專利名稱：以mosfet實(shí)現(xiàn)的極性保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為極性保護(hù)裝置，尤其是涉及一種晶體管控制電路，它能夠以盡可能簡(jiǎn)單和有利的方式實(shí)現(xiàn)。
電子電路通常要避免錯(cuò)誤的極性。極性保護(hù)裝置的任務(wù)是能夠使電流只在一個(gè)特定的方向流動(dòng)?？梢詫?dǎo)致相反方向的電流的原因例如是安裝階段以錯(cuò)誤的方式連接的電池或電線。而極性保護(hù)裝置則阻止電池的短路和元件的損壞。在電池供電線的瞬間短路期間，極性保護(hù)裝置確保設(shè)備操作的安全。如果在電池和負(fù)載之間的供電線中出現(xiàn)瞬間短路和低壓，與負(fù)載并聯(lián)的電容器將維持加在負(fù)載上的電壓，工作的極性保護(hù)裝置阻止反向電流使這些電容器經(jīng)供電線放電。
特別是在遠(yuǎn)程通信設(shè)備中需要極性保護(hù)裝置，因?yàn)樵谶h(yuǎn)程通信設(shè)備中，即使是瞬間的突變也可以引起操作中的擾動(dòng)干擾。在極性保護(hù)裝置中最普通和常用的是二極管。另外眾所周知的是采用這樣的電子元件作為極性保護(hù)裝置，它可以被接通和斷開(kāi)。例如晶體管就是這樣的元件。
在公開(kāi)號(hào)為DE4031288C1的專利公開(kāi)文獻(xiàn)中，一個(gè)二極管位于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的柵極和相對(duì)的供電線之間，因此，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤極性的供電電壓，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的柵極電容可以通過(guò)該二極管被放電。因此該公開(kāi)的文獻(xiàn)采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)作為保護(hù)元件，并采用二極管作為其控制電路。也可以在極性保護(hù)裝置中直接采用二極管。然而，二極管的功率損耗相當(dāng)大，尤其是在電流較高時(shí)。
晶體管的有利的特點(diǎn)是其操作可以由一個(gè)電信號(hào)控制。如果沒(méi)有柵極電壓，則晶體管處于無(wú)源、不導(dǎo)通的狀態(tài)。足夠高的正向柵極電壓使晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，其中尤其是FET的溝道電阻只引起低功耗。在極性保護(hù)中，當(dāng)極性正確時(shí)，控制電路使晶體管切換到導(dǎo)通狀態(tài)，如果極性錯(cuò)誤則切換到非導(dǎo)通狀態(tài)。
公開(kāi)號(hào)為US5764465的專利公開(kāi)文獻(xiàn)提出一種電路，其中極性保護(hù)裝置采用p溝道MOSFET。MOSFET的主要部件可稱為漏極、源極和柵極。結(jié)合

圖1討論所提出的電路。MOSFET 13連接晶體管12和15。晶體管12的發(fā)射極連接供電電壓的正端11，其集電極經(jīng)電阻器17連接供電電壓的負(fù)端16(接地)。然后這些供電電壓11、16連接需要極性保護(hù)的裝置的電壓源。晶體管12的基極連接其集電極。MOSFET 13的漏極(D)連接電源的正端11，并從電源的負(fù)端16經(jīng)電阻器18提供到柵極(G)的電壓。MOSFET 13的源極(S)連接電路的輸出端22，該輸出端經(jīng)電阻器20接地16。電容器21與電阻器20并聯(lián)。電阻器19連接晶體管12和15的基極。晶體管15的集電極連接MOSFET 13的柵極(G)。晶體管15的發(fā)射極連接MOSFET 13的源極(S)。齊納二極管14連接在MOSFET 13的源極(S)和晶體管15的集電極之間。在該圖中，晶體管12和15構(gòu)成比較電路。它們被包括在MOSFET的控制電路中，由于它們的作用，通過(guò)MOSFET 13的電流在電流方向改變時(shí)被阻止。如果MOSFET 13的漏源電壓(DS)改變及變負(fù)，則晶體管15被觸發(fā)。這又將使MOSFET13截止。因此在電容器21中基本上維持充電。
已知的以MOSFET實(shí)現(xiàn)的極性保護(hù)裝置的問(wèn)題是控制電路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)成本高、和/或運(yùn)行速度慢。例如遠(yuǎn)程通信設(shè)備通常在電池線中采用大電容，如果系統(tǒng)沒(méi)有有效的極性保護(hù)，電池線和電源單元之間的短路將使電容放電。在極性保護(hù)裝置中的晶體管的控制電路必須能夠使晶體管以足夠快的方式進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)，使得電容器沒(méi)有時(shí)間通過(guò)短路放電，但維持提供給該設(shè)備的電壓。
本發(fā)明的目的是借助于MOSFET實(shí)現(xiàn)極性保護(hù)裝置。本發(fā)明的另一目的是簡(jiǎn)化MOSFET的控制電路的設(shè)計(jì)，并確?？刂齐娐返淖銐蚩斓牟僮鳌?br> 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，使得MOSFET的柵極電壓在出現(xiàn)錯(cuò)誤極性時(shí)，借助于另一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被迅速放電。
本發(fā)明的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求中的特征部分中所述內(nèi)容。本發(fā)明的其它有利的實(shí)施例被提出在從屬權(quán)利要求中。
根據(jù)本發(fā)明，極性保護(hù)裝置利用具有低溝道電阻的n溝道MOSFET，這就確保晶體管中的功耗最小，例如基本上小于二極管中的功耗。
連接負(fù)電池線的n溝道MOSFET被控制，使得控制電壓被從正電源電壓線經(jīng)一電阻提供至其柵極(G)。另外在柵極(G)與源極(S)之間連接一個(gè)快速半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，因此加至這個(gè)開(kāi)關(guān)的控制電壓也是從正電源電壓線提供的。
該控制電路的操作使得如果在輸入端出現(xiàn)短路，所述快速半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)將使MOSFET的柵極電壓快速放電。因此電容器將幾乎沒(méi)有時(shí)間通過(guò)短接電路放電。在正常操作期間，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，在根據(jù)本發(fā)明的方案中功耗低。另外控制電路簡(jiǎn)單。如果電池電壓被短路，可以快速控制該MOSFET進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)該MOSFET處于非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流不能在錯(cuò)誤的方向流動(dòng)，也不會(huì)損壞任何元件。
以下將結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的基本方案，其中圖1示出用于極性保護(hù)的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)；及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例用于極性保護(hù)的結(jié)構(gòu)。
在圖2所示的實(shí)施例中，一個(gè)采用極性保護(hù)的裝置(即負(fù)載)被連接至所示保護(hù)電路的輸出端，連至其正端116和負(fù)端117。從電源(例如電池)的正端101和負(fù)端107提供負(fù)載所用電壓。電流從電源的正端101流到負(fù)載116。線圈102用作EMC保護(hù)裝置的一部分，因此它阻礙電流中出現(xiàn)的變化。選擇電阻103較大，使得經(jīng)電阻器106至二極管105或經(jīng)電阻器114至晶體管113的基極的分壓電路在正常操作中幾乎不消耗電流。另外該電路包含位于負(fù)載前的電容器115。
當(dāng)開(kāi)關(guān)108接通時(shí)，來(lái)自負(fù)載117的電流流過(guò)MOSFET 110、線圈109和開(kāi)關(guān)108至電源的負(fù)端107。
用作極性保護(hù)的n溝道MOSFET 110被連接至電池的負(fù)端，使得其源極(S)連接至負(fù)載的負(fù)端117，漏極(D)經(jīng)線圈109和開(kāi)關(guān)108連接至電池的負(fù)端107，柵極(G)經(jīng)電阻器104連接至負(fù)載的正端116，并經(jīng)過(guò)電阻器104和線圈102連接至電池的正端101。例如通過(guò)圖中所示的齊納二極管112限制柵極電壓，因此齊納二極管也經(jīng)過(guò)電阻器104連接至負(fù)載的正端116。
開(kāi)關(guān)108位于電池的負(fù)端107與MOSFET 110之間，利用該開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。線圈102和109構(gòu)成EMC保護(hù)裝置的一部分，它們阻礙電流的變化。
如果電池具有錯(cuò)誤的極性，或者如果它在安裝階段被以錯(cuò)誤的方向連接，從而會(huì)使得電流流入錯(cuò)誤的方向，則MOSFET 110的柵極電壓保持為負(fù)。因此，該MOSFE被保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，沒(méi)有電流可以在錯(cuò)誤的方向流過(guò)它。如果在正常操作期間電池饋電中例如沒(méi)有短路，電容器115勢(shì)必通過(guò)線圈102、109和MOSFET 110放電。如果在電池中或是在電池與電容器115之間有很快過(guò)去的短路或一些其它的干擾，則高電容的電容器115會(huì)維持加在負(fù)載上的電壓。MOSFET110肯定盡快變?yōu)椴粚?dǎo)通，以便阻止用作備用電源的電容器115由于電池線中的短路或一些其它壓降而放電。這是通過(guò)借助于npn晶體管113使MOSFET 110的柵極電荷放電而實(shí)現(xiàn)的。晶體管113的基極經(jīng)電阻器114和103連接至負(fù)載的正端116，又經(jīng)過(guò)線圈102連接至電池的正端。在正常操作期間，晶體管113通過(guò)連接其基極(或是只經(jīng)過(guò)所述電阻器114、或是如圖所示另外經(jīng)過(guò)電阻器106至二極管105的陽(yáng)極，使其保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，因此二極管105的陰極經(jīng)線圈109之前的開(kāi)關(guān)108連接至電池的負(fù)端107。
如果電池與負(fù)載之間的電流會(huì)改變其方向，線圈102和109阻礙改變，從而在線圈109上產(chǎn)生電壓。然后，二極管105的陰極(其連接線圈109之前的電池的負(fù)端)上的電壓將高于點(diǎn)117。當(dāng)二極管105停止導(dǎo)通時(shí)，一基極電流被提供給晶體管113。然后晶體管113被觸發(fā)，它使MOSFET 110的柵極電荷放電。二極管105的陰極可被直接連接到MOSFET 110的漏極(D)，但是在這一點(diǎn)中，電壓在短路的情況下上升相當(dāng)慢，并且在短路期間，電流可以在錯(cuò)誤的方向流動(dòng)。由于線圈109的作用，極性保護(hù)足夠快，從而可以完全避免在錯(cuò)誤方向的電流。
根據(jù)本發(fā)明采用MOSFET的極性保護(hù)裝置及其控制電路包括最少的電子元件，使得電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。由于MOSFET的作用，可以將電路中的功耗減至最小。另外，在具有短路的電池電壓的情況或電壓下降時(shí)，MOSFET受控而很快進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種用于電源裝置中的極性保護(hù)電路，其中電源(101，107)經(jīng)電源電壓線連接至負(fù)載(116，117)，極性保護(hù)電路具有第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，其特征在于第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(110)，其控制電壓是從所述電源電壓線經(jīng)某一連接件而獲得，以及第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是一個(gè)晶體管(113)，它也是從所述電源電壓線經(jīng)某一連接件獲得其控制電壓，從而使該晶體管(113)被設(shè)置以從第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(110)釋放電荷，作為對(duì)電源電壓線之間電壓的極性變化的響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的極性保護(hù)電路，其特征在于，第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(113)從電源電壓線中的一點(diǎn)獲得其控制電壓，該點(diǎn)具有由于極性變化引起的電荷所指示的電位的最快變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的極性保護(hù)電路，其特征在于，第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(113)從電源電壓線中的一點(diǎn)獲得其控制電壓，該點(diǎn)通過(guò)電感(109)與第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(110)隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的極性保護(hù)電路，其特征在于，第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(110)具有源極(S)、漏極(D)和柵極(G)，它們被連接而使得源極(S)連接負(fù)載的負(fù)端(117)，一線圈(109)連接在漏極(D)與電源的負(fù)端(107)之間，及一電阻(104)連接在柵極(G)與正電源線(101，116)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的極性保護(hù)電路，其特征在于，第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(113)具有基極、集電極和發(fā)射極，它們被連接而使得基極連接二極管(105)，二極管(105)連接至線圈(109)與電源的負(fù)端(107)之間的一點(diǎn)，集電極連接至電源電壓線(107，117)，電源電壓線(107，117)連接該電源的負(fù)端(107)至負(fù)載的負(fù)端(117)，及發(fā)射極連接至第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的柵極(G)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種極性保護(hù)電路，它用于電源裝置中，其中電源(101，107)經(jīng)電源電壓線連接至負(fù)載(116，117)。該極性保護(hù)電路還包括第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(110)，其控制電壓是從所述電源電壓線經(jīng)某一連接件而獲得。第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是晶體管(113)，它也是從所述電源電壓線經(jīng)某一連接件獲得其控制電壓。如果電源電壓具有錯(cuò)誤的極性，第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(110)被保持在非導(dǎo)通狀態(tài)。如果例如在電源電壓線中在正常操作期間出現(xiàn)短路，這勢(shì)必改變電流方向，然后晶體管(113)使第一保護(hù)性半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(110)的柵極電荷快速放電，在錯(cuò)誤方向中的電流流動(dòng)被阻止。
文檔編號(hào)H02H11/00GK1605141SQ02825101
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2002年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月17日
發(fā)明者薩米·約基寧 申請(qǐng)人:提萊波斯公司