CN100530885C - 一种用于防止不希望的差模瞬变电流的保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种差模浪涌保护装置，包括一对输入连接点和一对相应的输出连接点；第一单极固态保护装置，其串联在一对输入连接点中的第一输入连接点和一对相应的输出连接点中的第一输出连接点之间；以及第二单极固态保护装置，其串联在一对输入连接点中的第二输入连接点和一对相应的输出连接点中的第二输出连接点之间，第一单极固态保护装置相当于由第一输入连接点到第一输出连接点的正向电流的保险丝，第二单极固态保护装置相当于由第二输入连接点到第二输出连接点的正向电流的保险丝；或第一单极固态保护装置相当于由第一输出连接点到第一输入连接点的正向电流的保险丝，第二单极固态保护装置相当于由第二输出连接点到第二输入连接点的正向电流的保险丝。

Description

一种用于防止不希望的差模瞬变电流的保护装置
技术领域
本发明涉及电涌保护装置。
背景技术
在电路连接到外部电缆的情况下，由于瞬变过压能够沿电缆传输，所以可能会出现损坏电路的危险。这种过压可能是由多种因素中的任何一种所造成的。例如，闪电、静电放电或位于电缆远端的设备故障，都可以是造成过压的原因。现在已有几种技术，用于把电路与潜在的具有破坏性的浪涌分离开。这些技术包括：如图1所示的电感耦合、电容耦合以及图2中所示的光电隔离技术。隔离变压器通常用以实现电感耦合。
图1是典型电路配置的示意图，其中，电缆包括一对导体2和4，所述导体2和4端接在隔离变压器6上，所述隔离变压器6连接到负载12上。如果存在共模电压浪涌，那么导体2和4上电势的变化实际上是相等的，从而，使得流过变压器6的初级线圈8的净电流基本为零。结果，共模瞬变不会在次级线圈10中感生出故障电流，因此，隔离变压器6为负载12提供了共模保护。
然而，如果电压瞬变对导体2和4之一的影响显著地大于对另一个的影响，那么，浪涌电流将流过初级线圈8、并且在次级线圈10的输出端子之间感生出瞬变电压。该浪涌电流可能会损坏该隔离装置，也可能会损坏要被保护的设备。因此，应当认识到：当隔离变压器对共模瞬变提供良好的保护措施时，其对差模浪涌却不提供保护。
经常使用隔离变压器的一个地方是用来实现本地计算机数据网络(loal area computer data network)(LANs)。参照图3，表现为网络接口卡(NIC)形式的数字处理卡(或者其通常被称为“LAN卡”)借助于J8-45插座18连接到LAN电缆16的J8-45插头22上。LAN卡14包括隔离变压器模块20，所述隔离变压器模块20将插座18连接到数据处理芯片24上，所述数据处理芯片24再借助于PCI插槽连接器28、而与工作站的中央处理器26进行通信，所述PCI插槽连接器28插接到PCI连接器30内，所述PCI连接器30再安装到工作站的主板32上。
图4是图3中现有技术的卡的示意图，其中，同样的标号用来表示同样的部件。该卡借助于相应的平衡式双绞线来接收和发送数据脉冲，所述平衡式双绞线封装在LAN电缆16中、并且端接在J8-45插座18的引脚RX+、RX-上以及引脚TX+、TX-上。
隔离模块20包括一对变压器20A和20B，所述变压器20A和20B分别将处理芯片24与发送和接收双绞线上的瞬变隔离。正如前面已说明的，隔离变压器20A和20B对具有破坏性的共模瞬变提供了相当强的抗扰性，但是对差模瞬变却没有提供抗扰性。例如，如果电压瞬变出现在引脚RX+上而没有出现在引脚RX-上，那么该瞬变电压将穿过隔离变压器传输，并且可能损坏处理芯片24。
本发明的目的在于：提供一种简便的方法，用于解决上面所讨论的差模瞬变所引起的问题。
发明内容
根据本发明的第一个方案，提供的一种差模浪涌保护装置包括：一对输入连接点和一对相应的输出连接点；第一单极固态保护装置，其串联在一对输入连接点中的第一输入连接点和一对相应的输出连接点中的第一输出连接点之间；以及第二单极固态保护装置，其串联在一对输入连接点中的第二输入连接点和一对相应的输出连接点中的第二输出连接点之间，其中，第一单极固态保护装置相当于由第一输入连接点到第一输出连接点的正向电流的保险丝，第二单极固态保护装置相当于由第二输入连接点到第二输出连接点的正向电流的保险丝；或者，第一单极固态保护装置相当于由第一输出连接点到第一输入连接点的正向电流的保险丝，第二单极固态保护装置相当于由第二输出连接点到第二输入连接点的正向电流的保险丝。
第一和第二单极固态保护装置可以集成在一个单独的保护封装中。
优选地，设置并联连接在一对输入连接点之间的浪涌放电器，以对由所述第一和第二单极固态保护装置所提供的保护进行补充；选择浪涌放电器，以便在使用中、使其在所述第一或第二固态保护装置任一个被击穿之前触发。
所述浪涌放电器并联连接在所述输入连接点之间。
优选地，所述第一和第二单极固态保护装置由一对匹配的单极瞬变阻塞单元(TBU)构成，每个单极瞬变阻塞单元包括两个串联连接的场效应晶体管。
所述差模浪涌保护装置可以设置以与诸如网卡的数字信号处理卡结合在一起。
优选地，所述单极固态保护装置设置在所述数字信号处理卡的共模隔离装置和所述数字信号处理卡的外部连接点之间。可替换地，也可以把单极固态保护设备设置于所述隔离装置的输出端和所述卡的数字信号处理芯片之间。
在所述的装置没有结合数字处理卡一起设置的情况下，它可以设置还包括共模隔离装置，所述共模隔离装置设置在所述第一单极固态保护装置、所述第二单极固态装置与所述输出连接点之间。
所述共模隔离装置可以由隔离变压器构成。
可替换地，所述共模隔离装置可以由另一个合适的装置构成，例如光电隔离器。
根据本发明的另一个方案，可以提供包括一个或多个所述差模浪涌保护装置的电缆。在这种情况下，所述一对输入连接点可以端接在所述电缆的第一连接器上，所述输出连接点可以端接在所述电缆的第二连接器上。
所述电缆的第一连接器可以由插座构成，所述第二连接器可以由插头构成。可替换地，所述第一连接器可以由插头构成，所述第二连接器可以由插头构成。
典型地，所述电缆由LAN电缆构成，所述第一和第二连接器由LAN电缆连接器构成。
为使本发明各种不同方案的更多优选特征更加清楚，以下将参照各个附图对优选实施例进行说明。
附图说明
图1是现有技术中共模保护电路的示意图。
图2是现有技术中另一个共模保护电路的示意图。
图3描述了现有技术中网络接口卡的外观。
图4是图3中网络接口卡的示意图。
图5是根据本发明一个实施方式的浪涌保护模块的示意图。
图6是根据本发明一个实施方式的差模保护装置封装示意图。
图7是图6的差模保护装置封装的电路示意图。
图8是图7的差模保护装置封装的变形电路示意图。
图9是根据本发明一个实施方式的网络接口卡的示意图。
图10描述了根据本发明的另一个实施方式的差模浪涌保护装置的外观。
图11是图7的保护装置的示意图。
图12描述了根据本发明的另一个实施方式的差模浪涌保护装置的外观。
具体实施方式
现在参照图5，来描述根据本发明的一个实施方式的隔离模块34。隔离模块34包括共模隔离装置42，在本实施方式中，共模隔离装置42由变压器构成，应当认识到：可以用一些其它的共模隔离装置(诸如光电隔离器)来替代变压器。隔离模块34包括两个相同的、串联连接的单极瞬变阻塞单元(TBU)36和38，所述单极瞬变阻塞单元(TBU)36和38连接在变压器42的初级线圈40的相应端。
TBU是晶体管装置，其被设计成：一旦流经它的电流达到某一预定的触发水平，其就使电路变为开路。TBU 36包括两个耗尽型的场效应晶体管(FET)，分别是N沟道型FET(N-channel FET)Q1和P沟道型FET(P-channel FET)Q2。Q1和Q2与它们的传导路径串联连接，晶体管Q1的栅极连接到晶体管Q2的漏极上，Q1和Q2的源极相互连接，并且晶体管Q1的漏极连接到第一端子44上。电阻器R1连接在Q1的漏极和Q2的栅极之间。Q2的漏极连接到初级线圈40的第一端上。事实上，TBU 36的功能为从端子44流向初级线圈40的正向电流的保险丝。TBU 38的结构与TBU 36的结构相同，因此TBU 38的作用为从端子46流向初级线圈40的正向电流的保险丝。为了维持电路的平衡，选择TBU 38和TBU 36以使它们具有的插入损耗尽可能地接近。
当流过负载的电流达到预定的触发水平时，TBU 36和TBU 38通过触发以使电路变为开路、而保护与端子43和45并联连接的负载免受差模浪涌电流的损坏。如果流入端子44的差模电流达到触发水平，那么TBU 36将使电路变为开路。可替换地，如果流出端子44的差模电流达到触发水平，那么TBU 38将触发。当然，相对于图4中所描述的线路接法，TBU可以反向排列。
在这种情况下，如果流入端子44的差模电流达到触发水平，那么TBU 38将使电路变为开路；反之，如果流出端子44的差模电流达到触发水平，那么TBU 36将触发。
如果已触发的TBU两端之间的电压继续上升、然后最终达到击穿电压，那么TBU在这种情况下将再次导通。目前，可得到击穿电压达800V的TBU。为了提供保护、以免受超过击穿电压的浪涌的破坏，隔离模块34可以包括浪涌放电器48。典型地，使用如标号48所示的气体放电器。然而，作为替代，可以使用任何合适的浪涌放电器。浪涌放电器48线到线地并联连接端子44和46，并且选择浪涌放电器48，以便其在TBU两端的电压达到击穿电压90％的时候触发。因此，如果差模浪涌接近TBU的击穿电压，那么浪涌放电器将触发，并在差模浪涌击穿已触发的TBU、且随后穿过隔离变压器42传输以致可能损坏连接在输出端子43和45之间的任何负载之前，将该浪涌短路。
可以从澳大利亚昆士兰(Queensland)州布里斯班(Brisbane)市露西娅街(St Lucia)昆士兰大学校内的76A大厦的Fultec Pty Ltd公司购买到合适的TBU。在已授权的专利号为5,742,463的美国专利和申请号为PCT/AU03/00175的国际专利申请中，描述了用于实现TBU的合适的电路，上述二者都是由本发明人发明的。美国专利5,742,463和国际专利申请PCT/AU03/00175两者的说明书通过相互参照的方式而合并在一起。
参照图6，根据本发明另一个实施方式，具有如图所示的四个连接器A、B、C、D的差模保护装置43被方便地设置于单独的封装内。该装置可以任意地设置有或不设置有浪涌放电器。图7中显示的是不具有浪涌放电器的装置43的内部电路示意图；与此相反，图8显示的是具有浪涌放电器的另一种类型的差模保护装置的示意图。该装置还可能有更多的变形。例如，可以提供具有八个端子这种类型的装置，其中包括两个图7或图8的电路。
在图9中，显示了根据本发明一个优选实施方式的数字处理卡的示意图，在本实施例中数字处理卡是LAN卡。应当注意，图9的LAN卡包括两对TBU 51A、51B和52A，52B，他们分别与插座18的端子TX+，TX-和RX+，RX-串联连接。
(每个TBU都与图5的TBU 36和38相同，并且这些TBU可以被设置于八个端子这种类型的图6所示的装置43中)。浪涌放电器19和21分别连接在引脚TX+、TX-之间以及RX+、RX-之间。选择浪涌放电器，以便它们在TBU两端的电压达到TBU击穿电压的90％的时候触发。如前面说明，如果差模浪涌接近TBU的击穿电压，那么浪涌放电器将触发，并可以在差模浪涌击穿TBU、且随后穿过隔离变压器传输以致可能损坏逻辑电路24之前，将浪涌短路。
图10描述了根据本发明的另一个实施方式的差模浪涌保护器50的外观，同时，图11是相应的电路示意图。浪涌保护器50包括用于连接到LAN卡的插座上的J8-45插头52。J8-45插头连接到差模保护模块54上，所述差模保护模块54包括如图11所示的TBU和浪涌放电器。该浪涌保护器还包括J8-45插座58，所述J8-45插座58连接到模块54中电路上、并且用于连接LAN电缆。
图12是图10和图11的差模浪涌保护器的变形，其是结合有根据本发明的差模保护功能的电缆63。其中，电缆63包括连接到数字处理卡的连接器52。在本实施例中，电缆63是LAN电缆，连接器52和59是J8-45插头，显然，对于其他应用可以使用其他连接器。差模保护模块54连接到连接器52上，所述差模保护模块54与图10中的差模保护模块相同、并包括图11所描述的电路。距离相对较长的电缆61将保护模块54连接到远程连接器59上，所述保护模块54包括如图11所示的TBU和浪涌放电器。在使用中，连接器52插入诸如LAN卡的数字处理卡中，而连接器59插入诸如网络集线器的远程设备中。如果需要，可以在插头59的附近插入第二模块。当然，也可能有图12所示电缆的变形。
例如，可以将设置在外壳54内部的电路集成到连接器52和59中的连接器52内或连接器59内。
尽管根据优选实施方式已经对本发明进行了描述，但是其本意并非是将本发明局限于这些实施方式。对本领域普通技术人员而言，等同的方法、结构、配置、过程、步骤和其它改进均落入如下的权利要求保护范围之内。

Claims (16)

1.一种差模浪涌保护装置，包括：
一对输入连接点和一对相应的输出连接点；
第一单极固态保护装置，其串联在所述一对输入连接点中的第一输入连接点和所述一对相应的输出连接点中的第一输出连接点之间；以及
第二单极固态保护装置，其串联在所述一对输入连接点中的第二输入连接点和所述一对相应的输出连接点中的第二输出连接点之间，
其中，所述第一单极固态保护装置相当于由所述第一输入连接点到所述第一输出连接点的正向电流的保险丝，所述第二单极固态保护装置相当于由所述第二输入连接点到所述第二输出连接点的正向电流的保险丝；或者，所述第一单极固态保护装置相当于由所述第一输出连接点到所述第一输入连接点的正向电流的保险丝，所述第二单极固态保护装置相当于由所述第二输出连接点到所述第二输入连接点的正向电流的保险丝。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二单极固态保护装置集成在一个单独的保护封装中。
3.根据权利要求1或2所述的装置，还包括并联连接在所述一对输入连接点之间的浪涌放电器；设置所述浪涌放电器，以对由所述第一和第二单极固态保护装置所提供的保护进行补充；选择所述浪涌放电器，以便在使用中、使其在所述第一或第二单极固态保护装置任一个被击穿之前触发。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，由一对具有匹配的差模浪涌保护功能的单极瞬变阻塞单元(TBU)的其中一个构成所述第一单极固态保护装置而由其中另外一个构成所述第二单极固态保护装置。
5.根据权利要求1所述的装置，其与数字信号处理卡相结合。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括并联连接在所述一对输入连接点之间的浪涌放电器；设置所述浪涌放电器，以对由所述第一和第二单极固态保护装置所提供的保护进行补充；并且选择所述浪涌放电器，以便在使用中、使其在所述第一或第二单极固态保护装置任一个被击穿之前触发。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述单极固态保护装置连接在所述数字信号处理卡的共模隔离装置和所述数字信号处理卡外部连接点之间。
8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述数字信号处理卡由LAN卡构成。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括共模隔离装置，所述共模隔离装置设置在所述第一单极固态保护装置、所述第二单极固态装置与所述输出连接点之间。
10.根据权利要求2或3所述的装置，还包括共模隔离装置，所述共模隔离装置设置在所述第一单极固态保护装置、所述第二单极固态装置与所述输出连接点之间。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述共模隔离装置由隔离变压器构成。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述共模隔离装置由光电隔离装置构成。
13.一种电缆，包括一个或多个如权利要求1所述的装置，其中，所述一对输入连接点端接在所述电缆的第一连接器上，其中，所述输出连接点端接在所述电缆的第二连接器上。
14.根据权利要求13所述的电缆，其中，所述第一连接器由插座构成，以及所述第二连接器由插头构成。
15.根据权利要求13所述的电缆，其中，所述第一连接器由插头构成，以及所述第二连接器由插头构成。
16.根据权利要求13所述的电缆，其中，所述电缆由LAN电缆构成，以及所述第一和第二连接器由LAN电缆连接器构成。
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