电力开关过电流保护系统
阅读：582发布：2020-05-08
专利汇可以提供电力开关过电流保护系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种电 力 开关 过 电流 保护系统，所述系统包括：电力开关晶体管，所述电力开关晶体管被配置成将来自电源的电力电流输送到电力负载；电力开关 驱动器 ，所述电力开关驱动器被配置成控制电力开关的接通/断开状态；过电流保护(OCP) 电路 ，所述OCP电路用于检测电力电流的 阈值 ；放电晶体管，所述放电晶体管被配置成使电力开关晶体管的寄生电容放电；以及系统状态机，所述系统状态机用于从OCP电路接收 信号 ，所述信号被配置成根据电力电流的电平控制电力开关驱动器和放电晶体管的动作。，下面是电力开关过电流保护系统专利的具体信息内容。
1.一种电力开关过电流保护系统，其特征在于，包括：
电力开关晶体管，所述电力开关晶体管被配置成将来自电源的电力电流输送到电力负载；
电力开关驱动器，所述电力开关驱动器被配置成控制所述电力开关的接通/断开状态；
过电流保护(OCP)电路，所述OCP电路用于检测所述电力电流的阈值；
放电晶体管，所述放电晶体管被配置成使所述电力开关晶体管的寄生电容放电；以及系统状态机，所述系统状态机用于从所述OCP电路接收信号，所述信号被配置成根据所述电力电流的电平控制所述电力开关驱动器和放电晶体管的动作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述电力电流高于预定阈值时，所述OCP电路触发过电流事件。
3.一种方法，其特征在于，包括：
检测进入电力开关晶体管的充电电流；
确定所述充电电流的电平是否超出预定阈值；
由过电流保护电路发信号通知系统状态机所述充电电流的状态；
当所述充电电流超出所述预定阈值时接通放电晶体管；以及
软关断电力开关晶体管以保护连接到所述电力开关晶体管的电子电路。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过等式dV栅极/dt＝I放电/C计算所述电力开关晶体管的栅极电压的递减率，其中I放电是放电电流，且C是所述电力开关晶体管的寄生电容。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括当切断驱动所述电力开关晶体管的电力开关驱动器时接通放电晶体管。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括使用电力开关驱动器控制电力开关晶体管的接通状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括使用系统状态驱动器控制所述电力开关驱动器的接通状态。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，受保护电子电路包括ESD保护电路。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用电流镜将所述电力开关晶体管的栅极电压与所述电力开关晶体管的输出电压隔离。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电力开关晶体管被配置成响应于电力缆线的拔掉和插入而软关断以减少所述电力缆线中的反冲电感。
电力开关过电流保护系统
技术领域
背景技术
[0002] 在USB(通用串联总线)电力输送系统中，电力开关晶体管被设计成控制稳态电流从电源(例如，壁插头)输送到负载(例如，手机/平板电脑/笔记本电脑)。在大多数情况下，从电源到负载的电力开关晶体管存在长迹线或USB缆线。保护电路，如过电流保护，可被设计成检测过电流事件并关断电力开关晶体管以保护负载，如蜂窝电话、平板电脑、计算机等。在一些设计中，在关断的瞬时期间，电力电流以每微秒几安培的极快速率减小。这可能导致从迹线或USB线到电力开关晶体管的漏极侧的巨大感应反冲。感应反冲的能量可能足够高以损坏电力开关晶体管的电力开关系统和连接到电力开关晶体管的漏极侧的其它电路，如静电放电(ESD)保护电路。发明内容
[0003] 下文呈现各种实施例的简要概述。在以下概述中可以做出一些简化和省略，其意在突出和介绍各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。在稍后的章节中将详细描述足以让本领域的普通技术人员能获得且使用本发明性概念的实施例。
[0004] 实施例包括一种电力开关过电流保护系统，所述系统包括：电力开关晶体管，所述电力开关晶体管被配置成将来自电源的电力电流输送到电力负载；电力开关驱动器，所述电力开关驱动器被配置成控制所述电力开关的接通/断开状态；过电流保护(OCP)电路，所述OCP电路用于检测所述电力电流的阈值；放电晶体管，所述放电晶体管被配置成使所述电力开关晶体管的寄生电容放电；以及系统状态机，所述系统状态机用于从所述OCP电路接收信号，所述信号被配置成根据所述电力电流的电平控制所述电力开关驱动器和放电晶体管的动作。
[0005] 当所述电力电流高于预定阈值时，所述OCP电路可触发过电流事件。
[0006] 所述系统状态机可被配置成当所述电力电流高于预定阈值时软关断所述电力开关晶体管。所述系统还可包括静电放电(ESD)保护电路，所述ESD保护电路安置于所述电源与所述电力开关晶体管之间，其中所述电力开关晶体管的所述软关断会保护所述ESD保护电路。
[0007] 当所述电力电流高于预定阈值时，所述系统状态机可接通所述放电晶体管并断开所述电力开关驱动器。
[0008] 当所述电力电流低于预定阈值时，所述系统状态机可断开所述放电晶体管并接通所述电力开关驱动器。
[0009] 所述过电流保护电路可与所述电力开关晶体管并联。
[0010] 所述系统状态机可与所述过电流保护电路串联。
[0011] 所述电力开关晶体管可以是延伸漏极晶体管。
[0012] 所述放电晶体管可以是延伸漏极晶体管。
[0014] 实施例还包括一种方法，所述方法包括：检测进入电力开关晶体管的充电电流；确定所述充电电流的电平是否超出预定阈值；由过电流保护电路发信号通知系统状态机所述充电电流的状态；当所述充电电流超出所述预定阈值时接通放电晶体管；以及软关断电力开关晶体管以保护连接到所述电力开关晶体管的电子电路。
[0015] 可通过等式dV栅极/dt＝I放电/C计算所述电力开关晶体管的栅极电压的递减率，其中I放电是放电电流，且C是所述电力开关晶体管的寄生电容。
[0016] 所述方法可包括当切断驱动所述电力开关晶体管的电力开关驱动器时接通放电晶体管。
[0017] 所述方法可包括使用电力开关驱动器控制电力开关晶体管的接通状态。
[0018] 所述方法可包括使用系统状态驱动器控制所述电力开关驱动器的接通状态。
[0019] 受保护电子电路可包括ESD保护电路。
[0020] 可使用电流镜将所述电力开关晶体管的栅极电压与所述电力开关晶体管的输出电压隔离。
[0023] 图1示出根据本文中描述的实施例的电力输送系统；且
[0024] 图2A到2F示出根据图1的具有硬关断的OCP电路的电力输送系统中的模拟结果；且[0025] 图3A到3F示出根据图1的具有软关断的OCP的电力输送系统中的模拟结果。
具体实施方式
[0026] 应理解，图式仅为示意性的且不按比例绘制。还应理解，贯穿图式使用的相同附图标记指示相同或相似的零件。
[0027] 描述和图式示出各种示例性实施例的原理。因此，将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出所述布置，但其体现本发明的原理且包括于本发明的范围内。此外，本文中所引述的所有例子主要明确地意图出于教学目的以辅助读者理解本发明的原理和由发明人所提供用于深化本领域的概念，且所有例子应视为并不限制此类特定引述例子和条件。另外，除非另外指明(例如，“或另外”或“或在替代方案中”)，否则如本文中所使用的术语“或”是指非排他性的“或”(即，“和/或”)。此外，本文中所描述的各种实施例未必相互排斥，这是因为一些实施例可与一个或多个其它实施例组合，从而形成新的实施例。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意图限制所论述元件的次序，且用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。例如最大值或最小值的值可基于本申请被预先确定且设置为不同值。
[0028] 根据本文中所描述的实施例，为了保护电力开关晶体管系统免受缆线感应反冲的损坏，设置软关断机构来控制电力开关晶体管的关断。因此，电力电流递减率受到控制并降低以减少感应反冲。
[0029] 图1示出根据本文中描述的实施例的电力输送系统100。电力输送系统100包括电源105、电力开关系统110和负载107。电源105，例如壁插头或移动充电器，可通过输入线或缆线128连接到电力开关系统110，并供应电力电流118。电力电流118可以是电池充电电流。输入缆线128可具有与其相关联的电阻102和电感103。控制开关150可表示将电源105断开连接和连接到电力开关系统110的能力，从而模拟使用者经由缆线128将USB端口重复地拔掉和插入到电源105的行为。电力开关系统110可通过电线128、负载电阻108连接到负载107并与负载电容109并联。
[0030] 电力开关系统110可包括输入电容器123、输出电容器124、静电放电(ESD)保护电路130和电力开关晶体管115。电力开关系统110可邻近负载107装置的输入端安置，所述输入端例如连接到笔记本电脑、移动电话、个人计算机等的USB端口。电力开关晶体管115可由电力开关驱动器135驱动。为了监测可由拔掉和插入USB线所产生的高电流，可通过过电流保护(OCP)电路120监测电力开关晶体管115。OCP电路120可被设计在相同基板的电力开关晶体管115上以保护负载107。OCP电路120可被配置成与电力开关晶体管115并联。如果进入电力开关晶体管115的电流确定为在预定阈值以上，那么OCP电路120对电力开关晶体管115逐渐断电以最小化电线128上的感应反冲的威胁。高电压的能量反冲和电感反冲可能损坏电力开关晶体管115的漏极侧上的电路，包括ESD保护电路130。
[0031] 电力开关系统110包括系统状态机125，其被配置成从OCP电路120接收断言或非断言信号。系统状态机125可与OCP电路120串联连接。基于断言或非断言信号，系统状态机125可控制电力开关驱动器135的接通或断开状态。电力开关系统110可另外包括晶体管141、142和143以控制电力开关晶体管115的稳定放电动作。
[0032] 在电力输送系统100中，在稳态下，处于几安培电平例如3安培的电力电流118可经由电力开关晶体管115从电源105输送到负载107。
[0033] 在故障事件期间，当电力电流118高于预先确定的OCP电路120的电流阈值，例如5A或更高时，OCP电路120触发过电流事件。当此情况发生时，系统状态机125可在预先确定的延迟时间之后硬关断电力开关晶体管115，以避免错误检测事件或故障。
[0034] 在电力开关晶体管115的关断的瞬时期间，由于电力开关晶体管115的两侧上的缆线段128中的电感，缆线128中的所有具有电感和电容。流动通过电力开关晶体管115的5A电流不即刻降低到0A，但根据缆线128电感和电力开关晶体管115电容，其将最终稳定在5A到0A。这可被称为电感反冲且此情况下在小于几毫微秒中硬关断电力开关晶体管115。在此状态下，所有5A电流将流入电力开关晶体管ESD保护电路130中，持续几十微秒，使得ESD保护电路130被损坏。在系统状态机125反弹跳延迟时间期间，过电流可继续增大到高于5A。存储在缆线128寄生电感中的能量是U＝(1/2)*L*12，其中L是128的寄生电感，且I是电力电流。
[0035] 如图1中所示出，在稳态下，启用电力开关驱动器135以根据以下等式产生输出电压V栅极来对电力开关晶体管115进行偏压：
[0036] V栅极＝V输出+Vgs， (1)
[0037] 其中V输出是电力开关晶体管115的输出电压，且Vgs是预限定值，用于对电力开关晶体管进行偏压以具有较小导通电阻Rdson，使得
[0038] Rdson＝1/[μn*Cox*(W/L)(Vgs-Vthn)]， (2)
[0039] 其中μn是电力开关晶体管115的移动性，且Cox是电力开关晶体管115的栅极氧化物电容每单位面积。W和L分别是电力开关晶体管115的沟道宽度和沟道长度，且Vthn是电力开关晶体管接通的阈值电压。W/L预限定成极大，且Vgs预限定成比Vthn高得多以保证低Rdson值。
[0040] 等式(1)和(2)示出在稳态正常操作下，当启用电力开关驱动器135时，电力开关晶体管115以极小导通电阻接通。电力电流118经由缆线或迹线128从电源105输送，且电力以跨电力开关晶体管115的极低压降切换到负载107。在正常操作条件下，电力电流118在某一范围例如3A内，且过电流检测器输出122被解除断言。因此，系统状态机输出127也被解除断言。由于系统状态机输出127被解除断言，因此当启用电力开关驱动器135时NMOS晶体管141断开。
[0041] 在故障事件中，当电力电流118高于OCP电路120中设定的预限定电平，例如5A时，过电流检测器输出122被断言，且系统状态机输出127在反弹跳延迟时间的预限定值之后被断言，以避免假警报。NMOS晶体管141的栅极从系统状态机125接收输入。NMOS晶体管141可被称为第一放电晶体管。PMOS晶体管142和143以电流镜配置设置。当系统状态机输出127被断言时，电力开关驱动器135停用，且放电晶体管141的栅极电压被系统状态机125驱动为高，且放电晶体管141启用。PMOS晶体管142的漏极连接到放电晶体管141的漏极。PMOS晶体管142的源极连接到V栅极。当启用放电晶体管141时，PMOS晶体管142接通且电流源I放电开始通过放电晶体管141的源极使电力开关晶体管115的寄生电容放电。PMOS晶体管142和143充当电流镜以将输入电压V栅极与输出电压V输出隔离。通过PMOS晶体管143的电流可标示为I偏压。电力开关晶体管115的栅极电压V栅极开始以软方式随电力开关晶体管115关断而减小。电力开关晶体管115栅极电压的递减率可通过以下等式计算，
[0042] dV栅极/dt＝I放电/C， (3)
[0043] 其中I放电是放电电流，且C是电力开关晶体管115的寄生电容。等式(3)示出通过减少放电电流，以软方式降低和关断电力开关晶体管115栅极电压V栅极的递减率，且继而减小电力电流118的递减率。因此，根据以下等式来自缆线或迹线128的反冲电压变得较小，[0044] V电感＝L*(dI电力/dt)， (4)
[0045] 其中V电感是来自缆线或迹线128的寄生电感的反冲电压，且L是缆线或迹线128的寄生电感。I电力是电力电流118。由于电力电流118的递减率减小，来自缆线或迹线128的寄生电感的反冲电压减小且避免电力开关系统110受到反冲电压的损坏。从另一个角度来看，由于以缓慢或软方式关断电力开关晶体管115，因此存储在缆线128寄生电感中的能量具有足够时间通过电力开关晶体管115耗散到具有高能量耗散能力的负载107。
[0046] 输送供电电压可高达25V，且因此NMOS晶体管141、PMOS晶体管142、PMOS晶体管143和电力开关晶体管115可使用延伸漏极装置以容许25V的高电压。延伸漏极CMOS(NMOS和PMOS)装置是具有延伸漏极氧化物区的CMOS装置以增大漏极与栅极之间的电压容差(Vdg)和漏极与源极之间的电压容差(Vds)，但不增大栅极与源极之间的电压容差(Vgs)。延伸漏极CMOS的Vdg和Vds的电压公差可高达30V，但Vgs的电压公差可仅为7V。
[0047] 控制开关150可用于模仿缆线128到电源105的扭动(插拔重复)。在缆线128插入到电源105中且电力开关晶体管115是接通的且电力从电源105输送到负载107的稳态期间，消费者可从电源105拔掉缆线，且V输入和V输出电压可开始从25V斜降，同时电力开关晶体管115仍为接通的。在V输入和V输出斜降到几伏特之前，消费者可将缆线128重新插入电源105，接着V输入可斜升，且由于C负载的高负载电容，通过电力开关晶体管115的电力电流118可斜升到高于5A，且触发OCP电路120以关断电力开关晶体管115。
[0048] 图2A到2F和图3A到3F示出根据图1分别具有硬关断和软关断的OCP电路120的电力输送系统100中的模拟结果。曲线图A表示用于电力缆线128拔掉和插回的控制开关150控制的时序图。曲线图B到F表示电力开关系统110中不同阶段的其不同组件的测量值。在曲线图B中，线210表示栅极电压V栅极且线215表示输出电压V输出。当拔掉电力线缆线128时，栅极电压210和输出电压215开始减小。在曲线图C中，当电力线缆线128插回时，在硬关断系统中，电压210和215急剧升高且电力电流118斜升。
[0049] V输入和V输出电压可开始从25V斜降，接着以急剧方式回升。在曲线图D中，当OCP电路120中的电力经历被系统状态机125硬关断时，电力开关晶体管115仍是接通的。在曲线图E中，在重新插入之后，会观察到急剧且巨大的电感反冲。在曲线图F中，巨大电流可涌入ESD保护电路130，使得ESD保护电路130损坏。
[0050] 在图3A到3F中，曲线图A表示用于电力缆线128拔掉和插回的控制开关150的时序图。曲线图B到F表示电力开关系统110中不同阶段的其不同组件的测量值。在曲线图B中，线310表示栅极电压V栅极且线315表示输出电压V输出。当拔掉电力线128时，栅极电压310和输出电压315开始减小。在曲线图C中，当电力线128插回时，在软关断系统中，电压310和315逐渐增大。
[0051] V输入和V输出电压可开始从25V斜降，接着以软方式回升。在曲线图D中，当OCP电路120中的电力经历被系统状态机125软关断时，电力开关晶体管115仍是接通的。在曲线图E中，在重新插入之后，电感反冲极小。在曲线图F中，极小电流可涌入ESD保护电路130，使得ESD保护电路130受保护。
[0052] 尽管已通过特定参考各种实施例的某些方面详细地描述了各种示例性实施例，但是应理解，本发明能够具有其它实施例，且其细节能够在各种显而易见的方面中进行修改。如本领域的技术人员容易显而易见，可实现变化和修改同时保持在实施例的精神和范围内。因此，前述公开、描述和图式仅出于说明性目的且不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求书限定。
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