一个示例性实施例的具有反向电流保护电路的开关电路的示意性框图；
图2是根据一个示例性实施例的图1中的反向电流保护电路中的启用/禁用电路的示意性框图；
图3是根据一个示例性实施例的图1的开关电路的示意性电路图；
图4是在图1的开关电路的电压调整电路工作期间，开关电路的输出电压Vout随着负载电流I_load变化的图；
图5是根据一个示例性实施例的反向电流保护(RCP)信号、启用/禁用(E/D)信号和电压下拉控制(Pull_load)信号随时间变化的图；以及
图6是根据另外一个实施例的图1的反向电流保护电路的电压下拉电路的示意性电路图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个示例性实施例的开关电路100的示意性框图。开关电路100包括电压调整电路102。电压调整电路102耦接在开关电路100的输入端和输出端之间。当开关电路100的输出端上的输出电压Vout低于第一预定电压Vref_a时，电压调整电路102将开关电路100的输出电压Vout调整为等于或低于第二预定电压Vref_b。
开关电路100还包括反向电流保护电路104。反向电流保护电路104包括反向电流控制电路106。反向电流控制电路106耦接到开关电路100的输入端和输出端。当开关电路100的输出电压Vout高于第一预定电压Vref_a时，反向电流控制电路106使开关电路100的输出端和输入端断开连接，以防止反向电流从开关电路100的输出端流入输入端以及损坏开关电路100。
在一个示例性实施例中，电压调整电路102包括耦接到反向电流控制电路106的晶体管(未在图1中示出)。当开关电路100的输出电压Vout高于第一预定电压Vref_a时，反向电流控制电路106通过控制该晶体管使开关电路100的输出端和输入端断开连接，以保护开关电路100不受反向电流的影响。
反向电流保护电路104还包括耦接到反向电流控制电路106的启用/禁用电路108。从开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a时起，或者在开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a以后，启用/禁用电路108禁用反向电流控制电路106第一预定时间段t1，以及在第一预定时间段t1之后启用/禁用电路108启用反向电流控制电路106。
反向电流保护电路104还可以包括一个或多个电压下拉电路110(在图1中示出了两个电压下拉电路110)。在包括一个电压下拉电路110的实施例中，电压下拉电路110耦接到开关电路100的输出端和启用/禁用电路108。电压下拉电路110在反向电流控制电路106使开关电路100的输出端和输入端断开连接时下拉开关电路100的输出电压Vout以加速输出电压Vout的下降，以及在第一预定时间段t1结束时停止下拉开关电路100的输出电压Vout。
在包括多个电压下拉电路110的实施例中，多个电压下拉电路彼此并联连接，每个电压下拉电路都耦接到开关电路100的输出端和启用/禁用电路108。每个电压下拉电路110在反向电流控制电路106使开关电路100的输出端和输入端断开连接时下拉开关电路100的输出电压Vout，以及在第一预定时间段t1之后的第二预定时间段t2内以一定的时间间隔依序停止下拉开关电路100的输出电压Vout。
图2是根据一个示例性实施例的反向电流保护电路104中的启用/禁用电路108的示意性框图。启用/禁用电路108包括耦接到反向电流控制电路106的启用/禁用信号控制器112。当开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a时，或者在开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a以后，启用/禁用信号控制器112输出禁用控制信号。
启用/禁用电路108还包括耦接到启用/禁用信号控制器112和反向电流控制电路106的启用/禁用信号生成器114。响应于禁用控制信号，启用/禁用信号生成器114生成启用/禁用(E/D)信号并将启用/禁用信号输出到反向电流控制电路106。启用/禁用信号禁用反向电流控制电路106第一预定时间段t1，以及在第一预定时间段t1之后启用反向电流控制电路106。
启用/禁用电路108还包括电压下拉控制信号生成器116。电压下拉控制信号生成器116耦接到反向电流控制电路106、启用/禁用信号生成器114和电压下拉电路110。电压下拉控制信号生成器116将在下文中参考图3、5-6进行更为详细的说明。
在下文中，将参考图3-6详细描述图1的开关电路100的操作。
图3是根据一个示意性实施例的图1的开关电路100的示意性电路图。在该示意性实施例中，开关电路100是电源开关电路。在图3中，电压调整电路102使用传统的低压差稳压器(LDO：low dropout regulator)来实现，电压调整电路102包括参考电压118，放大器120，缓冲器122，电荷泵124，晶体管M1，电容器C1和负载R1。晶体管M1可以是功率MOS晶体管，其漏极端能够耐高压，这样当开关电路100的输出电压Vout很高时不会损坏晶体管M1。
图4是在电压调整电路102工作期间，开关电路100的输出电压Vout随着负载电流I_load变化的图。换句话说，图4示出的是当开关电路100的输出电压Vout低于第一预定电压Vref_a时，开关电路100的输出电压Vout随着负载电流I_load变化。在轻负载电流的情况下，放大器120控制缓冲器122的输出以调整晶体管M1的栅极电压，从而将开关电路100的输出电压Vout稳定在由参考电压118提供的第二预定电压Vref_b。在重负载电流的情况下，由缓冲器122控制的晶体管M1的栅极电压达到固定的上限值，从而使得晶体管M1完全导通以工作在线性区域，负载R1从开关电路100的输出端引出电流，以致开关电路100的输出电压Vout下降到低于第二预定电压Vref_b。另外，电荷泵124提升缓冲器122的电压以驱动晶体管M1工作在超低电阻范围，以在重负载电流的情况下减少功率消耗和提高功率效率。
反向电流控制电路106(图1)包括参考电压126，比较器128和晶体管M2。参考电压126耦接在开关电路100的输入端和比较器128的第一输入端之间。比较器128的第二输入端耦接到开关电路100的输出端，比较器128的输出端耦接到晶体管M2的栅极端。比较器128因此接收调整的输入电压Vref_a和输出电压Vout，并生成反向电流保护(RCP)信号。晶体管M2的漏极端耦接到晶体管M1的栅极端，晶体管M1的源极端耦接到地。
当开关电路的输出电压Vout高于参考电压126提供的第一预定电压Vref_a时，比较器128输出的RCP信号从低电平变成高电平，如图5所示。高电平的RCP信号使晶体管M2导通，并拉低晶体管M1的栅极电压，从而关断晶体管M1。以这种方式，防止反向电流通过晶体管M1从开关电路100的输出端流到输入端，从而保护了开关电路100不受反向电流的影响。
如图5所示，当RCP信号处于高电平时，由于电容器C1向负载R1放电，以及负载R1从开关电路100的输出端引出电流，因此开关电路100的输出电压Vout下降。在输出电压Vout变得低于第一预定电压Vref_a之后，RCP信号从高电平变成低电平，低电平的RCP信号使晶体管M2关断，并使晶体管M1的栅极电压上升。启用/禁用信号控制器112检测RCP信号是否从高电平变成低电平。当开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a时(或者之后)，RCP信号从高电平变成低电平。在图5中，由于比较器128具有滞回设计，因此RCP信号并没有在开关电路100的输出电压Vout变得低于第一预定电压Vref_a时就从高电平变成低电平，而是在输出电压Vout变得低于第一预定电压Vref_a之后从高电平变成低电平。如果比较器128不具有滞回设计的话，那么RCP信号会在开关电路100的输出电压Vout变得低于第一预定电压Vref_a时就从高电平变成低电平。当启用/禁用信号控制器112检测到RCP信号从高电平变成低电平时，启用/禁用信号控制器112向启用/禁用信号生成器114输出禁用控制信号。然后，启用/禁用信号生成器114向比较器128输出E/D信号，E/D信号在第一预定时间段t1为高电平，并在第一预定时间段t1之后变为低电平。高电平的E/D信号禁用比较器128。也就是说，比较器128关闭，使RCP信号在第一预定时间段t1保持为低电平。当第一预定时间段t1结束时，E/D信号变成低电平，并且比较器128被启用。换句话说，如果比较器128不具有滞回设计的话，那么从开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a时起，启用/禁用电路108禁用反向电流控制电路106第一预定时间段t1。如果比较器128具有滞回设计的话，那么在开关电路100的输出电压Vout在高于第一预定电压Vref_a之后变成低于第一预定电压Vref_a之后，启用/禁用电路108禁用反向电流控制电路106第一预定时间段t1。
在当前的优选实施例中，启用/禁用电路108还包括耦接到电压下拉电路110的电压下拉控制信号生成器116。电压下拉电路110包括电阻R2和晶体管M3。电阻R2被耦接在开关电路100的输出端和晶体管M3的漏极端之间，晶体管M3的栅极端耦接到电压下拉控制信号生成器116，晶体管M3的源极端耦接到地。
电压下拉控制信号生成器116向晶体管M3的栅极端输出电压下拉控制(Pull_load)信号。当RCP信号从低电平变成高电平时，Pull_load信号从低电平变成高电平，高电平的Pull_load信号将晶体管M3导通，并从开关电路100的输出端引出电流，从而将输出电压Vout下拉。电压下拉控制信号生成器116将Pull_load信号保持为高电平直到第一时间段t1结束为止，或者将Pull_load信号保持为高电平到第一时间段t1结束之后。
在图6所示的另一个示例性实施例中，反向电流保护电路104包括并联连接的四个电压下拉电路110。在这个实施例中，电压下拉控制信号生成器116将四个Pull_load信号(Pull_load_0，Pull_load_1，Pull_load_2，Pull_load_3)分别输出到这四个电压下拉电路110。当RCP信号从低电平变成高电平时，这四个Pull_load信号从低电平变成高电平。电压下拉控制信号生成器116使这四个Pull_load信号在第一预定时间段t1之后的第二预定时间段t2内以一定的时间间隔依序从高电平变成低电平。以这种方式，这四个电压下拉电路110在第二预定时间段t2内以一定的时间间隔依序停止下拉输出电压Vout。如果所有的电压下拉电路110都是在第一预定时间段t1结束时停止下拉输出电压Vout的话，那么流过晶体管M1的电流会迅速对电容器C1进行充电，致使电容器C1的电压迅速上升。由于电容器C1的电压迅速上升，可能会使开关电路100的输出电压Vout超过第一预定电压Vref_a。然而，通过使多个电压下拉电路110在第二预定时间段t2内以一定的时间间隔依序停止下拉输出电压Vout，可以避免这一问题。
启用/禁用信号控制器112、启用/禁用信号生成器114和电压下拉控制信号生成器116可以由通用的数字逻辑电路来实现，具体实现方式是本领域技术人员公知的。例如，电压下拉控制信号生成器116可以由AND门来实现。
如图4所示，第一预定电压Vref_a低于开关电路100的输入电压Vin。通过将第一预定电压Vref_a设定成低于输入电压Vin，可以使反向电流控制电路106提前采取行动，从而能够为开关电路100提供更好的反向电流保护。第二预定电压Vref_b低于第一预定电压Vref_a，致使开关电路100能够更加安全地工作。在示例性实施例中，第一预定电压Vref_a比输入电压Vin低20mV，第二预定电压Vref_b比输入电压Vin低70mV。
在本发明中，在第一预定时间段t1期间，由于开关电路100的输出电压Vout是波纹电压，并且该波纹电压的电压值会逐渐减小，因此在此期间，即使输出电压Vout高于第一预定电压Vref_a，反向电流控制电路106也并不使开关电路100的输出端和输入端断开连接，并且在此期间由电压调整电路102调整输出电压Vout。因此，对于上面提到的当使用传统的反向电流保护电路时出现的输出电压Vout不稳定的问题，本发明在开关电路启动期间和负载发生变化期间能够提供稳定的输出电压Vout，同时，本发明还能够提供及时有效的保护使其免受反向电流的影响。
在上文中参考了具体实施例对本发明进行了说明。但是不超出所附的权利要求书的精神和范围可以做出各种变形和改变。
在权利要求书中，“包括”和“具有”并不排除未列在权利要求中其他部件。本文中所使用的术语“一个”被定义为是一个或多个。而且，在权利要求中使用的介绍性表述“至少一个”和“一个或多个”不能被解释为权利要求书中的由不定冠词限定的部件仅包括一个这样的部件，即便在相同的权利要求中也使用了“至少一个”或“一个或多个”。除非有说明，否则术语“第一”和“第二”是用来任意区分这些术语所描述的部件。因此，这些术语并不是用于指示临时的部件或者这些部件的优先级。某些手段记载在不同的权利要求中并不表示这些手段的组成不能被使用产生有益效果。

Claims (10)

1.一种用于开关电路的反向电流保护电路，其特征在于，包括：
耦接到开关电路的输入端和输出端的反向电流控制电路，当开关电路的输出电压高于第一预定电压时，反向电流控制电路使开关电路的输出端和输入端断开连接；以及
耦接到反向电流控制电路的启用/禁用电路，从开关电路的输出电压在高于第一预定电压之后变成低于第一预定电压时起，启用/禁用电路禁用反向电流控制电路第一预定时间段，以及在第一预定时间段之后启用/禁用电路启用反向电流控制电路。
2.根据权利要求1所述的反向电流保护电路，其特征在于，启用/禁用电路包括：
耦接到反向电流控制电路的启用/禁用信号控制器，当开关电路的输出电压在高于第一预定电压之后变成低于第一预定电压时，启用/禁用信号控制器输出禁用控制信号；以及
耦接到启用/禁用信号控制器和反向电流控制电路的启用/禁用信号生成器，响应于禁用控制信号，启用/禁用信号生成器生成启用/禁用信号并将启用/禁用信号输出到反向电流控制电路，启用/禁用信号禁用反向电流控制电路第一预定时间段，以及在第一预定时间段之后启用反向电流控制电路。
3.根据权利要求1所述的反向电流保护电路，其特征在于，还包括：
电压下拉电路，耦接到开关电路的输出端和启用/禁用电路；
其中，电压下拉电路在反向电流控制电路使开关电路的输出端和输入端断开连接时下拉开关电路的输出电压，以及在第一预定时间段结束时停止下拉开关电路的输出电压。
4.根据权利要求1所述的反向电流保护电路，其特征在于，还包括：
并联连接的多个电压下拉电路，其中每个电压下拉电路都耦接到开关电路的输出端和启用/禁用电路；
其中，每个电压下拉电路在反向电流控制电路使开关电路的输出端和输入端断开连接时下拉开关电路的输出电压，以及在第一预定时间段之后的第二预定时间段内以一定的时间间隔依序停止下拉开关电路的输出电压。
5.根据权利要求3或4所述的反向电流保护电路，其特征在于，电压下拉电路包括电阻和第一晶体管，其中，电阻耦接在开关电路的输出端和第一晶体管的第一端之间，第一晶体管的第二端耦接到启用/禁用电路，第一晶体管的第三端耦接到地。
6.根据权利要求1所述的反向电流保护电路，其特征在于，第一预定电压低于开关电路的输入电压。
7.一种开关电路，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的反向电流保护电路。
8.根据权利要求7所述的开关电路，其特征在于，还包括电压调整电路，电压调整电路耦接在开关电路的输入端和输出端之间，并且耦接到反向电流控制电路，其中，当开关电路的输出电压低于第一预定电压时，电压调整电路将开关电路的输出电压调整为等于或低于第二预定电压。
9.根据权利要求8所述的开关电路，其特征在于，
电压调整电路包括耦接到反向电流控制电路的第二晶体管，
反向电流控制电路通过控制第二晶体管使开关电路的输出端和输入端断开连接，以保护开关电路不受反向电流的影响。
10.根据权利要求8所述的开关电路，其特征在于，第二预定电压低于第一预定电压。
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