電源開關切換電路的製作方法

2023-05-16 15:01:56 2

專利名稱：電源開關切換電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源開關控制技術，特別涉及一種電源開關切換電路，屬於 電學技術領域。
背景技術：
開關電路，簡而言之，就是一種控制線路通斷的電路，通常用於控制電 源通路的通斷，由控制信號的高低電平來決定開關的通斷。開關電路上的開 關的閉合速度通常由開關控制電路決定。另外，圖1為現有技術開關切換電 路的結構示意圖，如圖1所示的開關切換電路，為了保證輸出電路的供電穩
定性，在電源輸出一側通常有大量的儲能電容。圖中CL為負載電路的等效電 容，通常在大功率應用中為幾千微法，RL為負載電路的等效電阻；該電路連 接負載後的工作電流應為U/RL;該電3各開關開啟的瞬間，電流為 U/(Resr+Rs),其中Resr是負載電路的等效電容的串聯等效電阻，通常不超 過1歐，Rs是開關開啟導通後的電阻，通常不超過1歐，由於RL〉> (Resr+Rs)， 所以開啟瞬間電流遠遠大於電路正常的工作電流。將該開啟瞬間的電流稱為 浪湧電流。
在實際應用中，開關切換電路通常使用半導體開關器件，其中絕緣柵型 金屬氧化物半導體場效應管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,以下簡稱MOSFET )是一種常見的半導體開關器件。圖2為現有 技術MOSFET開關切換電路的原理示意圖，MOSFET有三個引腳分別為柵極G， 源極S，漏極D。當在GS之間不加電壓時，DS之間的電阻無窮大，相當於把 電源通路斷開；當GS之間的電壓大於MOSFET開啟電壓^時，DS之間的電阻
的阻值快速減少到幾十毫歐，相當於開關閉合。開關控制電路就是根據控制
信號來控制G腳的電壓，以達到控制電路通斷的作用。開啟電壓^為MOSFET 器件固有的參數。
圖3為現有技術MOSFET開關切換電路的結構示意圖，如圖3所示，電路 採用控制電壓Ul通過電阻Rl接到MOSFET的柵極，當邏輯控制信號為低電平 時，三極體Q2飽和導通，Q4的柵極電壓為零，當邏輯控制信號為高電平時， 三極體Q2截止，控制電壓Ul接通到MOSFET的棚-極。
圖4為現有技術MOSFET的柵極電壓^與源極/漏極間電流的變化關係示 意圖，如圖4所示，表示了 MOSFET的柵極電壓P^、源極D/漏極S之間的電 流/。及MOSFET的的源漏極電壓^的變化關係，/。為MOSFET的D極到S極流 過的電流。密勒電壓已,^為MOSFET的柵極電壓波形中階梯形電平的電壓，如 圖4中的第③階段的平坦區域所示。4^是採用恆定電流對柵極充電時由 MOSFET自身參數形成的固有恆定電平，其大小與MOSFET自身參數有關。
結合圖3和圖4， MOSFET的開啟過程可分為4個階段
① 驅動電壓^從0上升到^ (2~4V) ， ^5和/。保持不變；
② 驅動電壓f^從^上升到F^， f;保持不變，^迅速升高，產生浪 湧電流^一；
③ 驅動電壓f^保持^^不變，/。逐漸減小到額定值，^從^鵬降低
到o;
④ 驅動電壓^s繼續上升到額定值，^,和/。不變。
由於電路參數一般按照額定工作電流來設計。瞬間的浪湧電流將會衝擊 到所有串聯在此通路上的器件，並對附近的信號造成影響，例如對自身的柵 極控制信號造成幹擾，導致開關控制信號不斷振蕩。如果這個開關浪湧電流 太大，也可能造成該電源的地平面波動，導致電路板上的邏輯器件永久性損 壞。由此限制該浪湧電流就成為保證電路和設備可靠性的關鍵指標之一。
分析上述傳統的M0SFET開關切換電路的驅動電路，浪湧電流的最大值與 ②階段的時間有關，而由控制電壓Ul進行驅動的電路中，②階段的時間很短。 通過調整電阻R1的大小可以調整整個f^電壓波形上升的時間，增大電阻R1 會增大②階段時間，減少最大浪湧電流的衝擊。但這樣做，浪湧電流的抑制 效果不明顯。並且，在大電容的負載電路的應用中，浪湧電流依然很大。所 以，從對電路和電源本身造成的影響來考慮，該方法的應用很受限制。另夕卜， 由於該方法抑制浪湧電流付出的代價是使整個電路開關的速度大大的延遲， 不能在例如雙電源冗餘供電等快速開關應用中滿足應用要求。
圖5為現有技術改進的M0SFET開關切換電路的結構示意圖，如圖5所示， 將兩個MOSFET並Jf關，具體實現方法如下
首先控制開啟電壓Sa導通內阻較大的MOSFET Ql,對後級電路的電容進 行充電，利用M0SFET Ql的較大的導通電阻來抑制浪湧電流；在一段時間以 後，控制開啟電壓Sb打開內阻較小的M0SFETQ2提供正常工作的電流。可以 看出，這種方法需要2組大功率的M0SFET器件，電路成本比較昂貴，並且需 要2個控制信號，浪費控制器的1/0埠資源，另外，2組大功率M0SFET的 器件體積也較大，不易小型化。

發明內容
本發明的目的是為了解決上述現有技術中的缺陷，提供一種電源開關切 換電路，以控制浪湧電流的產生，使得電路工作穩定，器件不易損壞，並且 電路成本低、體積小。
為實現上述目的，本發明提供了一種電源開關切換電路，包括
場效應電晶體，用於在分級控制電壓的控制下開啟或關斷，所述場效應 電晶體包括柵極、源極和漏極，所述柵極連接所述分級控制電壓，所述漏極 連接電源輸入端，所述源極連接負載輸出端；
控制電路，用於通過邏輯控制信號的控制，將該控制電路輸入端輸入的
兩路控制電壓合成所述分級控制電壓輸出，所述控制電路的輸出端與所迷場 效應電晶體的柵極連接。
由上述技術方案可知，本發明的電源開關切換電路通過採用控制電路將 輸入的兩路控制電壓合成分級控制電壓，並利用合成的分級控制電壓對場效 應電晶體的柵極進行分級充電，通過該分級控制電壓的控制可以達到抑制場 效應電晶體導通時產生的浪湧電流，使得電源開關控制下的電路工作穩定， 器件不易損壞，並且由於該電路僅採用一個場效應電晶體，因此成本低、體 積小。


圖1為現有技術開關切換電路的結構示意圖2為現有技術MOSFET開關切換電路的原理示意圖3為現有技術M0SFET開關切換電路的結構示意圖4為現有技術MOSFET的柵極電壓l^與源極/漏極間電流的變化關係示
意圖5為現有技術改進的MOSFET開關切換電路的結構示意圖； 圖6為本發明電源開關切換電路第一實施例的結構示意圖； 圖7為本發明電源開關切換電路第一實施例的MOSFET的柵極電壓波形和 源/漏極電流波形示意圖8為本發明電源開關切換電路第二實施例的結構示意圖9為本發明電源開關切換電路第二實施例的另一結構示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。 本發明為了解決使用場效應電晶體(MOSFET)作為電源開關時的浪湧電 流問題，在原有的控制電源開關切換的控制電路上，增加了一路控制電壓，
使得M0SFET開啟時的柵極電壓波形可以受到新增加的控制電壓的控制，從而 抑制浪湧電流。抑制浪湧電流將會減少電源通路上的器件損傷，減少浪湧電 流對電源造成的沖擊；減少浪湧電流對周圍電路的幹擾，防止周圍電路的串
擾，並減少周圍晶片受感應電壓或電流的衝擊的強度；抑制浪湧電流可加快 大功率熱插拔電源的切換速度，滿足大功率熱插拔電源快速響應時間。
圖6為本發明電源開關切換電路實施例一的結構示意圖，圖7為本發明 電源開關切換電路第一實施例的M0SFET的柵極電壓波形和源/漏極電流波形 示意圖。如圖6所示，電源開關切換電路包括場效應電晶體Q4，可以在分 級控制電壓的控制下開啟或關斷，該場效應電晶體Q4包括棚-極G、源極S和 漏極D，柵極G連接分級控制電壓，漏極D連接電源輸入端，源極S連接負 載輸出端；控制電路IOO，可以通過邏輯控制信號的控制，將該控制電路IOO 輸入端輸入的兩路控制電壓Ul和U2合成分級電壓輸出，控制電路100的輸 出端與場效應電晶體Q4的柵極G連接。
其工作過程為兩路控制電壓Ul和U2通過控制電路100可以合成單路 的分級控制電壓施加到MOSFET的柵極，由控制電路100合成的M0SFET的柵 極電壓波形，如圖7所示，具有抑制電流/。的作用，其中，/,"勵為傳統M0SFET
電源開關電路的浪湧電流，/', ^為本發明電源開關切換電路的浪湧電流。
通過如圖7所示的MOSFET的柵極電壓波形和源/漏極電流波形，能夠實 現控制MOSFET的/。的最大值，從而達到抑制浪湧電流的目的。
圖8為本發明電源開關切換電路第二實施例的結構示意圖，如圖8所示， 包括場效應電晶體Q4，其中，控制電路100包括邏輯控制電路ll，可 以控制兩路控制電壓Ul和U2合成的分級控制電壓的輸出，輸入端連接邏輯 控制信號；柵極充電控制電路12，可以控制片冊才及充電的電壓值及充電時間， 輸入端分別與第一控制電壓U1、第二控制電壓U2連接，輸出端與柵極連接， 並且柵極充電控制電路12與邏輯控制電路11的輸出端連接；電容C,控制 第二控制電壓U2的持續時間，以及柵極的放電時間，電容C的一端連接柵極 充電控制電路12，另一端接地；柵極放電控制電路13，根據邏輯控制電路 11輸出的邏輯控制信號控制場效應電晶體的柵極放電，輸入端與邏輯控制電 路11的輸出端連接，並且柵極放電控制電路13與柵極充電控制電路12和地 連接；第一電阻R1，對場效應電晶體Q4的柵極-源極內部電容進行放電，與 場效應電晶體Q4的柵極和源極連接。
在該實施例中，圖9為本發明電源開關切換電路第二實施例的另一結構 示意圖，如圖9所示，電源開關電路的更具體的結構為
邏輯控制電路11包括第二電阻R2， 一端連接邏輯控制信號；第一三 極管Ql,其基極b連接第二電阻R2的另一端，集電極c連接柵極充電控制 電路12,發射級s接地。
柵極充電控制電路12包括第一柵極充電電路，其包括第三電阻R3， 第三電阻R3的一端連接第一控制電壓U1，第四電阻R4，第四電阻R4的一端 連接第三電阻R3的一端，第四電阻R4的另一端連接第一三極體Ql的集電極 c，第一二極體D1，陽極連接第三電阻R3的另一端和電容C的一端，陰極連 接M0SFETQ4的柵極G;第二柵極充電電路，其包括第五電阻R5，第五電阻 R5的一端連接第二控制電壓1)2,第二二極體D2，陽極連接第五電阻R5的另 一端，陰極連接M0SFETQ4的柵極。
在該柵才及充電控制電路12中，第二控制電壓U2的值在M0SFETQ4的開啟 電壓&和米勒電壓、*之間，第二控制電壓U2可以是獨立的電壓源提供的， 也可以是從第一控制電壓Ul分得的電壓。
柵極放電控制電路13包括第六電阻R6，第六電阻R6的一端連接第一 三極體Ql的集電極c;第二三極體Q2，其基極b連接第六電阻R6的另一端， 發射極e接地；第七電阻R7，第七電阻R7的一端連接第二三極體Q2的集電 極c，第七電阻R7的另一端連接電容C的一端；第八電阻R8，第八電阻R8 的一端連接第一三極體Ql的集電極c;第三三極體Q3，其基極b連接第八電 阻R8的另一端，集電極c連接第二二極體D2的陽極，發射極e接地。
其中，邏輯控制信號由邏輯控制器或開關控制器產生。
圖9所示電路的具體工作過程為
首先需要選取設定上述圖9中電路中的重要元件的參數值。選取控制電 壓U1和U2的電壓值。由上述可知，U2電壓的電壓值應該i殳定在開啟電壓^
和密勒電壓rm,//w之間，同時需要根據所需控制的浪湧電流的大小對應選取具 體的電平高度。U2越靠近、,^電壓，導通浪湧電流值就越大，反之U2越靠近 ^，導通浪湧電流值就越小。U2的持續時間等效於浪湧電流的受控時間，該 時間的大小與R3和C的參數乘積R3吒有關，R3^越大，則持續時間越長， 反之持續時間越短。Ul和U2為用以合成M0SFETQ4的分級控制電壓的兩路控 制電壓信號，U2電壓低於U1電壓，因此U2可以通過U1的分壓電路來實現， 也可以採用不同的電壓源分別作為Ul和U2的電源電壓。邏輯控制信號可以 是邏輯控制器件輸出控制的，也可以是開關控制器輸出的信號控制的。 M0SFETQ4為起開關作用的M0SFET,下面詳細說明邏輯控制信號如何控制 MOSFET通斷的。具體過程如下
要打開電源供電迴路的電源開關M0SFET Q4時，如圖9所示，邏輯控制 信號輸出高電平，Ql導通，Q2和Q3截止，Ul通過R3和Dl迴路給Q4的柵 極充電，由於電容C的存在，因此，Dl的陽極的電壓是緩慢上升的；同時， U2通過R5和D2迴路也給Q4的柵極充電，由於U2迴路電壓上升快於Ul，因 此開通瞬間的0~ tl階段，如圖7所示，Dl反向關斷，D2正嚮導通，因此， Q4的柵極電壓接近於U2的電壓值。
隨著Ul通過R3對C的充電，Dl的陽極的電壓不斷升高，經過tl t2 這段延時後，由於D1的陽極電壓將高於D1的陰極電壓U2， Dl將導通，此時， D2截止，Q4的柵極電壓逐漸上升，直到電容C充到U1電平，Q4的柵極電壓 將接近於Ul的電壓值，Q4的柵極電壓到此就完成了一次Q4的分級開啟的過 程。
其中，R5的大小決定了圖7中的0~tl段的時間；充電時間常數R3^ 的值決定了圖7中的tl t2段的時間；t2時刻以後的波形由R3的充電斜率 決定，充電斜率是指U2和U1之間的那段斜線的傾斜度，跟R3的阻值有關， R3的阻值越小，該斜線的傾斜度就越大；最後Q4的柵極所加電壓的大小等 於第一控制電壓Ul的大小。圖7的4冊;〖及電壓波形就可以通過如圖9所示的電 路完整實現。
當需要關斷電源供電迴路的電源開關M0SFET Q4時，邏輯控制信號輸出低 電平，此時Q1截止，Q2和Q3導通，C通過R7來放電，R7用來控制電容C 的放電電流，避免Q2因為放電電流過大而燒毀，同時Rl也是M0SFETQ4的柵 極-源極內部電容的放電電阻，保證M0SFETQ4的快速關斷。
所示，具有如下特徵
(1)柵極電壓的電平至少包括一個階梯形電平，該階梯形電平等於控制 電壓U2。因此，該階梯型電平的大小是由控制電壓U2決定的。控制電壓U2 的大小需在MOSFET的柵極開啟電壓和密勒電壓之間。
(2 )受抑制的浪湧電流的最大值/',自a由控制電壓U2的幅值對應的/。確 定。增大U2的幅值可增大/',歸a ，反之減'J、 /',歸a 。
(3 )控制電壓U2的持續時間決定了浪湧電流/',皿a的持續時間。 按照上述實施例提供的電源開關切換電路，本發明可以實現精確控制電 源開關切換電路的最大浪湧電流，並且控制最大浪湧電流的持續時間，採用 本發明的電源開關切換電路還可以提高熱插拔電源的切換速度，通過只增加 一個三極體和幾個電阻來實現一種精確的，可有效的抑制大功率熱插拔電源 浪湧沖擊的電路，並且成本低、體積小。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限 制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應
當理解其依然可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或 者等同替換亦不能使修 i^的技術方案脫離本發明技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種電源開關切換電路，其特徵在於，包括:場效應電晶體，用於在分級控制電壓的控制下開啟或關斷，所述場效應電晶體包括柵極、源極和漏極，所述柵極連接所述分級控制電壓，所述漏極連接電源輸入端，所述源極連接負載輸出端；控制電路，用於通過邏輯控制信號的控制，將該控制電路輸入端輸入的兩路控制電壓合成所述分級控制電壓輸出，所述控制電路的輸出端與所述場效應電晶體的柵極連接。
2、 根據權利要求1所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述控制 電路包括邏輯控制電路，用於控制所述兩路控制電壓合成的所述分級控制電壓的 輸出，輸入端連接所述邏輯控制信號，所述兩路控制電壓包括第一控制電壓 和第二控制電壓；柵極充電控制電路，用於控制所述柵極充電的電壓值及充電時間，輸入 端分別與第一控制電壓、第二控制電壓連接，輸出端與所述柵極連接，並且 所述柵極充電控制電路與所述邏輯控制電路的輸出端連接；電容，用於控制所述第二控制電壓的持續時間，以及所述柵極的放電時 間，所述電容的一端連接所述柵極充電控制電路，另一端接地；柵極放電控制電路，根據所述邏輯控制電路輸出的邏輯控制信號控制所 述場效應電晶體的柵極放電，輸入端與所述邏輯控制電路的輸出端連接，並 且所述柵極放電控制電路與所述柵極充電控制電路和地連接；第 一 電阻，用於對所述場效應電晶體的所述柵極-源極內部電容進行放 電，與所述場效應電晶體的柵極和源極連接。
3、 根據權利要求2所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述邏輯控制電路包括第二電阻， 一端連接所述邏輯控制信號；第一三極體，其基極連接所述第二電阻的另一端，集電極連接所述柵極 充電控制電路，發射級接地。
4、 根據權利要求3所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述柵極 充電控制電路包括第一柵極充電電路，其包括第三電阻，所迷第三電阻的一端連接所述 第一控制電壓，第四電阻，所述第四電阻的一端連接所述第三電阻的一端， 所述第四電阻的另一端連接所述第一三極體的集電極，第一二極體，陽極連 接所述第三電阻的另一端和所述電容的一端，陰極連接所述場效應電晶體的 柵極；第二柵極充電電路，其包括第五電阻，所述第五電阻的一端連接所述 第二控制電壓，第二二極體，陽極連接所述第五電阻的另一端，陰極連接所 述場效應電晶體的柵極。
5、 根據權利要求4所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述第二 控制電壓的值在所述場效應電晶體的開啟電壓和米勒電壓之間，所述第二控 制電壓為所述第 一控制電壓的分壓。
6、 根據權利要求4所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述柵極 放電控制電路包括第六電阻，所述第六電阻的一端連接所述第 一三極體的集電極； 第二三極體，其基極連接所述第六電阻的另一端，發射極接地； 第七電阻，所述第七電阻的一端連接所述第二三極體的集電極，所述第七電阻的另一端連接所述電容的一端；第八電阻，所述第八電阻的 一端連接所述第 一三極體的集電極； 第三三極體，其基極連接所述第八電阻的另一端，集電極連接所述第二二極體的陽極，發射極接地。
7、 根據權利要求3或6所述的電源開關切換電路，其特徵在於，所述 邏輯控制信號由邏輯控制器或開關控制器產生。
全文摘要
本發明公開了一種電源開關切換電路，包括場效應電晶體，用於在分級控制電壓的控制下開啟或關斷，場效應電晶體包括柵極、源極和漏極，柵極連接分級控制電壓，漏極連接電源輸入端，源極連接負載輸出端；控制電路，用於通過邏輯控制信號的控制，將該控制電路輸入端輸入的兩路控制電壓合成所述分級控制電壓輸出，控制電路與場效應電晶體的柵極連接。本發明的電源開關切換電路通過採用分級控制電壓對場效應電晶體的柵極進行充電，通過該分級控制電壓的控制可以達到抑制場效應電晶體導通時產生的浪湧電流，使得電源開關控制下的電路工作穩定，器件不易損壞，並且由於該電路僅採用一個場效應電晶體，因此成本低、體積小。
文檔編號H03K17/08GK101373965SQ20081022461
公開日2009年2月25日 申請日期2008年10月21日 優先權日2008年10月21日
發明者謙 任, 單寶燈 申請人:北京星網銳捷網絡技術有限公司