一种适用于宽电压宽温度可防止误保护的高边开关电路的制作方法

本发明涉及保护电路技术，尤其涉及高边开关电路。

背景技术：

目前，具有电流保护功能的智能高边开关电路存在以下不足：1、当高边开关电路的输出接容性负载、高边开关电路开启时，冲击电流（inrushcurrent）会导致保护电路误动作；2、无法满足宽电压、宽温度工作环境的要求；3、当工作中发生短路时，在过流保护电路动作前，最大电流很大可能会损坏器件。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高边开关电路，其可防止接容性负载时开机冲击电流以及工作过程中外部干扰引发的冲击电流带来的误保护。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种高边开关电路，其能满足宽电压、宽温度工作环境的要求，在工作过程中发生短路时，在过流保护电路动作前，可限制输出最大电流。

本发明实施例提供了一种可防止误保护的高边开关电路，包括电压输入端、电压输出端、控制信号输入端、第一开关元件q1和电流采样电路；第一开关元件q1的第一端和第二端分别与所述电压输入端和所述电压输出端连接，电流采样电路串联在所述电压输入端与第一开关元件q1的第一端之间或者是串联在第一开关元件q1的第二端与所述电压输出端之间；电流采样电路用于采样流过第一开关元件q1的电流，并输出对应于所述电流的电压信号；高边开关电路还包括旁路电容c1、启动电路、过流保护电路、保护状态锁存电路和第一开关元件控制电路；旁路电容c1与电流采样电路并联连接；启动电路的输入端与所述电流采样电路的输出端连接，启动电路的输出端与过流保护电路的控制端连接，用以在流过第一开关元件q1的电流超过预定的过流阈值时启动过流保护电路；过流保护电路用于在启动时向保护状态锁存电路输出工作信号，并向第一开关元件控制电路输出关断信号；保护状态锁存电路分别与高边开关电路的电压输入端和过流保护电路连接，用于在接收到工作信号时锁存过流保护电路输出的关断信号；第一开关元件控制电路的控制输入端分别与高边开关电路的控制信号输入端和过流保护电路的输出端连接，第一开关元件控制电路的输出端与第一开关元件q1的控制输入端连接，第一开关元件控制电路在未接收到关断信号时根据从高边开关电路控制信号输入端输入的控制信号控制第一开关元件q1的动作，在接收到关断信号时关断第一开关元件q1并使第一开关元件q1维持关断状态。

进一步地，第一开关元件q1为三极管。

进一步地，启动电路包括第三开关元件q3，第三开关元件q3的第一端和控制端分别与采样电阻r1的两端连接，第三开关元件q3的第二端与过流保护电路的控制端连接；第三开关元件q3为mos管。

本发明实施例还提供了一种适用于宽电压工作环境的高边开关电路，包括电压输入端、电压输出端、控制信号输入端、第一开关元件q1和电流采样电路；第一开关元件q1的第一端和第二端分别与电压输入端和所述电压输出端连接，电流采样电路串联在所述电压输入端与第一开关元件q1的第一端之间或者是串联在第一开关元件q1的第二端与所述电压输出端之间；电流采样电路用于采样流过第一开关元件q1的电流，并输出对应于电流的电压信号，其特点在于，第一开关元件q1为三极管；高边开关电路还包括启动电路、过流保护电路、保护状态锁存电路和第一开关元件控制电路；启动电路的输入端与电流采样电路的输出端连接，启动电路的输出端与过流保护电路的控制端连接，用以在流过第一开关元件q1的电流超过预定的过流阈值时启动过流保护电路；过流保护电路用于在启动时向保护状态锁存电路输出工作信号，并向第一开关元件控制电路输出关断信号；保护状态锁存电路分别与高边开关电路的电压输入端和所述过流保护电路连接，用于在接收到工作信号时锁存过流保护电路输出的关断信号；第一开关元件控制电路的控制输入端分别与高边开关电路的控制信号输入端和过流保护电路的输出端连接，第一开关元件控制电路的输出端与第一开关元件q1的控制输入端连接，第一开关元件控制电路在未接收到关断信号时根据从高边开关电路控制信号输入端输入的控制信号控制第一开关元件q1的动作，在接收到关断信号时关断第一开关元件q1并使第一开关元件q1维持关断状态。

本发明实施例还提供了一种适用于宽温度工作环境的高边开关电路，包括电压输入端、电压输出端、控制信号输入端、第一开关元件q1和电流采样电路；第一开关元件q1的第一端和第二端分别与电压输入端和电压输出端连接，电流采样电路串联在电压输入端与第一开关元件q1的第一端之间或者是串联在第一开关元件q1的第二端与所述电压输出端之间；电流采样电路用于采样流过第一开关元件q1的电流，并输出对应于电流的电压信号，其特点在于，高边开关电路还包括启动电路、过流保护电路、保护状态锁存电路和第一开关元件控制电路；启动电路包括第三开关元件q3，第三开关元件q3的第一端和控制端与电流采样电路的输出端连接，第三开关元件q3的第二端与过流保护电路的控制端连接，启动电路用以在流过第一开关元件q1的电流超过预定的过流阈值时启动过流保护电路；第三开关元件q3为mos管；过流保护电路用于在启动时向保护状态锁存电路输出工作信号，并向第一开关元件控制电路输出关断信号；保护状态锁存电路分别与高边开关电路的电压输入端和过流保护电路连接，用于在接收到工作信号时锁存过流保护电路输出的关断信号；第一开关元件控制电路的控制输入端分别与高边开关电路的控制信号输入端和过流保护电路的输出端连接，第一开关元件控制电路的输出端与第一开关元件q1的控制输入端连接，第一开关元件控制电路在未接收到关断信号时根据从高边开关电路控制信号输入端输入的控制信号控制第一开关元件q1的动作，在接收到关断信号时关断第一开关元件q1并使第一开关元件q1维持关断状态。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明实施例的高边开关电路接容性负载时，第一开关元件q1开启瞬间所产生的冲击电流会被旁路电容旁路；此外，在工作过程中外部干扰引发的冲击电流也会被旁路电容旁路；可防止过流保护电路被冲击电流误触发；

2、本发明实施例的高边开关电路的第一开关元件q1由三极管构成，三极管的电流可以被基极电流给限制住，如工作过程中发生短路，在过流保护电路动作前，最大电流会被三极管限制住，防止了器件损坏，并使得高边开关电路能适应宽电压范围；

3、第三开关元件q3为mos管，与三极管相比，三极管的射极基极偏置电压vbe的温飘非常大，高温时会接近0，通过电流采样电路的电流稍大、过流保护电路就会执行保护动作，导致第一开关元件q1无法开启，从而导致高边开关电路只能空载，无法带载；而mos管的栅源电压阈值vgs（th）远比vbe大，受温度影响相对小很多，因此能适应宽温度应用环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明第一实施例的高边开关电路的电路原理图。

图2示出了根据本发明第二实施例的高边开关电路的电路原理图。

图3示出了根据本发明第三实施例的高边开关电路的电路原理图。

图4示出了根据本发明第四实施例的高边开关电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1示出了根据本发明第一实施例的高边开关电路的电路原理图。请参阅图1。根据本发明第一实施例的一种可防止误保护的高边开关电路，包括电压输入端in、电压输出端output、控制信号输入端s、第一开关元件q1、电流采样电路1、启动电路2、过流保护电路3、保护状态锁存电路4、第一开关元件控制电路5、复位电路6和旁路电容c1。

第一开关元件q1的第一端和第二端分别与电压输入端in和电压输出端output连接，电流采样电路1串联在电压输入端in与第一开关元件q1的第一端之间，电流采样电路1用于采样流过第一开关元件q1的电流，并输出对应于流过第一开关元件q1的电流的电压信号。旁路电容c1与电流采样电路1并联连接。

启动电路2的输入端与电流采样电路1的输出端连接，启动电路2的输出端与过流保护电路3的第一控制端连接，启动电路2在流过第一开关元件q1的电流超过预定的过流阈值时启动过流保护电路3。

过流保护电路3用于在启动时向保护状态锁存电路4输出工作信号，并向第一开关元件控制电路5输出关断信号。

保护状态锁存电路4分别与高边开关电路的电压输入端in和过流保护电路3连接，用于在接收到工作信号时锁存过流保护电路3输出的关断信号。

第一开关元件控制电路5的控制输入端分别与高边开关电路的控制信号输入端s和过流保护电路3的输出端连接，第一开关元件控制电路5的输出端与第一开关元件q1的控制输入端连接，第一开关元件控制电路5在未接收到所述关断信号时根据从高边开关电路控制信号输入端s输入的控制信号控制第一开关元件q1的动作，在接收到所述关断信号时关断第一开关元件q1并使第一开关元件q1维持关断状态。

复位电路6的复位信号输入端r用于接收外部输入的复位信号，复位电路6的电源输入端与高边开关电路的电压输入端in连接，复位电路6的输出端分别与过流保护电路3的控制端和保护状态锁存电路4连接，复位电路6用于解除保护状态锁存电路4对过流保护电路3输出的关断信号的锁存，即，对锁存了的保护状态进行复位。

第一开关元件控制电路5包括第二开关元件q2、基极限流电阻r9和下拉放电电阻r12，第二开关元件q2的控制端分别与高边开关电路的控制信号输入端s和过流保护电路3的输出端连接，第二开关元件q2的第一端通过基极限流电阻r9与第一开关元件q1的控制输入端连接，第二开关元件q2的第二端接地；下拉放电电阻r12的一端与第二开关元件的控制端连接，下拉放电电阻r12的另一端分别与第二开关控制元件q2的第二端和地连接。

过流保护电路3包括第五开关元件q5和二极管d2；保护状态锁存电路4包括第四开关元件q4。第四开关元件q4的第一端与高边开关电路的电压输入端in连接。第五开关元件q5的控制端分别与启动电路2的输出端和第四开关元件q4的第二端连接，第五开关元件q5的第一端分别与第四开关元件q4的控制端和二极管d2的阴极连接，第五开关元件q5的第二端接地，二极管d2的阳极与第二开关元件q2的控制端连接。第五开关元件q5在导通时使第四开关元件q4导通，并使二极管d2正偏，二极管d2正偏时关断第二开关元件q2，进而关断第一开关元件q1，第四开关元件q4导通时使第五开关元件q5的控制端与高边开关电路的电压输入端in连接，以保持第五开关元件q5的输出信号不变，进而使第二开关元件q2和第一开关元件q1保持关断状态。

复位电路6包括第六开关元件q6和第七开关元件q7。第七开关元件q7的控制端用于接收外部输入的复位信号，第七开关元件q7的第一端与第六开关元件q6的控制端以及高边开关电路的电压输入端in连接，第七开关元件q7的第二端接地。第六开关元件q6的第一端分别与第四开关元件q4的第二端和第五开关元件q5的控制端连接，第六开关元件q6的第二端接地。第七开关元件q7在接收到外部输入的复位信号时关断，使第六开关元件q6导通，第六开关元件q6导通时使第五开关元件q5关断，第五开关元件q5关断时使第四开关元件q4关断，并使二极管d2反偏。

在本实施例中，电流采样电路1包括采样电阻r1，采样电阻r1串联在电压输入端in与第一开关元件q1的第一端之间，旁路电容c1与采样电阻r1并联连接。高边开关电路接容性负载时，第一开关元件q1开启瞬间所产生的冲击电流会被旁路电容c1旁路，防止了过流保护电路3被冲击电流误触发。在其它实施方式中，采样电阻r1串联在第一开关元件q1的第二端与电压输出端output之间。

启动电路2包括第三开关元件q3，第三开关元件q3的第一端和控制端分别与采样电阻r1的两端连接，第三开关元件q3的第二端与第五开关元件q5的控制端连接。

在本实施例中，第一开关元件q1为pnp三极管q1，pnp三极管q1的基极、发射极和集电极分别构成第一开关元件q1的控制端、第一端和第二端。第二开关元件q2为nmos管q2，nmos管q2的栅极、漏极和源极分别构成第二开关元件q2的控制端、第一端和第二端。第三开关元件q3为pmos管q3，pmos管q3的栅极、源极和漏极分别构成第三开关元件q3的控制端、第一端和第二端。第四开关元件q4为pnp三极管，pnp三极管q4的基极、发射极和集电极分别构成第四开关元件q4的控制端、第一端和第二端。第五开关元件q5为npn三极管，npn三极管q5的基极、集电极和发射极分别构成第五开关元件q5的控制端、第一端和第二端。第六开关元件q6为npn三极管，npn三极管q6的基极、集电极和发射极分别构成第六开关元件q6的控制端、第一端和第二端。第七开关元件q7为npn三极管，npn三极管q7的基极、集电极和发射极分别构成第七开关元件q7的控制端、第一端和第二端。

pnp三极管q1的集电极电流可以被基极电流给限制住，基极限流电阻r9起到限制npn三极管q1的基极电流的作用。如工作过程中发生短路，在过流保护电路3动作前，高边开关电路的最大电流会被pnp三极管q1限制住，防止了器件损坏，并使得高边开关电路能适应宽电压范围。第三开关元件q3采用了mos管，与三极管相比，三极管的射极基极偏置电压vbe的温飘非常大，高温时会接近0，导致第一开关元件q1无法开启，而mos管的栅源电压阈值vgs（th）远比vbe大，受温度影响相对小很多，因此能适应宽温度应用环境。

进一步地，本实施例的高边开关电路包括二极管d1，二极管d1的阳极与pnp三极管q1的集电极连接，二极管d1的阴极与pnp三极管q1的发射极连接，二极管d1对pnp三极管q1起到保护作用。

进一步地，第一开关元件控制电路5包括基极放电电阻r8和控制电阻r11。基极放电电阻r8的一端与第一开关元件q1的第一端连接，基极放电电阻r8的另一端分别与第一开关元件q1的控制端和基极限流电阻r9的一端连接。控制电阻r11的一端分别与过流保护电路3的输出端和第二开关元件q2的控制端连接，控制电阻r11的另一端与高边开关电路的控制信号输入端s连接。

进一步地，保护状态锁存电路4包括限流电阻r2和上拉电阻r3，过流保护电路3包括上拉电阻r4和电阻r15。限流电阻r2和上拉电阻r3的一端分别与高边开关电路的电压输入端in连接，限流电阻r2的另一端与pnp三极管q4的发射极连接，上拉电阻r3的另一端与pnp三极管q4的基极连接，pnp三极管q4的集电极与npn三极管q5的基极连接。上拉电阻r4的一端与启动电路2的输出端（即pmos管q3的漏极）连接，上拉电阻r4的另一端连接于pnp三极管q4的集电极、npn三极管q5的基极和电阻r15的一端的共接点，电阻r15的另一端接地。电阻r15可以旁路掉一部分高温时的漏电流，使得大部分电流不走npn三极管q5的基极，防止npn三极管q5误动作，使得本实施例的高边开关电路更能适应宽温度应用环境。npn三极管q5的集电极分别与pnp三极管q4的基极和二极管d2的阴极连接，二极管d2的阳极与第二开关元件q2的控制端连接。二极管d2的阳极构成过流保护电路的输出端。

进一步地，复位电路6包括上拉电阻r5、限流电阻r6以及下拉放电电阻r7。上拉电阻r5的一端与高边开关电路的电压输入端in连接，上拉电阻r5的另一端分别与npn三极管q6的基极和npn三极管q7的集电极连接。限流电阻r6的一端作为复位电路6的复位信号输入端r，用于接收外部输入的复位信号，限流电阻r6的另一端分别与npn三极管q7的基极和下拉放电电阻r7的一端连接，下拉放电电阻r7的另一端接地。

输入到高边开关电路的控制信号输入端s的enable信号为高电平时对应使能该高边开关电路工作的使能信号，输入到为复位电路的控制端r的reset信号为低电平时对应复位信号。根据本发明实施例的高边开关电路具有四种工况：

工况1：

enable信号为高电平，并且未发生过流。此时，采样电阻r1两端的压降小于pmos管q3的栅源电压阈值vgs（th），pmos管q3关断；npn三极管q5的基极浮空，npn三极管q5截止；pnp三极管q4的基极被上拉电阻r3上拉到vin而关断截止，vin为电压输入端in的输入电压；二极管d2的阴极被上拉电阻r3上拉到vin，二极管d2反偏截止，nmos管q2的栅极被enable信号控制为高，nmos管q2导通，进而控制pnp三极管q1导通，enable信号通过控制nmos管q2的导通与关断，间接控制了pnp三极管q1的导通与关断。此时，如reset信号为高电平，则npn三极管q7导通，npn三极管q6的基极被拉到地，npn三极管q6关断截止；如reset信号为低电平，则npn三极管q7关断，npn三极管q6的基极被上拉电阻r5上拉到vin，npn三极管q6导通。

在工况1中，从高边开关电路的电压输入端in输入的电流通过第一开关元件q1流向电压输出端output，进而输出给负载r10。

工况2：

enable信号为低电平。此时，nmos管q2的栅极输入信号为低电平，nmos管q2关断，进而使pnp三极管q1也关断截止。

工况3：

enable信号为高电平时，并发生过流。

reset信号为高电平时，npn三极管q7导通，npn三极管q6关断。npn三极管q5的基极不会被npn三极管q6下拉到地，npn三极管q5的基极电平由pnp三极管q3和pnp三极管q4控制。

由于过流（即流过第一开关元件q1的电流超过预定的过流阈值，预定的过流阈值与采样电阻r1的阻值大小有关），采样电阻r1两端的电压超过pmos管q3的栅源电压阈值vgs（th），pmos管q3导通，npn三极管q5基极的电压被上拉电阻r4上拉，npn三极管q5导通（即启动了过流保护电路），使二极管d2正偏，二极管d2正偏，nmos管q2的栅极被拉到地，nmos管q2关断，进而使pnp三极管q1关断。

pnp三极管q4的基极被npn三极管q5拉到地后，pnp三极管q4导通，npn三极管q5的基极通过pnp三极管q4被限流电阻r2上拉到vin，npn三极管q5的导通状态被锁存，进而实现了对pnp三极管q1过流保护状态的锁存。

工况4:

发生过流保护，reset信号置低，置低后的reset信号构成复位信号，实现对过流保护状态的复位。

reset信号置低时，npn三极管q7关断，npn三极管q6导通，npn三极管q5的基极电平被拉低，关断截止；pnp三极管q4基极电位升高，关断截止，二极管d2反偏。

过流保护状态复位后，如果enable信号为高电平，则nmos管q2导通，进而使pnp三极管q1也导通。

图2示出了根据本发明第二实施例的高边开关电路的电路原理图。该第二实施例与第一实施例的主要区别在于，在第二实施例中，第一开关元件控制电路5包括二极管d3，二极管d3的阳极分别与下拉放电电阻r12的另一端和第二开关控制元件q2的第二端连接，二极管d3的阴极接地。小信号mos管的栅源电压阈值vgs(th)比较低，高温下更低。通过增加二极管d3，可以抵消二极管d2的正向导通压降，抬高nmos管q2的源极电位，使得保护关断时，nmos管q2的栅源电压阈值vgs(th)更低，实现mos管的可靠关断。

图3示出了根据本发明第三实施例的高边开关电路的电路原理图。该第三实施例与第二实施例的主要区别在于，在第二实施例中，高边开关电路的控制信号输入端s和复位电路的复位信号输入端r是彼此独立的，enable信号和reset信号分开输入，而在第三实施例中，复位电路的复位信号输入端与高边开关电路的控制信号输入端是同一个信号输入端，从该信号输入端输入的低电平信号为复位信号reset，复位信号reset用于解除对保护状态的锁存，从该信号输入端输入的高电平信号为使能信号enable，使能信号enable用于使能该高边开关电路工作。

图4示出了根据本发明第四实施例的高边开关电路的电路原理图。该第四实施例与第二实施例的主要区别在于，第四实施例移除了第二实施例中的复位电路6。

本发明实施例的高边开关电路由分立器件构成，成本低廉，通过改变采样电阻的阻值可以灵活地设置该高边开关电路的过流阈值，一旦流过第一开关元件的电流超过该过流阈值，过流保护电路会迅速关断第一开关元件q1，同时保护状态锁存电路会对保护状态进行锁存，实现了限流保护，由于能够锁存保护状态，因此本实施例的过流保护功能与现有技术相比更加稳定可靠。此外，通过复位电路，还可以解除对保护状态的锁存，使用十分灵活。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。