一种NMOS管控制电源的开关电路的制作方法

一种nmos管控制电源的开关电路
技术领域
1.本实用新型属于集成电路技术领域，尤其是涉及一种nmos管控制电源的开关电路。


背景技术：

2.直流电源开关是一种应用广泛的开关器件，同时也是一个功能非常重要的功能部件。按照其控制的电源电压和电流不同有多种类型的开关器件，比较常见的是机械触点式开关和电子开关，机械触点式开关按照控制的电压和电流不同有不同的种类，比如常见的微动开关、闸刀开关、直流断路器开关、电磁开关等；直流电子开关常见的为pmos控制电源高端的电子开关电路和nmos控制电源低端电子开关。
3.机械触点式开关控制电压高电流大的电源由于机械动作特性出现拉弧、打火的现象，其可靠性比较低和寿命短，直流电源灭弧难是其很难克服的障碍，且不能实现智能化操控(需要加装辅助设备)。而直流电子开关可以很好的适用于电压在0v-500v以上甚至到上千伏的电源控制中，最为常用的pmos控制电源高端的电子开关，受限于pmos工艺等问题，耐压和导通内阻和nmos还是有很大差距，在要求高电压、大电流的应用中可选型号比较少或没有。
4.nmos控制电源高端的电子开关，目前采用隔离变压器驱动电源结构复杂、功耗大、成本高，部分nmos采用电荷泵倍压电路，先把供电端nmos漏极电压升高后再降压到nmos管栅源所需驱动电压用来控制驱动电源高端nmos管，nmos管栅源浮动电压受控于稳压二极管，存在对电路器件参数要求高、浮动电源功耗浪费的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种nmos管控制电源的开关电路，以解决由nmos管控制电源高端的电子开关，存在对电路器件参数要求高、浮动电源功耗浪费的问题。
6.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
7.一种nmos管控制电源的开关电路，包括电荷泵浮动电源模块、以及与所述电荷泵浮动电源模块连接的驱动控制模块；
8.所述电荷泵浮动电源模块的输入端连接pwm驱动电源，所述电荷泵浮动电源模块被配置为，将接入的pwm驱动电源转换为固定电压差的浮动电源供给后级所述驱动控制模块，以驱动所述驱动控制模块；
9.所述驱动控制模块的输入端连接被控直流电源，所述驱动控制模块的输出端连接负载，所述驱动控制模块被配置为，接收外部开关控制信号，以控制被控直流电源正极端与负载端之间的通断。
10.进一步的，所述电荷泵浮动电源模块包括第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和第三电容；
11.所述第一二极管的阳极通过第二电容连接所述pwm驱动电源，所述第一二极管的
阴极与所述驱动控制模块相连，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极通过第三电容接地，所述第一二极管的阴极还通过第一电容与所述第二二极管的阳极相连；
12.所述第一电容靠近所述第二二极管的一端与所述驱动控制模块相连。
13.进一步的，所述驱动控制模块包括光电耦合单元、保护单元和nmos管；
14.所述nmos管的漏极连接所述被控直流电源的正极，所述nmos管的源极分别与所述电荷泵浮动电源模块和所述负载相连，所述nmos管的栅极与源极之间连接所述保护单元，所述保护电路连接光电耦合单元，所述光电耦合单元与所述电荷泵浮动电源模块和外部信号端口相连；
15.所述光电耦合单元通过所述外部信号端口接入外部开关控制信号，外部开关控制信号被配置为控制所述nmos管的通断。
16.进一步的，所述光耦合单元的第一引脚、第二引脚连接外部信号端口，所述光耦合单元的第三引脚连接保护单元，所述光耦合单元的第四引脚与所述第一二极管的阴极相连。
17.进一步的，所述保护电路包括第三二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、开关管和第四电容；
18.所述开关管的基极连接所述光耦合单元的第三引脚，所述开关管的发射极分别连接所述第一电阻和所述第三电阻，所述第一电阻的另一端连接所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接所述光电耦合单元的第三引脚，所述第三电阻的另一端连接所述nmos管的栅极，所述nmos管的漏极连接所述被控直流电源的正极端，所述nmos管的源极连接所述负载；
19.所述开关管的集电极与所述nmos管的源极相连，所述第二电阻的一端与所述开关管的基极相连，其另一端与所述nmos管的源极相连；
20.所述第四电容的一端与所述nmos管的源极相连，其另一端与所述nmos管的栅极相连。
21.进一步的，所述开关管为pnp型三极管。
22.相对于现有技术，本实用新型所述的一种nmos管控制电源的开关电路具有以下有益效果：
23.本实用新型所述的一种nmos管控制电源的开关电路通过电荷泵浮动电源模块将接入的pwm驱动电源转换为固定电压差的浮动电源，为后级驱动控制模块提供持续稳定的供电电压，通过开关控制信号控制被控直流电源的闭合和断开，能够实现直流电源宽电压和大电流高端控制开关功能，具备电路稳定可靠、功耗和成本低的实用性特点。
附图说明
24.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
25.图1为本实用新型实施例所述的一种nmos管控制电源的开关电路模块结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例所述的一种nmos管控制电源的开关电路图；
27.图3为本实用新型实施例所述的电荷泵浮动电源模块电路图；
28.图4为本实用新型一实施例所述的驱动控制模块电路图；
29.图5为本实用新型另一实施例所述的驱动控制模块电路图。
30.附图标记说明：
31.11-电荷泵浮动电源模块；12-驱动控制模块；13-pwm驱动电源；14-被控直流电源；15-负载；16-开关控制信号。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
36.请参阅图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种nmos管控制电源的开关电路，包括电荷泵浮动电源模块11、以及与电荷泵浮动电源模块11连接的驱动控制模块12；
37.电荷泵浮动电源模块11的输入端连接pwm驱动电源13，电荷泵浮动电源模块11被配置为，将接入的pwm驱动电源13转换为固定电压差的浮动电源供给后级所述驱动控制模块12，以驱动所述驱动控制模块12；
38.驱动控制模块12的输入端连接被控直流电源14，驱动控制模块12的输出端连接负载15，驱动控制模块12被配置为接收外部开关控制信号16，以控制被控直流电源14正极端与负载15端之间的通断。
39.本实用新型实施例提供的一种nmos管控制电源的开关电路，通过电荷泵浮动电源模块将接入的pwm驱动电源转换为固定电压差的浮动电源，为后级驱动控制模块提供持续稳定的供电电压，通过开关控制信号控制被控直流电源的闭合和断开，能够实现直流电源宽电压和大电流高端控制开关功能。
40.优选的，在一些实施方式中，本实施例提供的电荷泵浮动电源模块11电路如图3所示，电荷泵浮动电源模块11输入的pwm_vcc为固定频率的高低电平驱动电源，高电平电压为
vcc低电平为参考地gnd。输入pwm_vcc电源串接第二电容c3后连接到第一二极管d1的阳极，本实施例采用的第二电容c3为隔离自举电容，第一二极管d1的阳极连接第二二极管d2的阴极，第二二极管d2的阳极为电路网路q1_s端，q1_s端为输出浮动电源电压低端，第二二极管d2的阳极串接第三电容c4后接地，第一二极管d1的阴极串接第一电容c1后连接到第二二极管d2的阳极，即电路网络q1_s处，第一二极管d1的阴极为输出端电路网路f_12v。
41.在pwm_vcc高低电平电源驱动下，通过第二电容c3运输电荷通过第一二极管d1为第一电容c1实现充电，第三电容c4为第一电容c1充电提供通路和提供电路网路q1_s处电位及输出的浮动电源的电压低端电位，连接被控直流电源的电路网路q1_s处，对第三电容c4充放电可以提升或降低第一电容c1两端对参考地gnd的相对电位，第一电容c1两端对参考地的电位完全取决于电路网路q1_s处对第三电容c4的充放电，实现该电源模块的输出相对参考地gnd电位的浮动，第二二极管d2的阳极连接到电路网路q1_s，第二二极管d2的阴极和第二电容c3连接处最低电位为q1_s电压减去第二二极管d2的导通压降，第一电容c1充电完成后的电压差为vcc减去第一二极管d1和第二二极管d2的导通压降，两个二极管的导通压降均约0.7v，第一电容c1两端电压差固定为vcc减1.4v左右，第一电容c1高电位电路网路f_12v相对于低电位电路网路q1_s处,形成vcc减1.4v左右固定电压差相对参考地gnd的浮动电源。
42.本实用新型实施例提供的电荷泵浮动电源模块为稳定的nmos管提供所需电源，其压差固定，可持续稳定供电、浮动端完全跟随所控制nmos管的源极电位，具有结构简单，稳定可靠，功耗低、可扩展性好、成本低等实用性优点。
43.如图4所示，本实施例中的驱动控制模块12采用光耦合单元驱动控制nmos管，具体如下：
44.由被控电流电源dc1的正极d+_in连接到nmos管q1的漏极，nmos管q1的源极为电源正极输出端q1_s， 电荷泵浮动模块的输出浮动电源f_12v连接到光耦合单元oc1的第四引脚，光耦合单元oc1的第四引脚为次级光敏三极管的集电极，光耦合单元oc1的第三引脚分别连接第三二极管d3的阳极和三极管q6的基极，开关管q6的阴极端依次串接第一电阻r8、第三电阻r27后连接nmos管q1的栅极，nmos管q1的栅极和源极之间并接第四电容c5，第一电阻r8和第三电阻r27的连接处连接三极管q6的发射极，三极管q6的集电极连接nmos管q1的源极和电路网路q1_s处，三极管q6的基极和集电极之间并接第二电阻r18， 外部key信号连接光耦合单元oc1的第一引脚、第二引脚，光耦合单元oc1的第一引脚为初级发光二极管的阳极，光耦合单元oc1的第二引脚为初级发光二极管的阴极。
45.外部key信号输入电流，光耦合单元oc1的次级光感三极管导通，前级电荷泵浮动电源模块输出的f_12v依次通过光耦合单元oc1的第四引脚、第三引脚，经第三二极管d3、第一电阻r8和第三电阻r27，后达到nmos管q1的栅极给第四电容c5充电，当第四电容c5两端的电压到达nmos管q1的开启电压后，nmos管q1开始放大导通， 随着第四电容c5电压的升高nmos管q1饱和导通， 电源开关打开。
46.当外部key信号关闭输入电流，光耦合单元oc1的次级光感三极管截止，三极管q6的发射极连接的第四电容c5两端为驱动nmos管q1的电源电压，由于第三二极管d3为反向截止状态，无法为第四电容c5形成放电回路，此时，三极管q6的基极在第二电阻r18的下拉作用下导通，第四电容c5通过第三电阻r27(电阻值小)和三极管q6快速放电，同时nmos管q1截
止，电源开关关闭。
47.调节第一电阻r8、第三电阻r27和第四电容c5的参数，可调整nmos管q1的导通和截止速度，以改变直流电子开关的开启和关闭速度，减低容性负载在电源开关开启时的浪涌电流对nmos管的冲击损伤，同时,在发生短路或其他故障时,能够快速关断nmos管,提升整体电路的可靠性。
48.本实施例中，驱动控制模块把电荷泵浮动电源模块输出的浮动电源连接到被控制电源高端nmos管q1的栅极和源极之间，实现通过外部开关信号控制高端nmos管的导通或截止功能。
49.本实施例还提供了另外一实施方式，驱动控制模块12采用推免开关驱动控制nmos管，具体连接电路图如图5所示。
50.被控直流电源正极端d+_in连接到nmos管q1的漏极，所述nmos管q1的源极连接到输出d+_out端，d+_out端连接负载l0的正极输入端，负载l0的另一端连接公共参考地gnd，电荷泵浮动电源模块输出的电压低端电路网路q1_s连接到nmos管q1的源极，电荷泵浮动电源模块输出的电压高端电路网路f_12v串联限流电阻r2后连接到npn三极管q2的集电极，npn三极管q2的集电极和基极之间并接电阻r3，npn三极管q2的基极连接pnp三极管q3的基极，npn三极管q2的发射极连接pnp三极管q3的发射极，npn三极管q2的发射极串接限流电阻r6后连接到nmos管q1的栅极，nmos管q1的栅极和源极之间并接滤波延时电容c2，pnp三极管q3的集电极连接到nmos管q1的源极电路网路q1_s处，npn三极管q2的基极串接电阻r4后连接到npn三极管q4的集电极，npn三极管q4的发射极接地，外部输入开关信号key串接电阻r1后连接到npn三极管q4的基极。
51.该驱动控制模块通过把前级的电荷泵浮动电源模块输出的浮动电源低端连接到nmos管q1的源极电路网路q1_s处，电荷泵模块输出的浮动电源高端经限流电阻r2，后由三极管q2和三极管q3组成的图腾柱电路，再经过限流电阻r6后送达nmos管q1的栅极处，三极管q2和三极管q3组成的图腾柱电路输出的高低电平受到由npn型三极管q4导通或截止的控制，三极管q4的状态由外部key信号所控制。
52.当key为低电平时，三极管q4截止，同时，图腾柱的三极管q2导通，三极管q3截止，前级电荷泵浮动电源模块输出高端f_12v，经过限流电阻r2、三极管q2和限流电阻r6给电容c2充电，当电容c2充电到nmos管q1的导通电压后，nmos管q1开始放大导通，随着电容c2电压的升高nmos管q1饱和导通，限流电阻r2、r6和电容c2组成滤波电路具有延时nmos打开速度的作用，有效的限制容型负载的电流冲击对nmos管q1的冲击。
53.当key为高电平时，三极管q4导通，集电极拉低，同时，图腾柱的三极管q2截止，三极管q3导通，通过限流电阻r6给电容c2快速放电，nmos管q1进入截止状态，被控直流电源断开到负载l0的正极输出。
54.该驱动控制模块在外部key信号的高低电平控制nmos管q1的开通或关断，通过调节限流电阻r2、r6、电容c2的参数可以调节nmos管导通和截止的速度，具有延缓被控直流电源打开速度，减小打开的电流冲击伤害，具备快速关断的作用。
55.本实用新型实施例所述的一种nmos管控制电源的开关电路，可通过调节电路参数改变直流电子开关的开启和关闭速度，减低容性负载在电源开关开启时产生的浪涌电流对nmos管的冲击损伤，同时在发生短路或其他故障时，能够快速关断nmos管，提升整体电路的
可靠性。
56.该实用新型实施例所采用的nmos管相对于传统的电源正极电子开关电路的pmos管，具有低成本、降低开关损耗和可提升电路的控制电流能力，特别适用于需要控制较大电流的电路中，比如电动车电池保护系统中作为保护开关电路。
57.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：包括电荷泵浮动电源模块、以及与所述电荷泵浮动电源模块连接的驱动控制模块；所述电荷泵浮动电源模块的输入端连接pwm驱动电源，所述电荷泵浮动电源模块被配置为，将接入的pwm驱动电源转换为固定电压差的浮动电源供给后级所述驱动控制模块，以驱动所述驱动控制模块；所述驱动控制模块的输入端连接被控直流电源，所述驱动控制模块的输出端连接负载，所述驱动控制模块被配置为，接收外部开关控制信号，以控制被控直流电源正极端与负载端之间的通断。2.根据权利要求1所述的一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：所述电荷泵浮动电源模块包括第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一二极管的阳极通过所述第二电容连接所述pwm驱动电源，所述第一二极管的阴极与所述驱动控制模块相连，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极相连，所述第二二极管的阳极通过第三电容接地，所述第一二极管的阴极还通过第一电容与所述第二二极管的阳极相连；所述第一电容靠近所述第二二极管的一端与所述驱动控制模块相连。3.根据权利要求2所述的一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：所述驱动控制模块包括光电耦合单元、保护单元和nmos管；所述nmos管的漏极连接所述被控直流电源的正极，所述nmos管的源极分别与所述电荷泵浮动电源模块和所述负载相连，所述nmos管的栅极与源极之间连接所述保护单元，所述保护单元连接光电耦合单元，所述光电耦合单元与所述电荷泵浮动电源模块和外部信号端口相连；所述光电耦合单元通过所述外部信号端口接入外部开关控制信号，所述外部开关控制信号被配置为控制所述nmos管的通断。4.根据权利要求3所述的一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：所述光电耦合单元的第一引脚、第二引脚连接外部信号端口，所述光电耦合单元的第三引脚连接所述保护单元，所述光电耦合单元的第四引脚与所述第一二极管的阴极相连。5.根据权利要求4所述的一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：所述保护单元包括第三二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、开关管和第四电容；所述开关管的基极连接所述光电耦合单元的第三引脚，所述开关管的发射极分别连接所述第一电阻和所述第三电阻，所述第一电阻的另一端连接所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接所述光电耦合单元的第三引脚，所述第三电阻的另一端连接所述nmos管的栅极，所述nmos管的漏极连接所述被控直流电源的正极端，所述nmos管的源极连接所述负载；所述开关管的集电极与所述nmos管的源极相连，所述第二电阻的一端与所述开关管的基极相连，其另一端与所述nmos管的源极相连；所述第四电容的一端与所述nmos管的源极相连，其另一端与所述nmos管的栅极相连。6.根据权利要求5所述的一种nmos管控制电源的开关电路，其特征在于：所述开关管为pnp型三极管。

技术总结
本实用新型提供了一种NMOS管控制电源的开关电路，包括电荷泵浮动电源模块、以及与电荷泵浮动电源模块连接的驱动控制模块；电荷泵浮动电源模块的输入端连接PWM驱动电源，电荷泵浮动电源模块被配置为，将接入的PWM驱动电源转换为固定电压差的浮动电源，以驱动所述驱动控制模块；驱动控制模块的输入端连接被控直流电源，驱动控制模块的输出端连接负载，驱动控制模块被配置为，接收外部开关控制信号，以控制被控直流电源正极端与负载端之间的通断。本实用新型所述的一种NMOS管控制电源的开关电路能够提供连续稳定的高端NMOS驱动所需电源，通过开关控制驱动电源的闭合和断开，能够实现直流电源宽电压和大电流高端控制开关功能。能。能。


技术研发人员：王国娇
受保护的技术使用者：田芯（天津）电子科技有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/26