CN104218552A - 过压过流保护元件及过压过流保护电路 - Google Patents

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霍宗亮
龙世兵
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Abstract

本发明公开了一种过压过流保护元件，该元件是两端结构的阻变存储单元，当该元件两端的电压超过一定值时，其阻值由高阻值迅速转变为低阻值或者由低阻值迅速转变为高阻值，利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值的特性，将该元件与负载相并联以实现负载的过压保护；利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值的特性，将该元件与负载相串联以实现负载的过流保护。由于RRAM器件的电阻转变速度可达纳秒(ns)级，甚至皮秒(ps)级，转变电压可由工艺来控制，且结构简单、保护速度快、高阻阻值大且具有可逆特性等特点，是一种非常理想的过压过流保护元件。

Description

过压过流保护元件及过压过流保护电路
技术领域
本发明涉及负载及电路保护技术领域，尤其是一种过压过流保护元件及过压过流保护电路。
背景技术
电子元器件主要是半导体制作的器件，是组成电子电路的主体，而每种电子元器件由于材料、工艺以及电路结构的不同，都有标称的最大承受电压(Vmax)和最大承受电流(Imax)，因此，当流过元件的电流超过最大承受电流(过流)或者加载器件上的电压超过最大承受电压(过压)时，器件将会有不同程度的损伤，严重的直接击穿或烧毁。在实际的电路应用中，短路电流通常比较大，高脉冲浪涌电压也时常存在，因此，防止电子元器件的过压和过流问题就显得十分重要。
过压保护就是用于保护后续电路或负载免受瞬间高压的破坏，稳压二极管是一种常用的过压保护器件，广泛应用在电路中。过流保护是用于保护后续电路或负载免受瞬间大电流的破坏，热敏电阻是一种常用的器件，当电流过大时，热敏电阻的功耗增加，温度升高，电阻升高，从而抑制系统中的电流。此外，除了器件的Vmax和Imax之外，器件的反应速度和漏电流也是重要的参数，若保护器件反应不及时，则被保护器件依然被损坏。上述两种电路保护技术依然是电路设计中主流的过压过流保护技术，应用广阔，但在某些精密应用场合下，反应速度不够，最快的稳压二极管通常在纳秒量级。
新型阻变存储单元(RRAM)是非挥发性存储器的一种可选方案，被广泛的研究。该元件为金属-氧化物-金属的简单两端结构，在器件两端超过一定的阈值电压时，器件的电阻可以由高电阻转变为低电阻，也可从低电阻转变为高电阻，而且高阻与低阻的电阻比很大，转变速度特快。其操作模式有单极和双极两种，单极性器件的高阻向低阻转变(称为set过程)或者低阻向高阻转变(称为reset过程)的操作电压在同一端上施加，而双极性器件的set过程和reset过程的操作电压需要变换电极。
本发明考虑过压过流保护的反应速度问题以及新型阻变存储单元的高低电阻瞬时可切换的特点，采用新型阻变存储单元(RRAM)与被保护负载项串联或者并联，可克服常规过压过流速度慢的缺陷，提高电路保护的反应速度。本发明中的过压过流保护技术既可成为现有元件的替代品，也可在快速应用场合具有一定优势，在电流保护技术上，与常规相对，瞬态抑制过流效果应该更佳。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种过压过流保护元件及过压过流保护电路，以实现对负载的有效过压和过流保护。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种过压过流保护元件，该元件是两端结构的阻变存储单元，当该元件两端的电压超过一定值时，其阻值由高阻值迅速转变为低阻值或者由低阻值迅速转变为高阻值，利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值的特性，将该元件与负载相并联以实现负载的过压保护；利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值的特性，将该元件与负载相串联以实现负载的过流保护。
上述方案中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述高阻值是大于109Ω，所述低阻值是小于10Ω。
为达到上述目的，本发明还提供了一种过压保护电路，该过压保护电路包括电源、电阻、负载和阻变存储单元，其中电源、电阻和负载依次连接形成回路，且该阻变存储单元与负载相并联。
上述方案中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值，该高阻值是大于109Ω，该低阻值是小于10Ω。
为达到上述目的，本发明还提供了一种过流保护电路，该过流保护电路包括依次连接形成回路的电源、阻变存储单元和负载，且该阻变存储单元与负载相串联。
上述方案中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值，该低阻值是小于10Ω，该高阻值是大于109Ω。
(三)有益效果
本发明提供的这种过压过流保护元件，是两端结构的新型阻变存储单元(RRAM)，其特性表现为当RRAM两端的电压超过一定值时，阻变存储单元的阻值可由高阻迅速转变为低阻，利用这一特性，当被保护负载与RRAM元件并联时，可实现负载的过压保护；同时，RRAM器件的阻值可由低阻迅速转变为高阻，利用这一特性，将RRAM器件与负载相串联，可实现负载的过流保护。由于RRAM器件的电阻转变速度可达纳秒(ns)级，甚至皮秒(ps)级，转变电压可由工艺来控制，且结构简单、保护速度快、高阻阻值大且具有可逆特性等特点，是一种非常理想的过压过流保护元件。本发明中的过压过流保护技术既可成为现有元件的替代品，也可在快速应用场合具有一定优势，在电流保护技术上，与常规相对，瞬态抑制过流效果应该更佳。
附图说明
图1是传统过压保护电路与本发明提供的RRAM器件过压保护电路的示意图；
图2是传统过流保护电路与本发明提供的RRAM器件过流保护电路的示意图；
图3是过压保护应用在信号保护电路中实例；
图4是过压保护应用在MOSFET器件保护中的实例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种过压过流保护元件，该元件是两端结构的阻变存储单元，当该元件两端的电压超过一定值时，其阻值由高阻值迅速转变为低阻值或者由低阻值迅速转变为高阻值，利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值的特性，将该元件与负载相并联以实现负载的过压保护；利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值的特性，将该元件与负载相串联以实现负载的过流保护。其中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述高阻值是大于109Ω，所述低阻值是小于10Ω。
基于本发明提供的这种过压过流保护元件，本发明还提供了一种过压保护电路，该过压保护电路包括电源、电阻、负载和阻变存储单元，其中电源、电阻和负载依次连接形成回路，且该阻变存储单元与负载相并联。其中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值，该高阻值是大于109Ω，该低阻值是小于10Ω。
基于本发明提供的这种过压过流保护元件，本发明还提供了一种过流保护电路，该过流保护电路包括依次连接形成回路的电源、阻变存储单元和负载，且该阻变存储单元与负载相串联。其中，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值，该低阻值是小于10Ω，该高阻值是大于109Ω。
图1是传统过压保护电路与本发明提供的RRAM器件过压保护电路的示意图。在传统过压保护101中，稳压二极管与负载并联，构成过压保护电路。但是在某些精密应用场合下，稳压二极管的反应速度不够，最快的稳压二极管通常在纳秒量级，不能满足某些精密应用场合的需求。在103中，阻变存储单元器件R1与负载并联，构成过压保护电路。当被保护负载上两端电压超过所能承受的最大电压时，R1的电阻值将在几纳秒甚至更短的时间内，由高阻转变为低阻，使被保护负载上的压降降到一定的水平，从而有效的保护负载。R1的工作初始电阻为高电阻，为避免保护电路对系统正常工作电路的影响，R1的阻值足够高，大于1GΩ(109Ω)，经过高压转变后的低阻值尽量小，可取小于10Ω；其转变的阈值电压依赖于被保护负载的需求来选型；操作速度选ns或ps级，依据要求选择单极性操作的器件还是双极性操作的器件，在103的应用中，选择单极性操作的器件。这种方法是在如101所示的电路应用的一种扩展或者备选方案。
图2是传统过流保护电路与本发明提供的RRAM器件过流保护电路的示意图。在传统过流保护105中，当系统电流升高时，流过热敏电阻的功耗增加，温度会升高，温度升高会导致其阻值变大，从而实现系统的过流保护，而在本发明提供的方法中，用阻变存储单元来代替热敏电阻，可实现负载电流的峰值检测。在本发明过流保护电路106中，将阻变存储单元器件R5与被保护负载相串联，当流过被保护负载上的电流超过所能承受的最大电流时，R5的电阻值将在几纳秒甚至更短的时间内，由低阻转变为高阻，从而进行负载过流保护。R5的工作初始电阻为低电阻，为避免保护电路对系统正常工作电路的影响，R1的阻值足够低，可取小于10Ω，在大电流流过时，转变后的阻值尽量大，可选择大于1GΩ(即109Ω)；其转变的阈值电压依赖于被保护负载的需求来选型；操作速度选ns或ps级，依据要求选择单极性操作的器件还是双极性操作的器件，在106的应用中，选择单极性操作的器件。
图3提供了一种过压保护应用在信号保护电路中实例，在102的电路中，当signal的电压超过负载所承受的电压，为正高压时，signal会从二极管Z2流回正电源VCC，从而实现过压保护；当signal的电压超过负载所承受的电压，为负高压时，signal会从二极管Z3流回负电源VCC，从而实现过压保护。在104的电路中，R2、R3为单极性阻变存储单元器件，图中R2、R3均有两个引脚，定义向上的引脚为上电极，向下的引脚定义为下电极。R2器件选择为初始电阻为高电阻值，R2的操作电压(set过程)在下电极，即当R2下电极的电压(与signal相连的)高于VCC一定阈值，R2才会发生突变由高阻转变为低阻，保护负载；R3器件选择为初始电阻为高电阻值，R3的操作电压(set过程)在下电极，即当R3下电极的电压(与VSS相连的)低于VSS一定阈值，R3才会发生突变由高阻转变为低阻，保护负载.
图4提供了一种过压保护应用在MOSFET器件保护中的实例，当阻变存储单元与MOSFET的源漏并联，使得源漏的电压不要超过一定阈值，从而保护源漏不被高压损坏或击穿。将阻变存储单元的转变电压设置为MOSFET源漏的最大承受电压，当源漏两端施加电压超过最大承受电压时，阻变存储单元由高阻变为低阻，相当于用低阻导线将MOSFET源漏短路，使器件不会被击穿或损坏。
因此，本发明提出的过压过流保护元件，与被保护负载相串联或并联，可实现对负载的有效过压和过流保护。本方法可替代现有保护元件，且在快速反应场合以及过流抑制场合具有一定的优势。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种过压过流保护元件，该元件是两端结构的阻变存储单元，当该元件两端的电压超过一定值时，其阻值由高阻值迅速转变为低阻值或者由低阻值迅速转变为高阻值，利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值的特性，将该元件与负载相并联以实现负载的过压保护；利用该元件两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值的特性，将该元件与负载相串联以实现负载的过流保护。
2.根据权利要求1所述的过压过流保护元件，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。
3.根据权利要求1所述的过压过流保护元件，所述高阻值是大于109Ω，所述低阻值是小于10Ω。
4.一种过压保护电路，基于权利要求1至3中任一项所述的过压过流保护元件，该过压保护电路包括电源、电阻、负载和阻变存储单元，其中电源、电阻和负载依次连接形成回路，且该阻变存储单元与负载相并联。
5.根据权利要求4所述的过压保护电路，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。
6.根据权利要求5所述的过压保护电路，所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由高阻值迅速转变为低阻值，该高阻值是大于109Ω，该低阻值是小于10Ω。
7.一种过流保护电路，基于权利要求1至3中任一项所述的过压过流保护元件，该过流保护电路包括依次连接形成回路的电源、阻变存储单元和负载，且该阻变存储单元与负载相串联。
8.根据权利要求7所述的过流保护电路，所述阻变存储单元是纳秒级阻变存储器件或皮秒级阻变存储器件。
9.根据权利要求8所述的过流保护电路，所述阻变存储单元两端的电压超过一定值时阻值由低阻值迅速转变为高阻值，该低阻值是小于10Ω，该高阻值是大于109Ω。
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