CN101931220B - 在主电流路径中具有增强模式器件的瞬变阻挡单元 - Google Patents
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Abstract
瞬变阻挡单元(TBU)是一种具有串联晶体管的电路，这些晶体管在常态下传导电流，但是响应于过电流条件会自动地切换到高阻抗电流阻挡状态。此处，增强模式器件被用于主TBU电流路径中，与在该环境中使用耗尽模式器件的常规做法相反。这一方案提供了两个主要的优点。第一个优点是TBU参数对于受控性较差的耗尽模式器件参数的依赖性可以减小或被消除。第二个优点是这种TBU除了可以提供过电流保护以外，还可以提供过电压保护。
Description
有关申请的交叉参照
本申请是2009年6月23日提交的题为“Voltage Triggered TransientBlocking Unit”的申请12/456,882的部分接续，该申请通过参引整体纳入于此。申请12/456,882要求2008年6月26日提交的题为“Voltage Triggered TransientBlocking Unit”的美国临时专利申请61/133,400的权益，并且该临时专利申请也通过参引整体纳入于此。
技术领域
本发明涉及保护电负载使其免受电瞬变的影响。
背景技术
瞬变阻挡单元(TBU)是彼此串联的两个或更多个晶体管的装置，使得当穿过这些晶体管的TBU电流超过预定的阈值时这些晶体管就自动地切换成截止。随着TBU电流增大，TBU晶体管两端作为栅极电压被提供给TBU晶体管的电压降趋于使这些晶体管截止。当TBU电流在阈值以下时，这种截止效应是可忽略的，并且TBU阻抗是很低的。当TBU电流升到阈值以上时，这种截止效应强到足以引起正反馈，这导致TBU迅速且自动地切换到高阻抗截止状态。该情形中的正反馈起因于TBU晶体管上增大的栅极电压会增大该TBU晶体管两端的电压降这一趋势，并且这种增大的电压降作为栅极电压被提供给另一个TBU晶体管。TBU电路如此连接以使得从这些增大的晶体管和栅极电压能够得到正反馈。
图1示出了常规TBU的简单示例。在本示例中，两个耗尽模式(即，常态下导通的)晶体管Q1和Q3串联连接，以使得相同的电流ITBU流过Q1和Q3。随着ITBU增大，Q1的VDS和Q3的VSD都增大。晶体管类型被选择成使得随着Q1的VDS增大，施加到Q3的栅极上的电压起到关断Q3的作用。相似的是，随着Q3的VSD增大，施加到Q1的栅极上的电压起到关断Q 1的作用。这种装置中所固有的正反馈导致了一旦ITBU超过预定的阈值，TBU就从常态的低阻抗状态快速跃变到高阻抗电流阻挡状态。在操作过程中，TBU可以响应于来自电瞬变的过电流条件而切换到其高阻抗状态，由此保护了连接到该TBU的电器件或电路。
图1的TBU示例是单极(或单向)TBU，因为它仅仅在阻挡具有预定极性的浪涌(即，要么正的浪涌要么负的浪涌)上是有效的。图2示出了常规的双极TBU。图2的电路可以被理解成提供两个串联的极性相反的单极TBU。第一单极TBU是由耗尽模式晶体管Q1和Q3形成的，第二单极TBU是由耗尽模式晶体管Q2和Q3形成的。图2也示出了TBU的典型应用，其中它被串联地放置在电器件202和负载204之间，以便保护器件202免受来自负载204的瞬变的影响。也保护了器件202不受可能形成于TBU和负载204之间(例如，在传输线路上)的瞬变的影响。如果来自负载的瞬变导致TBU电流超过TBU阈值，则TBU将切换到其截止状态，由此保护了该器件不受该瞬变的影响。TBU的一些早期的示例包括US 3,916,220、US 4,533,970和US 5,742,463。
发明内容
如上所述，常规的TBU依赖于在主电流路径中使用耗尽模式器件(即常态下导通的晶体管)来提供过电流保护。然而，耗尽模式MOSFET制造起来往往比增强模式(即，常态下截止的)MOSFET困难。与增强模式MOSFET相比，这种困难导致耗尽模式MOSFET的成本更高和/或参数变化性更大。特别是，TBU阈值电流取决于主路径晶体管的阈值电压。受控性较差的耗尽模式MOSFET阈值可能会直接导致受控性较差的TBU电流阈值，这对TBU产量有很不利的影响。
与常规TBU相关的另一个问题是，常规TBU将仅仅在穿过TBU的电流超过TBU阈值时才切换成截止。在某些情况下，这一行为可能导致器件保护受到削弱。更具体地讲，受TBU保护的器件可能并不总是能够发源(source)或吸陷(sink)该TBU阈值电流(例如，如果受保护的器件是处在待机或睡眠模式中)。在这种情况下，TBU的接口一侧的瞬变可能到达受保护的器件并且有可能破坏它。
在本申请中，通过将一个或更多个增强模式晶体管并入到主TBU电流路径中，就能够同时解决上述这些问题。图3示出了这一概念的示例性示意图。此处，晶体管M1和M2是增强模式MOSFET，M3是耗尽模式结型场效应晶体管(JFET)。主TBU电流路径穿过晶体管M1和M3。M2的栅极连接到M1和M3之间的节点，M1的栅极连接到M2。在合适的偏置下(例如，如图所示)，在常态操作(即TBU电流低于阈值)期间M1处存在足以使M1导通的栅极电压，并且M2是处于截止状态中。当TBU电流超过阈值时，因M3中的电流所导致的电压降而使M2处的栅极电压增大，由此趋于使M2导通。当M2导通时，M1的栅极电压减小到M1的导通阈值以下，从而使其截止。作为这一变化的结果，M1两端所形成的增大的电压使M3截止。随着M3的阻抗增大，M2被完全导通，并且M1处的栅极电压进一步减小。当TBU电流超过阈值时，所得的正反馈导致该电路快速且自动地切换到高阻抗电流阻挡状态。此类电路所提供的电压触发能力与在下文中描述的多个示例相结合进行解释。
为了更好地理解本发明的方案，将其与其它将增强模式晶体管与TBU结合起来使用的方案进行比较是有帮助的。在US 7,342,433中，通过添加增强模式器件以控制主TBU晶体管的栅极电压，来修改在主电流路径中具有耗尽模式晶体管的TBU。更具体地讲，主耗尽模式TBU晶体管的栅极电压可以被增强模式器件控制，以减小TBU的导通阻抗。
在US 2009/0231773中，辅助增强模式晶体管被添加到基本的TBU配置中，以便减小TBU阈值电流对耗尽模式TBU晶体管的受控性较差的参数的依赖性。在2009年1月27日提交的美国公开申请2009/0231773中，可以找到关于增强模式辅助式TBU的更多细节，该申请整体通过参引整体纳入于此。
在这些情形中，主TBU晶体管(即TBU电流流过的晶体管)全是耗尽模式器件，如图1和2的示例中那样。将耗尽模式晶体管用作TBU中的主晶体管可减少部件数目(例如，通过比较图1和3可以看出)，这在平常将决定性地赞同将耗尽模式器件用作主TBU晶体管。然而，令人惊奇的是，发现将增强模式器件用作主TBU晶体管的优点往往能超过部件数目增多这一缺点。更具体地讲，有两个主要的优点：
1)与耗尽模式MOSFET相比，具有稳固受控的阈值的增强模式MOSFET制造起来更容易且成本更低，要求更少的处理步骤；以及
2)增强模式器件能被配置成使得它们形成这样一种TBU：当TBU电压超出范围时该TBU切换到截止(除了提供过电流保护的常规TBU能力以外)。
附图说明
图1是现有技术的瞬变阻挡单元的示意图。
图2是现有技术的瞬变阻挡单元的另一个示意图。
图3示出了涉及本发明的实施方式的示意图。
图4是本发明的第一实施方式的示意图。
图5是本发明的第二实施方式的示意图。
图6是本发明的第三实施方式的示意图。
图7是本发明的第四实施方式的示意图。
图8是本发明的第五实施方式的示意图。
图9是本发明的第六实施方式的示意图。
具体实施方式
图4是本发明的第一实施方式的示意图。在本电路中，+V表明这是正轨道。M2和M4是增强模式器件，M3是耗尽模式器件。较佳地，M2和M4是n沟道金属氧化物场效应晶体管(NMOS)，J1优选是p沟道结型场效应晶体管(JFET)。J1和M2在主TBU电流路径中，所以这些晶体管可以被称为主晶体管。M4不在主TBU电流路径中，所以称这一晶体管为辅助晶体管是方便的。此处，M2的栅极连接到M4，M4的栅极连接到J1和M2之间的节点。R4连接到正轨道+V。只要M4是截止的(常态TBU导通模式)，M2的栅极就被拉高，这使其导通。(在实践中，跨接在M4的漏极-源极上的齐纳箝位二极管可以被用于(未示出)防止过大的电压，或者M4可以被允许雪崩，以便保护M2的栅极。)“受保护的”端子是TBU的受保护的一侧，可以被连接到IC或其它受保护的装备。“接口”端子是TBU的暴露的一侧，此处，可能会经历浪涌。
如果发生浪涌且正向地拉动该接口，如果足够大的电流流过，则TBU将以增强模式辅助式TBU的常态方式来起作用，因为该电流会导致形成横跨J1的电压，如果该电压是足够大的，则将使M4导通；转而将有效地将M2的栅极连接(即短接)到J1的源极(或漏极)，这转而将使M2截止。这样，就有可能提供TBU电流保护能力，而不使用耗尽模式NMOS器件。
如果TBU的受保护的端子连接到高阻抗受保护器件，则电流流动可能不足以使TBU跳开。在这种情况下，受保护的端子也将被正向拖向+V。如果电压的变化率是相对较低的，则当M2的源极逼近+V时，R4将使M2的栅极保持在+V，由此使M2截止。由此，任何会迫使TBU高过正轨道的浪涌也都会使TBU截止。
在实践中，M2通常是相当大的NMOS，由此具有相当大的栅极电容。在这种情况下，因为栅极电容和R4构成了很长的RC时间常数，所以TBU仅仅因缓慢移动的浪涌而截止，但是可能无法快到足以响应于比方说60Hz干线AC，而这是保护器件的首要要求。为了提高截止速度，能通过使用两个额外的小的增强模式器件M5和M6来修改该电路。
图5示出了所得的电路。此处，M5和M6用作简单的比较器。在该电路中，常态下，通过电阻器R13所加的正偏置使M5完全导通，这使M6完全截止，该电路就像上文所述那样起作用，区别之处在于，现在分压器是由R4和R12形成的。这一差别并不实质性地改变该电路的操作或效果。
现在，当发生正浪涌时，M5随着其源极逼近+V而被截止，因为M5的栅极通过R13被束缚到+V。M5是相对非常小的，所以其栅极电容很低。因此，它随栅极驱动减小反应很迅速，并且随着接口节点逼近+V而截止。当M5截止时，通过R12施加的电压使M6导通，从而通过R11吸陷电流并且使NMOS M2的任何栅极电荷放电，R11具有相对低的值。这样，就能为M2提供低阻栅极电容放电路径。
在先前的示例中，考虑了具有单向电流阻挡能力的TBU。本发明的方案也可应用于双向TBU。
图6示出了根据本发明的双向TBU的一个示例。在本电路中，+V表明这是正轨道。M1、M2和J1在主TBU电流路径中。M1和M2是增强模式器件，J1是耗尽模式器件。辅助晶体管M3和M4也是增强模式器件，但是它们不在主TBU电流路径中。辅助晶体管M3和M4分别对应于主晶体管M1和M2。较佳地，M1、M2、M3和M4是NMOS器件，J1优选是p沟道JFET。R3和R4连接到正轨道+V。只要M3和M4是截止的(常态TBU导通模式)，这两个HV NMOS M1和M2的栅极就被拉高，这使它们导通。(在实践中，跨接在M3和M4的漏极-源极上的齐纳箝位二极管可以被用于(未示出)防止过大的电压，或者这些器件可以被允许雪崩，以便保护M1和M2的栅极。)
对于正向拉动所述接口的浪涌，该电路基本上就像图4的电路那样工作，并且提供了过电流和过电压保护。R6、R7、D1和D2所形成的网络确保了在J1的栅极处呈现合适的TBU反馈电压。二极管D1和D2防止电阻器产生分压器的作用，此作用将使所述反馈电压减小到1/2，由此降低TBU的灵敏性。如果发生负浪涌且足够大的电流流过，则跨J1形成的电压将使M3导通，这转而使M1的栅极短接至M2的源极，这转而使M1截止。这样，就有可能提供双向TBU电流保护能力，而不使用耗尽模式NMOS器件。
图6的电路可以被修改，以通过提供低阻抗栅极电容放电路径来提高M2的切换速度。
图7是这种经修改的电路的示例。在该电路中，由R1、R2和R5所形成的网络将电压参考基准提供给晶体管M4、M5和M6，使得它们能充当电压比较器，正如结合图5所描述的那样。
在图6和7的示例中，提供了针对过电流条件的双向保护，但是过电压保护是单向的。例如，引起过电压但不引起过电流的负的行进浪涌将被传递给受保护的器件。在防止这种可能性很重要的情况下，可以添加电压比较能力。
图8和9示出了这种经修改的电路的示例，它们分别对应于图6和7的示例。此处，正电压轨道被称为+V2，负电压轨道被称为-V1。在这些示例中，增强模式MOS晶体管M7和M8与电阻器R1、R2、R5、R8-R10和二极管D4-D6相结合，充当电压比较电路。更具体地讲，这种比较电路在TBU输出电压接近或超过负轨道(-V1)的情况下使该TBU截止。当TBU输出电压(Vout)下降到满足Vdiode-Vth＝(Vout)-(-V1)的电压以下时，NMOS M7被导通，从而使NMOS M8截止。M8的漏极处的上升电压接下来使JFET J1截止。D4的二极管电压降Vdiode可以被选定为补偿M7的阈值电压Vth，以使得随着输出电压Vout被拉到接近或低于-V1时TBU截止。在某些应用中，通过设置合适的二极管电压降来将该阈值设置成稍微高于或稍微低于-V1以便达到最佳的保护性能可能是有利。在一些情况下，D4可以被连接成正向偏置，并且正向电压二极管压降可以被用作参考基准。在其它情况下，可使用多个正向偏置的二极管或正向和反向偏置的二极管的组合来进行最佳的补偿。
可以看出，响应于+V2以上或-V1以下的电压浪涌而使TBU截止的这两个功能是分别通过器件M5/6和M7/8而实现的。所得的TBU电路很容易用允许简单的低电压辅助NMOS器件和高电压高阻值电阻器的简单工艺来集成。
上面的描述是作为示例，而非作为限制。基于上面的原理，给定示例的许多变体将会是明显的。本发明的实践并不决定性地取决于TBU电路中所使用的晶体管的极性和/或类型。例如，器件的极性以及电压输入能够全都被一致地反转。PMOS晶体管能被用于替代NMOS晶体管，比如M1和M2，尽管NMOS器件通常是较佳的，因为它们往往提供比PMOS器件更佳的适于TBU的电性能。在反转极性的情况下，V1和V2极性如今也将被反转，从而相对于V1而言V2变为负的。
Claims (8)
1.一种瞬变阻挡单元TBU，包括：
至少两个主晶体管，所述至少两个主晶体管被串联连接以使得当穿过瞬变阻挡单元TBU输入和瞬变阻挡单元TBU输出之间的每一个所述主晶体管的瞬变阻挡单元TBU电流超过预定的阈值大小时，所述主晶体管自动地切换到高阻抗状态；以及
至少一个辅助晶体管；
并且其中所述至少两个主晶体管包括第一增强模式晶体管、第二增强模式晶体管以及连接在所述第一和第二增强模式晶体管之间的耗尽模式晶体管，
所述第一增强模式晶体管的栅极连接到所述辅助晶体管中的第一辅助晶体管，
所述第二增强模式晶体管的栅极连接到所述辅助晶体管中的第二辅助晶体管，
所述第一辅助晶体管的栅极连接到在所述耗尽模式晶体管和所述第一增强模式晶体管之间的节点，以及
所述第二辅助晶体管的栅极连接到在所述耗尽模式晶体管和所述第二增强模式晶体管之间的节点。
2.如权利要求1所述的瞬变阻挡单元TBU，其特征在于，
所述第一增强模式晶体管和第二增强模式晶体管均包括一个或更多个金属氧化物场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的瞬变阻挡单元TBU，其特征在于，
所述至少两个主晶体管中的一个或更多个是耗尽模式器件。
4.如权利要求3所述的瞬变阻挡单元TBU，其特征在于，
所述耗尽模式器件包括一个或更多个结型场效应晶体管。
5.如权利要求1所述的瞬变阻挡单元TBU，还包括：
用于为所述第一增强模式晶体管和第二增强模式晶体管中的一个或更多个提供低阻抗栅极电容放电路径的电路。
6.如权利要求1所述的瞬变阻挡单元TBU，还包括：
连接到所述瞬变阻挡单元TBU的电压比较电路，如果所述瞬变阻挡单元TBU输出处的输出电压落在预定的电压范围之外，则所述电压比较电路将栅极电压提供给所述至少两个主晶体管中的一个或更多个以使所述主晶体管中的所述一个或更多个截止。
7.如权利要求6所述的瞬变阻挡单元TBU，还包括：
用于为所述第一增强模式晶体管和第二增强模式晶体管中的一个或更多个提供低阻抗栅极电容放电路径的电路。
8.如权利要求2-5中的任一项所述的瞬变阻挡单元TBU，还包括：
连接到所述瞬变阻挡单元TBU的电压比较电路，如果所述瞬变阻挡单元TBU输出处的输出电压落在预定的电压范围之外，则所述电压比较电路将栅极电压提供给所述至少两个主晶体管中的一个或更多个以使所述主晶体管中的所述一个或更多个截止。
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