本申請主張于2015年12月14日在美國提交的第62/267,099號臨時專利申請和于2016年9月30日在美國提交的第15/282,904號專利申請的優(yōu)先權和權益，并在此包含了前述專利申請的全部內(nèi)容。

技術領域

本發(fā)明的實施例涉及集成電路，特別地，涉及用于電子設備的開關器件。

背景技術：

開關器件用于電子設備中以將供電電源與其負載接通或者斷開。這些開關器件典型地被用于可移動電路版(例如擴展板)、熱插拔存儲設備以及其它涉及將供電電源與其負載接通或者斷開的應用。用于這些應用的典型開關器件具有第一端和與該第一端相對的第二端，其第一端連接至供電電源，其第二端連接至負載。舉個具體例子，這種開關器件可以用于允許熱插拔磁盤驅(qū)動器(本例中的負載)從磁盤驅(qū)動托架或者母板接收供電。該開關器件可以采用功率晶體管實現(xiàn)。功率晶體管的柵極可以耦接電容器。該電容器在啟動過程中被充電，一旦充電完成則該電容器使該功率晶體管保持導通以允許負載從供電電源接收供電電壓。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術的上述技術問題，提出一種具有安全工作區(qū)域保護單片集成開關器件的系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明的一實施例提出了一種系統(tǒng)，包括：第一單片集成開關器件，包含第一引腳、第二引腳、第一功率開關和第一保護電路；其中，第一功率開關用于在系統(tǒng)導通時將第一單片集成開關器件的第一引腳耦接至第一單片集成開關器件的第二引腳；第一保護電路用于在第一單片集成開關器件啟動階段基于第一單片集成開關器件的溫度控制流過第一功率開關的電流；以及第二單片集成開關器件，包含第一引腳、第二引腳、第二功率開關和第二保護電路；其中，第二功率開關用于在系統(tǒng)導通時將第二單片集成開關器件的第一引腳耦接至第二單片集成開關器件的第二引腳；第二單片集成開關器件的第一引腳和第二引腳分別耦接至第一單片集成開關器件的第一引腳和第二引腳；第二保護電路用于在第二單片集成開關器件啟動階段基于第二單片集成開關器件的溫度控制流過第二功率開關的電流。

本發(fā)明另一實施例提出了一種系統(tǒng)，包括第一單片集成開關器件，所述第一單片集成開關器件包括：第一引腳，用于接收輸入電壓；第二引腳，用于提供輸出電壓；第一功率開關，用于在系統(tǒng)導通時將第一單片集成開關器件的第一引腳耦接至第一單片集成開關器件的第二引腳；以及第一自適應安全工作區(qū)保護電路，用于在第一單片集成開關器件啟動階段基于溫度控制流過第一功率開關的電流。

本發(fā)明又一實施例提出了一種用于運行單片集成開關器件的方法，包括：在單片集成開關器件的第一引腳接收輸入電壓；當單片集成開關器件導通時，將單片集成開關器件的第一引腳耦接單片集成開關器件的第二引腳以使第一引腳上的輸入電壓被輸送至單片集成開關器件的第二引腳；以及在單片集成開關器件的啟動階段，基于單片集成開關器件的溫度控制流過單片集成開關器件第一引腳和第二引腳的電流。

附圖說明

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于將供電電源連接至負載的系統(tǒng)100的電路原理圖；

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件103的電路原理圖；

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于將供電電源連接至一個或多個負載的系統(tǒng)300的電路原理圖；

圖4所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在單機模式(不受微控制器控制)下的電路原理圖；

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在啟動過程中的波形時序圖；

圖6所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，在軟啟限流條件下開關器件103的上電波形圖；

圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，在功率限制條件下開關器件103的上電波形圖。

圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，當開關器件103在無故障時，其功率開關的導通和關斷波形示意圖；

圖9所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在下拉模式的波形示意圖；

圖10所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，當開關器件103通過引腳GOK故障監(jiān)測時，功率開關的導通和關斷波形示意圖；

圖11所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件405的原理圖；

圖12所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件405的具體內(nèi)部電路原理圖；

圖13所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個并聯(lián)連接的開關器件405的系統(tǒng)400的電路原理圖；

圖14所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)410的電路原理圖；

圖15所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件412的具體內(nèi)部電路原理圖；

圖16所示為沒有均流的多個并聯(lián)連接的開關器件(如圖13中的開關器件405)的仿真波形圖；

圖17所示為具有均流功能的多個并聯(lián)連接的開關器件(如圖14中的開關器件412)的仿真波形圖；

圖18所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)400工作流程示意圖；

圖19所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件720的原理圖；

圖20所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件720的具體內(nèi)部原理圖；

圖21所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓采樣電路732的電路原理圖；

圖22所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的溫度補償電壓產(chǎn)生電路733的電路原理圖；

圖23所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個并聯(lián)連接的開關器件720的系統(tǒng)750的電路原理圖；

圖24所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)工作流程示意圖。

具體實施方式

下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。在以下描述中，為了提供對本發(fā)明的透徹理解，闡述了大量特定細節(jié)。然而，對于本領域普通技術人員顯而易見的是：不必采用這些特定細節(jié)來實行本發(fā)明。在其他實例中，為了避免混淆本發(fā)明，未具體描述公知的電路、材料或方法。

在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包含在本發(fā)明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。應當理解，當稱元件“耦接到”或“連接到”另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這里使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的項目的任何和所有組合。

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于將供電電源連接至負載的系統(tǒng)100的電路原理圖。在圖1所示實施例中，系統(tǒng)100包括單晶片微控制器101和單片集成電路開關器件103。開關器件103可以是“智能開關”，也就是說該開關器件103是可控的(例如可以由微控制器控制)，并集成了可用于驅(qū)動功率晶體管的驅(qū)動電路以及用于向微控制器提供開關和供電電源狀況并發(fā)送至微處理器的監(jiān)測電路。

在一個實施例中，開關器件103為一個單晶片的單片集成電路。在圖1所示實施例中，開關器件103包括多個引腳，這些引腳包括用于接收輸入供電電壓VIN的引腳VIN和連接至負載的引腳VOUT。開關器件103包括功率開關(如圖2中所示的功率開關201)，如功率場效應晶體管(FET)。該功率開關的第一端(例如漏極)耦接至引腳VIN，第二端(例如源極)耦接至引腳VOUT。該開關器件103還包括驅(qū)動電路，用于驅(qū)動功率開關的柵極從而使該功率開關在可控的模式下進行導通和關斷切換。當功率開關被導通，連接在引腳VIN上的輸入供電電壓VIN將被送至連接在引腳VOUT上的負載。在圖1所示實施例中，輸入供電電壓VIN被示意為12V，60A。然而本領域技術人員應該理解這僅僅是示例，系統(tǒng)100還可以被用于將其它提供不同電壓和電流的供電電源耦接至負載。

在圖1所示實施例中，開關器件103還包括：指示系統(tǒng)故障(例如：過溫、電路短路、和功率開關短路等)的引腳GOK；將開關器件103連接至信號地的引腳GND；使能/不使能開關器件103或?qū)㈤_關器件103鎖定在下拉模式的引腳ON/PD；提供數(shù)字過流指示信號的D_OC引腳；指示開關器件103結溫(即：該單片集成電路的晶片溫度)的引腳VTEMP；指示開關器件103輸出電流量(即：從引腳VOUT流出的直流電流)的引腳IMON；指示開關器件103輸出電流量的電流采樣引腳CS；接收限流參考信號的引腳CLREF；通過耦接電容控制功率開關導通斜率的引腳GATE/SS連；輸出內(nèi)置(即單晶片集成電路開關器件103內(nèi)部)低壓差線性調(diào)節(jié)器(LDO)輸出電壓的引腳VDD33。

在圖1所示實施例中，微控制器101包括一個智能開關控制電路102，該智能開關控制電路102包括多路復用器MUX、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、以及控制編程邏輯104(如：固件、可編程邏輯)。微控制器101根據(jù)開關器件103的運行狀態(tài)將其使能或不使能。微控制器101接收來自開關器件103的狀態(tài)指示信號(如：溫度指示信號、電流采樣信號、電流監(jiān)測信號、故障指示信號等)。微控制器101可以采用任何適合的集成有模數(shù)輸入/輸出引腳、可配置固件以及數(shù)據(jù)獲取和處理部件的通用型微處理器或其他單晶片處理器。這里的“通用型”是指微控制器101并非特地設計用于開關器件103，而是包括通用型微控制器/處理器的所有元件，例如處理器和存儲器。更優(yōu)勢地，開關器件103采用通用型微控制器控制時，不需要特別設計的專用外部控制器以提供該開關器件103與微控制器接口。也即是，開關器件103可以直接由微控制器101控制。

在圖1所示實施例中，微控制器101接收開關器件103提供的狀態(tài)指示信號，并基于這些指示信號控制開關器件103的運行。更具體地，開關器件103的引腳CS、引腳IMON、引腳VTEMP、引腳D_OC和引腳GOK可以耦接至微處理器101，允許微處理器101接收并處理上述引腳提供的指示信號。例如，微控制器101接收來自開關器件103其中一個引腳的指示信號(如從引腳VTEMP上接收結溫指示信號)，該指示信號被直接送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，并輸出該指示信號的等效數(shù)字信號至控制編程邏輯104進行處理。微控制器101還可以類似的方式連接至相應地引腳以檢測輸入供電電壓VIN和輸出電壓VOUT。具體地，微控制器101可以在引腳VINSEN采樣輸入供電電壓VIN，以及在引腳VOSEN采樣輸出電壓VOUT。微控制器101通過通路(智能開關控制電路102中的多路復用器MUX和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)直接將采樣的輸入供電電壓VIN和采樣的輸出電壓VOUT送至控制編程邏輯104。

在圖1所示實施例中，開關器件103的引腳GOK和引腳D_OC輸出數(shù)字指示信號，該數(shù)字指示信號通過微控制器101的數(shù)字輸入引腳送至控制編程邏輯104進行處理。在一個實施例中，由開關器件103的引腳GOK和引腳D_OC輸出的狀態(tài)指示信號為數(shù)字信號，因此，這些信號不需要進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，可直接被控制編程邏輯104處理。

在圖1所示實施例中，微控制器101具有引腳GOK，耦接至開關器件103的引腳GOK。來自開關器件103的引腳GOK的故障指示信號用于指示開關器件103的運行狀態(tài)是否正常。微控制器101接收并處理來自開關器件103的引腳GOK的故障指示信號，并根據(jù)該指示信號控制開關器件103。例如，當故障指示信號指示開關器件103出現(xiàn)故障時，微控制器103可以控制開關器件103進入下拉模式或者將開關器件103不使能。

在圖1所示實施例中，微控制器101還包括引腳ON/PD，耦接至開關器件103的引腳ON/PD。微處理器101通過發(fā)送一個使能信號至開關器件103的引腳ON/PD使能開關器件103。在一個實施例中，當使能信號被加載到開關器件103的引腳ON/PD時，開關器件103使能，即：輸入供電電源連接至負載；當使能信號未被加載到開關器件103的引腳ON/PD時，開關器件103不使能，即：輸入供電電源與負載斷開。在一個實施例中，在該模式下，當使能信號維持在預設電平一段預設時間后，開關器件103恢復至下拉模式，開關器件103將其引腳VOUT下拉。

在圖1所示實施例中，控制編程邏輯104可用于獲取或設置軟啟動限流值。該控制編程邏輯104還可以基于檢測的輸入供電電壓VIN和輸出電壓VOUT和/或基于系統(tǒng)負載的需求，在運行器件隨時調(diào)節(jié)該限流值。通過智能開關控制電路102中的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，該限流值可以被轉(zhuǎn)換為模擬形式的限流參考信號，又或者被轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，該數(shù)字編碼再通過分立元件將該數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為模擬形式的信號。微控制器101在其引腳CLREF輸出限流參考信號(模擬形式或數(shù)字形式)，開關器件103對應的在其引腳CLREF接收限流參考信號。

在圖1所示實施例中，微控制器101從開關器件103接收兩個供電電流指示信號。第一供電電流指示信號可以是開關器件103引腳CS輸出的電流采樣信號。在一個實施例中，該電流采樣信號可以是正比于輸出電流的電流信號，可以用于均流及過流保護控制。第二供電電流指示信號為開關器件103引腳IMON輸出的電流監(jiān)測信號。在一個實施例中，電流監(jiān)測信號是線性正比于輸出電流的電壓信號，其幅值相對較小，一般在0～1.6V之間。電流監(jiān)測信號有利于微控制器101準確檢測流過開關器件103中功率開關的電流量。

由于各種原因包括安全性、故障查找、負載均衡等等原因，最好知道開關器件103的結溫。因此，在圖1所示實施例中，微控制器101接收表征開關器件103結溫的溫度指示信號。在一個實施例中，開關器件103引腳VTEMP輸出的溫度指示信號是一個與結溫成正比的電壓信號，例如，10mv/℃。編程控制邏輯104可以基于該結溫度指示信號將結溫度考慮在內(nèi)以決定是否將開關器件103不使能、或觸發(fā)警報、或輸出故障報告等等。

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件103的電路原理圖。在圖2所示實施例中，開關器件103中的功率開關201被示意為功率場效應晶體管。電流采樣電路202采樣從引腳VIN流向引腳VOUT的電流，并分別在引腳CS輸出電流采樣信號和在引腳IMON輸出電流監(jiān)測信號。晶體管203(例如一個場效應晶體管)與功率開關201并聯(lián)用于電流采樣，其尺寸遠小于功率開關201的尺寸，例如晶體管203尺寸僅為功率開關201的1/10000。電流采樣信號(例如為電壓信號)被送至比較器204與閾值電壓比較(例如圖2中示意為1V)，并據(jù)此判斷過流狀態(tài)，該過流狀態(tài)可以在D_OC引腳上以數(shù)字過流指示信號來指示。開關器件103在其引腳CLREF接收電壓形式的限流參考信號，并將其送至放大器205與電壓形式的電流采樣信號比較，進而控制功率開關201的柵極以限制功率開關201在啟動階段的浪涌電流，例如，在將可移動的電路插件插入帶電底板的應用場合。類似地，運算放大器205的輸出信號用于控制功率開關201的柵極，從而限制在正常運行階段或節(jié)能模式下從引腳VIN流向引腳VOUT的負載電流。在一個實施例中，運算放大器205包括跨導運算放大器。

在圖2所示實施例中，低壓差調(diào)節(jié)器LDO在引腳VIN接收輸入供電電壓VIN，并在引腳VDD33提供調(diào)節(jié)后的電壓(例如3.3V)。熱感測電路206采樣開關器件103的結溫，并將采樣結果送至控制邏輯207，控制邏輯207在引腳VTEMP輸出對應的結溫指示信號。在一個實施例中，當結溫到達一個預設結溫限值(例如145℃)時，控制邏輯207通過實施過溫鎖定將開關器件103關斷。

在一個實施例中，控制邏輯207在引腳GOK上輸出故障指示信號，用于表征電路短路、功率開關短路或開路、過溫或其他故障狀態(tài)。GOK引腳可以是柵極耦接邏輯控制電路207的輸出、源極耦接至地的晶體管211的漏極輸出。在正常工作模式下，引腳GOK輸出的即為晶體管211的漏極開路電壓，而在故障狀態(tài)下(即探測到任何故障時)，引腳GOK被拉至低電位。開關器件103在引腳ON/PD上通過ON/PD控制電路208接收來自控制器101的使能信號，即：ON/PD控制電路208將使能信號送至邏輯控制電路207。當使能信號無效時，邏輯控制電路207關斷功率開關201，以將輸入供電電源和負載斷開。在一個實施例中，在一個實施例中，當使能信號在預設時間內(nèi)被維持在預設電平期滿后，ON/PD控制電路208拉低引腳VOUT。

在圖2所示實施例中，金屬模塊210可將引腳GATE/SS直接連接到功率開關201的柵極或軟起電路211。當引腳GATE/SS被直接連接到功率開關201的柵極時，可以在引腳GATE/SS連接一個電容以減小浪涌電流。當引腳GATE/SS被金屬模塊210連接到軟啟電路211時，連接到引腳GATE/SS的電容的容值決定了系統(tǒng)軟啟動的時間。

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于將供電電源連接至一個或多個負載的系統(tǒng)300的電路原理圖。在圖3所示實施例中，單輸入供電電源提供輸入供電電壓VIN至多個并聯(lián)連接的開關器件103。微控制器301分別接收每個開關器件103的電流采樣信號，并根據(jù)接收的電流采樣信號進行各自的控制和狀態(tài)診斷。

在圖3實施例中，多個開關器件103各自提供的多個電流監(jiān)測信號，可以分別送至微控制器301，也可以一起成組送至微控制器301。對于溫度指示信號也可以采用與電流監(jiān)測信號類似的方式送至微控制器301。在圖3所示實施例中，微控制器301集成了足夠多的數(shù)模引腳I/O以及數(shù)據(jù)采集組件以滿足多個開關器件103的需求。

在圖3所示實施例中，兩個開關器件103(位于圖上端和中間)形成一個主通路并聯(lián)接收輸入供電電壓VIN，其引腳VOUT連接在一起共同提供輸出電壓VOUT。另一個開關器件103(位于圖下端)作為輔助通路也并聯(lián)接收同一輸入供電電壓VIN，并獨自在其引腳VOUT上提供另一個輸出電壓VOUTA。系統(tǒng)300可以通過一個輸入供電電壓產(chǎn)生兩個輸出電壓VOUT和VOUTA。

由于每個開關器件103均可以單獨提供電流采樣信號至微控制器，因此圖3所示的并聯(lián)結構有利于提供至少兩個功率電流指示信號至微控制器用于每個開關器件103的獨立限流編程設計。在圖3所示實施例中，來自開關器件103引腳CS的電流采樣信號被分別送至微控制器301。兩個或多個開關器件103的引腳IMON連接在一起，引腳IMON上的電流檢測信號被共同送至微控制器301，以使微控制器301檢測整個開關器件103的總輸出電流量。圖3示意出將三個開關器件103的引腳IMON耦接在一起，并提供一個表征總的輸出電流量的電流檢測信號，由微控制器301上的單個引腳IMON接收。

圖4所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在單機模式(不受微控制器控制)下的電路原理圖。在圖4所示實施例中，開關器件103的引腳GATE/SS通過電容下拉至地，通過控制功率開關的導通程度以實現(xiàn)軟啟動。引腳CS通過電阻RCS下拉至地，用于設置過流標示電平(顯示在引腳D_OC上)和允許通過功率開關201(見圖2)的最大直流輸出電流。過流標示電平的參考值由開關器件103決定，其允許的最大限流參考值可通過在引腳CLREF上連接電阻RCL來設置。在一個實施例中，采用開關器件103內(nèi)置10uA電流源驅(qū)動引腳CLREF以獲得最大限流參考值，其中，RCL×10uA即為最大限流參考值。例如，在一個示例中，設置引腳CLREF的電壓為1.4V，當電阻RCS乘以電流采樣信號的值大于1.4V，則代表輸出電流超過了編程設置的允許的最大直流輸出電流，引腳CLREF的電平將被鉗位在1.4V。當過流狀況持續(xù)時間超過預設值，則關斷開關器件103。在軟啟過程中，限流參考值將自動調(diào)低用于控制電流斜率以使開關器件103安全工作。

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在啟動過程中的波形時序圖。在熱插拔應用場合，引腳VIN在熱插拔過程中將經(jīng)歷電壓過沖或動態(tài)變化，例如將包含開關器件103的電路插件插入帶電底板。電壓過沖或動態(tài)變化基本上是由輸入路徑上的寄生電感和引腳VIN上連接的輸入電容導致的。當微控制器(見圖1)控制開關器件103工作時，微控制器將拉低引腳ON/PD以關斷功率開關201，即插入一段延時以使輸入供電電壓VIN穩(wěn)定。經(jīng)過該插卡延時之后，ON/PD引腳可以被驅(qū)動至高以將功率開關201導通。

在圖5所示實施例中，輸入電壓VIN將以一個相對較快的速率增大，相應地在開關器件103被接入電壓變化率(即較高的dv/dt)較快的輸入供電電壓VIN時，開關器件103內(nèi)置的控制電路將拉低開關器件103中功率開關的柵極。開關器件103內(nèi)置的LDO在VDD33引腳輸出的調(diào)節(jié)后電壓跟隨輸入供電電壓VIN增大。

當開關器件103與微控制器協(xié)同工作時，微控制器由LDO在引腳VDD33的輸出或內(nèi)置3.3V電源供電。功率開關201保持關斷狀態(tài)直到微控制器拉高引腳ON/PD上的使能信號。當使能信號變高，內(nèi)置電荷泵充電功率開關201，當功率開關201的柵源電壓VGS上升到柵源電壓閾值VGSTH，輸出電壓VOUT開始增大。

圖6和圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，在軟啟限流和功率限制條件下開關器件103的上電波形圖。在軟啟過程中，開關器件103的輸出電流由引腳CLREF的限流參考信號限制。在一個實施例中，放大器205將引腳CS上的代表采樣電流信號的電壓與代表限流參考信號的電壓比較，進而調(diào)節(jié)功率開關201的柵極，以防止輸出電流超出由限流參考信號設定的限流值。在啟動過程中，該限流參考信號應該被設定在比正常工作時相對較低的值以控制輸出電壓VOUT逐步上升。當輸出電壓VOUT上升至接近輸入電壓VIN時，該限流參考信號可以被提升至正常工作時的滿幅限流值，功率開關201的柵極將完全驅(qū)動，系統(tǒng)將從輸入供電電源汲取電能。

為了防止開關器件103在啟動過程中過熱，可以在啟動過程中加入最大功率限制功能。在一個實施例中，引腳CLREF處的電流參考信號的內(nèi)置最大鉗位值由輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT的關系決定。當VOUT<30％VIN，限流參考信號被鉗位在200mV；當30％VIN<VOUT<80％VIN，限流參考信號被鉗位在600mV；當80％VIN<VOUT，限流參考信號不再被鉗位。

在一個實施例中，開關器件103的引腳ON/PD用于控制功率開關201的導通和關斷切換或者用于選擇輸出電壓下拉模式。例如，當引腳ON/PD用于控制功率開關201的導通和關斷切換時，當引腳ON/PD上的使能信號的電壓高于1.4V，功率開關201導通；當引腳ON/PD上的使能信號的電壓低于1.2V，功率開關201關斷。當開關器件103的引腳ON/PD用于選擇輸出電壓下拉模式時，引腳ON/PD上的電壓將被鉗位在1V左右超過200us，例如，當引腳ON/PD上的電壓位于0.8～1.2V之間超過200us，開關器件103進入輸出電壓下拉模式。

在一個實施例中，當LDO輸出電壓和輸入供電電壓VIN高于欠壓鎖定閾值或ON/PD控制邏輯變高后(以前二者情況最后發(fā)生者為準)，ON/PD控制電路208(見圖2)產(chǎn)生1ms固定消隱時間。在消隱時間段里，所有故障功能都是可工作的，以使GOK引腳處的故障指示信號在檢測到故障狀態(tài)時被拉高，而在未檢測到故障狀態(tài)時保持低。在消隱時間段里，引腳ON/PD上的高電平信號并不能用于導通功率開關201。消隱時間段結束后，若未檢測到故障狀態(tài)，則引腳ON/PD上的電壓允許進入正常模式以導通功率開關201。當引腳ON/PD上的電壓被拉高到超過1.4V，且消隱時間結束，內(nèi)置電流源將對功率開關201的柵極充電。當功率開關201的柵源電壓VGS到達柵源電壓閾值VGSTH，輸出電壓VOUT開始增大。輸出電壓VOUT跟隨由引腳CLREF控制的限流參考信號和輸出電容增大。圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，當開關器件103在無故障時，其功率開關的導通和關斷波形示意圖。

在一個實施例中，引腳ON/PD被內(nèi)置5uA的上拉電流源拉高。當開關器件103單機工作時(不受微控制器控制)，引腳ON/PD將通過一個外部電容連接至地。在啟動過程中，內(nèi)置5uA的上拉電流源通過對該外部電容進行充電以實現(xiàn)對插入延時的設定。當引腳ON/PD上的電壓達到其導通閾值時，功率開關201導通。

圖9所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關器件103在下拉模式的波形示意圖。在一個實施例中，當引腳ON/PD上的電壓被鉗位在1V左右超過200us，開關器件103將工作在下拉模式。在該模式下，當功率開關201關斷經(jīng)過設定的延時例如5ms后，輸出端將通過集成的內(nèi)置下拉電源(電阻或功率開關)放電。如果引腳ON/PD上的電壓被直接拉低，則下拉模式不穩(wěn)定，且輸出電壓可能通過外部負載放電。

圖10所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例，當開關器件103通過引腳GOK故障監(jiān)測時，功率開關的導通和關斷波形示意圖。在一個實施例，引腳GOK邏輯低有效，即：當出現(xiàn)故障，引腳GOK被拉低。當故障解除時，GOK引腳處的故障指示信號被拉高至LDO輸出的調(diào)節(jié)后電壓，即VDD33引腳處的電壓，例如通過100kΩ的上拉電阻。但是，在LDO的輸出電壓上電階段，引腳GOK上的電壓會被拉低。

圖11所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件405的原理圖。開關器件405為圖2中開關器件103的一個特別實施例。開關器件405為一個單片集成電路，即單晶片芯片。在圖11所示實施例中，開關器件405包括多個引腳，這些引腳包括：接收輸入供電電壓VIN的引腳IN，給負載(例如一個電路等)提供輸出電壓VOUT的引腳OUT。在圖11所示實施例中，輸出電容C2連接在引腳OUT和地之間。

開關器件405包括諸如功率場效應管的功率開關(如圖12中所示的功率開關421)。功率開關的第一端(例如漏極)連接至引腳IN，第二端(例如源極)連接至引腳OUT。開關器件405還包括驅(qū)動電路，驅(qū)動功率開關的柵極在可控的模式下進行導通和關斷切換。在圖11所示實施例中，開關器件405還包括引腳ON用于接收使能信號，用于使能和不使能開關器件405。當開關器件405使能，引腳IN通過功率開關連接至引腳OUT；當開關器件405不使能，功率開關關斷，引腳IN與引腳OUT斷開。此外，諸如微控制器的外部電路也可在開關器件405的引腳ON上提供使能信號，以控制開關器件405的使能和不使能。

在圖11所示實施例中，開關器件405進一步包括：引腳SS，用于接收軟啟信號；引腳ILIMIT，用于接收限流參考信號；引腳IS，用于輸出電流采樣信號；以及引腳GND，用于接收參考地。

在圖11所示實施例中，引腳ILIMIT耦接外部電阻R1上用于設置開關器件405的限流值。在一個實施例中，開關器件包括內(nèi)置電流源(如圖12中的423)提供電流信號至引腳ILIMIT。電流信號流過電阻R1產(chǎn)生限流電壓VLIM，用于設置開關器件405的限流值。在一個實施例中，開關器件405還包括電流采樣電路(如圖12中的424)，提供表征流過引腳OUT的輸出電流的采樣電流，該采樣電流流過引腳IS上連接的外部電阻R2，轉(zhuǎn)換為電流采樣電壓VCS。開關器件405將電流采樣電壓VCS和限流電壓VLIM比較以檢測輸出電流是否過流。在一個實施例中，開關器件405還包括內(nèi)部軟啟電路(如圖12中的426)，用于在引腳SS上產(chǎn)生軟啟電流。在圖11所示實施例中，軟啟電流對引腳SS上連接的外部電容C1充電進而轉(zhuǎn)換為軟啟電壓。開關器件405還包括其他附加電路，如熱感測電路用于檢測開關器件405的結溫，以及其他和圖2中單片集成開關器件103中包含的類似的附加電路。

在圖11所示實施例中，均是通過在開關器件405相應的引腳連接無源組件(例如電阻和電容)產(chǎn)生軟啟電壓、限流電壓VLIM和電流采樣電壓VCS。本領域技術人員可以理解，通過微控制器或其他外部電路也可以產(chǎn)生軟啟電壓、限流電壓VLIM和電流采樣電壓VCS。

圖12所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件405的具體內(nèi)部電路原理圖。在圖12所示實施例中，開關器件405包括功率開關421(N溝道場效應晶體管，N-FET)和采樣晶體管422(N-FET)。當引腳ON上的使能信號使能開關器件405，功率開關421導通，引腳IN通過功率開關421連接至引腳OUT。采樣晶體管422與功率晶體管421并聯(lián)連接以進行電流采樣。

電流采樣電路424采樣流過采樣晶體管422的電流，該電流表征開關器件405的輸出電流，即：從引腳IN流向引腳OUT的電流。電流采樣電路424輸出表征輸出電流的采樣電流信號Isense，并送至引腳IS。如前文已參考圖11所述，引腳IS上的采樣電流流過外部電阻，進而轉(zhuǎn)換為采樣電壓，并送至放大器430的輸入端。內(nèi)置電流源423提供一個電流信號至引腳ILIMIT，該電流信號流過外部電阻，轉(zhuǎn)換為限流電壓，并送至放大器430的另一個輸入端。放大器430將引腳IS上的電流采樣電壓和引腳ILIMIT上的限流電壓比較以檢測輸出電流是否過流，即：檢測當輸出電流從引腳IN流向引腳OUT的輸出電流是否超過預設限流值。當過流狀況出現(xiàn)時，放大器430導通晶體管427(例如也可以是N溝道場效應晶體管)以關斷功率開關421，進而將引腳IN和引腳OUT斷開。在圖12所示實施例中，電流源426產(chǎn)生軟啟電流ISS流向引腳SS，該軟啟電流充電外部電容(圖11中的電容C1)，進而轉(zhuǎn)換為軟啟電壓，并送至軟啟放大器429的一個輸入端。電壓源V1連接在軟啟放大器429的另一個輸入端和引腳OUT之間，用于在軟啟結束后將軟啟放大器429和晶體管428不使能。

在啟動階段，即當開關器件405剛從關斷狀態(tài)被導通時，引腳ON上的使能信號生效，功率開關421柵極上的柵極電壓VG被電荷泵425中的電流源拉高，因此，功率開關421開始導通并對引腳OUT上連接的外部電容(圖11中的電容C2)充電。引腳OUT上的輸出電壓VOUT將以受控速率逐步增大，該受控速率由引腳SS上的軟啟電壓的變化率控制。軟啟放大器429比較引腳SS上的軟啟電壓和輸出電壓VOUT，并將比較結果通過控制晶體管428的柵極電壓VG，從而調(diào)整輸出電壓VOUT跟隨軟啟電壓。

在多個開關器件405并聯(lián)連接的運用場合，其中一個或多個開關器件405可能會啟動失敗。特別地，當開關器件405內(nèi)部一些組件不匹配或者軟啟放大器429的失調(diào)電壓有所不同，可能會導致其中某一個開關器件405汲取更多的電流。即，開關器件405內(nèi)的軟啟放大器429的失調(diào)電壓不匹配。這些在多個開關器件405并聯(lián)運用場合可能潛在的問題將在下面圖13所示實施例中進一步說明。

圖13所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個并聯(lián)連接的開關器件405的系統(tǒng)400的電路原理圖。在圖13所示實施例中，系統(tǒng)400包括多個并聯(lián)連接的開關器件405(例如405-1、405-2和405-3)。雖然在圖13所示實施例中示出了3個并聯(lián)連接的開關器件405，但本領域的技術人員應該理解本公開并不限于此，系統(tǒng)400中包含的開關器件405的個數(shù)可以根據(jù)實際應用的功率需求而合適選取。

由于開關器件405并聯(lián)連接，每個開關器件405的引腳IN和引腳OUT分別各自連接在一起。每個開關器件405的引腳ON也連接在一起以使該多個開關器件405作為一個單元被整體導通或關斷。將多個開關器件405并聯(lián)可以提高功效，同時系統(tǒng)400總的輸出電流將平均分攤到每個開關器件405。但是，只有在穩(wěn)態(tài)時每個開關器件405才能平均分擔，在啟動階段，如果各開關器件405內(nèi)有元件不匹配，每個開關器件405分擔的電流可能不相等。

具體地，當開關器件405引腳ON上的使能信號生效，開關器件405的功率開關開始導通并對輸出電容C2充電。每個開關器件405中的軟啟放大器(圖12中的429)開始調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT跟隨軟啟動電壓逐步增大。理想情況下，系統(tǒng)400的總輸出電流將在三個開關器件405之間均分，因此不會出現(xiàn)某個開關器件405過熱或過流的問題。但是，由于每個開關器件405中的軟啟放大器429的失調(diào)電壓不同，其中一個開關器件405可能汲取系統(tǒng)400的全部輸出電流。汲取全部輸出電流的開關器件405將會過熱并被關閉，全部輸出電流又被下一個開關器件405汲取，進而導致下一個開關器件405關閉，依次類推，最終導致整個系統(tǒng)400啟動失敗。

圖14所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)410的電路原理圖。與圖13所示的系統(tǒng)400相比，系統(tǒng)410用開關器件412(例如412-1、412-2和412-3)代替了系統(tǒng)400中的開關器件405。在一個實施例中，開關器件412除多添加了一個引腳IAVE和相關的內(nèi)置均流電路(圖15中的501)外其他模塊和引腳與開關器件405相同，該引腳IAVE和相關的內(nèi)置均流電路有助于防止系統(tǒng)啟動失敗。

在圖14所示實施例中，系統(tǒng)410包括多個單片集成開關器件412(例如412-1、412-2和412-3)并聯(lián)連接。雖然在圖14所示實施例中示出了3個并聯(lián)連接的開關器件412，但本領域的技術人員應該理解本公開并不限于此，系統(tǒng)400中包含的開關器件405的個數(shù)可以根據(jù)實際應用的功率需求而合適選取。

在圖14所示實施例中，開關器件412并聯(lián)連接成一個組合開關器件。。更具體地，每個開關器件412的引腳ON連接在一起；每個開關器件412的引腳IN連接在一起；每個開關器件412的引腳OUT連接在一起；以及每個開關器件405的引腳SS也連接在一起。因此，該多個并聯(lián)耦接的開關器件412作為一個組合開關器件或一個單元可以被整體導通/關斷，例如通過在ON引腳上施加使能信號。當系統(tǒng)410導通，開關器件412將其引腳IN和引腳OUT連通；相反地，當系統(tǒng)410關斷，開關器件412將引腳IN和引腳OUT斷開。

在圖14所示是實施例中，該多個開關器件412的引腳IAVE連接在一起并通過均流電阻R7連接至地。在一個實施例中，每個開關器件412還包含其他內(nèi)部產(chǎn)生的采樣電流送至引腳IAVE。在圖14所示是實施例中，由于每個引腳IAVE連接在一起，每個開關器件412的采樣電流均被送至均流電阻R7，進而產(chǎn)生表征多個開關器件412的總的輸出電流的平均的平均電壓VAVG。例如，假定開關器件412-1的輸出電流是2A(2Amps)，開關器件412-2的輸出電流是1A，假定開關器件412-3的輸出電流是3A，則系統(tǒng)410的總輸出電流為6A(即：2A+1A+3A)，每個開關器件的平均輸出電流為2A(即：6A/3)。在圖14所示是實施例中，所有開關器件412具有相同的平均電壓VAVG，該平均電壓VAVG作為每個開關器件412的參考值，用于檢測開關器件412汲取的電流是否超過平均輸出電流的參考值。

在一個實施例中，均衡電阻R7的阻值被選取為使所述平均電壓可以表征所述平均輸出電流。在一個實施例中，平均輸出電流等于總的輸出電流除以系統(tǒng)中開關器件的數(shù)量。例如，當系統(tǒng)410包括三個開關器件時，平均輸出電流等于總的輸出電流除以三。例如，圖14所示的實施例中，假定總的輸出電流是9A，則平均電流等于3A。在圖14所示的實施例中，均流電阻R7的阻值也可以等于外部電阻R的阻值除以開關器件412的個數(shù)。即：R7＝R/N。其中，R＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6，N為開關器件412的個數(shù)。例如，電阻R1、R2、R3、R4、R5和R6均具有3KΩ的阻值，則均衡電阻R7具有1KΩ的阻值(即3KΩ/3)?？梢岳斫?，均流電阻可以表示單個電阻，也可以表示一個電阻網(wǎng)絡(例如等效并聯(lián)和/或等效串聯(lián)電阻)。

圖15所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件412的具體內(nèi)部電路原理圖。開關器件412除還包括IAVE引腳和均流電路501之外，其他模塊元件與圖12所示的開關器件405中的模塊元件相同，其中，均流電路501用于在啟動過程中對并聯(lián)連接的多個開關器件412的輸出電流進行均流調(diào)節(jié)。開關器件412中的其它電路元件的工作方式與開關器件405中的相同。

在圖15的示例中，均流電路501可以包括放大器502和晶體管503(例如可以是N溝道場效應晶體管)。均流電路501可以在啟動過程中使能，并在啟動過程結束后不使能。例如，均流電路501可以在輸出引腳OUT處的輸出電壓VOUT達到高于IN引腳處的輸入電壓VIN的90％時不使能。圖15所示實施例中，電流采樣電路424產(chǎn)生表征輸出電流的第二采樣電流信號Isense2，即：從引腳IN流向引腳OUT的電流。在圖15所示實施例中，第二采樣電流信號Isense2等于采樣電流信號Isense。第二采樣電流信號Isense2流向引腳IAVE，并流過外部均流電阻(例如圖14中的R7)，進而轉(zhuǎn)換為平均電壓，并送至放大器502的輸入端。放大器502將引腳IAVE上的電壓(表征多個并聯(lián)連接的開關器件412的平均輸出電流)和引腳IS上的電壓比較(表征開關器件412的輸出電流)。當開關器件412的輸出電流大于平均輸出電流，放大器502將通過晶體管503拉低功率開關421的柵極電壓VG，進而降低開關器件412的輸出電流，這樣就可以防止每個開關器件412汲取的電流超過平均電流。實際上，均流電路501作為一個電流調(diào)節(jié)環(huán)路使得系統(tǒng)總輸出電流在該多個并聯(lián)耦接的開關器件412之間均分。

圖16和圖17所示為具有多個并聯(lián)連接的開關器件的系統(tǒng)的仿真示意圖，其中，引腳IN上的輸入電壓為12V。

圖16所示為沒有均流的多個并聯(lián)連接的開關器件(如圖13中的開關器件405)的仿真波形圖。圖16所示的波形圖包括引腳OUT上的輸出電壓波形601、系統(tǒng)總的輸出電流波形602和并聯(lián)耦接的多個開關器件的輸出電流波形603-605。從圖中可以看出，在沒有均流電路/均流措施時，在啟動過程中隨著輸出電壓VOUT增大，各開關器件的輸出電流(波形603～605)可能差異很大。具體地，其中一個開關器件的汲取的輸出電流(與波形603對應的)比其余兩個開關器件汲取的輸出電流(與波形604和605對應的)相比承擔了大量輸出電流。。

圖17所示為具有均流功能的多個并聯(lián)連接的開關器件(如圖14中的開關器件412)的仿真波形圖。圖17所示的波形圖包括引腳OUT上的輸出電壓波形611、系統(tǒng)總的輸出電流波形612和并聯(lián)耦接的多個開關器件412中的每個開關器件(例如圖14中的412-1、412-2和412-3)的輸出電流波形613。。從圖中可以看出，在有均流電路/均流措施時，在啟動過程中隨著輸出電壓VOUT增大，各開關器件的輸出電流其實相同，因而波形幾乎重合(見波形613)。

圖18所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)400工作流程示意圖。圖18所示的方法用于多個并聯(lián)連接的開關器件412。應該理解，其它開關器件也可以用來實施該方法而并不超出本公開的精神和保護范圍。

在圖18所示實施例中，多個單片集成開關器件并聯(lián)連接。每個單片集成的開關器件包括第一引腳和第二引腳。單片集成的開關器件在第一引腳上接收輸入電壓(步驟701)；當單片集成開關器件導通時，連接第一引腳和第二引腳(步驟702)。多個并聯(lián)連接的單片集成開關器件被構建成一個單元作為系統(tǒng)的一部分被整體導通/關斷。當系統(tǒng)導通時，單片集成開關器件導通。單片集成開關器件包括一個功率開關，當單片集成開關器件導通時，該功率開關連接第一引腳和第二引腳。該單晶片集成電路開關器件導通時還在其第二引腳流出輸出電流。該單晶片集成電路開關器件還可以將其輸出電流與該多個并聯(lián)耦接的單晶片集成電路開關器件的總輸出電流的平均輸出電流相比較(步驟703)。在啟動過程中，當該單晶片集成電路開關器件的輸出電流超出總輸出電流的平均輸出電流，則該單晶片集成電路開關器件降低其輸出電流(步驟704)。例如，該單晶片集成電路開關器件可以通過拉低其功率開關的柵極電壓以降低其輸出電流。

為了避免損壞電子器件，常常需要控制電子器件運行在一個電壓和電流合適的安全工作區(qū)(safe operation area,SOA)。一般來說，通過限制單片集成開關器件的電流，可以使其限制運行在SOA區(qū)，例如，通過可在引腳ILIMIT上提供預設限流值(例如限流電壓VLIM)限制。遺憾地是，由于器件的制造過程和運用的場合均有所不同，正確設置合適的限流值并不容易。具體地講，如果選擇的限流值較小，則可能重復觸發(fā)開關器件使其進入故障模式；另一方面，如果選擇的限流值較大，則可能損壞開關器件。為了處理這樣的問題，圖19所示實施例將公開一種具有合適的SOA保護的單片集成開關器件。

圖19所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的單片集成開關器件720的原理圖。開關器件720為圖2中開關器件103的一個特別實施例。開關器件720為一個單片集成電路，即單晶片芯片。在圖19所示實施例中，開關器件720包括多個引腳，這些引腳包括：接收輸入供電電壓VIN的引腳IN，給負載(例如一個電路等)提供輸出電壓VOUT的引腳OUT。在圖19所示實施例中，輸出電容C2連接在引腳OUT和地之間。

開關器件720包括諸如功率場效應管的功率開關(如圖20中所示的功率開關721)。功率開關的第一端(例如漏極)連接至引腳IN，第二端(例如源極)連接至引腳OUT。開關器件720還包括驅(qū)動電路，驅(qū)動功率開關的柵極從而使該功率開關在可控的模式下進行導通和關斷切換。在圖19所示實施例中，開關器件720還包括引腳ON用于接收使能信號，用于使能和不使能開關器件720。當開關器件720使能，引腳IN通過功率開關連接至引腳OUT；當開關器件720不使能，功率開關關斷，引腳IN與引腳OUT斷開。此外，諸如微控制器的外部電路也可提供使能信號至開關器件720的引腳ON，以控制開關器件720的使能和不使能。

在圖19所示實施例中，開關器件720進一步包括：引腳SS，用于接收軟啟信號；引腳ILIMIT，用于接收限流參考信號；引腳IS，用于輸出電流采樣信號；以及引腳GND，用于接收參考地信號。

在圖19所示實施例中，外部電阻R11耦接在引腳ILIMIT上用于設置開關器件720的限流值。在一個實施例中，開關器件包括內(nèi)置電流源(如圖20中的723)提供電流信號至引腳ILIMIT。電流信號流過電阻R11產(chǎn)生限流電壓VLIM，用于設置開關器件720的限流值。在一個實施例中，開關器件720進一步包括電流采樣電路(如圖20中的724)，提供表征流過引腳OUT的輸出電流的采樣電流信號。采樣電流流過引腳IS上連接的外部電阻R12，進而轉(zhuǎn)換為電流采樣電壓VCS。開關器件720將電流采樣電壓VCS和限流電壓VLIM比較以檢測輸出電流是否過流。在一個實施例中，開關器件720進一步包括內(nèi)置軟啟電路(如圖20中的726)，用于在引腳SS上產(chǎn)生軟啟電流。在圖19所示實施例中，軟啟電流對引腳SS上連接的外部電容C11充電進而轉(zhuǎn)換為軟啟電壓。開關器件720還包括其他附加電路，如熱感測電路用于檢測開關器件405的結溫，以及其他和圖2中單片集成開關器件103中包含的類似的附加電路。

在圖19所示實施例中，均是通過在開關器件720相應的引腳連接無源組件(例如電阻和電容)產(chǎn)生軟啟電壓、限流電壓VLIM和電流采樣電壓VCS。本領域技術人員可以理解，通過微控制器或其他外部電路也可以產(chǎn)生軟啟電壓、限流電壓VLIM和電流采樣電壓VCS。

圖20所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例單片集成的開關器件720的具體內(nèi)部原理圖。在圖20所示實施例中，開關器件720包括功率開關721(N溝道場效應晶體管，N-FET)和采樣晶體管722(N-FET)。當引腳ON上的使能信號使能開關器件720，功率開關721導通，引腳IN通過功率開關721連接至引腳OUT。采樣晶體管722與功率晶體管721并聯(lián)連接以進行電流采樣。

電流采樣電路724采樣流過采樣晶體管722的電流，該電流表征開關器件720的輸出電流，即：從引腳IN流向引腳OUT的電流。電流采樣電路724輸出表征輸出電流的采樣電流信號Isense，并送至引腳IS。如前文已參考圖19所述，引腳IS上的采樣電流流過外部電阻，進而轉(zhuǎn)換為采樣電壓，并送至放大器730的輸入端。內(nèi)置電流源723提供一個電流信號至引腳ILIMIT，該電流信號流過外部電阻，轉(zhuǎn)換為限流電壓，并送至放大器730的另一個輸入端。放大器730將引腳IS上的電流采樣電壓和引腳ILIMIT上的限流電壓比較以檢測輸出電流是否過流，即：檢測當輸出電流從引腳IN流向引腳OUT的輸出電流是否超過預設限流值。當過流狀況出現(xiàn)時，放大器730導通晶體管727(N-FET)以關斷功率開關721，進而將引腳IN和引腳OUT斷開。此外，放大器730還包括另一個輸入端用于接收自適應SOA保護信號VCLAMP用于設定允許流過功率開關的電流(即輸出電流)，自適應SOA保護信號VCLAMP的值隨溫度變化而變化，其中溫度可包括功率開關721的溫度、開關器件720的結溫等。當溫度降低時，自適應SOA保護信號VCLAMP的值升高；當溫度升高時，自適應SOA保護信號VCLAMP的值下降。

在圖20所示實施例中，電流源726產(chǎn)生軟啟電流ISS流向引腳SS。軟啟電流通過充電外部電容(圖19中的電容C11)進而轉(zhuǎn)換為軟啟電壓，并送至軟啟放大器729的一個輸入端。電壓源V2連接在軟啟放大器729的另一個輸入端和引腳OUT之間，用于在軟啟結束后控制軟啟放大器729和晶體管728不使能。

在啟動階段，當開關器件720剛從關斷狀態(tài)被導通時，引腳ON上的使能信號生效，功率開關721柵極上的柵極電壓VG被電荷泵725中的電流源拉高，因此，功率開關721開始導通并對引腳OUT上連接的外部電容(圖19中的電容C12)充電。引腳OUT上的輸出電壓VOUT將以受控速率逐步增大，該受控速率由引腳SS上的軟啟電壓的變化率控制。軟啟放大器729比較引腳SS上的軟啟電壓和輸出電壓VOUT，并將比較結果通過控制晶體管728的柵極電壓VG，從而調(diào)整輸出電壓VOUT跟隨軟啟電壓。

在圖20所示實施例中，單片集成開關器件720進一步包括自適應SOA保護電路，其包括功率開關漏源電壓采樣電路732和溫度補償電壓產(chǎn)生電路733。在一個實施例中，SOA保護電路基于溫度控制輸出電流。在圖20所示實施例中，SOA保護電路基于功率開關721的溫度限制流過功率開關721的電流。在一些實施例中，當功率開關721占據(jù)功率器件720的晶片的大部分位置(例如功率開關721占據(jù)功率器件720的晶片面積的80％)，SOA保護電路基于功率器件720的結溫限制流過功率開關721的電流(即輸出電流)。

在圖20所示實施例中，自適應SOA保護電路在功率器件720啟動過程中使能，當啟動結束后(進入穩(wěn)態(tài))不使能。在啟動過程中，當功率開關721的溫度升高時，自適應SOA保護電路減小流過功率開關721的輸出電流。當功率開關721的溫度降低時，自適應SOA保護電路增大流過功率開關721的輸出電流。

在圖20所示實施例中，電壓采樣電路732采樣功率開關721漏源兩端的電壓VDS，以判斷開關器件720位于啟動階段還是穩(wěn)態(tài)階段。更具體地，在啟動過程中，功率開關721開始傳導電流；當進入穩(wěn)態(tài)階段后，功率開關721完全導通。因此，功率開關721漏源兩端的電壓VDS的值在功率開關721完全導通后較低，在啟動過程中較高。在圖20所示實施例中，電壓采樣電路732采樣功率開關721漏源兩端的電壓VDS，并基于漏源電壓VDS產(chǎn)生信號CLAMP ENABLE。在圖20所示實施例中，當功率開關721的漏源電壓VDS大于SOA保護閾值(例如0.6V)時，信號CLAMP ENABLE使能溫度補償電壓產(chǎn)生電路733；當功率開關721的漏源電壓VDS小于等于SOA保護閾值時，信號CLAMP ENABLE控制溫度補償電壓產(chǎn)生電路733不使能。

圖21所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓采樣電路732的電路原理圖。在圖21所示實施例中，電壓采樣電路732包括比較器740。比較器740的第一端連接至功率開關721的漏極，其第二端連接至功率開關721的源極。比較器740的第二端還具有電壓源V3用于調(diào)節(jié)SOA保護閾值。在圖21所示實施例中，例如在啟動階段時，當功率開關721的漏極電壓大于其源極電壓與電壓源V3的和時，較器740輸出的信號CLAMP ENABLE有效；又如在穩(wěn)態(tài)階段，當功率開關721的漏極電壓小于等于其源極電壓與電壓源V3的和時，較器740輸出的信號CLAMP ENABLE無效。

返回圖20所示實施例，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733接收漏源電壓采樣電路732產(chǎn)生的信號CLAMP ENABLE。在圖20所示實施例中，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733產(chǎn)生自適應SOA保護信號，該自適應SOA保護信號包括壓信號VCLAMP。溫度補償電壓產(chǎn)生電路733基于功率開關721的溫度產(chǎn)生自適應SOA保護信號。在圖20所示實施例中，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733產(chǎn)生的電壓信號VCLAMP用于表征功率開關721的溫度變化。具體地，當功率開關721的溫度升高，電壓信號VCLAMP減??；當功率開關721的溫度降低，電壓信號VCLAMP增大。在圖20所示實施例中，電壓信號VCLAMP將與引腳ILIMIT上的電壓VLIM相加，因此，當功率開關721的溫度升高時，可以通過減小電壓信號VCLAMP降低限流值。類似地，當功率開關721的溫度降低時，可以通過增大電壓信號VCLAMP增大限流值，以使更多的輸出電流通過功率開關721。因此，自適應SOA保護電路有利于在系統(tǒng)啟動階段，控制限流值基于溫度的變化自適應調(diào)整。

更具體地，在功率開關721啟動階段，由于電壓采樣電路732檢測到功率開關721的漏源電壓VDS大于SOA保護閾值，因此溫度補償電壓產(chǎn)生電路733使能。當功率開關721的溫度升高時，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733輸出的電壓VCLAMP減小，限流值降低(該限流值由引腳ILIMIT上的電壓VLIM和電壓信號VCLAMP決定)。當引腳IS上的電流采樣電壓指示輸出電流超過限流值時，放大器730導通晶體管727進而拉低功率開關721的柵極，從而減少流過功率開關721的電流。

圖22所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的溫度補償電壓產(chǎn)生電路733的電路原理圖。如圖22所示實施例，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733包括雙極性NPN晶體管741，該晶體管741被電流源742偏置。在圖22所示實施例中，晶體管741的集電極和基極連接在一起，發(fā)射極連接至地。在圖22所示實施例中，晶體管741的基極-發(fā)射極電壓VBE具有負溫度系數(shù)(e.g.,-2mV/℃)。也即是說，當晶體管741的溫度下降，則晶體管741的基極-發(fā)射極電壓VBE上升；當晶體管741的溫度上升，則晶體管741的基極-發(fā)射極電壓VBE下降。在圖20-21所示實施例中已經(jīng)詳述，功率開關721占據(jù)了開關器件720晶片的大部分位置。在圖22中，晶體管741的溫度可以表征開關器件720的溫度，因此，晶體管741的溫度可以表征功率開關721的溫度。因此，基于功率開關721的溫度變化的晶體管741的基極-發(fā)射極電壓VBE將作為溫度補償電壓產(chǎn)生電路733輸出的電壓信號VCLAMP。

在圖22所示實施例中，溫度補償電壓產(chǎn)生電路733還包括由信號CLAMP ENABLE控制的開關743和開關744。在圖22所示實施例中，當信號CLAMP ENABLE有效時，開關743關斷，開關744導通。相應地，在圖22所示實施例中，當溫度補償電壓產(chǎn)生電路733使能時，晶體管741的基極-發(fā)射極電壓VBE即為電壓信號VCLAMP。當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)階段時，信號CLAMP ENABLE無效，開關743導通，開關744關斷，此時溫度補償電壓產(chǎn)生電路733不使能，電壓信號VCLAMP被賦最大值VMAX。該最大值VMAX等于開關器件720的最大絕對值電壓。

圖23所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有多個并聯(lián)連接的開關器件720的系統(tǒng)750的電路原理圖。在圖23所示實施例中，系統(tǒng)750包括多個并聯(lián)連接的開關器件720(例如720-1、720-2和720-3)。雖然在圖23所示實施例中示出了3個并聯(lián)連接的開關器件720，但本領域的技術人員應該理解本公開并不限于此，系統(tǒng)750中包含的開關器件720的個數(shù)可以根據(jù)實際應用的功率需求而合適選取。

由于開關器件720并聯(lián)連接，每個開關器件720的引腳IN和引腳OUT分別各自連接在一起。每個開關器件720的引腳ON也連接在一起，以使該多個開關器件405作為一個單元被整體導通或關斷。將多個開關器件720并聯(lián)可以提高功效，同時系統(tǒng)750總的輸出電流將平均分攤到每個開關器件720。在啟動階段每個開關器件720中的自適應SOA保護電路阻止每個開關器件720從系統(tǒng)750中汲取過多的總輸出電流。例如，在啟動階段，當開關器件720-1的輸出電流增大時，開關器件720-1中的功率開關溫度升高，開關器件720-1的限流值降低以減小其輸出電流。這樣可阻止開關器件720-1從系統(tǒng)750中汲取過多的總輸出電流。減小開關器件720-1的輸出電流將導致開關器件720-2汲取更多的總輸出電流，但是當開關器件720-2的功率開關的溫度上升到一定值時，開關器件720-2中的自適應SOA保護電路將減小其輸出電流，依次類推。因此可實現(xiàn)系統(tǒng)750總的輸出電流在啟動階段可在所有開關器件720中均衡分配。

圖24所示為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)工作流程示意圖。圖24所示的方法用于單片集成開關器件720。單開關器件720可以和其他多個單片集成開關器件720并聯(lián)連接使用，或單獨在備用模式使用，也可與其他包括本發(fā)明所公開的優(yōu)點的電路結合使用?？梢岳斫?，圖24所公開的方法主要涉及根據(jù)開關溫度自動調(diào)整流過開關的電流值。

在圖24所示實施例中，單片集成開關器件包括第一引腳和第二引腳。單片集成開關器件在第一引腳上接收輸入電壓(步驟751)；當單片集成開關器件導通時，連接第一引腳和第二引腳(步驟752)。單片集成開關器件720進一步包括自適應SOA保護電路，當系統(tǒng)啟動時，使能自適應SOA保護電路(步驟753)。例如，當功率開關的漏源電壓VDS大于SOA保護閾值時，使能自適應SOA保護電路。在啟動階段，基于溫度限制單片集成開關器件的輸出電流(步驟754)。例如，基于功率開關的溫度限制單片集成開關器件的輸出電流。更具體地，當功率開關的溫度升高時，降低流過開關器件的電流量；當功率開關的溫度降低時，增打流過開關器件的電流量。在一個實施例中，當功率開關的溫度升高時，通過減小單片集成開關器件的限流值以控制單片集成開關器件的輸出電流；功率開關的溫度降低時，通過增大單片集成開關器件的限流值以控制單片集成開關器件的輸出電流。當系統(tǒng)啟動結束進入穩(wěn)態(tài)階段，控制單片集成開關器件的自適應SOA保護電路不使能(步驟755)。例如，當功率開關的漏源電壓VDS小于SOA保護閾值時，控制自適應SOA保護電路不使能。

本公開公開了自適應SOA保護電路的單晶片集成開關器件及相關的方法，雖然詳細介紹了本發(fā)明的一些實施例，然而應該理解，這些實施例僅用于示例性的說明，并不用于限定本發(fā)明的范圍。其它可行的選擇性實施例可以通過閱讀本公開被本技術領域的普通技術人員所了解。