CN102263397A - 用于电子装置的保护电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于保护电子装置免受施加到输入或者输出端子的过量电压损坏的电路，所述电路包括将所述电子装置耦合到所述端子的固态继电器。所述固态继电器可以包括耦合在所述电子装置和所述端子之间的光晶体管以及光学耦合到所述光晶体管的发光二极管。所述固态继电器与诸如一个或者多个增强型场效应晶体管的限流装置串联耦合。耦合到所述端子的电压检测器检测大于特定值的电压并且使电流流经所述发光二极管，从而中断所述端子和所述电子装置之间的耦合。所述电压检测器可以耦合在至端子之间的耦合路径以及至所述电子装置的两个分隔开的连接之间以使得所述电压检测器避免转移来自所述耦合路径的电流。

Description

用于电子装置的保护电路和方法

技术领域

本发明的实施例涉及具有输入端子和/或输出端子的电子装置，并且尤其涉及用于保护所述电子装置免受由施加到所述输入端子和/或输出端子的过量电压导致的损坏。

背景技术

电子装置通常具有接收各种类型信号的输入端子或者从其提供各种类型输出信号的输出端子。实际上，许多电子装置具有这样的输入端子和输出端子二者。这样的电子装置包括在向输入端子或者输出端子施加具有大幅值的电压时会被损坏的内部电路或者元件。例如，电子测试设备会具有从其提供精确输出电压或者电流的输出端子。这些输出电压或者电流的幅值相对较低，并且如果向该输出端子施加诸如AC电源电压的相对较大的电压或者电流则会损坏提供这些输出电压或者电流的电路或者元件。

例如使用低电流保险丝(fuse)来保护这些电路或者元件看起来是相对简单的事情。然而，耦合到端子的电路或者元件可能在保险丝达到熔化温度之前即被损坏。而且，端子之间的阻抗会太高而不允许响应于高电压的足够电流流经保险丝，以使得保险丝无法断开来保护内部电路或者元件。也可以与端子并行放置快动(fast-acting)电流感测元件。然而，使由内部电路或者元件提供的全部电流从输出端子流出是重要的，因而排除了与输出端子并行的电流感测元件的使用，该电流感测元件会从内部电路或者元件吸入将从输出端子流出的电流。例如，可以通过在端子之间耦合特定电流来测量连接在端子之间的电路元件的电阻并且随后测量端子之间的电压。如果将来自向端子供应电流的电路的电流转移到耦合在端子之间的电流感测元件，则电阻测量会出现误差。

因此，重要的是能够以不从输入或者输出端子吸入电流或者不改变输入或者输出端子之间的电压的方式，快速地去耦合电子装置的外部输入或者输出端子。

发明内容

一种用于电子装置的保护系统，包括串联耦合在输入或者输出端子和所述电子装置之间的限流装置和固态继电器。所述固态继电器可以包括与所述限流装置串联耦合在所述端子和所述电子装置之间的光晶体管，以及光学耦合到所述光晶体管的发光二极管。可以利用一个或者多个增强型场效应晶体管实现所述限流装置。电压检测电路检测施加到所述端子的具有大于特定值的幅值的电压。所述检测电路然后使所述固态继电器闭合。例如，所述电压检测电路可以向固态继电器中使用的发光二极管施加电压，从而使电流流经所述第一发光二极管。

附图说明

图1是现有技术的电子装置保护电路的实施例的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的电子装置保护电路的示意图。

图3是根据本发明另一实施例的电子装置保护电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于电子装置的现有技术的保护电路10的实施例。该保护电路10包括一对输出端子14，16，所述端子中的一个经由继电器20的触点20a耦合到第一n-沟道耗尽型场效应晶体管(“FET”)18的漏极。下面将描述控制触点20a的可导(conductive)状态的线圈。FET 18的源极耦合到第二n-沟道耗尽型FET 24的源极。FET 18，24的各自栅极均耦合到FET18，22的源极。FET 24的漏极同时耦合到端子28以及电压检测电路30，端子28可耦合到电子装置(未示出)的输出端子。电压检测电路30检测大于特定电压的电压，并且然后向继电器20的线圈20b施加信号，然后复位继电器以断开继电器触点20a。从而，保护耦合到端子28的电子装置免受施加在端子14，16之间的大于特定电压的电压。

在操作中，作为耗尽型FET的FET 18，24是一直可导的，直到源极到栅极电压达到FET的阈值电压。然而，由于FET 18，24的各自源极和栅极彼此耦合，因此FET 18，24绝不变为非可导。反而，在增加所施加的电压时，FET 18，24初始用作电阻器，以使得经过FET 18，24的电流相应地增加。然而，在FET达到饱和时，经过FET 18，24的电流保持恒定。FET 18，24因而用作限流器，直到电压检测电路30复位继电器20以断开继电器触点20a。理论上，FET 18，24的限流效应保护连接到端子28的内部电路或者元件，直到继电器触点20a被断开。然而，实际上，由于FET 18，24耗散的功率随着所施加的电压继续增加，因此在继电器触点20a能够被断开之前FET 18，24可能被损坏或者破坏。例如，尽管电压检测器30能够非常快速地检测施加到端子14，16的显著电压，但是在现有技术的保护电路10中使用的一个继电器20对于断开触点20a需要大约7ms。然而如果在这7ms内施加的电压充分增加，则会损坏或者破坏FET 18，24。因而，在许多情况下，现有技术的保护电路10是不够用的。

图2示出了根据本发明一个示例的保护电路100。保护电路100使用许多与在图1的保护电路10中所使用的相同的元件。因此，出于简化和清晰起见，将使用相同的附图标记，并且将不再重复这些元件的功能和操作。保护电路100与保护电路10的不同之处在于包括固态继电器120，用以在FET 18，24被损坏之前中断经过输出端子14的电流流动。固态继电器120可以包括耦合在一对控制端子126之间的发光二极管(“LED”)124，其中一对控制端子126中的一个经过电阻器128耦合到电压检测电路30的输出。固态继电器120也可以包括由来自LED 124的光控制的耗尽型n-沟道光学FET 130。光学FET 130耦合在一对开关端子132之间，所述一对开关端子132耦合到FET 18，24各自一个的源极。固态继电器120所具有的响应时间明显快于继电器20的响应时间，并且足够快到在FET 18，24损坏之前终止经过该FET的电流流动。然而，固态继电器120能够处理的电压幅值会小于FET 18，24能够处理的电压幅值。例如，在一个实施例中，FET 18，24可以具有大约650伏特的最大操作电压，而光学FET 130可以具有仅大约60伏特的操作电压。

在操作中，如果在端子14，16之间施加相对较高的电压，则电流初始会流经FET 18，24以及固态继电器120。然而，FET 18，24随后将该电流流动限制到防止固态继电器120两端的电压降超出其最大操作电压的水平。电压检测器30将快速感测该相对较高的电压，并且随后将向LED 124施加信号。固态继电器120中的LED 124随后将光耦合到光学FET 130，这导致其关断。显然，由于固态继电器120比继电器20响应得更快，因此该固态继电器120可以在FET18，24被损坏之前终止经过FET的电流流动。此外，继电器20将在固态继电器120两端放置过量电压之前响应。

尽管在一些实施例中可以固定电压检测器30向继电器线圈20b施加信号时的检测电压，但是在其它实施例中，该检测电压可以是动态的。更具体地说，可以利用随着在正常操作期间施加于端子14，16之间的电压的变化而改变的检测电压对电压检测器进行编程，以使得该检测电压总是大于正常操作电压。

图3中示出了另一实施例的保护电路150。保护电路150可以使用许多与在图2所示的保护电路100的实施例中所使用的相同的元件。因此，出于简化和清晰起见，将再次使用相同的附图标记，并且将不再重复这些元件的功能和操作。保护电路150与保护电路100的不同之处在于避免使用任何会转移来自位于待保护的电子装置160和端子14之间的电流路径的电流的电路元件。电子装置160可以例如是向端子14提供具有特定幅值的电流的电子测试装置。保护电路150包括电压检测器电路170，该电压检测器电路170包括将端子14耦合到第二固态继电器176和第三固态继电器180的控制端子173的电阻器172。第二固态继电器176的控制端子173连接到LED 174的阳极，并且第三固态继电器180的控制端子173连接到LED 178的阴极。每一个固态继电器176，180可以包括光学耦合到各个LED 176，178的例如分别为光学NPN晶体管184，186的光晶体管。LED 174的阴极和LED 178的阳极分别连接到第一和第二固态继电器176，178的各自控制端子173，它们顺次连接回到在端子14和电子装置160之间延伸的传导路径。晶体管184，186的各自集电极可以经由开关端子188耦合到诸如5伏特的电源电压，并且晶体管184，186的各自发射极经由另一开关端子188耦合到比较器190的输入以及电阻器192，该电阻器192耦合到地。比较器190的输出端耦合到锁存器194的设定(“S”)输入端，所述锁存器194的输出端耦合到第一反相器196的输入端和第二反相器198的输入端。第一反相器196的输出端耦合到继电器线圈20b，并且第二反相器198的输出端耦合到固态继电器120的LED 124。

在操作中，如果在端子14，16之间施加相对较高的电压，则电流初始流经FET 18，24以及固态继电器120。然而，FET 18，24随后将该电流流动限制到防止固态继电器120两端的电压降超出其最大操作电压的水平。取决于所施加电压的极性，固态继电器176，180中的LED 174，178的其中之一将在经过LED的电流达到特定电平时分别可导以导通其各自晶体管184，186。可以通过选择电阻器172的值来设定导通晶体管184，186时施加到端子14，16的电压的幅值。因而，在所施加电压达到特定电平时，将由比较器190设定锁存器194以将反相器196的输出端驱动为低并且使电流流经固态继电器120中的LED 124。同时，反相器198的输出端处的低可以复位继电器20以在继电器20的延迟之后断开继电器触点20a。流经LED 124的电流随后将点亮LED，从而关断固态继电器120中的LED 124。显然，由于固态继电器120能够比继电器20响应得更快，因此固态继电器120可以在FET 18，24被损坏之前终止经过该FET的电流流动。此外，继电器20将在固态继电器120两端放置过量电压之前响应。应该注意，流经电阻器172和LED 174，176其中之一的任何电流被返回到端子14和电子装置160之间的电流路径，从而使得检测电路170不转移从电子装置160向端子14流动的电流或者反之亦然。

尽管参照所公开的实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将意识到，可以在不偏离本发明的情况下在形式和细节方面进行改变。例如，尽管在各处将端子14描述为输出端子，但是可选地在其它实施例中，其可以是输入端子或者输入/输出端子。这样的修改将在本领域普通技术人员的技能范围内。因此，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (21)

1.一种保护电路，包括：

第一端子；

第二端子；

耦合到所述第一端子的限流装置；

固态继电器，具有与所述限流装置串联耦合在所述第一端子和所述第二端子之间的开关端子，所述固态继电器具有控制端子并且所述固态继电器被配置为响应于施加到所述控制端子的控制信号来选择性地使第一和第二开关端子彼此去耦合；以及

检测电路，耦合到所述固态继电器和所述第一端子，并且所述检测电路被配置为检测施加到所述第一端子的具有大于特定值的幅值的电压，所述检测电路被配置为响应于检测具有大于该特定值的幅值的所述电压来向所述固态继电器施加所述控制信号。

2.如权利要求1所述的保护电路，还包括继电器，该继电器具有与所述固态继电器串联耦合在所述第一端子和所述第二端子之间的继电器触点，所述继电器还具有继电器线圈，该继电器线圈耦合到所述检测电路，用以响应于检测具有大于所述特定值的幅值的所述电压来接收来自所述检测电路的信号以断开所述继电器触点。

3.如权利要求1所述的保护电路，其中，所述限流装置包括至少一个耗尽型场效应晶体管。

4.如权利要求3所述的保护电路，其中，所述限流装置包括：

第一耗尽型场效应晶体管，具有栅极、耦合到所述第一端子的漏极、和耦合到所述固态继电器的源极；以及

第二耗尽型场效应晶体管，具有耦合到所述第二端子的漏极、耦合到所述固态继电器以及所述第一耗尽型场效应晶体管的栅极的源极、和耦合到所述第一耗尽型场效应晶体管的源极的栅极。

5.如权利要求1所述的保护电路，其中，所述固态继电器包括：

耦合到所述固态继电器的所述控制端子的发光二极管；以及

光学耦合到所述发光二极管的光晶体管，所述光晶体管耦合在所述固态继电器的所述开关端子之间。

6.如权利要求1所述的保护电路，其中，所述检测电路包括电压检测器，所述电压检测器耦合到所述第二端子并且所述电压检测器被配置为检测大于特定电平的电压，所述电压检测器被配置为响应于检测大于所述特定电平的电压，来向所述固态继电器施加所述控制信号以使所述第一和第二开关端子彼此去耦合。

7.如权利要求1所述的保护电路，其中，所述检测电路包括在至所述第一端子的第一连接和至所述第一端子的第二连接之间延伸的电路，所述第二连接由所述限流装置与所述第一连接分隔开。

8.如权利要求7所述的保护电路，其中，所述固态继电器包括第一固态继电器，并且其中所述检测电路包括第二固态继电器，该第二固态继电器具有耦合在所述第一连接和所述第二连接之间的一对控制端子，所述第二固态继电器还具有耦合到所述第一固态继电器的开关端子并且所述第二固态继电器被配置为响应于在所述第一连接和所述第二连接之间流动的电流来向所述固态继电器施加所述控制信号。

9.如权利要求8所述的保护电路，其中，所述第二固态继电器包括：

耦合在所述第二固态继电器的所述控制端子之间的发光二极管；以及

光晶体管，光学耦合到所述第二固态继电器的所述发光二极管并且电耦合到所述第一固态继电器的所述控制端子。

10.如权利要求7所述的保护电路，其中，所述检测电路包括：

第一发光二极管，具有耦合到所述第一连接的阴极以及耦合到所述第二连接的阳极；

第二发光二极管，具有耦合到所述第一连接的阳极以及耦合到所述第二连接的阴极；

光学耦合到所述第一发光二极管的第一光晶体管，所述第一光晶体管耦合到所述第一固态继电器的所述控制输入端；以及

光学耦合到所述第二发光二极管的第二光晶体管，所述第二光晶体管耦合到所述第一固态继电器的所述控制输入端。

11.如权利要求10所述的保护电路，其中，所述第一和第二光晶体管经由电路耦合到所述固态继电器的所述控制输入端，所述电路包括：

比较器，具有输出端和耦合到所述第一和第二光晶体管的输入端；以及

锁存器，具有耦合到所述比较器的所述输出端的锁存器输入端以及耦合到所述固态继电器的所述控制输入端的锁存器输出端。

12.如权利要求1所述的保护电路，其中，通过以不同的电压检测电平对所述检测电路进行编程，可动态调节所述检测电路被配置用以检测的所述特定电压。

13.一种系统，包括：

电子装置，具有装置端子；

系统端子；

限流装置，将所述系统端子耦合到所述装置端子；

第一光晶体管，与所述限流装置串联耦合在所述系统端子和所述装置端子之间；

第一发光二极管，光学耦合到所述第一光晶体管；以及

检测电路，配置为检测施加到所述系统端子的具有大于特定值的幅值的电压，耦合所述检测电路以响应于检测施加到所述系统端子的具有大于特定值的幅值的电压，来向所述第一发光二极管施加电压以使电流流经所述第一发光二极管。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述限流装置包括：

第一耗尽型场效应晶体管，具有栅极、耦合到所述系统端子的漏极、和耦合到所述光晶体管的第一端子的源极；以及

第二耗尽型场效应晶体管，具有耦合到所述装置端子的漏极、耦合到所述第一耗尽型场效应晶体管的栅极以及所述光晶体管的第二端子的源极、和耦合到所述第一耗尽型场效应晶体管的源极的栅极，所述光晶体管的所述第二端子不同于所述光晶体管的所述第一端子。

15.如权利要求13所述的系统，其中，所述检测电路包括：

第二发光二极管，具有耦合到至所述系统端子的第一连接的阴极并且具有耦合到至所述系统端子的第二连接的阳极，所述第二连接由所述限流装置与所述第一连接分隔开；

第三发光二极管，具有耦合到所述第一连接的阳极以及耦合到所述第二连接的阴极；

光学耦合到所述第二发光二极管的第二光晶体管，所述第二光晶体管耦合到所述第一发光二极管；以及

光学耦合到所述第三发光二极管的第三光晶体管，所述第三光晶体管耦合到所述第一发光二极管。

16.如权利要求15所述的系统，其中，所述第二和第三光晶体管经由电路耦合到所述第一发光二极管，所述电路包括：

比较器，具有输出端和耦合到所述第二和第三光晶体管的输入端；以及

锁存器，具有耦合到所述比较器的所述输出端的锁存器输入端和耦合到所述第一发光二极管的锁存器输出端。

17.如权利要求13所述的系统，其中，所述电子装置包括电子测试装置，该电子测试装置被配置为将具有多个不同幅值的电流或者电压选择性地耦合到所述装置端子，并且其中所述检测电路被配置为可编程地随着所述电子装置耦合到所述装置端子的所述电流或者电压的变化来调节所述检测电路被配置用以检测的所述特定电压。

18.如权利要求13所述的系统，还包括继电器，该继电器具有耦合在所述系统端子和所述装置端子之间的继电器触点，所述继电器还具有继电器线圈，该继电器线圈耦合到所述检测电路，用以响应于检测具有大于所述特定值的幅值的所述电压来接收来自所述检测电路的信号以断开所述继电器触点。

19.一种保护电子装置免受施加到端子的电压损坏的方法，包括：

将所述端子经由光晶体管耦合到所述电子装置；将所述光晶体管光学耦合到发光二极管；

检测施加到所述端子的具有大于特定值的幅值的电压；

限制来自所述端子和所述电子装置的电流的流动；以及

响应于检测具有大于特定值的幅值的所述电压，通过使电流流经所述发光二极管来中断所述端子和所述电子装置之间的电连接。

20.如权利要求19所述的方法，其中，检测具有大于特定值的幅值的所述电压的动作包括检测在所述端子经由其耦合到所述电子装置的路径中的电压差。

21.如权利要求19所述的方法，其中，限制来自所述端子和所述电子装置的电流的流动的动作包括将所述端子通过至少一个耗尽型场效应晶体管耦合到所述电子装置。

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