过压保护电路的制作方法

本发明涉及高速电路领域，尤其涉及一种过压保护电路。

背景技术：

在应用于OTG负载的充电器设备中，需要具备双向导通功能的负载开关电路，既能够满足电源对主机设备进行充电，也要能够实现接入OTG负载时主机设备对OTG负载的进行充电；

在USB接口插入时，暴露在外部的传输线接口很大可能会引入芯片不能承受的高压脉冲，甚至是电平浪涌。在这种情况下，需要对超过安全阈值的电平信号进行过压检测保护，避免芯片以系统环境被烧坏。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述的问题，提出了一种过压保护电路。

为实现上述目的，本发明提供了一种过压保护电路，该过压保护电路包括：分压模块、信号切换模块和比较模块；

分压模块包括至N个用于对待检测信号进行分压的分压单元，每个分压单元的输出值包括目标过压检测电压、第一迟滞电压和第二迟滞电压，分压模块根据第一控制信号从N个目标过压检测电压中获取并输出目标过压检测电压；其中，N为正整数；

信号切换模块用于根据比较模块输出的反馈信号，从目标过压检测电压和第一迟滞电压中之一选择输出至比较模块；

比较模块用于对信号切换模块的输出电压和基准电压进行比较，输出反馈信号和过压保护信号。

优选地，过压保护电路还包括选通模块；

选通模块包括两个输入端，两个输入端分别输入第一迟滞电压和第二迟滞电压，选通模块根据第二控制信号从第一迟滞电压和第二迟滞电压中选择之一输出至信号切换模块；

信号切换模块用于根据比较模块输出的反馈信号，从目标过压检测电压和第一迟滞电压中之一选择输出至比较模块。

优选地，N个分压单元包括：N组电阻组和N个选通开关；

第N组电阻组的一端与第(N-1)组电阻组的另一端连接，第N组电阻组的另一端与第N个选通开关的第一端连接，第N个选通开关的第三端与“地”连接，N个选通开关的第二端与分压模块的输入端连接；

分压模块通过N组电阻组产生N组分压；分压模块由第一控制信号控制第N个选通开关输出第N组分压。

优选地，N组电阻组的一组电阻组包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；

第一电阻的一端是分压模块的输入端；第一电阻的另一端与第二电阻的一端的连接点是分压模块的目标过压检测电压的输出端；第二电阻的另一端与第三电阻的一端的连接点是分压模块的第一迟滞电压的输出端；第三电阻的另一端与第四电阻的一端的连接点是分压模块的第二迟滞电压的输出端。

优选地，选通模块包括：第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三NMOS晶体管、第四NMOS晶体管、第五NMOS晶体管和第六NMOS晶体管；

当第四NMOS晶体管处于导通时、第一POMS晶体管和第三NMOS晶体管导通，第二POMS晶体管、第五NMOS晶体管和第六NMOS晶体管截止，使选通模块输出第一迟滞电压；

当第六NMOS晶体管处于导通、第二POMS晶体管和第五NMOS晶体管导通，第一POMS晶体管、第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管截止，使选通模块输出第二迟滞电压。

优选地，信号切换模块包括：第一选通开关和第二选通开关；

当比较模块的反馈信号为1时，第一选通开关导通，第二选通开关截止，信号切换模块输出目标过压检测电压；

当比较模块的反馈信号为0时，第一选通开关截止，第二选通开关导通，信号切换模块输出第一迟滞电压或第二迟滞电压是根据选通模块的输出确定。

优选地，电路还包括第二控制模块；

当过压保护电路为工作模式时，为比较模块提供基准电压；

当过压保护电路为测试模式时，为比较模块快速切换基准电压，加快比较模块的响应速度。

优选地，第二控制模块包括：第三选通开关、第十一电阻和第六NMOS晶体管；

当过压保护电路为工作模式时，第二控制模块输入的使能信号为0，第三选通开关导通，第十一电阻被接通，第六NMOS晶体管截止，第二控制模块的输出为流过第十一电阻的电压；基准电压；当过压保护电路为测试模式时，第二控制模块输入的使能信号为1时，第三选通开关截止，第十一电阻被断开，第六NMOS晶体管导通，第二控制模块的输出为第六NMOS晶体管的漏极、源极之间的电压。

优选地，当过压保护电路为工作模式时，比较模块用于：

当信号切换模块输出的电压大于基准电压时，比较模块输出反馈信号和过压保护信号。

优选地，当过压保护电路为测试模式时，比较模块还用于：

当第二控制模块切换比较模块的输入基准电压小于信号切换模块的输出电压，比较模块产生过压保护信号。

优选地，电路还包括：第一控制模块用于分别给分压模块提供第一控制信号和选通模块提供第二控制信号。

优选地，电路还包括：第一延时模块用于给比较模块的使能信号进行延迟，以便在比较模块的输入稳定，开启比较模块的使能信号，避免比较模块被误触发。

优选地，电路还包括：第二延时模块用于对过压保护信号的脉宽进行延迟，以便很好的被识别，进而关断芯片。

本发明提供一种过压保护电路，用于对超过安全阈值的电平信号进行安全监测保护，同时对保护阈值的输入电平快速响应并关闭芯片以保护系统环境安全。

附图说明

图1是本发明实施例提供的过压保护电路的结构示意图；

图2为图1中分压模块101的一个具体的实施例的结构示意图；

图3为图1中信号切换模块102的一个具体的实施例的结构示意图；

图4为图1中比较模块103的一个具体的实施例的结构示意图；

图5为图1中选通模块104的一个具体的实施例的结构示意图；

图6为图1中第二控制模块106的一个具体的实施例的结构示意图；

图7为图1中第一延迟模块107的一个具体实施例的结构示意图；

图8为图1中第二延迟模块108的一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供一种过压保护电路，实现对高于安全电压的输入电平信号快速响应和关断，并且过压编程过程实现对不同系统的需求可配置宽保护范围。

图1为本发明实施例提供的过压保护电路的结构示意图。如图1所示，过压保护电路包括分压模块101、信号切换模块102、比较模块103、选通模块104、第一控制模块105、第二控制模块106、第一延迟模块107和第二延迟模块108。

分压模块101包括N个用于对待检测信号进行分压的分压单元，每个分压单元的输出值包括目标过压检测电压、第一迟滞电压和第二迟滞电压，分压模块101根据第一控制信号从N个目标过压检测电压中获取并输出目标过压检测电压；信号切换模块102用于根据比较模块103的反馈信号，从目标过压检测电压和第一迟滞电压中选择之一输出至比较模块103；比较模块103用于对信号切换模块102的输出电压和获取的基准电压进行比较，输出反馈信号和过压保护信号。

在实际使用过压保护电路中，检测的信号是不相同的，所以所需的迟滞电压也是不同的，还可以在分压模块101和选通模块104之前连接一个选通模块104。选通模块104用于给比较模块103提供迟滞电压。实现迟滞电压的可编程控制。

因此，过压保护电路还可以包括：

选通模块104包括两个输入端，两个输入端分别输入第一迟滞电压和第二迟滞电压，选通模块104根据第二控制信号从第一迟滞电压和第二迟滞电压中选择之一输出至信号切换模块102。

信号切换模块102用于根据比较模块103的反馈信号，从目标过压检测电压和选通模块104的输出电压中选择之一输出至比较模块103；

可选的，过压保护电路还包括：第一控制模块105。第一控制模块105给分压模块101提供第一控制信号，控制分压模块101输出目标阈值检测电压。选择目标过压检测电压是通过具体的需要保护芯片所能承受的最大电压来选择的，第一控制模块105通过这个设定电压产生第一控制信号控制分压模块101输出目标过压检测电压。

第一控制模块105还需要给选通模块104提供第二控制信号，进而由选通模块104给比较模块103提供可编程的迟滞电压，第二控制信号控制选通模块104输出第一迟滞电压或第二迟滞电压。选择第一迟滞电压或第二迟滞电压，是处出于对比较模块103工作所需的迟滞电压选择的；同时迟滞电压的选择也取决于具体的需要。

基准电压可以是其他模块基准电路来产生，一个基本上不随温度变化的电压。

为了可以同时给过压保护电路提供基准电压，同时加快比较模块103的响应速度，过压保护电路还可以包括：第二控制模块106。

第二控制模块106工作在工作模式下，给比较模块103提供基准电压。

第二控制模块106工作在测试模式下，若有过压触发，则通过测试使能，使得基准信号直接下降，加快比较模块103的快速翻转。

通过设置第二控制模块106，在测试模式下，快速切换比较模块103的负极输入端的基准信号，加快比较模块103的响应速度。

为了解决比较模块103因输入电平不稳定发生误触发，过压保护电路还包括：第一延迟模块107。

第一延迟模块107用于延迟触发比较模块103的使能信号，便于在比较模块103的输入电平稳定后再开启比较模块103，避免高速比较器误触发。

过压保护电路产生的过压保护信号需要被其他被保护的模块识别并切换与芯片的连接，过压保护电路还包括：第二延时模块108。

第二延迟模块108通过将比较模块103输出的过压保护信号的脉宽进行放大，保证过压保护信号的脉宽的宽度足够被其他模块正常识别，以关断整个芯片。其他模块可以是外部的检测模块，该检测模块只要检测到过压信号产生，就切断比较模块103与芯片之间的连接。

图1中的分压模块101包括N个(正整数)分压单元，每个分压单元包括一个电阻组和一个选通开关；N个分压单元包括N个电阻组和N个选通开关，第N组电阻组的一端与第(N-1)组电阻组的另一端连接，第N组电阻组的另一端与第N个选通开关的第一端连接，第N个选通开关的第三端与“地”连接，N个选通开关的第二端与分压模块101的输入端连接；分压模块101通过N组电阻组产生N组分压；分压模块101由第一控制信号控制第N个选通开关输出第N组分压。

N个选通开关由第一控制模块105产生的控制信号进行通断控制，输出满足需求的不同幅值的分压信号，通过外部控制位可实现宽阈值电压范围。不同控制位数量可以实现不同组输出电平。

图2为图1中分压模块101的一个具体的实施例的结构示意图。如图2所示，分压模块101包括2组电阻组和2个选通开关。

分压模块101输出两组电平，每组电平包括三个电平值。

电阻组为R1-R4、电阻组为R5-R8，选通开关N1和选通开关N2；电阻R1-R8首位依次串联连接，电阻R1的一端与待检测输入信号的输入端连接，电阻R8的另一端与选通开关管N2的第一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端的连接点作为A控制位的目标过压检测电压输出端，记为VA_H；电阻R2的另一端与电阻R3的一端的连接点作为A控制位的迟滞电压输出端，记为VA_M；电阻R3的另一端与电阻R4的一端的连接点作为A控制位的迟滞电压输出端，记为VA_L；电阻R4的另一端与电阻R5的一端的连接点与选通开关管N1的第一端连接；电阻R5的另一端与电阻R6的一端的连接点作为B控制位的目标过压检测电压输出端，记为VB_H；电阻R6的另一端与电阻R7的一端的连接点作为B控制位的迟滞电压输出端，记为VB_M；电阻R7的另一端与电阻R8的一端的连接点作为B控制位的迟滞电压输出端，记为VB_L。

选通开关管N2的第二端为控制信号SELB的输入端，选通开关管N2的第三端与“地”连接。选通开关管N1的第二端为控制信号SELA的输入端，选通开关管N1的第三端与“地”连接。

待检测输入信号确定，当第一控制模块105产生的控制信号控制选通开关N1导通，选通开关管N2截止，VA_H、VA_M和VA_L被选择为分压模块101的输出；当第一控制模块105产生的控制信号控制选通开关N1截止，选通开关管N2导通，VB_H、VB_M和VB_L被选择为分压模块101的输出。VH为目标过压检测电压，VM和VL提供迟滞电压。

分压模块101受到第一控制模块105提供的第一控制信号选择一个目标过压检测电压输出。

例如，比较模块103的基准电压为1V，第一控制模块105控制分压模块101选择电阻分压比为1/17，当待检测输入电压为17V时，控制分压模块101输出的目标过压检测电压为1V，此时比较模块103发生翻转，输出过压保护信号。

需要说明的是，分压模块101和选通模块104之间设置有复用选通开关，便于在选择输出某一电压时，复用选通开关接通分压模块101和选通模块104之间的连接。

分压模块101还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图3为图1中的信号切换模块102的一个具体的实施例的结构示意图。如图3所示，信号切换模块102包括：选通开关K1、选通开关K2、反相器NOT1。

选通开关K1的第一端与反相器NOT1的输入端、选通开关K2的第三端连接，作为信号比较模块103反馈给信号切换模块102的输入，标记为CMP；选通开关K1的第二端与选通开关K2的第二端连接，作为信号切换模块102的输出V_CMP；选通开关K1的第三端与选通开关K2的第一端、反相器NOT1的输出端连接；选通开关K1的第四端作为信号切换模块102的输入端V_{CMP_H}；选通开关K2的第四端作为信号切换模块102的输入端V_{CMP_L}。V_{CMP_H}为目标过压阈值，V_{CMP_L}为选通模块104的输出。

当比较模块103有反馈信号(此时比较模块103输出为高电平)CMP给信号切换模块102，选通开关K2被接通，选通开关K1断开；选通开关K2的第四端接通与分压模块101输出端V_{CMP_H}连接，V_{CMP_H}作为信号切换模块102的输出。

当比较模块103无反馈信号(此时，比较模块103输出低电平)CMP给信号切换模块102，选通开关K2被断开，选通开关K1接通；选通开关K1的第四端接通与分压模块101输出端V_{CMP_L}连接，V_{CMP_L}作为信号切换模块102的输出。

信号切换模块102用于给比较模块103实现迟滞功能，比较模块103具有迟滞功能，则会在一个迟滞电压范围之外翻转。

例如，在工作模式下，当待检测输入信号大于基准电压时，比较模块103输出过压保护信号，若待检测信号持续升高，比较模块103输出仍为过压保护信号(高电平)，在高电平作用下，信号切换模块102输出迟滞电压，只有当迟滞电压小于基准电压时，比较模块103输出低电平，将过压保护信号释放。

例如，在测试模式下，第二控制模块106的使能信号接通使得比较模块103的基准信号快速切换，测试过压保护电路的响应速度。

比较模块103产生的过压保护信号，由外部的检测模块检测，在检测到过压保护信号时，检测模块切断与芯片的连接。

信号切换模块102还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图4为图1中比较模块103的一个具体的实施例的结构示意图。如图4所示，比较模块103采用多级级联方式提高响应速度。图4中的比较模块103采用三级级联方式，提高比较模块103的响应速度。

比较模块103包括：三级级联方式的比较模块103包括晶体管MN0-MN5、晶体管MP1-MP9、电流源I1、比较器AMP1、反相器NOT2、电阻R1和电阻R2。

晶体管MN0-MN5的源极、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端连接公共参考“地”；电流源I1的负极与晶体管MNO的漏极、栅极连接，晶体管MN0的栅极与晶体管MN5的栅极连接；晶体管MN1的栅极与晶体管MN0的栅极连接，晶体管MN1的漏极与晶体管MP5的漏极连接；晶体管MN2的栅极、漏极与晶体管MP3的漏极连接，晶体管MN2的栅极与晶体管MN3的栅极连接；晶体管MN3的漏极与晶体管MP4的栅极、晶体管MP4的漏极连接；晶体管MN4的栅极与晶体管MN3的漏极连接，晶体管MN4的漏极与比较器AMP1的输入端、晶体管MP8的漏极连接；晶体管MN5的漏极与晶体管MP8-MP9的栅极连接。

晶体管MP5-MP9的源极、电流源I1的正极连接；晶体管MP1的漏极与电阻R1的另一端、晶体管MP3的栅极连接，晶体管MP1的源极与晶体管MP2的源极、晶体管MP6的漏极连接，晶体管MP1的栅极作为比较模块103的正向输入端，标记为INP；晶体管MP2的漏极与电阻R2的另一端、晶体管MP4的栅极连接，晶体管MP2的栅极比较模块103的负向输入端，标记为INN；晶体管MP3的源极与晶体管MP4的源极、晶体管MP7的漏极连接；晶体管MP5的栅极与晶体管MP6-MP7的栅极连接。

比较器AMP1的输出端与反相器NOT2的输入端连接，反相器NOT2的输出端为比较模块103的输出端，标记为CMP_OUT。

第一级级联：晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP6、电阻R9和电阻R10，实现信号预放大；第二级级联：晶体管MP3、晶体管MP4、晶体管、MN1晶体管NM3和晶体管MP7，实现信号的高速比较判决；第三级级联：晶体管MN4、晶体管MN5、晶体管MP8和晶体管MP9，其中晶体管MP9和晶体管MP5是为晶体管MP8和晶体管MN4提供偏置电源的偏置管，晶体管MP8和晶体管MN4用来放大第二级的输出信号。

采用三级级联的作用是，将第一级级联输出的差距输出至第二级级联进行放大，再将第二级的输出输入至第三级进行放大。在进行第一次放大后，第一级输出的差值会变大，在经过第二次放大后，有可能会达到比较模块103的翻转电压，此时不需要进行第三次放大，加快了比较模块103的响应速度。

在工作模式下，比较模块103在正极输入信号小于负极输入信号时发生翻转保护；测试模式下，由于信号切换模块102的输出电压Vcomp上升速率受限，为测试比较模块103的最快翻转速率，直接开通EN_test使能，接入使能信号EN_test，将比较模块103的基准电平下拉到低，使比较模块103在正极输入信号(信号切换模块102的输出电压)大于负极输入信号(基准电压)，完成信号翻转。

在比较模块103发生信号翻转时，系统的检测模块在接收到翻转信号时，关断芯片，起到保护芯片的作用。

比较模块103还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图5为图1中选通模块104的一个具体的实施例的结构示意图。如图5所示，选通模块104包括晶体管P1-P2，晶体管N3-N6。图2中分压模块101输出端为VA_H、VA_L和VA_M。

选通模块104有6个输入端，SEL_L和SEL_M用于从(以A控制为例)VA_L和VA_M中选择一个值作为输出。

晶体管P1的漏极与VA_M的输入端连接，晶体管P1的栅极与晶体管N3的栅极、选通模块104的输入信号SEL_M(由第一控制模块105给选通模块104产生的控制信号)、“地”连接，晶体管P1的源极与晶体管N3的源极、晶体管N4的漏极连接；晶体管P2的漏极与VA_L的输入端连接，晶体管P2的栅极与晶体管N5的栅极、选通模块104的输入信号SEL_L、“地”连接，晶体管P2的源极与晶体管N5的源极、晶体管N6的漏极连接。

晶体管N3的漏极与晶体管N5的漏极、选通模块104的输出端SCMP_L连接；晶体管N4的栅极与选通模块104的输入SEL_L连接，晶体管N4的源极与“地”连接；晶体管N6的栅极与选通模块104的输入端SEL_M连接，晶体管N6的源极与“地”连接。

当第一控制模块105控制晶体管P1导通，晶体管P2截止，VA_M被选择输出；当第一控制模块105控制晶体管P2导通，晶体管P1截止，VA_L被选择输出。

选通模块104用于给比较模块103提供迟滞电压，相比较普通的比较器，具有迟滞功能的比较器性能更稳定，抗干扰能力更强。

选通模块104还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图6为图1中的第二控制模块106的一个具体的实施例的结构示意图。如图6所示，第二控制模块106包括：选通开关K3、电阻R9、晶体管N7、电容C1。

选通开关K3的第四端连接基准电压Vref_in；选通开关K3的第二端与电阻R9的一端连接；选通开关K3的第三端与晶体管N1的栅极连接，晶体管N7的栅极是第二控制模块106的输入端，为使能信号，标记为EN_test。

晶体管N7的源极与参考“地”连接；晶体管N7的漏极与电阻R9的另一端、电容C1的一端、第二控制模块106的输出端Vref_cmp连接；电容C1的另一端与参考“地”连接。

第二控制模块106处于工作模式下，给比较模块103负输入端提供基准电平Vref_in作为比较模块103的负极输入。

第二控制模块106处于测试模式下，第二控制模块106有使能信号EN_test输入，使得选通开关K3截止，晶体管N6的漏极与第二控制模块106的输出端连接，电阻R11截止，使得第二控制模块106的输出快速下降，加快比较模块103的翻转速度。

第二控制模块106用于给比较模块103的负极输入端的提供基准电压。在测试模式下，快速切换比较模块103的负极输入端的基准电压，加快比较模块103的翻转速度。

第二控制模块106还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图7为图1中第一延迟模块107的一个具体实施例的结构示意图。如图7所示，第一延迟模块107包括晶体管MP10-MP13、晶体管MN6-MN9、电阻R12、电阻R13、反相器NOT3、反相器NOT4、电容C2。

晶体管MP10-MP12的源极与电容C2的一端连接；晶体管MP10-MP11的栅极与晶体管MN10的栅极、第一延迟模块107的输入端EN(触发比较模块103的使能信号)连接，晶体管MP10的漏极与电阻R12的一端连接；晶体管MP11的漏极与晶体管MP13的源极连接；晶体管MP12的栅极与晶体管MN12的栅极、电容C2的另一端、晶体管MP13的漏极、晶体管MN13的源极、电阻R12的另一端、电阻R13的一端连接，晶体管MP12的漏极与反相器NOT3的输入端、晶体管MN8的源极、晶体管MP13、晶体管MN13连接。

晶体管MN6-MN8的源极连接公共参考“地”；晶体管MN6的源极与电阻R13的另一端连接；晶体管MN7的源极与晶体管MN9的漏极连接。

第一延迟模块107通过调节电阻R12、R13和电容C2让使能信号EN延迟，保证输入电平稳定后再开启比较模块103，避免比较模块103误触发。

其延迟是通过调节电阻R12、电阻R13和电容C2。延迟是对电阻R12和电阻R13的节点做下降沿时延。也就是说，当输入信号使能信号EN上升沿到来时(此时使能信号EN有效)，电阻R12和电阻R13节点处下降沿变缓，即晶体管MP12和晶体管MN8组成的反相器输入下降沿变缓，那么其输出电平上升沿会发生延迟，实现使能信号EN上升沿到晶体管MP12，晶体管MN8输出信号上升沿的延迟。

延迟的作用是，确保过压比较信号稳定输出后再开启过压比较模块103，避免误触发。反相器NOT3、反相器NOT4主要是用来增大延迟电路的驱动能力。

第一延迟模块107还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

图8为图1中第二延迟模块108的一个具体实施例的结构示意图。如图8所示，第二延迟模块108包括：触发器D1、触发器D2和触发器D3。第二延迟模块108采用多级D触发器延时来实现。图8中采用三级D触发器连接。

D1触发器的Q1输出端与D2触发器的输入端连接，D2触发器的Q2输出端与D3触发器的输入端连接，D3触发器的Q3输出端输出OVP(Over Voltage Protection)，CLK为触发信号，控制D触发器工作，RST为复位信号，CMP为比较模块103的输出信号，OVP为过压保护电路最终的输出信号。

采用多个D触发器用于将过压保护信号(高电平有效)的低电平进行延迟，高电平正常输出，实质上是将过压保护信号的高电平持续周期加长，便于检测过压保护电路的模块能准确的检测到有效过压保护信号，进而切断与芯片的连接，起到连接作用。

第二延迟模块108还可以通过其它的电路来实现这个技术方案。

本发明提供一种过压保护电路，用于对超过安全阈值的电平信号进行安全监测保护，同时对保护阈值的输入电平快速响应并关闭芯片以保护系统环境安全。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。