專利名稱：電路保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于保護(hù)電路免受例如由設(shè)備故障、靜電放電或其它危險造成的過電流的裝置及器件。
1987年7月31日授給Wickmann-Werke GmbH的德國專利申請3725390號中描述了一種相當(dāng)簡單形式的電路保護(hù)裝置。該裝置包含控制電路電流的串聯(lián)開關(guān)晶體管和控制該開關(guān)晶體管基極或柵極電壓的控制晶體管?？刂凭w管的基極或柵極電壓由跨接開關(guān)晶體管的分壓器設(shè)置使得當(dāng)電路經(jīng)歷過電流時控制晶體管偏置為導(dǎo)通狀態(tài)并使開關(guān)晶體管截止(OFF)。盡管該裝置特別簡單，但存在其性能隨溫度而顯著變化的缺點(diǎn)。例如，許多場合下開路開關(guān)晶體管所需電流(“斷路電流”)當(dāng)溫度開到100℃或更高時會變成環(huán)境斷路電流的一小部分。這樣，在電路正常工作時，通常只可有斷路電流的很小部分例如20%通過開關(guān)。如允許較大電流通過，由于開關(guān)晶體管發(fā)熱(由于該晶體管兩端的壓降始終為幾伏特上下)會使斷路電流電平下降，并帶來在有些環(huán)節(jié)下出現(xiàn)該裝置在正常電路電流時也發(fā)生斷路的后果。
按照本發(fā)明，提供一種用以串聯(lián)連接在電路線中的電路保護(hù)裝置，包含用以控制電路電流并有一控制輸入端的晶體管以及控制該控制輸入端的電壓并響應(yīng)通過開關(guān)的過電流的控制裝置，該控制裝置包含將開關(guān)端電壓的一小部分與基準(zhǔn)電壓相比較，并當(dāng)該一小部分大于基準(zhǔn)電壓時使開關(guān)開路的比較器電路，該比較電路由晶體管開關(guān)的端電壓加電。
按照本發(fā)明的裝置這樣便可用作雙端器件，就是說，該裝置無須獨(dú)立電源。如需要，額外的端可包括例如旁路負(fù)載端任何過電流的第三端，例如，如在我們共同未決的國際申請PCT/GB91/01760號中所述，該申請公開的內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。
按照本明的裝置具有可得到相對于溫度非常平緩的性能變化的優(yōu)點(diǎn)，此外，有可能以相當(dāng)高的電路電流運(yùn)行按照本發(fā)明的電路保護(hù)裝置而無在正常電路電流下斷路的危險。在許多場合下，該裝置可工作在高達(dá)80%斷路電流而無斷路危險。
該裝置最簡形式可包含例如以開環(huán)運(yùn)算放大器形式的比較電路，該電路的一個輸入端與基準(zhǔn)電壓相連接而另一端通過分壓器采樣開關(guān)兩端的電壓差。基準(zhǔn)電壓應(yīng)有相當(dāng)穩(wěn)定的溫度特性，最好具有不大于±0.5%K-1的溫度系數(shù)，更為理想的是不大于±0.2%K-1特別好的是不大于±0.1%K-1。通常將齊納二極管或帶隙器件用作穩(wěn)壓器。
按照本發(fā)明的電路保護(hù)裝置使用雙極型和(或)場效應(yīng)晶體管。當(dāng)雙極型晶體管用作開關(guān)時，它們最好采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)以減少晶體管轉(zhuǎn)為通路(ON)時所需的基極電流。該基極電流須通過比較器有選擇地供給基極驅(qū)動電路。如將達(dá)林頓對或三元組用作開關(guān)晶體管，則可大大增大有效直流電流增益以便可利用非常大的基極輸入阻抗。
使用場效應(yīng)晶體管的場合，MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)晶體管)是優(yōu)選的，尤其是增強(qiáng)型的MOSFET。該裝置可制成集成電路，這時開關(guān)電路中所用的電阻可由MOSFET例如以NMOS邏輯連接的它們的柵極和漏極來提供。此外，控制晶體管和一起構(gòu)成開關(guān)晶體管基極或柵極的分壓器的電阻由以CMOS邏輯連接的互補(bǔ)n溝道和P溝道的場效應(yīng)晶體管對所提供。
在本發(fā)明最佳實(shí)施例中，該裝置包括脈沖發(fā)生器，該發(fā)生器在開關(guān)開路時發(fā)送一個或多個脈沖給開關(guān)以閉合或試圖閉合該開關(guān)。這種形式的脈沖發(fā)生器描述在例如1990年10月12日提交的我們共同未決的英國專利申請9022261.3和1990年12月5日提交的英國專利申請9026518.2(已結(jié)合在國際專利申請PCT/GB91/01761號中)中。這些英國申請公開的內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。如我們將會理解到的，按照本發(fā)明的裝置裝有復(fù)位脈沖發(fā)生器，它是上述英國專利申請所描述發(fā)明的改進(jìn)。
任意多個裝置可用來產(chǎn)生脈沖。尤其在打算產(chǎn)生大量脈沖的場合，例如這些脈沖可由已知的無穩(wěn)態(tài)振蕩器來產(chǎn)生。為了在兩個脈沖之間提供足夠的時間延遲，脈沖發(fā)生器包括一除法器是合適的，例如，一計(jì)數(shù)器或移位寄存器，其輸入由相當(dāng)快的振蕩器如晶體器件或其它電路供給。的確，用戶有可能通過選擇用以復(fù)位開關(guān)的除法器輸出來規(guī)定脈沖頻率。盡管可使用單穩(wěn)態(tài)振蕩器，但除法器的輸出一般通過高通濾波器送至比較器輸入端。如果脈沖發(fā)生器或任何其它元件需要電源，通常最簡單做法就是經(jīng)適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓，例如借助于齊納二極管來穩(wěn)壓之后有選擇地從開關(guān)端電壓差取得電源。
如果需要，脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生脈沖到一預(yù)定有限的最大數(shù)或一預(yù)定時間，如上述英國專利申請9022261.3所述。
按照本發(fā)明的裝置可用分立元件構(gòu)成或用已知技術(shù)做成單片電路。最好以單片集成形式制造該裝置使這種器件較便宜、體積也小。如上所述使用除法器的好處在于脈沖發(fā)生電路中任何電容器的數(shù)值顯著小于在沒有除法器時所需的電容值，從而使該電路更適合于單片集成。
最好該裝置包括與晶體管開關(guān)串聯(lián)的非阻性元件。這種裝置不僅可減小電路線上電壓降，而且，更重要的是減小了該裝置集成電路設(shè)計(jì)中需使用的硅片面積，進(jìn)而降低了成本。
按照本發(fā)明的兩種形式的裝置可參考附圖，借助實(shí)例說明如下，附圖中

圖1是按照本發(fā)明的一個雙端器件形式的電路圖;
圖2是圖1所示裝置I-V特性的圖形表示;
圖3是圖1所示裝置與德國專利申請3725390號中所述裝置對溫度變化的圖形比較;
圖4是包括復(fù)位脈沖發(fā)生器的裝置第二形式的電路圖。
參考附圖1，保護(hù)電路免受過電流的裝置包括起開關(guān)作用的NPN雙極性面結(jié)型晶體管1，該晶體管位于端2和端2′之間并可與電路線串聯(lián)連接。晶體管1的基極與用作比較器的運(yùn)算放大器3的輸出相連接。該運(yùn)放的非反相輸入端連接到由電阻4和齊納二極管5形成的分壓器，而反相輸入端連接到由電阻6和7構(gòu)成的第二分壓器，兩分壓器均跨接于開關(guān)晶體管1。齊納二極管5的溫度系數(shù)為-0.06%K-1。
運(yùn)放3的VCC和接地端也跨接到開關(guān)晶體管1以便當(dāng)該裝置受到過電流時給該運(yùn)放加電。
在運(yùn)行時，開關(guān)晶體管1處于其截止?fàn)顟B(tài)直至該晶體管端產(chǎn)生足夠的電壓使比較器3的輸出可驅(qū)動開關(guān)晶體管1的基極。此處，比較器3的非反相輸入從齊納二極管5較高初始阻抗角度看處在比反相輸入端要高的電壓，這樣開關(guān)晶體管1的基極可被驅(qū)動為高于其發(fā)射極而變?yōu)閷?dǎo)通。當(dāng)該裝置受到例如來自瞬態(tài)電流或負(fù)截或源故障的過電流時，開關(guān)晶體管1端的電壓差會增大使運(yùn)放3的反相輸入端的電壓上升。運(yùn)放3的反相輸入端的電壓也上升直至達(dá)到齊納二極管5的齊納電壓，并將維持相對恒定。這樣，較高過電流時，運(yùn)放的輸出變化，達(dá)到負(fù)端電壓并使開關(guān)晶體管1截止。
圖2示出通過該裝置電流對開關(guān)晶體管1端電壓的關(guān)系，圖3示出該裝置與德國申請3725390號所示的使用達(dá)林頓對作為開關(guān)晶體管的裝置相比較的溫度穩(wěn)定性。如圖3所見，本發(fā)明裝置的溫度特性與先有技術(shù)的相比要平穩(wěn)得多。該溫度穩(wěn)定性使電路最大工作電流可增大到斷路電流的很大部分而不會有偶然的裝置斷路，和先有技術(shù)的裝置相比，后者有可能在與斷路電流比相當(dāng)?shù)偷墓ぷ麟娏飨聰嗦贰?br> 圖4示出按照本發(fā)明裝置的第二種形式，它裝有復(fù)位脈沖發(fā)生器，該發(fā)生器在開關(guān)晶體管1開路后大約每20秒閉合該開關(guān)晶體管一次。
開關(guān)電路包含增強(qiáng)型MOSFET形式的開關(guān)晶體管1′，基本上和相對于圖1所述相同，除了其中雙極型開關(guān)晶體管1已用FET1′替代。
脈沖發(fā)生器包含此時在555計(jì)時器43設(shè)置的非穩(wěn)態(tài)振蕩器，該計(jì)時器的輸出送到用作除法器的4020的14位計(jì)數(shù)器44的時鐘輸入端。計(jì)數(shù)據(jù)44的輸出通過由33nF電容器46，1MΩ電阻47、可變電阻47′和1MΩ電阻47″構(gòu)成的高通RC濾波器送到運(yùn)放3的反相輸入端。運(yùn)放3的輸出直接饋送到晶體管1′的柵極。1MΩ負(fù)截電阻56連接在運(yùn)放3的輸出與晶體管1′的漏極之間，因?yàn)檫\(yùn)放3有一開路集電極。
555計(jì)時器43和計(jì)數(shù)器44由從開關(guān)晶體管1′端得到的電流加電并由跨接在該裝置電源和接地腳的齊納二極管48調(diào)整到某種程度。齊納二極管48也保護(hù)計(jì)數(shù)器44和計(jì)時器43免受過電壓。另一6.8V齊納二極管49和5KΩ電阻50串聯(lián)連接在計(jì)時器43和計(jì)數(shù)器44的VCC腳及開關(guān)晶體管1′漏極之間。
在運(yùn)行時，開關(guān)晶體管1′正常為導(dǎo)通(ON)而運(yùn)放3輸出為高。當(dāng)出現(xiàn)過電流時，運(yùn)放的反相輸入電壓上升而非反相輸入電壓由3.9V齊納二極管52(溫度系數(shù)0.06%K-1)調(diào)整使運(yùn)放輸出變低即成為晶體管1′的源極電壓從而使晶體管1截止。當(dāng)開關(guān)晶體管1′已變?yōu)榻刂?，其端電壓升?0V以上從而由齊納二極管48提供大致恒定電壓給計(jì)時器43和計(jì)數(shù)器44。通過計(jì)時器和計(jì)數(shù)器電源電路的漏電流電阻50限制并通常處在1到2mA量級。當(dāng)計(jì)時器43已加電，便以取決于電容器51的容量及電阻54和55的頻率振蕩，該頻率通常為400Hz上下，例如采用1nF容量的電容器和1MΩ阻值的電阻。該振蕩信號饋送到計(jì)數(shù)器44的時鐘輸入端，將最高位取作輸出，其重復(fù)頻率為每20秒輸出一次。
當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出降為其低位，運(yùn)放3的反相輸入暫時為低(對開關(guān)晶體管1′的源極電壓)從而使運(yùn)放輸出升高一個短暫時間(取決于電容46和電阻47的時間常數(shù))并使晶體管1′導(dǎo)通。如果過電流仍持續(xù)，運(yùn)放3的輸出當(dāng)脈沖一結(jié)束便下降，而開關(guān)晶體管1′將保持為截止。這樣該裝置一徑斷路便每20秒就試圖復(fù)位一次開關(guān)晶體管1′直至該裝置復(fù)位。
權(quán)利要求
1.一種用于串聯(lián)連接在電路線上的電路保護(hù)裝置，包含控制電路電流并有一控制輸入端的晶體管開關(guān)以及控制該控制輸入端的電壓并響應(yīng)通過該開關(guān)的過電流的控制裝置，該控制裝置包含將開關(guān)端電壓一部分與基準(zhǔn)電壓相比較，并當(dāng)該部分大于基準(zhǔn)電壓時使開關(guān)開路的比較電路，該比較電路由開關(guān)線上電壓降加電。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，該開關(guān)包含其柵極提供控制輸入的增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，基準(zhǔn)電壓包含齊納二極管和帶隙器件。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述裝置，其特征在于包含一脈沖發(fā)生器，當(dāng)開關(guān)開路時，該脈沖發(fā)生器發(fā)送一個或多個脈沖給該開關(guān)以閉合或試圖閉合該開關(guān)。
5.如權(quán)利要求4所述裝置，其特征在于，脈沖發(fā)生器包含其輸入由非穩(wěn)態(tài)振蕩器供給的除法器。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖或每個脈沖的長度不大于250ms。
7.如權(quán)利要求4到6中任一項(xiàng)所述裝置，其特征在于，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖到一預(yù)定的有限最大數(shù)或一預(yù)定時間。
8.如權(quán)利要求1到7中任一項(xiàng)所述裝置，其特征在于包含與晶體管開關(guān)串聯(lián)的非阻性元件。
全文摘要
一種用于串聯(lián)連接在電路線上的電路保護(hù)裝置，包含控制電路電流并有一控制輸入端的晶體管開關(guān)１以及控制該控制輸入端的電壓并響應(yīng)通過該開關(guān)的過電流的控制裝置。該控制裝置包含將開關(guān)１的端電壓一部分與基準(zhǔn)電壓相比較并當(dāng)該部分大于基準(zhǔn)電壓時使開關(guān)開路的比較電路3，該基準(zhǔn)電壓由齊納二極管或帶隙二極管提供，該比較電路由開關(guān)端電路上電壓降加電使得該裝置做成無需外部電源的雙端器件。該裝置優(yōu)點(diǎn)是其性能隨溫度的變化很小。
文檔編號H02H3/07GK1062435SQ9110800
公開日1992年7月1日 申請日期1991年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月13日
發(fā)明者D·M·普賴爾, M·查利斯 申請人:雷伊化學(xué)有限公司