本实用新型涉及模拟电子技术领域，特别涉及一种开关保护电路。
背景技术：
图1为PWM型低边驱动电路原理图，主要由低边驱动电路和诊断电路两个部分组成。低边驱动电路即为当主控制器输出的PWM信号S1为高电平且通过下拉电阻R3和R4、C2组成的滤波电路，提供至开关K1的输入端11时，开关K1的负载端12对地导通，负载10一端连接电源Vbat，另一端13由于接地，因此负载10被提供功率，当S1为低电平时，开关K1的负载端12与地断开，负载10中的电流通过二极管D1续流，二极管D1为节点13处的高电位提供续流通路，R1为下拉电阻，用于当开关K1断开(负载不在续流时的开关断开状态)且所述负载端13发生开路故障时，为负载端12提供一个稳定的低电平，C1为静电释放电容。
低边驱动电路的故障主要有SCB(所述负载端13短路到电源)、SCG(所述负载端13短路到地)和OL(所述负载端13开路)，对于不同的开关故障状态，其诊断需求也有所不同。低边驱动电路开关K1断开(负载不在续流时的开关断开状态)时，通过信号S2电压提供至主控制器，主控制器根据信号S2的电平状态诊断低边输出的SCG故障和OL故障(此时S2为高电平，但所述负载端13短路到地使S2为接近于零的低电平，而负载端13开路时由于R1下拉原因也使S2为接近零的低电平)；低边开关K1导通(低边驱动电路PWM状态，即K1按照一定规律交替的闭合和关断)时，通过主控制器S2端口可诊断低边输出的SCB故障、SCG故障和OL故障(此时S2应为高、低电平交替变化，但所述负载端13短路到电源使S2为持续高电平，所述负载端短路到地或开路使S2为接近于零的持续低电平)。
这三类故障中低边PWM状态时的SCB对主控制器的损害最大，而低边的诊断采用的是MCU的IO口通过R2连接至节点12，其诊断策略为通过判断MCU的IO口持续几个PWM周期的高低电平变化来确定是否有故障存在。当采样周期内有高低电平变化时，判断为正常情况；若采样周期内IO口电平为持续高时，判断为发生SCB故障；若采样周期内IO口电平为持续低时，判断为发生SCG故障或OL故障(SCG和OL两个故障无法区分)。如若真的发生SCB故障时，诊断确认时间为几毫秒甚至几十毫秒，期间的短路电流可以达数十安培，毫秒级别以上的大电流冲击会有以下几点风险：烧坏低边开关、烧坏PCB走线、超过功能安全所要求的关断时间所引发的其他安全风险问题。所以对于当前的诊断策略，故障确认及关断的时效性很差，有损坏控制器的风险。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种开关保护电路，以解决现有的低边开关输出端短路到电源故障诊断时间过长的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种开关保护电路，所述开关保护电路包括比较器、与门电路和可控开关，其中：
一第一控制信号提供至所述比较器的正输入端和一低边开关的输入端；
所述低边开关根据所述第一控制信号闭合或断开，以使所述低边开关输出第二控制信号；在正常情况下，所述第二控制信号与所述第一控制信号的差值大于第一阈值；
所述比较器根据所述第一控制信号输出第三控制信号，在正常情况下，所述第三控制信号保持第一电位，在故障情况下，所述第三控制信号保持第二电位，所述第一电位低于所述第二电位；
所述第二控制信号和所述第三控制信号提供至所述与门电路，所述与门电路根据所述第二控制信号和所述第三控制信号输出第四控制信号，所述第四控制信号提供至所述可控开关；
所述可控开关根据所述第四控制信号闭合或断开，所述可控开关的输出端根据闭合或断开的状态，输出一第五控制信号至所述低边开关的输入端。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述比较器的正输入端连接所述低边开关的输入端，所述比较器的负输入端输入一参考电压，所述参考电压大于所述低边开关的开启阈值电压，且小于所述低边开关闭合后第一控制信号的电压；所述比较器的输出端通过第六电阻连接所述与门电路。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述比较器的输出端通过一第一电阻连接所述低边开关的输出端。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述低边开关还包括滤波电路和第三电阻，所述滤波电路包括第四电阻和第二电容，其中：
所述第三电阻的一端输入第一控制信号，另一端接地；
所述第四电阻的一端输入第一控制信号，另一端连接所述低边开关的输入端；
所述第二电容的一端连接所述低边开关的输入端，另一端接地。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述第一控制信号由一主控制器的第一输出端提供，所述主控制器的第二输出端提供第六控制信号。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述与门电路的第一输入端通过第七电阻连接所述低边开关的输出端，所述与门电路的第二输入端通过第四电容接地，且通过第二二极管连接所述主控制器的第二输出端。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述与门电路的第一输入端通过第三二极管连接电源电压，所述与门电路的第二输入端通过第四二极管连接电源电压。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述与门电路的输出端连接第五二极管的阳极，所述与门电路的第二输入端连接所述第五二极管的阴极。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述可控开关的输入端通过第八电阻连接所述与门电路的输出端，所述可控开关的输出端连接所述低边开关的输出端。
可选的，在所述的开关保护电路中，所述低边开关的输出端连接一负载的第二端，所述负载的第一端连接电池电源，所述负载的第二端通过一第一电容接地，所述负载的第一端连接一第一二极管的阴极，所述负载的第二端连接所述第一二极管的阳极。
在本实用新型提供的开关保护电路中，在正常情况下，第二控制信号与第一控制信号的差值大于第一阈值，即第二控制信号与第一控制信号电位高低交替变化，当第一控制信号为高电平时，第二控制信号为低电平，反之亦然；在正常情况下，第三控制信号保持第一电位(低电位)，所述第二控制信号和所述第三控制信号提供至所述与门电路，与门电路输出的第四控制信号必然为低电平，可控开关保持断开；当低边开关输出端短路到电源故障出现时，由于在故障情况下第三控制信号保持第二电位(高电位)，由于第二控制信号即为高电平，其并不会随着第一控制信号的上升沿而出现下降沿，则与门电路输出高电平，可控开关闭合，可控开关的输出端接地，形成低电平的第五控制信号被提供至所述低边开关的输入端，低边开关输出断开，保护了低边开关和整个电路。
附图说明
图1是现有的低边开关驱动电路示意图；
图2是本实用新型一实施例低边开关驱动电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的开关保护电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
本实用新型的核心思想在于提供一种开关保护电路，以解决现有的低边开关输出端短路到电源故障诊断时间过长，从而损坏负载的问题。
为实现上述思想，本实用新型提供了一种开关保护电路，所述开关保护电路包括比较器、与门电路和可控开关，其中：一第一控制信号提供至所述比较器的正输入端和一低边开关的输入端；所述低边开关根据所述第一控制信号闭合或断开，以使所述低边开关输出第二控制信号；在正常情况下，所述第二控制信号与所述第一控制信号的差值大于第一阈值；所述比较器根据所述第一控制信号输出第三控制信号，在正常情况下，所述第三控制信号保持第一电位，在故障情况下，所述第三控制信号保持第二电位，所述第一电位低于所述第二电位；所述第二控制信号和所述第三控制信号提供至所述与门电路，所述与门电路根据所述第二控制信号和所述第三控制信号输出第四控制信号，所述第四控制信号提供至所述可控开关；所述可控开关根据所述第四控制信号闭合或断开，所述可控开关的输出端根据闭合或断开的状态，输出一第五控制信号至所述低边开关的输入端。
本实施例中的高电平指电平值为5V左右或高于5V，低电平指0V或接地。
本实施例提供一种开关保护电路，如图2所示，所述开关保护电路包括比较器U1、与门电路U2和可控开关K2，其中：一第一控制信号S1提供至所述比较器U1的正输入端15和一低边开关K1的输入端11；所述低边开关K1根据所述第一控制信号S1闭合或断开，以使所述低边开关K1输出第二控制信号S2；在正常情况下，所述第二控制信号S2与所述第一控制信号S1的差值大于第一阈值；所述比较器U1根据所述第一控制信号S1输出第三控制信号S3，在正常情况下，所述第三控制信号S3保持第一电位(低电平)，在故障情况下，所述第三控制信号S3保持第二电位(高电平)，所述第一电位低于所述第二电位；所述第二控制信号S2和所述第三控制信号S3提供至所述与门电路U2，所述与门电路U2根据所述第二控制信号S2和所述第三控制信号S3输出第四控制信号S4，所述第四控制信号S4提供至所述可控开关K2；所述可控开关K2根据所述第四控制信号S4闭合或断开，所述可控开关的输出端根据闭合或断开的状态，输出一第五控制信号S5至所述低边开关K1的输入端11。
本实施例中的开关保护电路中，比较器U1的输出端是集电极开路(OC)结构，正输入小于负输入时输出端内部的晶体管集电极导通到地，即输出低电平；正输入大于负输入时输出端内部的晶体管关闭，即输出为高阻态，输出电压由外部电路结构决定，需要上拉电阻才能有对外输出电流的能力。因此，当第一控制信号为高电平时，比较器U1的输出端为高阻态，在正常情况下，第二控制信号为低电平，则比较器U1的输出端也为低电平，在故障情况下，第二控制信号为高电平，则比较器U1的输出端为高电平。
在本实施例提供的开关保护电路中，在正常情况下，第二控制信号S2与第一控制信号S1的差值大于第一阈值，即第二控制信号S2与第一控制信号S1电位高低交替变化，当第一控制信号S1为高电平时，第二控制信号S2为低电平，反之亦然；在正常情况下，第三控制信号S3保持第一电位(低电位)，所述第二控制信号S2和所述第三控制信号S3提供至所述与门电路U2，与门电路U2输出的第四控制信号S4必然为低电平，可控开关K2保持断开；当低边开关K1输出端短路到电源故障出现时，由于在故障情况下第三控制信号S3保持第二电位(高电位)，由于第二控制信号S2即为高电平，其并不会随着第一控制信号S1的上升沿而出现下降沿，则与门电路U2输出高电平，可控开关K2闭合，可控开关K2的输出端接地，形成低电平的第五控制信号S5被提供至所述低边开关K1的输入端，低边开关K1输出断开，保护了低边开关K1和整个电路。
具体的，在所述的开关保护电路中，所述比较器U1的正输入端15连接所述低边开关K1的输入端11，所述比较器U1的负输入端14输入一参考电压，该参考电压由连接在电源电压VDD和地之间的第二电阻R2和第五电阻R5分压而形成的，所述比较器U1的负输入端14连接第二电阻R2和第五电阻R5的连接处，所述比较器U1的输出端通过第六电阻R6连接所述与门电路U2。
进一步的，所述参考电压应稍大于低边开关K1的开启电压阈值，电路设计中容易出现的问题在于主控制器的第一控制信号由低变高的过程中可能会出现“竞争”引起的误诊断，即当主控制器在提供第一控制信号S1时，由于比较器U1的参考电压选的过低，导致S1信号上升过程中先触发了比较器的输出端转换为高阻态，而此时低边开关还没来得及变化，S2信号还维持在高电平，因此S3也变为高电平，则与门电路U2输出高电平，控制可控开关K2闭合，使整个电路锁定在低边开关断开的状态，且与门电路输出端通过第五晶体管D5将其第二输入端锁定在高电平上。通过将比较器的负输入端电压设置成稍高于低边开关的开启电压阈值即可有效的避免误诊断的问题，即所述参考电压大于所述低边开关的开启阈值电压，且小于所述低边开关闭合后第一控制信号的电压，第一控制信号S1在主控制器开启时由低电平开始，首先达到低边开关的开启阈值电压，低边开关闭合，然后才达到比较器的翻转电压，有效避免了误诊断。
具体的，在所述的开关保护电路中，所述比较器U1的输出端通过一第一电阻R1连接所述低边开关K1的输出端12。所述低边开关K1还包括滤波电路和第三电阻R3，R3是下拉电阻，保证主控制器无输出信号时，S1由于第三下拉电阻的作用而保持低电位，所述滤波电路包括第四电阻R4和第二电容C2，其中：所述第三电阻R3的一端输入第一控制信号S1，另一端接地；所述第四电阻R4的一端输入第一控制信号S1，另一端连接所述低边开关K1的输入端11；所述第二电容C2的一端连接所述低边开关K1的输入端11，另一端接地。
另外，在所述的开关保护电路中，所述第一控制信号S1由一主控制器的第一输出端提供，所述主控制器的第二输出端提供第六控制信号S6。所述与门电路U2的第一输入端16通过第七电阻R7连接所述低边开关K1的输出端12，所述与门电路U2的第二输入端17通过第四电容C4接地，且通过第二二极管D2连接所述主控制器的第二输出端，即输入第六控制信号S6，第六控制信号S6在正常情况下保持高电平，当出现故障且故障解除后，需要主控制器的第二输出端输出低电平的第六控制信号，当第六控制信号为低电平时，与门电路第二输入端17的电位也为低电平，比第六控制信号高一个二极管导通电压，则与门电路U2重新恢复输出低电平。
更进一步的，在所述的开关保护电路中，所述与门电路U2的第一输入端16通过第三二极管D3连接电源电压VDD，所述与门电路U2的第二输入端17通过第四二极管D4连接电源电压VDD。当第一输入端16的电位过高时，通过第三二极管D3的钳位，第一输入端16的电位保持在电源电压VDD附近，保护与门电路输入端的电压低于一定阈值，防止与门电路损坏。当第二输入端17的电位过高时，通过第四二极管D4的钳位，第二输入端17的电位保持在电源电压VDD附近，保护与门电路和主控制器的第二输出端不受到大电流的冲击，防止与门电路和主控制器IO口损坏。
另外，在所述的开关保护电路中，所述与门电路U2的输出端连接第五二极管D5的阳极，所述与门电路U2的第二输入端17连接所述第五二极管D5的阴极。当与门电路输出高电平时，高电平信号通过第五二极管D5提供至第二输入端17，使第二输入端17保持高电平，如果此时U2的16也是高电平(SCB故障)，那么与门电路的输出电压被锁定在高电平上。
如图2所示，在所述的开关保护电路中，所述可控开关K2的输入端通过第八电阻R8连接所述与门电路U2的输出端，所述可控开关K2的输出端连接所述低边开关K1的输入端。所述低边开关K1的输出端连接一负载10的第二端13，所述负载10的第一端连接电池电源Vbat，电池电源Vbat为负载10提供功率输入，所述负载10的第二端13通过一第一电容C1接地，所述负载10的第一端连接一第一二极管D1的阴极，所述负载10的第二端连接所述第一二极管D1的阳极。电源电压VDD为5V电压源。
通过增加基于比较器的低边快速关断电路后，对于PWM工作时的SCB故障诊断处理由原毫秒级缩短为微秒级，保护低边开关和整个电路的PCB走线，避免了控制器的损坏，同时也可满足ISO26262功能安全的严格要求。
主控制器可以通过S7的电平状态来监测是否发生故障。低边驱动电路开关K1断开(负载不在续流时的开关断开状态)时，通过信号S7电压提供至主控制器，主控制器根据信号S7的电平状态诊断低边输出的SCG故障和OL故障(正常状态S7为高电平，但所述负载端13短路到地使S7为接近于零的低电平，而负载端13开路时由于S3为接近于零的低电平且电阻R1与S3相连的原因也使S7为接近于零的低电平)；低边开关K1导通(低边驱动电路PWM状态，即K1按照一定规律交替的闭合和关断)时，通过主控制器S7端口可诊断低边输出的SCB故障、SCG故障和OL故障(此时S7应为高、低电平交替变化，但所述负载端13短路到电源使S7为高电平，所述负载端短路到地或开路使S7为接近于零的低电平)。SCB故障会触发快速关断并保持故障锁住的状态。故障消失后，主控制器可以通过S6输出低电平进行复位，此时与门输入引脚17被拉低，实现电路故障解锁，即可关断可控开关K2，低边驱动继续正常工作。
综上，上述实施例对开关保护电路的不同构型进行了详细说明，当然，本实用新型包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本实用新型所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。