CN102007660A - 限流电涌保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了限流电涌保护装置。限流电涌保护装置包括串联连接的常开MOSFET对，以及用于监控常开MOSFET对两端电压的一对电压控制的常关开关。在此，电压控制的常关开关根据MOSFET对两端的过阈值电压关闭，并且减少常开MOSFET对的栅极驱动电位以限制流经常开MOSFET对的电流。

Description

限流电涌保护装置
发明领域
本发明一般地涉及电子装置。更具体地，本发明涉及使用串联连接的常开MOSFET和电压控制的常关开关的限流电涌保护装置。
背景技术
在大多数电保护应用中，关键是将保护装置切换至流向受保护装置的电流基本上阻断或受到限制的状态。在诸如熔断器、电路断路器以及瞬态闭锁单元(TBU)等多种保护方案中，一般观察到的都是这种情况。
当将故障保护状态期间所引起的功率耗散限制到不足以对限流装置造成破坏的级别时，就可使用限流器。
如图1a的VDSL应用100中，驱动器102通过变压器交流耦合，因此线路侧的长期短路电流不能在驱动器中引起持续的直流电流。因此，可有利地使用限流保护装置保护驱动器。
当电流上升到高于特定阈值时，TBU将急剧地减小输出电流，限流器将电流限制在特定级别上，因此防止瞬态事件中驱动器出现过电流。因为瞬态是由交流耦合所导致而寿命短暂，由闪电或功率交扰所导致的持续的故障不会在限流器中引起过消耗的问题。
图1b示出现有技术的限流装置的一般地不良线性度的图，其中已知改变正向和反向晶体管元件二者的栅极驱动会引起晶体管电阻的调制。因此，在电流高于所要求的限制阈值约50％时，线性度误差可能变得很大。
与标准TBU的使用相比，要求的是一种面积小、成本低以及电阻改进的限流装置。此外，需要例如VDSL应用中保护低电压驱动器的解决方法，其中低电阻、良好的线性度以及快速响应是关键。
发明内容
为了解决这个技术中的缺点，本发明提供一种限流电涌保护装置，该装置具有串联的常开MOSFET对以及用于监控常开MOSFET对的两端电压的一对电压控制的常关开关。在此，电压控制的常关开关根据MOSFET对两端的过阈值电压关闭，并且减少常开MOSFET对的栅极驱动电位以限制流经常开MOSFET对的电流。
根据本发明的一个实施例，限流电涌保护装置还包括电压控制的一对常关开关的栅极保护，其中栅极保护具有置于电压控制的第一常关开关与第一端之间的第一二极管箝位，以及置于电压控制的第二常关开关与第二端之间的第二二极管箝位。
根据本发明的一个方面，常开MOSFET是耗尽型MOSFET。在此，耗尽型MOSFET可以是NMOS或者PMOS。
在另一个方面，电压控制的常关开关为至少一个增强型MOSFET。在此，增强型MOSFET可以是根据耗尽型器件所选择的增强型NMOS或者增强型PMOS。
根据另一个实施例，第一常开MOSFET的漏极连接到第一端，第二常开MOSFET的漏极连接到第二端，其中，第一常开MOSFET的栅极电阻性地连接到第一端，第二常开MOSFET的栅极电阻性地连接到第二端。在此，第一常开MOSFET的栅极还连接到第一常关增强型MOSFET的源极，第二常开MOSFET的栅极还连接到第二常关增强型MOSFET的源极。此外，第一常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到第一端，第一常关增强型MOSFET的漏极连接到第二端，第二常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到第二端，而第二常关增强型MOSFET的漏极连接到第一端。
本实施例的一个方面，第一常关增强型MOSFET的栅极经第一二极管箝位还连接到第二端，第二常关增强型MOSFET的栅极经第二二极管箝位还连接到第一端。
本发明的另一个方面，常开MOSFET是耗尽型MOSFET，其中耗尽型MOSFET可以是NMOS或者PMOS。
本发明的还一个方面中，由电压控制的常关开关是增强型MOSFET，其中增强型MOSFET可以是增强型NMOS或者增强型PMOS。
根据本发明的另一个实施例，电压控制的常关开关是串联连接的增强型MOSFET对，其中第一常开MOSFET的漏极连接到第一端，第二常开MOSFET的漏极连接到第二端，第一常开MOSFET的栅极电阻性地连接到第一端，第二常开MOSFET的栅极电阻性地连接到第二端。在此，第一常开MOSFET的栅极还连接到第一常关增强型MOSFET的漏极，第一常关增强型MOSFET的源极连接到第二常关增强型MOSFET的源极，第二常关增强型MOSFET的漏极连接到第二端，其中第二常开MOSFET的栅极还连接到第三常关增强型MOSFET的漏极，第二常关增强型MOSFET的源极连接到第四常关增强型MOSFET的源极，而第四常关增强型MOSFET的漏极连接到第一端。此外，第一常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到第一端，还连接到第二常关增强型MOSFET的栅极，第二常关增强型MOSFET的栅极还连接到包括第一二极管箝位的第二端，其中第三常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到第二端，还连接到第四常关增强型MOSFET的栅极，而第四常关增强型MOSFET的栅极经第二二极管箝位还连接到第一端。进一步地，第一常关增强型MOSFET的衬底连接到第二常关增强型MOSFET的衬底，还连接到第一常开MOSFET的源极；第三常关增强型MOSFET的衬底连接到第四常关增强型MOSFET的衬底，还连接到第二常开MOSFET的源极。
根据本实施例的一个方面，常开MOSFET是耗尽型MOSFET，其中耗尽型MOSFET可以是NMOS或者PMOS。
根据本实施例的另一个方面，增强型MOSFET可以是增强型NMOS或者增强型PMOS。
附图简述
通过结合附图阅读以下具体描述将理解本发明的目的和优点，其中：
图1a示出受TBU保护的典型VDSL应用。
图1b示出现有技术中限流器电路的线性度曲线。
图2示出根据本发明的具有栅极保护的一般电压控制的限流器。
图3a-3b分别示出根据本发明的增强型限流器和具有栅极保护的增强型限流器。
图4示出根据本发明的图3a所示电路的仿真。
图5示出根据本发明的用于敏感模拟应用的改进型装置的图3a所示电路的([Δ]R/R)线性度曲线。
图6示出根据本发明的增强型器件与控制晶体管串联的一个实施例。
图7示出根据本发明的限流器实现的电流与电压间的关系。
发明详细描述
虽然下述详细描述出于说明的目的包含诸多细节，任何本领域普通技术人员将容易理解对于下述示例性详述的许多变化和改变落入本发明的范围之内。相应地，下述本发明优选的实施例没有缺失任何概括地没有强加限制地陈述了要求保护的发明。
限流器是限制流经其的电流小于某一预定值的装置。因此，限流器与更典型的保护装置之间的主要不同点在于，当达到或超过限流器的阈值时，限流器不会实际关断。
本发明是用于闭锁短时间瞬变的新型限流装置，这在VDSL等低成本的数据线保护应用中尤其有用。
根据一个实施例，限流装置是适合应用于线性度并非关键考虑因素的诸多应用的简单、最低成本的装置。本发明的装置通过利用反向增强型NMOS检测限流器两端的电压、然后减小栅极驱动、从而提供有限‘跳闸’功能，仅以相比于本领域现有技术最小的面积和工艺复杂度代价提供更佳的线性度。本发明还以相比于本领域现有技术最小的面积和工艺复杂度代价提供耗尽型栅极电压的更佳控制，从而带来更佳的线性度。根据一个实施例，使用正常连接和反向连接的NMOS器件的复合件对于NMOS设计没有特殊要求，并且可使用源极连接到衬底的标准LDMOS型设计。这种设计为高电压电流提供最佳峰值电流，并且制造成本最低。要理解NMOS器件作为示例性器件使用，其中这些MOSFET器件可以是NMOS或者PMOS器件。
例如相比于标准TBU的使用，本发明节省了面积、减少了成本、改善了电阻。
图2示出根据本发明的具有串联连接的常开的MOSFET对202以及用于监控常开的MOSFET对202两端电压的一对电压控制的常关开关204的一般限流电涌保护装置200。在此，电压控制的常关开关204根据MOSFET对202两端的过阈值电压关闭，并且减少常开MOSFET对202的栅极驱动电位以限制流经常开MOSFET对202的电流。
相对于图1b所示现有技术的限流装置的不良性能，本发明中，由于输出电流被良好地限制在输出驱动器的能力之内，本发明的限流功能给驱动器提供完美的保护。
本发明的限流器较之传统TBU保护具有诸多优点，因为总电阻仅由两个MOSFET控制而非由占据多于40％典型低电压TBU电阻的NMOS以及串联PJFET控制。因此可以看出，该限流器提供一种比现有保护装置更小、电阻更低且成本更低的装置。
对于一些涉及基于模拟的信号传输的应用中，线性度是关键的考虑因素。适合于这些应用的改进型限流器电路300在图3a中示出，附加的栅极保护在图3b中示出。在此实现中，两个小型增强型器件302和304连接成在装置300两端施加正电压时使增强型NMOS 304常关。要注意，302在其源极和漏极两端反向偏置，并且起初关断。
如图3a和3b所示，第一常开MOSFET 304的漏极302连接到第一端306，第二常开MOSFET 310的漏极308连接到第二端312，其中第一常开MOSFET 304的栅极314电阻性地连接到第一端306，第二常开MOSFET310的栅极316电阻性地连接到第二端312。在此，第一常开MOSFET 304的栅极314还连接到第一常关增强型MOSFET 320的源极318，第二常开MOSFET 310的栅极316还连接到第二常关增强型MOSFET 324的源极322。此外，第一常关增强型MOSFET 320的栅极326电阻性地连接到第一端306，第一常关增强型MOSFET 320的漏极328连接到第二端312，第二常关增强型MOSFET 324的栅极330电阻性地连接到第二端312，而第二常关增强型MOSFET 324的漏极332连接到第一端306。
如图3b所示，第一常关增强型MOSFET 320的栅极326经第一二极管箝位334还连接到第二端312，第二常关增强型MOSFET324的栅极330经第二二极管箝位336还连接到第一端306。要理解本发明的限流器的实施例可以是如图所示的双向，或者是单向(未示出)。
例如，当发生电涌时，由于电涌电流，两个常开耗尽型NMOS 304和310两端所下降的电压上升，从而开启反向NMOS 320。这引起反向NMOS320开启，从而将栅极驱动减小到306。如图4所示，这导致304的电阻上升，因此与峰值402相比电流降低约30％，图中还示出由DM装置控制的恒定电流404级别。
这种增强型限流器达到显著程度的电流减小，因此还减小了对于应用的压力。此外，在正常使用中，NMOS 304的栅极驱动会使NMOS 304的电阻随着增加的电流最小程度地变化，极大地改进了敏感模拟应用中的装置的线性度，如图5所示，看出限制电流70％处的线性度仅为2％，而图1b中所示的现有技术为15％。
图3a-3b所示电路执行改进限流器的功能，但由于通过单片装置的电阻性衬底连接的可能的相互作用，实际上可能难以实现。SOI技术可用于提供隔离，但这可能对装置是个不期望的附加成本。
为了克服这个问题，可使用图6所示的增强型器件与控制晶体管串联的限流器电路600。
如图所示，由电压控制的常关开关是串联连接的增强型MOSFET对，其中第一常开MOSFET 604的漏极602连接到第一端606，第二常开MOSFET 610的漏极608连接到第二端612，第一常开MOSFET 604的栅极614电阻性地连接到第一端606，第二常开MOSFET 610的栅极616电阻性地连接到第二端612。在此，第一常开MOSFET 604的栅极614还连接到第一常关增强型MOSFET 620的漏极618，第一常关增强型MOSFET620的源极622连接到第二常关增强型MOSFET 626的源极624，第二常关增强型MOSFET 620的漏极619连接到第二端，其中第二常开MOSFET 610的栅极616还连接到第三常关增强型MOSFET 630的漏极628，第二常关增强型MOSFET 630的源极632连接到第四常关增强型MOSFET 636的源极634，而第四常关增强型MOSFET 636的漏极638连接到第一端606。此外，第一常关增强型MOSFET 620的栅极640电阻性地连接到第一端606，还连接到第二常关增强型MOSFET 626的栅极642，第二常关增强型MOSFET 624的栅极642经第一二极管箝位644还连接到第二端612，其中第三常关增强型MOSFET 630的栅极646电阻性地连接到第二端612，还连接到第四常关增强型MOSFET 636的栅极648，而第四常关增强型MOSFET 636的栅极648经第二二极管箝位650还连接到第一端606。进一步地，第一常关增强型MOSFET 620的衬底652连接到第二常关增强型MOSFET 626的衬底654，还连接到第一常开MOSFET 604的源极656，第三常关增强型MOSFET 630的衬底658连接到第四常关增强型MOSFET636的衬底660，还连接到第二常开MOSFET的源极662。
例如，在这个实现中，附加的增强型NMOS 602和604与控制晶体管606和608串联使用。增强型晶体管602和604可使用浮动源型工艺，例如前面所述的SOI型。
替换地，优选地为了成本和易于处理，NMOS 602和604可以全部为更传统的LDMOS(未示出)设计，其中衬底和源极相连。在这种情况下，要满足的简单要求是，衬底必须具有足够高的电阻率，使得当606开启时流经衬底到606的电流引起的606两端的电压降可忽略。通过用在典型NMOS型工艺设计中使用的衬底适当地调节器件606和608的尺寸，可容易满足此要求。
如前所述，对于增强型器件的栅极保护由电阻器/齐纳二极管箝位提供。
现在，添加两个NMOS 602和604允许更好地控制耗尽型器件栅极，因为栅极电压(例如610)的正向极端电压不被反向增强型NMOS 606的二极管动作所限制。如图7所示，这导致高电压电流的更高跳闸电流。虽然上述示例性实施例是双向的，要理解单向的实施例也落入本发明的范围中。
现已根据几个示例性实施例描述了本发明，其旨在说明所有方面而非限制。因此，在具体实施中本发明可以有多种变化，多种变化可以由本领域普通技术人员从这里所包含的描述中导出。
所有这些变化视为落入由下述权利要求书和其法律等效方案定义的本发明的范围和精神中。

Claims (16)

1.一种限流电涌保护装置，包括串联连接的常开MOSFET对以及用于监控所述常开MOSFET对的两端电压的一对电压控制的常关开关，其特征在于，所述电压控制的常关开关根据所述MOSFET对两端的过阈值电压关闭，并且减少所述常开MOSFET对的栅极驱动电位以限制流经所述常开MOSFET对的电流。
2.如权利要求2所述的限流电涌保护装置，还包括所述一对电压控制的常关开关的栅极保护，其特征在于，所述栅极保护包括置于电压控制的第一常关开关与第一端之间的第一二极管箝位，以及置于电压控制的第二常关开关与第二端之间的第二二极管箝位。
3.如权利要求1所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述常开MOSFET是耗尽型MOSFET。
4.如权利要求3所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由NMOS和PMOS组成的组中选择所述耗尽型MOSFET。
5.如权利要求1所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述电压控制的常关开关是至少一个增强型MOSFET。
6.如权利要求5所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由增强型NMOS和增强型PMOS组成的组中选择所述增强型MOSFET。
7.如权利要求1所述的限流电涌保护装置，其中，第一常开MOSFET的漏极连接到第一端，而第二常开MOSFET的漏极连接到第二端，其中，所述第一常开MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第一端，而所述第二常开MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第二端，其中，所述第一常开MOSFET的所述栅极还连接到第一常关增强型MOSFET的源极，并且所述第二常开MOSFET的所述栅极还连接到第二常关增强型MOSFET的源极，其中，所述第一常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第一端，而所述第一常关增强型MOSFET的漏极连接到所述第二端，所述第二常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第二端，而且所述第二常关增强型MOSFET的漏极连接到所述第一端。
8.如权利要求7所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述第一常关增强型MOSFET的所述栅极还连接到包括第一二极管箝位的所述第二端，而所述第二常关增强型MOSFET的所述栅极还连接到包括第二二极管箝位的所述第一端。
9.如权利要求7所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述常开MOSFET是耗尽型MOSFET。
10.如权利要求9所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由NMOS和PMOS组成的组中选择所述耗尽型MOSFET。
11.如权利要求7所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述电压控制的常关开关是增强型MOSFET。
12.如权利要求11所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由增强型NMOS和增强型PMOS组成的组中选择所述增强型MOSFET。
13.如权利要求1所述的限流电涌保护装置，其中，所述电压控制的常关开关包括串联连接的增强型MOSFET对，其中第一常开MOSFET的漏极连接到第一端，而第二常开MOSFET的漏极连接到第二端，其中，所述第一常开MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第一端，而所述第二常开MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第二端，其中，所述第一常开MOSFET的所述栅极还连接到第一常关增强型MOSFET的漏极，而且所述第一常关增强型MOSFET的源极连接到第二常关增强型MOSFET的源极，所述第二常关增强型MOSFET的漏极连接到所述第二端，其中，所述第二常开MOSFET的所述栅极还连接到第三常关增强型MOSFET的漏极，而所述第二常关增强型MOSFET的源极连接到第四常关增强型MOSFET的源极，而且所述第四常关增强型MOSFET的漏极连接到所述第一端，其中，所述第一常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第一端，还连接到所述第二常关增强型MOSFET的栅极，以及所述第二常关增强型MOSFET的所述栅极还连接到包括第一二极管箝位的所述第二端，其中，所述第三常关增强型MOSFET的栅极电阻性地连接到所述第二端，还连接到所述第四常关增强型MOSFET的栅极，而且所述第四常关增强型MOSFET的所述栅极还连接到包括第二二极管箝位的所述第一端，其中，所述第一常关增强型MOSFET的衬底连接到所述第二常关增强型MOSFET的衬底，还连接到所述第一常开MOSFET的所述源极，以及所述第三常关增强型MOSFET的衬底连接到所述第四常关增强型MOSFET的衬底，还连接到所述第二常开MOSFET的源极。
14.如权利要求13所述的限流电涌保护装置，其特征在于，所述常开MOSFET是耗尽型MOSFET。
15.如权利要求14所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由NMOS和PMOS组成的组中选择所述耗尽型MOSFET。
16.如权利要求13所述的限流电涌保护装置，其特征在于，从所述由增强型NMOS和增强型PMOS组成的组中选择所述增强型MOSFET。
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