[0001] 本发明涉及开关电路技术领域，尤其涉及一种超宽电压范围自举高边控制电路及装置。

[0002] 常见的功率开关控制场合中，我们常常用逻辑电平调理后控制功率开关达到高边开合控制的目的。高边控制场景中，由于不需共地的优势，可以减少开关控制及驱动回路对负载的扰动。在NMOS作为功率开关器件的方案中，直流控制电压需要抬升高于负载电压，常用自举电路用于抬升控制信号电压。公开号为CN101977046B，名称为自举采样开关电路和自举电路的发明专利提出的一种自举采样开关电路和自举电路，在开关驱动方式和自举充电方面，开关和驱动方案复杂，同时采样时间要同步开关时序。公开号为CN108768142A，名称为一种自举电路的发明专利提出的一种用于集成电路内部用于高侧开关时的自举电路，该方案在线性电源没有足够时间给自举电容充电的情况下，通过欠压检测电路控制下拉电路，从而实现自举电容充电，提高电源效率，但是该方案使用线性电源作为自举充电电源，由于线性电源使用时有最大压差要求，且该电源同要满足控制回路器件供电要求，难以满足宽电压的选型需求。公开号为CN115117847A，名称为一种高边开关设计及其驱动方法的发明专利提出的一种高边开关，包括欠压检测。该方案在开关异常或快速关断后，有效保证感性负载电流快速泄放。但是该方案控制和驱动上要依赖栅极驱动器，并需要控制下拉单元和下拉增强单元，方案控制较为复杂，应用场景局限。因此，常规的自举方案，自举充电回路使用线性电压或倍压方案，难以做到适配更宽的供电电压的高边控制方案，局限于高边控制方案中控制方式复杂和自举电路中器件选型窄电源供电等工作条件。

[0003] 鉴于此，有必要提出一种可适用超宽电压范围的自举高边控制开关电路方案，且对元器件没有特殊的宽压要求。

[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 如图1－2所示，本发明提供了一种超宽电压范围自举高边控制电路，包括：自举供电回路、开关控制回路、驱动回路、负载开关和负载，所述开关控制回路的输入端与开关控制信号连接，所述开关控制回路的输出端与所述驱动回路的输入端连接，所述驱动回路的输出端与所述负载开关的一端连接，所述负载开关的另一端与所述负载连接并接电源；所述自举供电回路的输入端接收方波信号的输入，所述自举供电回路的第一输出端与所述开关控制回路连接，所述自举供电回路的第二输出端与所述驱动回路连接，所述自举供电回路的第三输出端与所述负载连接并接电源，用于所述开关控制回路和驱动回路的电源供给，实现交流和自举充电电压耦合，使得自举电容上叠加的耦合后的电压值，实际用作器件电源电压大小为交直流耦合后的真值减去负载电源电压值后的差值，用于宽电压供电中的自举高边开关控制。

[0021] 具体地，所述开关控制回路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2，所述第一三极管Q1的基极与开关控制信号连接，所述第一三极管Q1的发射极与电源连接，所述第一三极管Q1的集电极与所述第二三极管Q2的基极连接，所述第二三极管Q2的发射极与所述驱动回路上的第一分压电阻R1连接，所述第二三极管Q2的集电极与所述驱动回路上的第二分压电阻R2连接。上述第一三极管Q1的发射极与一电阻的一端连接，该电阻的另一端接地。该第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的基极之间也连接一电阻。

[0022] 本领域技术人员可以理解，开关控制回路主要器件为第一三极管Q1和第二三极管Q2两个NPN型三极管，逻辑输入信号控制开关控制管通断实现控制信号传递。当控制开启的信号为3.3V高电平时，三极管基极电压高于发射极电压，Q1导通到地，导致三极管Q2基极电压高于发射极电压导通。

[0023] 具体地，所述驱动回路包括分压组件和运算放大器U1，所述分压组件包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3和第四分压电阻R4，所述第一分压电阻R1的一端与第二三极管Q2的发射极连接，所述第一分压电阻R1的另一端与所述第三分压电阻R3的一端连接，所述第二分压电阻R2的一端与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述第二分压电阻R2的另一端与所述第四分压电阻R4的一端连接，所述第三分压电阻R3的另一端与所述第四分压电阻R4的另一端连接，所述运算放大器U1的正向输入端与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述运算放大器U1的负向输入端与所述第三分压电阻R3与第四分压电阻R4的连接处连接，且所述第三分压电阻R3的一端与所述运算放大器U1的正电源端连接，所述第四分压电阻R4的一端与所述运算放大器U1的负电源端连接，所述运算放大器U1的输出端与所述负载开关连接。该运算放大器U1的输出端与一电阻的一端，该电阻的另一端与NMOS管M1的栅极连接。

[0024] 所述驱动回路中，设置所述第一分压电阻R1阻值等于所述第三分压电阻阻值R3，所述第二分压电阻R2阻值大于所述第四分压电阻R4阻值；在所述第二三极管Q2导通时，所述第二分压电阻R2阻值大于所述第四分压电阻R4阻值，所述第二分压电阻R2经过分压后电压大于所述第四分压电阻R4分压后得到的电压，所述运算放大器U1的正向输入端电压大于所述运算放大器U1的负向输入端电压，经过开环增益放大输出后，输出接近供电电压的电平值，用于驱动所述负载开关开启。

[0025] 本领域技术人员可以理解，驱动回路主要器件为R1、R2、R3、R4组成的分压组件及采用通用运放芯片的运算放大器U1，U1用作差动比较，输出驱动信号用于通断后续的功率开关单元，该功率开关单元即负载开关。令R1＝R3，R2＞R4。开启前，R2上端输入电压为0，R4分压大于R2两端电压，通用运放U1的正向输入端电压低于负向输入端电压，输出低电平，无法驱动后续功率开关开启。开关控制为高，即Q2导通时，由于R2＞R4，使得R2经过分压后电压大于R4经过分压后得到的电压，使得通用运放U1的正向输入端电压高于负向输入端，经过开环增益放大输出后，输出接近供电电压的电平值，可以用于驱动后续功率开关开启。

[0026] 具体地，所述负载开关包括NMOS管M1，所述NMOS管M1的栅极与所述驱动回路的输出端连接，所述NMOS管M1的漏极与电源连接，所述NMOS管M1的源极与所述负载RL连接并接地，所述NMOS管M1的栅极与所述自举供电回路连接，即NMOS管M1的栅极与一电阻及第一二极管的正极连接。

[0027] 本领域技术人员可以理解，负载开关主要器件是NMOS管M1，即功率开关管M1控制后续负载供电回路的开合。本发明实施方案使用NMOS管作为功率开关控制，器件选型的此款NMOS管完全开启栅源电压VGS＞10V。在实际实现中，上述电源采用的是DC36V PWR电源。

[0028] 具体地，所述自举供电回路包括耦合电容C1、自举电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和稳压二极管D3，所述耦合电容C1的一端与开关控制信号连接，所述耦合电容C1的另一端与所述第二二极管D2的正极连接，所述第二二极管D2的负极与第二三极管Q2的发射极连接，且所述第二二极管D2的负极与所述自举电容C2连接并接地，所述第二二极管D2的正极与所述第一二极管D1的负极连接，所述第一二极管D1的正极与所述负载开关连接，且所述第二二极管D2的负极与所述稳压二极管D3的负极连接，所述稳压二极管D3的正极与所述负载RL连接并接地。该自举电容C2的远离接地端的一端与一电阻连接形成RC滤波，且连接至第一分压电阻R1。

[0029] 所述自举供电回路中，所述自举供电回路持续接入预设峰峰值Vp的方波信号，经过所述耦合电容C1及第二二极管D2，再经过RC滤波和所述稳压二极管D3稳压，用于初次向所述开关控制回路和驱动回路供电；在所述负载开关开启后，所述负载RL正常供电，所述自举电容C2通过第二二极管D2充电，并叠加初始的电压信号，输出叠加后的交直流信号，同样经由所述RC滤波和稳压二极管D3稳压，用于最终向所述开关控制回路和驱动回路供电，由于所述自举电容上叠加的交直流耦合信号高于所述负载RL上的电压值，实现开关信号的后续驱动。

[0030] 本领域技术人员可以理解，自举供电回路主要器件耦合电容C1、自举电容C2、二极管D1、D2和稳压二极管D3。首次控制时，自举供电回路持续接入峰峰值为Vp的方波信号，经过耦合电容C1及二极管D2，再经过RC滤波和稳压二极管D3稳压，用作初次控制和驱动回路供电。负载开关即控制功率开关开启后，负载正常供电，自举电容C2通过二极管D2充电，并叠加初始的电压信号。叠加后的交直流信号，同样会经由RC滤波和稳压二极管D3稳压，最后用于控制回路和驱动回路的电源供给，由于自举电容上叠加的交直流耦合信号高于负载上的电压值，使得开关信号的后续驱动得以正常实现。

[0031] 初始时，功率开关器件默认关断。经过持续的开启控制信号后保持开启状态。直到接收到控制端输入的低电平关断信号时，前端的第一三极管Q1截止关断，随后第二三极管Q2截止关断，第二分压电阻R2电压恢复至0。此时驱动控制回路中运算放大器U1正向输入端电压小于负向输入端电压。输出驱动电压不足以驱动后续功率开关器件开启，即NMOS管M1关断，负载RL断电，最终实现自举高边侧开关控制。

[0032] 本发明实施例中提供了一种可适用超宽电压范围的自举高边控制开关电路方案，常规可用作功率负载的高边侧开关控制，该方案包括自举供电回路、开关控制回路、驱动回路和负载开关。首次控制时，自举供电回路持续接入峰峰值为Vp的方波信号，经过耦合电容C1及第二二极管D2，再经过RC滤波和稳压二极管D3稳压，用作初次控制和驱动回路供电。当控制开启的信号为高电平时，控制三极管Q1接通，然后第二三极管Q2被接通。令R1＝R3，R2＞R4，则运算放大器U1正输入端电压和负输入端电压差异，经过开环放大，使得功率开关满足开通条件，驱动M1开启，负载正常供电。负载供电后，自举电容C2通过第二二极管D2充电，并耦合交直流电压信号。耦合后的交直流信号，同样会经由RC滤波和稳压二极管D3稳压，最后用于控制回路和驱动回路的电源供给，由于自举电容上叠加的交直流耦合信号高于负载上的电压值，使得开关信号的后续驱动得以正常实现。由于实际用作器件电源电压大小为交直流耦合后的真值减去负载电源电压值后的差值，突破了在高边控制方案中控制方式复杂和自举电路中器件选型窄电源供电等工作条件局限，适用于解决更宽负载电源的高边开关控制方案。本实施例采用的自举电路：也叫升压电路，是利用自举升压二极管，自举升压电容等电子元件，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高，有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。

[0033] 本发明提供了一种超宽电压范围自举高边控制装置/设备，所述装置/设备包括如本发明实施例所述的超宽电压范围自举高边控制电路。

[0034] 本发明提供了一种电流分配器，所述电流分配器包括如本发明实施例所述的超宽电压范围自举高边控制电路。其功能原理均如本发明上述实施例所述，在此不再赘述。在装置、设备或电流分配器实施例中未详细描述的部分参照电路实施例中相关部分的描述即可。

[0035] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。