專利名稱：電源切斷裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源切斷裝置。
發(fā)明公開按照本發(fā)明，提供一種電源切斷裝置，包括第一和第二電子開關器件，它們被這樣交叉耦合，使得當一個開關器件導通時，另一個截止，反之亦然，其中要被保護的負載和第一開關器件可串聯(lián)連接，并且如果當?shù)谝婚_關器件導通，流過的電流超過一個定值時，第二開關器件就導通，從而使第一開關器件截止。
附圖簡述

圖1是按照本發(fā)明第一實施例的直流電源切斷裝置的電路圖；圖2是按照本發(fā)明第二實施例的交流電源切斷裝置的電路圖；圖3是按照本發(fā)明第三實施例的直流電源切斷裝置的電路圖；圖4是按照本發(fā)明第四實施例的直流電源切斷裝置的電路圖。
優(yōu)選實施例的描述現(xiàn)在參照附圖以舉例的方式說明本發(fā)明的實施例。
按照圖1的裝置，包括一對場效應晶體管(FET)T1和T2，它們被這樣交叉耦合，使得每個晶體管的漏極和另一個晶體管的柵極相連。FET T1和FET T2應當具有盡量相同的電特性。FET T1和電阻R1串聯(lián)在直流電壓源和地之間，F(xiàn)ET T2和要被保護的電阻負載11也串聯(lián)在直流電壓源10和地之間。
電容C1跨接在FET T2的源極和漏極之間(此時忽略電容C2和C3)，并且熔絲12和負載11串聯(lián)。發(fā)光二極管LED1和與其串聯(lián)的電阻R2與電阻R1并聯(lián)。
在本實施例中，直流電壓源10為12伏，其它元件值如下R1420歐姆R2400歐姆C1100nfFET T1和FET T2β＝0.42
當電源接通時，F(xiàn)ET T2通過由電阻R1加到其柵極的直流電壓而導通。和FET T2的柵極串聯(lián)的電容C4加速這一器件的工作，并保證FET T2導通時FET T1保持截止。因此，一個小電流通過包括電容C1和電阻負載R1的RC網(wǎng)絡，其速率由負載11的電阻和電容C1的值決定。這使得A點的電壓降低，從而使B點電壓(FET T1的柵極)保持為低。這樣，F(xiàn)ET T1就保持截止，而C點(FET T2的柵極)的電位為高，從而使FET T2保持導通，因此，電源加到負載11上。這是該裝置的正常工作狀態(tài)，其中A點電位保持為低，借以使FET T1保持截止，而使FET T2保持導通。
當使電阻負載11的兩端短路以模擬故障狀態(tài)時，點A以由電容C1的充電時間決定的速率上升到基本上等于直流電壓源10的電壓，因而基本上整個10伏的電壓跨接在FET T2的源極和漏極之間。相應地，流過FET T2的電流將增加。然而，跨接在FET T2上的10伏電壓把它驅動到進入飽和狀態(tài)，因而通過FET T2的電流被限制為恒定的飽和電流。飽和電流取決于FET T2的額定功率(基本上取決于其物理尺寸)和β值。在本情況下，假定飽和電流為5安培。
雖然在故障情況下把流過FET T2的最大電流限制為飽和電流，但這種狀態(tài)不允許持續(xù)。然而，當A點電位升高時，B點電位也將升高。這使FET T1導通，從而使C點電位降低，這又使FET T2截止，從而切斷負載11的電源。
現(xiàn)在，一個剛好能使FET T1保持導通的小電流從直流電源10通過FET T1流到地，這電流的一部分通過電阻R2和LED1，剛好足夠使LED1發(fā)光，從而提供已發(fā)生短路的指示。電阻R1的值應該這樣選擇，使得它能以盡量小的功率消耗有效地使FET T1導通。
當故障已經(jīng)發(fā)生時，電源被切斷并檢查和排除故障，此后，再把電源接通，以重新開始上述的正常工作狀態(tài)。如果不需要提供故障的可見指示則可以省略LED1和相連的電阻R2。
電容C1用于延遲器件的截止，并應當這樣選擇，使得它能濾去開關的瞬變電流以允許電動機、電燈、加熱器等的啟動沖擊電流。
如上所述，F(xiàn)ET T2的飽和電流部分地與FET T2的β值有關。FET T2的β值必須仔細地選擇。如果太高，則在正常工作期間在導通狀態(tài)下FET T2的電阻將引起過多的熱損耗，時間一長，便會損壞器件，并且在任何情況下，將使效率降低。在另一方面，如果β值太低，則飽和電流太高，可能使器件燒穿。我們發(fā)現(xiàn)在這兩個極端之間的折衷是使β處于0.42到0.48的范圍內，這時將提供滿意的性能。我們還發(fā)現(xiàn)，低于0.37或高于0.55的β值是不滿意的。雖然器件的開關時間可通過選擇電容器C1的值進行調整，但速度畢竟受場效應晶體管FET T1和FETT2的工作速度的限制，它一般為15ns。不過，通過在每個FET的漏-柵通路上分別跨接附加的電容器C2和C3可以使速度進一步提高。此外，通過選擇不同值的C2和C3，可以使器件有不同的導通和截止速度。
和負載11串聯(lián)的熔絲12起故障保險的作用。如果在裝置中發(fā)生故障，則負載依舊受熔絲的保護。熔絲12被設計成在略高于裝置的切斷電流時熔斷。
現(xiàn)在參見圖2，交流電源切斷裝置主要包括類似于上述的對于直流情況下的電路的兩個子電路(除了負載11是和兩個晶體管FET T1、FET T2串聯(lián)而不是僅和FET T2串聯(lián)之外)，并且圖2中和圖1相同的元件用相同的標號表示。一個子電路包括交叉耦合的FET T1和FETT2，并響應交流電壓的正半周，而另一個子電路包括交叉耦合的FETT1′和FET T2′，并響應負半周，這由二極管D1和D2決定。
在正半周期間，包括FET T1和T2的子電路基本上按上述對于直流的情況而工作，在正常工作期間FET T2導通，而FET T1截止。當有故障時，F(xiàn)ET T2截止而FET T1導通。在負半周期間，F(xiàn)ET T1和T2都截止。在本實施例中，電阻R1的阻值較大，以便在FET T1導通時限制流過它的電流。
類似地，在包括FET T1′和T2′的子電路中，在正常工作期間，在負半周時FET T2′導通而FET T1′截止，當發(fā)生故障時，F(xiàn)ET T2′截止，F(xiàn)ET T1′導通。在正半周期間內，F(xiàn)ET T1′和T2′都截止。在本實施例中，需要FET T1和T2相對于FET T1′和T2′是互補型的。因而，在這種情況下，F(xiàn)ET T1和T2是P溝道器件，而FET T1′和T2′是n溝道器件。
如同在直流實施例中一樣，在圖2的兩個子電路的每一個中，可以在每個FET的漏柵通路上跨接相當于圖1中由C2和C3表示的電容來修改電路的特性。此外，和圖1類似，相應的電阻R2和LED1可以和電阻R1和R1′分別并聯(lián)，以便提供可見的故障指示。
圖3表示直流電源切斷裝置的另一個實施例，其中只使用兩個輸入/輸出腿而不象圖1中要使用3個。這是如圖中14和15所示的腿，通過它們把該裝置和負載11串聯(lián)連接在直流電壓源和地之間。應當注意，圖3的裝置非常類似于圖2的裝置的一半，其中負載11同時和FET T1以及T2兩者串聯(lián)。
圖3的裝置也包括一對場效應晶體管T1和T2，它們被這樣交叉耦合，使得每個的漏極和另一個的柵極相連。負載11直接連接于FET T2的漏極，并通過可變電阻VR1連接到FET T1的柵極，并且它還通過大電阻R1和連接FET T1的漏極和FET T2的柵極的連線相連。
FET T2處的RC時間常數(shù)比FET T1處的RC時間常數(shù)短(因為在FET T1的柵漏通路上跨接著電容C5)，因此，當接通電源時，F(xiàn)ET T2在FET T1之前接通。這樣，F(xiàn)ET T2的漏極變?yōu)榈碗娢唬ㄟ^電阻R3把FET T1的柵極拉到低電位，從而阻止FET T1導通。這是該裝置的正常工作狀態(tài)，這時FET T2導通，從而形成使電流通過負載11到地的通路，而FET T1保持截止。在故障狀態(tài)例如負載電阻11有短路的情況下，F(xiàn)ET T2的漏極電壓升高，當達到FET T1的門限電壓時(如由VR1的值所確定的)，F(xiàn)ET T1導通。這時FET T1的漏極電位變低，并且因為FET T1的漏極和FET T2的柵極相連，所以FET T2截止。選擇電容C5和電阻R3的RC時間常數(shù)，為FET T1提供合適的導通時間，從而實現(xiàn)了不會由開關瞬變電流之類無意中觸發(fā)該裝置。
在圖3的實施例中，F(xiàn)ET T2的導通時間由(1.1)×R1×C6給出，其中R1＝10kΩ，C6＝0.0000001μF，是FET T2的柵極氧化層的電容。并且，在故障電流的情況下裝置的切斷時間由(1.1)×(VR1/RC3)× C5給出，其中R3＝30KΩ，C5＝1μF。
和以前一樣，可以通過在每一個FET T1和T2的源-柵通路之間跨接相當于圖1中C2和C3所示電容來修正電路特性。此外，電阻R2和LED1可以和電阻R1并聯(lián)，用以提供故障的可見指示。
本發(fā)明的第4實施例(圖4)除了(a)其中的FET T1用雙極NPN晶體管代替、(b)可變電阻VR1被省略、(c)電容C5被省略以及(d)電阻R3被可變電阻VR3代替之外，類似于圖3所示的電路。不過，除了晶體管N的門限由VR3的值確定之外，電路的工作基本上和圖3所示的電路相同。
在所有實施例中，齊納二極管和電阻可以跨接在直流或交流電源上，使得該裝置可用作過壓保護器，這種過壓在尖峰電壓或在故障狀態(tài)下可能會出現(xiàn)。
在上述電路中使用的場效應晶體管可以是JFET，MOSFET，NMOSFET，DMOSFET或任何其它類型的場效應晶體管。這些電路可通過使用半導體工藝被制造在硅或砷化鎵的晶片上，或被制成混合電路。也可以利用具有碳化硅襯底的FET，以便元件能承受高的工作電壓、電流和溫度條件。
權利要求
1.一種電源切斷裝置，包括第一和第二電子開關器件，它們以這樣的方式被交叉耦合，使得當一個開關器件導通時，另一個開關器件截止，反之亦然，其中要被保護的負載和第一開關器件是可串聯(lián)連接的，并且其中如果當?shù)谝婚_關器件導通，通過的電流超過一個定值時，則第二開關器件導通而把第一開關器件截止。
2.如權利要求1所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中第一開關器件是FET，并且如果負載被短路，則基本上全部電源電壓將加在FET的源極和漏極之間。
3.如權利要求2所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中FET在電源電壓加在其源極和漏極之間時就進入飽和狀態(tài)，從而使通過FET的電流限制在其飽和電流上。
4.如權利要求3所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中FET具有從0.42到0.48的β值。
5.如前面任一項權利要求所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中有一個阻抗和第二開關器件串聯(lián)，當?shù)诙_關器件導通時電流通過所述阻抗。
6.如權利要求5所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中的負載也和所述阻抗串聯(lián)。
7.如前面任一項權利要求所述的電源切斷裝置，其特征在于，其中有一個器件和第二開關器件串聯(lián)，以便當?shù)诙_關器件導通時提供可見的指示。
8.如前面任一項權利要求所述的電源切斷裝置，其特征在于，還包括一個電容器，其設置是用來延遲第二開關器件的導通，以便阻止所述裝置由于開關瞬變電流和其類似現(xiàn)象而觸發(fā)。
9.一種用于交流電源的電源切斷裝置，包括如前面任一權利要求所要求的兩個裝置，它們通過反向連接的單向電流器件分別和負載相連。
全文摘要
一種電源切斷裝置，包括第一和第二電子開關器件(FET T2和T1)，它們以這樣的方式被交叉耦合，使得當一個開關器件導通時，另一個截止，反之亦然，并且被保護的負載11和第一開關器件(FETT2)串聯(lián)。如果例如由于負載的短路而引起通過第一開關器件(FETT2)的電流超過某個值，則第二開關器件(FETT1)導通，從而使第一開關器件截止。
文檔編號H03K17/08GK1158673SQ95195293
公開日1997年9月3日 申請日期1995年9月20日 優(yōu)先權日1994年9月27日
發(fā)明者C·V·阿姆斯特朗, J·波納 申請人:Npr技術有限公司