CN101252278A - 使用阻塞二极管的线性低电容过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用阻塞二极管的线性低电容过压保护电路。低电容过压保护电路(80)向通信线路(12，14)提供保护。二极管桥(46)连接至该通信线路(12，14)，以使两极性的过压沿一个方向通过过压保护装置(44)。偏压电压电源(48)通过隔离电阻器(64，66)在半导体过压保护装置(44)两端施加偏压电压，以使该装置(44)的电容独立于通信线路电压的变化。当线路电压超过偏压电压的幅度时，阻塞二极管(82)防止电流沿反方向流过偏压电压电源(48)。

Description

使用阻塞二极管的线性低电容过压保护电路

技术领域

[0001]本发明通常涉及过压保护装置和电路，更特别地，涉及为通信线路提供低电容保护的过压保护电路。

相关申请

[0002]该非临时专利申请要求2006年10月19日提交的名称为“Linear LowCapacitance Overvoltage Protection Circuit Using Blocking Diode(使用阻塞二极管的线性低电容过压保护电路)”，序列号为No.60/852,895的待决临时申请的权益。这里并入该临时申请的全部公开内容作为参考。

背景技术

[0003]电子设备中的许多电路都能够提供避免受到过压，过流等的有害影响的保护。这些保护电路通常被设计成常规电子电路的集成部分，并且可以作为辅助装置或电路增加到其上。

[0004]保护电路通常构建在硅基板上，例如双极晶体管，二极管或晶闸管。硅双极器件能够承载较大幅度的电流，从而很好地用于保护电子电路不受到过压和过流的破坏。所构建的具有结点的固态双极装置具有作为耗尽区宽度函数的固有电容。半导体结点中的耗尽区起到电容器“电介质”层的作用。由于耗尽区的宽度随着在该结点两端施加的电压而变化，双极半导体结点作为在结点两端施加的电压的函数而变化。其值随着电压变化的电容器本质上是非线性装置。换句话说，即使过压保护器件保持其断开状态，放置在所要保护的电路两端的双极过压保护器件仍会影响该电路的操作。非线性会导致未达到最佳标准的通道性能和互调失真。

[0005]在许多应用中出现了前述的不利影响，包括在通信线路中定期地使用过压保护电路来保护传送和接收电路不受到因疏忽连接到通信线路的高电压的影响。晶闸管族中的许多装置能够被用来响应过压环境并且提供通信线路和接地端子之间的低阻抗路径，或安全消散能量的其他路径。

[0006]使用硅双极过压保护装置的不利影响不会由具有固有电容的上述装置引起，而是由电容随装置所受到的电压，频率和温度的函数而变化的特性引起。例如，许多通信线路适用于传输各种协议的高速数字信号，包括ADSL，T1，E1，ADSL2+，ADSL2++，10BaseT，VDSL，VDSL2，T3，100BaseT以及其他线路。这些协议通过调制解调器或其它发送和接收电路在远程目的地之间传输。为了优化高速数据的传输，许多调制解调器利用选择适当均衡元件的初始处理步骤，从而能够以线路和与该线路相关的电路的频率响应所允许的最高速率传输数字信号。由调制解调器选择的均衡参数是存在于被执行的时间均衡测试上的参数。通常在服务中放置调制解调器时，它的每一个重新启动都在初始操作之后。可以看出如果线路的电状态在均衡会话之后改变，则无法优化传输数据速率，从而发生传输误差。

[0007]在相关的以下实例中将出现传输无效的实例。在线路上设置或引导其进入运行的调制解调器，将按照程序自动执行均衡处理步骤，该步骤用于确定所要转换为运行状态，从而优化高速数据传输的最佳电参数。调制解调器将连接至通信线路，诸如用于传输VDSL或其他数据信号的电话DSL线路。用于传输数字信号的DSL线路的挂机状态(电话机)，典型的为48伏。在调制解调器结束均衡处理步骤之后，用于基于均衡处理过程中存在的DSL通信线路的电特性，提供VDSL信号的最优传输。典型的，调制解调器采用数字信号的电压幅度，作为通信线路的长度的函数，以便在最小化传输数据误差率的同时，获得最低功率电平。

[0008]在以高速率传输VDSL信号的用户实际通信会话过程中，假定连接至同一DSL通信线路的用户的电话机处于摘机状态。换句话说，用户同时使用DSL通信线路进行以电话机进行的语言通信和使用调制解调器的数据通信。该摘机状态在通信线路上放置了电压的不同设置。通信线路从48伏的挂机状态进入到约10伏的摘机状态。照这样，过压保护装置以及可能的其他装置的电容，将随电压的改变而改变，从而修改调制解调器所均衡的线路的电特性。具有拥有不同电特性的通信线路，可以降低有效传输率，但调制解调器将保持以均衡会话过程中所优化的速率进行传输。因此，在通信线路接收端子的数据接收器或调制解调器，可以检测到由在高于摘机状态中能够可靠传输的线路的速率来传输数据所引起的误差。过高的误差率将导致对调制解调器进行重新训练，这样在重新训练会话的过程中，将导致服务的临时丢失。这对于用户通常是无法接受并令人讨厌的。

[0009]根据前面所说的可以看出，存在对于一种技术的需求，该技术能使过压保护装置和电路不会总是随着作为电压函数的电容而改变，且因此，减少连接至该线路的装置或电路的电特性的改变。存在对于过压保护电路的其他需求，从而使作为施加至该装置两端的电压的函数的电容而产生的改变最小化，该过压保护电路包括向过压保护电路施加的偏压电压，且其中偏压电压的幅度不需要大于所保护线路上承载的线路电压。还存在对过压保护电路的需求，其中向过压保护电路施加偏压电压，用于使作为施加在该装置两端的电压和频率的函数，以及作为过压保护装置温度的函数的电容而产生的改变最小化。

发明内容

[0010]根据本发明的过压保护电路的重要特征，向双极过压保护装置施加偏压，以减小作为施加至该装置的电压的函数的电容的改变。此外，至少一个阻塞二极管与偏压电压电源串联，以防止电流沿反方向流过偏压电压电源。利用该配置，当存在在所要保护的线路上通常出现的高电压时，避免了电流路径通过偏压电源，否则其将贡献于电路的电容。

[0011]根据本发明的一个实施例，公开了一种过压保护电路，其包括二极管桥以及连接在二极管桥的相对节点之间的过压保护装置。过压保护电路的端子适于连接至所耦合的偏压电压，以使过压保护装置的电容特性线性化。至少一个阻塞二极管连接在偏压电压端子和过压保护装置之间，以防止电流沿反方向流过提供偏压电压的偏压电压电源。

[0012]根据本发明的另一个实施例，公开了一种过压保护电路，其包括响应于过压而被驱动至低电压导通状态的过压保护装置。提供将DC偏压电压耦合至过压保护装置的导体，以降低其电容。在偏压电压导体中提供至少一个阻塞二极管，且该阻塞二极管被正向偏置了DC偏压电压。

[0013]根据本发明的另一个实施例，公开了一种过压保护电路，其包括具有至少四个二极管的桥式整流器，桥的第一和第二二极管具有连接至第一节点的阴极，且桥的第三和第四二极管具有连接至第二节点的阳极。第一二极管的阳极和第三二极管的阴极连接至桥的第三节点，且桥的第三节点适于连接至第一通信线路导体。第二二极管的阳极和第四二极管的阴极连接至桥的第四节点，且桥的第四节点适于连接至第二通信线路导体。过压保护装置连接在桥的第一和第二节点之间。第一阻塞二极管与第一隔离电阻器串联连接以在其间形成结和第一及第二端子。串联连接的第一阻塞二极管和第一隔离电阻器的第一端子连接至二极管桥的第一节点，其中第一阻塞二极管被安排用于允许电流流入二极管桥的第一节点。串联连接的第一阻塞二极管和第一隔离电阻器的第二端子适于连接至偏压电压电源的第一端子。第二阻塞二极管与第二隔离电阻器串联连接以在其间形成结和第三及第四端子。串联连接的第二阻塞二极管和第二隔离电阻器的第三端子连接至二极管桥的第二节点，其中第二阻塞二极管被安排用于允许电流从二极管桥的第二节点流出。串联连接的第二阻塞二极管和第二隔离电阻器的第四端子适于连接至偏压电压电源的第二端子。

[0014]根据本发明的另一个实施例，公开了一种保护通信线路免于受到过压的方法。该方法包括步骤：使用晶闸管来向通信线路提供过压保护，并以偏压电压偏置晶闸管，以使晶闸管的电容线性化，并减小随通信线路所承载的电压的改变的电容改变。当通信线路上的电压超过偏压电源电压的幅度时，防止电流沿反方向流过偏压电压的电源，以进一步使晶闸管的电容负载线性化。

附图说明

[0015]如附图中所描述的，从本发明优选和其他实施例的以下和更详细说明中，更多的特点和优点将变得显而易见，附图中类似的参考标记通常自始至终表示相同的部分，功能或元件，且其中：

附图1是线性化晶闸管器件的电容的过压保护电路的示意图；

附图2是描述作为施加到双极晶闸管装置的不同电压的函数的双极晶闸管装置的电容/频率特性的图；

附图3是描述在通信线路的不同状态期间且在不具有本发明的阻塞二极管的情况下，不同过压保护装置，以及附图1的过压保护电路的电容/线路电压特性的图；

附图4是并入阻塞二极管的过压保护电路的示意图；

附图5是与附图3相类似的图，但示出了在通信线路电压超过偏压电压时且在具有本发明的阻塞二极管的情况下附图4的过压保护电路的不同特性；

附图6是描述具有跨越过压保护装置施加的偏压电压的不同幅度的本发明的过压保护电路的电容特性的图；

附图7是描述对于两个不同的过压保护装置，作为温度的函数的本发明的过压保护电路的电容特性的图；

附图8是使用接地偏压电压电源的本发明的另一个实施例；

附图9是使用四二极管桥和TVS装置的本发明的另一个实施例；

附图10是并入偏压电压，阻塞二极管和单向过压保护装置的另一个过压保护电路；

附图11是描述并入根据本发明的过压保护电路的模块的图；以及

附图12是描述使用本发明的过压保护电路的QFN封装的引脚分配的图。

具体实施方式

[0016]参考附图1，示出了适用于保护低压通信线路的过压保护电路10，该低压通信线路诸如ADSL，T1，E1，ADSL2+，ADSL2++，10BaseT，VDSL，VDSL2，T3，100BaseT以及其他线路。在2005年10月19日提交的待决美国申请11/254162中详细描述了该过压保护电路10，其代理人案卷号为TCCR-1000US。该过压保护电路10能够连接在通信线路两端，该通信线路诸如具有尖塞导体(tip conductor)12和环形导体(ring conductor)14的电话线路。如果电压超过耦合至通信线路导体12或14中一个或两个的过压装置44的转折电压(breakover voltage)(V_BO)，那么过压装置44将通过二极管桥46被驱动至导通，并将电流短路至地50。该过压可以存在于通信线路导体12和14之间，导体12和地50之间，导体14和地50之间，或导体12和14以及地50之间。该桥46允许所要使用的单向过压装置44将任一极性的过压耦合至地50。

[0017]根据该电路10的重要特征，在过压保护装置44两端施加偏压电压48，该过压保护装置可以是德克萨斯州Irving的Littelfuse有限公司生产的商标名称为Teccor的单向Sidactor过压保护装置。在过压保护装置44两端施加的偏压电压的利用使电路10的电容特性线性化。这时，意味着减小电容的变量(Δc)，该变量是电路10所经受的电压和频率的函数。另外，减小由过压保护装置的操作温度变化而导致的电容变化。因此，作为电压，频率和温度变化的函数的Δc特性更线性化且更独立于这些参数的变化。在千兆比特以太网应用中，过压保护装置的偏压在减少环境中的误差方面具有显著的改善，在该环境中温度或者改变或者保持在升高的水平。实际上，偏压电压越大，作为电压，频率和温度的函数的电路电容的改变越小。

[0018]附图2是描述作为在该装置的两端施加的不同电压的函数的常规双极过压保护装置的电容/频率特性的图。应该注意的是，水平频率轴是对数刻度。特别是，该图描述了可从Teccor Electronics得到的零件号码为P3100SCMC的

过压保护装置的电特性。线路30描述了在该装置两端施加0伏的情况下该装置的电容/频率特性。线路32描述了在该装置两端施加1伏的情况下该装置的电容/频率特性。线路34描述了在该装置两端施加2伏的情况下该装置的电容/频率特性。线路36描述了在该装置两端施加5伏的情况下该装置的电容/频率特性。线路38描述了在该装置两端施加15伏的情况下该装置的电容/频率特性。线路40描述了在该装置两端施加40伏的情况下该装置的电容/频率特性。这些电特性是该装置在测试电路中，未与任何通信电路相连接时的电特性。

[0019]应该注意的是，在双极过压保护装置两端施加的电压较高的情况下，作为频率的函数的电容的变化较小。通常，这对于大多数双极过压保护装置来说是正确的。然而，所遇到的问题是，当连接至通信电路或通信线路时，过压保护装置两端的电压通常不能总是已知的或预知的。这样，当上述装置两端的电压低时，其他通信电路将不得不根据过压保护装置的电容的变化来运行。当在DSL线路上传输VDSL和其他高速数字信号时，这意味着或者需要将传输速度降低至比其他传输方式小的速率以适应过压保护装置的增大的电容，或者接受更高的误差率。这些解决方案都不能被通信提供者或用户接受。

[0020]返回参考附图2，应该注意的是，对于过压保护装置两端的低电压，也就是在大约1伏和5伏之间的电压，该装置的电容变化显著大于该装置两端的较高电压时的电容变化。对于实例的特定装置，并且对于在该装置两端施加的1伏的电压，该装置的电容变化大约5pf，从大约40pf到大约35pf，在1MHz和10MHz的频率范围之间。这表示该装置的电容的大约12.5％的变化。在该装置两端施加的1伏电势的情况下，在100MHz的电容大约为33pf。考虑相同的过压保护装置且在其两端的电压为40伏，应该注意的是，在1MHz和10MHz之间的电容的变化大约为1pf(28pf-27pf)，或者电容的变化大约为3.6％。在100MHz时，由其两端的偏压为40伏的装置所表示的电容大约为24pf。从附图2中的线性40伏线看出电容的小幅度变化。图中表示该装置两端的较低电压的其他线更加非线性得多。也可以看出，通过保证存在幅度大于通常在该装置两端施加的电压的电压，在该装置内存在电容变化的相应减小。如上所述，在双极半导体结两端施加的电压较大时，在该装置的导电区(电容极板)之间存在较宽的耗尽区，且由此电容较小。

[0021]根据本发明的重要特征，向过压保护装置44施加偏压电压，以使其在较低电容情况下以连续方式操作，因此允许通信线路以最佳速度和带宽运行。通过保证在该过压保护装置两端总是至少存在预定电压，可以确保与其相连的通信线路处于电容变化的最小程度-至少是由该过压保护装置所提供的电容。在该过压保护装置经受频率和温度变化的情况下，也可以实现前述优点。

[0022]附图1描述了使用浮动偏压电源电压的过压保护电路10。这里，Sidactor过压保护装置44是与通信线路相连接的单向双极装置，该通信线路包括尖塞导体12和环形导体14。尖塞导体12和环形导体14通过桥46的相应的二极管对连接至过压保护装置44的节点68和69。当环形导体14通过二极管对56和58连接至过压保护装置44时，尖塞导体12借助二极管对52和54连接至过压保护装置44。过压保护装置44通过节点68和69借助二极管对60和62连接至地50。特别是，二极管62的阴极连接至地50，二极管60的阳极连接至地50。任一极性的过压可以通过桥46的不同二极管，以常规方式从尖塞导体12或环形导体14或二者，传导至地50。正如可以看到的，通过过压保护装置44的不同电流路径包括第一二极管，过压保护装置44，然后是第二二极管。三个部件全部串联，这样，将由过压保护电路10表示的有效电容减少至通信线路12和14。

[0023]在过压保护装置44的两端施加电源48的偏压电压。该偏压电压优选是DC电压，且在连续的基础上施加至过压保护装置44。可选的，只有在通信线路12和14用于传送通讯信号期间才能够施加该偏压电压。

[0024]由偏压电压电源48，通过浮动偏压电源实施例中的至少一个隔离电阻器64，且优选是两个隔离电阻器，一个作为可选的隔离电阻器66示出，将该偏压电压施加给过压保护装置44。隔离电阻器64和66具有足够高的电阻，以便当过压保护装置44响应于过压而被驱动至导通状态时，在偏压电压电源48和过压保护装置44之间提供隔离。实际上，隔离电阻器64和66均能够大约为1兆欧姆，或者更大。然而，在某些应用中，每个电阻器64和66的值能够低至几百欧姆。在通信线路12和14上的过压触发过压保护装置44至导通的时间周期期间，偏压电压的存在并不会另外影响过压保护装置44的转折电压或其他电特性。

[0025]在通信线路12和14的正常运行过程中，选择偏压电压电源48的极性，以使桥46的二极管被反向偏置。当偏压电压电源48被示为无参考地接地，即浮动时，在其他通信线路情形中，过压保护电路能够配置为不同的。在偏压电压电源的不同配置中，重要的是偏压电压电源的正端子相对于地不应该是负的，且负端子相对于地不应该是正的。

[0026]在附图1的过压保护电路的操作中，保证电源48的偏压电压a)比通信线路的最高操作电压更大，以及b)比过压保护装置44的转折电压更低。如下所述，当使用与偏压电压电源48串联的阻塞二极管时，并不需要约束条件a)。由于在装置44两端施加的恒定的偏压电压，所以过压保护装置44的电容保持相对不变。因为在二极管两端的电压随线路电压而改变，所以线路电压的改变将改变桥二极管的电容。正如上面所提到的，当以高数据速率或在其他电路电容变化是关键的并且是不希望有的的环境下运行时，过压保护装置44的偏压能够改善通信线路性能并降低数据传输误差。

[0027]附图1的过压保护电路10出于多种考虑，为其预期目的而起作用。首先，且正如上面所提到的，优选选择的过压保护装置44具有大于通信线路上正常传输的高电压的转折电压，诸如信令或振铃电压，其通常在幅度上大于电池电压或者声音或数据信号。其次，偏压电压48的幅度应该大于通信线路上通常出现的任何电压。如果在此之前并未坚持这些考虑，则由除了非有意耦合至通信线路的电压之外的高操作电压将过压保护装置44驱动至导通状态，或即使在缺少耦合至通信线路的过压时，桥的不同二极管也可以被正向偏置。

[0028]附图3的图形描述了作为线路电压的函数的不同晶闸管装置的电容特性。图中的线73描述了具有260伏转折电压的单个Sidactor过压保护装置(P2600SCMC)的电容特性。线75描述了2个串联连接的Sidactor过压保护装置(P2703ACMC)的电容特性，其每一个具有135伏的转折电压。线77描述了4个串联连接的Sidactor过压保护装置(P0720SCMC)的电容特性，其每一个具有72伏转折电压。线79描述了与一对反并联的MUR二极管串联连接的另一个Sidactor过压保护装置(P3100SCMC)的电容特性。应该注意的是，VDSL2线路的线路电压由附图3的水平轴表示。

[0029]当跨越双绞线尖塞和环形通信线路耦合诸如附图1中示出类型的半导体过压保护电路10时，在附图3中由线70和72示出这种电路的电容/线路电压特性。图中的线70描述了在过压装置44两端施加的偏压为0的情况下过压保护电路10的电容大约为12pf。换句话说，附图1中示出的偏压电压48是开路的。当过压保护电路10中装置44的偏压电压48增加至约53伏时，由附图3中的线72示出电容/线路电压特性。这时，可以看到的是，电容降低至约7pf且相对线性直到通信线路电压超过53伏偏压电压为止。当尖塞导体12或环形导体14上的线路电压超过偏压电源48的电压时，电容激增，如图形线72的增长部分74所示。电容的这种突然增长是不希望有的，且可能表示通信线路上不稳定的电状态，因此，导致数据传输误差。

[0030]通过注意到最恶劣的状态是在低线路电压，从而意识到在过压保护电路两端经历的不同电压，其中不同的半导体过压保护装置表示电容相对于通信线路的大变化。这将出现在通信线路的干燥状态期间，其中电话线路传送集中通信量的过程中，该线路有效地处于未通电状态，与单独的电话会话相比较。在电话线路的该状态过程中，线路电压可以在0伏和大约4伏之间。在通信线路处于摘机(off-hook)状态的过程中，尖塞导体和环形导体两端的电压可以在8伏和20伏之间。在摘机状态的电话线路上执行有效的电话会话。当电话机处于挂机(on-hook)状态时，尖塞导体和环形导体之间的电压能够在48伏和56伏之间。这些电压仅仅是标称值。实际上，基于线路状态和其他环境，线路电压可以与上面所提到的值明显不同。在适用于承载数据信号的电话线路中，电话机可能的确处于挂机状态，但调制解调器可以连接至通信线路，并主动传送数据信号。

[0031]在例如高速通信线路的用户通过调制解调器或其他数据接口传送或接收数据时可能出现上面提到的数据传输误差，且该线路突然经受高电压，诸如通信线路上的振铃电压或摘机状态。在实例中，在当线路电压超过53伏时的那些周期期间，过压保护电路的电容激增。在通信线路两端连接的电容的这种突然增长可能干扰通信线路的电参数，在安装期间或随后的重启期间，数据调制解调器最初被与通信线路均衡。当通信线路示展现出不同电容时，也就是电容增长时，数据调制解调器和通信线路之间的电匹配是混乱的(upset)，并且由此可能出现传输误差。

[0032]假定为了使电压超过53伏偏压电压，向附图1中的电路的尖塞导体12施加诸如100伏信号。如果过压保护装置44的转折电压大于100伏，则该装置44将保持在非导通状态。然而，桥46的二极管52将变为正偏，且电流将通过隔离电阻器64，流入偏压电源48(沿相反方向)，然后，经由另一个隔离电阻器66和桥二极管58流至环形导体14。可选的，如果上述电源是接地类型的，则电流可以从偏压电源48流至地。当电流沿相反方向流过偏压电源48时，出现在通信线路的电容激增，如附图3的上升线74所示，并且可能出现数据传输误差。可以相信，当一个或多个桥二极管的结变为正偏时，偏压电压电源的电容开始起作用，并主要贡献于过压保护电路10的增长的电容。

[0033]根据本发明的重要特征，通过通信线路电压来防止电流经过正偏的桥二极管流入偏压电压电源。如附图4的过压保护电路80中所示，使用阻塞二极管82a来实现上述目的。当能够使用单个阻塞二极管82a时，优选使用一对阻塞二极管82a和82b。附图4的电路80基本上与附图1中所示出的相同，且包括许多与低电容相同的优点，除阻塞二极管82a和82b的添加之外。推进(pole)阻塞二极管82a，以使偏压电压电源48的漏电流能够通过正偏的阻塞二极管82a，并流向过压装置44。然而，如果在通信线路上施加高电压，诸如振铃电压，在尖塞导体12或环形导体14上，则阻塞二极管82a反偏。换句话说，利用附图4中的过压保护电路80，当电流路径在其中均具有反偏的阻塞二极管82a和82b时防止响应于通信线路上的高线路电压而流入偏压电压电源48的电流。

[0034]在附图4中示出的本发明的优选实施例中，过压保护装置44连接在二极管桥46的相对的节点68和69之间。隔离电阻器64和可选的隔离电阻器66也通过相应的阻塞二极管82a和82b，耦合至相应的节点68和69。隔离电阻器64和66用于隔离偏压电压电源48以及二极管桥节点68和69。换句话说，当通信线路上的过压驱动过压保护装置44至导通时，偏压电压电源48没有被有效地短路。通信线路的尖塞导体12连接至通过二极管52的阴极和二极管54的阳极所限定的桥46的节点20。通信线路的环形导体14连接至通过二极管56的阳极和二极管58的阴极所限定的桥46的节点22。电路地50或其他参考电势连接至通过二极管60的阳极和二极管62的阴极所限定的桥的节点24。

[0035]阻塞二极管82a，可以是附图4示出的过压保护电路80中采用的唯一的阻塞二极管。以类似的方式，阻塞二极管82b也可以是使用的唯一阻塞二极管，且可以置于偏压电压电源48的负极侧上。在后一种情况下，推进阻塞二极管82b，以防止通信线路上的高电压所导致的电流流经桥二极管和偏压电压电源48。优选地，将阻塞二极管82a和82b置于隔离电阻器64和66的桥侧上的正和负电源线上。虽然阻塞二极管82a和82b可以置于相应的隔离电阻器64和66的任一侧上，但优选将阻塞二极管82a和82b置于隔离电阻器64和66的桥侧上。这样的原因是为了以后可以将阻塞二极管82a和82b与桥二极管一起制作在半导体芯片中。阻塞二极管可以置于过压保护电路中的多个位置，以使所不希望有的漏电流不沿反方向流经偏压电压电源48。的确，如果在其他类型的过压保护电路中发现响应于高线路电压而存在类似的漏电流路径，则阻塞二极管将用于阻塞这种电流，并保持上述过压保护电路的相对恒定的电容特性。

[0036]附图5描述了附图4的过压保护电路80的电容/线路电压特性。图形线73，75，77，79和70描述了不具有在过压保护装置44两端施加的偏压电压，以及具有上述过压保护装置的多种不同配置的过压保护电路80的电容特性。图形线84描述了附图4的过压保护电路80的电容特性，其具有在过压保护装置44两端施加的53伏偏压。贯穿通信线路的电压范围图形线84通常是线性的，但在大约50伏开始随着线路电压略微上升。在大约53伏，线84以与表示施加至过压保护装置44的零偏压的线70相一致的方式连续。重要的是，在过压保护电路80中，电容从不大于在过压保护装置44两端施加0伏偏压电压的情况(线70)。与附图3的(由线72所示出)相比，附图5的线84并未在大于偏压电压电源48的电压施加给通信线路的导体12或14之一或全部时电容增加到高于零偏压值。在由过压保护电路80所展现的相对恒定的电容的情况下，将遇到较少的数据传输误差。

[0037]根据本发明的重要特征，不再需要提供大于通信线路上通常出现的线路电压、甚至是振铃电压的偏压电压。利用阻塞二极管82a和82b，偏压电压可能大大小于通信线路上通常出现的电压，因此，防止电流流入偏压电压电源48，否则其将导致额外的电容强加到过压保护电路80上。利用实际上平坦的电容负载特性，过压保护电路80能够很容易的与很多不同类型和配置的通信线路相结合。的确，可以提供一个或多个普通的过压保护电路供很多种通信线路使用，而不需要考虑线路上正常传输的线路电压的幅度。当过压保护电路的电容负载特性通常独立于信号频率，数据速率或线路电压时，数据调制解调器和其他线路接口电路的设计更为容易并且被简化。从另一个角度来说，能够使用同样的偏压电压电源(幅度)，而不用考虑不同的通信线路应用中所承载的线路电压。

[0038]附图6用图表描述了与上面结合附图4描述的相类似的过压保护电路的普通电容特性，并且对过压保护装置44施加不同的偏压电压。图形线120表示当在装置44两端施加零偏压电压时的电路的电容特性。如图中水平轴所描述的，由于线路电压以对数形式增长，因此电容减小。这是因为过压保护装置44的双极结中的耗尽区变宽，所以增加了电容极板之间的有效间距，并且降低了电容。由于在过压保护装置44两端没有施加偏压电压，所以电容随线路电压而持续变化，其表示不希望有的变化的电特性。

[0039]附图6的图形中的线122表示在过压保护电路两端施加的偏压为3.3伏的情况下的过压保护电路的电容特性。这里，电路的电容特性基本上保持恒定在大约1伏，然后，增加至代表0伏偏压的值，并且此后，与线120的0伏偏压的电容特性保持一致。通过线122和该图形的其他线所表示的电容的向上突变或转向被认为是将二极管桥正向偏置了线路电压所产生的电容。线124表示具有5伏偏压电压的电路的th电容特性。线126表示作为12伏偏压电压的函数的电容。线128，130和132表示当偏压电压分别是24，30和50伏时的电容。可以看到的是，在更大幅度的偏压电压的情况下，te电容保持相对平坦，且在较大的线路电压范围内保持恒定。当在偏压电路中使用阻塞二极管时，不存在电容增长至高于完全不使用偏压电压时的电容的情况。

[0040]附图7是描述了与本发明一起使用的过压保护装置的作为温度的函数的电容特性的图形。实线140是使用来自Littlelfuse，Inc.的商标名称为Teccor的P3002SB Sidactor过压保护装置的电路的电容特性。线140是向Sidactor装置施加0偏压的电容特性。虚线142也描述了上述装置的作为温度的函数的电容特性，但所施加的是15伏偏压。可以看到的是，当向过压保护装置施加偏压电压时，减小了电容改变，并且电容改变相对独立于温度改变。实线144和虚线146表示使用Sidactor P3100SCMC过压保护装置的本发明的过压保护电路的电容特性。线144描述了向Sidactor装置施加0偏压时的作为温度的函数的电容特性。线146描述了向Sidactor装置施加15伏偏压时的作为温度的函数的电容特性。此外，当向过压保护装置施加偏压电压时，电容变化比温度变化小得多。可以发现本发明的这一特征在很多领域内具有优势，包括千兆比特以太网区域，在该区域中，可以发现偏压电压的使用显著减少了作为温度改变的函数的传输误差。

[0041]如上所述，本发明的过压保护装置不需要利用浮动偏压电压电源操作。更确切地说，如附图8所示，可以使用接地参考偏压电压电源。这里，偏压电压电源48的负端子接地。类似的，隔离电阻器66也接地，并与第二阻塞二极管82b串联。为了保留隔离的回路，需要第二隔离电阻器66。在所有其它方面中，附图6的过压保护电路提供与上述相同的优点。

[0042]附图9描述了使用四二极管桥的过压保护电路76。该过压保护电路76很好地适合用于使通信线路的电容负载最小。该保护电路76包括由四个二极管构建的桥，并且节点78和80分别连接至通信线路的尖塞导体12和环形导体14。二极管桥的节点82和84连接至相应的阻塞二极管82a和82b。隔离电阻器64和66与相应的阻塞电阻器二极管82a和82b串联连接，且耦合至用于在阈值装置86两端提供偏压电压的偏压电压电源48，所述阈值装置86诸如是TVS装置86，其可以是齐纳二极管或其他阈值装置的主机(host)。可以选择TVS装置86来提供适用于所包括的本申请的反向转折电压。偏压电压提供在以上结合附图4的实施例描述的相同的功能。此外，可以构造或选择用于低电容的桥的二极管52，54，56和58，即可以包括只能容纳所使用的过压保护装置的浪涌电流的100％-150％的结区。换句话说，通过控制其电流承载能力且不使二极管电流能力大于所需的来最小化桥二极管的电容。

[0043]当附图4中所示的过压保护电路80可以提供特定优点时，本发明的特征并不仅限于上述过压保护电路。附图10描述了利用本发明的另一个应用。这里，通过过压保护装置90，向尖塞导体12和环形导体14提供单向保护，因为一些通信线路电路仅需要这种类型的保护。偏压电压电源48的正端子通过隔离电阻器64连接至阻塞二极管82a的阳极。阻塞二极管82a的阴极连接至单向过压保护装置90的一个端子。以类似的方式，偏压电压电源48的负端子连接至与第二阻塞二极管82b的阴极相连接的隔离电阻器66。阻塞二极管82b的阳极连接至单向过压保护装置90的另一个端子。二极管94的阴极连接至阻塞二极管82a的阴极，二极管96的阳极连接至另一个阻塞二极管82b的阳极。二极管94的阳极连接至二极管92的阴极，并连接至环形导体12。二极管96的阴极连接至二极管92的阳极，并连接至环形导体14。

[0044]正如所理解的，以偏压电压48向单向过压保护装置90施加偏压，从而使其电容特性线性化。隔离电阻器64和66，以及阻塞二极管82a和82b，提供与上述功能相同的功能。二极管94和96防止偏压电压48将尖塞导体12和环形导体14偏置。在运行中，当向尖塞导体12施加正过压时，过压保护装置90击穿并传导所得到的电流。由过压所导致的电流通过二极管94，过压保护装置90，二极管96，流至尖塞导体14。如果尖塞导体12上为正过压，那么所得到的电流通过二极管92流至尖塞导体12。此外，偏压电压电源48的幅度可以比上述线路上通常出现的通信线路电压更小。

[0045]在阻塞二极管或二极管的实施方式中，本领域技术人员可以发现其有利于制造将阻塞二极管82a和82b一起结合在同一个芯片上的具有一个或多个桥二极管的半导体芯片。例如，附图4实施例的阻塞二极管82a能够被制造在同一个芯片中，其用于制造桥二极管52，56和60，并且所有四个二极管阴极共同连接。这样，阻塞二极管82a将连接在桥节点68和隔离电阻器64之间。以类似的方式，阻塞二极管82b可以被放置在负偏压电压电源电路中并被制造在与桥二极管54，58和62相同的芯片中，其中共同连接所有二极管阳极。这样，阻塞二极管将连接在桥二极管54，58和62的阳极和隔离电阻器66之间。优选构建桥二极管60和62以便具有大约为其他桥二极管的两倍的电流承载能力。这是因为二极管60或62的每一个可能需要承载由在尖塞导体以及环形导体12和14上同时出现的过压所导致的电流。

[0046]根据本发明的概念，过压保护电路的不同实施例提供了比本领域中已知的保护电路更加增强和出众的性能。根据本发明的在电路中施加偏压的一些原则将在下面进行陈述。偏压电压的正电压优选不小于0伏。偏压电压的负电压优选不大于0伏。最后，偏压电压应小于所使用的过压保护装置的转折电压或阈值电压。可以理解的是，这些仅仅是指导原则，因为可以存在采用本发明的原理和概念而不用遵守这些指导原则中的一些或全部的情形。可以理解的是，本发明的实施不再需要偏压电压大于通信线路电压。

[0047]附图11描述了封装在模块中的过压保护电路120的实施例。附图12示出了QFN封装100的引脚分配，并且还描述了过压保护电路120的部件所连接的导体路径和导体垫。该模块是QFN表面安装型封装100，其很好的适用于供电话线路接口单元以及其他通信线路使用。可以看到，在相应的通信线路导体12和14的两端桥接过压保护电路的尖塞端子和环形端子。接地导体连接至通信线路电路的地。所示出的通信线路包括一对熔断器101和103，以向相应的导体12和14以及与其相连的电路提供过电流保护。可以使用其他过电流保护电路和装置，包括正温度系数电阻器。在该实例中，通信线路连接至线路变压器105的初级。线路变压器105的次级连接至适于处理通信线路所传输的数字信号的芯片组(chipset)107。该芯片组可以是处理DSL信号的类型的DSL驱动器。当然，本发明的不同过压保护电路可以耦合至其他通信线路的主机，其具有适于传输多种其他数字信号协议和格式的芯片组。

[0048]附图11中描述的过压保护电路的实施例使用了外部浮动偏压电源48，该电源借助外部双隔离电阻器64和66耦合至封装100。偏压电压电源48的正端子连接至隔离电阻器64，且偏压电压电源48的负端子连接至隔离电阻器66。隔离电阻器64的另一端子连接至封装100的引脚7，且隔离电阻器66的另一端子连接至封装100的引脚2。封装端子1和8都连接至通信线路的尖塞导体12。封装端子4和5都连接至通信线路的环形导体14，且封装端子3和6都连接至电路地。

[0049]附图1的过压保护电路120包括六二极管桥46，两个阻塞二极管82a和82b，以及来自伊利诺斯州Des Plaines的Littelfuse Inc.的商标名称为Teccor的Sidactor过压保护装置44。可以选择Sidactor过压保护装置44以提供低至5-8伏的转折电压用于以太网应用，30伏用于干回路(dry loop)应用，并且250-350伏用于运行于POTS业务上的DSL(DSL-over-POTS)应用。根据本发明的一个实施例，限定过压保护电路的电路和装置包括一个芯片，该芯片是利用其中的四个二极管制造的，即二极管52，56，60和82a。制造第二芯片以将二极管54，58，62和82b并入其中。第三芯片包括过压保护装置44。该三个半导体芯片互连以形成附图9中的封装100的轮廓中所示出的电路。

[0050]制造具有多个金属导体路径和衬垫的封装100，所有都在附图10中示出。封装100被构建为具有环形导体路径102，大的接地导体路径104，尖塞导体路径106，第一隔离电阻器导体垫108和第二隔离电阻器导体垫110。QFN封装100优选是8引脚封装。如上所述，利用通信线路接口能够容易地实现过压保护电路120而不会中断或另外干扰任何导体路径。更确切地说，过压保护电路120在线路接口的现有尖塞导体，环形导体和接地导体电路的两端简单的进行桥接。以类似的方式，可以容易的将过压保护电路120并入通信线路接口电路的新设计。构建环形导体路径102和尖塞导体路径106作为重金属路径，以便能够插入与现有环形导体和尖塞导体串联的这种路径而不会影响上述导体的电流承载能力。

[0051]二极管桥46的节点22连接至限定封装100的引脚4和5的环形导体路径102。二极管桥46的节点20连接至限定封装100的引脚1和8的尖塞导体路径106。二极管桥46的节点24连接至限定封装100的引脚3和6的接地导体路径104。用户提供的隔离电阻器64的一个端子连接至限定封装100的引脚7的隔离电阻器导体垫108。另一个隔离电阻器66的一个端子连接至限定封装的引脚2的电阻器导体垫110。如上所述，隔离电阻器64和66优选具有大的值，以在过压保护装置44被驱动至导通时在偏压电压电源48和过压保护装置44之间提供电隔离。

[0052]偏压电压电源48可以是任何常规类型的，包括调节的或未调节的参考电源。根据所涉及的应用，可以使用不同电压的偏压电压电源。如上所述，当使用本发明的原理时，偏压电压电源48的电压不需要大于通信线路上通常存在的高电压。使用外部偏压电压电源46来向过压保护装置44施加偏压以获得能够很好的适用于高速数字通信线路的低电容电路10。偏压电压电源48的正端子连接至隔离电阻器64的端子。偏压电压电源48的负端子连接至第二隔离电阻器66。

[0053]所描述的一个实施例是结合将其集成为QFN封装进行描述的实施例。然而，能够实现很多其他类型的封装，包括具有安装在印刷电路板上的分立部件的电路。类似的，具有其他引脚配置的其他封装也是很容易得到的。类似的，本领域技术人员能够将所有固态部件集成在单个芯片中，包括过压保护装置。此外，整个过压保护电路，包括隔离电阻器，能够被合并为单个模块。甚至偏压电压电源部件也能够被并入与过压保护电路相同的模块中。

[0054]尽管结合Sidactor过压保护装置的使用描述了前述过压保护电路，但是也可以使用其他晶闸管装置，不管是选通的还是未选通的。此外，阈值装置，诸如齐纳二极管以及利用双极半导体技术构建的TVS装置，和其他双极阈值装置，都可以用于本发明，并实现减小的操作电容。这里所述的优选实施例使用了具有一对导体的通信线路。这并不是对本发明的实施的限制，因为所述概念和原理可以应用于具有单个导体的通信线路。

[0055]当参考特定过压保护电路而公开本发明的优选和其他实施例时，可以理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的基础上，可以在设计上进行选择。

Claims (21)

1、一种过压保护电路，包括：

二极管桥；

连接在所述二极管桥的相对节点之间的过压保护装置；

所述过压保护电路的端子适于连接至偏压电压以使所述过压保护装置的电容特性线性化；以及

在偏压电压端子和所述过压保护装置之间连接的至少一个阻塞二极管，用于防止电流沿反方向流过提供所述偏压电压的偏压电压电源。

2、权利要求1的过压保护电路，其中所述过压保护电路适于连接至通信线路，且其中连接所述阻塞二极管使得小于所述过压保护装置的转折电压并大于所述偏压电压的幅度的通信线路电压防止电流流入偏压电压电源。

3、权利要求1的过压保护电路，进一步包括连接在偏压电压端子和所述过压保护装置端子之间的隔离电阻器。

4、权利要求3的过压保护电路，其中偏压电压电源包括正端子，所述正端子通过所述隔离电阻器连接至所述过压保护装置，且所述偏压电压电源具有负端子，所述负端子通过第二隔离电阻器连接至所述过压保护装置的第二端子。

5、权利要求1的过压保护电路，其中所述二极管桥包括至少四个二极管，不包括所述阻塞二极管。

6、权利要求1的过压保护电路，其中所述二极管桥包括六个二极管，不包括所述阻塞二极管。

7、权利要求1的过压保护电路，其中所述过压保护装置连接在所述二极管桥的相对节点之间，且所述偏压电压耦合至所述相对节点之间。

8、权利要求7的过压保护电路，其中所述二极管桥的第二个节点适于连接至通信线路的尖塞导体，且所述二极管桥的第三个节点适于连接至所述通信线路的环形导体。

9、权利要求8的过压保护电路，其中所述二极管桥的第四个节点适于连接至电路地。

10、权利要求1的过压保护电路，其中所述过压保护电路适于连接至通信线路，且其中并未向通信线路施加所述偏压电压。

11、权利要求1的过压保护电路，进一步包括封装模块，所述过压保护电路的部件安装于其上，所述封装模块具有正偏压电压端子，其适于连接至偏压电压电源的正电压；负偏压电压端子，其适于连接至偏压电压电源的负电压；尖塞端子，其适于连接至通信线路的尖塞导体；环形端子，其适于连接至通信线路的环形导体；以及接地端子，其适于连接至参考电压。

12、权利要求1的过压保护电路，进一步包括两个阻塞二极管，第一阻塞二极管被安排用于防止电流流入偏压电压电源的正端子，以及第二阻塞二极管被安排用于防止电流从偏压电压电源的负端子流出。

13、一种过压保护电路，包括：

过压保护装置，其响应于过压以被驱动至低电压传导状态；

导体，用于将DC偏压电压耦合至所述过压保护装置以降低其电容；以及

在所述偏压电压导体中的至少一个阻塞二极管，所述阻塞二极管被正向偏置了所述DC偏压电压。

14、权利要求12的过压保护电路，进一步包括桥式整流器，所述过压保护装置与其相连接，以便在一个方向上通过所述过压保护装置传送由过压所导致的电流。

15、权利要求13的过压保护电路，进一步包括隔离电阻器，用于隔离偏压电压电源和所述过压保护装置。

16、一种过压保护电路，包括：

桥式整流器，具有至少四个二极管，所述桥的第一和第二二极管具有连接到第一节点的阴极，并且所述桥的第三和第四二极管具有连接到第二节点的阳极；

所述第一二极管的阳极和所述第三二极管的阴极连接至所述桥的第三节点，其中所述桥的所述第三节点适于连接至第一通信线路导体，并且所述第二二极管的阳极和所述第四二极管的阴极连接至所述桥的第四节点，其中所述桥的所述第四节点适于连接至第二通信线路导体；

过压保护装置，其连接在所述桥的所述第一和第二节点之间；

第一阻塞二极管，其与第一隔离电阻器串联连接以在其间形成结和第一及第二端子，所述串联连接的第一阻塞二极管和第一隔离电阻器的第一端子连接至所述二极管桥的第一节点，其中所述第一阻塞二极管被安排用于允许电流流入所述二极管桥的所述第一节点，并且所述串联连接的第一阻塞二极管和第一隔离电阻器的所述第二端子适于连接至偏压电压电源的第一端子；以及

第二阻塞二极管，其与第二隔离电阻器串联连接以在其间形成结和第三及第四端子，所述串联连接的第二阻塞二极管和第二隔离电阻器的第三端子连接至所述二极管桥的第二节点，其中所述第二阻塞二极管被安排用于允许电流从所述二极管桥的所述第二节点流出，并且所述串联连接的第二阻塞二极管和第二隔离电阻器的所述第四端子适于连接至偏压电压电源的第二端子。

17、权利要求16的过压保护电路，进一步包括：

所述桥的第五二极管，所述第五桥二极管的阴极连接至所述二极管桥的所述第一节点；

所述桥的第六二极管，所述第六桥二极管的阳极连接至所述二极管桥的第二节点；

所述第五桥二极管的阳极适于连接至参考电压，并且所述第六桥二极管的阴极适于连接至参考电压。

18、权利要求17的过压保护电路，其中所述参考电压包括接地电位。

19、一种保护通信线路免于受到过压的方法，包括如下步骤：

使用晶闸管来向通信线路提供过压保护；

以偏压电压偏置晶闸管以使晶闸管的电容线性化并减小随通信线路所传输的电压的改变的电容改变；以及

防止当通信线路上的电压超过偏压电源电压的幅度时电流沿反方向流过偏压电压的电源以进一步使晶闸管的电容负载线性化。

20、权利要求19的方法，进一步包括使用单向导通晶闸管和二极管桥，其中桥二极管连接至通信线路以响应于两极性的过压而允许所述晶闸管沿一个方向导通。

21、权利要求19的方法，进一步包括以偏压电压偏置所述晶闸管以使所述晶闸管的电容更独立于所述晶闸管所受到的电压和温度的变化。

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