開關電路的制作方法
【專利摘要】本公開的實施方式提供了一種開關電路，包括：主電路，連接在第一電源與接地之間，所述主電路包括晶體管開關；以及第一支路，包括至少一個電容元件，所述至少一個電容元件被配置為從所述第一電源接收功率以產生用于控制所述晶體管開關導通和關斷的第一控制信號。在本公開的各個實施方式中，由于采用至少一個電容元件從第一電源接收功率以產生用于使得晶體管開關導通的電壓，從而在電源VCC因失效而不能正常工作的情況下，也能保證晶體管開關處于導通狀態，以確保開關電路能夠正常工作，從而能夠在VCC失效的情況下通過開關電路對其它機器進行控制。
【專利說明】開關電路
【技術領域】
[0001]本公開的各個實施方式涉及一種開關電路，并且更具體地涉及一種自觸發式開關電路。
【背景技術】
[0002]在電子電路中，通常采用MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)作為開關元件，來控制電路的接通和斷開。圖1示出了根據現有技術的一種開關電路的示意圖。在圖1中圖示了使用MOSFET作為開關元件的一個示例。
[0003]圖1中所示的開關電路包括主電路I和支路3。主電路I包括串聯連接在第一電源Vbat與接地GND之間的繼電器10、手動開關SW以及晶體管開關M1，其中晶體管開關Ml可以是NMOS晶體管。支路3包括:串聯連接在第二電源VCC與接地GND之間的二極管D2、電阻器R5和NPN三極管T ；以及電阻器R6和R7，串聯連接在三極管T的基極B與接地GND之間，其中電阻器R6和R7之間的節點被配置為接收用于控制三極管T導通或截止的控制信號Ctrl，并且電阻器R5與三極管T之間的節點通過電阻器R2連接至晶體管Ml的柵極G，以向晶體管Ml的柵極G提供控制電壓。
[0004]圖2示出了根據圖1的開關電路的時序圖。如圖2所示，為了能夠通過手動開關SW對主電路I (更具體地對繼電器10)進行控制，要求晶體管Ml必須處于導通狀態，因此電源VCC必需能夠正常工作以提供晶體管Ml導通所需的柵極控制電壓。然而，在一些情況下，電源VCC可能因各種原因而失效(即不能提供所需的電壓)，此時晶體管Ml將不能導通，導致開關電路無法正常工作，從而無法通過開關電路對連接至繼電器的機器進行控制。
[0005]例如用于汽車中的ECU(電子控制單元)可以包括圖1中所示的開關電路。在某些情況下，當ECU的電源(也即第二電源VCC)失效時，由于晶體管開關Ml無法導通，因而導致系統的開關電路無法正常工作。
實用新型內容
[0006]本公開的實施方式旨在解決在電源VCC失效的情況下開關電路將無法正常工作的問題。
[0007]為了解決上述問題，本公開的實施方式的目的之一在于提供一種自觸發式開關電路，以至少部分解決上述問題。
[0008]根據本公開的一個方面，提供一種開關電路，包括:主電路，連接在第一電源與接地之間，所述主電路包括晶體管開關；以及第一支路，包括至少一個電容元件，所述至少一個電容元件被配置為從所述第一電源接收功率以產生用于控制所述晶體管開關導通和關斷的第一控制信號。
[0009]根據本公開的一個示例性實施方式，開關電路還包括第二支路，所述第二支路連接在第二電源與所述接地之間，所述第二支路被配置用于產生用于控制所述晶體管開關導通和關斷的第二控制信號。
[0010]根據本公開的一個示例性實施方式，所述主電路包括與所述晶體管開關串聯連接的繼電器和手動開關。
[0011]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第一支路與所述晶體管開關并聯連接，并且所述第一支路包括串聯連接的第一二極管、第一電阻器和第一電容器，其中所述第一電阻器和所述第一電容器之間的節點通過第二電阻器連接至所述晶體管開關的柵極，以將所述第一控制信號提供至所述晶體管開關的柵極。
[0012]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第一支路還包括第三電阻器和第二電容器，其中所述第三電阻器和所述第二電容器串聯連接在所述第一二極管與所述第一電阻器之間的節點與所述接地之間。
[0013]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第一支路還包括第四電阻器，其中所述第四電阻器與所述第一電容器并聯連接。
[0014]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第一電阻器和所述第三電阻器均為可變電阻器。
[0015]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第一電容器和所述第二電容器均為可變電容器。
[0016]根據本公開的一個示例性實施方式，所述第二支路包括:串聯連接在第二電源與所述接地之間的第二二極管、第五電阻器和三極管；以及第六電阻器和第七電阻器，串聯連接在所述三極管的基極與所述接地之間，其中所述第六電阻器與所述第七電阻器之間的節點被配置為接收用于控制所述三極管導通或截止的第三控制信號，并且所述第五電阻器與所述三極管之間的節點通過第二電阻器連接至所述晶體管開關的柵極，以將所述第二控制信號提供至所述晶體管開關的柵極。
[0017]根據本公開的一個示例性實施方式，所述晶體管開關是NMOS晶體管。
[0018]在本公開的各個實施方式的技術方案中，由于采用至少一個電容元件從第一電源接收功率以產生用于使得晶體管開關導通的電壓，從而在電源VCC因失效而不能正常工作的情況下，也能保證晶體管開關處于導通狀態，以確保開關電路能夠正常工作，從而能夠在VCC失效的情況下通過開關電路對其它機器進行控制。例如，當本公開的開關電路應用于E⑶中時，能夠提高E⑶的可靠性和安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]當結合附圖閱讀下文對示范性實施方式的詳細描述時，這些以及其它目的、特征和優點將變得顯而易見，在附圖中:
[0020]圖1示出了根據現有技術的開關電路的示意圖；
[0021]圖2示出了根據圖1的開關電路的時序圖；
[0022]圖3示出了根據本公開的一個實施方式的開關電路的示意圖；
[0023]圖4示出了根據圖3的開關電路在無VCC的情況下的時序圖；
[0024]圖5示出了根據本公開的一個實施方式的開關電路的示意圖；以及
[0025]圖6示出了根據圖5的開關電路在無VCC的情況下的時序圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將參考附圖中示出的若干示例性實施方式來描述本公開的原理和精神。應當理解，描述這些實施方式僅僅是為了使本領域技術人員能夠更好地理解進而實現本公開，而并非以任何方式限制本公開的范圍。
[0027]圖3示出了根據本公開的一個實施方式的開關電路的示意圖。如圖3所示，開關電路可以包括主電路1、第一支路2和第二支路3。
[0028]在圖3所示的實施方式中，主電路I可以包括例如串聯連接在第一電源Vbat與接地GND之間的繼電器10、手動開關SW以及晶體管開關Ml。第一電源Vbat用于提供繼電器10進行操作所需的電壓。繼電器10的操作可以由手動開關SW進行控制，并且為了實現對繼電器10的控制，圖3中所示的晶體管開關Ml必須處于導通狀態。也就是說，當晶體管開關Ml導通時，如果閉合手動開關SW，則繼電器10例如可以切換至閉合狀態，以實現對連接至繼電器10的其它機器進行控制；如果斷開手動開關SW，則繼電器10例如可以切換至斷開狀態，以停止對連接至繼電器10的其它機器進行控制。在圖3所示的實施方式中，晶體管開關Ml可以是NMOS晶體管。
[0029]雖然在圖3所示的實施方式中示出了繼電器10作為受控部件的示例，但是在本文中并不對此進行限制。繼電器10僅為受控部件的示例性實施例，以用于解釋本公開的原理，而在其它實施方式中，繼電器10可以替換為其它類型的受控部件，例如電磁離合器等。
[0030]根據之前描述可知，為了實現對主電路(例如其中的繼電器)的控制，必須確保晶體管開關Ml處于導通狀態。在現有技術中，為了使得晶體管開關Ml處于導通狀態，提供了一些電路以用于提供晶體管開關Ml的柵極控制電壓。例如，圖3中的第二支路3是現有技術中用于提供晶體管開關Ml的柵極控制電壓的一種常用方式。在圖3所示的實施方式中，第二支路3可以包括:串聯連接在第二電源VCC與接地GND之間的二極管D2、電阻器R5和三極管T (例如NPN三極管)；以及電阻器R6和R7，串聯連接在三極管T的基極B與接地GND之間，其中電阻器R6和R7之間的節點被配置為接收用于控制三極管T導通或截止的控制信號Ctrl，并且電阻器R5與三極管T之間的節點通過電阻器R2連接至晶體管Ml的柵極G，以向晶體管Ml的柵極G提供控制電壓。
[0031]在圖3中所示的第二支路3中，可以通過改變控制信號Ctrl來使得三極管T導通或截止。例如，當控制信號Ctrl為低時，三極管T將截止，從而第二電源VCC的電壓被施加至晶體管開關Ml的柵極G，使得晶體管開關Ml導通。當控制信號Ctrl為高時，三極管T將導通，使得三極管T的集電極C處的電壓將基本上等于接地電壓，因此晶體管開關Ml將處于關斷狀態。當第二電源VCC正常工作時，能夠確保在希望的時間內使得晶體管開關Ml處于導通狀態。然而，如果第二電源VCC因各種原因而不能為晶體管開關提供所需的柵極控制電壓，則晶體管開關Ml在希望的時間內將不能導通，從而無法實現通過開關SW對繼電器10進行控制。
[0032]為了實現在第二電源VCC失效的情況下也能確保晶體管開關Ml在希望的時間內能夠導通，在圖3所示的實施方式中進一步提供了第一支路2。第一支路2與晶體管開關Ml并聯連接，并且第一支路2可以包括串聯連接在晶體管開關Ml的漏極D與接地GND之間的二極管D1、電阻器Rl和電容器Cl，其中電阻器Rl和電容器Cl之間的節點通過電阻器R2連接至晶體管開關Ml的柵極G，以將第一控制信號提供至晶體管開關Ml的柵極G。
[0033]圖4示出了根據圖3的開關電路在無VCC的情況下的時序圖。在無VCC(即VCC失效)的情況下，第二支路3將無法為晶體管開關Ml提供柵極控制電壓(也即第二控制信號)。如圖4所示，在手動開關SW閉合之前(即O至T0)，晶體管開關Ml處于關斷狀態。在閉合手動開關SW之后，第一電源Vbat將通過二極管Dl和電阻器Rl向電容器Cl充電(即TO至Tl)，在這一階段期間，晶體管開關Ml的柵極源極間電壓VGS將逐漸增大。當VGS達到晶體管開關Ml的閾值電壓(例如VT = 2.5V)時，晶體管開關Ml將導通，由于手動開關SW處于閉合，繼電器10將進行相應的操作(例如切換至閉合狀態)。然而在晶體管開關Ml導通之后，電容器Cl將趨向于放電，從而使得Cl兩端的電壓略微降低(即Tl至T2)。在之后的時間(即T2之后)，Cl將在充電和放電過程中達到一定的平衡，例如使得VGS約等于2V。在T2之后，晶體管開關Ml將操作于線性區，此時漏極D和源極S之間存在約2.2V的電壓降。
[0034]在圖3所示的實施方式中，開關電路設置有第一支路2，當閉合手動開關SW時，第一電源Vbat將為第一支路2中的電容器Cl充電,而電容器Cl將提供晶體管開關Ml導通所需的柵極控制電壓，使得在第二電源VCC失效的情況下也能確保晶體管開關Ml在希望的時間內能夠導通。
[0035]然而，在圖3所示的實施方式中，雖然晶體管開關Ml能夠導通，但是晶體管開關Ml操作于線性區，而非操作于飽和區，因此在其漏極D與源極S之間存在約2.2V的電壓降VDS0因此，如果第一電源電壓Vbat與VDS之差小于繼電器10操作所需的電壓，則繼電器10將無法進行操作。例如當繼電器10的標準工作電壓為1V時，繼電器10兩端的電壓在大約9-14V的范圍內時繼電器能夠正常操作。如果第一電源電壓Vbat為12V，則Vbat與VDS之差約為9.8V，該電壓值在上述9-14V的范圍內，因而繼電器10能夠正常工作。然而，如果電壓Vbat下降至IIV，則Vbat與VDS之差約為8.8V，該電壓值低于繼電器10的最低操作電壓9V，因此繼電器10將不能正常操作。也就是說，圖3的電路存在當第一電源電壓Vbat低于一定值但是仍在允許輸入電壓范圍內時，繼電器10無法正常工作的情況。因此，在下文中提供了根據本公開的另一實施方式的開關電路，以進一步解決這一問題。
[0036]圖5示出了根據本公開的一個實施方式的開關電路的示意圖。類似于圖3中所示的開關電路，圖5中所示的開關電路也可以包括主電路1、第一支路2和第二支路3。在圖5中所示的開關電路中，主電路I和第二支路3可以分別與圖3中所示的開關電路中的主電路I和第二支路3相同，因此將不再贅述主電路I和第二支路3的具體結構。在下文中將僅就與圖3中所示的開關電路的不同點進行說明，也即詳細描述圖5中所示的開關電路中的第一支路2。
[0037]在圖5所示的實施方式中，第一支路2與晶體管開關Ml并聯連接，并且第一支路2包括二極管D1、電阻器R1、R3、R4以及電容器C1、C2 ;其中二極管D1、電阻器Rl和電容器Cl串聯連接在晶體管開關Ml的漏極D與接地GND之間，并且電阻器Rl和電容器Cl之間的節點通過電阻器R2連接至晶體管開關Ml的柵極G，以將第一控制信號提供至晶體管開關Ml的柵極G ;其中電阻器R3和電容器C2串聯連接在二極管Dl與電阻器Rl之間的節點與接地GND之間；以及其中電阻器R4與電容器Cl并聯連接，電阻器R4用于在斷開手動開關Sff后對電容器Cl和C2進行重置(即放電)。
[0038]在圖5所示的實施方式中，當第二電源VCC正常工作時，能夠確保在希望的時間內使得晶體管開關Ml處于導通狀態，在此對此不再詳述。
[0039]圖6示出了根據圖5的開關電路在無VCC的情況下的時序圖。在無VCC(即VCC失效)的情況下，第二支路3將無法為晶體管開關Ml提供柵極控制電壓(也即第二控制信號)。如圖6所示，在手動開關SW閉合之前(即O至T0)，晶體管開關Ml處于關斷狀態。在閉合手動開關SW之后(即TO至Tl)，第一電源Vbat將通過二極管Dl以及電阻器Rl和R2同時向電容器Cl和C2進行充電，其中可以設置電阻器Rl、R2的電阻值以及電容器Cl和C2的電容值，使得對電容器C2進行充電比對電容器Cl進行充電更快，在這一階段期間，晶體管開關Ml的柵極源極間電壓VGS將逐漸增大。當電容器Cl兩端的電壓(也即VGS)達到晶體管開關Ml的閾值電壓(例如VT = 2.5V)時，晶體管開關Ml將導通，由于手動開關SW處于閉合，所以繼電器10將進行相應的操作(例如切換至閉合狀態)。而且，在晶體管開關Ml導通之后(即Tl至T2)，電容器Cl將趨向于放電，然而由于電容器C2能夠對電容器Cl進行充電，使得電容器Cl兩端的電壓繼續升高，從而使得此時晶體管開關Ml可以操作于飽和區。因而，通過設置另一 RC電路(包括電阻器R3和C2)，能夠進一步解決圖3中所示的開關電路無法操作于飽和區的問題。
[0040]在圖5所示的實施方式中，第一支路2包括兩個RC電路，其中第一 RC電路包括電阻器Rl和電容器Cl，以及第二 RC電路包括電阻器R3和電容器C2。其中電阻器Rl和R3可以為可變電阻器，并且電容器Cl和C2可以為可變電容器。通過調節電阻器Rl、R2的電阻值以及電容器Cl和C2的電容值，使得對電容器C2進行充電比對電容器Cl進行充電更快，能夠使得在晶體管開關Ml導通之后電容器C2能夠對電容器Cl進行充電，從而使得晶體管開關Ml能夠操作于飽和區。
[0041]在圖3和圖5所示的實施方式中，開關電路可以以如下兩種方式進行操作:1)當電源VCC正常工作時，可以施加控制信號Ctrl來控制晶體管開關Ml，使得通過手動開關SW可以閉合和斷開繼電器10 ;以及2)當電源VCC失效時，控制信號Ctrl將不再影響手動開關SW，然而包括至少一個電容器(例如Cl和C2)的第一支路2將使得晶體管開關Ml能夠導通，從而允許手動開關SW繼續閉合或關斷繼電器10。
[0042]例如，繼電器10可以連接至各種機器中的點火電路。當電源VCC失效時，由于開關電路能夠自觸發地導通晶體管開關M1，所以操作者仍然能夠通過手動開關正常地啟動機器。
[0043]雖然在本文中所描述的實施方式中，開關電路均包括主電路1、第一支路2和第二支路3，然而在其它實施方式中，開關電路可以僅包括主電路I和第一支路2。這類似于第二電源VCC失效的情況，因此不包括第二支路3的開關電路的操作類似于之前描述的VCC失效的情況，在此不再進行詳述。
[0044]已經出于示出和描述的目的給出了本公開的說明書，但是其并不意在是窮舉的或者限制于所公開形式的實用新型。本領域技術人員可以想到很多修改和變體。因此，實施方式是為了更好地說明本公開的原理、實際應用以及使本領域技術人員中的其他人員能夠理解以下內容而選擇和描述的，即，在不脫離本公開精神的前提下，做出的所有修改和替換都將落入所附權利要求定義的本公開保護范圍內。
【權利要求】
1.一種開關電路，其特征在于，包括: 主電路(1),連接在第一電源(抑社)與接地((^0)之間，所述主電路(1)包括晶體管開關(11)；以及 第一支路(2),包括至少一個電容元件((:1(:2),所述至少一個電容元件￠1^2)被配置為從所述第一電源(抑社)接收功率以產生用于控制所述晶體管開關(11)導通和關斷的第一控制信號。
2.根據權利要求1所述的開關電路，其特征在于，還包括第二支路(3),所述第二支路(3)連接在第二電源(乂⑶)與所述接地((^0)之間，所述第二支路(3)被配置用于產生用于控制所述晶體管開關(11)導通和關斷的第二控制信號。
3.根據權利要求1所述的開關電路，其特征在于，所述主電路(1)包括與所述晶體管開關(11)串聯連接的繼電器(10)和手動開關(31)。
4.根據權利要求1所述的開關電路，其特征在于，所述第一支路(2)與所述晶體管開關(11)并聯連接，并且所述第一支路(2)包括串聯連接的第一二極管(01)、第一電阻器￠1)和第一電容器￠1),其中所述第一電阻器(町)和所述第一電容器￠1)之間的節點通過第二電阻器(以)連接至所述晶體管開關(11)的柵極￠)，以將所述第一控制信號提供至所述晶體管開關(11)的柵極(6)。
5.根據權利要求4所述的開關電路，其特征在于，所述第一支路(2)還包括第三電阻器(尺3)和第二電容器￠2),其中所述第三電阻器￠3)和所述第二電容器￠2)串聯連接在所述第一二極管(01)與所述第一電阻器￠1)之間的節點與所述接地((^0)之間。
6.根據權利要求5所述的開關電路，其特征在于，所述第一支路(2)還包括第四電阻器(尺4),其中所述第四電阻器￠4)與所述第一電容器￠1)并聯連接。
7.根據權利要求5所述的開關電路，其特征在于，所述第一電阻器￠1)和所述第三電阻器￠3)均為可變電阻器。
8.根據權利要求5所述的開關電路，其特征在于，所述第一電容器￠1)和所述第二電容器￠2)均為可變電容器。
9.根據權利要求2所述的開關電路，其特征在于，所述第二支路(3)包括: 串聯連接在第二電源0(:0與所述接地((^0)之間的第二二極管(02)、第五電阻器(尺5)和三極管⑴；以及 第六電阻器(冊)和第七電阻器￠7)，串聯連接在所述三極管(1)的基極(8)與所述接地說咖之間， 其中所述第六電阻器(冊)與所述第七電阻器￠7)之間的節點被配置為接收用于控制所述三極管(1)導通或截止的第三控制信號⑴廿1),并且所述第五電阻器(陽)與所述三極管(1)之間的節點通過第二電阻器(以)連接至所述晶體管開關(11)的柵極￠)，以將所述第二控制信號提供至所述晶體管開關(11)的柵極￠)。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的開關電路，其特征在于，所述晶體管開關(11)是匪03晶體管。
【文檔編號】H03K17/687GK204168264SQ201420584874
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】于洪亮 申請人:卡特彼勒公司