CN101702509B - 阻断型浪涌保护器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的阻断型浪涌保护器件，所述的浪涌保护器件包括第一耗尽型场效应晶体管、第二耗尽型场效应晶体管以及第一电阻，所述的浪涌保护器件的第一耗尽型场效应晶体管的源极与第二耗尽型场效应晶体管的源极串联，其中，所述的第一耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输入端相连，栅极与模块输出端相连；第二耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输出端相连，栅极与第一电阻连接，第一电阻再与模块输入端相连。本发明可形成类似于可重置保险丝的可变电阻电路，实现如保险丝阻断浪涌一样的作用，且可无限次重复阻断复位，阻断型浪涌保护器件与负载串联，使能够特定地保护单个负载，并且能够应用于高带宽的系统，同时实现过电压和过电流保护。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及半导体浪涌保护器件的领域，为一种阻断型浪涌保护器件。
背景技术
电源浪涌或瞬态过压定义为电子线路中出现显著超出设计值的电压。它主要有雷击、电力线搭接、电力线感应、或者地弹。当浪涌足够高，瞬态过压可以对计算机、电话等电子设备造成严重的损害。它同样也会造成设备寿命减少。
瞬态电压浪涌抑制器限制了电力浪涌耦合到设备的能量，从而保护电子设备不被损害。这类的产品包括，浪涌保护晶闸管、氧化物压敏电阻和雪崩二极管。这两种类型的器件都是并联在被保护电路，瞬态电流会从它们提供的并联通路流出。这类并联保护存在较多问题，包括：(1)与具体的浪涌类型有关，需要选择繁多的型号匹配；(2)会限制系统带宽(容性负载限制它们只能用于低带宽的应用)；(3)需要多个元件构成的复杂设计，导致高的失效率；(4)经常需要较大的空间；(5)针对保护设计方案而言，单位成本高。
目前得益于不间断电源供应器(UPS)的引入，家用电脑、卫星接收和其他家庭应用设备的已经拥有更为安全的保护。但是，计算机和其他数据系统通过数据线与外部世界相连，这些数据线工作在非常低的电压信号而且非常敏感。不幸的是，由于并联保护存在的较多问题，目前的浪涌保护技术仍然不能给予这类系统足够的安全保证。结果是，众多公司在生产率降低和损害设备的修复上付出了昂贵的代价。
阻断型浪涌保护器件(Blocking Surge Protector)，以下简称BSP，是一项颠覆性技术，它提供了一种全新的浪涌保护方法。与传统的旁路瞬态保护器将能量从负载转移的工作原理不同，BSP与负载串联，从而使它能够特定地保护单个负载。当它达到他的触发阈值后，它会改变状态，然后使浪涌重定向经气体放电管等初级防护通路流过，从而“阻断”进入被保护设备的瞬态浪涌。
阻断型浪涌保护器件(BSP)的全新的浪涌保护原理解决了传统浪涌保护器件存在的问题：(1)能够适用多种浪涌类型，不存在繁杂的选型；(2)串联应用，不影响系统带宽，可应用于高速数据系统的保护；(3)应用设计简单，降低保护设计的失效率；(4)同时实现过流过压防护，替代多个器件的功能，相应减小了空间占用；(5)针对保护设计方案而言，单位成本降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为被保护系统提供一种阻断型浪涌保护器件(BSP)，该器件类似于可重置保险丝的可变电阻电路模块，不仅可以实现保险丝阻断浪涌的作用，而且还可以重复阻断复位。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种阻断型浪涌保护器件，包括第一耗尽型场效应晶体管、第二耗尽型场效应晶体管以及第一电阻，所述浪涌保护器件的第一耗尽型场效应晶体管的源极与第二耗尽型场效应晶体管的源极相连，构成串联结构，其中，所述的第一耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输入端相连，栅极与模块输出端相连；第二耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输出端相连，栅极与第一电阻连接，第一电阻再与模块输入端相连。
其原理为：在正常工作情况下两个耗尽型场效应晶体管均导通，整个电路模块表现为小电阻的“短路”状态，类似于熔丝正常工作下的特性；当输入端进入正向浪涌，两个场效应晶体管的漏源电阻增大，相互反馈形成夹断，最终输入端到输出端形成高阻状态，整个电路模块表现为高阻的“阻断”状态，类似于熔丝的熔断状态，从而“阻断”正向浪涌经过浪涌保护电路模块进入被保护系统。
在上述方案的基础上，作为本发明的一个改进，所述的浪涌保护器件还包括第二电阻，第二电阻的两端分别与第二耗尽型场效应晶体管的源极和漏极相连。第二电阻能够在所述两个耗尽型场效应晶体管都关断后，为它们的源极提供稳定的电位，避免该节点在阻断型浪涌保护器件(BSP)“阻断”状态下处于浮空，保证BSP的瞬态响应不受该节点存储电荷的影响。
在上述方案的基础上，作为本发明的又一个改进，所述的浪涌保护器件还包括反馈分压器，反馈分压器并联于第二耗尽型场效应晶体管的漏极和源极之间，反馈分压器中间节点与第一耗尽型场效应晶体管的栅极相连，第一耗尽型场效应晶体管的栅极经该反馈分压器与模块输出端相连。利用所述反馈分压器减小了阻断型浪涌保护器件在“短路”状态下的串联电阻，降低了正常工作情况下BSP对被保护系统的信号电压及功耗的影响。
在上述方案的基础上，所述反馈分压器由第三电阻和第四电阻构成，第三电阻和第四电阻在第二耗尽型场效应晶体管源极和漏极之间并联。
在上述方案的基础上，所述的第一、第二耗尽型场效应晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结型场效应晶体管(JFET)及静电感应场效应晶体管(SIT)中的一种。
具体的，所述的第一耗尽型场效应晶体管优选为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
进一步，所述的第一耗尽型场效应晶体管为高压金属氧化物半导体场效应晶体管(HV MOSFET)。
在上述方案的基础上，所述的第二耗尽型场效应晶体管为结型场效应晶体管(JFET)。
在上述方案的基础上，所述浪涌保护器件的第一耗尽型场效应晶体管的导电沟道类型与所述第二耗尽型场效应晶体管的导电沟道类型相反。
在上述方案基础上，提供针对第一、第二耗尽型场效应晶体管类型及其导电沟道类型的具体方案：
一、当浪涌保护器件用于阻断正向浪涌时，所述第一耗尽型场效应晶体管为耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)，进一步优选高压耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(HVNMOSFET)，所述第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道结型场效应晶体管(PJFET)；通过高压耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(HV NMOSFET)的漏极与浪涌保护器件(BSP)模块输入端相连，能够保证BSP“阻断”时可以承受几百伏的高压。考虑到耗尽型P沟道结型场效应晶体管(PJFET)相比其他耗尽型P沟道场效应晶体管具有更为优越的通态性能及更宽的夹断电压范围，因此选择耗尽型PJFET与耗尽型HV NMOSFET串联，保证了BSP在“短路”状态下更小的串联电阻和在发生“阻断”时与耗尽型HV NMOSFET相互反馈形成更快的关断。
二、当浪涌保护器件用于阻断反向浪涌时，所述第一耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型N沟道结型场效应晶体管。
本发明的有益效果是：
本发明是一种与大多数浪涌保护器件不同的半导体器件，无需电源供应，其行为与可重置的熔丝相似，因为他可以在纳秒级时间内触发并与脆弱的电子设备断开连接，直到瞬态浪涌过去后恢复常态，与传统的旁路瞬态保护器将能量从负载转移的工作原理不同，阻断型浪涌保护器件与负载串联，从而使它能够特定地保护单个负载；
由于本发明的浪涌保护器件可以串联在被保护线路上，因此能够用于高带宽的系统，而传统器件无论是压敏电阻、晶闸管还是雪崩二极管等并联保护器件都无法应用于这些系统；
本发明的应用方法简单，便于保护设计，同时实现过电压和过电流保护，需要更少的元件和更小的空间，能够替代多种类型的器件，相对单位成本更低。
附图说明
图1为本发明实施例1的电路结构原理图。
图2为本发明实施例2的电路结构原理图。
图3为本发明实施例3的电路结构原理图。
图4为本发明实施例4的电路结构原理图。
附图中标号说明
10、20、30、40-浪涌保护器件
Q1-第一耗尽型场效应晶体管
Q2-第二耗尽型场效应晶体管
R1-第一电阻 R2-第二电阻
R3-第三电阻 R4-第四电阻 R-反馈分压器
S-源极 D-漏极 G-栅极
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述。
实施例1
请参阅图1为本发明实施例1的电路结构原理图所示，一种阻断型浪涌保护器件，所述的浪涌保护器件10(BSP)由第一耗尽型场效应晶体管Q1(耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOSFET)、第二耗尽型场效应晶体管Q2(耗尽型P沟道结型场效应晶体管PJFET)以及第一电阻R1(恒流源电阻)构成可变电阻电路模块。
所述浪涌保护器件10(BSP)内部各器件的连接关系描述如下：所述的阻断型浪涌保护器件10的第一耗尽型场效应晶体管Q1的源极S与第二耗尽型场效应晶体管Q2的源极S相连，构成串联结构的导通路径，其中，所述的第一耗尽型场效应晶体管Q1(NMOSFET)的漏极D与模块输入端相连，栅极G与模块输出端相连；第二耗尽型场效应晶体管Q2(PJFET)的漏极D与模块输出端相连，栅极G与第一电阻R1连接，第一电阻R1再与模块输入端相连。由于第二耗尽型场效应晶体管Q2的漏极D与模块输出端相连，第一耗尽型场效应晶体管Q1的栅极G也与第二耗尽型场效应晶体管Q2的漏极D相连。
浪涌保护器件10(BSP)内部的工作原理描述如下：当被保护线路正常工作时，模块输入端与输出端压降较小，因为串联的第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2都是耗尽型，所以模块输入端到输出端为小电阻特性，此时作为整个模块的浪涌保护器件10(BSP)表现为正常的“短路”状态。
当被保护线路发生由雷击或电源搭接引起的正向浪涌，模块输入端与输出端承受的电压迅速增大，流经浪涌保护器件10的电流也迅速增大，从而引起第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏源压降和第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏压降迅速增加。由于第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏压降反馈成为第一耗尽型场效应晶体管Q1的负栅源偏压，随着第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏压降增加，第一耗尽型场效应晶体管Q1的栅源偏压负向增加，导致第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏源电阻越大，进一步引起第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏源压降增大。由于第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏极D电位通过第一电阻R1构成的恒定电流源的耦合，与第二耗尽型场效应晶体管Q2的栅极G电位相同，因此第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏源压降反馈成为第二耗尽型场效应晶体管Q2的正栅源偏压。随着第一耗尽型场效应晶体管Q1的漏源压降增加，第二耗尽型场效应晶体管Q2的栅源偏压正向增加，导致第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏电阻越大。而第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏电阻增大引起的源漏压降又形成反馈，进一步引起第一耗尽型场效应晶体管Q1的栅源偏压负向增大。
如上所述，当正向浪涌电流进入输入端时，浪涌保护器件10内部两个串联的第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2之间形成相互关断的循环反馈，直到流经第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2的电流达到使其完全关断的阈值，第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2会迅速进入截止状态，模块输入端到输出端形成高阻，此时作为整个模块的浪涌保护器件10表现为“阻断”状态。
实施例2
请参阅图2为本发明实施例2的电路结构原理图所示，为针对实施例1的浪涌保护器件的改进结构，浪涌保护器件20增加了第二电阻R2(偏置电阻)，第二电阻R2的两端分别与第二耗尽型场效应晶体管的源极S和漏极D相连，由于第二耗尽型场效应晶体管Q2的漏极D与模块输出端相连，第二电阻R2也与模块输出端相连。
第二电阻R2在第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2关断后，为第一、第二耗尽型场效应晶体管Q1和Q2的源极S提供稳定的电位，避免该节点在浪涌保护器件20的“阻断”状态下处于浮空，保证浪涌保护器件20在瞬态响应时不受该节点存储电荷的影响，保证了浪涌保护器件20在稳定阻断瞬态浪涌。
实施例3
请参阅图3为本发明实施例3的电路结构原理图所示，为针对实施例1的浪涌保护器件的一个改进，浪涌保护器件30增加了反馈分压器R，并联在第二耗尽型场效应晶体管Q2的源极S和漏极D之间，其中，反馈分压器R由第三电阻R3和第四电阻R4并联构成，使第三电阻R3和第四电阻R4在第二耗尽型场效应晶体管Q2源极S和漏极D之间并联，第三电阻R3与第四电阻R4之间的反馈分压器R中间节点与第一耗尽型场效应晶体管Q1的栅极G相连，第一耗尽型场效应晶体管Q1的栅极G经反馈分压器R的第四电阻R4与模块输出端相连。
通过第三电阻R3和第四电阻R4构成的反馈分压器R，第二耗尽型场效应晶体管Q2的源漏压降反馈到第一耗尽型场效应晶体管Q1的负栅源偏压VGS减至R3/(R3+R4)*VGS，同样情况下比实施例2的浪涌保护器件20的第一耗尽型场效应晶体管Q1的负栅源电压绝对值小，从而保证了第一耗尽型场效应晶体管Q1在同等电流下工作时具有较小的漏源电阻，减小了浪涌保护器件30在“短路”状态下的串联电阻，降低了对被保护系统的信号电压及功耗的影响。
实施例4
请参阅图4为本发明实施例4的电路结构原理图所示，为针对实施例3的浪涌保护器件的一个改进，用于阻断正向浪涌，浪涌保护器件40的第一耗尽型场效应晶体管Q1为高压耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(HV NMOSFET)，第二耗尽型场效应晶体管Q2为耗尽型P沟道结型场效应晶体管(PJFET)。在Q1漏源极内部存在一个高压的反向二极管，保证了HV NMOSFET能够承受几百伏的高压。目前耗尽型的HV NMOSFET可以利用横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOSFET)和纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOSFET)实现。通过耗尽型HV NMOSFET的漏端与BSP模块输入端相连，能够保证BSP“阻断”时可以承受几百伏的高压。考虑到耗尽型P沟道结型场效应晶体管PJFET相比其他耗尽型P沟道场效应晶体管具有更为优越的通态性能及更宽的夹断电压范围，因此选择耗尽型PJFET与耗尽型HV NMOSFET串联，保证了浪涌保护器件40在“短路”状态下更小的串联电阻和在发生“阻断”时与耗尽型HV NMOSFET相更快地形成的相互反馈关断。
Claims (8)
1.一种阻断型浪涌保护器件，其特征在于：包括第一耗尽型场效应晶体管、第二耗尽型场效应晶体管以及第一电阻，所述浪涌保护器件的第一耗尽型场效应晶体管的源极与第二耗尽型场效应晶体管的源极相连，构成串联结构，其中，所述的第一耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输入端相连，栅极与模块输出端相连；第二耗尽型场效应晶体管的漏极与模块输出端相连，栅极与第一电阻连接，第一电阻再与模块输入端相连；
所述的浪涌保护器件还包括反馈分压器，反馈分压器并联于第二耗尽型场效应晶体管的漏极和源极之间，反馈分压器中间节点与第一耗尽型场效应晶体管的栅极相连，第一耗尽型场效应晶体管的栅极经该反馈分压器与模块输出端相连。
2.根据权利要求1所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述反馈分压器由第三电阻和第四电阻构成，第三电阻和第四电阻在第二耗尽型场效应晶体管源极和漏极之间并联。
3.根据权利要求1或2所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述的第一、第二耗尽型场效应晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管及静电感应场效应晶体管中的一种。
4.根据权利要求3所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述的第一耗尽型场效应晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
5.根据权利要求4所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述的第一耗尽型场效应晶体管为高压金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述浪涌保护器件的第一耗尽型场效应晶体管的导电沟道类型与所述第二耗尽型场效应晶体管的导电沟道类型相反。
7.根据权利要求6所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：当浪涌保护器件用于阻断正向浪涌时，所述第一耗尽型场效应晶体管为耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道结型场效应晶体管；当浪涌保护器件用于阻断反向浪涌时，所述第一耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型N沟道结型场效应晶体管。
8.根据权利要求7所述的阻断型浪涌保护器件，其特征在于：所述的第一耗尽型场效应晶体管为高压耗尽型N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，第二耗尽型场效应晶体管为耗尽型P沟道结型场效应晶体管，在第一耗尽型场效应晶体管的漏源极内部设置一个高压的反向二极管。
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