CN101728826B - 一种采用结型场效应晶体管的输入浪涌保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种采用简单JFET结构的输入浪涌抑制装置及其方法。所述JFET的栅极被钳位至一预设值，其漏极从一输入电源接收一输入电压，其源极连接至一下游装置的输入端且一电阻连接于所述漏极与所述栅极之间或连接于所述源极与所述栅极之间。因此，当漏极电压约等于钳位栅极电压时，源极电压约等于漏极电压。当漏极电压增大，大于钳位栅极电压时，源极电压小于漏极电压。所述下游装置可以是一DC-DC转换器且所述栅极由该DC-DC转换器的使能引脚EN加偏置。

Description

一种采用结型场效应晶体管的输入浪涌保护装置
技术领域
本发明涉及一种保护装置，尤其涉及一种用于电源转换器的输入浪涌抑制场效应晶体管。
背景技术
由于如点火、高压干扰、电源不稳、甩负荷等原因，在电源适配器或电源转换器的输入端将出现过电压，使得电源适配器或电源转换器受损。对于车载点烟器适配器(automotivecigarette lighting adapters，CLA)或由电子装置供电的其它汽车电池，当电池断开时adapters，CLA)或由电子装置供电的其它汽车电池，当电池断开时，它们将遇到甩负荷这一种严重的瞬态。如图1所示，在一个电压为12V的系统中，产生的甩负荷的持续时间可从几毫秒到几百毫秒，并且其电压尖峰可从25V到90V。这样的甩负荷将使适配器或转换器损坏。因此，供给给适配器或转换器的输入电压应当加以限制以保护适配器或转换器不受过压损坏。
通常有两种方法来获得输入浪涌保护。如图2所示，第一种方法采用输入浪涌保护电路10，其采用一高压MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)Q并使该高压MOSFET Q工作为源极跟随器。高压MOSFET Q的栅极被一齐纳二极管Z钳位至设定的钳位电压，以使得其源极电压跟随其栅极电压。该方法需要外部器件，而这些外部器件难于集成在一单独的封装上。如图3所示，第二种方法在输入轨上加入一价格昂贵的瞬态电压抑制装置(transientvoltage suppressive device，TVS)，以吸收所有的瞬态过电压。然而，前述两种方法的成本都较高。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种成本低廉、易于集成、并能有效抑制输入浪涌的装置。该输入浪涌保护装置包括一简单的保护结型场效应晶体管(JFET)。所述JFET作为输入浪涌保护装置，利用了其自身特性，具有如下结构：所诉JFET的栅极被钳位至预设值，所述JFET的漏极接收输入电压，所述JFET的源极被耦接至下游装置的输入端，其中所述下游装置为一CLA或其它转换器，并且一电阻连接于所述漏极与所述栅极之间或所述源极与所述栅极之间。因此，当漏极电压约等于钳位栅极电压时，源极电压约等于漏极电压。当漏极电压上升至大于钳位栅极电压时，源极电压小于漏极电压。漏极电压越大，漏极电压与源极电压之差越大。因此，当漏极接收一高输入电压时，向下游装置供电的源极电压仍保持较低。在一实施例中，所述下游装置为一直流直流转换器(本说明书及其附图中，部分地方为简便表述，将直流直流转换器简称为DC-DC转换器)，而且所述栅极由所述DC-DC转换器的使能引脚加偏压。与现有技术相比，所述的采用一JFET的输入浪涌保护装置具有更简单的结构，更小的尺寸，而且其成本也降低了。
本发明的另一目的在于提供一种结型场效应晶体管(JFET)。该结型场效应晶体管包括N+层，其位于第一表面上，作为所述结型场效应晶体管的漏极；N-外延层，其位于所述第一表面的相反表面上且与所述N+层相接触；至少两个P掺杂区，所述P掺杂区彼此隔离并形成栅极，所述P掺杂区从所述相反表面注入所述N-外延层内；至少一个N+接触区，所述N+接触区位于所述N-外延层内且从所述相反表面形成源极，所述N+接触区位于所述至少两个P掺杂区之间且与所述至少两个P掺杂区隔离。该JFET结构采用平面工艺制作，提高了其载流能力且易于集成。
本发明的另一目的在于提供一种结型场效应晶体管(JFET)。该结型场效应晶体管包括N+层，所述N+层用作所述结型场效应晶体管的漏极；N-层，位于所述N+层上；至少两个P型区，所述至少两个P型区形成于所述N-层内且与所述N+层隔离，所述至少两个P型区形成所述结型场效应晶体管的栅极；N+区，所述N+区形成于所述两个P型区之间且形成所述结型场效应晶体管的源极。
附图说明
图1为由甩负荷产生的输入浪涌的系统示意图。
图2为采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为源极跟随器而形成输入浪涌保护电路的DC-DC转换系统。
图3为采用瞬态电压抑制装置(TVS)而形成输入浪涌保护电路的DC-DC转换系统。
图4为根据本发明第一实施例的具有输入浪涌保护电路的DC-DC转换系统100。
图5为JFET常见的漏源特性曲线。
图6为图4所示DC-DC转换系统100中JFET的输入输出电压特性曲线。
图7为根据本发明第二实施例的JFET结构的剖面图200。
图8为图4所示DC-DC转换系统100中采用的如图7所示的JFET的VGS-RDS测试特性曲线。
图9为图4所示DC-DC转换系统100中采用的如图7所示的JFET的VSG-VDS测试特性曲线。
图10为根据本发明第三实施例将JFET的栅极耦接至DC-DC转换器使能引脚的DC-DC转换系统300。
图11为根据本发明第四实施例具有输入浪涌保护装置的DC-DC转换系统400。
图12为图7所示JFET结构的信号测试波形示意图。
图13为图7所示JFET结构的另一信号测试波形示意图。
具体实施方式
首先，应当注意的是，为简化描述，本发明的实施例中仅采用DC-DC转换器作为下游装置。然而，本领域技术人员应当认识到，所述输入浪涌保护电路可以用于其它类型的下游装置。
图4为根据本发明第一实施例的具有输入浪涌保护电路101的DC-DC转换系统100。如图4所示，输入浪涌保护电路101采用JFET来保护DC-DC转换器的输入引脚IN免受高输入浪涌损坏。输入浪涌保护电路101的结构如下所述：所述JFET的漏极D耦接至DC-DC转换系统100的输入端接收输入电压Vin，所述JFET的源极S作为输入浪涌保护电路101的输出端耦接至DC-DC转换器的输入引脚IN，其输出电压Vout通过输入引脚IN被引入DC-DC转换器，且所述JFET的栅极G由齐纳二极管Z钳位至设定的钳位电压。电阻R耦接在所述JFET的源极S和栅极G之间，以产生流过JFET的源极S和地之间的电流来向齐纳二极管Z供电。
图5为JFET常见的漏源特性曲线。如图5所示，在线性区，流过JFET的电流ID的斜率由其栅源电压VGS决定。从而，在线性区，对于某一特定的VGS，对应于各个ID值的RDS都近似保持为一常数，其中，RDS为JFET导通时的漏源电阻。图4所示DC-DC转换系统100的测试结果表明JFET根据图5所示虚线50进行工作。如图5所示，JFET的漏源电压VDS随着其源栅电压VSG的增大而增大。同时，随着JFET源栅电压VSG的增大，其漏源电流ID减小且导通时的漏源电阻RDS急剧增大。JFET的源栅电压VSG增大表明其源极电压VS在增大，进而表明其漏极电压VD在增大。也就是说，JFET的漏极电压VD越高，其漏源电压VDS越高。
图6为图4所示DC-DC转换系统100中JFET的输入输出电压特性曲线。如前所述，JFET的漏极D耦接至DC-DC转换系统100的输入端，接收输入电压Vin，则Vin即JFET的漏极电压VD；JFET的源极S为输入浪涌保护电路101的输出端，则其输出电压Vout即JFET的源极电压VS。当Vin小于一拐点电压时，JFET的栅源电压VGS等于零，且如图6所示，JFET的源极电压VS随漏极电压VD的变化而变化。其中，所述拐点电压通常为JFET栅极电压VG的钳位电压。然后，如图6所示，在VD的拐点电压处，出现一转折。在图中拐点的右边区域内，Vin大于钳位电压，即VD超过了钳位电压，这使得VGS变为一负值且RDS急剧增大。如图6所示输入输出电压曲线所示，VS相对于VD来说变化缓慢。Vin越高，漏极和源极之间的电压差越高。也就是说，当VD较小时，VS约等于VD。当VD增大以致大于拐点电压时，VS仍保持较低。这一特性被用来抑制输入浪涌而VS用于向下游装置供电。
根据图5和图6中描绘的JFET特性，如图4所示，当输入电压Vin亦即JFET的漏极电压VD较小，低于拐点电压时，例如30V，输入浪涌保护电路101的输出电压Vout亦即JFET的源极电压VS约等于输入电压Vin。此时，导通时的漏源电阻RDS较小，导通损耗较低。当输入电压Vin出现一输入浪涌使得漏极电压VD高于拐点电压时，源极电压VS不会跟随漏极电压VD变化，而是比漏极电压VD变化缓慢得多，这使得DC-DC转换器免受输入浪涌损坏。漏极电压VD越高，漏源电压VDS越高。
图7为根据本发明第二实施例的JFET结构的剖面图200。它包括作为漏极D的N+层，其位于第一表面70上；N-外延层；P掺杂区，所述P掺杂区从漏极的相反表面72注入N-外延层内作为栅极G。在一实施例中，所述N+层形成于衬底上，如半导体晶圆、导体或者绝缘体上。在两个P掺杂区之间，制作N+区作为源极S的接触区。每两个P掺杂区之间仅有一个N+接触区，且N+接触区与两个P掺杂区分别隔离。可进一步将金属接触制作在P掺杂区以及N+源极接触区，其中所述P掺杂区电连接在一起作为栅极G，N+接触区电连接在一起作为源极S。对于JFET装置来说，可以增大P掺杂区的数量以提高其载流能力。JFET装置的侧表面73也可与第一表面70连接在一起作为漏极D。在一实施例中，第一表面70(漏极)通过导电材料，如银环氧树脂，贴附于裸焊盘上。源极和漏极间电阻RDS由VGS决定。因为负的VGS越小，使得P掺杂区周围的耗尽区71越宽而电流通道越窄，从而使得RDS的值更大。
当JFET如图4耦接时，其中栅极G被钳位至预设值，漏极D电耦接至DC-DC转换系统100的输入端且源极S电耦接至DC-DC转换器的输入端IN，如果漏极D处的漏极电压VD增大，假设导通时的漏源电阻RDS和源极电压VS起初保持不变，由于电流由公式I＝P/VS决定，其中P为下游DC-DC转换器的功率，漏源电压VDS将保持为一常数而源极电压VS必然将随漏极电压VD的增大而增大。因此，负的栅源电压VGS值将变小，耗尽区71变宽且导通时的漏源电阻RDS增大。
图8和图9为利用图4所示具有输入浪涌保护电路的DC-DC转换系统测试得到的图7中所述JFET的测试特性曲线。如图8所示，导通时的漏源电阻RDS随着-VGS的增大而呈指数关系增大。RDS按指数关系增大导致漏源电压VDS也增大。也就是说，当漏极电压VD遇到高电压输入脉冲时，源极电压VS具有一比VD小得多的值，从而抑制了所述高电压。利用图7所示结构，对不同电流值时的VSG-VDS特性进行了测试。VSG-VDS特性曲线如图9所示。VDS随着源栅电压VSG的增大而增大。因此，当VS增大时，VS与VD之间的电压差变大。也就是说，VS增加的量比VD小得多。这一特性可用于抑制VS免受高漏极电压VD影响。
图10为根据本发明第三实施例带输入浪涌保护装置的DC-DC转换系统300，其采用一利用DC-DC转换器的使能引脚EN来获得栅极钳位的JFET。如图所示，JFET的栅极G耦接至DC-DC转换器的使能引脚EN，其漏极D耦接至DC-DC转换系统300的输入端而源极S耦接至DC-DC转换器的输入引脚IN。EN可由漏极开路或其它方法外部控制。当DC-DC转换器不使能(或称之为断开)时，EN为一低电压，该低电压使得JFET的源栅电压VSG很高，从而根据图5可知，导通时的漏源电阻RDS很高。因此，在断开状态，JFET的功率耗散最小。当DC-DC转换器使能(或称之为闭合)时，EN引脚为一高电压，该高电压约等于正常的或优选的输入电压Vin或者与正常的或优选的Vin相差很小。此时，JFET为一输入浪涌保护装置。在使能状态，JFET的栅极G被偏置以使得对于正常的Vin，JFET以低导通电阻传输功率，而对于非正常的高Vin值，JFET具有高电阻。
图11为根据本发明第四实施例具有输入浪涌保护装置的DC-DC转换系统400。如图11所示，电阻R也可以耦接于DC-DC转换系统400的输入端和使能引脚EN之间，这种耦接方式可通过R将能量在输入端与EN之间传输以获得EN的电压钳位。DC-DC转换系统400的输入浪涌保护原理与图10所示DC-DC转换系统300相同，为叙述简明，这里不再详述。
图12为根据本发明图4所示实施例以及图7所示JFET结构的实施例得到的信号仿真波形示意图。其中JFET的栅极电压VG被钳位至8V。波形依次为漏极电压VD、源极电压VS、源栅电压VSG以及流过JFET的电流ID。如图12所示，VD从10V上升至48.8V。当VD接近10V时，VGS＝-2.3V，此时ID具有最大值，为1.35A，而此时VD和VS之间的电压差也很小。此时，JFET可以被当作良导体。当VD增大，VSG随之增加，且VS与VD之间的电压差也增加。与此同时，ID急剧降低。如图12所示，当VD上升至48.8V时，VS具有最大值，为17V。也就是说，当VD遇到高输入浪涌时，JFET将VS抑制至较低的电压。因此，转换器的输入引脚IN得以保护，不会受到输入浪涌损坏。
图13为根据图4所示实施例的另一波形仿真示意图，其中漏极电压VD从20V变化至48.8V，栅极G被钳位在8V。当VD接近20V时，VD与源极电压VS之间的电压差较小，约为3V。与此同时，流过JFET的电流ID大约为384mA。当VD继续增加时，VS增加得很缓慢，VD与VS之间的电压差变得更大。与此同时，ID下降至较小值。
上述实施例表明，当栅极被钳位至一约等于转换器的优选输入电压的合适值时，即使当漏极电压很高时，JFET也能够将源极电压抑制在低小值。这一功能被用于获得转换器或其它下游装置的输入浪涌保护。
要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (16)

1. 一种输入浪涌保护装置，其特征在于，包括保护用结型场效应晶体管，所述结型场效应晶体管的漏极接收输入电压，源极耦接至下游装置的输入端，且其栅极被钳位于预设值，当输入电压小于一拐点电压时，结型场效应晶体管的栅源电压等于零；当输入电压大于拐点电压时，栅源电压的绝对值随输入电压的增大而增大。
2. 如权利要求1 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于，所述预设值被齐纳二极管钳位。
3. 如权利要求1 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于，所述下游装置为直流直流转换器。
4. 如权利要求2 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于，还包括电阻，所述电阻耦接于所述源极和所述栅极之间。
5. 如权利要求2 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于，还包括电阻，所述电阻耦接于所述漏极和所述栅极之间。
6. 如权利要求3 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于，所述预设值由所述直流直流转换器的使能引脚设置。
7. 如权利要求1 所述的输入浪涌保护装置，其特征在于所述预设值被设置为等于所述下游装置的优选输入电压。
8. 一种结型场效应晶体管，包括： 
N+层，其位于第一表面上，作为所述结型场效应晶体管的漏极；
N-外延层，其位于所述第一表面的相反表面上且与所述N+层相接触；
至少两个P 掺杂区，所述P 掺杂区彼此隔离并形成栅极，所述P 掺杂区从所述相反表面注入所述N-外延层内；
至少一个N+接触区，所述N+接触区位于所述N-外延层内且从所述相反表面形成源极，所述N+接触区位于所述至少两个P 掺杂区之间且与所述至少两个P 掺杂区隔离；
其中，所述漏极连接输入电压，所述栅极被钳位至预设值且所述源极连接至下游装置，当输入电压小于一拐点电压时，结型场效应晶体管的栅源电压等于零；当输入电压大于拐点电压时，栅源电压的绝对值随输入电压的增大而增大。
9. 如权利要求8 所述的结型场效应晶体管，其特征在于所述结型场效应晶体管的侧表面与所述第一表面电连接在一起作为所述漏极。
10. 如权利要求8 所述的结型场效应晶体管，其特征在于所述下游装置为直流直流转换器。
11. 如权利要求10 所述的结型场效应晶体管，其特征在于所述预设值通过将所述栅极连接至所述直流-直流转换器的使能引脚设置。
12. 如权利要求8 所述的结型场效应晶体管，其特征在于所述第一表面通过导电材料连接至裸焊盘。
13. 如权利要求12 所述的结型场效应晶体管，其特征在于所述导电材料为银环氧树脂。
14. 如权利要求8 所述的结型场效应晶体管，还包括用于所述P 掺杂区的金属接触和所述N+接触区的金属接触，其中所述P 掺杂区通过与之接触的金属接触彼此电连接在一起作为所述栅极，所述N+接触区通过与之接触的另一金属接触彼此电连接在一起作为所述源极。
15. 一种结型场效应晶体管，包括：
N+层，所述N+层用作所述结型场效应晶体管的漏极；
N-层，位于所述N+层上；
至少两个P 型区，所述至少两个P 型区形成于所述N-层内且与所述N+层隔离，所述至少两个P 型区形成所述结型场效应晶体管的栅极；
N+区，所述N+区形成于所述两个P 型区之间且形成所述结型场效应晶体管的源极；
其中，所述漏极连接输入电压，所述栅极被钳位至预设值且所述源极连接至下游装置，当输入电压小于一拐点电压时，结型场效应晶体管的栅源电压等于零；当输入电压大于拐点电压时，栅源电压的绝对值随输入电压的增大而增大。
16. 如权利要求15 所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述N+层形成于衬底上。
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