一种低损耗防倒灌高端负载开关电路的制作方法

本实用新型涉及负载开关技术领域，尤其是一种低损耗防倒灌高端负载开关电路。

背景技术：

对电子设备应用来说，高端负载开关是一个不可缺少的元件，对于低功耗设计来说，受到众多工程师重视。负载开关是一个可控开关(如受微处理mcu、单片机等)，它决定是否给某个指定负载供电：即通过外部使能信号控制导通或断开至指定负载的电源正极(电池或适配器)。相比低端负载开关，高端负载开关“流出”电流至负载电路，而低端负载开关则将负载导通或者断开电源负极，因此它从负载“汲入”电流。

高端负载开关与高端电源开关不同：高端电源开关管理与控制输出电源，其输出电流大小会有限制。相反，高端负载开关只是将电压和电流传递给“负载”，一般不具备电流限制功能，通过电流大小在高端负载开关能力范围内即可。

高端负载开关包含两部分：传输控制电路、输入逻辑电路。

传输元件：一般采用晶体管如bjt管、mos管，高端开关最基本的组成部分，其重要的参数是开关导通时的阻抗，与传输元件的结构和特性有直接关系，优先选用增强型mosfet。传输元件工作在线性区，将电流从电源正极传输至负载，作为电子“开关”元件。

传输控制电路：向传输元件的栅极(或基极)提供电压来控制导通或关断，也称为电平转换电路，外部使能信号通过电平转换来产生足够高或者足够低的栅极(或基极)偏置电压来控制传输元件的接通和关断。

输入逻辑电路：主要功能是产生使能信号，并触发栅极(或基极)控制电路来控制传输元件的接通和关断。

由于增强型mosfet一般在工作期间消耗的电流较少，在关断期间泄漏的电流也较少，并且具有比双极晶体管更高的热稳定性，所以被广泛用作高端负载开关中的传输元件。增强型mosfet传输元件可以是nmos，也可以是pmos。

对nmos管来说，需要使用高压使能信号控制电源，控制电路电压从低压使能信号进行从低向高的电平转换，需要一个电荷泵电路：电荷泵内置的一个振荡器，需要一个“快速”(flying)电容器，增加了设计复杂性和硅片大小，抵消了nmos因导通阻抗较低所带来的硅片缩小优势。当负载电流相对较低(几安培)时，电荷泵确实会增加硅片面积，增加的面积比导通阻抗所能缩小的面积要大，这使得nmos负载开关解决方案的成本和设计复杂性要高于pmos负载开关方案。如果不需要电荷泵，通过直流偏移电压进行从低向高的偏置，需要增加额外的高压轨(直流电源或者直流适配器)，因此这也不是系统级的最佳解决方案。

对pmos管而言，栅极电压通常低于源极电压(源极与电源vin相连)，并且不需要特定的内部电路或外部电压轨，就可以实现pmos工作在线性区。这是通过采用栅极控制电路将使能信号的电平从高向低转换至适当的栅极电平来实现的。不需要太多的电路或者额外的硅片面积。

nmos高端负载开关可作为极低导通阻抗的高功率系统、低电源电压传递给负载的低输入电压系统的理想选择。另一方面，pmos高端负载开关在要求设计复杂度不高的低功率系统或者要求将高电源电压传递给负载的高输入电压系统中具有一定优势。

另外，与本实用新型最相近的技术实现方案如下，但都存在一定不足：

方案一：如图1所示，传输元件为晶体管pnp，使用晶体管npn控制pnp，优点是价格便宜，低压使能信号控制高压电源；缺点是输入逻辑电路和传输元件的偏置电压电流损耗为毫安级，关断期间泄漏的电流大，电压压差大、电流损耗大，不具有防倒灌功能。

方案二：如图2所示，传输元件为增强型pmos管，使用晶体管npn控制pmos，优点是价格便宜，低压使能信号控制高压电源；缺点是输入逻辑电路的偏置电压电流损耗为毫安级，关断期间泄漏的电流小，电流损耗比方案一要低，不具有防倒灌功能。

方案三：如图3所示，传输元件为增强型pmos管，无需输入逻辑电路，外部信号只采用下拉电阻就可以实现控制pmos，优点是电路简单，关断期间泄漏的电流小，电流损耗低至微安级；缺点是控制信号电压与电源电压大小一样，不具有防倒灌功能。

方案四：如图4所示，传输元件为增强型pmos管，使用晶体管nmos控制pmos，优点是低压使能信号控制高压电源，输入逻辑电路和传输元件的偏置电压电流损耗为微安级，关断期间泄漏的电流小，电流损耗比方案三要高些、比方案一和方案二要低；缺点是不具有防倒灌功能。

因此，对于上述问题有必要提出一种低损耗防倒灌高端负载开关电路。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种低损耗防倒灌高端负载开关电路，解决了现有负载开关不具有防倒灌功能的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现：

一种低损耗防倒灌高端负载开关电路，包括第一pmos管、第二pmos管、nmos管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一pmos管的栅极和第二pmos管的栅极均连接第一电阻和第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端分别连接第一pmos管的源极和第二pmos管的源极，所述第二电阻的另一端连接nmos管的漏极，所述nmos管的栅极通过第三电阻连接微处理器，所述nmos管的源极通过第四电阻连接微处理器，所述nmos管的源极接地。

优选地，所述第一pmos管的漏极连接开关电路的输入端。

优选地，所述第二pmos管的漏极连接开关电路的输出端。

优选地，所述第一pmos管与第二pmos管的电路结构相同。

本实用新型有益效果：本实用新型低损耗防倒灌高端负载开关电路，根据不同需要使用不同型号的mos管，使用高精度电阻r1、r2串联进行分压，控制双pmos管的导通与截止，pmos管和nmos管属于电压器件，导通电流非常小，插入损耗小，作为理想的超低功耗负载开关。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术方案一的电路图；

图2是现有技术方案二的电路图；

图3是现有技术方案三的电路图；

图4是现有技术方案四的电路图；

图5是本实用新型电路原理图。

附图标记：v1、第一pmos管；v2、第二pmos管；v3、nmos管；r1、第一电阻；r2、第二电阻；r3、第三电阻；r4、第四电阻。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图5所示，一种低损耗防倒灌高端负载开关电路，包括第一pmos管v1、第二pmos管v2、nmos管v3、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，所述第一pmos管v1的栅极和第二pmos管v2的栅极均连接第一电阻r1和第二电阻r2的一端，所述第一电阻r1的另一端分别连接第一pmos管v1的源极和第二pmos管v2的源极，所述第二电阻r2的另一端连接nmos管v3的漏极，所述nmos管v3的栅极通过第三电阻r3连接微处理器(mcu)，所述nmos管v3的源极通过第四电阻r4连接微处理器(mcu)，所述nmos管v3的源极接地。

进一步的，所述第一pmos管v1的漏极连接开关电路的输入端。

进一步的，所述第二pmos管v2的漏极连接开关电路的输出端。

进一步的，所述第一pmos管v1与第二pmos管v2的电路结构相同。

本实用新型低损耗防倒灌高端负载开关电路，根据不同需要使用不同型号的mos管，使用高精度第一电阻r1、第二电阻r2串联进行分压，控制第一pmos管v1和第二pmos管v2的导通与截止，pmos管和nmos管属于电压器件，导通电流非常小，插入损耗小，作为理想的超低功耗负载开关。

本实用新型低损耗防倒灌高端负载开关电路，根据要求使用同型号的双pmos管(也可以使用同参数的对管)，负载开关导通时，电流损耗为微安级，压差小(取决于双pmos管导通电阻与导通电流之积)，损耗很低，可以作为一个理想的负载开关。负载开关截止时，电流损耗基本为0，可以忽略不计。加权平均损耗小于微安级，大大降低了设备的功耗，比前者小2个数量级以上，延长了电池的工作时间，降低了设备维护成本。本方案属于一种低损耗防倒灌高端负载开关电路，特别适合于长时间休眠的物联网应用，方案且具有很低成本的优点。

根据要求使用同型号的双pmos管(如ao3401a)，nmos管v3(如2n7002)导通时(mcu_en为高电平时)，双pmos导通(负载开关导通，双向开关)，输出vout电压约等于vin(约为vin-2*rds*i)，压差取决于双pmos导通阈值电压与导通电流大小，电流损耗为微安级(3.3v/1mω+vin/(r1+r2))；nmos管v3截止时(mcu_en为低电平时)，第一pmos管v1利用体二极管进行导通，第一电阻r1、第二电阻r2、nmos管v3阻抗rds进而进行分压，第二pmos管v2的栅极电压为v2g＝vin*(r2+rds)/(r2+rds+r1)，第二pmos管v2的栅源极电压为v2gs＝-vin*r1/(r2+rds+r1)，若v2gs<v2gs(th),v2管截止，v2管要产生截止的条件电子r1与v3管rds(阻值一般比较大)直接的阻抗比值以及输入电压，输入电压vin确定时，合理配置r1与v3管rds比例就可以让v2管断开输出电压，达到负载开关截止功能。同理，若外界高压电压vout(大于vin)接入时：pmos管v2利用体二极管进行导通，v1gs＝-vin*r1/(r2+rds+r1)，若v1gs>v2gs(th),v2管截止。

实际测试：双pmos管(如ao3401a)、nmos管v3(如2n7002)、合理配置电阻r1，vin＝3.86v锂电池，mcu_en为低电平0v时：v1管导通、v2管截止；当vout接直流电源，从3.8v开始一直28v，电阻r1两端电压约为0v，v1管没有导通，也没有电流流入到3.86v锂电池(对其进行充电)，v1起着防倒灌的作用，即vout电压很大时，电压vin几乎不变，电流损耗基本为0，可以忽略不计。

双pmos管参数调整r1和r2电阻大小，满足其需要，根据nmos管参数调整r3和r4电阻大小，满足其需要。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。