一种高边开关电路的制作方法

本发明涉及一种高边开关电路，属于电子与电源技术领域。

背景技术：

目前公知的车用高边开关芯片已基本可以覆盖到电流≤10a的所有负载的控制及保护，而对于电流＞10a以上的负载，高边开关芯片的成本较高，使用较少；对于电流＞20a以上的负载，目前还没有相应的高边开关芯片，电流超过20a的负载只能使用继电器控制，并且使用保险丝进行短路保护。众所周知，继电器存在体积大、重量重、寿命短、可靠性差等缺点，并且保险丝在保护时也存在保护慢、保护不精确、烧毁后需要更换等缺点，并不适用于汽车这种实时性、可靠性、准确度要求高的设备。

因此，为了解决车用大电流控制这个问题，汽车行业一般采用mos管加驱动芯片的设计方案，过流及短路保护通过额外硬件电路来实现。这种设计方案中驱动芯片价格昂贵，待机电流较大，一般在20ma以上；另外，驱动芯片需要一个微控制器mcu输入电平信号以维持mos管的开启，电平信号与微控制器mcu的耦合度较高，不利于实现故障的解耦。这种电路不仅成本很高，而且对使用技术条件要求也很高。

为此，有人提出一种无需驱动芯片的开关电路，例如：申请公布号为cn111049509a的中国发明专利申请文件，该申请文件公开了一种自锁开关电路及电源模块，其中自锁开关电路使用mos管搭建，并且具有自锁功能，可以通过正脉冲信号控制开通和关断。

然而上述申请文件的自锁开关电路无法实现保护，导致可靠性较低。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种高边开关电路，用以解决现有开关电路可靠性低的问题。

为实现上述目的，本申请提出了一种高边开关电路的技术方案，包括：

第三开关管q3，用于串设在电源端和输出端之间；且第三开关管q3的控制端用于连接电源端；

第三开关管q3的驱动电路，所述驱动电路包括第二开关管q2、第一开关管q1，第一开关管q1驱动控制连接第二开关管q2；第二开关管q2驱动控制连接第三开关管q3；

on端，连接第二开关管q2的控制端；

off端，连接第一开关管q1的控制端；

还包括保护电路和用于提供反馈信号实现第二开关管q2持续导通的自锁电路：

保护电路的一端连接输出端，另一端连接第二开关管q2驱动控制连接第三开关管q3的一端，保护电路上串设有分压电阻r8和负温度系数的热敏电阻rntc；所述热敏电阻rntc用于采集第三开关管q3的温度；

自锁电路的一端连接分压电阻r8和热敏电阻rntc的分压点，另一端连接第二开关管q2的控制端。

本发明的高边开关电路的技术方案的有益效果是：本发明的高边开关电路设置有保护电路，保护电路上串设有负温度系数的热敏电阻rntc，也即温度越高，电阻越低；在高边开关电路发生过流或者过温的故障时，第三开关管q3的温度会上升，导致热敏电阻rntc温度上升，使得热敏电阻rntc的电阻降低，热敏电阻rntc的电阻降低后，分压电阻r8和热敏电阻rntc的分压点的电压降低，反馈至第二开关管q2的反馈电压降低，导致第二开关管q2无法导通，第三开关管q3控制端的电压升高，第三开关管q3关断，可靠的实现了高边开关电路过流/过温的保护。

进一步的，为了实现输出短接保护，保护电路上还设置有稳压管d3，稳压管d3的阴极连接输出端，稳压管d3的阳极连接分压电阻r8。

进一步的，为了保护第三开关管q3，第二开关管q2驱动控制连接第三开关管q3的一端与电源端之间设置有第一分压电路，所述第一分压支路上串设有电阻r5和电阻rq3，第三开关管q3的控制端连接电阻r5和电阻rq3的分压点，电阻r5两端并联有稳压管d2，用于对第三开关管q3起到过压保护作用。

进一步的，为了减小反馈信号，保护第二开关管q2，所述自锁电路上设置有电阻r7，用于对反馈电流起到限流作用。

进一步的，为了保护第二开关管q2，on端与第二开关管q2的控制端之间设置有电阻rin，所述电阻rin对第二开关管q2起到限流保护作用。

进一步的，为了保护第二开关管q2，所述第二开关管q2的控制端和地之间设置有电阻r4，用于给第二开关管q2的控制端提供稳定电平。

进一步的，为了实现输入信号的滤波，所述第二开关管q2的控制端和地之间设置有电容cin，用于对输入信号进行滤波。

进一步的，为了保护第二开关管q2，所述第二开关管q2的控制端和地之间设置有稳压管d1，稳压管d1的阴极连接第二开关管q2的控制端，稳压管d1的阳极接地，用于保护第二开关管q2的控制端，确保不会产生过压。

进一步的，为了保护第一开关管q1，off端与地之间串接有第二分压支路，所述第二分压支路的分压点连接第一开关管q1的控制端。

进一步的，为了提高高边开关电路的可靠性，所述第三开关管q3为一个或者多个并联的p型mos管。

附图说明

图1是本发明高边开关电路的电路结构图；

图2是本发明高边开关电路的工作时序图；

图3是本发明高边开关电路的设计流程图。

具体实施方式

高边开关电路实施例：

高边开关电路如图1所示，包括：第三开关管q3、第三开关管q3的驱动电路、on端、off端、电源端、输出端、保护电路以及自锁电路。

第三开关管q3为mos管q3，串设在电源端和输出端之间，电源端用于连接电源vbat，输出端用于连接负载，具体为，mos管q3的源极s连接电源端，mos管q3的漏极d输出连接输出端；并且mos管q3的控制端连接通过电阻r5连接电源端，电阻r5和电阻rq3组成第一分压支路，第一分压支路设置在电源端和第三开关管q3的驱动电路之间，电阻r5和电阻rq3的分压点连接mos管q3的门极g(也即mos管q3的的控制端)。同时，在电阻r5两端并联一个稳压管d2，稳压管d2的阴极连接mos管q3的源极s，稳压管d2的阳极连接mos管q3的门极g。

mos管q3的驱动电路包括第二开关管q2、第一开关管q1，第一开关管q1驱动控制连接第二开关管q2；第二开关管q2驱动控制连接第三开关管q3。具体为：

第二开关管q2为mos管q2，mos管q2的漏极d(即驱动控制连接mos管q3的一端)连接电阻rq3，mos管q2的源极s接地；mos管q2的门极g(也即mos管q2的控制端)通过电阻rin连接on端；on端用于接收打开on信号；

第一开关管q1为三极管q1，三极管q1的基极b(即控制端)通过电阻r2连接off端，电阻r2和电阻r3组成第二分压支路设置在off端和地之间，三极管q1的基极b连接电阻r2和电阻r3的分压点；三极管q1的集电极c(即驱动控制连接mos管q2的一端)连接mos管q2的门极g，三极管q1的发射极e接地；off端用于接收关断off信号；

同时，在mos管q2的控制端和地之间还设置有并联的电阻r4、电容cin、稳压管d1，稳压管d1的阴极连接mos管q2的控制端，稳压管d1的阳极接地。

保护电路可以实现过流、过温以及输出短接保护，保护电路上设置有串联的稳压管d3、电阻r8(即分压电阻，可以为一个或多个电阻的串联)、热敏电阻rntc(负温度系数的热敏电阻)，电阻r8和热敏电阻rntc串联分压，热敏电阻rntc被布置在mos管q3的附近，以检测mos管q3的温度。热敏电阻rntc须被布置在高边开关mos管q3的附近，尽量靠近mos管q3，且两者之间的热阻需要设计的尽量小，使mos管q3的结温和热敏电阻rntc的温差δt尽量小。保护电路的一端连接输出端，另一端连接mos管q2的漏极d，具体为，热敏电阻rntc的一端连接电阻r8，另一端连接mos管q2的漏极d，稳压管d3的阳极连接电阻r8，稳压管d3的阴极连接输出端。

自锁电路上设置有一个电阻r7，电阻r7的一端连接电阻r8和热敏电阻rntc的分压点，另一端连接mos管q2的门极g。

上述高边开关电路中各器件的作用如下：

电阻rin起到对mos管q2的限流保护作用；电阻r4用于给mos管q2的门极g提供稳定电平；电容cin对输入信号起到滤波作用，同时和电阻rin一起来调节高边开关电路的延时打开时间；稳压管d1用于保护mos管q2的门极g，确保不会产生过压；电容cin对输入信号起到滤波作用，同时和电阻rin一起来调节高边开关的延时打开时间；

电阻r2起到对三极管q1的限流保护作用，电阻r3用于确保三极管q1的可靠控制，电阻r2和电阻r3一起组成第二分压电路保护三极管q1的基极b不产生过压；

mos管q3用于控制电源vbat的输出和关断；mos管q2用于控制mos管q3的导通状态；三极管q1用于控制mos管q2的导通状态；稳压管d2对mos管q3起到过压保护作用；电阻r5为mos管q3提供一个稳定的上拉电源；电阻rq3用于起到对mos管q3的限流保护作用，并且在限流的同时可以调节mos管q3的上升沿时间；稳压管d3起到输出短路保护的作用；电阻r8和热敏电阻rntc串联起到限流作用，并且热敏电阻rntc起到过流及过温保护作用；电阻r7为反馈电阻，将反馈信号输入至mos管q2的门极g，以持续控制mos管q2的导通。

上述高边开关电路中各器件的选型如下：

mos管q3为功率型p沟道mosfet，可以是一个或多个并联；mos管q2为小信号n沟道mosfet；电阻r5的阻值为47kω；电阻rq3的阻值为10kω；电阻r7的阻值为1kω；电阻r8的阻值为30kω；电阻rin的阻值为47kω；电阻r2的阻值为1kω；电阻r3的阻值为10kω；电阻r4的阻值为81kω；打开on信号和关断off信号的脉冲大小为5v左右，脉冲宽度取决于具体应用；mos管q2的导通电压在3v左右。

本发明的高边开关电路的主要构思在于，基于现有技术保护可靠性差的问题，在现有技术的基础上增加高边开关电路的过流/过温保护功能以及输出短接保护功能，由于过流/过温时均会出现温度过高的现象，因此对于过流/过温保护功能一般的设计思路为检测温度，目前常用的检测温度的电子元件为负温度系数电阻，负温度系数电阻的工作原理为：温度越高，电阻越低，基于这个原理，在过流/过温时为了实现保护要断开电源的输出，需要控制mos管q3断开，也即将mos管q2断开，拉高mos管q3控制端的电压。为了实现过流/过温保护的工作过程，设计人员一般会将热敏电阻rntc接地，使得电阻r7的反馈信号减小，以保证过流/过温时，mos管q2断开，然而在实际测试过程中发现，如此设置在打开on信号到来时，出现mos管q2无法导通的现象。经过分析发现，热敏电阻rntc的另一端接地后，电阻rin、电阻r7、热敏电阻rntc串联，对打开on信号的5v进行分压，由于电阻rin的电阻较大(电阻rin的阻值较大是为了防止反馈电流影响信号端，因此电阻rin的阻值不能降低)，分压较大，导致mos管q2的门极g电压无法达到导通电压3v，进而无法实现mos管q3的导通控制，因此，本发明将热敏电阻rntc的另一端连接至mos管q2的漏极d，避免上述情况的发生。

本发明为了实现如图2所示的高边开关的时序控制，进行如图3所示的设计过程：

1)根据工作电流设计mos管q3的导通阻抗rq3ds_on；p沟道mos管q3的导通阻抗rq3ds_on计算公式如下：

其中：rq3ds_on为mos管q3的导通阻抗；tj_mos为mos管q3的结温；tamb为环境温度；iload为应用的负载电流；rthja_mos为mos管q3的热阻。

如根据此公式得出的导通阻抗rq3ds_on值过小，没有符合要求的p沟道mos管，可以采用多个p沟道mos管并联的方式，来达到工作电流所需的导通阻抗rq3ds_on。

2)根据应用要求设计高边开关电路的延时打开时间ton_delay，也即mos管q3的延时打开时间tdelay_q3；tdelay_q3计算公式如下：

cq2＝cq2_gate+cin；

其中：tdelay_q3为mos管q3的延时打开时间；vq2_th为mos管q2的门限电压；vin_on为控制电压；rin为输入电阻的电阻值(即电阻rin的电阻值)；cq2为mos管q2的输入总电容；cq2_gate为mos管q2的门极电容；cin为输入电容的电容值(即电容cin的电容值)。

3)根据应用要求设计高边开关电路接通时输出电压的上升沿时间trise，也即mos管q3输出电压的上升时间trise_q3；trise_q3计算公式如下：

其中：trise_q3为mos管q3输出电压的上升时间；vq3_th为mos管q3的门限电压；vbat为电源电压；rq3为mos管q3的门极输入电阻；cq3为mos管q3的的输入电容。

4)根据应用要求设计高边开关电路对地短路的保护电流isc；isc计算公式如下：

vd3_br＞vout_sc

其中：isc为高边开关电路对地短路的保护电流；rsys_in为系统输入阻抗；rq3ds_on为mos管q3的导通阻抗；rsc_out为高边开关电路对地短路阻抗；vout_sc为高边开关电路对地短路时的输出电压；vd3_br为稳压管d3的击穿门限电压，稳压管d3的击穿门限电压vd3_br要求高于对地短路时输出电压vout_sc。

5)根据应用要求设计高边开关电路过流保护的电流ioc；ioc计算公式如下：

其中：ioc过流保护的电流值；tj_mos_max为mos管q3的最高允许结温；tamb为环境温度；rq3ds_on为mos管q3的导通阻抗；rthja_mos为mos管q3的热阻。

6)根据应用要求设计高边开关电路过热保护的分压电阻r8；电阻r8阻值的计算公式如下：

其中：tshut为设定的热关断温度；δt为mos管q3的结温与电阻rntc的温差；tj_mos_max为mos管q3的最高允许结温；rntc.shut为电阻rntc在关断时的阻值；rt25为电阻rntc在温度为25℃时的阻值；bntc为电阻rntc的b值；t25为温度25℃；r8_act为根据热关断温度得到的电阻r8的阻值；vd3_br为稳压管d3的击穿门限电压；vq2_shut为mos管q2关断门限电压。

7)根据应用要求设计高边开关电路的待机电流istandby；istandby计算公式如下：

其中：istandby为高边开关电路的待机电流；vd2为稳压管d2的击穿电压；vd3为稳压管d3的击穿电压；rq3为mos管q3的门极输入电阻；rntc为电阻rntc的阻值；r8_act为根据热关断温度得到的电阻r8的阻值。

经过上述设计的高边开关电路的工作过程为：

在打开on信号和关断off信号均无效时，三级管q1、mos管q2、mos管q3均处于关断状态，此时电阻r3将三极管q1基极的电压拉低，使三极管q1处于截止状态；电阻r4将mos管q2的门极g的电压拉低，使mos管q2处于关断状态，电容cin可提高mos管q2的抗干扰性能，使高边开关电路在强干扰条件下保持稳定状态；电阻r5将mos管q3的门极g的电压拉高，使mos管q3处于关断状态。

在打开on信号使能后，打开on信号通过电阻rin控制mos管q2导通，mos管q2导通后，通过电阻rq3将mos管q3门极g的电压拉低，mos管q3导通；高边开关电路开始进入导通状态，经过一段时间ton_delay后，输出电压开始上升，经一段时间trise后，输出电压达到电源电压vbat；

输出电压升高后，达到稳压管d3的击穿电压，稳压管d3击穿，电阻r8和热敏电阻rntc串联分压，分压点的电压即为反馈信号，反馈信号通过电阻r7控制mos管q2的导通，进而维持高边开关电路处于持续导通状态，此时便可以撤掉打开on信号，即打开on信号本身是一个高电平脉冲信号，脉冲宽度ton取决于具体应用。

在高边开关电路处于导通状态时，关断off信号使能后，关断off信号经电阻r2和电阻r3分压后，控制三极管q1导通，将反馈信号强制拉低，mos管q2立即关断，进而导致mos管q3的门极g的电压被电阻r5拉高，mos管q3立即关断；在mos管q3关断后，负责维持mos管q3导通的反馈信号随之消失，此时便可以撤掉关断off信号，即关断off信号本身也是一个高电平脉冲信号，脉冲宽度toff取决于具体应用。

在高边开关处于导通状态时，如果发生输出对地短路故障，输出端电压(即mos管q3漏极d的电压)将被拉低，输出电流将急剧升高，经过一段时间toff(sc)后，达到最大短路电流值，当输出电压低于稳压管d3的击穿电压时，稳压管d3从击穿导通状态转变到截止状态，反馈信号消失，mos管q2因无控制信号而关断，导致mos管q3立即关断，高边开关电路进入稳定关断状态，即保护钳位状态，起到对地短路保护钳位功能。

在高边开关处于导通状态时，如果输出电流过大，mos管q3将因过流而发热，由于热敏电阻rntc被布置在mos管q3附近，且热敏电阻rntc是负温度系数电阻(热敏电阻rntc的电阻值随温度升高而减小)，当mos管q3温度达到设计的关断温度tshut时，反馈信号将不能继续维持mos管q2的导通控制，mos管q2因无控制信号而关断，导致mos管q3立即关断，高边开关电路进入稳定关断状态，即过流过热钳位状态，起到过流过热保护钳位功能。

上述实施例中，mos管q3可以是任意型号的p沟道mosfet，电压及电流等级根据具体应用进行选择，mos管q3为一个或多个p沟道mosfet并联，可根据应用进行选择设计。

上述实施例中，mos管q2为小信号n沟道mosfet，作为其他实施方式，mos管q2也可以采用三极管替代，但会增加电路的待机电流，本发明对此不做限制。

上述实施例中，三极管q1为普通的三极管，作为其他实施方式，三极管q1也可以用n沟道mosfet进行替代，本发明对此不做限制。

上述实施例中，保护电路可以起到过流/过温以及输出短接的保护，作为其他实施方式，在输出可靠的情况下，无需进行输出短接的保护，也即稳压管d3也可以不设置。

本发明在现有技术的基础上增加了保护电路，其主要实现的是高边开关电路的过流/过温以及输出短接的保护，关于本发明中对各个开关管起到限流、滤波、稳压等作用的器件均是为了提高电路的稳定性而设置的，因此并不是本发明实现保护的必要的器件，可以不设置。

本发明提出的高边开关电路不需要mcu以及驱动芯片，简化了系统设计，降低了整体的成本，并且具有低待机电流(待机电流可以降到毫安级)、集成保护功能以及带钳位功能，提高了开关电路的可靠性。该开关电路可以支持任意负载类型，如阻性、容性、感性，或为其它控制器供电，而且该开关电路不仅可以应用到汽车的电源系统中，还可以集成于任何配电盒、控制器或固态继电器中，用于替代大电流继电器的应用，或替代需要mcu控制的成本较高的高边开关芯片，或分立的高边开关电路，应用范围广。