常闭隔离切换电路论文和设计-周纯泽

全文摘要

本申请公开了一种常闭隔离切换电路。常闭隔离切换电路包括由N沟道MOSFET搭建的背靠背对管，所述背靠背对管是两个MOSFET串联并在其体二极管的阳极侧相连的电路连接形式。根据本实用新型的常闭隔离切换电路能够满足整车电子设备中各功能模块间的隔离及切换的要求。

主设计要求

1.一种常闭隔离切换电路，其特征在于，所述常闭隔离切换电路包括由N沟道MOSFET搭建的背靠背对管，所述背靠背对管是两个MOSFET串联并在其体二极管的阳极侧相连的电路连接形式，所述常闭隔离切换电路包括驱动芯片，在所述驱动芯片中集成了对管驱动电路，在所述驱动芯片中集成了电荷泵电路用于驱动高边N沟道MOSFET，所述驱动芯片设有电流采样模拟量的AD输出，用于将所述驱动芯片输出的驱动电流通过其RS管脚输出电流采样模拟量到模块MCU主控芯片AD采样端口进行监控和诊断，所述常闭隔离切换电路包括P沟道MOSFET用于驱动所述驱动芯片的使能IN管脚。

设计方案

2.根据权利要求1所述的常闭隔离切换电路，其特征在于，所述驱动芯片能够实现多组N沟道MOSFET对管的驱动。

3.根据权利要求1所述的常闭隔离切换电路，其特征在于，所述驱动芯片的使能IN管脚为高电平有效。

4.根据权利要求1所述的常闭隔离切换电路，其特征在于，所述常闭隔离切换电路能够在唤醒状态中实现常闭隔离以及选通切换功能。

5.根据权利要求1所述的常闭隔离切换电路，其特征在于，所述常闭隔离切换电路能够在休眠状态中实现常闭隔离以及选通切换功能。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及车载设备领域，具体而言，涉及一种常闭隔离切换电路。

背景技术

目前随着车辆安全等级要求逐渐提高，对于整车电子设备中各功能模块间的隔离及切换提出了许多新的要求。为了保证每个设备的失效节点不会影响到与之相连的功能模块，或者功能切换时不会影响到其他模块，模块与模块之间的连接点需要增加双向隔离模块。而伴随着车辆电动化的趋势，整车上许多设备的功率逐渐增大，隔离电路模块的功率等级也随之增加。而相对于其功率等级的增大，其驱动电路的静态功耗则需要尽可能减小。同时在一些工况下，模块功能或隔离的切换会出现选通或常闭的工况。

目前的方案中有通过采用带有选通或常闭通道的继电器作为隔离或功能切换开关。如图1所示，当选择将模块或12V_Battery（整车12V蓄电池电平）对后级功能模块1输出或连接时，Control Signal（控制信号）信号置高，继电器线圈得电，其触点选择通道1吸合，接通后级负载或功能模块1；当模块进入休眠模式时，Control Signal信号自动拉低，线圈失电、其触点选择通道2吸合，接通后级功能模块2或使输出开路隔离。在完成功能的同时其电路的静态功耗基本可以忽略。而当切换功能所需功率较大时该方案中的继电器体积也会随之增大，不利于整个模块的功率密度设计。而继电器隔离或功能切换电路也存在着导通功耗大、开关噪音大导致NVH性能降低、开关响应时间长等缺点。

另一种方案则是利用P沟道MOSFET的低电平导通特性代替继电器组成常闭隔离开关电路。如图2所示，该方案需采用两个Back to Back的P沟道MOSFET组成一组双向隔离的对管，当Control Signal置高时，NPN三极管Q2导通，PNP三极管Q1基极被拉低导通，M1、M2门极被嵌位至M1源极电压，即M1、M2截止，实现与后级功能的隔离；当模块进入休眠模式时，Control Signal自动拉低，Q2、Q1截止，M1、M2门极负偏置导通，从而实现模块或12V_Battery供电的常闭选通功能，同时其驱动电路的静态功耗可忽略不计。该方案相对继电器方案电路体积更小、开关时无明显噪音、工作功耗小于继电器。但由于P沟道MOSFET的多数载流子是孔穴，导致其功耗远大于同等级的N沟道MOSFET，即相同功率等级的P沟道MOSFET的封装体积也会大于N沟道MOSFET，而目前市场上的汽车级P沟道MOSFET产品的最高功率等级也与N沟道MOSFET存在一定差距，由此该方案也无法满足后期功能模块间隔离切换电路的功率等级要求。而如果直接使用N沟道MOSFET代替组成隔离开关，则由于其高电平导通的特性，其驱动电路无法在模块进入休眠模式时导通N沟道MOSFET，故无法实现功能模块的常闭或在休眠模式下实现隔离或后级模块连接切换的功能。

实用新型内容

本实用新型提出一种常闭隔离切换电路，其能够满足整车电子设备中各功能模块间的隔离及切换的要求。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，包括由N沟道MOSFET搭建的背靠背对管，所述背靠背对管指两个MOSFET串联并在其体二极管的阳极侧相连的电路连接形式。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述常闭隔离切换电路包括驱动芯片。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，在所述驱动芯片中集成了对管驱动电路。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，在所述驱动芯片中集成了电荷泵电路用于驱动高边N沟道MOSFET。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述驱动芯片设有电流采样模拟量的AD输出，用于将所述驱动芯片输出的驱动电流通过其RS管脚输出电流采样模拟量到模块MCU主控芯片AD采样端口进行监控和诊断。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述驱动芯片能够实现多组N沟道MOSFET对管的驱动。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述驱动芯片的使能IN管脚为高电平有效。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述常闭隔离切换电路包括P沟道MOSFET用于驱动所述驱动芯片的使能IN管脚。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述常闭隔离切换电路能够在唤醒状态中实现常闭隔离以及选通切换功能。

根据本实用新型一个方面提出的常闭隔离切换电路，所述常闭隔离切换电路能够在休眠状态中实现常闭隔离以及选通切换功能。

附图说明

参照附图来说明本实用新型的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。在附图中，除非另有说明，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1显示了一种开关电路；

图2显示了另一种开关电路；

图3示意性显示了根据本实用新型一个实施方式提出的常闭隔离切换电路；

图4示意性显示了根据本实用新型一个实施方式提出的常闭隔离切换电路。

具体实施方式

容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

在下面的描述中，为不同构造的实施例描述了各种参数和部件，这些具体的参数和部件仅作为示例而不对本申请的实施例做出限制。

本申请提出一种基于AUIR3241STR的车载低静态功耗的大功率常闭隔离切换电路，以解决目前对于整车功能模块间隔离切换功率增大和整车静态功耗需要尽可能减小的矛盾。

本设计提出了一种车载常闭隔离切换电路，电路如图3所示。本设计中隔离切换电路由N沟道MOSFET搭建的Back to Back（背靠背）对管组成，如图3中M1、M2、M3、M4所示，采用N沟道MOSFET能够达到最大设计功率密度。本设计中提到的Back to Back MOSFET对管指两个MOSFET串联，并在其体二极管的阳极侧相连的电路连接形式。

优选的本设计中的MOSFET驱动芯片选用Infineon的AUIR3241STR，该芯片针对Back to Back MOSFET对管驱动电路设计且满足汽车级芯片等级。该芯片集成了原本需要通过外围复杂逻辑电路搭建的对管驱动电路，以及高边N沟道MOSFET驱动所需要的电荷泵电路；同时还设有一路电流采样模拟量的AD输出，可以将芯片输出的驱动电流通过其RS管脚输出采样电流的模拟量到模块MCU主控芯片AD采样端口进行监控和诊断。

本设计中的驱动芯片AUIR3241STR能够支持多组N沟道MOSFET对管的驱动，通过增加所驱动的MOSFET对管个数能够为功能模块间的隔离切换电路提供极大的功率等级扩展空间。

本设计中的驱动芯片AUIR3241STR使能IN管脚为高电平有效，为了实现隔离切换电路在休眠时的常闭选通功能，本设计结合图2中的P沟道常闭隔离切换电路，将该电路接在AUIR3241STR的使能IN管脚，如图3所示。通过结合图2中的P沟道常闭隔离切换电路，使AUIR3241STR的使能IN做到能在系统进入休眠模式时使能，从而使整个隔离切换电路实现常闭隔离或选通切换功能。

本设计中的驱动芯片AUIR3241STR最大工作输入电流为8uA，所以图3中最后用于驱动AUIR3241STR使能IN管脚的P沟道MOSFET（M5）可以选取功率等级很小的型号，其相应的封装尺寸也能达到尽可能小。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加明确，以下将结合附图，通过具体的实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案。所述实施应用场景为本设计部分应用场景，而不是全部应用场景。

实例一

当系统需要与后级模块隔离时，其工况如下所示。

在系统处于唤醒状态时，当模块或12V_Battery需要与后级模块隔离，则由系统的主控单元将图3中的Control Signal（控制信号）置高，此时NPN三极管Q1导通，PNP三极管Q2基极被拉低导通，N沟道MOSFET M5门极被嵌位至M5源极电压，即M5截止，则图3中的U2使能IN管脚悬空，使U2的GATE管脚输出低电平，其驱动的M1、M2、M3、M4隔离开关MOSFET均截止，实现与后级功能的隔离。

在系统处于休眠状态时，当模块或12V_Battery需要与后级模块连通，由于此时系统的主控单元失去供电，则图3中的Control Signal自动拉低。Q1、Q2截止，N沟道MOSFET M5的门极随之反偏置导通，则图3中的U2使能IN管脚置高，使U2的GATE管脚输出高电平，其驱动的M1、M2、M3、M4隔离开关MOSFET均导通，从而实现模块或12V_Battery供电的常闭导通功能，同时其驱动电路的静态功耗可忽略不计。

实例二

当系统需要与后级模块实现多路选通功能时，其工况如下所示。

在系统处于唤醒状态时，当模块或12V_Battery需要选择连接常开通道的后级模块，则由系统的主控单元将图4中的Control Signal置高，此时NPN三极管Q2导通，PNP三极管Q1基极被拉低导通，N沟道MOSFET M5门极被嵌位至M5源极电压，即M5截止，U2使能管脚IN悬空，使U2的GATE管脚输出低电平，其驱动的M1、M2、M3、M4隔离开关MOSFET均截止，即常闭通道后级模块被隔离；同时U3的使能IN管脚直接被Control Signal置高，使U3的GATE管脚输出高电平，其驱动的M6、M7、M8、M9隔离开关MOSFET均导通，从而实现常开通道后级模块的选通功能。

在系统处于休眠状态时，当模块或12V_Battery需要选择连接常闭通道的后级模块，由于此时系统的主控单元失去供电，则图4中的Control Signal自动拉低，此时U3的使能IN管脚直接被Control Signal置低，使U3的GATE管脚输出低电平，其驱动的M6、M7、M8、M9隔离开关MOSFET均截止，从而实现常开通道后级模块的隔离；同时Q1、Q2截止，N沟道MOSFETM5门极反偏置，即M5导通，U2使能管脚IN置高，使U2的GATE管脚输出高电平，其驱动的M1、M2、M3、M4隔离开关MOSFET均导通，从而实现常闭通道后级模块的选通功能。

本实用新型的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本实用新型的保护范围内。

设计图

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